JP2005128722A - Vehicle with obstruction avoidance function - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、障害物回避機能付き車両に関する。 The present invention relates to a vehicle with an obstacle avoidance function.
従来、配膳車、手術台、工場用運搬台車等の手押し台車、さらには、シニアカート、車椅子、ゴルフカート等の乗って操作する台車などのように、人が手などの身体の一部を用いて操作する車両において、衝突を回避する機能を組み込むことが行われている。例えば、障害物を検知する障害物検出部を備え、障害物検出信号に基づき、前進方向の駆動力をオフにし、後進方向の駆動力をオンにする駆動補助付小型車両が知られている。また、衝突の可能性が生じたとき、操舵パターンを修正することで、衝突を回避する車両の自動操舵装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、台車などにおいて、比較的車輪の径が小さくて路面近傍における段差、溝などが走行上の問題となるにもかかわらず、上述したような駆動補助付小型車両や自動操舵装置では衝突回避の対象となる障害物として段差や溝などが考慮されていない。障害物検出に3次元距離センサ(3D距離センサ)を用いたものもあるが、車両近傍の走行路面上で検出した対象が道であるか段差であるかの判断が行われていなく、段差を回避することができない。また、車両の車輪接地面から所定の高さ以下において検出した対象物は道であるとする場合、なだらかに変化する坂などを障害物として誤検知することがある。 However, in a cart or the like, although the wheel diameter is relatively small and steps and grooves in the vicinity of the road surface cause a problem in traveling, the above-described small vehicle with driving assistance and the automatic steering device avoid collision. Steps and grooves are not taken into consideration as target obstacles. Although there is one using a three-dimensional distance sensor (3D distance sensor) for obstacle detection, it is not determined whether the object detected on the road surface in the vicinity of the vehicle is a road or a step, and the step is detected. It cannot be avoided. In addition, when an object detected below a predetermined height from the wheel ground contact surface of the vehicle is a road, a gently changing hill may be erroneously detected as an obstacle.
本発明は、上記課題を解消するものであって、人が操作する車両において、段差への衝突や、溝等への転落を回避できる障害物回避機能付き車両を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a vehicle with an obstacle avoidance function capable of avoiding a collision with a step or a fall into a groove or the like in a vehicle operated by a person.
上記課題を達成するために、請求項1の発明は、障害物を検知してそれを回避するように走行制御される車両において、走行路面近傍の障害物を3次元情報として認識できる3次元障害物認識手段と、前記3次元障害物認識手段によって得た障害物情報から衝突危険性を判断する衝突予測手段と、前記衝突予測手段で衝突すると予測した際に、衝突しないように走行状態を補正する走行補正手段とを有する障害物回避機能付き車両である。
In order to achieve the above object, the invention according to
請求項2の発明は、請求項1に記載の障害物回避機能付き車両において、前記3次元障害物認識手段として複数の超音波センサ及び/又は1つ以上の首振り機構付き超音波センサを有するものである。 According to a second aspect of the present invention, in the vehicle with an obstacle avoidance function according to the first aspect, the three-dimensional obstacle recognition means includes a plurality of ultrasonic sensors and / or one or more ultrasonic sensors with a swing mechanism. Is.
請求項3の発明は、請求項1に記載の障害物回避機能付き車両において、前記3次元障害物認識手段として3次元レーザレーダを有するものである。 According to a third aspect of the present invention, in the vehicle with the obstacle avoidance function according to the first aspect, a three-dimensional laser radar is provided as the three-dimensional obstacle recognition means.
請求項4の発明は、請求項1又は請求項3に記載の障害物回避機能付き車両において、車両移動量計測手段をさらに有し、前記3次元障害物認識手段が障害物を検知した後その障害物が検知エリア外となったエリアにおける前記障害物の位置を、前記3次元障害物認識手段によって得た障害物情報と前記車両移動量計測手段によって得た車両移動量から推定するものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the vehicle with an obstacle avoidance function according to the first or third aspect, the vehicle further includes a vehicle movement amount measuring unit, and the three-dimensional obstacle recognition unit detects the obstacle and The position of the obstacle in the area where the obstacle is outside the detection area is estimated from the obstacle information obtained by the three-dimensional obstacle recognition means and the vehicle movement amount obtained by the vehicle movement amount measurement means. .
請求項5の発明は、請求項1に記載の障害物回避機能付き車両において、車両本体水平面に対し俯角をもって設置された2次元レーザレーダと、車両移動量計測手段とをさらに有し、前記2次元レーザレーダからの障害物情報と前記車両移動量計測手段からの車両移動量とから3次元障害物情報を得るものである。 According to a fifth aspect of the present invention, in the vehicle with an obstacle avoidance function according to the first aspect, the vehicle further includes a two-dimensional laser radar installed at a depression angle with respect to a horizontal plane of the vehicle main body, and a vehicle movement amount measuring means. The three-dimensional obstacle information is obtained from the obstacle information from the three-dimensional laser radar and the vehicle movement amount from the vehicle movement amount measuring means.
請求項6の発明は、請求項4又は請求項5に記載の障害物回避機能付き車両において、前記車両移動量計測手段は、車輪回転計測装置又は加速度計測装置である。 According to a sixth aspect of the present invention, in the vehicle with an obstacle avoidance function according to the fourth or fifth aspect, the vehicle movement amount measuring means is a wheel rotation measuring device or an acceleration measuring device.
