JP3592784B2 - 車両の予測走行軌跡の算定・表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、各種車両の運転支援用として利用される車両の予測走行軌跡の算定・表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
乗用車やトラックなどの各種の車両については、運転の安全性を高めるために、周辺の車両などの障害物を検出して車線変更などへの警報を発するレーダーシステムや、道路に不慣れな人に案内情報を提供するナビゲーションシステムなど各種の運転支援システムが開発されつつある。このような各種の運転支援システムのうち比較的最近のものとして、各種のセンサを利用して車両の走行状態を検出し、この検出した走行状態に基づいて車両の予測走行軌跡を算定し、これをヘッドアップ型表示装置に表示する車載用表示システムが知られている。
【０００３】
すなわち、本出願人が先に特許出願した「車両用表示装置」と題する特許出願（特開昭６４ー８３４２４ 号公報） によれば、図９に示すような構成のヘッドアップ型表示装置を含む車載用表示装置が開示されている。車速、加減速度、舵角、ヨーレイトなど車両の走行状態を示す各種の情報がセンサで検出されてコンピュータで処理され、車両の予測走行軌跡が算定される。算定された予測走行軌跡はプロジェクター３２からスクリーン３１に投射される。このスクリーン３１とフロントガラスとを通して前方を見ている運転者には、図１０に示すように、車両の前方の景色とスクリーン３１から反射されて視野に入って来る予測走行軌跡Ｃとが重畳されて感得される。この例では、現在の運転状態を保持することにより道路に沿って走行可能であることが予測されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した先願の発明では、車体横すべり角を考慮した高精度の予測走行軌跡を算定するうえで必要な路面とタイヤとの間の摩擦係数である路面摩擦係数を光学式センサなどを用いて検出している。しかしながら、現状では、路面摩擦係数をセンサで検出する方法は、高い検出精度を実現するのが困難であるという問題がある。
従って、本発明の目的は、検出精度の低い路面摩擦係数センサを使用することなしに車体横すべり角を考慮した高精度の予測走行軌跡を算定して表示できる車両の予測走行軌跡の算定・表示装置を提供することにある。
【０００５】
また、上述した先願の発明では、表示データや表示方法に関する基本的な技術的思想を開示しているが、利便性の向上など詳細な点については検討の余地がある。
従って、本発明の目的は、見易さなどの利便性の向上などを図った車両の予測走行軌跡の算定・表示装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる車両の予測走行軌跡の算定・表示装置は、車輪コーナリングパワーの複数の異なる予測値を使用して複数の予測ヨーレイトを算定する手段と、この複数の予測ヨーレイトと実測したヨーレイトとを比較することにより実測したヨーレイトに最も近いヨーレイトを検出し、その算定に使用された車輪コーナリングパワーを使用して車両の予測走行軌跡を算定する手段と、この算定された予測走行軌跡をヘッドアップ型表示装置に表示する手段とを備えている。
【０００７】
【作用】
旋回運動に伴う車体の予想走行軌跡は、車体の速度（車速）とヨーレイトとを用いて解析できる。ここで、車体のヨーレイトとは、水平面（ｘーｙ平面）内の車体の重心位置に立てた鉛直軸（ｚ軸）の回りの車体の回転角速度を意味する。図５に示すように、車体が一定の車速Ｖｏで前進しながら一定のヨーレイトγｏで回転しているものとする。図５において、ｘーｙ平面の原点に重心が存在した車体がｔ秒後に到達する位置をＰ_Ｔ （ｘ_Ｔ ，ｙ_Ｔ ）とする。まず、車体の横すべりを無視するものとすれば、ｔ秒後の到達点Ｐ_Ｔ において車体の中心線がｘ軸となす角（ヨー角φ）は、次式で与えられる。
φ＝γｏ・ｔ ・・・（１）
【０００８】
従って、

このように、車速とヨーレイトとが一定であれば、この車体のＴ秒後の位置Ｐ_Ｔ （ｘ_Ｔ ，ｙ_Ｔ ）を（２）式と（３）式とから容易に算定できる。なお、この車体の予測走行軌跡は、原点を通る半径Ｒ＝Ｖｏ／γｏの円弧となる。
【０００９】
