DE69117549T2

DE69117549T2 - Gerät zum automatischen Fahren

Info

Publication number: DE69117549T2
Application number: DE69117549T
Authority: DE
Inventors: Shinnosuke Ishida
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1990-03-15
Filing date: 1991-03-13
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2011-03-14
Also published as: EP0446902B1; EP0446902A3; JPH03265007A; EP0446902A2; DE69117549D1; US5367457A; JP2835764B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine automatische Fahrvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige automatische Fahrvorrichtung ist beispielsweise aus der EP-A-0 354 361 bekannt.
Die bekannte Vorrichtung ist dafür vorgesehen, kontinuierlich ein Bild eines Bereiches vor einem Fahrzeug in dessen Fahrrichtung durch eine Bildaufnahmevorrichtung aufzunehmen, die an dem Fahrzeug angebracht ist; das derart aufgenommene Bild abzutasten und datenzuverarbeiten, um hieraus kontinuierliche Liniensegmente, wie etwa Straßenränder, zu extrahieren; einen zulässigen Fahrbereich vor dem Fahrzeug auf Grundlage der extrahierten kontinuierlichen Liniensegmente zu bestimmen; einen Zielkurs in dem bestimmten zulässigen Fahrbereich festzusetzen; einen Lenkwert auf der Grundlage des momentanen erfaßten Fahrzustands des Fahrzeugs zu bestimmen, welcher Lenkwert notwendig ist, um dem Zielkurs zu folgen; und das Fahrzeug zu lenken, so daß es dem Zielkurs bezüglich des Lenkwerts folgt.
Da die oben erwähnte automatische Fahrvorrichtung die Lenksteuerung des Fahrzeugs in einem Intervall der Bildabtastperiode bezüglich des zum Folgen des Zielkurses notwendigen Lenkwerts durchführt, welcher Lenkwert aus dem aktuellen Fahrzustand bestimmt wird, kann die Lenksteuerung genauer als die Abtastperiode sein, d.h., der Lenksteuerzyklus ist kürzer.
In dem Fall, daß jede Bilddatenverarbeitung, vom Bilddatenabtasten bis zum Bestimmen eines zulässigen Fahrbereichs für jeden Steuerzyklus, durch einen Mikrocomputer oder ähnliche Mittel durchgeführt wird, kann dies allerdings relativ lange Zeit erfordern, da ein Bild eines Bodenbereiches vor dem Fahrzeug kompliziert sein kann und viel zu verarbeitende Information enthält. Die Ersparnis der Steuerzykluszeit kann deshalb begrenzt sein.
Die zum Verarbeiten jedes Bildes und letztendlichen Bestimmen eines zulässigen Fahrbereiches benötigte Zeit ist deutlich länger im Vergleich zu der Verarbeitungszeit zum Lenken des Fahrzeugs derart, daß dieses dem in dem zulässigen Fahrbereich festgesetzten Zielkurs folgt. Zum Beispiel beträgt die Bildverarbeitungsdauer 500 msec, wohingegen die Verarbeitungsdauer für die Lenksteuerung 10 msec beträgt.
Wird die Bildverarbeitungsdauer verlängert, kann das Fahrzeug weit genug fahren, um einer Abweichung seiner tatsächlichen Position bezüglich des bestimmten zulässigen Fahrbereichs hervorzurufen, d.h., eine höhere Fahrgeschwindigkeit ruft eine größere Abweichung hervor, woraus sich eine beträchtliche Abnahme der Genauigkeit der Lenksteuerung ergibt.
Aus der DE 38 20 589 A1 ist eine automatische Fahrvorrichtung bekannt, die bezüglich der interessierenden Merkmale im wesentlichen der bekannten automatischen Fahrvorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht, die vorstehend diskutiert wurde. Aus Fig. 10 der DE 38 20 589 A1 kann klar abgeleitet werden, daß nur ein Steuerzyklus für die Bildverarbeitung (Schritt 1001 der Fig. 10) und die Lenksteuerung (Schritte 1004 und 1005) vorgesehen ist, so daß der Lenkwert nur einmal während jeder Bildabtastperiode bestimmt wird. Deshalb hat diese automatische Fahrvorrichtung im wesentlichen die gleichen Nachteile wie die vorstehend diskutierte automatische Fahrvorrichtung, d.h., daß die Genauigkeit der Lenksteuerung aufgrund der relativ langen Bildabtastperiode begrenzt ist. Für eine größere Fahrgeschwindigkeit kann dies zu größeren Abweichungen des Fahrzeugs vom Zielkurs führen.
Die EP 0 273 976 A1 offenbart eine automatische Fahrvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, einem festen Kurs zu folgen. Auf der Grundlage von Daten, die von einem Bewegungslängendetektor und einem Richtungsdetektor ausgegeben sind, bestimmt die Vorrichtung durch Koppelnavigation (als Vermutungsnavigation erwähnt) ihre Positions- und Lagekoordinaten bezüglich des festen Kurses und vergleicht die "vermuteten" Koordinatendaten mit vorbestimmten Zielkoordinatendaten bezüglich des festen Kurses. Falls der Unterschied zwischen den vermuteten Koordinatendaten und den Zielkoordinatendaten größer als eine jeweilige Schwelle ist, wird die Drehgeschwindigkeit der Antriebsräder gemäß einer vorbestimmten Formel geändert, wobei die Drehgeschwindigkeit eines Rades um den Wert AV zunimmt, wohingegen die Drehgeschwindigkeit des anderen Rades um den Wert AV abnimmt. Dieses Schema des Steuerns eines Fahrzeugs entlang eines festen Kurses entspricht einer Art Regelung.
