特開 2023-48674 移動体の制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023048674

(43)【公開日】2023-04-07

(54)【発明の名称】移動体の制御装置

(51)【国際特許分類】

   B60W 30/00 20060101AFI20230331BHJP

   G08G 1/16 20060101ALI20230331BHJP

【ＦＩ】

B60W30/00

G08G1/16 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021158118

(22)【出願日】2021-09-28

(71)【出願人】

【識別番号】519373914

【氏名又は名称】株式会社Ｊ－ＱｕＡＤ ＤＹＮＡＭＩＣＳ

(71)【出願人】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】100140486

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100170058

【弁理士】

【氏名又は名称】津田 拓真

(74)【代理人】

【識別番号】100142918

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 貴志

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 章

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 達也

(72)【発明者】

【氏名】奥田 裕之

(72)【発明者】

【氏名】本田 康平

【テーマコード（参考）】

3D241

5H181

【Ｆターム（参考）】

3D241BA15

3D241BA26

3D241BA33

3D241BA55

3D241BA60

3D241BB03

3D241BB16

3D241BB45

3D241BB46

3D241CD05

3D241CD10

3D241CE10

3D241DB01Z

3D241DD14Z

5H181AA01

5H181BB13

5H181CC04

5H181CC14

5H181FF03

5H181FF14

5H181FF27

5H181LL04

5H181LL09

(57)【要約】

【課題】移動体に実行させるタスクの切り換えをスムーズに行うことを可能としながらも、処理負荷の増大を抑制することのできる制御装置を提供する。
【解決手段】制御装置１０は、車両２０に実行させるタスクを定式化した制御モデル、を生成するモデル生成部１３１と、制御モデルを用いたモデル予測制御を行うことにより、車両２０にタスクを実行させるタスク処理部１３２と、を備える。先の第１タスクの実行時に用いられる制御モデルの状態空間を第１状態空間とし、後の第２タスクの実行時に用いられる制御モデルの状態空間を第２状態空間としたときに、タスク処理部１３２は、第１状態空間及び第２状態空間の両方に共通して含まれる状態変数の値を、第２タスクの実行時において許容される所定範囲内に収める処理、である遷移処理を実行した後に、車両２０に第２タスクを実行させ始める。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

移動体（２０）の制御装置（１０）であって、
前記移動体に実行させるタスクを定式化した制御モデル、を生成するモデル生成部（１３１）と、
前記制御モデルを用いたモデル予測制御を行うことにより、前記移動体にタスクを実行させるタスク処理部（１３２）と、を備え、
前記移動体に実行させるタスクが、第１タスクから第２タスクへと切り換えられる際において、
前記第１タスクの実行時に用いられる前記制御モデルの状態空間を第１状態空間とし、
前記第２タスクの実行時に用いられる前記制御モデルの状態空間を第２状態空間としたときに、
前記タスク処理部は、
前記第１状態空間及び前記第２状態空間の両方に共通して含まれる状態変数の値を、前記第２タスクの実行時において許容される所定範囲内に収める処理、である遷移処理を実行した後に、前記移動体に前記第２タスクを実行させ始めることを特徴とする制御装置。

【請求項2】

前記移動体に実行させるタスクが、前記第１タスクから前記第２タスクへと切り換えられる際において、
前記モデル生成部は、
前記第１状態空間及び前記第２状態空間の両方を含む状態空間を第３状態空間としたときに、
前記第３状態空間の少なくとも一部において状態ベクトルを変化させる前記制御モデル、である中間制御モデルを生成し、
前記タスク処理部は、
前記中間制御モデルを用いたモデル予測制御を行いながら、前記遷移処理を実行することを特徴とする、請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記モデル生成部は、
前記タスク処理部によって前記遷移処理が実行されるように、前記中間制御モデルに所定の制約条件を含ませることを特徴とする、請求項２に記載の制御装置。

【請求項4】

前記モデル生成部は、
前記第２タスクの実行時に用いられる評価関数、に含まれるペナルティ関数を、前記制約条件として前記中間制御モデルに含ませることを特徴とする、請求項３に記載の制御装置。

【請求項5】

前記制御モデルの生成に用いられるモデル要素、が記憶された記憶部（１４０）を更に備えることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、移動体の制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

移動体の動作を制御するにあたっては、例えば「目的地に到達する」という目的を達成するために、移動体に行わせるタスクを切り換えながら順次実行させて行く必要がある。例えば移動体が自動運転車両である場合には、上記のタスクには、「直進」や「レーンチェンジ」等が含まれ得る。従って、移動体の制御装置には、複数のタスクを実行できるような制御系を構築しておくことが求められる。

【0003】

このような制御系として、移動体に実行させる全てのタスクを包含するような巨大な制御系を構築しておくことも考えられる。しかしながら、そのような制御系とした場合には、新たなタスクを追加しようとすると制御系の全体を構築しなおさなければならず、スケーラビリティの低さが問題となる。更に、制御に用いる状態変数等の数が膨大なものとなるので、制御装置の処理負荷が増大するという問題も生じ得る。

【0004】

上記問題を解決するための方法として、下記特許文献１には、実行されるタスクの処理内容を、タスクごとの制御系として個別にモジュール化しておき、タスクに対応したモジュールを選択して実行するという方法が記載されている。また、下記特許文献２には、タスクを実行するためのサブコントローラを予め複数用意しておき、タスクの種類等に応じて選択されたサブコントローラをアクティブにし動作させる、という方法が記載されている。

