JP4239809B2 - 車両用運転支援装置 - Google Patents
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Description
図1は本発明の実施の形態の車両用運転支援装置の全体の構成を示す配置図である。
図1において、前方レーダー1aは、自車両10の前面に取り付けられ、自車両10の前方に位置する複数の先行車両の位置を測定する。白線検出センサ1bは、CCDカメラ等によって構成され、自車両10の前面の適当な位置に取り付けられ、道路上に引かれた白線を検出する。白線検出によって走行車線を認識する。後方レーダー1cは、自車両10の背面に取り付けられ、自車両10の後方に位置する複数の車両の位置を測定する。側方センサ1dは、自車両10の左右の側面に1個ずつ取り付けられ、前方レーダー1aと後方レーダー1cの死角となる自車両10の側方に位置する車両の位置を検出する。なお、側方センサ1dとしては、レーダーを用いることもできるが、超音波センサや画像センサを用いることができる。
車速センサ2aは、ロータリーエンコーダーを自車両10のホイールに取り付けることで実現できる。ホイールの回転速度に応じた周期のパルス列を出力し、自車両10の車速の計測値を得る。
アクセルペダル3には、アクセルペダル角度センサ4が取り付けられ、運転者のアクセルペダルの踏み込み角度を計測する。さらに、アクセルペダル3には、アクセルペダル反力モーター5が取り付けられ、演算部9からの信号を受けて、アクセルペダル3にかかる操作反力の大きさを調整する。
ステアリングハンドル6には、ステアリング角度センサ7が取り付けられ、運転者の操作したステアリングハンドル6の操舵角度を計測する。さらに、ステアリングコラム6aには、ステアリング反力トルクモーター8が取り付けられ、演算部9からの信号を受けて、ステアリングハンドル6にかかる操作反力(操作反力トルク)の大きさを調整する。
演算部9は、マイクロコンピュータとその周辺部品から構成され、前方レーダー1a、白線検出センサ1b、後方レーダー1c、側方センサ1d、車速センサ2aからの信号を内蔵メモリに記録されたプログラムに従って処理し、アクセルペダル反力モーター5およびステアリング反力トルクモーター8に対する制御信号を生成する。
演算部3は、マイクロコンピュータのソフトウェア形態により、図2に示すブロック、すなわち、運転意図推定手段9a、未来状態予測手段9b、リスク評価手段9c、操作反力指令値算出手段9dを構成する。また、図2に示すように、前方レーダー1a、白線検出センサ1b、後方レーダー1c、側方センサ1dの周囲センサにより周囲環境認識手段1が、車速センサ2aにより自車両状態検出手段2が、アクセルペダル角度センサ4、ステアリング角度センサ7により運転操作量検出手段13が、アクセルペダル反力モーター5、ステアリング反力トルクモーター8により運転操作機器制御手段14が、アクセルペダル3、ステアリングハンドル6により運転操作機器15が構成されている。
図3では、片側ニ車線の道路の左側車線を自車両10が走行しており、自車両10の前方を他車両11が走行している。自車両10の後方の右側車線には他車両12が走行している。他車両11の速度は自車両10の速度よりも遅く、自車両10はこのまま左車線に留まる場合には減速を強いられることになる。一方、後方右側車線の他車両12の速度は自車両10よりもやや速く、車間距離もそれほど大きくないため、ただちに車線変更するのが躊躇される場面である。
説明の便宜のため、図3のような車両配置図に座標を導入する。原点の位置を適当に定め、各車両の縦方向の位置xiを、縦方向の速度をvi(iは車両につけられたインデックスであり、0を自車両10に対するインデックスとして、0から2までの整数値をとるものとする)と表記する。また、x軸と垂直方向にy軸をとり、各車両の座標をyiで表す。座標原点は図3のような二車線道路の場合、中央のレーンマーカー上にとることにする。ここでは、左右両車線の車線の幅はWであるとする。すなわち、yi=−W/2で右車線中央を走行していることを示し、yi=W/2で左車線中央を走行していることを示すものとする。
演算部9では、所定のある一定時間間隔ごとに図4に示すフローチャートの処理サイクルが呼び出されて、実行される。
《ステップ1》