実際には、車速Ｖｏもヨーレイトγも共に変化するので、車両の予測走行軌跡を算定するための数式は複雑なものとなる。特に、ヨーレイトγの変化は、運転者のハンドル操作の他に車体の横すべりによっても生ずる。この車体の横すべりは、図６に示すように、車体の重心の軌跡に対する接線と、車体中心線とがなす角度（車体横すべり角）βによって表される。車速Ｖｏは一定とおき、車両が原点に位置していた時刻からｔ秒経過後の車両のヨー角をφ、車体横すべり角をβとする。
【００１０】
この場合、図７を参照すれば、明らかなように、車両の進行方向がｘ軸となす角度は、（φ＋β）となる。従って、ｔ秒後の車両の位置 Ｐ_Ｔ （ｘ_Ｔ ，ｙ_Ｔ ）は、

となる。
【００１１】
上述した車両の旋回運動を、重心の廻りの回転と車体の横すべりの線形な２自由度で系で表現する式として、次式が知られている。

ただし、δｆは前輪舵角、Ａ_{ｉｊ ，}Ｂ_ｋ は車速Ｖｏと車両の設計諸元で定まる定数であり、以下のように与えられる。
【００１２】

である。
【００１３】
なお、車両が４輪操舵の場合は、（６）式の右辺の第２項は、

となる。ただし、δｒは後輪舵角である。
【００１４】
（７）式から明らかなように、車速Ｖｏが一定であれば、（６）式のＡ_{ｉｊ ，}Ｂ_ｋ は全て定数になる。従って、ある時点のヨーレイトγｏ と、車体横すべり角βｏと、ドライバーが操舵する前輪操舵角δｆとが判明していれば、以後のヨーレイトγと車体横すべり角βとを（６）式から数値積分によって算定できる。例えば、図８に示すように、ドライバーが一定の車速のもとで時刻ｔｏから時刻ｔ_１ にかけてランプステップ状に操舵角δｆ分の前輪操舵を行った結果、時刻ｔ_１ においてヨーレイトγｏと車体横すべり角βｏが発生したものとする。この場合、時刻ｔ_１ 以後のヨーレイトγと車体横すべり角βは、（６）式から数値積分によって図８に例示するような値として算定される。
【００１５】
図８に例示されるように、ヨーレイトγは、振動しながら最終値γｓｓに収斂してゆく。近似的には、応答遅延時間Ｔγをもって最終値γｓｓに達する。同様に、車体横すべり角βも応答遅延時間Ｔβをもって最終値βｓｓに達する。このように、操舵に対する車両の応答遅延時間を考慮したヨーレイトγと車体横すべり角βの予測値を算定し、この算定値を用いて（４）式、（５）式の積分を行うことにより、車両の応答を考慮した高精度の予測走行軌跡が得られる。なお、このような車両の応答を考慮することなく、ヨーレイトγの検出値だけを用いて算定した車両の予測走行軌跡としては、時刻ｔ_１ におけるヨーレイトの検出値γｏと一定の車速Ｖｏとに基づく半径Ｒ＝Ｖｏ／γｏの円弧が算定される。
【００１６】
上述のように、ドライバーのハンドル操作に対する車体の応答を考慮に入れて予測したヨーレイトγと車体横すべり角βとを用いて車両の予測走行軌跡を算定すれば、ヨーレイトの検出値のみに基づいて算定した場合よりもはるかに高精度の予想走行軌跡を得ることができる。また、ドライバーは、自己のハンドル操作に対して定まる車両の将来の走行軌跡を高精度で知ることができ、車両を目標とするコースに沿わせるための適正な操縦が容易になる。ここで問題となるのは、上記車体横すべり角を考慮した予測走行軌跡の算定に際して必要になる前輪コーナリングパワーＣｆと後輪コーナリングパワーＣｒが高精度の検出が困難な路面摩擦係数に依存して変化することである。
【００１７】
すなわち、前輪コーナリングパワーＣｆは前輪横すべり角αと前輪コーナリング力Ｆｃとの関係を示す曲線の傾斜（ｄＦｃ／ ｄα）で与えられる。この曲線は、α＜５の範囲では直線で、α≧５の範囲では一定値（最大コーナリング力）Ｆｃｍａｘ になるような折れ線で近似できる。すなわち、重力の加速度をＧとすれば、
Ｆｃｍａｘ ≒５Ｃｆ・Ｇ ・・・（９）
を得る。ここで、タイヤと路面との摩擦係数をμとすれば、
Ｆｃｍａｘ ≒μｍＧ ・・・（１０）
を得る。
【００１８】
（９）式と（１０）から、
Ｃｆ＝μｍ／５ ・・・（１１）
さらに、前輪と後輪は同じタイヤで同じ路面上を走行していることから
Ｃｆ≒Ｃｒ≒μｍ／１０ ・・・（１２）
と近似できる。
【００１９】
車輪コーナリングパワーを決定する路面摩擦係数μは、タイヤの磨耗の程度などに依存してゆっくりと変化する部分と、雨などによる路面の濡れ具合や、路面を構成する素材の変化などに応じて比較的短時間で変化する部分とがある。この発明では、路面摩擦係数の短時間内の変化に対処するため、車輪コーナリングパワーとして複数の予測値が設定され、それぞれを用いて複数の予測ヨーレイトが算定され、これらの予測ヨーレイトと実測されたヨーレイトとが比較され、実測結果に最も近い予測ヨーレイトの算定に使用された車輪コーナリングパワーを用いて予測走行軌跡が算定される。
