CN103909968B - 车辆的驾驶辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车辆的驾驶辅助装置，该装置通过简单的构成即可实现符合驾驶员的感觉的辅助驾驶。操舵控制部（20）基于在本车前方辨识出的白线和本车行驶状态而估计本车后方的白线，而且基于估计出的本车后方的白线和利用毫米波雷达（35）检测出的本车后方的立体物而判定相邻车道上是否存在超越车辆，并在本车辆后方的设定距离以内存在超越车辆时，基于本车前方的白线而对设定的操舵控制的操舵角进行向远离超越车辆的方向的校正。

Description

车辆的驾驶辅助装置

技术领域

本发明涉及一种根据辨识出的白线而将操舵角设定为适于行驶的车辆的驾驶辅助装置。

背景技术

近年来，随着电子技术的发展，车辆中的多种驾驶辅助装置得到开发并已推向实用化。作为这种驾驶辅助装置，有通过搭载于车辆的摄像机而辨识白线并估计本车行进路径，并基于此而附加预定的操舵力或进行自动操舵的装置。

作为这种驾驶辅助装置，例如在专利文献1中公开了如下技术：在基于检测出的白线和设定的假想白线而进行车道维持控制的驾驶辅助控制中，当检测出障碍物时，基于从本车辆到障碍物的距离而在比障碍物更靠行驶车道内侧处设定假想白线并进行车道维持控制。

然而，在这种驾驶辅助装置中，为了实现更符合驾驶员的感觉的驾驶辅助控制，期望不仅对本车辆前方的车外信息，还对本车辆后方的车外信息也予以充分的考虑。然而，存在对本车辆后方的环境也像前方一样拍摄车外环境来进行白线的辨识等，会导致结构的复杂化、处理的繁琐化等的担忧。

[现有技术文献]

专利文献1：日本特开2007-8281号公报

发明内容

本发明为鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供一种通过简单的构成来实现符合驾驶员的感觉的辅助驾驶的车辆的驾驶辅助装置。

根据本发明的一种形态的车辆的驾驶辅助装置，具有：前方环境辨识单元，对包含本车前方的左右白线的前方环境进行辨识；操舵控制单元，基于所述本车前方的左右白线而对操舵角进行独立于驾驶员输入的自由设定；后方白线位置估计单元，基于所述本车前方的左右白线和本车行驶状态而估计本车后方的白线；立体物检测单元，检测本车后方的立体物；超越车辆判定单元，基于所述本车后方的白线和所述本车后方的立体物而判定相邻车道上是否存在超越车辆；校正单元，当在本车辆后方的设定距离以内存在所述超越车辆时，将所述操舵控制单元中设定的所述操舵角向远离所述超越车辆的方向校正。

