JP2005125853A

JP2005125853A - 車両のレーン走行支援装置

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Publication number: JP2005125853A
Application number: JP2003361403A
Authority: JP
Inventors: Tokihiko Akita; 時彦秋田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2023-10-22
Also published as: JP4228875B2

Abstract

【課題】走行中の車両に対し横風等の外乱が加えられた場合にも、操舵制御装置による車両のレーン走行支援を円滑に行なう。
【解決手段】操舵制御手段（電動パワーステアリングシステム）と、走行レーン検出手段（カメラ等）を備え、走行レーン検出手段の検出結果と車両の操舵状態及び走行状態に応じて、走行レーン内における車両の横方向位置を含む状態量を推定演算し、目標状態量との比較結果に応じて警報あるいは修正操舵を行ない車両の走行レーン内の走行を支援する。特に、車両の状態量に基づき車両に対する外乱量を推定演算し、この外乱量に基づき、目標状態量と推定状態量の比較結果を修正して車両の走行レーン内の走行を支援する。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両のレーン走行支援装置に関し、特に、運転者のステアリングホイール操作に応じて作動すると共に車両の路面走行状態に応じて操舵状態を制御し得る操舵制御手段と、撮像手段によって路面を連続して撮像した画像から走行レーンを検出する走行レーン検出手段を備え、これらによって、走行レーン内を車両が走行するように支援する車両のレーン走行支援装置に係る。

車両のレーン走行支援装置としては、運転者のステアリングホイール操作に応じて作動すると共に車両の路面走行状態に応じて操舵状態を制御し得る操舵制御手段を備え、これを制御して車両が走行レーン内を走行するようにレーンキープアシストが基本であるが、更に、走行支援を越えて、運転者の操作とは無関係に自動的に操舵制御を行ない、車両が走行レーン内の走行を維持し得るように制御する装置も知られている。

例えば、下記の特許文献１には、自ら走行路を探索しながら、その走行路上に最適な目標経路を設定して、車両がその目標経路上を走行するように支援する車両の走行制御を行なわせることを目的とし、以下のように構成された自動走行装置が提案されている。即ち、撮像装置により車両の進行方向の領域を撮像した画像にもとづいて道路エッジを認識することにより自ら走行可能領域を探索しながら、その走行可能領域内に適切な目標経路を設定し、そのときの車両の走行状態にしたがって車両をその目標経路に合流させるための最適な制御目標量を求めて、その制御目標量に応じて車両の走行制御を行なわせる旨記載されている。

あるいは、下記の特許文献２には、例えばプラント、工場等の床面に安全通路を表示するため前記通路両側に標記された白線を誘導帯として使用し、特に狭隘な場所でのコーナリングが容易になし得ることを目的として、安全通路の限界を示すために床面に設けられた白線等をそのまま誘導帯として使用し、走行車の現在の方位とコーナ部の角度とから操舵量を算出してコーナリングを行うように構成された走行車の誘導装置が提案されている。

更に、下記の特許文献３には、運転者がハンドル操作しなくても前方の走行レーン上を外れることなく走行することができる自動車用自動操舵装置が提案されている。この特許文献３には、自動車の右側下方向の進路を撮影する撮影手段と、この撮影手段にて撮影した道路の中から隣接する走行レーンの境界を示すラインを認識する認識手段と、この認識手段にて認識したラインの基準位置からの距離を検出する距離検出手段と、この距離検出手段にて検出した距離に応じた舵角制御信号を発生する舵角制御手段と、この舵角制御手段からの舵角制御信号を受けて車両の進行方向を変化させる舵角駆動手段とを備え、前記舵角制御信号による舵角制御手段の作動にて前記距離検出手段にて検出される距離を所定値に保持せしめるようにする旨記載されている。

特開平２−４８７０４号公報特開平２−２７４０８号公報特開昭６０−３７０１１号公報

上記の特許文献に記載の装置によれば、何れも画像によって検出した車両等の走行レーンに沿ってコーナリングを行なうことが可能とされている。この場合において、現実的な対応としては、必ずしも運転者の操作と無関係に自動的に操舵することは必要ではなく、例えば運転者によるステアリングホイールの操作に対し、車両が走行レーンの中央を維持するように操舵トルクを付加することによって、ステアリングホイールの操作負荷を軽減し、巡航運転を支援することができる。