ステップ1では、周囲環境認識手段1を構成する各センサ(1a〜1d)の信号と自車両状態検出手段2を構成する車速センサ2aの信号を取り込んで、自車両10および周囲車両の位置と速度の情報を得る。センサ(1a〜1d)から得られた信号を処理することにより、xi、vi、yiの具体的な値を得ることができる。なお、本実施の形態に示したレーダー(1a、1c)からは自車両10との相対位置が得られるだけであるが、座標系の原点を処理系で適当に定めればxiの値を確定することができる。相対位置を微分すれば相対速度の情報が得られ、相対速度と自車速の和をとることによって、各車両の対地速度viの値も確定する。車線位置yiについては白線検出センサ1bと各車両の検出位置を照合することでやはりその値を得ることができる。
説明の便宜のため、以下では処理された信号をまとめて、
ステップ2では、運転操作量検出手段13を構成するセンサであるアクセルペダル角度センサ4とステアリング角度センサ7から、アクセルペダル3の踏み込み角度θAとステアリングハンドル6の操舵角度θSを計測し、その情報を処理装置のメモリに格納する。
ステップ3からステップ6までが運転意図推定手段9aの処理内容になる。
《ステップ3》
ステップ3では、現在よりも一段前の実行サイクルにおいて反力補正制御が行なわれたかどうかがチェックされ、行なわれていればステップ9に、行われていなければステップ4へと処理を分岐する。
《ステップ4》
ステップ4では、周囲状況Xと運転者の操作量θAおよびθSから、運転者の運転意図を推定し、システム側で想定した運転意図と合致するものがあるかどうかがチェックされる。運転者が考える運転意図には細かく分類すれば様々なものが考えられるが、高速道路の単路部のような比較的単純な場面を想定すれば、加速、減速、車線変更のいずれかに還元される。ただし、車線変更については、それに先行して加速や減速運動を伴う場合があるので、加速を伴う車線変更、減速を伴う車線変更、現状を維持したまま行なう車線変更、の三つに細分することができる。
この中で、運転者(特に運転に慣れていない非熟練運転者)が緊張を強いられることが多いのは車線変更であるから、車線変更の意図を検出することが運転支援に関しては重要である。そこで、本実施の形態では、単純な加速や減速は推定の範囲外として除外する。また、減速を伴う車線変更の場合は、加速を伴う車線変更に比べてリスクが小さい場合が多い上、ブレーキペダル3を踏みながら車線変更する場面はあまり多くないこともあるので、本実施の形態では減速を伴う車線変更についても推定の範囲外とし、反力提示による運転支援の対象とはしない。
ステップ4−1では、運転者のステアリング操舵角度θSが、以前の実行ステップと比較して大きく変化したかどうかが判定される。判定ロジックとしては、例えば(2)式のようなものを利用することができる。
ステアリング操舵角度θSが大きく変化したと判定された場合には、ステップ4−6に進み、ステアリング操舵角度θSの変化した方向に走行可能な車線が存在しているかどうかを、白線検出センサ1bの検出結果と照合してチェックする。もし、ステアリング操舵角度θSの変化した方向に走行可能な車線が存在しているのであれば、ステップ4−8へ進み、即座に車線変更する意図を持っていると判定した上で、ステップ5以降の処理へと戻る。ステアリング操舵角度θSの変化した方向に走行可能な車線が存在していないのであれば、ステップ4−7へ進み、ステアリング操舵角度θSの変化は車線変更を意図したものではないとして、非検出の判定結果を返して、ステップ5へ戻る。
ステアリングハンドル6の操舵角度θSの変化が小さいと判定された場合には、ステップ4−2へ進む。
ステップ4−2では、今度はアクセルペダル3の踏み込み角度θAが大きく増加したかどうかが判定される。判定ロジックとしては、(2)、(3)式と同様の(5)式または(6)式を用いることができる。
アクセルペダル3の踏み込み角度θAが大きく増加したと判定された場合には、ステップ4−3へ進む。ステップ4−3では、自車両10と同一車線上に先行車両が存在しているかどうかを周囲環境認識手段1の認識結果と照合することで判定する。同一車線上に先行車両が存在しない場合には、車線変更を伴わない加速であるか、車線変更を伴うにしても前後方向の速度調整に関する支援が必要のない場面であるとして、ステップ4−7で非検出の判定結果を返して、ステップ5へ戻る。