根据本发明中的车辆的驾驶辅助装置，则通过简单的构成即可实现符合驾驶员的感觉的辅助驾驶。

附图说明

图1是车辆的操舵系统的概略构成图。

图2是操舵控制部的功能模块图。

图3是表示白线候选点和白线近似线的说明图。

图4是表示偏移量设定程序的流程图。

图5是使上一个代表位置移动到当前的代表位置时的坐标变换的说明图。

图6是表示伴随本车辆的移动的白线候选点的估计位置的说明图。

图7是行驶于相邻车道的超越车辆的说明图。

图8是表示偏移量的特性的说明图。

图9是对反馈控制中用到的本车辆的估计行驶位置从左右两道白线之间的中心处偏移的偏移量的说明图。

图10是表示在相邻车道不存在超越车辆和存在超越车辆的情况下的前方注视点的说明图。

符号说明：

1：电动助力转向装置 2：转向轴

3：转向柱 4：转向轮

5：小齿轮轴（小齿轮）

6：转向齿轮箱 7：齿条轴

8：转向横拉杆 9：前转向节

10L、10R：左右轮 11：辅助传动机构

12：电动马达 20：操舵控制部

20a：偏移量计算部（后方白线位置估计单元，超越车辆判定单元，校正单元）

20b：前馈控制部（操舵控制单元）

20c：反馈控制部（操舵控制单元）

20d：操舵扭矩计算部（操舵控制单元）

21：马达驱动部 31：前方辨识装置

31L、31R：摄像机（前方环境辨识单元）

31a：立体图像处理装置（前方环境辨识单元）

32：车速传感器 33：偏航率传感器

34：横向加速度传感器 35：毫米波雷达（立体物检测单元）

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的形态进行说明。附图涉及本发明的一种实施方式，图1是车辆的操舵系统的概略构成图，图2是操舵控制部的功能模块图，图3是表示白线候选点和白线近似线的说明图，图4是表示偏移（Offset）量设定程序的流程图，图5是使上一个代表位置移动到当前的代表位置时的坐标变换的说明图，图6是表示伴随本车辆的移动的白线候选点的估计位置的说明图，图7是行驶于相邻车道的超越车辆的说明图，图8是表示偏移量的特性的说明图，图9是对反馈控制中用到的本车辆的估计行驶位置从左右两道白线之间的中心处偏移的偏移量的说明图，图10是表示在相邻车道不存在超越车辆和存在超越车辆的情况下的前方注视点的说明图。

在图1中，符号1表示可对操舵角进行独立于驾驶员输入的自由设定的电动助力转向装置，对于该电动助力转向装置1而言，转向轴2隔着转向柱（steering column）3而被未图示的车身框架所支撑而可自由旋转。转向轴2的一端延伸到驾驶位侧，在该转向轴2的一端部固定设置有转向轮4。另一方面，转向轴2的另一端延伸到引擎室侧，而在该转向轴2的另一端部连结有小齿轮轴5。

引擎室中配置有向车辆的宽度方向延伸的转向齿轮箱6，在该转向齿轮箱6中，齿条轴7以可自由往复移动的方式被贯通插入并得到支撑。在齿条轴7的中间设置有齿条（未图示），通过使设置于小齿轮轴5上的小齿轮（未图示）啮合于该齿条而构成齿条与小齿轮式的转向齿轮机构。

另外，齿条轴7的左右两端分别从转向齿轮箱6突出，在其端部通过转向横拉杆（tie rod）8而连接设置有前转向节（Front knuckle）9。该前转向节9可自由旋转地支撑作为操舵轮的左右轮10L、10R，并且通过主销（Kingpin，未图示）可自由转舵地被车身框架支撑。因此，如果操作转向轮4使转向轴2、小齿轮轴5旋转，则通过该小齿轮轴5的旋转，齿条轴7会向左右方向移动，并由于这一移动而使前转向节9以主销（未图示）为中心而旋转，从而使左右轮10L、10R朝左右方向转舵。

另外，电动马达12隔着辅助传动机构11被连接设置于小齿轮轴5，借助于该电动马达12来执行以下操作：辅助施加于转向轮4的操舵扭矩，以及增加可达到设定的操舵角的操舵扭矩。为了达到通过后述的操舵控制部20设定的操舵扭矩（控制量）Ti，电动马达12通过马达驱动部21而被驱动。另外，操舵控制部20虽然也具有操舵扭矩的辅助功能，然而在本实施方式中省略对操舵扭矩的辅助功能的说明。

在操舵控制部20例如连接有：作为用于辨识包括本车前方的左右白线以及前行车等在内的前方环境的前方环境辨识单元的前方辨识装置31、检测车速V的车速传感器32、检测偏航率（dθ/dt）的偏航率传感器33、检测横向加速度Gy的横向加速度传感器34、以及作为检测车身后方的立体物的立体物检测单元的毫米波雷达35等。

前方辨识装置31例如构成为具有：一组CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）摄像机（立体摄像机：摄像单元）31L、31R，以固定的间距安装在车厢内的天花板前方，从不同的视点对车外的对象进行立体摄像；立体图像处理装置31a，处理来自这些CCD摄像机31L、31R的图像数据。

立体图像处理装置31a对来自CCD摄像机31L、31R的图像数据的处理例如是以如下的方式进行。即，立体图像处理装置31a首先针对利用CCD摄像机31L、31R拍摄的本车辆行进方向上的一组图像对，基于对应位置的偏移量求出距离信息，并生成距离图像。