Zum Korrigieren von Fehlern bezüglich der vermuteten Position und Lage des Fahrzeugs sind visuelle Erkennungsmittel vorgesehen, die z.B. eine Fernsehkamera umfassen, welche visuellen Erkennungsmittel die Bestimmung der wahren Koordinaten auf der Basis von Bodenmarkierungen neben oder auf dem festen Kurs des Fahrzeugs ermöglichen.
Die durch visuelle Erkennung erhaltenen Koordinatendaten dienen zur Korrektur der vermuteten Koordinatendaten zum direkten Korrigieren der Position des Fahrzeugs bezüglich des festen Kurses. Die Position des Fahrzeugs wird durch die Motoren MR und ML entsprechend korrigiert. Ein gleichförmiger Gesamtkurs des Fahrzeugs kann nicht erwartet werden.
Es werden keine Mittel zum Bestimmen eines zulässigen Fahrbereiches vor dem Fahrzeug oder zum Festsetzen oder Neufestsetzen eines Zielkurses in dem zulässigen Fahrbereich offenbart. Es sind auch keine Mittel zum Bestimmen eines Lenkwerts auf der Basis der momentanen Fahrzustände vorgesehen. Der Wert AV hängt nur von den Zielkoordinatendaten und den vermuteten Koordinatendaten ab.
Demgemäß werden das Führen des Fahrzeugs entlang dem festen Kurs und die Korrektur seiner Position unter Verwendung der visuellen Erkennungsmittel abweöhselnd durchgeführt, wobei die Positionskorrektur anscheinend jedesmal dann durchgeführt wird, wenn das Fahrzeug an eine Bodenmarkierung nahe herankommt.
Demgemäß ist der feste Zielkurs durch eine Reihe sich auf Positionen Pi beziehenden Zielversetzungen di und Zielneigungswinkeln i definiert, welche Positionen Pi anscheinend die Positionen jeweiliger Bodenmarkierungen sind, an denen sich der feste Zielkurs bezüglich einer Bezugspassage ändert, die durch die Bodenmarkierungen verbindende Linienabschnitte gebildet ist.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine automatische Fahrvorrichtung bereitzustellen, die dazu fähig ist, einem in einem zulässigen Fahrbereich festgesetzten Zielkurs gleichförmig und genau zu folgen, welcher Zielkurs durch die automatische Fahrvorrichtung festgesetzt ist und welcher zulässige Fahrbereich durch die automatische Fahrvorrichtung bestimmt ist. Es ist insbesondere ein Ziel der Erfindung, eine automatische Fahrvorrichtung bereitzustellen, bei der die Genauigkeit der Lenksteuerung groß genug ist, so daß es nicht notwendig ist, die Position und die Lage des sich bewegenden Fahrzeugs intermittierend zu korrigieren.
Dieses Ziel wird durch die automatische Fahrvorrichtung der Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
Gemäß der Erfindung begrenzt die Dauer der Bildabtastperiode nicht die Genauigkeit der Lenksteuerung, da der Lenkwert während einer Bildabtastperiode wiederholt auf der Grundlage des momentanen Fahrzustands und der aktualisierten Fahrzeugposition neu bestimmt wird, was es zuläßt, daß das Fahrzeug dem Zielkurs gleichförmig und genau folgt. Falls nötig, z.B. im Fall einer Abweichung des Fahrzeugs bezüglich des Zielkurses, wird der Zielkurs in dem zulässigen Fahrbereich neu festgesetzt, anstatt die Position und/oder die Lage des Fahrzeugs zu korrigieren. Diese Maßnahme ermöglicht es, daß das Fahrzeug einem gleichförmigen Gesamtkurs in dem zulässigen Fahrbereich folgt, da das Fahrzeug nicht auf den alten, einmal in dem zulässigen Fahrbereich festgesetzten Zielkurs zurückgezwungen wird.
Allerdings sollten normalerweise nur kleine Abweichungen des Fahrzeugs von dem gegenwärtigen Zielkurs auftreten, da der Lenkwert stets auf Grundlage der momentanen Fahrzustände bestimmt wird. Dies gewährleistet, daß das Fahrzeug für einen weiten Bereich von momentanen Fahrzuständen und Zielkurskrümmungen dem Zielkurs gleichförmig folgt. Es ist kein bloßer Vergleich einer momentanen Position und Lage mit einer Zielposition und Ziellage vorgesehen, sondern ein Vergleich eines den momentanen Fahrzuständen entsprechenden vermuteten Kurses mit dem Zielkurs. Der vermutete Kurs ist ein Kurs, dem das Fahrzeug ohne Lenken folgen würde, und insbesondere die Krümmung dieses vermuteten Kurses hängt stark von den momentanen Fahrzuständen, wie etwa der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Gierrate, ab. Um auf dem Zielkurs zu bleiben, wird z.B. der notwendige Lenkwert für hohe und niedrige Fahrzeuggeschwindigkeit unterschiedlich sein.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Struktur einer die vorliegende Erfindung ausführenden automatischen Fahrvorrichtung zeigt.