【0005】

このように、実行するタスクに応じて制御系を切り換えて行く構成とすれば、新たなタスクを追加することが容易となるため、上記のようなスケーラビリティの問題を解決することができる。また、制御系は、対応するタスクの実行に必要な最低限の規模とすることができるので、制御装置の処理負荷を軽減することもできる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０２０－１７５８８６号公報

【特許文献2】特表２０２０－５２９６６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、タスクを切り換える際における移動体及びその周囲の状況によっては、制御系を切り換えることが難しい場合がある。例えば、自動運転車両に実行させるタスクを「直進」から「レーンチェンジ」へと切り換える際において、移動先のレーンを走行する他車両の位置によっては、直ちにレーンチェンジを開始すると車両同士の衝突が生じ得る。

【0008】

このような問題を回避するためには、「直進」及び「レーンチェンジ」の全体を包含する制御系を構築することも考えられる。しかしながら、その場合には、予め用意しておく制御系の数が膨大になることに加えて、制御装置の処理負荷も結局は増加してしまう。

【0009】

本開示は、移動体に実行させるタスクの切り換えをスムーズに行うことを可能としながらも、処理負荷の増大を抑制することのできる制御装置、を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本開示に係る制御装置は、移動体（２０）の制御装置（１０）であって、移動体に実行させるタスクを定式化した制御モデル、を生成するモデル生成部（１３１）と、制御モデルを用いたモデル予測制御を行うことにより、移動体にタスクを実行させるタスク処理部（１３２）と、を備える。移動体に実行させるタスクが、第１タスクから第２タスクへと切り換えられる際において、第１タスクの実行時に用いられる制御モデルの状態空間を第１状態空間とし、第２タスクの実行時に用いられる制御モデルの状態空間を第２状態空間としたときに、タスク処理部は、第１状態空間及び第２状態空間の両方に共通して含まれる状態変数の値を、第２タスクの実行時において許容される所定範囲内に収める処理、である遷移処理を実行した後に、移動体に第２タスクを実行させ始める。

【0011】

上記における「共通して含まれる状態変数」の値を収めておくべき許容範囲は、多くの場合、第１タスクの実行時と第２タスクの実行時とで互いに異なる。このため、第１タスクの実行時においては許容範囲内に収まっていた状態変数の値が、第２タスクに切り換えると許容範囲から外れてしまうことが考えられる。

【0012】

しかしながら、上記構成の制御装置では、「共通して含まれる状態変数」の値が、遷移処理の実行により、第２タスクの実行時において許容される所定範囲内に収められた状態となる。このような状態となった後に第２タスクへの切り換えが行われるので、タスクの切り換えに伴い、一部の状態変数が許容範囲から外れてしまうことが無い。これにより、移動体に実行させるタスクの切り換えをスムーズに行うことが可能となる。

【0013】

尚、遷移処理の実行時においては、制御モデルに含まれる状態変数等の数が増加することもある。しかしながら、状態変数等の増加は一時的なものであるから、平均的に見れば、制御装置の処理負荷は抑制される。

【発明の効果】

【0014】

本開示によれば、移動体に実行させるタスクの切り換えをスムーズに行うことを可能としながらも、処理負荷の増大を抑制することのできる制御装置、が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、本実施形態に係る制御装置の構成を、ブロック図として模式的に表した図である。

【図2】図２は、状態空間の切り換えについて説明するための図である。

【図3】図３は、状態空間の切り換えについて説明するための図である。

【図4】図４は、本実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

【0017】

本実施形態に係る制御装置１０は、移動体の動作を制御するための装置として構成されている。制御対象である移動体としては、例えば、道路を走行する車両や、空中を飛行するドローン等を挙げることができる。以下では、移動体が自動運転車両である場合について説明するが、制御対象である移動体の種類としては特に限定されない。

【0018】

図１は、制御装置１０の構成を、ブロック図として模式的に表した図である。同図には、制御対象である車両２０等を示すブロックも図示されている。車両２０は、運転者の操作によることなく、自律的な走行を行うことが可能な自動運転車両として構成された車両である。尚、制御装置１０は、車両２０を走行させるために必要な運転操作の全てを担うものであるが、必要な運転操作の一部のみを担うものであってもよい。

【0019】

本実施形態に係る制御装置１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータシステムとして構成されており、その全体が車両２０に搭載されている。しかしながら、制御装置１０の構成はこのようなものに限定されない。例えば、以下に説明する制御装置１０の機能が、互いに双方向の通信を行う複数のコンピュータシステムにより実現される構成であってもよい。また、制御装置１０の機能の全部または一部が、車両２０とは異なる位置に設置されたクラウドサーバーにより実現される構成であってもよい。

【0020】

図１に示されるように、制御装置１０は、機能的なブロックとして、統括部１００と、タスクモジュール部１２０と、制御実行部１３０と、記憶部１４０と、環境理解部１５０と、自己位置推定部１６０と、を備えている。

【0021】

統括部１００は、制御装置１０が行う処理の全体を統括し、所謂「スーパーバイザ」として機能する部分である。統括部１００は、例えば乗員から入力される要求等に応じて、車両２０によって達成される目的を設定し、当該目的を達成するために順次実行すべき複数のタスクを設定する。

【0022】

上記における「入力される要求」とは、例えば、車両２０の目的地である。この場合、「車両２０によって達成される目的」とは、車両２０を当該目的地まで到達させることである。また、「当該目的を達成するために順次実行すべき複数のタスク」には、例えば、直進やレーンチェンジ等が含まれる。