关于白线数据的辨识，立体图像处理装置31a基于白线亮度比道路面亮度高的已知条件，评估道路的宽度方向的像素的亮度变化，并在图像平面上确定位于图像平面的左右的白线候选点的位置。基于图像平面上的位置（i、j）以及与该位置对应而计算出的视差（即距离信息），通过公知的坐标变换式计算得出该白线候选点的实际空间上的位置（x、y、z）。将本车辆的位置作为基准设定的实际空间的坐标系例如可将右侧的摄像机31R的中央正下方的道路面作为原点并将车辆宽度方向作为X轴、车辆高度方向作为Y轴、车辆长度方向作为Z轴而定义（例如参照图3）。并且，对于变换到实际空间坐标系的各白线候选点，例如按每个彼此接近的点列分组并利用最小二乘法等近似为二次曲线（白线近似线）。其中，在本实施方式下，立体图像处理装置31a在存在与本车辆正在行驶的车道相邻的车道的情况时，对于划分该车道的白线也进行辨识。即，在本实施方式的左右白线辨识过程中，不仅辨识用于划分本车行驶车道的白线，而且对用于划分相邻车道的白线也另行予以辨识。

另外，在侧壁、立体物数据的辨识中，立体图像处理装置31a将距离图像上的数据与预先存储的三维侧壁数据、立体物数据等帧（窗）进行比较，提取沿着道路延续存在的护栏、路边石等侧壁数据，并且将立体物与汽车、二轮车、行人、电线杆等其他立体物分类而提取。在立体物数据的提取中，立体图像处理装置31a通过各立体物与本车辆之间的距离（相对距离）的时间变化率而计算出与本车辆之间的相对速度，并将这一相对速度与本车车速V相加而计算出各立体物的速度。此时，尤其对于归类为车辆的立体物，基于其速度将本车辆的前方方向设为正向来进行以下辨识：将速度约为0的车辆归类为停止车辆，将速度为正（沿着与本车辆相同的方向行进的车辆）且与本车辆最为接近的车辆归类为前行车，将速度为负的车辆（朝本车辆开来的车辆）归类为迎面车。这样获得的各信息即白线数据、沿着道路存在的护栏、路边石等侧壁数据、以及立体物数据（种类、距离、速度、与本车辆之间的相对速度、前行车信息等）的各数据被输入到操舵控制部20。

毫米波雷达35例如安装于车身的后保险杠结构材料等。该毫米波雷达35具有未图示的发送和接收部，发送和接收部在预定的扫描范围内每隔固定的间隔便在车辆的水平方向上发送和/或接收毫米波。并且，毫米波雷达35基于发送了的毫米波被立体物等反射对象反射回来为止的时间差而生成由本车后方的立体物的二维分布构成的雷达图像。

操舵控制部20基于所述的各输入信号而执行自动操舵控制等操舵辅助。即，操舵控制部20可基于本车前方的白线而独立于驾驶员的输入来设定操舵角。具体而言，操舵控制部20基于所述的各输入信号计算由前方辨识装置31辨识出的左右白线的辨识形状等所对应的输出值作为前馈（Feedforward）输出值Iff，以本车辆的估计行驶位置作为基准计算由前方辨识装置31辨识出的左右白线的辨识形状等所对应的输出值作为反馈输出值Ifb，并将这些值相加得到的值换算成扭矩值并作为操舵扭矩（控制量）Ti输出到马达驱动部21。此时，操舵控制部20基于本车前方的白线与本车行驶状态而估计本车后方的白线，并判定与本车行驶车道相邻的车道（相邻车道）是否存在超越车辆。并且，操舵控制部20在判定出本车辆后方的设定距离以内存在超越车辆时，将操舵控制中的操舵角校正为从超越车辆远离的方向。

因此，如图2所示，操舵控制部20例如可以具有作为后方白线位置估计单元以及校正单元的偏移量计算部20a，而且具有作为操舵控制单元的前馈控制部20b、反馈控制部20c、以及操舵扭矩计算部20d。

偏移量计算部20a从前方辨识装置31接收包含白线信息的各种辨识信息，并从车速传感器32接收车速V，从偏航率传感器33接收偏航率（dθ/dt），并从毫米波雷达35接收表示本车后方的立体物信息的雷达图像。并且，偏移量计算部20a例如按照图4所示的表示偏移量计算程序的流程图而计算偏移量ｘ_offset。

