JP2012233852A

JP2012233852A - ヨーレイト検出装置

Info

Publication number: JP2012233852A
Application number: JP2011104371A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Sorimachi; 一博反町
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2012-11-29

Abstract

【課題】零点ドリフトのオフセット精度が高いヨーレイト検出装置を提供する。
【解決手段】車両のヨーレイトを検出するヨーレイトセンサ２と、車両の前方を撮像するカメラ３と、カメラ３の画像から走行中の道路の直線性を評価して車両の直進判定を行う直進判定部４と、車両が直進中におけるヨーレイトセンサ２の読み値をオフセット値に設定し、このオフセット値でヨーレイトセンサ２の零点ドリフトをオフセットするオフセット部５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、零点ドリフトのオフセット精度が高いヨーレイト検出装置に関する。

車両には、旋回による回転角速度（ヨーレイト）を検出するためのヨーレイトセンサが搭載される。一般にヨーレイトセンサにはジャイロが使用されるが、この種のヨーレイトセンサにおいては、本来はヨーレイトが０であるときの読み値である零点が時間経過に伴い変動することが知られている。これを零点ドリフトという。零点ドリフトは、ヨーレイト検出誤差の原因となる。

これに対し、例えば、特許文献１の発明では、ヨーレイトセンサで検出された計測ヨーレイトの高周波成分と、ステアリングセンサからの操舵角、車速センサからの車速、右前輪と左前輪の車輪速センサからの車輪速に基づく推定ヨーレイトの低周波成分とにより、実ヨーレイトが求められる。これにより、零点ドリフトの影響が解消される。

特開平８−１３６５６９号公報特開平１０−１６８１０号公報特開２００９−１６９６１８号公報特開２０１０−１９１６６１号公報

ヨーレイトセンサの検出信号の精度を高めるために、零点ドリフトのオフセットが行われる場合がある。このためのオフセット値が設定されるタイミングは、車両が直線を走行しているときであることが望ましい。その際、車両が直線を走行していること（以下、直進判定という）が確実に判定できることが重要である。

特許文献２の発明では、ステアリングホイールの操舵角が所定値以下であれば、直進が判定される。しかし、操舵角から推定される直進の度合いは精度が不十分であり、道路の曲率半径が数千ｍ以上となる緩いカーブを車両が走行していると、車両が直進しているという誤判定がなされることがある。このように直進判定の精度が低いと、零点ドリフトのオフセット精度が低くなる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、零点ドリフトのオフセット精度が高いヨーレイト検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明のヨーレイト検出装置は、車両のヨーレイトを検出するヨーレイトセンサと、前記車両の前方を撮像するカメラと、前記カメラの画像から走行中の道路の直線性を評価して前記車両の直進判定を行う直進判定部と、前記車両が直進中における前記ヨーレイトセンサの読み値をオフセット値に設定し、このオフセット値で前記ヨーレイトセンサの零点ドリフトをオフセットするオフセット部とを備えたものである。

前記直進判定部は、前記カメラの画像から道路の白線に対応する点の集合を抽出する白線抽出処理部と、抽出された点の集合から道路の曲率半径を推定する曲率半径推定部と、推定された曲率半径が閾値以上であれば、走行中の道路が直線であると判定する直線判定部とを備えてもよい。

前記直進判定部は、前記車両の速度が閾値以上かどうか判定する車速判定部と、前記車速判定部の判定結果が閾値以上であって、かつ、前記直線判定部の判定結果が直線であるとき、前記車両が直進していると判定する最終判定部とを備えてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）零点ドリフトのオフセット精度が高い。

本発明の一実施形態を示すヨーレイト検出装置の構成図である。本発明のヨーレイト検出装置で実行される手順のフローチャートである。道路と車両の平面図及び側面図である。白線抽出された点の集合を示す画像の図である。白線抽出された点の集合を示す画像の図である。曲率半径推定部の入出力を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明のヨーレイト検出装置１は、車両のヨーレイトを検出するヨーレイトセンサ２と、車両の前方を撮像するカメラ３と、カメラ３の画像から走行中の道路の直線性を評価して車両の直進判定を行う直進判定部４と、車両が直進中におけるヨーレイトセンサ２の読み値をオフセット値に設定し、このオフセット値でヨーレイトセンサ２の零点ドリフトをオフセットするオフセット部５とを備える。ヨーレイトセンサ２が出力するヨーレイト信号（読み値）がオフセット部５に入力され、この読み値からオフセット値が除去された真のヨーレイト値がヨーレイト信号としてオフセット部５から出力されることになる。