【0023】

図１の例では、統括部１００に付随するブロックとして、ルート計画生成部１１１と、レーン計画生成部１１２と、が設けられている。ルート計画生成部１１１は、乗員が設定した目的地に応じて、現在地から目的地まで車両２０をどのような経路で走行させるべきかを示す計画、であるルート計画を生成する部分である。ルート計画生成部１１１は、統括部１００からの要求に応じてルート計画を生成する。

【0024】

ルート計画生成部１１１で作成されたルート計画は、レーン計画生成部１１２に送信される。レーン計画生成部１１２は、ルート計画に示される経路の各部において、車両２０にどのレーン（車線）を走行させるのかを示す計画、であるレーン計画を作成する部分である。作成されたレーン計画は統括部１００へと送信される。

【0025】

統括部１００は、必要なタスクを切り換えながら順次車両２０に実行させることで、例えば上記のレーン計画に沿った車両２０の走行を実現する。統括部１００は、次に述べるタスクモジュール部１２０の各部へと行動指示を送信し、これによりそれぞれのタスクを実行させる。

【0026】

タスクモジュール部１２０は、統括部１００から送信される上記行動指示に基づいて、車両２０にタスクを実行させる部分である。本実施形態では、タスクの実行に必要な処理がタスク毎に分けてモジュール化されており、タスクモジュール部１２０は当該モジュールの集合体となっている。図１では、当該モジュールを示すブロックのそれぞれに、「１２１」乃至「１２５」の符号が付してある。例えば、符号「１２１」が付されたブロックは、車両２０に「直進」のタスクを実行させるモジュールを表している。また、符号「１２２」が付されたブロックは、車両２０に「レーンチェンジ」のタスクを実行させるモジュールを表している。尚、タスクモジュール部１２０は、上記のようなモジュールを多数有しているのであるが、図１においてはその一部のみが図示されている。

【0027】

車両２０に対し、例えば「直進」のタスクに続いて「レーンチェンジ」のタスクを順次実行させる際には、統括部１００は、先ず符号「１２１」が付されたブロックに行動指示を送信し、当該ブロックによって車両２０に「直進」のタスクを実行させる。その後、統括部１００は、符号「１２２」が付されたブロックに行動指示を送信し、当該ブロックによって車両２０に「レーンチェンジ」のタスクを実行させる。

【0028】

制御実行部１３０は、車両２０にタスクを実行させるために必要となる制御、具体的にはモデル予測制御を実行する部分である。タスクモジュール部１２０が有するそれぞれのブロックは、対応するタスクの実行に必要な制御条件を制御実行部１３０に入力する。この制御条件には、例えば、車両２０を走行させるべき軌道や、車両２０が維持すべき速度範囲、他車両との位置関係等が含まれる。制御実行部１３０は、入力された制御条件に合致した制御が行われるよう、タスクを定式化した制御モデルを生成し、当該制御モデルを用いてモデル予測制御を実行する。後に説明するように、制御モデルには、車両２０及びその周囲の状態についての状態方程式や、最適な操作量を選択するための評価関数等が含まれる。

【0029】

制御実行部１３０は、モデル生成部１３１と、タスク処理部１３２と、を備えている。モデル生成部１３１は、上記のように、車両２０に実行させるタスクを定式化した制御モデルを生成する処理を行う部分である。タスク処理部１３２は、モデル生成部１３１により生成された制御モデルを用いてモデル予測制御を行い、これにより車両２０にタスクを実行させる処理を行う部分である。モデル生成部１３１及びタスク処理部１３２のそれぞれで行われる具体的な処理の内容については後に説明する。

【0030】

図１において符号「４０」が付されているブロックは、車両２０の乗員に対し情報を通知するためのインターフェイスを表している。このようなインターフェイスとしては、例えば車室内に設置されたタッチパネル等を用いることができる。制御装置１０は、当該インターフェイスを介して、車両２０の走行状況や走行経路等を乗員に通知することができる。乗員に通知される情報は、図１に示されるように制御実行部１３０から送信されてもよいが、制御実行部１３０とは異なる部分から送信されてもよい。

【0031】

記憶部１４０は、制御装置１０に設けられた不揮発性の記憶装置であって、例えばＨＤＤやＳＳＤである。記憶部１４０には、モデルプール１４１、評価関数プール１４２、及び制約条件プール１４３、からなる３つのデータベースが記憶されている。

【0032】

モデルプール１４１は、モデル生成部１３１が制御モデルを生成する際に用いるモデル要素、が複数記憶されているデータベースである。評価関数プール１４２は、モデル予測制御の実行時に用いられる評価関数、が複数記憶されているデータベースである。制約条件プール１４３は、モデル予測制御の実行時における制約条件、が複数記憶されているデータベースである。それぞれのデータベースに記憶されている情報は、モデル生成部１３１によって必要に応じて読み込まれ、制御モデルを生成するための要素として用いられるものである。記憶部１４０には、上記以外の情報が記憶されていてもよい。

【0033】

図１において符号「３０」が付されているブロックは、車両２０が走行する際に刻一刻と変化する周囲の環境（状況）、を模式的に表している。当該ブロックのことを、以下では「環境３０」とも表記する。環境３０を示す情報は、例えば、車両２０に搭載されたカメラやレーダー等の各種センサによって測定され、制御に必要な情報として制御装置１０へと入力される。環境３０を示す情報の一部は、周囲の車両から車々間通信によって取得されてもよく、道路に設置されたインフラから通信によって取得されてもよい。

【0034】

環境理解部１５０は、環境３０を示す上記情報の入力を受ける部分である。環境理解部１５０は、当該情報を適宜処理することで、車両２０及び周囲における各種状態を把握する。環境理解部１５０によって把握された「状態」の一部は、制御実行部１３０に入力され、タスク処理部１３２が実行するモデル予測制御に供される。また、環境理解部１５０によって把握された「状態」の一部を示す情報は、自己位置推定部１６０にも入力される。