Fig. 2 zeigt ein Liniensegment einer Straße, das auf der Grundlage der Verarbeitung eines durch eine Videokamera aufgenommenen Bildes erhalten ist.
Fig. 3 zeigt ein Bild, das durch eine Projektionstransformation des in Fig. 2 gezeigten Bildes erhalten ist.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines in einem zulässigen Bereich innerhalb einer Straßenbreite festgesetzten Zielkurses.
Fig. 5(a) und 5(b) zeigen auf einer Straße festgesetzte Zielkurse, die ein Fahrzeug bei einer niedrigen Geschwindigkeit (a) bzw. einer hohen Geschwindigkeit (b) fahren soll.
Fig. 6 zeigt eine Beziehung zwischen einem Zielkurs und einem vermuteten Kurs.
Fig. 7 zeigt eine Beziehung zwischen dem Lenkwinkel eines Fahrzeugs und seinem Kurvenfahrradius.
Fig. 8 zeigt einen Fahrzustand eines Fahrzeugs in einem zulässigen Fahrbereich.
Fig. 9(a) zeigt eine Position und eine Fahrrichtung eines Fahrzeugs in einem zulässigen Fahrbereich zu einem gewissen Zeitpunkt.
Fig. 9(b) zeigt einen Zustand, der durch Koordinatentransformation eines zulässigen Fahrbereiches bezüglich einer Position und einer Fahrrichtung eines Fahrzeugs in einem zulässigen Fahrbereich erhalten ist.
Fig. 10 zeigt ein Liniensegment in den X-Y-Koordinaten.
Fig. 11 zeigt einen durch die Hough-Umwandlung des in Fig. 10 gezeigten Liniensegments erhaltenen Punkt in den -θ-Punktkoordinaten.
Fig. 12 zeigt die zeitliche Abstimmung von Verarbeitungen in einem Steuerzyklus.
Fig. 13 zeigt ein Flußdiagramm der Bildverarbeitung.
Fig. 14 zeigt ein Flußdiagramm der Aktualisierung der Fahrzeugposition während der Bildabtastung.
In den Zeichnungen ist 1 eine Bildaufnahmevorrichtung, 2 ein Bildprozessor, 3 ein Mittel zum Bestimmen eines zulässigen Fahrbereichs, 4 ein Mittel zum Festsetzen eines Zielkurses, 5 ein Steuermittel, 6 ein Fahrgeschwindigkeitssensor, 7 ein Gierratensensor, 8 ein Lenkwinkelsensor, 9 eine Lenksteuereinheit, 10 ein Lenkantrieb, 11 ein Fahrzeug. Die Buchstaben RA, RA' bezeichnen zulässige Fahrbereiche, und die Buchstaben OC, OC' bezeichnen Zielkurse.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird wie folgt im Detail beschrieben, wobei nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird:
Es ist aus Fig. 1 ersichtlich, daß eine automatische Fahrvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung die folgenden Komponenten umfaßt: eine Bildaufnahmevorrichtung 1, wie etwa eine Videokamera, die an einem Fahrzeug zum kontinuierlichen Aufnehmen aufeinanderfolgender Bilder eines Untergrunds vor dem Fahrzeug angebracht ist; ein Mittel 2 zum Verarbeiten der durch die Bildaufnahmevorrichtung 1 aufgenommenen Bilder, um hieraus Segmente durchgehender Linien, wie etwa Straßenränder und dergleichen, zu extrahieren; ein Mittel 3 zum Bestimmen - auf der Grundlage der erhaltenen durchgehenden Liniensegmente - eines zulässigen Fahrbereichs wie etwa einer Straße in der Richtung, in der das Fahrzeug fahren soll; ein Mittel 4 zum Festsetzen eines Zielkurses in dem derart bestimmten zulässigen Fahrbereich; ein Mittel 5 zum Bestimmen des momentanen Fahrzustands des Fahrzeugs auf der Grundlage eines die Fahrgeschwindigkeit "v" des Fahrzeugs repräsentierenden Ausgangssignals von einem Geschwindigkeitssensor 6, eines die Gierrate "γ" repräsentierenden Ausgangssignals von einem Gierratensensor 7 und eines den Reifenwinkel "δ" reprasentierenden Ausgangssignals von einem Lenkwinkelsensor 8, welcher Reifenwinkel "δ" sich mit dem Lenken des Fahrzeugs ändert, und zum Bestimmen - auf der Grundlage des momentanen Fahrzustandes - eines Lenkwerts, um zu ermöglichen, daß das Fahrzeug dem Zielkurs folgt; und ein Mittel 9 (und ein Lenkantrieb 10) zum Lenken des Fahrzeugs bezüglich des Lenkwerts.
Tatsächlich wird anstelle der Mittel 2, 3, 4 und 5 eine mikrocomputergestützte Steuerung verwendet, und das Mittel 9 kann von der mikrocomputergestützten Steuerung umfaßt sein, falls hierzu Veranlassung besteht.
Das Extrahieren der durchgehenden Liniensegmente, wie etwa Straßenränder, aus dem aufgenommenen Bild in dem Bildverarbeitungsmittel 2 kann wie folgt durchgeführt werden:
Als erstes wird jedes von der Bildaufnahmevorrichtung 1 zugeführte Bild zum Detektieren der Straßenränder einem Differentiationsprozeß ausgesetzt. Danach setzt eine automatische Schwellensetzschaltung in dem Bildverarbeitungsmittel 2 einen optimalen Schwellenwert unter Berücksichtigung des Abstufungsgrads der gerade verarbeiteten Straßenrandbildinformation. Das Straßenrandbild wird einer binären Transformation ausgesetzt.
Alternativ können als erstes die Bilder einer binären Transformation ausgesetzt werden und können dann die binären Daten der Differentiation ausgesetzt werden. Anstelle einer binären Transformation kann eine Mehrfachdigitalisierung durchgeführt werden, um einige Abstufungseinzelheiten des Bildes auszudrücken.
Die digitalisierte Bildinformation wird der Hough-Umwandlung ausgesetzt, um die X-Y-Linearkoordinaten in die entsprechenden -θ-Punktkoordinaten umzuwandeln, wodurch isolierte Punkte und Darstellungen eliminiert werden, um durchgehende Liniensegmente der Straßenränder zu liefern, wie in Fig. 2 gezeigt.
θ steht für einen Winkel, der zwischen der X-Achse und einer Senkrechten von dem Ursprung der X-Y-Koordinaten zu einem Liniensegment gebildet ist, wohingegen für die Länge der Normallinie steht. Zum Beispiel ist die Linie L in den X-Y-Koordinaten in Fig. 10 als der Punkt 01 in den -θ-Punktkoordinaten in Fig. 11 ausgedrückt.
Bei dieser Gelegenheit kann eine Kantensuche auf der Grundlage von binär kodierter Bildinformation durchgeführt werden, um einen durchgehenden Straßenrand zu erhalten. Die Hough-Umwandlung, die Kantensuche und andere angemessene Verarbeitungen können simultan durchgeführt werden, und es kann dann über die Ergebnisse dieser Verarbeitungen eine synthetische Beurteilung durchgeführt werden, um eine präzise Straßenrandinformation zu erhalten. Genauere Straßenrandinformationen kann erhalten werden, wenn die oben erwähnten Bildverarbeitungen unter Entwicklung eines Eingabebildbereiches durchgeführt werden, während das Fahrzeug fährt.
Das durch eine Videokamera aufgenommene Bild repräsentiert eine perspektische Ansicht. Das perspektivische Straßenrandbild, wie in Fig. 2 gezeigt, kann gemäß dem bekannten Projektionsumwandlungsprozeß in ein nicht-perspektivisches Straßenrandbild umgewandelt werden, wie in Fig. 3 gezeigt.
Das Mittel 3 zum Bestimmen des zulässigen Fahrbereichs weist Projektionsumwandlungscharakteristika auf, die unter Berücksichtigung der perspektivischen Charakteristika der zugeordneten Videokameras festgesetzt sind.
Das Mittel 3 zum Bestimmen des zulässigen Fahrbereichs kann - auf der Grundlage des durch Projektionsumwandlung erhaltenen nicht-perspektivischen Straßenbildes - zum Beispiel einen Bereich zwischen den durchgehenden Straßenrändern E1 und E2, die in Fig. 4 gezeigt sind, als einen zulässigen Fahrbereich RA in den X-Y-Koordinaten bestimmen, wobei die Y-Achse der Richtung entspricht, in der das Bild durch die Bildaufnahmevorrichtung 1 aufgenommen wird, d.h. der Richtung, in die das Fahrzeug fährt.
In Fig. 4 ist eine gegenwärtige oder momentane Position des Fahrzeugs 11 an einem Punkt "P" angedeutet, und die Videokamera der Bildaufnahmevorrichtung 1 ist an einer vorbestimmten Position an dem Fahrzeug angebracht, an der der Punkt "P" am mittleren unteren Punkt des Anzeigebildschirms als der Ursprung der X-Y-Koordinaten erscheinen kann.
Nachdem ein zulässiger Fahrbereich durch das Mittel 3 zum Bestimmen des zulässigen Fahrbereichs bestimmt ist, wählt das Mittel 4 zum Festsetzen eines Zielkurses einen Kurs, der zum Fahren in dem zulässigen Fahrbereich am angemessensten ist und setzt den so gewählten Kurs als einen Zielkurs fest, dem zu folgen ist.
Bevorzugt kann der Kurs unter Berücksichtigung der Straßenkontur und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt werden, um dem momentanen Fahrzustand des Fahrzeugs gerecht zu werden. Allerdings kann der Kurs im Grunde in der Breite der Straße wie folgt bestimmt werden:
Im Falle, daß das Mittel 4 zum Festsetzen des Zielkurses ermittelt, daß die Breite der Straße ein vorbestimmtes Maß übersteigt und daß sich Fahrzeuge links halten müssen, wird ein Zielkurs OC mit einem vorgegebenen konstanten Abstand "w" (z.B. 1,5 m) von dem linken Rand der Straße festgesetzt, wie in Fig. 4 gezeigt.
Im Falle, daß die Breite der Straße kleiner als das vorbestimmte Maß ist, wird ein Zielkurs entlang der Mittellinie (nicht gezeigt) der Straße festgesetzt.
