JP4297087B2 - 道路曲率検出装置およびこれを用いた操舵支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、道路曲率検出装置、および、これを用いた車両の操舵支援装置に関する。

車両に搭載される制御装置によりドライバの運転を支援するためには、先ず、自車が走行している道路の状況を適切に把握する必要がある。道路状況を把握する一例として、車両に搭載されているカメラで撮像した車両前方の画像に基づいて、車線を区画する一対の白線に対する画像認識を行うことで、走行車線の曲率などの道路形状パラメータを得るものが知られている。そして、その曲率などの道路形状パラメータに基づいて、例えば走行車線を維持するようにドライバの運転を補助する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１０５１８号公報

ところで、画像認識処理等により自車が走行している車線の曲率などを検出する際には、ノイズを除去して制御の安定性を向上させるためにフィルタリング処理が行われる。しかしながら、フィルタリング処理を行うには、ある程度の処理時間が要求されるので、例えば実際の道路の曲率とフィルタリング処理の後に得られる曲率との間には、時間遅延や位相遅れが発生する。すなわち、発生した時間遅延の間にも自車は走行を継続し、曲率検出が行われた地点と検出結果が適用される地点との間には、自車が走行した距離だけのずれが発生することとなる。

このような時間的及び距離的に遅れている曲率検出結果などに基づいて、例えば走行車線の維持など、ドライバの運転を支援する制御を行うと、その制御結果にも遅れが生じるおそれがある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、フィルタリング処理による遅延を解消して制御遅れを改善することが可能な道路曲率検出装置およびこれを用いた操舵支援装置を提供することを目的とする。

本発明に係る道路曲率検出装置は、車両に取り付けられ、車両の前方を撮像する撮像手段と、撮像手段が撮像した画像データに基づき、車両が走行する道路の曲率を検出する曲率検出手段と、曲率検出手段が検出した曲率をフィルタリング処理するフィルタリング手段と、曲率検出手段が検出した曲率とフィルタリング処理後のフィルタリング曲率との偏差に基づいて、曲率検出手段が検出した曲率とフィルタリング処理後のフィルタリング曲率とを択一的に選択して出力する曲率選択手段とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る道路曲率検出装置によれば、フィルタリング処理の遅延状態に対応した値である、曲率検出手段により検出されたフィルタリング処理前の曲率とフィルタリング処理後のフィルタリング曲率との偏差に基づいて、フィルタリング処理が施される前の遅延を伴わない曲率とフィルタリング処理後のフィルタリング曲率とが択一的に選択される。そのため、例えば、偏差すなわち遅延が発生したときにフィルタリング処理前の曲率を選択することにより、フィルタリング処理による遅延を解消することが可能となる。

上記曲率選択手段は、フィルタリング処理前の曲率とフィルタリング曲率との偏差が増大傾向にあるときに、曲率検出手段が検出した曲率を選択して出力することが好ましい。

この場合、偏差が増大傾向にあるとき、すなわちフィルタリング処理に伴う遅延が増大傾向にあるときには、フィルタリング処理が施される前の遅延を伴わない曲率値が選択されて出力される。そのため、フィルタリング処理による遅延を解消することが可能となる。

また、上記曲率選択手段は、フィルタリング処理前の曲率とフィルタリング曲率との偏差が所定値より大きいときに、曲率検出手段が検出した曲率を選択して出力することが好ましい。

例えば、カーブ旋回中に道路曲率の検出が開始されたような場合、フィルタリング処理後のフィルタリング曲率は遅れを持って収束する。このような状況では、フィルタリング処理前の曲率とフィルタリング曲率との偏差は縮小傾向を示すが、フィルタリング処理による遅延を早急に解消することが望ましい。そこで、偏差が所定値より大きいときに曲率検出手段が検出した曲率を選択することにより、上記のような状況においても適切にフィルタリング処理による遅延を解消することが可能となる。