請求項7の発明は、請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の障害物回避機能付き車両において、前記障害物認識手段は、所定の水平面から所定以上の高さの変化があるところを障害物位置とするものである。 According to a seventh aspect of the present invention, in the vehicle with an obstacle avoidance function according to any one of the first to sixth aspects, the obstacle recognizing means has a height change greater than a predetermined level from a predetermined horizontal plane. It is assumed to be an obstacle position.
請求項8の発明は、請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の障害物回避機能付き車両において、車両移動速度検出器をさらに有し、前記衝突予測手段は、前記障害物認識手段で認識した障害物位置と、前記車両移動速度検出器で求めた車両移動方向とから、衝突を予測するものである。
The invention according to
請求項9の発明は、請求項8に記載の障害物回避機能付き車両において、前記衝突予測手段は、前記障害物認識手段で認識した障害物位置と、前記車両移動速度検出器で求めた車両移動速度から、障害物に近づく速度を求め、障害物接近速度及び障害物と車両間の距離から、衝突を予測するものである。 According to a ninth aspect of the present invention, in the vehicle with an obstacle avoidance function according to the eighth aspect, the collision predicting means is a vehicle obtained by the obstacle position recognized by the obstacle recognizing means and the vehicle moving speed detector. The speed at which the vehicle approaches the obstacle is obtained from the moving speed, and the collision is predicted from the obstacle approach speed and the distance between the obstacle and the vehicle.
請求項10の発明は、請求項1乃至請求項9のいずれかに記載の障害物回避機能付き車両において、前記走行補正手段は、安全な方向へ旋回するための旋回力を左右駆動輪に対する駆動力の差として付加するものである。 According to a tenth aspect of the present invention, in the vehicle with an obstacle avoidance function according to any one of the first to ninth aspects, the travel correction means drives a turning force for turning in a safe direction to the left and right drive wheels. It is added as a difference in force.
請求項11の発明は、請求項1乃至請求項10のいずれかに記載の障害物回避機能付き車両において、前記走行補正手段は、衝突しないように推進又は旋回又は横移動の速度を制限するものである。 An eleventh aspect of the present invention is the vehicle with an obstacle avoidance function according to any one of the first to tenth aspects, wherein the travel correction means limits the speed of propulsion or turning or lateral movement so as not to collide. It is.
請求項1の発明によれば、3次元障害物認識手段により道路上の溝や段差などを検出して、走行状態を補正して回避できる。 According to the first aspect of the present invention, the three-dimensional obstacle recognizing means can detect a groove, a step or the like on the road, and can correct and avoid the traveling state.
請求項2の発明によれば、複数の超音波センサ又は首振り機構つき超音波センサを用いて3次元障害物認識手段を安価に形成して3次元情報を得ることができる。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、3次元レーザレーダの高速スキャンによりリアルタイムに位置分解能良く3次元情報を得ることができる。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、センサ検知エリアを外れても車両近傍における障害物情報を記憶して、死角領域の障害物を回避できる。 According to the fourth aspect of the present invention, obstacle information in the vicinity of the vehicle can be stored even when the sensor detection area is left, and obstacles in the blind spot area can be avoided.
請求項5の発明によれば、2次元レーザレーダによる障害物情報に走行方向の情報を加えることで、比較的安価に3次元障害物情報を得ることができる。 According to the fifth aspect of the present invention, the three-dimensional obstacle information can be obtained at a relatively low cost by adding the traveling direction information to the obstacle information obtained by the two-dimensional laser radar.
請求項6の発明によれば、車輪回転計測によって安価で比較的正確に車両移動量を得ることができ、また、加速度計測によって車輪等がスリップしても正確に車両移動量を得ることができる。
According to the invention of
請求項7の発明によれば、所定水平面からの変化量で溝、段差、壁などを障害物として判断してこれらを回避できる。 According to the seventh aspect of the present invention, it is possible to avoid a groove, a step, a wall, and the like as an obstacle based on an amount of change from a predetermined horizontal plane.
請求項8及び請求項9の発明によれば、障害物位置と車両移動方向の情報から演算によって容易に衝突を予測できる。 According to the eighth and ninth aspects of the present invention, it is possible to easily predict a collision by calculation from information on an obstacle position and a vehicle moving direction.
