JP2844242B2 - 自動走行装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、走行路を探索しながら車両の自動走行を行
わせる自動走行装置に関する。

従来技術 最近、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
するべく車両の走行制御を行わせるようにした自動走行
装置が開発されている。

この種の自動走行装置にあっては、、車両に取り付け
られた撮像装置により車両の進行方向の領域を撮像し、
その撮像された画像をデータ処理することによって道路
エッジなどの連続した線分の抽出を行い、その抽出され
た線分にもとづいて車両の進行方向における走行可能領
域を認識し、その認識された走行可能領域内に車両走行
の目標経路を設定したうえで、現在検出されている車両
の走行状態にもとづいて車両がその目標経路上を走行す
るのに必要な舵角の制御目標量を所定の演算処理によっ
て求め、その求められた制御目標量にしたがって目標経
路に追従させるような車両の走行制御を行わせるように
している（特願昭63−199610号参照）。

このような自動走行装置では、舵角の制御目標量を車
両の走行状態のみにしたがって決定するようにしている
ので、その制御目標量をもって目標経路に追従させるた
めの操舵を行わせるに際して、路面が濡れているときな
どの路面状態によっては車両の走行が不安定になってし
まうという問題がある。

目的 本発明は以上の点を考慮してなされたもので、舵角の
制御目標量をもって走行可能領域内に設定された目標経
路に追従させるような車両の走行制御を行わせる際、路
面状態を検出して、その検出された路面状態に相応する
最大許容横荷重または最大許容ヨーレートをメモリから
読み出し、その得られた最大許容横荷重または最大許容
ヨーレートおよび検出された車両の走行状態から車両の
最大許容舵角を求めて、制御目標量をその最大許容舵角
以下に制限するようにした自動走行装置を提供するもの
である。

構成 以下、添付図面を参照して本発明の一実施例について
詳述する。

本発明による自動走行装置にあっては、第１図に示す
ように、車両の進行方向の領域を撮像することができる
ように車両に取り付けられたビデオカメラなどによる撮
像部１と、その撮像部１によって撮像された画像をデー
タ処理して道路エッジなどの連続した線分の抽出を行う
画像処理部２と、その抽出された連続した線分にしたが
って道路などの車両の走行可能領域を認識する走行可能
領域認識部３と、その認識された走行可能領域内に車両
走行の目標経路を設定する目標経路設定部４と、車両の
走行速度ｖを検出する車速センサ6,車両の走行にともな
うヨー方向の角速度変化分であるヨーレートΥを検出す
るヨーレートセンサ７および車両の操舵によるタイヤ角
度δを検出する舵角センサ８などの各センサ出力に応じ
てそのときの車両の走行状態を検出して、その検出され
た車両の走行状態にもとづいて車両が目標経路上を走行
するのに必要な舵角の制御目標量を所定の演算処理によ
って求めるとともに、その制御目標量が車両の最大許容
舵角以下になるように制限する制御部５と、その求めら
れた制御目標量にしたがって車両の操舵を行わせるステ
アリング制御部９およびステアリング駆動部10とによっ
て構成されている。

実際には、画像処理部2,走行可能領域認識部3,目標経
路設定部４および制御部５はマイクロコンピュータによ
って置き換えられる。また、そのコンピュータにステア
リング制御部９をも含めることが可能である。

撮像部１におけるビデオカメラとしては、標準レンズ
によるもの以外に、車速や走行中の道路状況などに応じ
た適切な画像が得られるように望遠レンズや広角レンズ
によるものが設けられ、また夜間用などに赤外線カメラ
や超高感度カメラなどの特殊なビデオカメラが複数設け
られており、コンピュータの制御下において、それら複
数のビデオカメラが車速や撮像画像の状態などに応じて
適宜切り換えられて使用されるようになっている。

