JP2009151644A - 走行可能領域生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 離散的条件が付された場合であっても、走行軌跡を生成する際の最適化手法を行う際に好適に用いられる走行可能領域を生成することができる生成装置を提供する。
【解決手段】 走行可能領域演算部１３は、障害物位置計測部１２から出力された自車両情報およびセーフティコーン位置情報に基づいて、自車両の走行軌跡を描くことができる範囲を規定する走行可能領域を算出する。このとき、同心で形状が比例関係にある大小二つの楕円弧と平行でない二つの直線部とによって囲まれた楕円扇形を含む区間および平行な二つの直線部を含む平行辺含有形状の区間を設定し、前記楕円扇形の直線部と前記平行辺含有形状における平行な二辺のうちの一辺とを繋ぎ合わせて形成した領域に基づいて、走行可能領域を生成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両などの移動体が走行する際の好適な軌跡を生成する走行可能領域生成装置に関する。

移動体、たとえば車両がコーナーを走行する際、そのコーナーを最短時間で走行する通過する軌跡を生成する手法の最適化手法として、最短時間コーナリング法が提案されている（たとえば、非特許文献１）。この最短時間コーナリング法では、直線や曲線といった２本のラインの間を道路と定義し、この道路を定式化して最適化手法により、ライン生成を行うというものである。
藤岡、江守"最短時間コーナリング法に関する論理的研究（第４報状態量不等式拘束を用いた道路条件の導入"、自動車技術会論文集Ｖｏ．２４、Ｎｏ．３Ｐ１０６−１１１、Ｊｕｌｙ１９９３

上記非特許文献１に開示された最短時間コーナリング法では、直線や曲線といった２本のラインの間を道路と定義しているため、道路が連続的に定義されていることとなる。しかし、実際の道路では、道路工事が行われ、セーフティコーンなどが載置されて、道路の制約条件として離散的条件が付されている場合がある。このような離散的条件が付されている場合には、上記非特許文献１に開示された最短時間コーナリング法では対処できなくなるという問題がある。

ここで、離散的条件が定義されている場合、これらの離散的条件となるポイントを直線でつなぎ合わせて２本のラインを生成することも考えられる。しかし、この方法では、道路として有効利用できる範囲が限られてしまい、好適な走行軌跡を生成することができないことになることがあるものであった。

そこで、本発明の課題は、離散的条件が付された場合であっても、走行軌跡を生成する際の最適化手法を行う際に好適に用いられる走行可能領域を生成することができる生成装置を提供することにある。

上記課題を解決した本発明に係る走行可能領域生成装置は、移動体が走行する走行軌跡を描く範囲を規定する走行可能領域を生成する走行可能領域生成装置であって、複数の離散要因から定められた離散的条件によって規制された走行路に対して、同心で形状が比例関係にある大小二つの楕円弧と平行でない二つの直線部とによって囲まれた楕円扇形を含む区間および平行な二つの直線部を含む平行辺含有形状の区間を設定し、楕円扇形の直線部と平行辺含有形状における平行な二辺のうちの一辺とを繋ぎ合わせて形成した領域に基づいて、移動体の走行可能領域を生成することを特徴とするものである。

本発明に係る走行可能領域生成装置においては、移動体の走行可能領域を生成するにあたり、同心で形状が比例関係にある大小二つの楕円弧と平行でない二つの直線部とによって囲まれた楕円扇形を含む区間および平行な二つの直線部を含む平行辺含有形状の区間を設定している。このような楕円および平行含有形状によって走行可能領域を生成することにより、離散的条件が付された場合であっても、走行軌跡を生成する際の最適化手法を行う際に好適に用いられる走行可能領域を生成することができる。

ここで、複数の離散要因のうち、移動体の走行軌跡の起点に近い位置における第１離散要因から次の第２離散要因への方向と移動体の進行方向の交差角が９０°以上であり、連続する二つの離散要因の通過方向が同じである場合、楕円扇形と平行辺含有形状との間に、大小二つの円弧を有する扇形を介在させ、楕円扇形と扇形との直線部、および扇形の直線部と平行辺含有形状における平行な二辺のうちの一辺とを繋ぎ合わせる態様とすることができる。