請求項10乃至請求項11の発明によれば、車両を安全な状態へ自然に導くことができる。
According to the invention of
以下、本発明の一実施形態に係る障害物回避機能付き車両について、図面を参照して説明する。図1は、障害物回避機能付き車両のブロック構成を示し、図2乃至図4は、それぞれ障害物回避機能付き車両の平面、側面、正面から見た構造を示す。障害物回避機能付き車両1(以下、車両1)は、障害物Bを検知してそれを回避するように走行制御される車両である。車両1は、図1に示すように、走行路面近傍の障害物Bを3次元情報として認識できる3次元障害物認識手段20と、3次元障害物認識手段20によって得た障害物情報から衝突危険性を判断する衝突予測手段21と、衝突予測手段21で衝突すると予測した際に、衝突しないように走行状態を補正する走行補正手段22と、さらに、3次元障害物認識手段20が障害物Bを検知した後、その障害物Bが検知エリア外となったエリアにおける障害物Bの位置を車両移動量から推定するための車両移動量計測手段23とを有している。これらの各手段は、制御部12によって統合制御される。また、制御部12やデータ等を記憶するメモリ15を含むデータ処理部は、自動制御ユニットACUに納められている。ブロック構成の詳細説明は、図2乃至図4の説明の後に行う。
Hereinafter, a vehicle with an obstacle avoidance function according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a block configuration of a vehicle with an obstacle avoidance function, and FIGS. 2 to 4 show structures of the vehicle with an obstacle avoidance function as seen from the plane, side, and front. The
車両1は、図2乃至図4に示すように、駆動輪2、操舵輪3、回転速度検出センサ5、、操舵角検出センサ7、超音波距離センサUS(US1〜US9)、自動制御ユニットACU等を備えた4輪の乗車型台車である。駆動輪2は、駆動用モータ4によって、デファレンシャルギア4aを介して駆動される。操舵輪3は、ハンドル6と操舵機構(ハンドル軸6aとその先のピニオンギヤ6b及びラック6c)により操舵される。すなわち、操作者がハンドル6を操作することにより、ハンドル6の回転が、ハンドル軸6aとその先のピニオンギヤ6bを介してラック6cに伝達され、ラック6cが左右に移動することによって操舵輪3の操舵角θが変えられる。また、操舵輪3は、操舵補正用モータ8及び補正駆動機構(ピニオン8aとラック6c)によっても操舵される(後述)。ハンドル6には、駆動力調整レバー(アクセル)4aと前後切替スイッチ4bが備えられている。駆動力調整レバー4aによって駆動用モータ4の出力が調整され、前後切替スイッチ4bによって駆動モータ4の回転方向、従って車両1の前進・後進方向が切り替えられる。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
また、回転速度検出センサ5は、左右の駆動輪2の回転速度を検出する。操舵角検出センサ7は、例えば、ロータリエンコーダからなり、ハンドル軸6aの回転角を検出して操舵角θを検出する。超音波距離センサUS1〜US9は、車両1の前方空間における障害物を3次元的に検出できるように、検知方向を分担して車両1の前方に固定されている。すなわち、図4に示すように、縦横に3×3の格子状に配列された超音波センサUSのうち、上段列のものは前方上方、中段列のものは前方水平方向、下段列のものは前方下方を検知領域としている。例えば、縦方向に並んだ超音波距離センサUS4、US5、US6の検知エリアA4、A5、A6が図3に示されている。超音波距離センサUS3、US6、US9は、車両1の前方下方を検知エリアとしているため、路面10近傍の溝B1や段差B2等の障害物を検出することができる。また、データ処理を行う自動制御ユニットACUが座席Sの下に納められている。
The rotational
次に、図1に戻って、車両1のブロック構成の詳細を説明する。3次元障害物認識手段20は、複数の超音波距離センサUSと距離データ処理部11とからなる。超音波距離センサUSは、障害物Bの位置を検知し、距離データ処理部11は、超音波距離センサUSで得た距離データを処理する。距離データ処理部11で処理された障害物情報は、制御部12を介してメモリ15に記憶される。
Next, returning to FIG. 1, the details of the block configuration of the
衝突予測手段21は、データ比較部13と衝突判断部14とからなる。データ比較部13は、車両1の走行中にメモリ15に記憶されたデータを一定時間間隔毎に比較し、衝突判断部14は、データ比較の結果に基づき、障害物との衝突の可能性を判断する。
The collision prediction unit 21 includes a
走行補正手段22は、操舵補正用モータ8と、補正モータドライバ8dと、補正駆動機構8mからなる。補正モータドライバ8dは、制御部12からの指令を受けて操舵補正用モータ8を回転させ、補正駆動機構8mを介して操舵論3の操舵補正を行う。操舵輪3は、通常、操作者Mが操舵ハンドル6を操作することによって、操舵機構6mを介して操舵される。その操舵角は操舵角検出センサ7によって検出され、制御部12を介してメモり15に記憶される。なお、補正駆動機構8mと操舵機構6mとがラック6c(図2)で結合されているので、操舵補正用モータ8による操舵角の変化も操舵角検出センサ7で検出される。
The travel correction means 22 includes a
操作者Mによる駆動力調整レバー(アクセル)4a及び前後切替スイッチ4bの操作情報は、駆動モータ制御部16に伝達され、その状態が制御部12に伝達されると共に、駆動モータドライバ4dに送られる。駆動モータドライバ4dは、駆動モータ制御部16からの指令を受けて駆動用モータ4を回転させ、駆動輪2を駆動させる。
The operation information of the driving force adjusting lever (accelerator) 4a and the front /
車両移動量計測手段23は、回転速度検出センサ(エンコーダ)5と、移動量算出部17とからなる。回転速度検出センサ(エンコーダ)5は、駆動輪2の回転速度を検出し、移動量算出部17は、駆動輪2の回転速度と走行時間から車両1の移動量、及び移動方向を算出する。移動量及び移動方向情報は、制御部を介してメモリに記憶される。
The vehicle movement amount measuring means 23 includes a rotation speed detection sensor (encoder) 5 and a movement
次に、上述したブロック構成を備えた車両1の障害物回避の動作例を説明する。図5は情報の流れに注目した車両1の動作を示し、図6は障害物と操舵の関係を示す。制御部12は、複数の超音波距離センサUSからの障害物情報、操舵角センサ7からの操舵輪3の情報、エンコーダ5からの駆動輪2の情報、を収集して、衝突判断部13に渡す。衝突判断部13は、障害物が検出された場合、検出した障害物に車両1が衝突するかどうか予測して判断する。具体的には、前進状態で操舵角θ(反時計回りを正とする)が正かつ所定値θL以上(つまり左旋回)の場合、超音波センサUS1〜US3のいずれかが障害物距離として所定値L1以下の値を返してきたとき(図6、障害物B3)、衝突判断部13は、車両1が障害物B3に衝突する可能性があると判断する。制御部12は、操舵補正指令を補正モータドライバ8dに発して、操舵補正用モータ8の操舵補正力を、操舵角θを小さくする方向に発生させる。
Next, an operation example of obstacle avoidance of the