また、撮像特性が同一の２台のビデオカメラを並設し
て、２眼立体視による画像を得るようにすることも可能
である。

画像処理部２における道路エッジなどの連続した線分
の抽出は、以下のようにして行われる。

まず、撮像部１から送られてくる撮像画像をサンプリ
ングして、そのサンプリングされた入力画像を微分処理
することによって画像エッジの検出の処理を行わせたう
えで、画像処理部２内に設けられた自動しきい値設定回
路により、そのときの入力画像の濃淡の程度に応じた最
適しきい値を自動的に設定して、そのエッジ画像の２値
化を行わせる。

なおその際、入力画像の２値化を先に行わせたうえ
で、エッジ検出のための微分処理を行わせるようにして
もよい。また、２値化を行わせる代わりに、画像の濃淡
を表現した多値化を行わせるようにしてもよい。

次いで、そのエッジ検出され、２値化または多値化さ
れた処理画像にもとづいて、Ｘ−Ｙ座標上の線分をρ−
θ座標上の点であらわす座標変換を行わせる公知手法で
あるHough変換処理を行わせることにより、連続性のあ
る点列を結合したり、連続性のない孤立した点を除去し
たりして、例えば第２図に示すような道路エッジの連続
した線分の情報を得る。

ここで、θはＸ−Ｙ座標上の直線からその座標の原点
におろした垂線の角度であり、またρはその垂線の長さ
である。例えば、第12図に示すＸ−Ｙ座標上の線分Ｌ
は、第13図に示すようにρ−θ座標上における点O1とし
てあらわされる。

なおその際、２値化された処理画像にもとづいて、エ
ッジ追跡の処理を行わせて連続性をもった画像のエッジ
部分をわり出すようにしてもよい。また、画像エッジの
連続性を求めるためのHough変換処理およびエッジ追跡
処理などの複数の処理を並列的に行わせ、それら各処理
結果から総合的に判断するようにすれば、より精度の高
い道路エッジの情報を求めることができるようになる。
さらに、車両の走行にともなって入力画像の領域成長を
行いながら前述の連続性ある画像エッジの抽出のための
処理を行えば、より精度の高い道路エッジの情報の抽出
を行うことができるようになる。

走行可能領域認識部３は、撮像部１におけるビデオカ
メラによって撮像される画像が遠近投影によるものであ
るため、第２図に示すような遠近投影による道路エッジ
の画像を第３図に示すような遠近投影の影響をなくした
道路エッジの画像に変換する公知手法である射影変換処
理を行う。

なお、その射影変換特性は、ビデオカメラの遠近投影
の特性にしたがって、予め走行可能領域認識部３に設定
されている。

そして、走行可能領域認識部３は、射影変換処理され
た道路エッジの画像にもとづいて、例えば第４図に示す
ように、連続した道路エッジE1,E2間を、撮像部１の撮
像方向すなわち車両11の進行方向をＹ軸方向としたとき
のＸ−Ｙ座標上における車両の走行可能領域RAとして認
識する。

なお、第４図において、Ｐ点は車両11の現在位置を示
すもので、撮像部１のビデオカメラによる撮像領域の下
端中央がＰ点としてＸ−Ｙ座標上の原点の位置にくるよ
うに、予びビデオカメラの車両に対する搭載位置が設定
されている。

次に、走行可能領域認識部３において認識された走行
可能領域である車両前方の道路が認識されると、目標経
路設定部４において、その認識された道路上における車
両の最適な走行経路となる目標経路が以下のようにして
設定される。

その目標経路は、後述するように、道路形状および車
速をも考慮したうえで、そのときの車両の走行状況に適
するように設定されるのが望ましいが、基本的には、認
識された道路が狭いかまたは広いかによって以下のよう
にして一律に設定される。

すなわち、目標経路設定部４において、道路幅が一定
以上の広軌道であると判断された場合には、例えば第４
図に示すように、左側通行路の場合、道路の左側の基準
となるエッジから例えば1.5m程度の所定の隔離幅ｗをも
ってその基準エッジに沿う目標経路OCを設定する。