このように、移動体の走行軌跡の起点に近い位置における第１離散要因から次の第２離散要因への方向と移動体の進行方向の交差角が９０°以上であり、連続する二つの離散要因の通過方向が同じである場合、楕円扇形と平行辺含有形状との間に、大小二つの円弧を有する扇形を介在させことにより、旋回半径を小さくして曲がる必要がある場合に、走行軌跡を生成する際の最適化手法を行う際に好適に用いられる走行可能領域を生成することができる。

本発明に係る走行可能領域生成装置によれば、離散的条件が付された場合であっても、走行軌跡を生成する際の最適化手法を行う際に好適に用いられる走行可能領域を生成することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。

図１は、本発明の実施形態に係る走行可能領域生成装置のブロック構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る走行可能領域生成装置１は、障害物検出部１１、障害物位置計測部１２、および走行可能領域演算部１３を備えている。障害物検出部１１は、車両の周囲における障害物、たとえばセーフティコーンを検出する。この例では、道路に載置される障害物が通過方向および通過順番を格納する記憶媒体を備えている。

障害物検出部１１は、車両が通行する道路の側方に配置された障害物であるセーフティコーンＳＣ１，Ｃ２を検出する。本実施形態において、セーフティコーンＳＣ１，Ｃ２には、通過方向情報および通過順番情報を記憶する通過情報記憶部が設けられている。障害物検出部１１は、セーフティコーンＳＣ１，Ｃ２における通過情報記憶部に記憶された通過方向情報および通過順番情報を取得する。障害物検出部１１は、取得した通過方向情報および通過順番情報を障害物位置計測部１２に出力する。

障害物位置計測部１２は、ＧＰＳ（Global PositioningSystem）装置を備えており、衛星から受信情報と、障害物検出部１１から出力された通過方向情報および通過順番情報に基づいて、自車両の走行方向および走行位置に関する自車両情報、ならびに自車両の走行位置に対するセーフティコーンＳＣ１，ＳＣ２の位置に関するセーフティコーン位置情報を取得する。障害物位置計測部１２は、取得した自車両情報およびセーフティコーン位置情報を走行可能領域演算部１３に出力する。

走行可能領域演算部１３は、障害物位置計測部１２から出力された自車両情報およびセーフティコーン位置情報に基づいて、自車両の走行軌跡を描くことができる範囲を規定する走行可能領域を演算によって算出する。ここでの演算の手順については後に詳しく説明する。走行可能領域演算部１３は、算出した走行軌跡に関する走行軌跡を図示しない車両走行制御部に出力する。

次に、本実施形態に係る走行可能領域生成装置における走行可能領域演算部１３で行われる演算処理の手順について説明する。図２は、本実施形態に係る走行可能領域生成装置で行われる演算処理の手順を示すフローチャートである。

図２に示すように、走行可能領域生成装置１では、まず、障害物検出部１１において、セーフティコーンを検出する（Ｓ１）。セーフティコーンが検出されたら、障害物位置計測部１２において、各セーフティコーンの位置を計測する（Ｓ２）。次に、計測したセーフティコーンの位置から、走行可能領域演算部１３において境界線を生成する（Ｓ３）。

境界線の生成は任意に行うことができるが、その一例として、図３に示すように、障害物検出部１１によって複数のセーフティコーンＳＣ１１〜ＳＣ１６，ＳＣ２１〜ＳＣ２６が検出された場合を例に境界線の生成について説明する。図３に示すように、複数のセーフティコーンＳＣ１１〜ＳＣ１６，ＳＣ２１〜ＳＣ２６が検出された場合、これらのセーフティコーンの配列から、セーフティコーンＳＣ１１，ＳＣ２１を繋ぐ第１境界線Ｌ１、セーフティコーンＳＣ１２，ＳＣ２２を繋ぐ第２境界線Ｌ２、…セーフティコーンＳＣ１６，ＳＣ２６を繋ぐ第６境界線Ｌ６が生成される。

