JP3896995B2

JP3896995B2 - 車両用走行支援装置

Info

Publication number: JP3896995B2
Application number: JP2003181632A
Authority: JP
Inventors: 克彦岩▲崎▼; 清治河上; 寛暁片岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2023-06-25
Also published as: JP2005014738A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、目標位置への走行経路を求めて、この経路に沿って車両が走行するよう、その走行を支援する車両用走行支援装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動操舵や操舵指示を用いて、車両を目標位置へと誘導する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。目標位置へ車両を的確に誘導するとともに、その目標位置における車両の方位角を目標方位角に合致させるため、３つの基本となる軌道パターンを用意し、位置、方位角、曲率の誤差を補償するために３次方程式を解き、求めた解を用いて、これらの軌道パターンを相似変換することで目標軌道を設定するものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２９７９３５号公報（段落００５４〜００６８、図６）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この技術においては、現在の操舵状態にかかわらずに、同じ手法によって経路の設定を行っている。しかしながら、本発明者らの知見によれば、通常、自動車等の車両においては、セルフアライニングトルクによって舵角中立状態に戻ろうとする力が作用するため、舵角を増大させようとする場合と、舵角を中立状態へと戻そうと操舵する場合とで操舵負荷が異なってくる。このため、車両が目的の状態になるまでに必要な走行距離が異なることとなり、目標位置へ正確に至ることができなくなる可能性がある。
【０００５】
そこで本発明は、操舵状態に応じた軌跡設定を可能とした車両用走行支援装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る車両用走行支援装置は、目標位置へと至る経路を算出して、該経路に沿って自動操舵によって車両を誘導する車両用走行支援装置において、経路は、走行距離に対する旋回曲率として設定され、操舵の中立状態から操舵状態へと移行する段階では、操舵状態から中立状態へと移行する段階に比べて操舵遅れ時間を大きく考慮した旋回曲率変化を用いることにより、走行距離に対する旋回曲率の変化速度を、操舵状態から中立状態へと移行する段階に比べて低く抑えて経路設定を行うことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、特にセルフアライニングトルクにより操舵遅れの発生しやすい操舵中立状態から操舵状態へと移行する段階の経路設定について、操舵遅れを考慮した旋回曲率変化を用いて経路設定を行うことで、操舵状態に応じて制御遅れの少ない経路を設定する。このため、操舵状態にかかわらず、操舵の制御遅れの発生を抑制することができ、軌跡設定および誘導の精度も向上する。
【０００８】
また、中立状態から操舵状態へと移行する段階ではセルフアライニングトルクが操舵負荷として作用するのに対し、逆の段階では、セルフアライニングトルクが操舵をアシストする方向へ働くため、操舵遅れは比較的小さくなる。
【０００９】
操舵状態から中立状態へと移行する段階の経路はクロソイド曲線を用いて経路設定を行うことが好ましい。この段階では、操舵遅れの影響が少ないため、操舵速度を一定として制御を行うことができる。そのため、経路をクロソイド曲線として設定してもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１１】