また、目標経路設定部４において、道路幅が一定未満
の狭軌道であると判断された場合には、特に図示しない
が、その道路の中央に目標経路を設定する。

そしてその設定された目標経路のＸ−Ｙ座標上におけ
る位置のデータが、目標経路設定部４の内部メモリに記
憶される。

なお、Ｘ−Ｙ座標上における走行可能領域および目標
経路の尺度は、撮像部１におけるビデオカメラの倍率に
よって決定される。

第４図中、Ｐ点からＯ点に至るまでの軌跡は、後述す
るように、制御部５の制御下における車両の操舵制御が
なされることにより、Ｐ点にいる車両が目標経路OCに合
流するまでの走行経路を示している。Ｏ点は、そのとき
の車両の目標経路OCへの合流位置となる。

また本発明では、車両の走行状態を検出して、その検
出された走行状態にしたがい、以下のように道路におけ
る最適な車両の目標経路を設定するようにすることも可
能である。

すなわち、目標経路設定部４において、例えば、車速
センサ６によって検出される車両の走行速度を読み込ん
で、そのときの車速が予め設定されたしきい値以下の低
速域内にあれば、第５図（ａ）に示すように、道路の形
状に沿うように目標経路OCを設定する。

同様に、そのときの車速が予め設定されたしきい値を
越える高速域内にあれば、第５図（ｂ）に示すように、
曲りくねった道路を走行する場合、車両に作用する横方
向の加速度ができるだけ軽減されるような緩い曲率をも
った目標経路OCを道路内に設定する。

次に、道路上における目標経路が設定されたら、制御
部５において、車両をその目標経路に合流させるための
制御目標量が、以下のように演算処理によって求められ
る。

その際、ここでは、制御対象を車両の舵角に設定し、
現在検出されている車両の走行状態からこれから先の走
行経路を予測し、その車両の予測経路と目標経路との偏
差から車両がその目標経路上を走行するための舵角補正
量を求め、その舵角補正量から制御目標量をわり出すよ
うにしている。

具体的には、例えば、現在の進行方向をＹ軸方向とし
たとき、車両の走行状態から、Ｙ軸方向の一定距離先に
おけるＸ軸上の車両到達位置を予測し、その予測位置と
それに対応して目標経路上に設定された目標位置との偏
差に応じた舵角補正量を求めるようにしている。

いま、例えば第６図に示すように、Ｐ点にある車両11
を目標経路OCに合流させる場合を考えてみる。

まず、車速センサ６によって検出された車両の現在車
速ｖ（m/s）にもとづいて、Ｐ点にある車両のt_m秒後に
おけるＹ軸上の距離Ｌ（ｍ）（Ｌ＝ｖ×t_m）が求めら
れ、そのＹ軸上におけるＰ点から距離Ｌだけ離れたＣ点
と目標経路OCとの間の偏差x_l、すなわちt_m秒後における
目標経路OC上の位置に比例した値がわり出される。

同様に、ヨーレートセンサ７によって検出される車両
のヨーレートΥ（rad/s）にもとづいて車両の予測経路A
Cがわり出され、Ｙ軸上のＣ点からの予測経路ACの偏差x
_m、すなわちt_m秒後における予測経路AC上の位置に比例
した値が以下のようにして求められる。

いま、予測径路ACが描く円弧の半径をＲとしたとき、
x_mは次式によって与えられる。

x_m＝Ｒ−｛R²−（ｖ×t_m）^２｝^1/2 ＝Ｒ−Ｒ｛１−（ｖ×t_m/R）^２｝^1/2 ここで、Ｒ≫ｖ×t_mとすると、 x_m≒Ｒ−Ｒ｛１−（ｖ×t_m/R）²/2｝ ＝v²×t_m ²/2R L²/2R …（１） また、 Υ＝v/R …（２） であるので、（１），（２）式から、 x_m＝L²・Υ/2v …（３） なお、ヨーレートΥの符号としては、例えば予測経路
ACが左曲りのときを正とする。