こうして、境界線Ｌ１〜Ｌ６を生成したら、前後の境界線が平行であるか否かを判断する（Ｓ４）。具体的に、第１境界線Ｌ１と第２境界線Ｌ２、第２境界線Ｌ２と第３境界線Ｌ３、…第５境界線Ｌ５と第６境界線Ｌ６とが平行であるか否かを判断する。その結果、前後の境界線が平行であると判断した場合には、本発明の平行辺含有形状である前後の境界線を２辺とする多角形状を生成する（Ｓ５）。なお、ここでは便宜上「多角形状」と呼称しているが、多角形状としては、多角形に限らず、平行な２辺を有し、これらの２辺と、これらの２辺の端部同士を繋ぐ線で囲まれる形状であれば、ここでの「多角形状」に含まれる。平行な２辺の端部同士を繋ぐ線は、直線や曲線、これらの線を複合したもののいずれであってもよい。

また、前後の境界線が平行でないと判断した場合には、前後の境界線から楕円形状を生成する（Ｓ６）。楕円形状を生成する場合には、両境界線の延長線の交点を中心とし、その中心と境界線端の距離の長い方を長径、あるいは短い方を短径とする大小二つの楕円弧を描く。これら二つの境界線と二つの楕円弧で囲まれる部分を楕円形状として生成する。

図３に示す例では、第１境界線Ｌ１と第２境界線Ｌ２、第２境界線Ｌ２と第３境界線Ｌ３、第５境界線Ｌ５と第６境界線Ｌ６がそれぞれ前後の境界線が平行な２辺となる。また、第３境界線Ｌ３と第４境界線Ｌ４、第４境界線Ｌ４と第５境界線Ｌ５がそれぞれ平行でない２辺となる。

このような多角形状および楕円形状を生成することにより、離散的条件が付された場合であっても、連続的条件が与えられた場合と同様の好適な走行軌跡を生成することができる。以下、その理由について説明する。

前後する２つの境界線が与えられた場合、境界線が平行であると、下記（１）式で示すような制御変数ｘ，ｙのみで最適化に対する解を得ることはできない。

ｇ（ｘ）＜Ｙ＜ｆ（ｘ） ・・・（１）
最適化に対する解を得るために満たすべき条件として、ｘ，ｙ座標のような状態変数のみでの表記ではなく、ダミーの制御変数（Ｕｒ）を等式条件として表現されていることが求められる。この等式条件を満たすためには、定義される区間が次の２つの条件のいずれかを満たすことが求められる。

その１つ目の条件は、図４（ａ）に示すように、前後の境界線Ｌａ，Ｌｂが平行な場合には、境界線に垂直な軸の変数ｘを用いて道路境界線が連続した関数として表せることである。この場合の境界線Ｌａ，Ｌｂのそれぞれの両端を互いに接続する線を関するｆ（ｘ），ｇ（ｘ）とすると、制御変数Ｕｒが下記（２）式を満たすことを条件とすることができる。

また、２つ目の条件は、図４（ｂ）に示すように、前後の境界線Ｌａ，Ｌｂが平行でない場合には、境界線Ｌａ，Ｌｂの端部同士を大小二つの楕円弧でそれぞれ繋いで定義されることである。ここでの一方の楕円弧としては、２本の境界線Ｌａ，Ｌｂの延長線の交点を中心点Ｃ（Ｘｃ，Ｙｃ）として、境界線Ｌａ，Ｌｂのいずれかにおいて、中心点Ｃと両端との距離のうち、長い方を長径、あるいは短い方を短径の楕円弧とする。また、他方の楕円弧としては、こうして求めた楕円弧に対して、同心で形状が比例関係にある楕円弧とする。