しかし、このようなレーン走行支援装置においては、あくまで運転者に対しステアリングホイール操作の負担を軽減するものであって、自動運転装置ではない以上、手放し運転を許容するものではなく、過度に依存されることを制限する必要がある。このため、通常、走行レーンの中央を維持するために付加される操舵トルクは比較的小さな値に制限されている。従って、例えば走行中の車両に対し横風等の外乱が加えられた場合には、これに対処することは困難であり、このような場合には別途対策を講ずる必要があるが、前掲の何れの特許文献にもこのような点には言及されていない。

そこで、本発明は、操舵制御装置の制御によって車両が走行レーン内を走行するように支援する車両のレーン走行支援装置において、走行中の車両に対し横風等の外乱が加えられた場合にも、操舵制御装置による車両のレーン走行支援を円滑に行ない得るレーン走行支援装置を提供することを課題とする。

上記の課題を達成するため、本発明は、運転者のステアリングホイール操作に応じて作動すると共に車両の路面走行状態に応じて操舵状態を制御し得る操舵制御手段と、撮像手段によって路面を連続して撮像した画像から走行レーンを検出する走行レーン検出手段を備え、該走行レーン検出手段が検出した走行レーン内を前記車両が走行するように前記操舵制御手段を制御して、前記車両の前記走行レーン内の走行を支援する車両のレーン走行支援装置において、請求項１に記載のように、車両運動モデル及び道路モデルを有し、該車両運動モデル及び道路モデルに基づき、前記走行レーン検出手段の検出結果と前記車両の操舵状態及び走行状態に応じて、前記走行レーン内における前記車両の横方向位置を含む状態量を推定する車両状態推定手段と、前記車両の操舵状態及び走行状態に基づき前記車両に対する目標状態量を設定する目標状態量設定手段と、前記車両状態推定手段が推定した状態量に基づき前記車両に対する外乱量を推定する外乱推定手段とを備え、該外乱推定手段が推定した外乱量に基づき、前記目標状態量設定手段が設定した目標状態量と前記車両状態推定手段が推定した状態量の比較結果を修正して前記車両の前記走行レーン内の走行を支援するように構成したものである。

尚、前記車両状態推定手段における車両の操舵状態及び走行状態を表す指標としては、例えば操舵角及びヨーレイトがあり、前記目標状態量設定手段における車両の操舵状態及び走行状態を表す指標としては、例えば操舵角及び車体速度がある。そして、前記状態量を表す指標としては、前記走行レーン内における前記車両の横方向位置たるレーン位置のほか、その微分値であるレーン位置変動速度、前記車両のヨー角、及びヨーレイトがある。前記操舵制御手段は、例えば電動パワーステアリングシステムを備えたものとするとよい。

更に、請求項２に記載のように、前記外乱推定手段が推定した外乱量に基づき、前記目標状態量設定手段が設定した目標状態量と前記車両状態推定手段が推定した状態量の比較結果を修正し、該修正結果に応じて、運転者に対して警報する警報手段及び前記操舵制御手段による操舵制御を修正する修正操舵手段の、少なくとも一方を備えたものとするとよい。

あるいは、本発明は、請求項３に記載のように、車両運動モデル及び道路モデルを有し、該車両運動モデル及び道路モデルに基づき、前記走行レーン検出手段の検出結果と前記車両の操舵状態及び走行状態に応じて、前記走行レーン内における前記車両の横方向位置を含む状態量を推定する車両状態推定手段と、前記車両の操舵状態及び走行状態に基づき前記車両に対する目標状態量を設定する目標状態量設定手段と、前記車両状態推定手段が推定した状態量に基づき前記車両に対する外乱量を推定する外乱推定手段と、該外乱推定手段が推定した外乱量から高周波成分を取り出すフィルタ手段とを備え、該フィルタ手段が取り出した外乱量の高周波成分に基づき、前記目標状態量設定手段が設定した目標状態量と前記車両状態推定手段が推定した状態量の比較結果を修正して前記車両の前記走行レーン内の走行を支援するように構成することとしてもよい。