また、制御部12は、超音波距離センサUS1〜US6のいずれかがL1よりも小さい所定値L2以下の障害物距離を返してきた場合(図6、障害物B4)、駆動モータドライバ4dに対して前進速度を小さくする方向に駆動補正指令を出す。制御部12からの駆動補正指令値と操作者Mのアクセル4a操作によるモータ制御部16からの操作指令値とが重畳されて駆動モータドライバ4dに入力される。
In addition, when any of the ultrasonic distance sensors US1 to US6 returns an obstacle distance equal to or smaller than a predetermined value L2 that is smaller than L1 (FIG. 6, obstacle B4), the
また、前進状態で操舵角θが負かつかつ絶対値が所定値θR以上(つまり右旋回、また、通常θR=θL)の場合、超音波センサUS7〜US9のいずれかが障害物距離として所定値R1以下の値を返してきたとき、衝突判断部13は、車両1が障害物に衝突する可能性があると判断する。制御部12は、操舵補正指令を補正モータドライバ8dに発して、操舵角θの絶対値を小さくする方向に操舵補正用モータ8に操舵補正力を発生させる。また、制御部12は、超音波距離センサUS4〜9のいずれかがR1よりも小さい所定値R2以下の障害物距離を返してきた場合、前述と同様に、駆動モータドライバ4dに対して前進速度を小さくする方向に駆動補正指令を出す。
Further, when the steering angle θ is negative and the absolute value is equal to or greater than the predetermined value θR in the forward state (that is, turning right, and usually θR = θL), any one of the ultrasonic sensors US7 to US9 is the predetermined value as the obstacle distance. When the value less than R1 is returned, the
また、前進かつ操舵角θが−θRからθL間の値(つまり、ほぼ直進走行状態)の場合、超音波距離センサUS1〜US9のいずれかが所定値Dc以下の値を返してきたときは、前進速度を小さくする方向に駆動補正指令を出す。以上は、前進時について述べたが、車両後方に上記同様に距離センサを設けて、後進時に同様の障害物回避制御をしてもよい。また、上述した駆動補正指令の代わりに、駆動停止指令をモータ制御部16に入れるようにして、モータ制御部16は駆動停止指令がきたとき駆動用モータ4を停止する、というような構成としたり、ブレーキ機構を設けてそれを回避判断部が直接制御するようにしてもよい。
Further, when the forward and steering angle θ is a value between −θR and θL (that is, a substantially straight traveling state), when any of the ultrasonic distance sensors US1 to US9 returns a value equal to or smaller than the predetermined value Dc, A drive correction command is issued in a direction to decrease the forward speed. Although the foregoing has been described with respect to forward travel, a distance sensor may be provided at the rear of the vehicle in the same manner as described above, and similar obstacle avoidance control may be performed during reverse travel. Further, instead of the drive correction command described above, a drive stop command is input to the
次に、上述した複数の固定した超音波距離センサUSの代わりに用いられる、3次元レーザレーダについて説明する。図7及び図8は、3次元レーダレーダ及びその測定の例を示す。図7に示す3次元レーザレーダは、上方の発光部からのレーザ光をミラー60で反射して対象空間に投光し、反射光があれば、ミラー60で反射して、上方の受光部で受光し、レーザ光発光受光間の時間から反射物体の距離を算出するレーダである。ミラー60は、素平軸回りの揺動運動と、垂直軸まわりの回転運動により、レーザ光を上下左右にスキャンする。
Next, a three-dimensional laser radar used in place of the above-described plurality of fixed ultrasonic distance sensors US will be described. 7 and 8 show an example of a three-dimensional radar radar and its measurement. The three-dimensional laser radar shown in FIG. 7 reflects the laser light from the upper light emitting unit by the
ミラー60の水平軸回りの揺動運動は、ミラー60を構成する磁性材料に対し、コイル64で発生した磁界を、ヨーク62,63を介して作用させて行われる。垂直軸回りの回転運動は、モータ61によって行われる。ミラー60の反射面姿勢は、ミラー60によるレーザ光の反射光を、2つの位置検出器PSD1,PSD2によって検出することで行われる。ミラー60の反射面姿勢からレーザ光を反射した物体の方向が求められる。また、ミラー60の揺動運動と回転運動の位相をずらすことで、図8に示すように、スキャンの軌跡をずらして面状のスキャンを行うことができる。
The oscillating motion around the horizontal axis of the
次に、3次元レーザレーダを備えた車両について説明する。図9(a)(b)は、3次元レーザレーダLD3を前方に備えた走行状態の車両1を示す。この車両1のブロック構成は、前述の図1に示したブロック構成において、3次元障害物認識手段20の複数の超音波距離センサUSを3次元レーザレーダLD3で置き換えたものと同じである。3次元レーザレーダの検知エリアA10は、3次元レーザレーダを頂点とする前方に広がる錐体の3次元空間であり、その空間における空間点毎に3次元的に障害物を認識することができる。しかしながら、図9(a)に示すように、3次元レーザレーダLD3で、放射状の検知エリアA10の中に障害物B5が一旦検出されても、図9(b)に示すように、車両1が障害物5に近付き過ぎると検出範囲から外れてしまう。検知エリアA10から外れた、上又は左右の空間における障害物に対しても、同様に死角となって検出されなくなる。
Next, a vehicle equipped with a three-dimensional laser radar will be described. FIGS. 9A and 9B show the
このような死角領域に対処して、障害物を回避するために、一旦検知エリアで検出した障害物が近づくことで検知エリアを外れるものは、車両本体の移動量からその障害物が、車両からどの位置にあるかの推定が行われる。従って、車両1が、現時点における自己位置を把握しておく必要がある。この自己位置把握は、走行距離等から軌跡推定をして現在位置を推定するいわゆるデッドレコニング(Dead Reckoning:自己位置推定)により行われる。以下、その方法を説明する。