たとえば、中心点Ｃと境界線Ｌａの端部のうち長い方との距離を長径とし、短い方を短径とする楕円弧を大きい楕円弧とした場合、この大きい楕円弧に対して、同心で形状が比例関係にある楕円弧を小さい楕円弧とする。いま、楕円弧の長径をｒ２、短径をｒ１とすると、制御変数Ｕｒが下記（３）式を満たすことを条件とすることができる。

このように、本実施形態に係る走行可能領域生成装置１においては、離散的に配置されたセーフティコーンの配置によって多角形状と楕円形状とを生成し、これらの多角形状と楕円形状とを繋いで走行可能路領域を生成している。このため、離散的に配置されたセーフティコーンによって走行領域が規制された離散的条件が付された場合であっても、走行軌跡を生成する際の最適化手法を行う際に好適に用いられる走行可能領域を生成することができる。

次に、前後の境界線が平行でない場合の楕円弧の生成手順についてさらに説明する。ここでは、大小二つの楕円弧のうち、大きい方の楕円弧の生成手順について説明するが、小さい方の楕円弧を同様の手順によって生成することもできる。

図５は、楕円弧の生成手順を示すフローチャートである。ここでは、自車両の通路の外側に２つのセーフティコーンが検出された例について説明する。また、図６（ａ）に示すように、２つのセーフティコーンＳＣ１，ＳＣ２を繋いだ直線と、車両Ｍの進行方向とのなす交差角αが９０°以下である場合と、図６（ｂ）に示すように、交差角αが９０°を超える場合とで、楕円弧を生成する手順が途中から異なる。図７は、交差角αが９０°以下である場合の車両とセーフティコーンとの関係を示すモデル図であり、図８は、交差角αが９０°を超える場合の車両とセーフティコーンとの関係を示すモデル図である。また、第１セーフティコーンＳＣ１が本発明の第１離散要因となり、第２セーフティコーンＳＣ２が本発明の第２離散要因となる。

図５に示すように、走行可能領域演算部１３では、まず、図７および図８に示す車両Ｍの進行方向と平行であり、第１セーフティコーンＳＣ１の通過側に接する第１直線Ｌ１１を引く（Ｓ１１）。次に、第１セーフティコーンＳＣ１および第２セーフティコーンＳＣ２のそれぞれの通路側の接する第２直線Ｌ１２を生成する（Ｓ１２）。この第１直線Ｌ１１は、第１セーフティコーンＳＣ１から第２セーフティコーンＳＣ２への方向に沿って生成される。

続いて、第２直線Ｌ１２に垂直であり、第１セーフティコーンＳＣ１の中心を通り、自車両の通路側に伸びる第３半直線Ｌ１３を生成する（Ｓ１３）。それから、車両Ｍの向きに垂直であり、車両Ｍの中心を通る第４直線Ｌ１４を生成する（Ｓ１４）。その後、第３半直線Ｌ１３と第４直線Ｌ１４とのなす交差角αを求め（Ｓ１５）、交差角αが９０°以下であるか否かを判断する（Ｓ１６）。その結果、交差角αが９０°以下である場合には、第１生成処理（Ｓ１７）に移行する。一方、交差角αが９０°を超える場合には、第２生成処理（Ｓ１８）に移行する。

次に、第１生成処理の手順について説明する。図９は、第１生成処理の手順を示すフローチャートである。図９に示すように、第１生成処理では、図７に示す楕円弧Ｅ１を生成する（Ｓ２１）。楕円弧Ｅ１を生成するにあたり、第３半直線Ｌ１３および第４直線Ｌ１４の交点Ｏと車両Ｍの重心との距離Ｘ１を求めるとともに、交点Ｏと第１セーフティコーンＳＣ１との距離Ｘ２を求める。それから、距離Ｘ１と距離Ｘ２とを比較して、距離Ｘ１および距離Ｘ２のうちの長い距離を求める。その後、距離Ｘ１および距離Ｘ２のうちの長い距離を長径とし、車両Ｍの重心および第１セーフティコーンＳＣ１の両方を通る楕円弧Ｅ１を生成する。