更に、請求項４に記載のように、前記フィルタ手段が取り出した外乱量の高周波成分に基づき、前記目標状態量設定手段が設定した目標状態量と前記車両状態推定手段が推定した状態量の比較結果を修正し、該修正結果に応じて、運転者に対して警報する警報手段及び前記操舵制御手段による操舵制御を修正する修正操舵手段の、少なくとも一方を備えたものとするとよい。

本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。即ち、請求項１に記載のように構成された車両のレーン走行支援装置においては、外乱推定手段によって車両の状態量に基づき車両に対する外乱量が推定され、この外乱量に基づき、目標状態量と推定状態量の比較結果が修正されるので、走行中の車両に対し横風等の外乱が加えられた場合にも、車両のレーン走行支援を適切に行なうことができる。

また、請求項３に記載のように構成されたレーン走行支援装置においては、外乱推定手段によって車両の状態量に基づき車両に対する外乱量が推定され、更にフィルタ手段によって外乱量から高周波成分が取り出され、その外乱量の高周波成分に基づき、目標状態量と推定状態量の比較結果が修正されるので、走行中の車両に対し横風等の外乱が加えられた場合にも、車両のレーン走行支援を適切に行なうことができる。

そして、請求項２又は４に記載のように構成すれば、車両のレーン走行支援装置においては、更に、外乱量又はその高周波成分に基づき目標状態量と推定状態量の比較結果が修正され、その修正結果に応じて、適宜警報が行われるので、車両のレーン走行支援を適切に行なうことができる。あるいは、操舵制御手段による車両のレーン走行支援を円滑に行なうことができる。

以下、本発明の望ましい実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係る車両のレーン走行支援装置の構成を示すもので、車両前方（図１の上方）に、撮像手段として例えばｃｃｄカメラで構成された前方監視用のカメラＣＭｆが配置されると共に、車両後方にも後方監視用のカメラＣＭｒが配置されているが、何れか一方のカメラが設けられておればよい。また、本実施形態の操舵制御手段として電動パワーステアリングシステムＥＰＳを備えている。このような電動パワーステアリングシステムＥＰＳは既に市販されており、運転者によるステアリングホイールＳＷの操作によってステアリングシャフトに作用する操舵トルクを、操舵トルクセンサＴＳによって検出し、この検出操舵トルクの値に応じてＥＰＳモータ（図１では図示省略）を制御し、減速ギヤ及びラックアンドピニオン（図示せず）を介して車両前方の車輪（図１では全車輪を代表してＷＨで表す）を操舵し、運転者のステアリング操作力（ハンドル操作力）を軽減するものである。

本実施形態では、図１に示すように、画像処理用の電子制御ユニットＥＣＵ１及び操舵制御用の電子制御ユニットＥＣＵ２を備え、両者が通信バスを介して接続されている。電子制御ユニットＥＣＵ１にはカメラＣＭｆ（及びＣＭｒ）が接続されており、画像信号が電子制御ユニットＥＣＵ１に入力されるように構成されている。一方、電子制御ユニットＥＣＵ２には、入力側に上記の操舵トルクセンサＴＳのほか、車両前方の車輪ＷＨの操舵角を検出する操舵角センサＳＳ、車体速度を検出する車体速度センサＶＳ、車両のヨーレイトを検出するヨーレイトセンサＹＳ、及びＥＰＳモータの回転角を検出する回転角センサＲＳ等が接続されると共に、出力側にＥＰＳモータが接続されている。尚、車体速度センサＶＳに代えて、各車輪の車輪速度を検出する車輪速度センサ（図示せず）を備えたものとし、検出車輪速度に基づき車体速度を推定することとしてもよい。