そして、各求められた偏差x_lとx_mとの差ｅ（ｅ＝x_l−
x_m）に応じて車両の修正すべきヨーレートΔΥが下記式
にしたがって求められる。

ΔΥ＝ｅ×2v/L² …（４） 次いで、舵角センサ８によって検出されたＰ点におけ
る車両のタイヤ角度δがとり込まれ、車両を目標経路OC
に合流させるためのタイヤ角度の制御目標量δ′が以下
のようにして決定される。

いま、第７図に示す関係にあって、 Ｒ≫ｌのとき、 δ≒l/R …（５） となり、（２），（５）式から δ（l/v）Υ …（６） が得られる。ここで、ｌはホイールベースである。

したがって、（６）式の関係からして、車両の修正す
べきヨーレートΔΥに応じたタイヤ角度の修正分Δδ
は、次式によって与えられる。

Δδ＝（l/v）ΔΥ …（７） ここで、車速ｖに対する舵角の一般式であるｌ＝ｌ
（１＋Kv²）を考慮すると、（７）式から Δδ＝ΔΥ｛ｌ（１＋Kv²）/v｝ …（８） となる。

Ｋは、タイヤ特性やホイールベースなどの車両特性に
よって決まる一定の係数である。

そして、車両を目標経路OCに合流させるためのタイヤ
角度の制御目標量δ′は、 δ′＝δ＋Δδ …（９） として求められる。

ステアリング制御部９は、制御部５から与えられる制
御目標量δ′に応じてステアリング駆動部10に駆動指令
を出し、それによりステアリング駆動部10がステアリン
グの駆動を適宜なして車両を目標経路OCへ合流させるよ
うな操舵を行う。

なお、第６図の関係にあって、Ｙ軸上の距離Ｌ（目標
合流距離）を設定する場合、制御部５の制御下において
車速センサ６によって検出される車両の走行速度ｖに応
じてその設定距離Ｌを可変にすることができる。すなわ
ち、走行速度ｖが低速であるほどその距離Ｌを短く設定
し、Ｐ点にいる車両が目標経路OCに合流するまでの走行
経路が短くなるようにして、車両の目標経路OCへの合流
を速やかに行なわせる。また、走行速度ｖが高速である
ほどその距離Ｌを長く設定し、Ｐ点にいる車両が目標経
路OCに合流するまでの走行経路が長くなるようにして、
車両の目標経路OCへの合流を緩やかに行なわせる。

さらに、曲りくねった道路を走行する場合、その曲率
が小さいほど距離Ｌを短く設定して、車両の目標経路OC
への合流を速やかに行なわせるようにすることも可能で
ある。

また、目標経路OCに車両を合流させる際のＰ点からＯ
点に至るまでの走行経路の曲線モデルを用いて、目標合
流距離Ｌおよび車速ｖに応じて制御部５において求めら
れる経路曲率にしたがって所定の曲線のパターンによる
走行経路を近似的な解析によってわり出し、そのわり出
された走行経路のパターンをもって目標経路OCへの合流
をスムーズに行なわせるようにすることも可能である。

なお、走行経路の曲線モデルとしては、例えば関数ｙ
＝ｘ−sin xまたは関数ｙ＝x³などが用いられる。

第８図に、関数ｙ＝ｘ−sin xによる走行経路の曲線
モデルを用いたときの走行経路のパターンを示してい
る。

以上の処理が、予めその処理に要する時間を見込んだ
所定の制御周期をもってくり返し行われ、それにより車
両の走行が進むにしたがって、各制御周期ごとに逐次認
識された走行可能領域内に設定されていく目標経路OCに
追従する車両の走行制御が継続的に行われる。