该程序为每隔设定时间反复执行的程序，如果程序开始，则偏移量计算部20a首先在步骤S101中进行对本车后方延续存在的白线位置的估计。该后方白线位置的估计例如可以利用本车车速V、偏航角θ（即由偏航率(dθ/dt)计算的角度）而进行。

例如，如图5所示，如果帧频为Δt，则本车辆在一帧内在X轴方向以及Z轴方向移动的移动量Δx、Δz可通过以下的式（1）以及式（2）求出。

Δx=V·Δt·sinθ…（1）

Δz=V·Δt·cosθ…（2）

因此，如图6所示，例如假定上一帧中检测出的白线候选点的坐标为（xold，zold），估计该白线候选点在当前帧中发生了移动的坐标（xpre，zpre）通过以下的式（3）以及式（4）求出。即，坐标（xpre，zpre）是从坐标（xold，zold）减去车辆移动量Δx、Δz之后，进行向当前帧中的车辆固定坐标系（X′，Z′）的坐标变换而求得的。

xpre=（xold-Δx）·cosθ-（zold-Δz）·sinθ…（3）

zpre=（xold-Δx）·sinθ+（zold-Δz）·cosθ…（4）

偏移量计算部20a通过对各白线候选点进行逐帧依次累积式的这种计算，并利用最小二乘法等将计算后的各白线候选点的点列近似为二次曲线（白线近似线），从而估计出本车后方的白线。

在随后的步骤S102中，偏移量计算部20a通过在估计本车后方的白线的X-Z坐标系中合成利用毫米波雷达35获得的雷达图像，从而辨识出与本车行驶车道相邻的车道上的立体物。即，偏移量计算部20a考察本车后方的相邻车道上是否存在利用毫米波雷达35检测出的立体物，并在立体物存在的情况下计算出后方的本车车道位置与立体物（后方车辆等）之间的位置误差Eby（例如参照图7）。并且，偏移量计算部20a基于从本车辆到立体物的相对距离的帧间变化量等而计算出与立体物之间的相对速度Vabt。

从步骤S102进入步骤S103时，偏移量计算部20a基于计算出的位置误差Eby而考察本车后方的相邻车道上是否存在立体物。

而且，在步骤S103中，如果判定出本车后方的相邻车道上不存在立体物，则偏移量计算部20a进入步骤S110。

另一方面，在步骤S103中，如果判定出本车后方的相邻车道上存在立体物，则偏移量计算部20a进入步骤S104而考察从本车辆到立体物的相对距离L是否为预先设定的阈值Lth以下。

并且，在步骤S104中，如果判定出从本车辆到立体物的相对距离L比设定阈值Lth更大，则偏移量计算部20a进入步骤S110。

另一方面，在步骤S104中，如果判定出从本车辆到立体物的相对距离L为设定阈值Lth以下，则偏移量计算部20a进入步骤S105而考察本车辆与立体物之间的相对速度Vabt是否为预先设定的阈值Vth以上。

而且，在步骤S105中，如果本车辆与立体物之间的相对速度Vabt不足设定阈值Vth，则偏移量计算部20a进入步骤S110。

另一方面，在步骤S105中，如果判定出本车辆与立体物之间的相对速度Vabt为设定阈值Vth以上，则偏移量计算部20a进入步骤S106而考察标志F是否被设置为“1”（表示将靠近本车辆的超越车辆辨识为控制对象）。

并且，在步骤S106中，如果标志F被清“0”，则偏移量计算部20a进入步骤S107而将标志F设置为“1”之后进入步骤S108。

另一方面，在步骤S106中，如果标志F被设置为“1”，则偏移量计算部20a进入步骤S108。

如果从步骤S106或步骤S107进入步骤S108，则偏移量计算部20a将表示从将靠近本车辆的超越车辆辨识为控制对象之时起经过的时间的时间t增加（t←t+Δt）之后进入步骤S109。