In order to deal with such a blind spot area and avoid an obstacle, if the obstacle once detected in the detection area moves away from the detection area, the obstacle is removed from the vehicle from the movement amount of the vehicle body. An estimate of where it is is made. Therefore, it is necessary for the
図10は、建物内の床面などに固定された絶対座標系ΣFと、時刻t=t(n−1)、t=t(n)における車両1に固定された車両座標系ΣD(n−1)、ΣD(n)、及び障害物Bの位置関係を示す。絶対座標系の座標軸をXYで表し、車両と共に移動する車両座標系の座標軸をxyで表すことにする。簡単のため、XY面及びxy面は、水平面として、Z、z方向は考えないこととする。車両座標系の原点は、車両1に固定した特定点を任意に選ぶことができる。そこで、車両1の中心を原点とし、車両1の正面前方方向をx軸方向、x軸に垂直左の方向をy軸方向とする。
FIG. 10 shows an absolute coordinate system ΣF fixed on the floor surface in the building and the vehicle coordinate system ΣD (n−) fixed to the
各測定時刻(例えば、制御周期ΔT毎)、各測定点において3次元レーザレーダ等のセンサで求めた車両座標系における障害物距離データを、車両の移動に応じて、新たな車両座標系における表現に変換することにより、車両1の現在位置と障害物との関係を把握することができる。まず、時刻t=t(n−1)において予測した車両の(現在)位置(X(n−1),Y(n−1))と、現時刻t=t(n)におけるエンコーダ値より測定値として算出された車両中心速度(Vx(n)、Vy(n)、ω(n))とを用いて、制御周期ΔT後(t(n)=t(n−1)+ΔT)の車両位置(X(n),Y(n))を算出する。θは操舵角であり、ωは各速度すなわち操舵角θの時間変化率である。絶対座標系ΣFにおける車両位置は、下式(1)〜(5)で表される。
The obstacle distance data in the vehicle coordinate system obtained by a sensor such as a three-dimensional laser radar at each measurement time (for example, every control cycle ΔT) is expressed in a new vehicle coordinate system according to the movement of the vehicle. By converting into, the relationship between the current position of the
次に、時刻t=t(n)、車両座標系ΣD(n)における障害物Bの座標(xb(n),yb(n))を求める。図11を参照して説明する。車両座標系ΣD(n)は、1制御周期ΔT前の、時刻t=t(n−1)における諸量によって表現される。そこで、車両座標系ΣD(n)における障害物Bの座標(xb(n),yb(n))は、車両座標系ΣD(n−1)における、車両座標系ΣD(n)の原点の座標(Δx(n)、Δy(n))と障害物Bの座標(xb(n−1),yb(n−1))を用いて、下式(6)のように表される。また、車両座標系ΣD(n)の原点の座標(Δx(n)、Δy(n))は、前出の式(1)(2)において、X(n−1),Y(n−1)をそれぞれ0とおいて、X(n)、Y(n)をそれぞれΔx(n)、Δy(n)として求めた下式(7)となる。 Next, at time t = t (n), the coordinates (xb (n), yb (n)) of the obstacle B in the vehicle coordinate system ΣD (n) are obtained. This will be described with reference to FIG. The vehicle coordinate system ΣD (n) is expressed by various quantities at time t = t (n−1) before one control cycle ΔT. Therefore, the coordinates (xb (n), yb (n)) of the obstacle B in the vehicle coordinate system ΣD (n) are the coordinates of the origin of the vehicle coordinate system ΣD (n) in the vehicle coordinate system ΣD (n−1). Using (Δx (n), Δy (n)) and the coordinates (xb (n−1), yb (n−1)) of the obstacle B, the following equation (6) is obtained. Further, the coordinates (Δx (n), Δy (n)) of the origin of the vehicle coordinate system ΣD (n) are X (n−1), Y (n−1) in the above equations (1) and (2). ) Are set to 0, and X (n) and Y (n) are obtained as Δx (n) and Δy (n), respectively.
上記の式(6)(7)を用いると、時刻t=0に3次元レーザレーダLD3で測定した障害物Bの位置座標(xb(0)、yb(0))をもとに、その後、障害物Bの位置を測定することなく、車両の制御周期ΔT毎の位置移動に合わせた座標変換を積み重ねることによって、時刻t=t(n)=n・ΔTにおける障害物Bの位置座標が得られる。そこで、前述のセンサの死角においても障害物情報を保持できるので、障害物回避が可能となる。なお、車両速度Vx、Vyは、角度計測器の微分や、加速度計の積分で求めてもよい。 Using the above equations (6) and (7), based on the position coordinates (xb (0), yb (0)) of the obstacle B measured by the three-dimensional laser radar LD3 at time t = 0, The position coordinates of the obstacle B at the time t = t (n) = n · ΔT are obtained by accumulating coordinate transformations according to the movement of the position for each control period ΔT of the vehicle without measuring the position of the obstacle B. It is done. Therefore, since the obstacle information can be held even in the blind spot of the aforementioned sensor, obstacle avoidance is possible. The vehicle speeds Vx and Vy may be obtained by differentiation of an angle measuring device or integration of an accelerometer.