以下、本発明に係る走行支援装置として駐車支援装置を例に説明する。図１は、本発明の実施形態である駐車支援装置１００のブロック構成図である。この駐車支援装置１００は、自動操舵装置２０を備えており、制御装置である駐車支援ＥＣＵ１により制御される。駐車支援ＥＣＵ１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入力信号回路、出力信号回路、電源回路などにより構成され、後述する後方カメラ３２で取得された画像を処理する画像処理部１０と、自動操舵装置の制御を行う操舵制御部１１を有している。この画像処理部１０と操舵制御部１１とは駐車支援ＥＣＵ１内でハード的に区分されていてもよいが、共通のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を用い、ソフト的に区分されていてもよい。
【００１２】
ステアリングホイール２２の動きを転舵輪２５に伝えるステアリングシャフト２１には、ステアリングシャフト２１の操舵量を検出する操舵角センサ２３と、操舵力を付与する操舵アクチュエータ２４が接続されている。ここで、操舵アクチュエータ２４は、自動操舵時に操舵力を付与するほか、運転者の操舵時にアシスト操舵力を付与するパワーステアリング装置を兼ねてもよい。操舵制御部１１は、操舵アクチュエータ２４の駆動を制御するとともに、操舵角センサ２３の出力信号が入力される。
【００１３】
また、操舵制御部１１には、操舵角センサ２３の出力のほか、各輪に配置されてその車輪速を検出する車輪速センサ４１と、車両の加速度を検出する加速度センサ４２の出力が入力されている。
【００１４】
駐車支援ＥＣＵ１の前述した画像処理部１０には、車両後部に配置されて、後方画像を取得する後方カメラ３２の出力信号である画像信号が入力されるほか、駐車支援にあたって運転者の操作入力を受け付ける入力手段３１と、運転者に対して画像により情報を表示するモニタ３４と、音声により情報を提示するスピーカー３３が接続されている。
【００１５】
次に、この駐車支援装置における支援動作を具体的に説明する。この支援動作においては、図２に示されるように、道路２１０の脇に沿って駐車している前車両２０１と後車両２０２の間の駐車スペース２２０に自車両２００を後退によって収容する、いわゆる縦列駐車操作の支援を行うものである。図３は、この支援動作の制御フローチャートであり、図４は、この制御における支援経路の設定を説明する図である。
【００１６】
図３に示される制御は、運転者が入力手段１６を操作して、駐車支援制御の開始を駐車支援ＥＣＵ１に指示してから、指示した目標駐車位置近傍へ到達するまで、あるいは、目標駐車位置へ１回の後退で到達することができないと判定されるまで、運転者が入力手段１６から支援動作をキャンセルしない限り駐車支援ＥＣＵ１により実行され続ける。
【００１７】
具体的には、運転者は、駐車支援の開始位置へと車両を移動させ、モニタ３４に表示されている後方カメラ３２で撮像した後方画像中で目標位置を確認した後、入力手段３１を操作して、この駐車支援制御を開始する。目標位置がモニタ３４の表示画像中で確認できない場合には、確認可能な位置へと車両を移動させて支援をスタートさせる。以下、この駐車支援の開始位置における車両２００の基準点（以下の説明では、車両の後輪の車軸中心を基準点として説明する。もちろん、他の位置、例えば、車両の後端の中心や重心、片側の前端あるいは後端等を基準点にとってもよい。）をＡ点とし、この位置での車両を２００ａで表すものとする。
【００１８】
駐車支援制御２００がスタートしたら、運転者は入力手段３１により目標駐車位置を設定する（ステップＳ２）。ここで、運転者は、モニタ３４に表示されている後方カメラ３２で撮像した画像を見ながら、入力手段３１を操作することにより、画面上に表示されている駐車枠２４０を動かして目標駐車位置へと移動させることにより目標駐車位置の設定を行う。この駐車枠２４０は、目標駐車位置において車両が占める領域より前後方向、左右方向とも大きめに設定されている。
【００１９】
駐車支援ＥＣＵ１の画像処理部１０は、画像認識処理により目標駐車位置における車両位置２００ｇ、具体的には、基準点Ｇの位置と、その位置における車両の方向を求める（ステップＳ４）。このＧ点の位置は、例えば現在の車両位置における基準点Ａに対する相対座標として求めればよい。以下、図２に示されるように、目標位置Ｇ点を原点とし、目標位置における車両の向きをｚ軸方向にとり、これに直交する方向をｘ軸にとった座標系により説明する。また、誘導中における現在の車両の向きとｚ軸のなす角度を偏向角θ（初期位置における偏向角をθ₀とする。）と称する。