同一車線上に先行車両が存在している場合には、ステップ4−4で走行可能な隣接車線が存在しているかどうかを判定する。片側一車線の道路のような走行可能な隣接車線が存在していない場面では、ステップ4−7で非検出の結果を返して、ステップ5に戻る。走行可能な隣接車線が存在しているのなら、ステップ4−5で運転者に加速を伴う車線変更の意図があるものと判定して、ステップ5に戻る。
《ステップ5》
ステップ5では、以上で説明したステップ4の判定結果を受けて処理を分岐する。非検出の判定結果が出た場合には、ただちに処理を終了する。即座の車線変更または加速を伴う車線変更の意図が検出された場合には、ステップ6へ進む。
ステップ6では、検出された運転意図を反映した未来予測が行なわれる。
即座の車線変更の意図が検出された場合、自車両10の縦方向の速度v0はそのままであると仮定して、まず、自車両10の横方向の運動を予測する。予測の方法の一例として、車線変更の運動が一次遅れ系のモデルで記述できると仮定し、モデルのシミュレーションを行なうことで予測を行なう方法を説明する。
車線変更に伴う運動のモデルを次式のように記述する。
なお、ここで「∧」は予測値を表し、括弧()付きの数式においては、「∧」は変数の上にあるものとし、上付きの「∧」と、変数の上にある「∧」は同意とする。
自車両10の縦方向の運動は、速度が一定であると仮定すれば、現時刻t0におけるx0、v0の測定値をそれぞれx0(t0)、v0(t0)とすれば、任意の時刻tにおける予測値は、
自車両10の挙動予測については、例えば、特開2003−228800号公報の「車両用推奨操作量生成装置」において開示されている[数55]から[数66]から構成される計算方法を、以下に説明するような設定のもとで実行することで得ることができる。この特開2003−228800号公報の「推奨操作量生成装置」では、自車両10および周囲車両の挙動を予測する予測式と自車両10の操作量を数値的に評価する評価関数の二つを定義する必要がある。本実施の形態の場合、周囲車両の挙動を予測する予測式については、(11)〜(16)式ですでに定義されているので、これらの式をそのまま流用することができる。自車両10の予測式については、横方向の運動については(8)式を流用することができる。縦方向の運動については、次式のモデルを利用することができる。
評価区間の長さTは、一般に車線変更に伴う動作が開始されてから車線変更が完了するまでの時間をカバーできるだけの長さがとられていればよく、例えば10秒程度の値を設定しておけば多くの場合、十分であると考えられる。
終端状態の評価については、この場合、加速を伴う車線変更を考えているので、
1.右車線を走行している状態
2.他車両12よりも前方を走行している状態
という二項目の評価が高くなるような関数を定義すれば良いことになる。
具体的な関数形としては、項目1.について、
終端状態の評価式φ(X)は、項目(1)と項目(2)の評価の和で構成される。
3.なるべく大きな加減速をしない
4.頻繁に車線変更しない
5.周囲車両に近づきすぎない
といった一般的な要請項目を表現した関数の和で構成される。
項目3.を表現する関数としては、次式のような例が挙げられる。
項目5.を表現する関数は、さらに他車両11に対する評価を表現する関数と他車両12に対する評価を表現する関数との和から構成される。基本的には同一車線上を走行する車両に対する評価だけが計上され、自車両10の車線変更に伴って評価の対象となる車両が切り替わる構成とする。
周囲車両に対するリスクを評価する指標としては、車間時間(=車間距離/追従車両の速度)と衝突時間(=車間距離/相対速度)が知られている。評価関数(20)式の評価関数は値が小さいほど良い評価となるように構成しているので、車間時間と衝突時間の逆数を評価式として利用することができる。各々の線形結合で評価を構成するとすれば、他車両11に対する評価式として(26)式を、他車両12に対する評価式として(27)式を構成することができる。
左車線にいる間は他車両11が、右車線に移った後は他車両12が評価されるように、(26)、(27)式を結合して、(28)式を項目5.を表現した関数として構成する。
以上、ステップ6では、運転者がとる操作量を適当な方法で生成し、そのような操作量をとった場合の自車両10および周囲車両の運動予測であるX∧(t)を計算する処理が実行される。
