JP2923667B2 - 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、その走行路上に目
標経路を設定して、車両がその目標経路に追従して走行
するように舵角の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。

従来、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、その撮像画像をサンプリングすることによって得ら
れた画像データにもとづい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、舵角，ヨーレート（車両の走行によるヨー方向
の角速度変化分）などの現在の車両の走行状態を検出し
ながら、その検出された車両の走行状態に応じて車両を
その目標経路に追従して走行させるための制御目標量を
所定の演算により求めて、その制御目標量をもって車両
の走行制御を行わせるようにしている（特願昭63−1996
10号参照）。

しかして、このような自動走行装置では、走行可能領
域内に目標経路を設定する場合、走行時に車両にかかる
横荷重などのダイナミック負荷を何ら考慮することな
く、例えば走行可能領域の中央などに目標経路を一律に
設定するなどしている。

目的 本発明は以上の点を考慮してなされたもので、走行可
能領域内に目標経路を設定する場合、車両のダイナミッ
ク負荷を考慮した最適な目標経路を設定して、その目標
経路に追従した車両の走行を安定して行わせることがで
きるようにした自動走行装置を提供するものである。

構成 本発明は、その目的達成のため、車両のダイナミック
負荷として横荷重に着目し、最初は車両にかかる横荷重
を何ら考慮することなく走行可能領域内に目標経路を一
律に設定したうえで、その設定された目標経路上を走行
すると仮定したときの車両にかかる横荷重を演算処理に
よって求め、その求められた横荷重が走行可能領域内で
予め設定された制限値を越えることがないように横荷重
の修正を行って、その修正された横荷重に適合するよう
に、当初設定された目標経路を修正するようにしてい
る。なお、車両にかかる横荷重を求めるための演算処理
としては、従来公知の演算手法が広く適用される。

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サン
プリングし、そのサンプリング画像のデータを処理して
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
経路を一律に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,車両の舵角δを検出する舵角センサ８
などの車両の走行状態を検出するための各種センサと、
前記目標経路上を走行する際の車両にかかる横荷重が予
め設定された制限値を越えることがないようにその目標
経路を修正したうえで、前記各センサによって検出され
た車両の走行状態にもとづいて車両がその修正された目
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、この自動走行装置
全体の集中制御を行わせる制御部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,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14図に示すＸ−Ｙ座標上の線分Ｌ
は、第15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、公知手法である射影変換処理を行う。すなわ
ち、例えば、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。

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、投影変換処理され
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、予めビデオカメラの車両に対する搭載位置が認定
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、道路状態および車
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の制御下において車両の操舵制御が
なされることにより、Ｐ点にいる車両11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への合流の目標点となる。

また、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速ｖを読み込んで、その
ときの車速ｖ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ｖ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
横方向に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追従して走行させ
るための舵角の制御目標量が、例えば、以下のように求
められる。

ここでは、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
ための舵角の補正量を求め、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、現在の車両の走行速度から、一定時間後
における予測経路上の車両の到達点を予測するととも
に、その車両の走行速度と一定時間とによって求められ
る目標経路上の位置に車両を合流させる目標点を設定
し、予測された到達点と目標点との偏差に応じて舵角補
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11の一定時
間t_m秒後におけるＹ軸上の距離Ｌ（ｍ）（Ｌ＝t_m×ｖ）
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との間におけるＸ軸上の偏差
ｘ _ｏ 、すなわちt_m秒後における目標経路OC上に設定され
た目標点Ｏ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上の車両の到達
点Ｍ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、予測経路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-L²)^1/2 ＝Ｒ−Ｒ｛1-(L/R)²｝^1/2 ここで、Ｒ≫Ｌとすると、 x_m≒Ｒ−Ｒ｛１−(L/R)²/2｝ ＝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 _ｏ とx_mとの差ｅ（ｅ＝ｘ
_ｏ −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
る車両の舵角δがとり込まれ、車両を目標経路OCに合流
させるための舵角の制御目標量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は車両の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に応じた舵角の修正分Δδは、次式
によって与えられる。