【００２０】
次に誘導経路の算出を行う。まず、目標位置Ｇ点から図２に示される中点Ｍ（Ａ点とＧ点の距離的な中間点を意味するものではない。）までの移動経路を逆算する（ステップＳ６）。この移動経路は、走行距離ｐに対する旋回曲率γ（旋回半径Ｒの逆数）の変化として規定される。ここで、中点Ｍにおいては、舵角０の中立状態であり、その偏向角θは、固定値θ₁（例えば、３５°）に設定される。そして、目標位置Ｇ点においては、舵角中立状態でかつ偏向角θは０となる。そして、目標位置Ｇ点からＭ点へと至る経路（実際の誘導においては、中点Ｍから、目標位置Ｇ点へと至る。）の走行距離に対する旋回曲率変化は図４（ａ）に示されるグラフにより表される。この軌跡は、図４（ａ）に示されるように、Ｍ点からＮ点までは、旋回曲率を徐々に負側に増大させ（例えば、旋回曲率γの走行距離ｐに対する変化速度ｄγ／ｄｐをＭ点からの走行距離に比例して変化させる）、Ｎ点からは旋回曲率γの走行距離ｐに対する変化速度ｄγ／ｄｐを一定（−ωmax）に維持して、旋回曲率γを負側に増大させていき、Ｏ点で最大値−γmax（このとき、舵角も負側の最大値−δmaxとなり、旋回半径は最小値Ｒminとなる。）に到達させてから、Ｐ点までは、その旋回曲率−γmaxを維持して（舵角、旋回半径も維持される。）、Ｐ点からＧ点までは旋回曲率γの走行距離ｐに対する変化速度ｄγ／ｄｐを一定（ωmax）に維持して、旋回曲率γを増大させ（絶対値は減少させ）てＧ点で旋回曲率γを０、つまり舵角δが０の中立状態へと移行する。
【００２１】
ここで、座標（ｘ，ｚ）において、距離ｐ₀からｐ₁までの偏向角変化量Δθは、以下の式１により表される。
【数１】

【００２２】
つまり、走行距離ｐに対して旋回曲率γを積分した結果が偏向角の変化量Δθとなる。すなわち、図４（ａ）に示されるハッチング部分の面積Ｓ₀がθ₁に一致するよう各点間の距離を設定すればよい。
【００２３】
一方、中点Ｍの位置座標は、設定した走行軌跡を基にして以下の式から求めることができる。
【数２】

【００２４】
θ₁を固定値とし、旋回曲率の最大変化速度ωmaxも固定した場合には、Ｍ点から目標駐車位置へと至る走行軌跡は常に同一となるので、予めこの走行軌跡を求めておいて、駐車支援ＥＣＵ１内のＲＯＭ等に格納しておいてもよい。この場合、本ステップではＲＯＭ内から軌跡を読み出す処理を行う。
【００２５】
次に、初期位置Ａ点から、この中点Ｍまでの走行軌跡を走行距離ｐに対する旋回曲率γの変化として求める（ステップＳ８）。図４（ｂ）は、求めたＭ点までの走行軌跡を示している。このＭ点までの走行軌跡は、Ａ点から舵角中立状態のままＢ点まで後退し、Ｂ点からＤ点まで舵角（旋回曲率）を増大させ、Ｄ点からＥ点までは舵角（旋回曲率）を最大舵角で保持し、Ｅ点からＦ点までは舵角（旋回曲率）を低下させて舵角中立状態へ戻し、Ｆ点からＭ点までは再び舵角中立状態のまま後退させる。Ｅ点からＦ点までの旋回曲率γの走行距離ｐに対する変化速度は一定値−ωmaxであるが、Ｂ点からＤ点までの旋回曲率γの変化速度は、Ｂ点からＣ点までは、この変化速度をＢ点からの走行距離に応じて増大させてＣ点でωmaxに到達させ、その後、Ｄ点までは一定値ωmaxとしている。ここで、図４（ｂ）にハッチングで示される面積Ｓ₁がθ₁に一致するように経路長を設定することで、Ｍ点へ至る経路を設定することができる。
【００２６】
ステップＳ１０ではこうして設定したＡ点からＭ点までの経路にＭ点からＧ点までの経路を接続することでＡ点からＧ点へ至る経路を設定する。こうして設定された走行軌跡Ｐ₀は、図２に示されるように、ＡＢ間、ＦＭ間が直線、ＤＥ間とＯＰ間が半径Ｒmin（曲率γmax）の円弧であり、ＥＦ間、ＰＧ間、ＣＤ間、ＮＯ間は、クロソイド曲線であり、ＢＣ間、ＭＮ間はクロソイド曲線と直線とをつなぐ曲線区間となる。
【００２７】
本実施形態においては、このように舵角中立状態から操舵状態へと移行する初期段階において、旋回曲率の走行距離に対する変化量の絶対値を値０から走行距離に対して増大させていく制御を行っている。前述したように、操舵時にはセルフアライニングトルクによって舵角中立状態へと戻ろうとする力が作用するので、舵角中立状態から操舵状態へと操舵を行う場合には、その逆、つまり、操舵状態から舵角を中立へ戻そうと操舵を行う場合に比べて操舵負荷が大きくなる。本実施形態では、このように操舵負荷が大きいと予想される状態、つまり、舵角中立状態から操舵状態へと移行する初期段階には、設定した目標経路における旋回曲率の変化速度を低く抑えることで、操舵制御開始時のセルフアライニングトルクに起因する操舵遅れを考慮した経路を設定することが可能となる。こうして設定した経路に基づいて操舵を行うと、設定した経路と実際の走行経路とのずれの発生を抑制することができ、車両を目標位置へと確実に誘導することができる。