図２は本発明のシステム構成を示すもので、画像処理システム（図２の上方）及び操舵制御システム（図２の下方）が通信バスを介して接続されている。本実施形態の画像処理システムは、画像処理用のＣＰＵ、フレームメモリ等を備えた電子制御ユニットＥＣＵ１に、前方監視カメラＣＭｆ及び後方方監視カメラＣＭｒ、ヨーレイトセンサＹＳ、操舵角センサＳＳ及び車体速度センサＶＳが接続されている。また、本実施形態の操舵制御システムは、電動パワーステアリング制御用のＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを備えた電子制御ユニットＥＣＵ２に、操舵トルクセンサＴＳ及び回転角センサＲＳが接続されると共に、モータ駆動回路ＡＣ２を介してＥＰＳモータＭＴが接続されている。更に、本実施形態では、警報用の電子制御ユニットＥＣＵ３（図１では図示省略）を介して、警報表示や音声警報を出力する警報装置ＷＡが接続されている。

これらの電子制御ユニットＥＣＵ１乃至ＥＣＵ３は夫々、通信用のＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを備えた通信ユニットを介して通信バスに接続されており、各制御システムに必要な情報を他の制御システムから送信することができる。更に、図示は省略するが、この通信バスに、アクティブステアリングシステム、ブレーキ制御システム、スロットル制御システム等を接続し、各システム間で互いのシステム情報を共有することができるように構成することとしてもよい。尚、図１に示すように、電子制御ユニットＥＣＵ１（又はＥＣＵ２）には操作スイッチＯＳが接続されており、走行支援制御は運転者による操作スイッチＯＳの操作によって開始されるように構成されている。

上記のように構成されたレーン走行支援装置において、レーン走行支援（レーンキープアシスト）制御部は、図３の制御ブロック図に示すように構成されており、カメラＣＭｆ（又はＣＭｒ）によって撮像された画像情報が図２の電子制御ユニットＥＣＵ１にて画像処理されて走行レーンが検出される。この電子制御ユニットＥＣＵ１には、レーン検出手段たるレーン認識演算部Ｍ１が構成されており、ここで、走行レーン内における車両の横方向位置ｙ（レーン位置）及び走行レーンに対するヨー角ψが演算される。尚、画像処理による走行レーンの検出については前掲の特許文献１に記載された方法のほか、公知の何れの方法でもよい。

上記のレーン認識演算部Ｍ１による演算結果とヨーレイトセンサＹＳ及び操舵角センサＳＳの検出信号を用いた車両モデルと道路モデルに基づき、車両状態推定手段たる状態推定演算部Ｍ２にて、レーン位置ｙ、レーン横方向移動速度ｄｙ（走行レーン内における車両の横方向移動速度でレーン位置ｙの時間微分値）、ヨー角ψ、及びヨーレイトγをファクターとする現在の車両の状態量Ｘが推定演算される。即ち、車両の状態量をＸ、状態量出力をＹ、道路モデルの入力をＵとすると、Ｘ＝［ｙ，ｄｙ，ψ，γ］^T、Ｙ＝［ｙ，ｄｙ，ψ，γ］^T、Ｕ＝［δｆ，Ｆｗ］^Tと表すことができる。尚、δｆは操舵角センサＳＳで検出される操舵角で、Ｆｗは外乱横力で、後述するように推定演算される。そして、状態量推定値をＸｅとし、オブザーバゲインをＬとすると、以下の状態方程式が成り立ち、状態量出力ＹはＹ＝Ｃ・Ｘｅとなる。
ｄＸｅ／ｄｔ＝Ａ・Ｘｅ＋Ｂ・Ｕ＋Ｒｌ・Ｌ・（Ｘ−Ｘｅ）

尚、上記の状態方程式におけるモデル定数Ａ、Ｂ及びＣは以下に示すとおりである。
Ａ＝［a11 a12 a13 a14 ; a21 a22 a23 a24 ; a31 a32 a33 a34 ; a41 a42 a43 a44］
Ｂ＝［b11 b12 ; b21 b22 ; b31 b32 ; b41 b42］
Ｃ＝［1000 ; 0100 ; 0010 ; 0001］