本発明では、このような自動走行装置において、特
に、検出された車両の走行状態にしたがって、最大許容
横荷重または最大許容ヨーレートなどの車両特性から車
両の最大許容舵角を求める手段と、舵角の制御目標量を
その最出許容舵角以下に制限する手段とをとるようにし
ている。

それら各手段は、具体的に、以下のようにして実行さ
れる。

まず、制御部５において、車速センサ６によって検出
された車速ｖにしたがい、予め内部メモリに登録されて
いる車両特性としての最大許容横荷重Gmaxの値を用い
て、以下の演算式から車速ｖで曲率半径Ｒをもって旋回
する際における最大許容舵角δmaxを求める。

一般に、車速ｖで曲率半径Ｒをもって旋回する際に車
両に加わる横荷重Ｇは次式によって与えられる。

Ｇ＝Υ・ｖ …（10） ここで、Υ＝v/Rである。

また、前記（６）式の関係から、次式が得られる。

Υ＝δ・v/l …（11） したがって、車速ｖに対する舵角の一般式であるｌ＝
ｌ（１＋Kv²）を考慮したうえで、（10），（11）式の
関係から、最大許容舵角δmaxが次式によって求められ
る。

δmax＝Gmax・ｌ（１＋Kv²）/v² …（12） また、制御部５の内部メモリに、車両特性として最大
許容ヨーレートΥmaxを予め登録しておき、その最大許
容ヨーレートΥmaxから、以下の演算式により車速ｖで
曲率半径Ｒをもって旋回する際における最大許容舵角δ
maxを求めるようにしてもよい。

（10）式の関係から、 Gmax＝Υmax・ｖ …（13） が成立するので、（12），（13）式から、最大許容舵角
δmaxが次式によって求められる。

δmax＝Υmax・ｌ（１＋Kv²）/v …（14） 車両の最大許容横荷重Gmaxまたは最大許容ヨーレート
Υmaxは、路面が濡れているかまたは乾いているかの程
度によって、第９図または第10図に示すような特性をも
って変化するものである。

そのため、第９図または第10図に示す特性にしたがっ
て、路面の濡れまたは乾きの程度に応じた最大許容横荷
重Gmaxまたは最大許容ヨーレートΥmaxの各値を予め求
めてメモリに登録しておき、路面の実際の濡れまたは乾
きの程度を検出して、その検出結果に応じてメモリから
所定の最大許容横荷重Gmaxまたは最大許容ヨーレートΥ
maxの値を読み出すようにする。

路面の濡れまたは乾きの程度を検出する具体的な手段
としては、例えば、ビデオカメラによって走行可能領域
を撮像したときの画像の輝度に応じて路面の濡れの程度
または乾きの程度を判定するようにすればよい。

そして、制御部５は、制御目標量にしたがって目標経
路OCに追従させるための操舵を行わせる際に、そのとき
の制御目標量としての舵角δ′が最大許容舵角δmaxを
越えることがないように制限する。

したがって、最大許容舵角δmaxを越える舵角δ′を
もって目標経路OCに追従させるための車両の操舵が行わ
れることがなくなる。

なおその際、制御目標量としての舵角δ′がそのとき
の車速ｖによって最大許容舵角δmaxを越えたときの処
理が、以下のようにして行われる。

すなわち、制御部５において、例えば、舵角δ′が最
大許容舵角δmaxを越える程度に応じて、車両の現在位
置Ｐ点から目標経路OCに合流するまでの距離Ｌの値を予
め決められているように所定に大きくして、それにより
最大許容舵角δmaxを越えることがない舵角の制御目標
量を再度求め、その再度求められた制御目標量にしたが
って目標経路OCに追従させるための車両の走行制御が実
行される。

第14図に、本発明における制御フローを示している。

しかして、本発明によれば、車速ｖにしたがい、その
ときの最大許容舵角δmaxを越えることがない舵角δ′
をもって、目標経路OCに追従させるための車両の操舵が
安定して行われる。