【0035】

自己位置推定部１６０は、環境理解部１５０から入力された情報に基づいて、車両２０の現在の走行位置を推定する部分である。自己位置推定部１６０によって推定された走行位置は、統括部１００へと入力される。統括部１００は、これにより車両２０の現在の走行位置を把握しながら、車両２０を目的地に到達させるために必要な処理（具体的には、タスクの切り換え）を適切に行うことができる

【0036】

制御装置１０によって実行される具体的な処理について説明する。以下では、車両２０に対して「直進」及び「レーンチェンジ」を順に実行させる場合の例について説明する。先に実行させる「直進」のタスクを、以下では「第１タスク」とも称し、続いて実行させる「レーンチェンジ」のタスクを、以下では「第２タスク」とも称する。尚、第１タスク及び第２タスクの組み合わせは、上記以外であってもよい。

【0037】

車両２０にいずれのタスクを実行させる場合においても、モデル生成部１３１は、当該タスクを定式化した制御モデルを予め生成する。制御モデルには、例えば以下の式（１）で示されるような状態方程式が含まれる。

【数1】

【0038】

式（１）に示されるｘは、複数の状態変数を要素とする状態ベクトルである。ｘに含まれる状態変数の種類や数は、タスクに応じて適宜設定される。この例では、第１タスクの実行時には、下の式（２）に示されるｘ_Ｖ１を状態ベクトルとする状態方程式が定式化されるものとする。また、第２タスクの実行時には、式（２）に示されるｘ_Ｖ２を状態ベクトルとする状態方程式が定式化されるものとする。

【数2】

【0039】

この例において、ｘ_Ｖ１は、ｘ_１、ｘ_２、ｘ_３、及びｘ_４からなる４つの状態変数を要素とする状態ベクトルである。ｘ_Ｖ１が変化し得る範囲として表現される状態空間、すなわち、第１タスクの実行時に用いられる制御モデルの状態空間のことを、以下では「第１状態空間」とも称する。

【0040】

この例において、ｘ_Ｖ２は、ｘ_１、ｘ_２、ｘ_５、及びｘ_６からなる４つの状態変数を要素とする状態ベクトルである。ｘ_Ｖ２が変化し得る範囲として表現される状態空間、すなわち、第２タスクの実行時に用いられる制御モデルの状態空間のことを、以下では「第２状態空間」とも称する。

【0041】

ｘ_１やｘ_２等の状態変数のそれぞれは、モデル予測制御の実行時において参酌すべき状態を表すパラメータである。本実施形態のように、制御対象である移動体が車両２０である場合には、状態変数には、例えば前方を走行する他車両との間の車間距離や、レーンの境界を示す白線までの横方向に沿った距離、及び、隣のレーンを走行する他車両の位置等が含まれ得る。

【0042】

尚、ｘ_Ｖ１の要素数及びｘ_Ｖ２の要素数は、いずれも実際には４よりも多いのであるが、簡便化するために、ここでは上記のようにそれぞれの要素数が４である場合の例について説明する。

【0043】

式（１）の右辺に示されるｆは、状態ベクトルであるｘと、操作量を示すｕとの関係を示す関数である。本実施形態のように、制御対象である移動体が車両２０である場合には、操作量ｕには、例えば、操舵角やアクセル開度等が含まれ得る。ｕはスカラーであるが、ベクトルであってもよい。

【0044】

車両２０にタスクを実行させる際において、タスク処理部１３２は、式（１）の状態方程式を用いて、操作量ｕに対応した状態ベクトルｘの変化を予測する。また、得られた状態ベクトルｘの変化について、評価関数を用いて評価値を算出する。タスク処理部１３２は、複数の操作量ｕのそれぞれについて、状態ベクトルの変化及びその評価値を算出し、評価値が最も小さくなるような操作量ｕを、実際の操作量として採用する。タスク処理部１３２は、以上のような処理を制御周期毎に繰り返して行く制御、すなわちモデル予測制御を実行しながら、車両２０にタスクを実行させる。

【0045】

図２を参照しながら、第１タスクから第２タスクへの切り換え時において実行される制御について説明する。図２に示されるＸ_Ａの軸は、ｘ_Ｖ１及びｘ_Ｖ２のうちｘ_Ｖ１のみに含まれる状態変数、すなわち、ｘ_３及びｘ_４の２つの状態変数で表現される状態空間を示す軸である。尚、Ｘ_Ａは、実際には２次元の状態空間なのであるが、図２ではこれを１軸の状態空間として模式的に図示している。

【0046】

図２に示されるＸ_Ｂの軸は、ｘ_Ｖ１及びｘ_Ｖ２のうちｘ_Ｖ２のみに含まれる状態変数、すなわち、ｘ_５及びｘ_６の２つの状態変数で表現される状態空間を示す軸である。尚、Ｘ_Ｂは、実際には２次元の状態空間なのであるが、図２ではこれを１軸の状態空間として模式的に図示している。

【0047】

図２に示されるＸ_Ｃの軸は、ｘ_Ｖ１及びｘ_Ｖ２の両方に含まれる状態変数、すなわち、ｘ_１及びｘ_２の２つの状態変数で表現される状態空間を示す軸である。尚、Ｘ_Ｃは、実際には２次元の状態空間なのであるが、図２ではこれを１軸の状態空間として模式的に図示している。尚、第１タスク及び第２タスクは連続して実施されるものであるから、両タスクにおいてこのように共通する状態変数が必ず存在している。