以下、実施例と共に本発明を更に詳細に説明する。
【００２０】
【実施例】
図２は、本発明の一実施例の車載用表示装置構成を示すブロック図であり、２１はＣＰＵ、２２は入力インタフェース回路、２３はデータメモリ、２４は画面メモリ、２５は表示制御部、２６はプロジェクタ、２７はスクリーン、２８はキーボードである。スクリーン２７は、図９に示した従来装置の場合と同様に、運転席とフロントグラスとの間に配置されており、運転者がスクリーン２７上に投影された画像と車両の前方の景色とを重畳した状態で感得できるように構成されている。
【００２１】
ＣＰＵ２１は、各種のセンサによって検出される車速、操舵舵角、ヨーレイト、加減速などの車両の走行状態を示す各種の情報を入力インタフェース回路２２を介して受け取り、これらをデータメモリ２３に走行履歴情報として保存しながら次々に処理してゆくことにより、予測走行軌跡を算定する。図１は、ＣＰＵ２１による予測走行軌跡の算定方法を説明するための概念図である。
【００２２】
ドライバーの操舵に基づき操舵手段１１で操舵角δｆが発生すると、これが車体１２に伝達され、応答遅延時間を伴ってヨーレイトγが発生する。このヨーレイトγの予測値がＣＰＵ２１内の予測ヨーレイト算定部１３内で（６）式に従って算定される。この予測ヨーレイトの算定と並行して、ＣＰＵ２１内の予測車体すべり角算定部１４内で予測車体すべり角βが（６）式に従って算定される。ヨーレイトγの予測値は、車輪コーナリングパワー（Ｃｆ ＝Ｃｒ ）の中心値と、この中心値の前後に１０％ずつの距離を保って設定されている２種類の車輪コーナリングパワーの計３個の値のそれぞれを用いて行われる。
【００２３】
これに対して、予測車体すべり角βの算定は、車輪コーナリングパワーの中心値を用いて行われる。図８の場合の時刻ｔ_１ における予測車体すべり角βｏは、予測走行軌跡算定部１５で算定された予測走行軌跡に引いた接線と、ヨーレイトγの積分値から求めた車両の重心のまわりの回転角度とから算定される。車輪コーナリングパワーの中心値を用いて算定された予測ヨーレイトγＡと，予測すべり角βＡとはＣＰＵ２１内の予測走行軌跡算定部１５に供給され、作用に関して既に説明した（４），（５），（６）式に従って予測走行軌跡が算定される。ＣＰＵ２１内の描画部１８は、上記予測走行軌跡を用いて表示画面の描画を行う。
【００２４】
車輪コーナリングパワーの中心値を用いて算定されたヨーレイトの予測値γＡと、この中心値の前後に１０％ずつの距離を保って設定された２種類の異なる車輪コーナリングパワーを用いて算定されたヨーレイトの予測値γＢ，γＣは、波形発生回路１６供給される。各予測値γＡ、γＢ、γＣから時間的に変化するヨーレイトの波形が発生されて比較部１７に供給され、ヨーレイトの実測値γと比較される。比較部１７は、車輪コーナリングパワーの中心値を用いて算定されたヨーレイトの予測値γＡが、実測されたヨーレイトと最も良く一致していれば、予測ヨーレイト算定部１３にも予測すべり角算定部１４にも中心値変更指令を発しない。
【００２５】
比較部１７は、車輪コーナリングパワーの中心値を用いて算定されたヨーレイトの予測値γＡよりも、この中心値の前後に１０％ずつずれた車輪コーナリングパワーを用いて算定されたヨーレイトの予測値の一方γＢ又はγＣのいずれの方が近い場合には、この近い方のヨーレイトの予測値の算定に使用された車輪コーナリングパワーの値を新たな中心に変更させる中心値変更指令を予測ヨーレイト算定部１３と予測すべり角算定部１４に発する。このようにして、実測されたヨーレイトと最も良く一致する予測ヨーレイトの算定に使用された車輪コーナリングパワーが中心値として新たに設定され、その前後に１０％ずつ離して２種類の車輪コーナリングパワーが新たに設定される。
【００２６】
ＣＰＵ２１内の描画部１８は、図３に例示するように、まず、車両の現在の重心の位置を原点とするＸーＹ平面内に、予測走行軌跡算定部１５で算定された車両の重心の予測走行軌跡Ｇを描く。次に、描画部１８は、予測走行軌跡Ｇ上に車体の長さよりも短い一定の間隔を保ちながら点群Ｇ０ ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３・・・を配置する。更に、描画部１８は、重心の予測走行軌跡Ｇ上に配列した点群Ｇ０ ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３・・・のそれぞれに車体の重心を一致させながら矩形で近似した車体の輪郭を示す枠体Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３・・・・を配列してゆく。