直進判定部４とオフセット部５は、電子制御装置（Electronical Control Unit；ＥＣＵ）にソフトウェアとして搭載されるのが好ましい。

直進判定部４は、カメラ３の画像から道路の白線に対応する点の集合を抽出する白線抽出処理部６と、抽出された点の集合から道路の曲率半径を推定する道路曲率半径推定部７と、推定された曲率半径が閾値以上であれば、走行中の道路が直線であると判定する直線判定部８とを備える。理論的には直線路の曲率半径は無限大であるが、実際的には、零点ドリフトのオフセットに適切な程度に道路が直線に近ければよいので、適切な値に閾値が設定される。閾値は、数千ｍとするのが好ましく、例えば、５０００ｍである。この場合、曲率半径が５０００ｍ以上であれば、道路が直線であると判定されることになる。

直進判定部４は、車両の速度が閾値以上かどうか判定する車速判定部９と、車速判定部９の判定結果が閾値以上であって、かつ、直線判定部８の判定結果が直線であるとき、車両が直進していると判定する最終判定部１０とを備える。車両の速度に閾値が設けられる理由は、低速時には画像の取込時間間隔に対して走行する道路長が短いため、後述する曲率半径推定方法では、曲率半径推定の信頼性が低いからである。閾値は、例えば、４０ｋｍ／ｈである。この場合、車両の速度が４０ｋｍ／ｈ以上であれば、直線判定部８の判定結果から最終的な直進判定が実行されるが、車両の速度が４０ｋｍ／ｈ未満であれば、最終的な直進判定は実行されないことになる。

オフセット部５は、最終判定部１０による判定が直進であるときのみ、ヨーレイトセンサ２の読み値をオフセット値に設定することになる。

図２に示されるように、本発明のヨーレイト検出装置１で実行される手順は、カメラ３により車両の前方を撮像して画像を取得する画像取得ステップＳ１、カメラ３の画像から道路の白線に対応する点の集合を抽出する白線抽出ステップＳ２、抽出された点の集合から道路の曲率半径を推定する道路曲率半径推定ステップＳ３、道路が直線であるかどうか判定する直線判定ステップＳ４、ヨーレイトセンサ２により車両のヨーレイト（読み値）を取得するヨーレイト取得ステップＳ５、読み値にローパスフィルタを適用して高周波成分を除去し、オフセット値を得るフィルタ処理ステップＳ６、このオフセット値によりヨーレイトセンサ２の零点ドリフトをオフセットするオフセット処理ステップＳ７とを有する。この手順は、適宜な時間間隔で繰り返し実行される。

図３に、道路と車両の平面図及び側面図を示す。道路３１は、直線路であるか、あるいは曲率を有するカーブ路であると仮定する。車両３２は、例えば、トラックである。カメラ３は、どこに取り付けられてもよく、車両重心との各軸の離間距離が考慮されるのが好ましい。ここでは、カメラ３は、運転席の上部の左右中心位置に取り付けられる。図示のように、カメラ３は水平よりやや下方に傾けて設置されてもよい。道路３１の白線３３は、ここでは黒線で示される。なお、図３では、ヨー角φが誇張されて示されている。実際の車両にあっては、直線路走行では車体と白線とが平行になるよう、カーブ路走行では車体と白線の接線とが平行になるよう、道路に沿った運転がなされる。

以下、本発明のヨーレイト検出装置１の動作を詳しく説明する。

図２の画像取得ステップＳ１では、カメラ３により車両３２の前方が撮像されると、直進判定部４がその画像を取得する。画像には、白線３３やその他の対象物に由来する白点（周囲より明るい点）が含まれ、これらが白線候補点となる。

白線抽出ステップＳ２では、白線抽出処理部６がソーベルフィルタ（特許文献３参照）により、カメラ３の画像から垂直エッジを抽出して道路３１に対応する画像中の部分を認識する。次いで、白線抽出処理部６は、画像中の道路部分に存在する全ての白線候補点に対して公知のハフ変換を適用することにより、直線となる白線候補（点の集合）を抽出する。なお、道路３１がカーブ路である場合は、白線３３が曲線となるが、これに対応して画像には傾斜が順次異なる連続した複数の白線候補が得られる。次いで、白線抽出処理部６は、公知の方法により、複数の白線候補から道路左の白線３３と道路右の白線３３に対応する点の集合のみを抽出する。

図４及び図５に示されるように、カメラ３の画像は二次元平面であり、横座標をｘ、縦座標をｙと定義する。白線抽出処理部６が抽出した白線３３に対応する点は、黒点で示され、その座標（ｘ，ｙ）が次ステップでの演算に使用される。直線路において得られる画像では、図４に示されるように、抽出された点がハの字状に並ぶ。図５に示されるように、カーブ路において得られる画像では、抽出された点が弧を描くように並ぶ。