Die Koordinaten des Zielkurses sind in den Speichern des Mittels 4 zum Festsetzen des Zielkurses gespeichert und werden beim Fahren des Fahrzeugs kontinuierlich aktualisiert. Die Unterteilungen der X-Y-Koordinaten für den zulässigen Fahrbereich und für den Zielkurs sind gemäß der Vergrößerung der Videokamera der Bildaufnahmevorrichtung 1 gewählt.
In Fig. 4 repräsentiert der Weg des Fahrzeugs von "P" zu "O" den Kurs, dem das Fahrzeug unter der Steuerung des Steuermitteis 5 tatsächlich folgt, bis das Fahrzeug den Zielkurs OC an dem Punkt O erreicht hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, den Zielkurs unter Berücksichtigung des Fahrzustands des Fahrzeugs wie folgt festzusetzen:
Im Falle, daß das Mittel 4 zum Festsetzen des Zielkurses ermittelt, daß die durch den Geschwindigkeitssensor 6 gemessene Fahrgeschwindigkeit kleiner als eine vorbestimmte Geschwindigkeit ist, wird der Zielkurs OC konform mit der Straßenkontur festgesetzt, wie aus Fig. 4 ersichtlich.
Wenn die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs größer als eine vorbestimmte Geschwindigkeit ist, und wenn das Fahrzeug auf einer kurvigen Straße fährt, wie in Fig. 5(b) gezeigt, wird ein Zielkurs OC mit reduziertem Kurvenradius festgesetzt, so daß die auf das Fahrzeug ausgeübte Querkraft reduziert wird.
Nachdem ein Zielkurs auf der Straße festgesetzt ist, berechnet das Steuermittel 5 einen Lenkwert wie folgt, um zu ermöglichen, daß das Fahrzeug dem Zielkurs folgt:
Wenn der Lenkwert sich auf einen Lenkwinkel des Fahrzeugs bezieht, vermutet das Steuermittel 5 einen Kurs, den das Fahrzeug auf der Grundlage des gegenwärtig erfaßten Fahrzustands entlangfahren wird; berechnet eine Abweichung des vermuteten Fahrkurses von dem Zielkurs; bestimmt einen Lenkwinkelwert, der derart korrigiert ist, daß das Fahrzeug dazu gebracht wird, dem Zielkurs zu folgen; und führt dann die Lenksteuerung des Fahrzeugs gemäß dem Lenkwert, d.h. dem Korrektur-Lenkwinkel durch.
In der Praxis wird zum Beispiel die Position, die das Fahrzeug erreichen wird, als ein Punkt in den X-Y-Koordinaten vermutet, wobei die Y-Achse die Fahrrichtung des Fahrzeugs repräsentiert, und es wird die seitliche Abweichung des vermuteten Punkts von dem Zielpositionpunkt gemessen, um hieraus schließlich einen entsprechenden Korrektur-Lenkwinkelwert zu bestimmen.
Es wird nun angenommen, daß ein Fahrzeug 11 am Punkt "P" derart gesteuert wird, daß es auf den Zielkurs OC gebracht wird.
Als erstes wird der Abstand L (m) (L = v x T) auf der Y- Achse, den das Fahrzeug in T Sekunden fahren kann, auf der Grundlage der Fahrgeschwindigkeit v (m/s) des Fahrzeugs bestimmt, welche Fahrgeschwindigkeit durch den Geschwindigkeitssensor bestimmt wird. Danach wird die Seitenabweichung xl vom Punkt "C" (auf dem das Fahrzeug in T Sekunden wäre, falls es den Abstand L gerade entlang der Y-Achse fahren würde) zu dem Zielkurs OC berechnet.
Als zweites werden der Kurs AC, dem das Fahrzeug vermutlich folgt, aus der Gierrate γ (rad/sec) berechnet, und danach wird die seitliche Abweichung xm vom Punkt "C" zu dem vermuteten Kurs AC durch die folgende Gleichung berechnet:
xm = R - {R² - (v X tm)²}1/2 = R - R {1 - (v X tm/R) ²}1/2
wobei R für einen Radius des vermuteten Kurses AC steht.
Wenn R » v X tm, erhalten wir
xm R = R {1 = (v X tm/R)² /2}
= v² X tm² /2R
= L² /2R (1)
γ =v / R (2)
Aus den Gleichungen (1) und (2) erhält man
xm = L² γ / 2v (3)
Das positive Vorzeichen der Gierrate γ bedeutet, daß der vermutete Kurs AC nach links biegt, wohingegen das negative Vorzeichen anzeigt, daß der vermutete Kurs nach rechts biegt.
Die Gierrate Δγ, auf die die Gierrate des Fahrzeugs zu korrigieren ist, wird aus der folgenden Gleichung bestimmt:
Δγ = e X 2v / L² (4)
Dann kann auf der Grundlage des am Punkt "P" durch den Lenkwinkelsensor 8 erfaßten Reifenwinkeis ö der Lenkwert δ' wie folgt bestimmt werden, um zu ermöglichen, daß das Fahrzeug auf den Zielkurs OC gelangt:
Es wird auf Fig. 7 Bezug genommen. Wenn R » 1 gilt, kann die folgende Gleichung erhalten werden:
δ = 1 / R (5)
Aus den Gleichungen (2) und (5) können wir ableiten
δ = ( 1 / v) γ (6)
wobei 1 für einen Radstand steht. Gemäß der Gleichung (6) kann der Korrektur-Reifenwinkel Δδ in Übereinstimmung mit der zu korrigierenden Gierrate Δγ durch die folgende Gleichung angegeben werden:
Δδ = ( 1 / v ) Δγ (7)