【００２７】
この枠体で近似した車体の長さと横幅のそれぞれは、実際の車体の長さと横幅の最大値のそれぞれに等しい値に設定される。最後に描画部１８は、上記予測走行軌跡Ｇ上に配列された枠体の群のそれぞれを原点上に設定した一定の高さの位置から鳥瞰した場合の鳥瞰図に変換し、これを図２の画面メモリ２４内に書込んでゆく。ＣＰＵ２１によって画面メモリ２４内に書込まれた車体列の鳥瞰図は、表示制御部２５によって周期的に読出されてプロジェクタ２６に供給され、ここからスクリーン２７に投射される。
【００２８】
スクリーン２７に投射された車体列の鳥瞰図Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３・・・・は、スクリーン２７で反射されて運転者の視野に飛び込む。この結果、運転者は、プロジェクタ２６から投射された車体列の鳥瞰図Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３・・・・と車両前方の道路の景色とが重畳された図４に例示するような情景を見ることになる。このように、車体の幅が表示されるため、急カーブの狭い道路などをうまく曲がりきれるかどうかなどを、運転者は的確に予測できる。
【００２９】
運転者がキーボード２８から車種などを入力すると、これがＣＰＵ２１によって車体の幅や長さに変換され、データメモリ２３に登録される。以後の、予測走行軌跡の算定とその描画データの作成に際してはこのデータメモリ２３に登録された車体の寸法が使用される。ＣＰＵ２１は、車体列の平面図を鳥瞰図に変換する際に、原点上に配置する視点の高さをキーボード２８からの指令に応じて変更することにより、運転者に応じた鳥瞰図に変更する。
【００３０】
上述した図４の場合には、重心の予測走行軌跡Ｇ上に常時一定の間隔で点群Ｇ０，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３・・・を配列した。しかしながら、この配列の間隔を車速に応じて自動的に変更したり、キーボード２８からの指令に応じて随時変更する構成としてもよい。また、点群を一定の幾何学的間隔で配列する代わりに、一定の時間間隔、例えば、０．１ 秒間隔の通過位置に点群Ｇ０，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３・・・を配列する構成とすることもできる。
【００３１】
走行速度や加速度の値に応じて予測走行軌跡を異なる色彩又はパターンで表示することもできる。例えば、走行速度が所定値未満の状態では予測走行軌跡が安全を意味する緑色で表示され、走行速度の上昇につれて表示色が注意を喚起する黄色に変更され、さらに速度が上昇すると表示色が一層強く注意を喚起する赤色に変更される。表示色だけでなく、走行速度や加速度の値に応じて強く注意を喚起する縞模様のゼブラパターンなどで表示される。
【００３２】
本発明の車両用表示装置では、ヘッドアップ型表示装置で表示される予測走行軌跡によって前方の景色の一部が隠されてしまうため、道端の自転車や歩行者などが見落されるおそれが伴う。このような不都合を回避するには、予測走行軌跡の表示を必要最小限度にとどめることが有効である。この目的から、図４の例では、車体を閉じた矩形状の枠体で表現する代わりに、前後の線分を省いて車両の横幅のみを示す平行２線分で表現してもよい。
【００３３】
以上、車速が一定の場合について本発明を説明した。しかしながら、ブレーキやアクセルの操作量の検出値から車速の変化を予測し、この予測した車速を用いて予測走行軌跡を算定する構成とすることもできる。
【００３４】
以上詳細に説明したように、本発明の予測走行軌跡の算定・表示装置は、車輪コーナリングパワーの複数の異なる予測値に基づき算定した複数の予測ヨーレイトと実測ヨーレイトとを比較することにより最も確度の高い車輪コーナリングパワーを検出し、この車輪コーナリングパワーに基づき車両の予測走行軌跡を算定し表示する構成であるから、現状では検出精度の低いセンサを使用することなく予測走行軌跡を高精度に算定し表示できるという効果がある。