次に、上述の3次元レーザレーダに替えて、2次元レーザレーダを用いて、障害物の3次元情報を得る方法について説明する。図12(a)(b)(c)は、2次元レーザレーダLD2を備えた車両1を示す。この車両1のブロック構成は、前述の図1に示したブロック構成において、3次元障害物認識手段20の複数の超音波距離センサUSを2次元レーザレーダLD2で置き換えたものと同じである。2次元レーザレーダLD2は、レーザ光が通過した空間が2次元であり、レーザ光を平面に照射した場合、軌跡が線状となる(前述の3次元レーザレーダLD3では、レーザ光が通過した空間は略3次元、軌跡が略面状)。
Next, a method for obtaining three-dimensional information of an obstacle using a two-dimensional laser radar instead of the above-described three-dimensional laser radar will be described. FIGS. 12A, 12B, and 12C show the
2次元レーザレーダLD2は、図12に示すように、車両1の前方の1点から、扇を前方下方に向けて広げたように、同一平面内で左右にレーザ光をスキャンして用いられる。走行路面の大部分が略平面である場合、2次元レーザレーダLD2でスキャンした路面上の軌跡LSは、直線状となる。2次元レーザレーダLD2の検知エリアA11は、扇状となり、その俯角ηとスキャン角度ξ(検知エリアA11面内で定義される)、及び2次元レーザレーダLD2から障害物B7までの直線距離rによって、検知した障害物B7の3次元情報が得られる。すなわち、車両座標軸ΣDの原点を2次元レーザレーダLD2の真下の路面上とし、2次元レーザレーダLD2の高さ位置をHとすると、障害物B7の座標(xb、yb、zb)は、xb=r・cos(ξ)・cos(η)、yb=r・sin(ξ)、zb=H−r・cos(ξ)・sin(η)となる(図13参照)。
As shown in FIG. 12, the two-dimensional laser radar LD2 is used by scanning laser light left and right in the same plane as if a fan is spread forward and downward from one point in front of the
このような1回のスキャンによる障害物の3次元情報の取得を、自動制御ユニットの制御周期ΔT毎に行って、車両移動量計測手段からの車両移動量と共にメモリに記憶することにより、障害物に対するより完全な3次元情報を得ることができる。図14(a)(b)は、2次元レーザレーダによる障害物情報の取得例を示す。2次元レーザレーダLD2でスキャンしながら走行中に、図14(a)に示すように、時刻t=t(n−1)において、路面10近傍の凸部障害物B7を検出し、図14(b)に示すように、時刻t=t(n)において、路面10近傍の溝部障害物B8を検出したとする(図12参照)。車両座標系の設定は図13におけるものと同様である。
Obstacles are obtained by performing acquisition of the three-dimensional information of the obstacles by such a single scan every control cycle ΔT of the automatic control unit and storing them in the memory together with the vehicle movement amount from the vehicle movement amount measuring means. More complete three-dimensional information can be obtained. FIGS. 14A and 14B show examples of acquiring obstacle information by a two-dimensional laser radar. During traveling while scanning with the two-dimensional laser radar LD2, as shown in FIG. 14A, a convex obstacle B7 in the vicinity of the
2次元レーザレーダLD2による測定点を点p1〜p9で表すと、時刻t=t(n−1)では、測定点p2以外は直線上に並び、また、時刻t=t(n)では、測定点p6,p7以外は直線上に並んでいる。すなわち、測定点p2は、凸部障害物B7上の点であり、また、測定点p6,p7は、溝部障害物B8内の点である。このように、1回のレーザスキャンによる測定点の座標比較から、障害物情報をえることができる。例えば、時刻t=t(n−1)においては、測定点p2のxyz座標値が、互いに同じxz座標値を有する他の測定点と異なり、固有の座標値(xx2,yy2,zz2)を有している。時刻t=t(n)においても同様に、測定点p6,p7のxz座標値によって障害物B8を認識することができる。 When the measurement points by the two-dimensional laser radar LD2 are represented by points p1 to p9, at time t = t (n−1), the lines other than the measurement point p2 are arranged on a straight line, and at time t = t (n) Lines other than the points p6 and p7 are arranged on a straight line. That is, the measurement point p2 is a point on the convex obstacle B7, and the measurement points p6 and p7 are points in the groove obstacle B8. As described above, the obstacle information can be obtained from the coordinate comparison of the measurement points by one laser scan. For example, at time t = t (n−1), the xyz coordinate value of the measurement point p2 is different from other measurement points having the same xz coordinate value, and has unique coordinate values (xx2, yy2, zz2). doing. Similarly, at time t = t (n), the obstacle B8 can be recognized from the xz coordinate values of the measurement points p6 and p7.
また、所定の一定時間内における異なるレーザスキャンによる測定点の組の座標値を互いに比較することによって、走行路面を略平面と見做せない場合に対応して、障害物を認識することができる。このような方法によると、なだらかに路面形状が変化する場合などに対応することができる。移動する車両は、異なる時刻において異なる位置に存在するので、異なる時刻の各測定点を比較するには、測定点座標を同一の座標系で表現する必要がある。例えば、全ての測定点を絶対座標ΣFで表現したり、車両座標系ΣDで表現することができる。 Also, by comparing the coordinate values of a set of measurement points obtained by different laser scans within a predetermined time period, an obstacle can be recognized in response to a case where the traveling road surface cannot be regarded as a substantially flat surface. . Such a method can cope with a case where the road surface shape changes gently. Since the moving vehicle exists at different positions at different times, it is necessary to express the measurement point coordinates in the same coordinate system in order to compare the measurement points at different times. For example, all the measurement points can be expressed by the absolute coordinate ΣF or can be expressed by the vehicle coordinate system ΣD.