【0048】

図２において、先に述べた第１状態空間（ｘ_１、ｘ_２、ｘ_３、ｘ_４）はＸ_Ａ－Ｘ_Ｃ平面で表現されることとなる。同様に、先に述べた第２状態空間（ｘ_１、ｘ_２、ｘ_５、ｘ_６）はＸ_Ｂ－Ｘ_Ｃ平面で表現されることとなる。

【0049】

第１タスクの実行時においては、状態ベクトルｘ_Ｖ１に含まれる各状態変数は、第１状態空間であるＸ_Ａ－Ｘ_Ｃ平面に沿って変化して行く。図２において符号「ＳＰ１」が付された太線は、第１状態空間のうち、第１タスクの実行時において変化する各状態変数のそれぞれについて許容される範囲を表している。第１状態空間のうち当該範囲の内側の空間のことを、以下では「許容範囲ＳＰ１」とも称する。車両２０に第１タスクを実行させるにあたり、モデル生成部１３１は、状態ベクトルｘ_Ｖ１が許容範囲ＳＰ１から逸脱することのないように、所定の制約条件を定式化し、これを式（１）の状態方程式と共に制御モデルに含めておく。これにより、タスク処理部１３２が、当該制御モデルを用いて第１タスクを実行させているときには、状態ベクトルｘ_Ｖ１は、図２に示される許容範囲ＳＰ１の内側において、Ｘ_Ａ－Ｘ_Ｃ平面に沿って変化して行くこととなる。

【0050】

第２タスクの実行時においては、状態ベクトルｘ_Ｖ２に含まれる各状態変数は、第２状態空間であるＸ_Ｂ－Ｘ_Ｃ平面に沿って変化して行く。図２において符号「ＳＰ２」が付された太線は、第２状態空間のうち、第２タスクの実行時において変化する各状態変数のそれぞれについて許容される範囲を表している。第２状態空間のうち当該範囲の内側の空間のことを、以下では「許容範囲ＳＰ２」とも称する。車両２０に第２タスクを実行させるにあたり、モデル生成部１３１は、状態ベクトルｘ_Ｖ２が許容範囲ＳＰ２から逸脱することのないように、所定の制約条件を定式化し、これを式（１）の状態方程式に加えて制御モデルに含めておく。これにより、タスク処理部１３２が、当該制御モデルを用いて第２タスクを実行させているときには、状態ベクトルｘ_Ｖ２は、図２に示される許容範囲ＳＰ２の内側において、Ｘ_Ｂ－Ｘ_Ｃ平面に沿って変化して行くこととなる。

【0051】

第１タスク及び第２タスクのいずれを実行させる際においても、Ｘ_Ｃの軸に沿った状態変数であるｘ_１、ｘ_２は、モデル予測制御において用いられることとなる。ただし、許容範囲ＳＰ１と許容範囲ＳＰ２とを対比すると明らかなように、第１タスクの実行時においてｘ_１等につき許容される範囲と、第２タスクの実行時においてｘ_１等につき許容される範囲と、は互いに異なっている。例えば、ｘ_１が、隣のレーンを走行する他車両の位置を示す状態変数である場合には、「直進」である第１タスクの実行時においては、ｘ_１の許容範囲は比較的広くなる一方で、「レーンチェンジ」である第２タスクの実行時においては、ｘ_１の許容範囲は（衝突回避のために）比較的狭くなる。

【0052】

図２に示される「ＢＤ」は、許容範囲ＳＰ２のうち、Ｘ_Ｃの軸に沿った上限値を表している。尚、このような上限値は、実際にはｘ_１及びｘ_２のそれぞれについて個別に設定されているのであるが、図２においては、簡便のためにｘ_１及びｘ_２の共通の上限値としてＢＤが描かれている。

【0053】

図２に示される状態ＳＴ１は、第１状態空間のうち許容範囲ＳＰ１の内側にある状態であり、且つ、ＢＤよりも上方側にある状態を表している。このような状態ＳＴ１で第１タスクを実行させているときに、タスクの切り換えを行って直ちに第２タスクを実行させ始めた場合には、その時点で、状態変数ｘ_１、ｘ_２が許容範囲ＳＰ２を逸脱した状態となってしまう。その結果、他車両との衝突等、好ましくない事態が生じてしまう可能性がある。

【0054】

そこで、本実施形態に係る制御装置１０のタスク処理部１３２は、第１状態空間及び第２状態空間の両方に共通して含まれる状態変数（つまり、Ｘ_Ｃの軸上の状態変数ｘ_１、ｘ_２）の値を、第２タスクの実行時において許容される所定範囲内（つまり、ＢＤよりも下方側の許容範囲ＳＰ２内）に収める処理、である遷移処理を実行し、その後に、車両２０に第２タスクを実行させ始めるように構成されている。

【0055】

ここで、第１状態空間及び第２状態空間の両方を含む状態空間、すなわち、ｘ_１、ｘ_２、ｘ_３、ｘ_４、ｘ_５、ｘ_６からなる６つの状態変数を要素とする状態空間のことを、以下では「第３状態空間」とも称する。第３状態空間において変化する状態ベクトルを「ｘ_Ｖ３」とすると、ｘ_Ｖ３は以下の式（３）のように表現される。