第11図（ａ），（ｂ）に、最大許容舵角δmaxを越え
る舵角δ′をもって目標経路OCに合流させるときの車両
の走行経路P1と、最大許容舵角δmax以下の舵角δ′を
もって目標経路OCに合流させるときの車両の走行経路P2
との関係をそれぞれ示している。そこで、L1は舵角δ′
が最大許容舵角δmaxを越えるときのＬの最初の設定
値、L2は舵角δ′が最大許容舵角δmaxを越える程度に
応じて再設定されたＬの値をそれぞれ示している。

効果 以上、本発明による自動走行装置にあっては、車両に
取り付けられた撮像装置により車両の進行方向における
走行可能領域を探索しながら、その探索された走行可能
領域内に目標経路を設定して、その目標経路に追従させ
るための舵角の制御目標量を求めて、その制御目標量に
したがって車両の走行制御を行わせる際、車両の実際の
走行状態と路面状態との協調をとりながら最大許容舵角
を求めて、制御目標量が最大許容舵角以下になるように
制限したもので、目標経路に追従させるための車両の操
舵を安定して行わせることができるという優れた利点を
有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による自動走行装置の一実施例を示すブ
ロック構成図、第２図はビデオカメラによって撮像され
た画像のデータ処理を行うことによって得られた道路の
線分を示す図、第３図は第２図の画像を射影変換するこ
とによって得られた画像を示す図、第４図は認識された
道路エッジ間の走行可能領域に設定された目標経路の一
例を示す図、第５図（ａ），（ｂ）は車両の低速時およ
び高速時に道路上に設定される目標経路をそれぞれ示す
図、第６図は目標経路と車両の予測経路との関係を示す
図、第７図は車両の舵角とその回転半径との関係を示す
図、第８図は目標経路に合流するときの車両の走行経路
の一例を示す図、第９図は路面の濡れまたは乾きの程度
に応じた車両の最大許容横荷重の特性図、第10図は路面
の濡れまたは乾きの程度に応じた車両の最大許容ヨーレ
ートの特性図、第11図（ａ），（ｂ）は目標経路に合流
するときの車両の走行経路の一例をそれぞれ示す図、第
12図はＸ−Ｙ座標上の線分を示す図、第13図は第12図の
線分をHough変換したときのρ−θ座標上の点を示す
図、第14図は本発明における制御スローを示す図であ
る。 １……撮像部、２……画像処理部、３……走行可能領域
認識部、４……目標経路設定部、５……制御部、６……
車速センサ、７……ヨーレートセンサ、８……舵角セン
サ、９……ステアリング制御部、10……ステアリング駆
動部、11……車両、RA……走行可能領域、OC……目標経
路、Ｐ……車両の位置

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】車両に取り付けられた撮像装置により車両
   の進行方向の領域を撮像する手段と、その撮像された画
   像をデータ処理することにより連続した線分の抽出を行
   う手段と、その抽出された連続した線分にもとづいて車
   両の進行方向における走行可能領域を認識する手段と、
   その認識された走行可能領域内に目標経路を設定する手
   段と、車両の走行状態を検出する手段と、その検出され
   た車両の走行状態にもとづいて車両が目標経路上を走行
   するのに必要な舵角の制御目標量を求める手段と、その
   求められた制御目標量にしたがって車両の走行制御を行
   う手段とからなる自動走行装置において、路面状態を検
   出する手段と、その検出された路面状態に相応する最大
   許容横荷重または最大許容ヨーレートをメモリから読み
   出す手段と、その最大許容横荷重または最大許容ヨーレ
   ートおよび検出された車両の走行状態から車両の最大許
   容舵角を求める手段と、前記制御目標量をその最大許容
   舵角以下に制限する手段とをとるようにしたことを特徴
   とする自動走行装置。