道路曲率半径推定ステップＳ３では、道路曲率半径推定部７が抽出された点の集合から道路の曲率を推定し、曲率の逆数である曲率半径を推定する。

ここで、曲率半径が数千ｍ以上になると、曲率半径推定の精度を高めるのは容易でないが、本実施形態では、カルマンフィルタ（特許文献４参照）を用いることで曲率半径推定の精度を高め、直線判定を正確に行うようにする。

カルマンフィルタを用いた曲率半径推定方法では、白線３３に対応する画像上の点のそれぞれを観測値とし、車両３２の横位置、道路３１の曲率、ヨー角、ピッチ角、カメラ高さを道路３１と車両３２の動的な状態量（時間的に変化する状態量）としたとき、図６に示されるように、観測値が入力されると、状態量が推定されることになる。

図３の道路３１と車両３２に対し、演算に使用される諸元を次のように定義する。

車両３２に搭載されたカメラ３を基準とする三次元座標（原点をカメラレンズの中心とする）について、カメラ左右方向の座標をＸ、カメラ天地方向の座標をＹ、カメラ正面方向の座標をＺと定義する。道路３１の幅（道路左の白線３３から道路右の白線３３までの距離）をＷ、カメラレンズの焦点距離をｆとする。Ｗとｆは固定値である。状態量としては、道路３１の曲率をρ、道路３１の中心に対する車両重心位置の横変位（以下、単に横位置という）をｙｃ、道路３１の中心線に対する車両３２のヨー角をφ、車両３２のピッチ角をη、道路３１の表面からカメラレンズまでの高さをｈと定義する。左右の白線３３の識別をｉ（左側のときｉ＝０、右側のときｉ＝１）とする。具体的には、図４、図５の画像の左半分にある点に関して演算するときは、ｉ＝０が代入され、画像の右半分にある点に関して演算するときは、ｉ＝１が代入される。曲率半径Ｒは、曲率ρの逆数である。

三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と二次元座標（ｘ，ｙ）との関係は、式（１）と式（２）で表される。

一方、道路３１上の諸元には、式（３）と式（４）で表される関係がある。

式（１）〜式（４）からＸ，Ｙ，Ｚを消去すると、道路３１上の任意位置にある対象物が画像のどこに写像されるかを示す出力方程式（５）が求まる。

出力方程式（５）は、複数の観測値（白線抽出処理部６が抽出した白線３３に対応する点）のそれぞれについて成立するので、各観測値を代入するとｘ及びｙの異なる複数の出力方程式（５）が得られる。観測値の個数分の連立方程式が得られることになるので、５点の観測値があれば連立方程式から５つの状態量ｙｃ、ρ、φ、η、ｈが全て求まる。実際には、観測値は、１０点、２０点あるいはそれ以上の十分に多数の点が得られる。

カルマンフィルタでは、状態量の動的変化は確率的な振る舞いをするものとして、白色雑音（白色ガウス雑音）によって駆動される系が定義される。この定義により、カルマンフィルタの状態方程式（６）が得られる。

状態方程式（６）は、ある状態量に雑音が加算されることで状態量が変化することを意味している。例えば、曲率ρに着目すると、
ρ_t＝ρ_t-1＋ν_ρ
となる。これは、曲率ρが時間的に変化するとき、前時刻の曲率ρ_t-1に曲率成分ノイズν_ρを加算すると今時刻の曲率ρ_tとなることを表す。

出力方程式（５）と状態方程式（６）を簡略化して表現すると、式（７）と式（８）が得られる。

ここでｘ_sは、５つの状態量からなるベクトルのうちの任意の状態量である。Ａ_sは、遷移行列であり、状態方程式（６）の第１項の行列に相当する。Ｇ_sは状態方程式（６）の第２項の行列に相当する。ｋは、時間の経過を離散的に表す値である。式（７）は、出力方程式（５）と等価であり、式（８）は、状態方程式（６）と等価である。

カルマンフィルタの一般的な手法により、式（９ａ）〜式（９ｄ）が定義される。

Ｔは、転置行列を表す記号であり、−１は、逆行列を表す。式（９ｅ）で定義されるＣは、式（５）（または式（７））を任意の状態量について偏微分したものであり、例えば、φについての偏微分では、Ｃ＝−ｆとなる。