从步骤S108进入步骤S109时，偏移量计算部20a例如会将相对距离L以及相对速度Vabt作为参数并基于预先设定的对应关系（例如参照图8）而计算出在后述的前馈控制以及反馈控制中用于使控制对象向远离超越车辆的方向偏离的偏移量ｘ_offset（例如参照图10），然后退出程序。在此，将偏移量ｘ_offset设定为相对距离L越短则越大，并且相对速度Vabt越大则越大。而且，例如通过在偏移量ｘ_offset上乘以预先设定的时间常数τ，从而将其设定为从将靠近本车辆的超越车辆辨识为控制对象之时起经过的时间（时间t的值）越长则变得越大。

另外，如果从步骤S103、步骤S104或步骤S105进入步骤S110，则偏移量计算部20a将标志F清“0”，并在随后的步骤S111中将时间t清“0”之后退出程序。

前馈控制部20b从前方辨识装置31接收包含白线信息的各种辨识信息，并从偏航率传感器33接收偏航率（dθ/dt）。并且，前馈控制部20b，作为基本功能，例如通过以下的式（5）计算左右白线的辨识形状所对应的输出值作为前馈输出值Iff，并输出到操舵扭矩计算部20d。即，前馈控制部20b在本车后方不存在预定的超越车辆且在所述的偏移量计算部20a中没有设定偏移量ｘ_offset时通过以下的式（5）而计算前馈输出值Iff。

Iff=Gff·（Rr+Rl）/2…（5）

另一方面，在已经计算出偏移量x_offset的情况下，前馈控制部20b通过以下的式（5）计算前馈输出值Iff。

Iff=Gff·（(1-x_offset/Wrd)Rr+(1+x_offset/Wrd)Rl）/2…（5）′

其中，在式（5）以及式（5）′中，Rr为右白线提供的曲率成分，而Rl为左白线提供的曲率成分（例如参照图3）。例如可以利用通过最小二乘法等用二次曲线近似的各白线近似线的二次项的系数来确定这些左右曲率成分Rr、Rl。另外，Gff为控制增幅（Gain），该控制增幅Gff例如可通过将偏航率（dθ/dt）作为参数并参照基于预实验等而设定的对应关系等而设置为可变更。

反馈控制部20c从前方辨识装置31接收包含白线信息的各种辨识信息，并从车速传感器32接收车速V，从偏航率传感器33接收偏航率（dθ/dt），并从横向加速度传感器34接收横向加速度Gy。并且，反馈控制部20c，作为基本功能，例如通过以下的式（6）计算由前方辨识装置31辨识出的本车辆的预测行驶位置为基准的左右白线的形状所对应的输出值作为反馈输出值Ifb，并输出到操舵扭矩计算部20d。即，反馈控制部20c在本车后方不存在预定的超越车辆且在所述的偏移量计算部20a中没有设定偏移量ｘ_offset时，将通过以下的式（6）而计算反馈输出值Ifb。

Ifb=Gfb·（xr-xl-xv）…（6）

另一方面，在已计算出偏移量x_offset的情况下，反馈控制部20c通过以下的式（6）′计算出反馈输出值Ifb。

Ifb=Gfb·（xr-xl-xv-x_offset）…（6）′

其中，在式（6）以及式（6）′中，xv为车辆的前方注视点的x坐标。如图9所示，该前方注视点在本实施方式中例如为预测在经过预先设定的预见时间T（例如1.2秒）之后本车辆所处的点。该前方注视点的z坐标zv例如通过zv=T·V计算出。另外，也可以简单地选定为前方的预先设定的距离处的点。