ステップ7では、リスク評価手段9cによって、未来の状態の予測であるX∧(t)が参照され、自車両10にとっての車線変更のリスクが評価される。リスク評価については、ここでは評価式(28)を流用することにして、(28)式を車線変更開始から完了までの間で積分した時の値を評価値として採用することにする。すなわち、(32)式が評価関数となる。
ここで、積分区間LCは、図6に示すように、y0の値がW/2−εを下回った時間から、−W/2+εを下回った時間までの区間をとるものとする。
なお、ステップ7において車線変更する操作量が得られなかった場合には、すでに車線変更のリスクが大きく、システム側の想定の範囲内では車線変更すべきでない状態であると判断し、リスク評価値rとして十分大きな値を持つrmaxを割り当てるものとする。
以上、車線変更のリスク評価値rの値を算出することが、ステップ7の処理内容である。
《ステップ8》
ステップ8では、操作反力指令値算出手段9dによって、反力補正が必要であるかどうかが判定され、必要であればその指令値を算出する処理が行なわれる。
最初にステップ7の処理を経て、ステップ8に処理が移ってきた場合の処理について説明する。この場合、まずリスク評価値を次式に従って正規化する。
即座の車線変更の意図が検出された場合には、通常のステアリングハンドル6の操舵反力トルクに加える補正トルクΔTを次式のようにして算出する。
加速を伴う車線変更の意図が検出された場合には、通常のアクセルペダル3の反力に加える補正反力ΔFを次式のようにして算出する。
なお、(34)式、あるいは(35)式として0以外の値が算出された場合には、反力補正制御を実行中であることを示すフラグ、補正量ΔTまたはΔFの値、およびフラグが立てられたステップ数のインデックスが演算部9のメモリに格納される。このフラグを読み取ることで、ステップ3の分岐処理が行なわれるようにする。
《ステップ9》
ステップ9では、既に反力補正制御が実行中である場合に、補正制御を続けるか解除するかを判定する処理を行なう。
まず、現在の処理サイクルにおいて検出された操作量を以前のサイクルにおける操作量と比較する。ステアリングハンドル6に対して、操舵角θSの値を減少させることを促す反力トルク補正制御が行なわれている場合、次式の条件式を用いて、運転者によるステアリングハンドル6の操舵角θSが減少しているかどうかがチェックされる。
ステップ8からステップ9に処理が移った場合には、最初に反力補正制御の解除信号が生成されているかどうかがチェックされ、生成されていれば反力補正制御実行フラグおよび反力補正量、ステップインデックスの情報を消去し、反力補正量を0にセットして処理を終える。
解除信号が生成されていない場合には、現在のステップインデックスnとメモリに記録されている反力補正制御の開始ステップインデックスnonとが比較され、ステアリングハンドル6の反力トルクの補正制御を実行している場合には、反力トルク補正指令値を以下のように修正する。
アクセルペダル反力の補正制御を実行している場合には、反力補正指令値を以下のように修正する。
すなわち、(39)、(40)式は、運転者が反力補正制御を無視して操作量を戻さなかった場合には、最初のステップNholdの間は最初に算出された補正反力をかけ続けるが、その後は補正反力を漸減させ、最終的には補正反力を0にすることを意味している。
なお、補正反力が0と算出された場合には、反力補正制御実行フラグと反力補正量、ステップインデックスを消去して、反力補正制御を解除する。
以上のようにしてステップ8の処理が終了すると、演算部9は反力補正指令値ΔTまたはΔFをステアリング反力トルクモーター8あるいはアクセルペダル反力モーター5へと転送して、処理サイクルを終了する。
ステアリング反力トルクモーター8とアクセルペダル反力モーター5は、演算部9からの指令値を受けた制御回路によって指令値に対応した出力を出すように制御され、補正反力がアクセルペダル3またはステアリングハンドル6に提示される。