【数3】

【0056】

図２において符号「ＳＰ３２」が付された範囲は、上記の第３状態空間のうち、ｘ_１等の各要素のそれぞれが許容範囲ＳＰ１及び許容範囲ＳＰ２の両方に収まるような範囲を表している。第３状態空間のうちこのような範囲のことを、以下では「許容範囲ＳＰ３２」とも称する。上記の遷移処理が実行されると、車両２０及びその周囲の状態を示す状態ベクトルは、図２の状態ＳＴ１から状態ＳＴ３へと変化する。状態ＳＴ３は、許容範囲ＳＰ３２の内側にあるので、先に述べたＢＤよりも下方側となっている。つまり、Ｘ_Ｃの軸上の状態変数ｘ_１、ｘ_２は、遷移処理の実行に伴い、許容範囲ＳＰ２の内側に収まることとなる。

【0057】

遷移処理が実行され、これにより状態ＳＴ３となった後であれば、車両２０に第２タスクを実行させ始めたとしても、一部の状態変数が許容範囲ＳＰ２を逸脱することは無い。このため、第２タスクへの切り換えはスムーズにかつ安全に行われる。その後、車両２０等の状態は、Ｘ_Ａ－Ｘ_Ｃ平面上の（つまり第２状態空間の）状態ＳＴ２へと移行することとなる。

【0058】

遷移処理の具体的な方法について、図３を参照しながら説明する。図３に示されるＸ_Ａ、Ｘ_Ｂ、Ｘ_Ｃ、ＳＰ１、ＳＰ２、ＳＴ１、ＳＴ３のぞれぞれは、いずれも図２に示されるものと同じである。

【0059】

車両２０に第１タスクを実行させており、車両２０等の状態が状態ＳＴ１となっているときに、第２タスクへの切り換え要求が統括部１００から発信された場合の例について説明する。このとき、制御実行部１３０にタスクモジュール部１２０から送信される制御信号は、第１タスクの「直進」から、第２タスクの「レーンチェンジ」へと切り換わる。

【0060】

以下の式（４）は、第１タスクの実行時において、モデル予測制御で評価値Ｊを算出するために用いられる評価関数である。第１タスクの実行時において、タスク処理部１３２は、式（４）を用いて算出される評価値Jの値が最小となるようにモデル予測制御を行いながら、車両２０に第１タスクを実行させる。

【数4】

【0061】

式（４）の右辺第１項のＪ_１は、例えば、車両２０の消費エネルギーの大きさを示す指標を算出する項であり、予測ホライズンの各時点における状態ベクトルの値等の関数として表現される項である。Ｊ_１を含む式で評価関数を算出することで、第１タスクの実行に伴う車両２０の消費エネルギーを抑制することができる。尚、評価関数としては、上記とは異なる関数を用いることもできる。例えば、車両２０における乗り心地の悪さを示す指標（振動エネルギー等）を算出するような項として、上記のＪ_１を定式化してもよい。

【0062】

式（４）の右辺第２項のＰ_１は、第１タスクの実行時における制約条件を示す項であり、当該制約条件をペナルティ関数の形で表現した項である。図３に示される許容範囲ＳＰ１は、このペナルティ関数により設定される。一部の状態変数が許容範囲ＳＰ１を逸脱する場合には、Ｐ_１が大きな値として算出されることとなる。

【0063】

先に述べたように、記憶部１４０の評価関数プール１４２には、モデル予測制御の実行時に用いられる評価関数の候補が多数記憶されている。また、制約条件プール１４３には、モデル予測制御の実行時における制約条件の候補が多数記憶されている。第１タスクを開始する前に、モデル生成部１３１は、上記候補の中から、目的に応じた適切な評価関数及び制約条件を選択して用いることで、式（４）のように評価関数を定式化し、当該評価関数及び式（１）の状態方程式を用いて制御モデルを生成する。

【0064】

第２タスクについても同様である。第２タスクを開始する前に、モデル生成部１３１は、目的に応じた適切な候補を選択して以下の式（５）のように評価関数を定式化し、当該評価関数及び式（１）の状態方程式を用いて制御モデルを生成する。式（５）のＪ_２は、車両２０の消費エネルギーの大きさ等を示す指標を算出する項であり、Ｐ_２は、第２タスクの実行時における制約条件を示す項である。図３に示される許容範囲ＳＰ２は、このペナルティ関数Ｐ_２により設定される。

【数5】

【0065】

第１タスクから第２タスクへの切り換え時において、モデル生成部１３１は、式（５）のように第２タスクを定式化して制御モデルを生成する。ただし、タスク処理部１３２は、当該制御モデルを用いたモデル予測制御を直ちには実行しない。

【0066】

モデル生成部１３１は、上記のように第２タスクを定式化して制御モデルを生成すると共に、第３状態空間において状態ベクトルを変化させる制御モデルを生成する。当該制御モデルのことを、以下では「中間制御モデル」とも称する。モデル生成部１３１は、状態ベクトルが第３状態空間の全体ではなく一部領域のみにおいて変化するように制約条件を設定し、当該制約条件を含む形で上記の中間制御モデルを生成する。

【0067】

図３において符号「ＳＰ３１」が付された範囲は、上記の「一部領域」、すなわち、中間制御モデルを用いたモデル予測制御の実行時において、状態ベクトルが変化し得る範囲を表している。当該範囲のことを、以下では「許容範囲ＳＰ３１」とも称する。このような許容範囲ＳＰ３１を規定する制約条件は、中間制御モデルの生成時において、モデル生成部１３１によって定式化される。図３に示される例において、許容範囲ＳＰ３１は、許容範囲ＳＰ１を、Ｘ_Ｂの軸に沿って許容範囲ＳＰ２側へと拡張した範囲となっている。許容範囲ＳＰ３１は、遷移処理の実行時において状態ベクトルが変化する軌跡を包含し得る範囲であれば、図３に示される例とは異なる範囲に設定されてもよい。例えば、第３状態空間の全体が許容範囲ＳＰ３１として設定されてもよい。