【００２８】
次に、経路が設定できたか否かを判定する（ステップＳ１２）。前車両２０１と後車両２０２との間隔が短いなどの理由で、現在位置Ａ点から目標位置Ｇ点に到達する経路を設定不能と判定した場合には、ステップＳ４０に移行し、現在位置Ａからは目標位置Ｇ点に到達できない旨をモニタ３４やスピーカー３３を用いて運転者に報知し、処理を終了する。運転者は、必要であれば、車両２００を移動させて別の駐車位置へと移動して、再度駐車支援動作を作動させればよい。
【００２９】
ここで、駐車支援ＥＣＵ１は、シフト状態センサ４４により、シフトレバーが後退位置に設定されたことを検知したら、図示していない駆動系に対して、エンジンのトルクアップ制御を行うよう指示することが好ましい。トルクアップ制御とは、エンジンを通常のアイドル時より高い回転数で回転させることで、駆動力の高い状態（トルクアップ状態）に移行させるものである。これにより、運転者がアクセル操作を行うことなく、ブレーキペダルのみで調整できる車速範囲が拡大し、車両のコントロール性が向上する。運転者がブレーキペダルを操作すると、そのペダル開度に応じて各輪に付与される制動力を調整することで車速の調整を行う。このとき、車輪速センサ３２で検出している車速が上限車速を超えないよう各車輪に付与する制動力を制御することで上限車速のガードを行うことが好ましい。
【００３０】
誘導制御においては、まず、車両の現在位置の判定を行う（ステップＳ１４）。この現在位置判定は、後方カメラ３２で撮像している画像における特徴点の移動を基に判定することも可能であるし、車輪速センサ４１や加速度センサ４２の出力を基にした走行距離変化と操舵角センサ２３の出力を基にした舵角変化から曲率変化を求めて、これにより自車位置の判定を行えばよい。
【００３１】
そして、この現在位置（走行距離）を基に先に設定した走行距離−操舵角の設定軌跡に基づいて実際の舵角制御を行う（ステップＳ１６）。具体的には、操舵制御部１１は、操舵角センサ２３の出力を監視しながら、操舵アクチュエータ２４を制御してステアリングシャフト２１を駆動し、転舵輪２５を転動させて、設定した旋回曲率が実現されるよう制御する。舵角制御に合わせて現在の舵角制御状態をモニタ３４、スピーカー３３により運転者に報知することが好ましい。
【００３２】
前述したように、本実施形態では、少なくとも中立状態から操舵状態へ移行する初期の段階（図４に示されるＢ点からＣ点の状態だけでなく、操舵状態から中立状態を超えて逆方向の操舵状態へと至る場合の中立状態から操舵状態へ移行する初期段階、つまり、Ｍ点からＭ点の状態を含む。）において、操舵速度を抑制している。
【００３３】
図５（ａ）（ｂ）は、それぞれ従来の技術と本実施形態において、旋回曲率の目標値と実際の旋回曲率変化を比較して示す図である。図５（ａ）に示されるように、従来の技術によれば、中立状態から操舵状態へ移行する時点でも走行距離に対する旋回曲率の変化量が所定値として目標経路を設定しているが、実際には、セルフアライニングトルクに対抗して操舵を行う必要上、旋回曲率の変化量が上述の所定値に達するまでに時間がかかり、その分だけ旋回曲率が上昇するのが遅れて、これが経路からのずれとして現れることになる。
【００３４】
これに対して、本実施形態では、図５（ｂ）に示されるように、操舵遅れを考慮して目標とする旋回曲率の変化量を抑制しているので、目標としている旋回曲率に制御結果を合致させることができる。すなわち、セルフアライニングトルクに起因する操舵の遅れを考慮して、自動操舵により得られる操舵量、旋回曲率を目標とする操舵状態へ適切に追従させることが可能となる。このため、設定した経路に沿って確実に車両を誘導することができる。
【００３５】
こうして設定した経路に沿った移動が行われるので、運転者は進路上の安全確認と車速調整に専念することができる。進路上に障害物や歩行者等が存在した場合は、運転者がブレーキペダルを踏み込むと、それに応じた制動力が各車輪へと付与されるので安全に減速、停止することができる。