続いて、第３半直線Ｌ１３、第４直線Ｌ１４、および楕円弧Ｅ１で囲まれる区間を定義し、第４直線Ｌ１４に初期条件を適用するとともに、第３半直線Ｌ１３に終端条件を適用する（Ｓ２２）。ここでの初期条件とは、車両が通過する領域の起点となることを意味し、終端条件とは、車両が通過する領域の終点となることを意味する。

それから、第２直線に垂直であり、第２セーフティコーンＳＣ２の中心を通り、第２セーフティコーンＳＣ２の通過側に伸びる第５半直線Ｌ１５を生成する（Ｓ２３）。その後、第３半直線Ｌ１３、第２直線Ｌ１２、および第５半直線Ｌ１５を三辺とする台形で囲まれる区間を定義し、第３半直線Ｌ１３に初期条件を適用し、第５半直線Ｌ１５に終端条件を適用する（Ｓ２４）。こうして、第１生成処理を終了する。

続いて、第２生成処理について説明する。図１０は、第２生成処理の手順を示すフローチャートである。第２生成処理では、まず、円弧Ｅ２を生成する（Ｓ３１）。円弧Ｅ２を生成するにあたり、第３半直線Ｌ１３および第４直線Ｌ１４の交点Ｏと車両Ｍの重心との距離Ｘ１を求めるとともに、交点Ｏと第１セーフティコーンＳＣ１との距離Ｘ２を求める。それから、距離Ｘ１と距離Ｘ２とを比較して、距離Ｘ１および距離Ｘ２のうちの長い距離を求める。その後、第３半直線Ｌ１３および第４直線Ｌ１４の交点Ｏを中心とし、距離Ｘ１および距離Ｘ２のうちの長い距離を半径として、第１セーフティコーンＳＣ１を起点とする中心角α２が９０°となる円弧Ｅ２を描く。続いて、交点Ｏと円弧Ｅ２の終点とを補助線分Ｌ２０で繋ぐ。

それから、交差角αから円弧Ｅ２の中心角α２を引き、その結果が９０°を超える場合には、交差角αから円弧Ｅ２の中心角α２を引いた結果が９０°以下となるまで同様の手順を繰り返す。その後、交差角αから円弧Ｅ２の中心角α２を引いた結果が９０°以下となった場合には、楕円弧Ｅ１を生成する（Ｓ３２）。このとき、第３半直線Ｌ１３および第４直線Ｌ１４の交点Ｏを中心とするとともに補助線分Ｌ２０を長径とし、車両Ｍの重心および円弧Ｅ２の終点を通る楕円弧Ｅ１を生成する。

その後、補助線分Ｌ２０、第４直線Ｌ１４、楕円弧Ｅ１で囲まれる区間を定義し、第４直線Ｌ１４に初期条件を適用するとともに、補助線分Ｌ２０に終端条件を適用する（Ｓ３３）。そして、補助線分Ｌ２０、第３半直線Ｌ１３、および円弧Ｅ２で囲まれる区間を定義し、補助線分Ｌ２０に初期条件を適用するとともに、第３半直線Ｌ１３に終端条件を適用する（Ｓ３３）。

それから、第２直線に垂直であり、第２セーフティコーンＳＣ２の中心を通り、第２セーフティコーンＳＣ２の通過側に伸びる第５半直線Ｌ１５を生成する（Ｓ３４）。その後、第３半直線Ｌ１３、第２直線Ｌ１２、および第５半直線Ｌ１５を三辺とする台形で囲まれる区間を定義し、第３半直線Ｌ１３に初期条件を適用し、第５半直線Ｌ１５に終端条件を適用する（Ｓ３５）。こうして、第２生成処理を終了する。

このように、本実施形態に係る走行領域生成処理では、車両Ｍの進行方向と第１セーフティコーンＳＣ１から第２セーフティコーンＳＣ２とへの方向とが９０°以上である場合に楕円弧と多角形状との間に円弧を介在させるようにしている。このため、旋回半径を小さくして曲がる必要がある場合に、走行軌跡を生成する際の最適化手法を行う際に好適に用いられる走行可能領域を生成することができる。