【0068】

モデル生成部１３１は、中間制御モデルの一部として、例えば式（６）に示される評価関数を定式化する。式（６）の右辺第１項のＪ_３は、先に述べたＪ_１やＪ_２と同様の項であり、車両２０の消費エネルギーの大きさを示す指標を算出する項である。右辺第２項のＰ_２は、式（５）のＰ_２と同じものである。すなわち、第２タスクの実行時における制約条件を示すペナルティ関数である。

【数6】

【0069】

第２タスクへの切り換えを行う前に、タスク処理部１３２は、このような制約条件を含む中間制御モデルを用いてモデル予測制御を行う。このとき、ペナルティ関数Ｐ_２の影響によって、状態ベクトルは図３のＢＤよりも下方側の領域へと変化して行く。つまり、第１状態空間及び第２状態空間の両方に共通して含まれる状態変数の値（ｘ_１、ｘ_２）が、いずれも、第２タスクの実行時において許容される許容範囲ＳＰ２の内側に収まるように変化して行く。図２及び図３の状態ＳＴ３は、ＢＤよりも下方側まで変化した後における状態ベクトルを表している。

【0070】

タスク処理部１３２が、ペナルティ関数Ｐ_２を含む中間制御モデルを用いてモデル予測制御を行うと、上記のように、状態ベクトルは図３のＢＤよりも下方側の領域へと変化して行く。このため、タスク処理部１３２が上記中間制御モデルを用いてモデル予測制御を行うと、第１状態空間及び第２状態空間の両方に共通して含まれる状態変数（ｘ_１、ｘ_２）の値を、第２タスクの実行時において許容される所定範囲内に収める処理、すなわち、先に述べた「遷移処理」が並行して実行されることとなる。中間制御モデルを用いた制御を行うと、結果的に遷移処理が行われるのは、モデル生成部１３１が、中間制御モデルに所定の制約条件を予め含ませておいたからである。この「制約条件」とは、先に述べたように、第２タスクの実行時に用いられる式（５）の評価関数、に含まれるペナルティ関数Ｐ_２のことである。

【0071】

状態ベクトルが状態ＳＴ３まで変化すると、タスク処理部１３２は、第２タスクを定式化した制御モデルを用いたモデル予測制御を開始する。これにより、車両２０に実行させるタスクが、第１タスクから第２タスクへと切り換わる。これにより、状態変数ｘ_１、ｘ_２が、切り換えに伴って許容範囲ＳＰ２を逸脱してしまうことが防止されるので、タスクの切り換えをスムーズに且つ安全に行うことが可能となっている。

【0072】

尚、中間制御モデルを用いたモデル予測制御の実行時における許容範囲ＳＰ３１は、第１タスクの実行時における許容範囲ＳＰ１から、制約条件を緩和することで一時的に拡張した状態空間の範囲、ということができる。本実施形態では、このように拡張した状態空間におけるモデル予測制御を実行しながら、ペナルティ関数Ｐ_２を用いた評価値Ｊの算出を行うことにより、状態変数を所定範囲に収める遷移処理の実行を可能としている。

【0073】

以上のようなタスクの切り換えを実現するために、制御装置１０により実行される具体的な処理の流れについて、図４のフローチャートを参照しながら説明する。図４に示される一連の処理は、統括部１００から、第１タスクの実行開始を指示する信号が送信されたタイミングで、制御装置１０により実行開始されるものである。

【0074】

最初のステップＳ０１では、統括部１００からタスクモジュール部１２０を介して送信された信号に基づいて、最初のタスクである第１タスクを取得する処理が行われる。この例においては、制御装置１０は、図１において符号１２１が付されたブロック（直進）を介して入力される制御指令に基づいて、第１タスク及びそれに必要な制御の内容を取得する。

【0075】

ステップＳ０１に続くステップＳ０２では、第１タスクを定式化する処理がモデル生成部１３１によって実行される。先に述べたように、モデル生成部１３１は、式（１）の状態方程式や式（４）の評価関数を含む形式で第１タスクの定式化を行い、これにより制御モデルを生成する。ここで生成される制御モデル、すなわち、第１タスクを定式化して生成された制御モデルのことを、以下では「第１制御モデル」とも称する。

【0076】

ステップＳ０２に続くステップＳ０３では、タスク処理部１３２が、第１制御モデルを用いたモデル予測制御を開始し、これにより、車両２０に第１タスクを実行させ始める。先に述べたように、このときの状態ベクトルは、図２のＸ_Ａ－Ｘ_Ｃ平面（つまり第１状態空間）に沿って変化して行くこととなる。また、第１制御モデルには、ペナルティ関数Ｐ_１からなる制約条件が含まれるので、状態ベクトルは許容範囲ＳＰ１の内側において変化して行く。

【0077】

ステップＳ０３に続くステップＳ０４では、現在実行中の第１タスクから、別のタスクへの切り換え要求があるか否かが判定される。統括部１００から要求されているタスクに変化がない場合には、ステップＳ０３以降の処理が再度実行され、車両２０では第１タスクの実行が継続される。統括部１００から要求されるタスクが別のタスクに切り換わった場合には、ステップＳ０５に移行する。

【0078】

ステップＳ０５では、統括部１００からタスクモジュール部１２０を介して送信された信号に基づいて、次のタスクである第２タスクを取得する処理が行われる。この例においては、制御装置１０は、図１において符号１２２が付されたブロック（レーンチェンジ）を介して入力される制御指令に基づいて、第２タスク及びそれに必要な制御の内容を取得する。