Δδ＝（l/v）ΔΥ …（７） ここで、車速ｖが舵角に与える影響の一般式ｌ（１＋
Ｋv²）を考慮すると、（７）式は 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（スタビリティファクタ）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からの制御目標量
δ′に応じてステアリング駆動部10に駆動指令を出し、
ステアリング駆動部10によりステアリングの駆動を適宜
なさしめて、車両を目標経路OCへ合流させるような操舵
を行わせる。

なお、第６図の関係にあって、目標経路OC上に目標点
Ｏを設定する基準となる距離Ｌを定める場合、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
速ｖに応じてt_m時間を適宜調整することにより、その距
離Ｌを可変に設定することができる。

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わせるようにすることも可能であ
る。

以上の処理が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に追従して車両を走行させていくための
舵角の制御が継続的に行われていくことになる。

なお、車両を目標経路OCに追従して走行させるための
舵角の制御目標量を求める手段としては、他に、目標経
路に対する車両の位置偏差と目標経路に対する車両の進
行方向の角度偏差との両方またはその何れか一方を零に
収束させるような舵角の制御目標量を求める手段、ある
いは、車両を目標経路OCに追従して走行させるのに必要
なヨーレートまたは横荷重の目標値を所定の演算により
算出して、その算出された目標値と現在のヨーレートま
たは横荷重の検出値との偏差に応じて舵角の補正量をわ
り出して、現在の舵角とからその制御目標量を求める手
段などが広く適用される。

本発明では、このような自動走行装置にあって、特
に、前述のように設定された目標経路OC上を、現在検出
されている車速ｖで走行すると仮定したときの車両にか
かる横荷重を所定の演算によって求める手段と、横荷重
の制限値を設定する手段と、前記演算によって求められ
た横荷重が制限値を越えることがないように目標経路OC
の修正を行わせる手段とをとるようにしている。

それらの各手段は、具体的には、制御部５において、
以下のようにして実行される。

前述した画像処理によって認識された走行可能領域RA
内に設定される目標経路OCは、それが実際には、第８図
に示すように、Ｘ−Ｙ座標上に位置決めされた点列で表
わされるものとなっている。

なお、走行可能領域RAにおける両側の道路エッジE1,E
2も実際には点列でもってＸ−Ｙ座標上に位置決めされ
ているが、ここでは便宜上その道路エッジE1,E2を連続
した線で示している。

まず、制御部５は、第８図に示すように、車両にかか
るダイナミック負荷を何ら考慮することなく走行可能領
域RA内に一律に設定された目標経路OCに対して、車両の
実際の走行に即すように、目標経路OCのカーブ部分を滑
らかにするためのスムージングの処理を行う。

そのスムージングの処理としては、目標経路OCにおけ
る各点の前，後３〜５点の位置をそれぞれ平均化するよ
うにしている。

第９図に、そのスムージング処理された目標経路OC′
を示している。

次に、制御部５は、認識された走行可能領域RAの路面
状態から、その目標経路OC′に追従して車両を走行させ
る際の車両にかかる横荷重の制限値G_Lを設定する。

その際、例えば、路面の濡れまたは乾きの程度に応じ
て、車両にかかる横荷重の制限値G_Lを適宜設定するよう
にする。

路面の濡れまたは乾きの程度は、例えば、ビデオカメ
ラによって走行可能領域RAを撮像したときの画像の輝度
にしたがってその程度を判定するようにすればよい。

また、予め路面の濡れまたは乾きの程度に応じた車両
にかかる横荷重の最大許容値Gmaxを実測して、第10図に
示すような特性を作成し、その特性のデータをメモリに
登録しておき、検出された路面の濡れの程度にしたがっ
てそのときの横荷重の最大許容値をメモリから読み出し
て、その最大許容値を前記制限値G_Lとして設定するよう
にしてもよい。

次に、制御部５は、目標経路OC′における各点の位置
データ（x_n，y_n）にもとづいて、その点列のＹ軸方向に
対する角度θ_n（ｎ＝1,2,3,…）を次式にしたがって求
める。

θ_n＝tan^-1｛（x_n-x_n-1）／（y_n-y_n-1）｝ …（10） なお、ここでは、Ｐ点における車両11の現在の進行方
向をＹ軸方向としている。

そして、制御部５は、Ｐ点において現在検出されてい
る車速ｖで目標経路OC′上を走行すると仮定したときの
各点における車両にかかる横荷重Gnを、次式にしたがっ
て算出する。