【００３６】
舵角制御後は、現在位置が目標経路上からずれていないかを判定し、ずれが大きい場合には経路修正を要すると判定する（ステップＳ１８）。この目標経路からのずれは、目標位置と現在の位置のずれ、あるいは、目標操舵量と実際の操舵量のずれを走行距離に対して積算すること等により求めることができる。経路修正を要する場合には、ステップＳ６へと戻ることで、経路を設定し直す。
【００３７】
一方、目標経路とのずれが小さい場合には、ステップＳ２０へと移行し、目標駐車位置Ｇ点近傍に到達したか否かを判定する。目標駐車位置へ到達していない場合には、ステップＳ１４へと戻ることで、支援制御を継続する。目標駐車位置へと到達したと判定された場合には、ステップＳ２２へと移行し、モニタ３４、スピーカー３３により運転者に目標駐車位置へと到達した旨を報知して処理を終了する。
【００３８】
ここでは、中立状態から操舵状態へと移行する際（上述したように中立状態を超えて操舵を続行する場合を含む。）に、操舵遅れ時間を考慮して旋回曲率の変化量を抑制する制御を行うこととしたが、操舵状態から中立状態あるいは操舵保持状態へと移行する場合（図４に示されるＤ点、Ｆ点、Ｎ点の直前）や操舵保持状態から操舵状態へと移行する場合（図４に示されるＥ点、Ｏ点の直後）についても操舵遅れ時間を考慮して旋回曲率の変化量を抑制する制御を行ってもよい。上述したように旋回曲率の絶対値が大きくなる方向に制御する際にセルフアライニングトルクによる操舵遅れが発生しやすく、旋回曲率の絶対値を小さくなる方向に制御する場合にはセルフアライニングトルクが操舵負荷を減らす方向に作用することとなるが、この場合にも操舵量を抑制することで、操舵負荷と制御量をバランスさせて適切な制御を行うことができる。操舵保持状態へ移行する場合にも保持状態への移行をスムースにして適切な制御を行うことが可能となる。
【００３９】
以上の説明では、後退による縦列駐車を例に説明したが、本発明は車庫入れ駐車の場合や前進での駐車支援にも適応可能である。また、駐車支援装置に限らず、経路に応じた移動を自動操舵を用いて誘導する走行支援装置、レーンキープシステム等にも適用可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、少なくとも操舵中立状態から操舵状態へと移行する際（操舵中立状態を超えて操舵する場合を含む。）に、操舵の時間遅れを考慮して旋回曲率の走行距離に対する変化量を低く抑えることにより、セルフアライニングトルクに起因して操舵遅れが発生した場合でも目標とする旋回曲率と実際に得られる旋回曲率とのずれの発生を抑制することができる。このため、車両を経路に沿って確実に誘導することができ、誘導精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である駐車支援装置１００のブロック構成図である。
【図２】図１の装置で行う縦列駐車の支援動作を説明する図である。
【図３】図２の支援動作の第１の制御形態の制御処理を示すフローチャートである。
【図４】図３の制御における設定走行軌跡を説明する図である。
【図５】目標経路と実際の経路への追従状態を本実施形態と従来の技術とで比較して示す図である。
【符号の説明】
１…駐車支援ＥＣＵ、１０…画像処理部、１１…操舵制御部、２０…自動操舵装置、３１…入力手段、３２…後方カメラ、３３…スピーカー、３４…モニタ、４１…車輪速センサ、４２…加速度センサ、２４…操舵アクチュエータ、２２…ステアリングホイール、２１…ステアリングシャフト、２３…操舵角センサ、１００…駐車支援装置、２００…車両、２０１…前車両、２０２…後車両、２１０道路、２２０…駐車スペース。

Claims

目標位置へと至る経路を算出して、該経路に沿って自動操舵によって車両を誘導する車両用走行支援装置において、
前記経路は、走行距離に対する旋回曲率として設定され、操舵の中立状態から操舵状態へと移行する段階では、操舵状態から中立状態へと移行する段階に比べて操舵遅れ時間を大きく考慮した旋回曲率変化を用いることにより、走行距離に対する旋回曲率の変化速度を、操舵状態から中立状態へと移行する段階に比べて低く抑えて経路設定を行うことを特徴とする車両用走行支援装置。
操舵状態から中立状態へと移行する段階の経路はクロソイド曲線を用いて経路設定を行うことを特徴とする請求項１記載の車両用走行支援装置。