因此，前方注视点的x坐标xv为例如可通过以下的式（7）计算。

xv=xi+V·（β+θ）·T+（1/2）·（(dθ/dt)+(dβ/dt)·V·T²）…（7）

其中，xi为车辆的当前的x坐标，（dβ/dt）为车身滑移角速度，例如可通过以下的式（8）计算。

（dβ/dt）=（Gy/V）-（dθ/dt）…（8）

而且，通过对这一车身滑移角速度（dβ/dt）进行积分处理而计算车身滑移角β。

而且，正如从式（6）′中也可以清楚地看出一样，在本车辆的后方存在预定的超越车辆时，前方注视点对于坐标xv偏移ｘ_offset的量（例如参照图10）。

操舵扭矩计算部20d从前馈控制部20b接收前馈输出值Iff，并从反馈控制部20c接收反馈输出值Ifb。并且，例如通过以下的式（9）计算操舵扭矩Ti，

并输出到马达驱动部21。

Ti=Gt·（Iff+Ifb）…（9）

其中，Gt为预先设定的换算系数。

根据这样的实施方式，基于在本车前方辨识出的白线和本车行驶状态而估计本车后方的白线，而且基于估计出的本车后方的白线和利用毫米波雷达35检测出的本车后方的立体物而判定相邻车道上是否存在超越车辆，在本车辆后方的设定距离以内存在超越车辆时，对基于本车前方的白线而设定的操舵控制的操舵角进行向远离超越车辆的方向的校正，从而可以通过简单的构成而实现符合驾驶员的感觉的辅助驾驶。

即，通过基于在本车前方辨识出的白线和本车行驶状态而估计本车后方的白线，从而只要对本车前方进行边缘检测等简单的处理即可容易地对本车前方甚至本车后方的白线进行估计（辨识）。而且，通过将利用毫米波雷达35检测出的立体物信息合成于估计出的本车后方的白线信息，从而通过仅附加毫米波雷达35的便宜而简单的构成即可以将从后方接近本车辆的超越车辆也容易地辨识出。并且，当辨识出的超越车辆在本车后方的设定距离以内时，将操舵角向远离超越车辆的方向校正，从而可以实现不仅考虑了本车前方的车外环境而且还充分考虑到后方的车外环境的符合驾驶员的感觉的辅助驾驶。

另外，本发明并不局限于以上说明的各实施方式，而是可以进行各种变形及变更，那些也都包含在本发明的技术范围内。例如，在上述实施方式中是对利用普通的电动助力转向装置构成操舵系统的一例进行了说明，然而本发明并不局限于此，例如也可以采用线控转向（Steer-by-wire）机构的操舵系统。

另外，在上述实施方式中是对本车前方辨识时利用来自立体摄像机的图像信息的一例进行了说明，然而例如也可以采用来自单眼摄像机的图像信息。

另外，在上述实施方式中是对并用前馈控制和反馈控制而进行操舵控制的一例进行了说明，然而本发明并不局限于此，例如也可以只利用反馈控制和前馈控制中的任何一种而进行操舵控制。另外，例如在操舵控制中并用前馈控制和反馈控制的情况下，也可以构成为只对前馈控制和反馈控制中的某一种进行应对超越车辆的校正。

另外，在上述实施方式中是对在本车后方的立体物辨识中采用了毫米波雷达的一例进行了说明，然而本发明并不局限于此，例如也可以适当地采用激光雷达、红外线雷达、摄像机等。

Claims (3)

1.一种车辆的驾驶辅助装置，其特征在于，具有：

前方环境辨识单元，对包含本车前方的左右白线的前方环境进行辨识；

操舵控制单元，基于所述本车前方的左右白线而对操舵角进行独立于驾驶员输入的自由设定；

后方白线位置估计单元，基于所述本车前方的左右白线和本车行驶状态而估计本车后方的白线；

立体物检测单元，检测本车后方的立体物；

超越车辆判定单元，基于所述本车后方的白线和所述本车后方的立体物而判定相邻车道上是否存在超越车辆；

校正单元，当在本车辆后方的设定距离以内存在所述超越车辆时，将所述操舵控制单元中设定的所述操舵角向远离所述超越车辆的方向校正。

2.如权利要求1所述的车辆的驾驶辅助装置，其特征在于，所述校正单元将基于所述本车前方的左右白线而设定的所述操舵角的本车向远离所述超越车辆的方向偏移，从而校正所述操舵角。

3.如权利要求1或2所述的车辆的驾驶辅助装置，其特征在于，所述操舵控制单元至少具有一种如下单元：

前馈控制单元，计算所述前方环境辨识单元辨识出的左右白线的辨识形状所对应的输出值作为前馈输出值；

反馈控制单元，计算所述前方环境辨识单元辨识出的左右白线的辨识形状和本车辆的行驶状态所对应的输出值作为反馈输出值，

并且，所述校正单元对所述前馈输出值、所述反馈输出值中的至少一种进行校正。