【００３５】
また、本発明の一実施例によれば、車両の予測走行軌跡を示す曲線上に所定の間隔で点群を配列し、この点群のそれぞれに車両の幅とほぼ同一の幅を有する枠体などを配置したものを鳥瞰図として表示する構成であるから、見易さなどが向上するという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係わる車両の予測走行軌跡の算定・表示装置が実行する予測走行軌跡の算定処理の内容を説明するための概念図である。
【図２】上記実施例に係わる車両の予測走行軌跡の算定・表示装置の構成を示すブロック図である。
【図３】上記実施例の算定・表示装置が作成中の表示画像の一例を示す概念図である。
【図４】上記実施例の算定・表示装置による表示画像と車両前方の景色とが重畳された様子の一例を示す図である。
【図５】本発明の作用を説明するための概念図である。
【図６】本発明の作用を説明するための概念図である。
【図７】本発明の作用を説明するための概念図である。
【図８】本発明の作用を説明するための概念図である。
【図９】先行技術に係わる車両の予測走行軌跡の算定・表示装置の外観を示す斜視図である。
【図１０】上記先行技術に係わる車両の予測走行軌跡の算定・表示装置による表示画像と車両前方の景色とが重畳された様子の一例を示す図である。
【符号の説明】
１１ 操舵手段
１２ 車体
１３ 予測ヨーレイト算定部
１４ 予測すべり角算定部
１５ 予測走行軌跡算定部
１６ 波形発生部
１７ 比較部
２１ ＣＰＵ
２６ プロジェクタ
２７ スクリーン

Claims (5)

1. 操舵角及びヨーレイトを検出する手段を備え車両の予測走行軌跡を算定し表示する車両予測走行軌跡の算定・表示装置であって、
   車輪コーナリングパワーの複数の異なる予測値を使用して複数の予測ヨーレイトを算定する手段と、
   この複数の予測ヨーレイトと実測したヨーレイトとを比較することにより実測したヨーレイトに最も近い予測ヨーレイトの算定に使用した車輪コーナリングパワーの予測値を検出し、この検出した車輪コーナリングパワーの予測値を使用して車両の予測走行軌跡を算定する手段と、
   この算定された予測走行軌跡をヘッドアップ型表示装置に表示する手段と、
   を備えたことを特徴とする車両の予測走行軌跡の算定・表示装置。
2. 操舵角及びヨーレイトを検出する手段を備え車両の予測走行軌跡を算定し表示する車両予測走行軌跡の算定・表示装置であって、
   車輪コーナリングパワーの予測値の中心値とその前後に離散した複数の値を使用して複数の予測ヨーレイトを算定する手段と、
   前記車輪コーナリングパワーの予測値の中心値を使用して予測車体横すべり角を算定する手段と、
   前記複数の予測ヨーレイトと実測したヨーレイトとを比較することにより実測したヨーレイトに最も近い予測ヨーレイトの算定に使用した車輪コーナリングパワーの予測値を検出し、この検出した車輪コーナリングパワーの予測値を前記車輪コーナリングパワーの予測値の中心に設定する手段と、
   前記車輪コーナリングパワーの予測値の中心値を用いて算定された前記予測ヨーレイトと前記予測車体横すべり角とを用いて車両の予測走行軌跡を算定する手段と、
   この算定された予測走行軌跡をヘッドアップ型表示装置に表示する手段と、
   を備えたことを特徴とする車両の予測走行軌跡の算定・表示装置。
3. 請求項１又は２のいずれかにおいて、
   前記予測ヨーレイトは車速一定の近似のもとに算定されることを特徴とする車両の予測走行軌跡の算定・表示装置。
4. 請求項２又は３のいずれかにおいて、
   前記中心値の前後に離散した複数の値は、前記中心値の 10 ％だけこの中心値の前後に離散した２個の値であることを特徴とする車両の予測走行軌跡の算定・表示装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記予測走行軌跡は、車両の重心その他の着目点の予測走行軌跡を示す曲線上に所定の間隔で点群を配列し、この点群のそれぞれに前記着目点を一致させながら車両の幅とほぼ同一の幅を有する枠体若しくは平行な２本の線分を配置したもの又は前記平行な２本の線分を配置したものへの外接線の鳥瞰図として表示されることを特徴とする車両の予測走行軌跡の算定・表示装置。

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