一方、操舵角センサＳＳで検出された操舵角δｆ、及び車体速度センサＶＳで検出された車体速度（車速）Ｖｘ等に基づき、目標状態量演算部Ｍ３にて以下の４ファクターから成る目標状態量が演算される。先ず、走行レーン内における車両の横方向位置（レーン位置）に対する目標レーン位置ｙｔが、走行レーンの中心（レーン境界線間の中心）を起点として、ｙｔ＝０に設定される。そして、目標レーン横方向移動速度ｄｙｔに関し、車両が横振れすることなく走行レーンの中心に沿って移動するように、ｄｙｔ＝０に設定される。また、目標ヨー角ψｔがψｔ＝Ｃ・ρに設定される。尚、このＣは道路曲率から目標ヨー角への変換定数で、ρは道路曲率の逆数である。そして、車体速度（車速）Ｖｘと道路曲率逆数ρに基づき、目標ヨーレイトγｔがγｔ＝Ｖｘ・ρとして設定される。

而して、目標状態量演算部Ｍ３の演算結果（目標状態量）と、状態推定演算部Ｍ２の演算結果（現在の状態量）との差が演算され、この差に基づき、フィードバック制御演算部Ｍ４にてトルク指令値が演算される。即ち、フィードバック制御演算部Ｍ４においては、上記の目標状態量を表す４ファクターの目標値（ｔを付加）と推定値（ｅを付加）における各々の差にゲインＫ１乃至Ｋ４によって重み付けがされ、これらの総和が下記のように目標回転角（目標ステアリング角）δswtとして設定される。
δswt ＝ K1・(yt−ye)＋K2・(dyt−dye)＋K3・(ψt−ψe)＋K4・(γt−γe）

そして、上記の目標回転角（目標ステアリング角）δswtと、回転角センサＲＳで検出される実回転角（実ステアリング角）δswとの差に応じて、付加ステアリングトルク指令値ＴaddがＴadd＝K0・(δswt−sw)として演算される。この付加ステアリングトルク指令値Ｔaddは、更に、以下に説明する操舵補正量が付加された後、操舵制御用の電子制御ユニットＥＣＵ２（図２）に送信される。

上記状態推定演算部Ｍ２で推定された状態量に基づき、本発明の外乱推定手段たる外乱推定演算部Ｍ５において、車両に対する外乱量として外乱横力Ｆｗが推定される（これを推定外乱横力Ｆwhとする）。尚、Tdoは外乱オブザーバフィルタ時定数であり、ｓはラプラス微分演算子を示す。
Ｆwh ＝ 1/b42・(−γ/Tdo＋1/(Tdo・s＋1)・((1/Tdo−a44)・γ−a42・dy−a43・ψ−b41・δf)）

そして、上記推定外乱横力Ｆwhに対し、ハイパスフィルタ部Ｍ６にて高周波成分が取り出される。このとき、通常時ではなく急激な変動があったときにのみに操舵補正が行われるように、換言すれば、操舵補正量δftが変動分のみとなるように、折点周波数ωhpを含むs/(s＋ωhp)が乗じられ、以下のように求められる。
δft ＝ s/(s＋ωhp)・(−b42/b41)・Ｆwh

図３の電動パワーステアリング制御部Ｍ７においては、上記操舵補正量δftがトルク値に変換されて、前述のトルク指令値Ｔaddに加算され、これが更に通常のパワーステアリング制御量に加算されて、電動パワーステアリングシステムＥＰＳが制御され、本発明にいう修正操舵が行われる。尚、操舵補正量δftのトルク値への変換は外乱推定演算部Ｍ５にて行うこととしてもよい。更に、必要に応じ、トルク指令値Ｔaddに操舵補正量δftのトルク変換値が加算された値が警報出力部Ｍ８に供給され、その値の大きさ、換言すれば走行レーンの中心からの車両の位置に応じて、走行レーンからの逸脱のおそれを表す警報が出力され、運転者への注意喚起が行われる。尚、上記の値を用いることなく、走行レーン内における車両の横方向位置の推定結果（状態推定演算部Ｍ２の演算結果）に応じて警報を行うこととしてもよい。