Gn＝ｖ・（θ_n−θ_n-1）／Δt_n …（11） としたとき、Δt_nは次式によって与えられる。

Δt_n＝l_n/v …（12） 次に、制御部５は、目標経路OC′上の各点における横
荷重Gnが前記制限値G_Lを越えているか否かを判定する。

そして、第11図に示すように、GnがG_Lを越えている部
分（図中斜線で示す部分）については、第12図に示すよ
うに、そのオーバ部分における各点の横荷重Gnが制限値
G_L以下となるように、そのオーバ部分の近傍の前後にお
ける各点の横荷重と平均化して、目標経路OC′における
各点の横荷重の修正を行う。

最終的に、制御部５は、目標経路OC′の各点における
修正された横荷重Gn′にもとづいて、修正角度θ_n′＝G
n′／υを求め、各点間を結ぶ線分のＹ軸方向に対する
角度がその求められたθ_n′値になるように、目標経路O
C′における各点の位置を修正する。

第13図に、各点における横荷重が制限値G_Lを越えるこ
とがないように修正された目標経路OC″を示している。

ここで、修正された目標経路OC″上における各点の位
置データ（x_n′，y_n′）は、次式によって与えられる。

そして、その修正された目標経路OC″に対して、その
目標経路OC″に追従して車両を走行させるような前述の
舵角の制御が行われる。

第16図に、本発明における制御フローを示している。

このように、本発明によれば、目標経路に追従して車
両を走行させる舵角の制御に先がけて、目標経路上を走
行する際における車両にかかる横荷重を走行可能領域の
路面状態などに応じて適宜制限することができ、実際の
車両の走行に即して、目標経路に追従した車両の走行を
安定に行わせることができるようになる。

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の領域を
撮像して得られた画像データから車両の走行可能領域を
認識し、その認識された走行可能領域内に目標経路を設
定して、その目標経路に追従するように車両の走行制御
を行わせる際、目標経路上を現在検出されている車両の
状態量で走行すると仮定したときの車両にかかる横荷重
を演算処理によって求めて、その演算によって求められ
た横荷重が走行可能領域内で予め設定された制限値を越
えることがないように横荷重の修正を行って、その修正
された横荷重に適合するように目標経路を修正するよう
にしたもので、車両にかかる横荷重を制限した最適な目
標経路を設定して、その目標経路に追従した車両の走行
を安定に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図は走行可能領域内に設定された目標経路の点
列を示す図、第９図はスムージング処理された目標経路
の点列を示す図、第10図は路面の濡れまたは乾きの程度
に応じた車両にかかる横荷重の最大許容値の特性図、第
11図は目標経路の各点における横荷重の分布特性を示す
図、第12図は本発明により制限された目標経路の各点に
おける横荷重の分布特性を示す図、第13図は各点におけ
る横荷重が制限値を越えることがないように修正された
目標経路の点列を示す図、第14図はＸ−Ｙ座標上の線分
を示す図、第15図は第14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16図は本発明における
制御フ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、OC′…スムージング
処理された目標経路、OC″…修正された目標経路、Ｐ…
車両の位置

Claims (3)

(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して得られた画像データから車
   両の走行可能領域を認識し、その認識された走行可能領
   域内に目標経路を設定して、その目標経路に追従するよ
   うに車両の走行制御を行わせるようにした自動走行装置
   において、車両の状態量を検出する手段と、目標経路上
   をその検出された状態量で走行すると仮定したときの車
   両にかかる横荷重を演算処理によって求める手段と、横
   荷重の制限値を設定する手段と、前記演算によって求め
   られた横荷重が走行可能領域内で制限値を越えることが
   ないように横荷重の修正を行う手段と、その修正された
   横荷重に適合するように目標経路の修正を行う手段とを
   設けたことを特徴とする自動走行装置。
2. 【請求項２】車両の走行制御の対象が舵角であることを
   特徴とする前記第１項の記載による自動走行装置。
3. 【請求項３】車両の状態量が車速であることを特徴とす
   る前記第１項の記載による自動走行装置。