以上に説明したカルマンフィルタに時間間隔ごとの複数の観測値を代入することより、道路３１の曲率ρが推定される。これより、曲率ρの逆数として曲率半径Ｒが求められる。

直進判定ステップＳ４では、道路が直線であるかどうかの判定に基づいて車両の直進を判定する。すなわち、直線判定部８は、道路曲率半径推定部７が推定した曲率半径Ｒが閾値以上であれば、走行中の道路が直線であると判定する。但し、本実施形態では、これに加えて、車速判定部９において、車両３２の速度が閾値以上かどうか判定する。最終判定部１０は、車速判定部９の判定結果が閾値以上であって、かつ、直線判定部８の判定結果が直線であるとき、車両が直進していると判定する。

直進判定ステップＳ４において、最終判定部１０により直進判定が肯定されると、ヨーレイト取得ステップＳ５に進む。

ヨーレイト取得ステップＳ５では、オフセット部５がヨーレイトセンサ２から車両のヨーレイト（読み値）を取得する。

フィルタ処理ステップＳ６では、オフセット部５が読み値にローパスフィルタを適用して高周波成分を除去する。既に、車両３２が直進していることが判定されているので、実際のヨーレイトは０であるが、ヨーレイトセンサ２に零点ドリフトが発生していると、ヨーレイトセンサ２の読み値は０ではない。このとき、読み値（低周波成分）がオフセット値として得られる。

オフセット処理ステップＳ７では、オフセット部５がフィルタ処理ステップＳ６で得られたオフセット値によりヨーレイトセンサ２の零点ドリフトをオフセットする。これにより、真のヨーレイト値が得られる。このとき、ヨーレイト取得ステップＳ５とフィルタ処理ステップＳ６を複数回実行し、式（１０ａ）、式（１０ｂ）のように、複数の読み値ω（ｊ）（ｊは時刻ｔまでに得たサンプルの番号）を得て、それらの平均値ω_AVE（ｔ）を演算してオフセット値とするのが好ましい。これにより、真のヨーレイト値ω_Tは、現在の読み値ω（ｔ）から平均値ω_AVE（ｔ）を差し引いた値となる。

直進判定ステップＳ４において、最終判定部１０により直進判定が否定されると、ヨーレイト取得ステップＳ５には進まない。但し、一度、フィルタ処理ステップＳ６が終了した後は、オフセット値が設定されているので、道路の直線性評価とは無関係に、式（１０ｂ）により、ヨーレイトセンサ２の読み値からオフセット値が除去されることで、真のヨーレイト値が得られる。

以上説明したように、本発明のヨーレイト検出装置１によれば、車両の前方を撮像した画像から走行中の道路の直線性を評価して車両の直進判定を行うので、ステアリングホイールの操舵角などの車両状態の情報に基づく判定に比べて直進判定の精度が高い。この結果、正確なオフセット値が得られ、零点ドリフトのオフセット精度が高くなる。

本発明のヨーレイト検出装置１によれば、カメラ３の画像から道路の白線に対応する点の集合を抽出し、その点の集合から道路の曲率半径Ｒを推定するので、観測値の個数（点の個数）が多く得られ、曲率半径Ｒの推定精度が高くなる。

本発明のヨーレイト検出装置１によれば、車両の速度が閾値以上のときのみ画像から抽出した白線による直線判定の結果を最終判定とするので、信頼性が低い低速時の直線判定の結果が除外され、曲率半径推定の信頼性が高くなる。

本実施形態では、車両はトラックであるとしたが、これに限らず本発明は、大型車から小型車まで適用でき、乗用車、二輪車などにも適用することができる。

１ヨーレイト検出装置
２ヨーレイトセンサ
３カメラ
４直進判定部
５オフセット部
６白線抽出処理部
７道路曲率半径推定部
８直線判定部
９車速判定部
１０最終判定部

Claims

車両のヨーレイトを検出するヨーレイトセンサと、
前記車両の前方を撮像するカメラと、
前記カメラの画像から走行中の道路の直線性を評価して前記車両の直進判定を行う直進判定部と、
前記車両が直進中における前記ヨーレイトセンサの読み値をオフセット値に設定し、このオフセット値で前記ヨーレイトセンサの零点ドリフトをオフセットするオフセット部とを備えたことを特徴とするヨーレイト検出装置。
前記直進判定部は、
前記カメラの画像から道路の白線に対応する点の集合を抽出する白線抽出処理部と、
抽出された点の集合から道路の曲率半径を推定する曲率半径推定部と、
推定された曲率半径が閾値以上であれば、走行中の道路が直線であると判定する直線判定部とを備えたことを特徴とする請求項１記載のヨーレイト検出装置。
前記直進判定部は、
前記車両の速度が閾値以上かどうか判定する車速判定部と、
前記車速判定部の判定結果が閾値以上であって、かつ、前記直線判定部の判定結果が直線であるとき、前記車両が直進していると判定する最終判定部とを備えたことを特徴とする請求項２記載のヨーレイト検出装置。