また、上記曲率選択手段は、上記偏差状態が継続している場合に、曲率検出手段が検出したフィルタリング処理前の曲率を選択して出力することが好ましい。

偏差の増大傾向が継続していること、または偏差が所定値より大きい状態が継続していることを選択の条件とすることにより、フィルタリング処理による遅延状態の誤判定を防止することが可能となる。

本発明に係る操舵支援装置は、上記いずれかの道路曲率検出装置と、道路曲率検出装置が出力した道路曲率に基づいて、車両の操舵機構にアシストトルクを付与するトルク付与手段とを備えることを特徴とする。

道路曲率検出装置から出力される道路曲率は、フィルタリング処理による遅延が解消されているので、この道路曲率に基づいてアシストトルクを付与することにより、アシストトルクを調節する際の制御遅れを改善することが可能となる。

本発明によれば、曲率検出手段が検出した曲率とフィルタリング処理後のフィルタリング曲率との偏差に基づいて、フィルタリング処理前の曲率とフィルタリング処理後のフィルタリング曲率とを択一的に選択して出力する構成としたので、フィルタリング処理による遅延を解消して制御遅れを抑制することが可能となる。

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。

本発明に係る操舵支援装置（本発明に係る道路曲率検出装置を含む。）の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の操舵支援装置を備えた車両１の構成図を図１に示す。車両１は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２を備えており、ＥＣＵ２によって操舵支援制御（車線維持制御）が実行される。図１に示されるように、車両１は、ステアリングホイール３を備えている。ステアリングホイール３は、車両１の車室内に配設されており、運転者によって操作されることで転舵輪（ここでは左右前輪ＦＲ，ＦＬ）を転舵させる。ステアリングホイール３は、ステアリングシャフト４の一端に固定されている。ステアリングシャフト４は、ステアリングホイール３の回転に伴って回転する。

ステアリングシャフト４の他端には、ステアリングギヤボックス５を介してラックバー６が連結されている。ステアリングギヤボックス５は、ステアリングシャフト４の回転運動をラックバー６の軸方向への直進運動に変換する機能を有している。ラックバー６の両端は、ナックルアーム７を介して車輪ＦＬ，ＦＲの各ハブキャリアに連結されている。このように構成されているため、車輪ＦＬ，ＦＲは、ステアリングホイール３が回転されると、ステアリングシャフト４やステアリングギヤボックス５（ラックバー６）を介して転舵される。

また、前方を撮像するＣＣＤカメラ８が、ルームミラーに内蔵されている（図２参照）。ＣＣＤカメラ８は、車両１のフロントウィンドウ３０越しに前方の所定領域内の周辺状況を撮影する。具体的には、道路５０の車両１が走行している走行レーン５１の周囲の動画像を撮影する。すなわち、ＣＣＤカメラ８は撮像手段として機能する。このＣＣＤカメラ８には、画像処理部９が接続されている。ＣＣＤカメラ８が撮影した周辺状況の画像データは、画像処理部９に供給される。画像処理部９は、ＣＣＤカメラ８による画像データを画像処理し、車両１が走行する道路上に描かれた道路区画線（以下、白線と称する。）などを基に走行レーン（車線）を検出する。撮像した画像や映像内では、路面とその上に描かれた白線との輝度差が大きいことから、走行レーンを区画する白線はエッジ検出等によって比較的検出しやすく、車両前方の車線を検出するのに都合がいい。

画像処理部９は、上述したＥＣＵ２に接続されている。画像処理部９は、検出した車線に基づいて、図３に示されるように、走行レーンの道路曲率χ（＝１／カーブ半径Ｒ）や、車線に対する車両１のオフセットＤ（車両の前後方向の中心軸１ａと走行レーン５１の中心線の車両重心位置における接線５１ａとの横ずれ量に相当する。）およびヨー角θ（車両の前後方向の中心軸１ａと走行レーン５１の中心線の車両重心位置における接線５１ａとのなす角度に相当する。）を演算によって検出し、結果をＥＣＵ２に送出する。すなわち、画像処理部９は曲率検出手段として機能する。道路曲率χ、オフセットＤ、ヨー角θはいずれも正負いずれの値も取ることがあり、符号は方向、向きを示す。なお、本実施形態では、右方向を「＋」、左方向を「−」とした。画像に基づいて、走行レーンの各種パラメータ（道路曲率χ、自車のオフセットＤやヨー角θ）を検出する方法は、公知の方法を用いることができる。