Berücksichtigt man eine übliche Gleichung des Lenkwinkels in Relation zu der Fahrgeschwindigkeit, d.h., substituiert man 1=(1+Kv²) in die Gleichung (7), können wir erhalten
Δδ = Δγ ( 1 (1 + Kv² ) / v ) (8)
wobei "K" eine Konstante ist, die sowohl durch die Reifencharakteristika als auch durch die Fahrzeugcharakteristika bestimmt ist.
Zum Ermöglichen, daß das Fahrzeug auf den Zielkurs gelangt, kann deshalb ein Lenkwert δ' durch die folgende Gleichung erhalten werden:
δ' = δ + Δδ (9)
In Antwort auf den von dem Steuermittel 5 ausgegebenen Lenkwert δ' gibt das Lenksteuermittel 9 ein Antriebskommando an den Lenkantrieb 10 aus, der dann wieder das Fahrzeug zu dem Zielkurs OC lenkt.
Die oben erwähnten Verarbeitungsabläufe werden in Intervallen eines spezifischen Steuerzyklus einschließlich der für Operationen erforderlichen Zeit wiederholt, wodurch die Lenksteuerung des Fahrzeugs fortwährend durchgeführt werden kann, um zu ermöglichen, daß das Fahrzeug dem in dem zulässigen Fahrbereich festgesetzten Zielkurs OC folgt, der in jedem Steuerzyklus sukzessiv aktualisierbar ist.
Die automatische Fahrvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung umfaßt ferner Mittel zur Aktualisierung der Fahrzeugposition relativ zu dem zulässigen Fahrbereich, der gegenwärtig für einen gegenwärtigen Steuerzyklus auf der Grundlage des momentanen Fahrzustands des Fahrzeugs festgehalten ist, sowie Mittel zum Neufestsetzen des Zielkurses für die aktualisierte Fahrzeugposition bezüglich des gegenwärtig festgehaltenen zulässigen Fahrbereichs, und die automatische Fahrvorrichtung kann einen Lenkwert bestimmen, um zu ermöglichen, daß das Fahrzeug dem neu festgesetzten Zielkurs folgt.
Die oben erwähnten Mittel sind in der Praxis von dem in Fig. 1 gezeigten Steuermittel 5 umfaßt.
Im Falle, daß ein zulässiger Fahrbereich RA für einen Steuerzyklus in den X-Y-Koordinaten ermittelt ist und ein Fahrzeug 11 am Beginn des Steuerzyklus, wie in Fig. 8 gezeigt, am Punkt P (Xo, Yo) angeordnet ist, d.h. am Ursprung der X- Y-Koordinaten, wird die Fahrzeugposition Pn (Xn, Yn) (n=1,2,3,...) in den X-Y-Koordinaten, die sich beim Fahren des Fahrzeugs mit der Zeit ändert, aus der Fahrgeschwindigkeit "v" und der Gierrate "γ" (d.h. aus dem Winkelgeschwindigkeitsinkrement in der Gierrichtung) berechnet, wobei die Fahrgeschwindigkeit "v" und die Gierrate "γ" durch einen Fahrgeschwindigkeitssensor 6 bzw. einen Gierratensensor 7 in einem Zeiteinheit-Intervall Δt erfaßt werden. Das Zeiteinheit-Intervall Δt ist derart voreingestellt, daß es kürzer als die Bildverarbeitungsdauer ist, wodurch die Position relativ zu dem zulässigen Fahrbereich RA sukzessiv aktualisiert werden kann. In Fig. 8 bezeichnet "OC" einen in einem Anfangsstadium des Steuerzyklus festgesetzten Zielkurs.
wobei ΔL eine Entfernung ist, die das Fahrzeug während einer Zeiteinheit fährt und die durch die folgende Gleichung bestimmt werden kann:
ΔL = v Δt (11)
Δθ (= θn - θn-1) ist eine Änderung der Fahrzeugfahrrichtung für die Zeiteinheit, die durch den erfaßten Wert der Gierrate γ wie folgt bestimmt wird:
Δθ = γ Δ t (12)
Der Zielkurs für die aktualisierte Position Pn (Xn, Yn) des Fahrzeugs wird bezüglich des zulässigen Fahrbereichs RA neu festgesetzt, und es wird ferner ein Lenkwert bezüglich des neu festgesetzten Zielkurses derart berechnet, daß das Fahrzeug zu dem Zielkurs gelenkt wird.
Wie in den Fig. 9(a) und 9(b) gezeigt, wird ein neues X'- Y'-Koordinatensystem angesetzt, in dem die Y'-Achse für die Fahrrichtungsachse des Fahrzeugs 11 an der aktualisierten Position Pn steht, und es wird dann eine Koordinatentransformation jedes Punktes des zulässigen Fahrbereichs RA' und des Zielkurses OC' in einer derartigen Art und Weise durchgeführt, daß der aktualisierte Punkt Pn (Xn, Yn) in den X Y-Koordinaten an dem Ursprung Po' (X', Y') angeordnet sein kann.
Das heißt, daß alle in Fig. 9(a) gezeigten Punkte jeweils durch (-ΔL cosΔθ, -ΔL sinΔθ) verschoben werden und daß das zulässige Fahrbereichsmuster RA und das Zielkursmuster OC jeweils um -Δθ gedreht werden, mit dem Ergebnis, daß die Achse der Fahrzeugfahrrichtung mit der Y'-Achse der X'-Y'- Koordinaten zusammenfällt und daß das Fahrzeug 11 am Ursprung dieser Koordinaten angeordnet ist.
Dann wird ein Lenkwert bezüglich den X'-Y'-Koordinaten in der gleichen Art und Weise, wie oben erwähnt, bestimmt, um zu ermöglichen, daß das Fahrzeug 11 dem Zielkurs OC' folgt, und die Lenksteuerung wird bezüglich des aktualisierten Lenkwerts durchgeführt.