全ての測定点を車両座標系ΣDで表現する方法は、車両の現在位置における障害物の位置や方向の認識が容易である点で優れている。この場合、測定点の比較に際して、比較しようとする記憶した過去の測定点を全て現在の車両座標系ΣDに変換する必要があるが、その計算負荷は、現在の高速MPUやDSPによると特に問題とはならない。いずれにせよ、車両が移動しているので、測定値の座標変換が必要であり、前述のデッドレコニングと座標変換を適用することができる。変換に用いられる車両速度は、角度計測器の微分や、加速度計の積分で求めることができる。 The method of expressing all measurement points in the vehicle coordinate system ΣD is excellent in that it is easy to recognize the position and direction of an obstacle at the current position of the vehicle. In this case, when comparing the measurement points, it is necessary to convert all of the stored past measurement points to be compared to the current vehicle coordinate system ΣD, but the calculation load is particularly problematic according to the current high-speed MPU or DSP. It will not be. In any case, since the vehicle is moving, coordinate conversion of measured values is necessary, and the above-described dead reckoning and coordinate conversion can be applied. The vehicle speed used for the conversion can be obtained by differentiation of an angle measuring device or integration of an accelerometer.
次に、上記2次元レーザレーダLD2を用いて障害物回避を行いつつ走行する障害物回避機能付き車両の動作を説明する。図15は、車両1の走行状態を示す(操作者省略)。図1に示したブロック構成を適宜参照する。車両1の通常の走行状態では、操作者によるハンドル操作(#1)によってハンドル角の変化(#2)と操舵角の変化(#3)が発生し、また、操作者によるアクセル操作(#4)によって駆動モータの出力が変化する(#5)。車両1の走行中に、2次元レーザレーダLD2による車両前方スキャンが行われ(#6)、その測定結果は、自動制御ユニットACUにおいて、処理され、障害物等の危険個所の認識と記憶がなされる(#7)。また、エンコーダによって駆動輪の回転速度が検出され(#8)、自動制御ユニットACUにおいて車両1の移動量が算出され(#9)、記憶される(#7)。
Next, the operation of a vehicle with an obstacle avoidance function that travels while performing obstacle avoidance using the two-dimensional laser radar LD2 will be described. FIG. 15 shows the running state of the vehicle 1 (operator omitted). The block configuration shown in FIG. 1 will be referred to as appropriate. In the normal traveling state of the
記憶された危険個所と時々刻々の車両の移動量の情報、及びエンコーダから得られる車両移動方向(#10)とに基いて、衝突予測手段21の衝突判断部14により衝突判定が行われると(#11)、制御部12から衝突回避用補正命令が出される(#12)。衝突回避用補正命令は、ハンドル角の補正とアクセルの補正からなり、操作者のハンドル角の設定(#2)及びアクセル操作(#4)のそれぞれに対して補正がなされ、車両が衝突しないように走行状態補正がなされる。
When the collision determination is performed by the
次に、衝突予測手段による衝突予測の例を説明する。図16は、車両1の左旋回状態を示す。障害物認識手段で認識した障害物位置と車両移動速度検出器で求めた車両移動方向とから、障害物と車両の衝突可能性が予測される。車両1は、推進(x方向)や横移動(y方向)に加え旋回が可能な動力車である。図16に示すように、車両1は、旋回中心の推進速度Vx、横移動速度Vy、及び旋回速度ωをそれぞれ一定に保って左旋回移動中であり、現時刻において、点P1にいるとする。車両1には、その前方に所定の広がり角2φの衝突領域A21を設定しておく。車両1が、速度を一定に維持して移動して所定時間Tp後に予測移動経路RT上の点P2に達するものとする。ここで、点P1を中心とする所定半径Lの円周と衝突領域A21の右辺との交点P4、車両が点P2にいるときの衝突領域A22の左辺と前記半径Lの円周との交点P3を定める。点P4,P1,P2,P3を結ぶ線と円弧P3−P4とで囲まれた領域に障害物が存在する場合、車両1が点P1から一定速度で旋回移動を続けると障害物に衝突すると結論する。
Next, an example of collision prediction by the collision prediction unit will be described. FIG. 16 shows a left turning state of the
次に、衝突予測手段による衝突予測の他の例を説明する。図17(a)(b)は、車両1と障害物Bとの相対速度の関係を示す。衝突予測手段は、車両座標系ΣDで表した障害物Bの位置(xb、yb)と、車両移動速度検出器で求めた車両移動速度(Vx、Vy)から、障害物Bに近づく速度を求め、障害物接近速度Vbc及び障害物Bと車両1間の距離Lbから、衝突を予測する。走行路面に静止した障害物Bを、車両1に固定された車両座標系ΣDから観測すると、走行路面(絶対座標系ΣF)に対する車両1の旋回を含む移動速度(Vx、Vy、ω)によって、障害物Bが移動して見える。図17(a)に示すように、障害物Bが車両1の直線移動速度Vによって(−V)、旋回角速度ωによって(Lb・ω)の速度を持つ。そこで、これらの速度を合成して得られる障害物Bの速度VbはΣD座標系で(−Vx−yb・ω、−Vy+Lb・ω)となる。簡単のため、ωの項を無視してもよい。
Next, another example of collision prediction by the collision prediction unit will be described. 17A and 17B show the relationship between the relative speeds of the
車両1から見た障害物速度Vbが求まると、Vbを車両1の旋回中心と障害物を結ぶ方向の成分Vbcと、それに垂直な成分Vbtに分ける。このVbc成分を障害物Bが車両1に衝突しようとする速度とし、VbcとLbとの関係から、障害物Bが危険域にあるかどうかを判断する。例えば、図18に示す障害物接近速度Vbcと障害物距離Lbとの関係グラフにおける斜線領域DGを危険域として、ある障害物接近速度Vbcに対する障害物距離Lbが近くて斜線領域DGに入れば衝突危険性有りと判断される。