また、ここで説明した楕円弧の生成手順で楕円弧を生成した場合、小さい方の楕円弧を生成することがない態様とすることもできる。この場合、走行可能領域の外側のみが生成され、内側については生成されないこととなるが、内側については無限に走行可能として扱うことによって対応することができる。また、上記の楕円弧生成手順によって大小二つの楕円弧のうち、大きい方の楕円弧を生成する場合には、途中の過程で生成した円弧と同心である小さい円弧を生成する必要がある。この小さい方の円弧は、小さい方の楕円弧と繋ぎ合わされる半径で生成すればよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では、障害物検出部１１においてセーフティコーンＳＣ１，ＳＣ２が記憶する通過方向情報および通過順番情報に基づいてセーフティコーンＳＣ１，ＳＣ２の位置や車両の通過方向等を検出しているが、画像処理や他のセンサ等によってこれらを検出する態様とすることができる。また、上記実施形態では、障害物位置計測部１２としてＧＰＳ装置を備えるものを用いているが、道路交通情報をリアルタイムで提供するＶＩＣＳ（Vehicle Information and Communication Systems）等の道路交通情報システムや車々間通信等を用いることもできる。また、上記実施形態では、車両に搭載された走行可能領域生成装置について説明しているが、車両に搭載されるものではなく、たとえば離散的条件が設定された道路についての走行可能領域をシミュレートするシミュレータなど、車両に搭載されるもの以外について適用することもできる。

走行可能領域生成装置のブロック構成図である。 走行可能領域生成装置で行われる演算処理の手順を示すフローチャートである。 セーフティコーンの配置関係を示すモデル図である。 （ａ）は多角形状における制御変数Ｕｒの条件を説明するためのグラフ、（ｂ）は楕円形状における制御変数Ｕｒの条件を説明するためのグラフである。 楕円弧の生成手順を示すフローチャートである。 （ａ）（ｂ）とも自車両とセーフティコーンとの位置関係を説明するモデル図である。 交差角αが９０°以下である場合の車両とセーフティコーンとの関係を示すモデル図である。 、交差角αが９０°を超える場合の車両とセーフティコーンとの関係を示すモデル図である。 第１生成処理の手順を示すフローチャートである。 第２生成処理の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１…走行可能領域生成装置、１１…障害物検出部、１２…障害物位置計測部、１３…走行可能領域演算部、Ｅ１…楕円弧、Ｅ２…円弧、Ｌ１〜Ｌ６…境界線、Ｌ２０…補助線分、Ｍ…車両、Ｏ…交点、ＳＣ１…第１セーフティコーン、ＳＣ２…第２セーフティコーン。

Claims (2)

1. 移動体が走行する走行軌跡を描く範囲を規定する走行可能領域を生成する走行可能領域生成装置であって、
   複数の離散要因から定められた離散的条件によって規制された走行路に対して、同心で形状が比例関係にある大小二つの楕円弧と平行でない二つの直線部とによって囲まれた楕円扇形を含む区間および平行な二つの直線部を含む平行辺含有形状の区間を設定し、前記楕円扇形の直線部と前記平行辺含有形状における平行な二辺のうちの一辺とを繋ぎ合わせて形成した領域に基づいて、前記移動体の走行可能領域を生成することを特徴とする走行可能領域生成装置。
2. 前記複数の離散要因のうち、前記移動体の走行軌跡の起点に近い位置における第１離散要因から次の第２離散要因への方向と前記移動体の進行方向の交差角が９０°以上であり、連続する二つの離散要因の通過方向が同じである場合、前記楕円扇形と前記平行辺含有形状との間に、大小二つの円弧を有する扇形を介在させ、前記楕円扇形と前記扇形との直線部、および前記扇形の直線部と前記平行辺含有形状における平行な二辺のうちの一辺とを繋ぎ合わせる請求項１に記載の走行可能領域生成装置。

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