ステアリングハンドル6の操舵角θSの変化のみが検出されるので、運転意図推定手段9aは、即座の車線変更の意図を検出する。未来状態予測手段9bは加減速を伴わずに車線変更する操作量を生成し、予測式に従って車線変更完了後までの周囲環境を予測する。予測に基づいてリスク評価手段9cは車線変更に伴うリスク評価値を算出する。算出された評価値は、補正反力トルクの提示が必要であると判断される最小の値rminを越える値であったため、操作反力指令値算出手段9dによって補正反力トルク指令値ΔTが算出され、ステアリング反力トルクモーター8が駆動されて運転者に通常の操舵時よりも強い反力トルクが提示される。
図8に図3の場面において、運転者がアクセルペダル3を踏み込んだ場合の車両用運転支援装置の動作例を示す。
アクセルペダル3の踏み込み角度θAの変化のみが検出されるので、運転意図推定手段9aは、加速を伴う車線変更の意図を検出する。未来状態予測手段9bは加速しながら車線変更する操作量を生成し、予測式に従って車線変更完了後までの周囲環境を予測する。今度は算出された評価値はよりも小さくなり、補正反力の提示は不要と判定され、運転者は通常と同じ操作感覚でアクセルペダル3を踏み込むことができる。
このように運転者がとる操作量の変化の大きさを考慮し、運転者の運転意図を推定して、運転者が意識的に操作量を変化させたと思われる場面で運転操作機器15の反力特性を変化させる構成となっているので、運転者にとって必要と思われる場面においてのみ、運転者の特定の運転意図に対してシステム側の予測判断を操作反力の形で提示することになり、運転者の感じる煩わしさを最小限に抑えながら運転の支援を行なうことができる。また、上記のようにリスクの大きさによって操作反力を大きくすることで、運転者に対して、該当する操作の結果予測されるリスクを、直感的にわかりやすい形で伝達することができる。また、上記のように操作反力の増加に反応して運転者が該当する運転操作機器15の操作量を戻した場合に、通常の反力特性へと速やかに復帰させているので、運転者の運転操作に対する介入が最小限に抑えられ、運転者の感じる煩わしさを軽減することができる。
また、運転意図推定手段9aは、運転者の運転意図として、即座の車線変更、加速を伴う車線変更のいずれかに該当するか否かを推定し、運転操作機器制御手段14は、運転意図推定手段9aの推定結果が上記の二種類の運転意図のいずれにも該当しないという結果であった場合には、事前に設計された通常の反力特性に従うように操作反力を制御するようになっている。このように検出すべき運転意図を、即座の車線変更、加速を伴う車線変更の二種類に限定し、これらの意図が明確に検出されない場合には通常の反力特性をそのまま提示するようにしているので、運転意図の推定が比較的容易な操作に対してのみ装置が動作する構成となり、運転意図の誤推定による反力特性の変更により、運転者の運転感覚が悪化することを抑制することができる。
また、運転操作機器制御手段14は、操作反力を増加させても操作量が所定の操作量以上に保たれた場合には、操作反力の増加制御を開始してから所定時間が経過した後に、増加させた操作反力を漸減させ、通常の反力特性に復帰させるようになっている。このように運転者が操作反力の増加に反応せずに、反力増加制御のトリガーとなった操作をとり続けた場合には、一定時間経過後、反力の増加分を減少させているので、運転者の主体性を損なわない運転支援を提供することができる。
例えば、上記で想定した加速を伴う車線変更といった複合的な操作が必要な運転意図に対しても、自車両10が車線変更する操作のパターンを生成することで、系統的かつ明示的な操作予測を行なうことができる。上記で想定した運転意図以外にも適用範囲を広げることが可能であり、例えば未来状態予測手段9bに他車両の車線変更を予測する機能を加えることで、隣接車線上を走行する他車両が自車両10の前方へ割り込みことを受け入れる、または拒否する、といった運転意図も考慮することができるようになる。
また、運転操作量検出手段13は、運転操作機器15のアクセルペダル3の踏み込み角度θAを検出し、運転操作機器制御手段14は、アクセルペダル3の操作反力を制御するようになっている。このようにアクセルペダル3の操作から運転意図を推定し、アクセルペダル3の反力を通して運転者に情報を提示する構成となっているので、加速または加速を伴う車線変更の意図を精度良く推定できるようになり、加速または加速を伴う車線変更のリスクが大きいと評価された場合には、アクセルペダル3を踏み込みにくくすることで運転者にリスクの小さい操作をとることを促すことができる。