When the obstacle speed Vb viewed from the
次に、走行補正手段による衝突回避の例を説明する。図19は、独立に駆動力を与えられる駆動輪を有する車両1を示す。図20(a)(b)は、前進時と後進時の障害物回避動作を示す。走行補正手段は、安全な方向へ旋回するための旋回力を左右駆動輪に対する駆動力の差として付加して、障害物回避を図ることができる。この車両1は、左右独立の駆動源4L、4Rによって、左右駆動輪2に独立に左輪駆動力FL、右輪駆動力FRを与えることができる。また、車両1の前輪3aは自在車輪となっており、従って、車両1は左右の駆動輪2に与えられる駆動力によって操舵される。車両1の前進方向及び旋回の駆動力(Fx、M)は、左右の駆動輪2を結ぶ線分の中央を旋回中心とし、左右駆動輪2間の距離をLtとすると、Fx=FR+FL、M=(FR−FL)・Lt/2となる。旋回の駆動力Mは力のモーメントであり、M>0の場合、車両1は左旋回する。
Next, an example of collision avoidance by the travel correction unit will be described. FIG. 19 shows a
上述の駆動力の発生による障害物回避を説明する。図20(a)に示すように、現在位置から現在の移動速度(Vx、Vy、ω)、現在の駆動力(Fx、M)で前進、左旋回して移動するとき、前進中の予測移動経路RTの右側に障害物Bが存在し、その障害物Bを回避する必要があると判断される場合について述べる。走行補正手段は、衝突しないように推進又は旋回又は横移動の速度を制限する。そして、予測移動経路RTよりも左側に軌道修正して障害物回避が行われる。そこで、走行補正手段は、左右駆動輪2への駆動力を補正して、旋回の駆動力MをM+ΔM(ΔM>0)として左旋回強化、及び前進の駆動力FxをFx−ΔF(ΔF>0)として前進速度減速を行う。同様に、図20(b)に示すように、右旋回後退時に予測移動経路RTの曲率中心の反対側にある障害物Bとの衝突を回避するため、走行補正手段は旋回の駆動力Mを絶対値がより大きくなるように補正して、移動経路の曲率半径を小さくする。駆動力Fx、Mの補正は、車両1と障害物との距離や接近速度(図17におけるLb、Vbc)の関数として定めてもよい。なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。
Obstacle avoidance by the generation of the driving force described above will be described. As shown in FIG. 20 (a), when the vehicle moves forward from the current position (Vx, Vy, ω) and current driving force (Fx, M) and turns left, the predicted movement path during the forward movement. A case will be described in which an obstacle B exists on the right side of RT and it is determined that the obstacle B needs to be avoided. The traveling correction means limits the speed of propulsion, turning, or lateral movement so as not to collide. Then, the obstacle is avoided by correcting the trajectory on the left side of the predicted movement route RT. Therefore, the traveling correction means corrects the driving force to the left and
1 障害物回避機能付き車両
5 エンコーダ(車輪回転計測装置)
20 3次元障害物認識手段
21 衝突予測手段
22 走行補正手段
23 車両移動量計測手段
LD2 2次元レーザレーダ
LD3 3次元レーザレーダ
US、US1〜US9 超音波センサ
1 Vehicle with
20 3D obstacle recognition means 21 Collision prediction means 22 Travel correction means 23 Vehicle movement amount measurement means LD2 2D laser radar LD3 3D laser radar US, US1 to US9 Ultrasonic sensor
Claims (11)
走行路面近傍の障害物を3次元情報として認識できる3次元障害物認識手段と、
前記3次元障害物認識手段によって得た障害物情報から衝突危険性を判断する衝突予測手段と、
前記衝突予測手段で衝突すると予測した際に、衝突しないように走行状態を補正する走行補正手段とを有することを特徴とする障害物回避機能付き車両。 In vehicles that are controlled to detect obstacles and avoid them,
3D obstacle recognition means capable of recognizing obstacles near the traveling road surface as 3D information;
A collision prediction means for judging a collision risk from the obstacle information obtained by the three-dimensional obstacle recognition means;
A vehicle with an obstacle avoidance function, comprising: a traveling correction unit that corrects a traveling state so that a collision does not occur when the collision prediction unit predicts a collision.
前記2次元レーザレーダからの障害物情報と前記車両移動量計測手段からの車両移動量とから3次元障害物情報を得ることを特徴とする請求項1に記載の障害物回避機能付き車両。 A two-dimensional laser radar installed at a depression angle with respect to the horizontal plane of the vehicle body, and a vehicle movement amount measuring means;
2. The vehicle with an obstacle avoidance function according to claim 1, wherein three-dimensional obstacle information is obtained from the obstacle information from the two-dimensional laser radar and the vehicle movement amount from the vehicle movement amount measuring means.
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