【0079】

ステップＳ０５に続くステップＳ０６では、第２タスクを定式化する処理がモデル生成部１３１によって実行される。先に述べたように、モデル生成部１３１は、式（１）の状態方程式や式（５）の評価関数を含む形式で第２タスクの定式化を行い、これにより制御モデルを生成する。ここで生成される制御モデル、すなわち、第２タスクを定式化して生成された制御モデルのことを、以下では「第２制御モデル」とも称する。このように、統括部１００によってタスクの切り換えが要求されると、モデル生成部１３１は、切り換え後の第２タスクを定式化して第２制御モデルを生成する。ただし、第２制御モデルを用いたモデル予測制御は、この時点では開始されない。

【0080】

ステップＳ０６に続くステップＳ０７では、中間制御モデルを生成する処理がモデル生成部１３１によって実行される。先に述べたように、中間制御モデルは、第３状態空間のうち、許容範囲ＳＰ３１の内側において状態ベクトルを変化させるような制御モデルである。

【0081】

ステップＳ０７に続くステップＳ０８では、タスク処理部１３２が、中間制御モデルを用いたモデル予測制御を開始する。先に述べたように、このときの状態ベクトルは、図３に示される許容範囲ＳＰ３１の内側において、状態ＳＴ１から、境界ＢＤよりも下方側の状態ＳＴ３へと変化して行く。状態ベクトルがこのように変化するのは、中間制御モデルの評価関数がペナルティ関数Ｐ_２を含んでいるからである。ステップＳ０８において行われる上記処理が、本実施形態における「遷移処理」に該当する。

【0082】

ステップＳ０８に続くステップＳ０９では、第１状態空間及び第２状態空間の両方に共通して含まれる状態変数（つまり、Ｘ_Ｃの軸上の状態変数ｘ_１、ｘ_２）のそれぞれの値が、ＢＤよりも下方側の範囲に収まったか否かが判定される。換言すれば、状態ベクトルが、図２に示される許容範囲ＳＰ３２の内側に収まったか否かが判定される。

【0083】

状態変数ｘ_１、ｘ_２のそれぞれの値が、境界ＢＤよりも下方側の範囲に収まっている場合には、ステップＳ１０に移行する。それ以外の場合には、ステップＳ０８以降の処理が再度実行される。

【0084】

ステップＳ１０では、ステップＳ０６で生成された第２制御モデルを用いたモデル予測制御が開始される。これにより、車両２０に実行させるタスクが、第２タスクへとスムーズに且つ安全に切り換えられる。

【0085】

以上のような処理を行うことで、制御装置１０は、車両２０に対して様々な種類のタスクを順次実行させることが可能となっている。それぞれのタスクの実行時においては、当該タスクに対応した最低限の規模の制御モデルが生成され、当該制御モデルを用いたモデル予測制御が実行される。多数のタスクを包含させるための制御系の冗長化が不要であるため、制御装置１０の負荷を従来に比べて抑制することができる。また、車両２０に実行させるタスクとして、新たなタスクを追加したい場合には、タスクモジュール部１２０に新たなソフトウェアモジュールを追加すればよい。このように、制御装置１０は十分な拡張性（スケーラビリティ）を有している。実行可能なタスクが増加したとしても、それに応じて、状態空間等の制御系が巨大化するわけではないので、制御装置１０の処理負荷が増加することは無い。

【0086】

車両２０に実行させるタスクを切り換える際は、中間制御モデルを用いたモデル予測制御が実行され、これにより遷移処理が実行される。中間制御モデルでは、状態空間が、第１状態空間及び第２状態空間の両方を包含する第３状態空間へと拡張される。このため、制御モデルに含まれる状態変数等の数が増加し、制御装置の処理負荷は増加する。しかしながら、処理負荷の増加は、遷移処理の実行時における一時的なものであるから、平均的に見れば、制御装置の処理負荷は抑制される。

【0087】

尚、図４のステップＳ０２における第１タスクの定式化や、ステップＳ０６における第２タスクの定式化は、それぞれのステップが処理されたタイミングで行われてもよいが、当該タイミングよりも前の時点で予め行われることとしてもよい。

【0088】

つまり、統括部１００からタスクの実行要求が発せられるよりも前の時点で、各タスクを定式化した制御モデルを予め生成しておき、当該制御モデルを記憶部１４０に記憶させておいてもよい。ステップＳ０７における中間制御モデルの生成についても同様である。

【0089】

この場合、図４のステップＳ０２等においては、既存の制御モデルを記憶部１４０から読み出して用いることとすればよい。このように、ステップＳ０２、Ｓ０６、Ｓ０７において、モデル生成部１３１が制御モデルを「生成する」処理には、記憶部１４０から既存の制御モデルを読み出すことも含まれる。

【0090】

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

【0091】

本開示に記載の制御装置及び制御方法は、コンピュータプログラムにより具体化された１つ又は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された１つ又は複数の専用コンピュータにより、実現されてもよい。本開示に記載の制御装置及び制御方法は、１つ又は複数の専用ハードウェア論理回路を含むプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。本開示に記載の制御装置及び制御方法は、１つ又は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと１つ又は複数のハードウェア論理回路を含むプロセッサとの組み合わせにより構成された１つ又は複数の専用コンピュータにより、実現されてもよい。コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。専用ハードウェア論理回路及びハードウェア論理回路は、複数の論理回路を含むデジタル回路、又はアナログ回路により実現されてもよい。

【符号の説明】

【0092】

１０：制御装置
２０：車両
１３１：モデル生成部
１３２：タスク処理部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】