Der Lenkwert zum Ermöglichen, daß das Fahrzeug dem anfänglich in dem zulässigen Fahrbereich RA festgesetzten Zielkurs OC folgt, wurde wie vorstehend erwähnt aus den variablen Daten berechnet.
In dem Fall des Lenkens des Fahrzeugs 11 von der Anfangsposition Po mit dem anfänglich berechneten Lenkwert für eine relativ lange Dauer des Steuerzyklus kann dementsprechend das Fahrzeug aufgrund des in der Lenkwertberechnung enthaltenen Fehlers zunehmend von dem Zielkurs OC abweichen.
Die vorliegende Erfindung stellt die Möglichkeit bereit, daß in einem Steuerzyklus ein Zielkurs OC' in einem von der aktuellen Position Pn des Fahrzeugs gesehenen zulässigen Fahrbereich RA' neu festgesetzt werden kann, um in Intervallen mit relativ kurzer Dauer sukzessiv aktualisiert zu werden und gegenüber dem vorausgehenden mit Priorität verarbeitet zu werden, und die Lenksteuerung des Fahrzeugs 11 kann deshalb gemäß dem neu berechneten Lenkwert für den neu festgesetzten Zielkurs mit einer höheren Genauigkeit durchgeführt werden. Da das Intervall zwischen Aktualisierungen des Lenkwerts relativ kurz ist, hat der Berechnungsfehler keinen praktischen Einfluß auf die Lenksteuerung.
Im Fall, daß der Zielkurs in einem zulässigen Fahrbereich in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs festgesetzt wird, wie in den Fig. 5(a) und 5(b) gezeigt, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung auch möglich, den Zielkurs mit einer Änderung der Fahrzeugfahrgeschwindigkeit in einem Steuerzyklus optimal zu ändern.
Fig. 12 ist ein zeitliches Ablaufdiagramm, das in einem Steuerzyklus für jeden Verarbeitungsschritt das Timing zeigt.
Fig. 13 zeigt einen Bildverarbeitungsablauf, und Fig. 14 zeigt einen Ablauf der Aktualisierung der Fahrzeugposition während der Bildverarbeitung.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich, bietet die automatische Fahrvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung den Vorteil, daß die automatische Fahrvorrichtung in jedem Steuerzyklus, der die Schritte Abtasten eines Bildes eines Bereiches vor einem fahrenden Fahrzeug (wobei das Bild durch die an dem Fahrzeug angebrachten Bildaufnahmemittel aufgenommen ist); Verarbeiten der abgetasteten Daten und Extrahieren durchgehender Liniensegmente hieraus; Bestimmen eines zulässigen Fahrbereichs vor dem Fahrzeug auf der Grundlage der extrahierten durchgehenden Liniensegmente; Festsetzen eines Zielkurses in dem derart bestimmten zulässigen Fahrbereich; Erfassen des momentanen Fahrzustands des Fahrzeugs; Berechnen - auf der Grundlage des momentanen Fahrzustands - eines Lenkwerts, um zu ermöglichen, daß das Fahrzeug dem Zielkurs folgt; und Lenken des Fahrzeugs bezüglich des Lenkwerts umfaßt, die vorangehende Position des Fahrzeugs in dem bestimmten zulässigen Fahrbereich auf der Grundlage des momentanen Fahrzustands während einer Bildabtastperiode aktualisieren kann und einen Zielkurs in dem zulässigen Fahrbereich bezüglich der aktualisierten Position neu festsetzen kann, wodurch die Bildabtastperiode, d.h. der Lenksteuerzyklus, beträchtlich verkürzt werden kann, um die Lenksteuerungsgenauigkeit zu erhöhen, und darüber hinaus kann die Lenksteuerung in konstanten Intervallen durchgeführt werden, ungeachtet möglicher Variationen der Bildverarbeitungsperiode.
Die oben beschriebene Erfindung kann wie folgt zusammengefaßt werden:
Es ist eine automatische Fahrvorrichtung offenbart, die dazu fähig ist, ein Bild eines Bereiches vor einem Fahrzeug durch ein an dem Fahrzeug angebrachtes Bildaufnahmemittel aufzunehmen; die Buddaten abzutasten und zu verarbeiten, um hieraus durchgehende Liniensegmente zu extrahieren; einen zulässigen Fahrbereich vor dem Fahrzeug auf der Grundlage der extrahierten durchgehenden Liniensegmente zu bestimmen; einen Zielkurs in dem derart bestimmten zulässigen Fahrbereich festzusetzen; den momentanen Fahrzustand des Fahrzeugs zu erfassen; auf der Grundlage des momentanen Fahrzustands einen Lenkwert zu bestimmen, um zu ermöglichen, daß das Fahrzeug dem Zielkurs folgt; und das Fahrzeug bezüglich dem Lenkwert zu lenken, und die darüber hinaus dazu fähig ist, auf der Grundlage des momentanen Fahrzustands während einer Bildabtastperiode die vorausgehende Position des Fahrzeugs in dem zulässigen Fahrbereich zu aktualisieren und einen Zielkurs in dem zulässigen Fahrbereich bezüglich der aktualisierten Position neu festzusetzen.