また、運転操作量検出手段13は、運転操作機器15のステアリングハンドル6の操舵角度θSを検出し、運転操作機器制御手段14は、ステアリングハンドル6の操作反力を制御するようになっている。このようにステアリングハンドル6の操作から運転意図を推定し、ステアリングハンドル6の反力トルクを通して運転者に情報を提示する構成となっているので、車線変更または加速を伴う車線変更の意図を精度良く推定できるようになり、車線変更または加速を伴う車線変更のリスクが大きいと評価された場合には、ステアリングハンドル6を操舵しにくくすることで運転者にリスクの小さい操作をとることを促すことができる。
1a…前方レーダー 1b…白線検出センサ
1c…後方レーダー 1d…側方センサ
2…自車両状態検出手段 2a…車速センサ
3…アクセルペダル 4…アクセルペダル角度センサ
5…アクセルペダル反力モーター 6…ステアリングハンドル
6a…ステアリングコラム 7…ステアリング角度センサ
8…ステアリング反力トルクモーター 9…演算部
10…自車両 11、12…他車両
13…運転操作量検出手段 14…運転操作機器制御手段
15…運転操作機器 16…予測操作量生成区間
Claims (6)
- 自車両の走行状態を検出する自車両状態検出手段と、
前記自車両の周囲環境を認識する周囲環境認識手段と、
前記自車両の運転操作機器の運転操作量を検出する運転操作量検出手段と、
前記運転操作量の変化の履歴と前記周囲環境から運転者の運転意図を推定する運転意図推定手段と、
推定された前記運転意図に沿った操作を実行した場合に前記自車両および前記周囲環境の未来状態を予測する未来状態予測手段と、
予測された前記未来状態に基づいて推定された運転意図のリスクを評価するリスク評価手段と、
算出された前記リスクに基づいて前記運転操作機器の操作反力の指令値を算出する操作反力指令値算出手段と、
前記指令値に基づいて前記運転操作機器の前記操作反力を制御する運転操作機器制御手段とを備え、
前記運転操作機器制御手段は、算出された前記リスクが所定の水準以上に大きく評価された場合には、前記操作反力を前記通常の反力特性よりも前記リスクの水準に応じて増加させ、該操作反力の増加によって前記操作量が所定量以上戻された場合には、前記操作反力の増加制御を中止し、前記通常の反力特性に復帰させることを特徴とする車両用運転支援装置。 - 前記運転意図推定手段は、前記運転者の運転意図として、即座の車線変更、加速を伴う車線変更、のいずれかに該当するか否かを推定し、
前記運転操作機器制御手段は、前記運転意図推定手段の推定結果が上記の二種類の運転意図のいずれにも該当しないという結果であった場合には、事前に設計された通常の反力特性に従うように前記操作反力を制御することを特徴とする請求項1記載の車両用運転支援装置。 - 前記運転操作機器制御手段は、前記操作反力を増加させても前記操作量が所定の操作量以上に保たれた場合には、前記操作反力の増加制御を開始してから所定時間が経過した後に、増加させた前記操作反力を漸減させ、前記通常の反力特性に復帰させることを特徴とする請求項1記載の車両用運転支援装置。
- 前記未来状態予測手段は、前記運転意図推定手段によって推定された前記運転意図に沿った前記操作量のパターンを生成し、生成された前記操作量に従って前記自車両の操作を行なった場合の前記自車両および周囲車両の運動のパターンを算出することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか記載の車両用運転支援装置。
- 前記運転操作量検出手段は、前記運転操作機器のアクセルペダルの踏み込み角度を検出し、
前記運転操作機器制御手段は、前記アクセルペダルの前記操作反力を制御することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか記載の車両用運転支援装置。 - 前記運転操作量検出手段は、前記運転操作機器のステアリングハンドルの操舵角度を検出し、
前記運転操作機器制御手段は、前記ステアリングハンドルの前記操作反力を制御することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか記載の車両用運転支援装置。
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