本発明の車両のレーン走行支援制御装置の一実施形態を示す構成図である。本発明の一実施形態における制御態様を示すブロック図である。本発明の一実施形態における操舵制御手段及び警報手段を含むレーン走行支援制御装置の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

ＳＷステアリングホイール
ＷＨ車輪
ＥＰＳ電動パワーステアリングシステム
ＣＭｆ前方監視カメラ
ＣＭｒ後方監視カメラ
ＴＳ操舵トルクセンサ
ＳＳ車輪舵角センサ
ＲＳ回転角センサ
ＹＳヨーレイトセンサ
ＶＳ車体速度センサ
ＯＳ操作スイッチ

Claims

運転者のステアリングホイール操作に応じて作動すると共に車両の路面走行状態に応じて操舵状態を制御し得る操舵制御手段と、撮像手段によって路面を連続して撮像した画像から走行レーンを検出する走行レーン検出手段を備え、該走行レーン検出手段が検出した走行レーン内を前記車両が走行するように前記操舵制御手段を制御して、前記車両の前記走行レーン内の走行を支援する車両のレーン走行支援装置において、車両運動モデル及び道路モデルを有し、該車両運動モデル及び道路モデルに基づき、前記走行レーン検出手段の検出結果と前記車両の操舵状態及び走行状態に応じて、前記走行レーン内における前記車両の横方向位置を含む状態量を推定する車両状態推定手段と、前記車両の操舵状態及び走行状態に基づき前記車両に対する目標状態量を設定する目標状態量設定手段と、前記車両状態推定手段が推定した状態量に基づき前記車両に対する外乱量を推定する外乱推定手段とを備え、該外乱推定手段が推定した外乱量に基づき、前記目標状態量設定手段が設定した目標状態量と前記車両状態推定手段が推定した状態量の比較結果を修正して前記車両の前記走行レーン内の走行を支援することを特徴とする車両のレーン走行支援装置。
前記外乱推定手段が推定した外乱量に基づき、前記目標状態量設定手段が設定した目標状態量と前記車両状態推定手段が推定した状態量の比較結果を修正し、該修正結果に応じて、運転者に対して警報する警報手段及び前記操舵制御手段による操舵制御を修正する修正操舵手段の、少なくとも一方を備えたことを特徴とする請求項１記載の車両のレーン走行支援装置。
運転者のステアリングホイール操作に応じて作動すると共に車両の路面走行状態に応じて操舵状態を制御し得る操舵制御手段と、撮像手段によって路面を連続して撮像した画像から走行レーンを検出する走行レーン検出手段を備え、該走行レーン検出手段が検出した走行レーン内を前記車両が走行するように前記操舵制御手段を制御して、前記車両の前記走行レーン内の走行を支援する車両のレーン走行支援装置において、車両運動モデル及び道路モデルを有し、該車両運動モデル及び道路モデルに基づき、前記走行レーン検出手段の検出結果と前記車両の操舵状態及び走行状態に応じて、前記走行レーン内における前記車両の横方向位置を含む状態量を推定する車両状態推定手段と、前記車両の操舵状態及び走行状態に基づき前記車両に対する目標状態量を設定する目標状態量設定手段と、前記車両状態推定手段が推定した状態量に基づき前記車両に対する外乱量を推定する外乱推定手段と、該外乱推定手段が推定した外乱量から高周波成分を取り出すフィルタ手段とを備え、該フィルタ手段が取り出した外乱量の高周波成分に基づき、前記目標状態量設定手段が設定した目標状態量と前記車両状態推定手段が推定した状態量の比較結果を修正して前記車両の前記走行レーン内の走行を支援することを特徴とする車両のレーン走行支援装置。
前記フィルタ手段が取り出した外乱量の高周波成分に基づき、前記目標状態量設定手段が設定した目標状態量と前記車両状態推定手段が推定した状態量の比較結果を修正し、該修正結果に応じて、運転者に対して警報する警報手段及び前記操舵制御手段による操舵制御を修正する修正操舵手段の、少なくとも一方を備えたことを特徴とする請求項３記載の車両のレーン走行支援装置。