Claims

1. Automatische Fahrvorrichtung, umfassend:

Mittel (1) zur Aufnahme eines Bildes eines Bereiches vor einem fahrenden Fahrzeug durch eine Bildaufnahmevorrichtung (1), die an dem Fahrzeug angebracht ist;

Mittel (2) zum Abtasten des durch die Bildaufnahmevorrichtung (1) aufgenommenen Bildes, zum Verarbeiten der abgetasteten Daten und zum Extrahieren von durchgehenden Liniensegmenten aus diesen;

Mittel (3) zum Bestimmen eines zulässigen Fahrbereichs vor dem Fahrzeug auf der Grundlage der extrahierten durchgehenden Liniensegmente;

Mittel (4) zum Festsetzen eines Zielkurses (Dc) in dem derart bestimmten zulässigen Fahrbereich;

Mittel (6, 7, 8) zum Erfassen des momentanen Fahrzustandes (v, γ) des Fahrzeugs;

Mittel (5) zum Bestimmen - auf der Grundlage des momentanen Fahrzustandes (v, γ) - eines Lenkwerts (5), um zu ermöglichen, daß das Fahrzeug dem Zielkurs (OC) folgt; und

Mittel (9, 10) zum Lenken des Fahrzeugs bezüglich des Lenkwerts,

dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (5) zur Aktualisierung -auf der Grundlage des momentanen Fahrzustandes (v, γ) während einer Bildabtastperiode - der vorausgehenden Position des Fahrzeugs in dem gegenwärtig erkannten zulässigen Fahrbereich und Mittel (4, 5) zur Neufestsetzung eines Zielkurses (OC') im zulässigen Fahrbereich bezüglich der aktualisierten Position vorgesehen sind, wodurch der Lenkwert (5) während einer Bildabtastperiode auf der Grundlage des momentanen Fahrzustandes (v, γ) wiederholt neu bestimmt wird, um zu ermöglichen, daß das Fahrzeug dem Zielkurs folgt.

2. Automatische Fahrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der momentane Fahrzustand des Fahrzeugs durch dessen Gierrate (γ) und eine Fahrgeschwindigkeit (v) repräsentiert ist.

3. Automatische Fahrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkwert (5) ein Lenkwinkel ist.

4. Automatische Fahrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zielkurs (OC, OC') auf der Grundlage der Straßenkontur und der Fahrgeschwindigkeit (v) des Fahrzeugs festgesetzt wird.

5. Automatische Falirvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Fahrgeschwindigkeit (v) kleiner als eine vorbestimmte Geschwindigkeit der Zielkurs (OC, OC') in Übereinstimmung mit der Straßenkontur festgesetzt wird, und daß für eine Fahrgeschwindigkeit (v) größer als eine vorbestimmte Geschwindigkeit ein Zielkurs (OC) mit verminderter Krümmung festgesetzt wird.

6. Automatische Fahrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Zielkurs (OC, OC') nahe dem linken Rand einer relativ breiten Straße festgesetzt wird, auf der das Fahrzeug im Begriff steht zu fahren, wohingegen ein Zielkurs (OC) in der Mitte einer relativ schmalen Straße festgesetzt wird, auf der das Fahrzeug im Begriff steht zu fahren.

7. Automatische Fahrvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zielkurs (OC, OC') während einer Bildabtastperiode mit einer Änderung der Fahrgeschwindigkeit (v) geändert wird.

8. Automatische Fahrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenksteuerung ungeachtet der Dauer der Bildabtastperiode in konstanten Zeitabständen durchgeführt wird.