ＥＣＵ２には、舵角センサ１０及び車速センサ１１も接続されている。舵角センサ１０は、ステアリングホイール３の操舵角に応じた信号を出力する。また、車速センサ１１は、各車輪に取り付けられた車輪速センサであり車両１の速度に応じた周期でパルス信号を発生する。舵角センサ１０の出力信号および車速センサ１１の出力信号は、それぞれＥＣＵ２に供給されている。ＥＣＵ２は、舵角センサ１０の出力信号に基づいてステア角を検出すると共に、車速センサ１１の出力信号に基づいて車速を検出する。

また、ＥＣＵ２には、ヨーレートセンサ１２やナビゲーションシステム１３も接続されている。ヨーレートセンサ１２は、車両１の重心近傍に配置され、重心鉛直軸回りのヨーレートを検出し、検出結果をＥＣＵ２に送出する。また、ナビゲーションシステム１３は、ＧＰＳ等を利用して車両１の位置を検出するための装置である。ナビゲーションシステム１３は、車両１前方の道路曲率（χ）や勾配等の状況を検知する機能をも有している。ＥＣＵ２は、ナビゲーションシステム１３を用いて車両１の位置及び走行すると予想される道路の状況を把握する。

さらに、ＥＣＵ２には、モータドライバ１４も接続されている。モータドライバ１４は、上述したステアリングギヤボックス５に配設されたモータ（アクチュエータ）１５が接続されている。図示されていないが、ラックバー６の一部外周面にはボールスクリュー溝が形成されており、モータ１５のロータにはこのボールスクリュー溝に対応するボールスクリュー溝を内周面上に有するボールナットが固定されている。一対のボールスクリュー溝の間には複数のベアリングボールが収納されており、モータ１５を駆動させるとロータが回転してラックバー６の軸方向の移動、即ち、転舵をアシストすることができる。

モータドライバ１４は、ＥＣＵ２の指令信号に従ってモータ１５に駆動電流を供給する。モータ１５は、モータドライバ１４から供給された駆動電流に応じたアシストトルクをラックバー６に付与する。ＥＣＵ２は、後述する論理に従ってモータドライバ１４に指令信号を供給し、モータ１５を駆動することにより，ラックバー６を変位させ、車輪ＦＬ，ＦＲを転舵させる。

次に、本実施形態による操舵支援制御について道路曲率選択処理とともに説明する。図４は、操舵支援制御の動作を示すブロック図である。図５は、道路曲率選択処理の処理手順を示すフローチャートである。

まず、ＣＣＤカメラ８によって、車両１の前方を撮像し、撮像した画像に基づいて画像処理部９によって、走行レーン５１の道路曲率（以下「検出曲率」という）χｃと、自車両１のオフセットＤ及びヨー角θとが算出される。検出曲率χｃは、撮像された画像からカーブ半径Ｒを幾何学的に求め、この逆数を取ることで求められる。幾何学的な求め方としては、自車両１の所定距離前方における白線の横方向への偏位量や自車両１の所定距離前方における白線の接線の傾きを参照して行えばよい。画像処理部９で求められた検出曲率χｃは、ＥＣＵ２を構成するフィルタ２０および選択器２１それぞれに出力される。

フィルタ２０は、例えば検出曲率χｃの変化量を制限するフィルタリング処理を実行してノイズを除去する。すなわち、フィルタ２０はフィルタリング手段として機能する。フィルタリング処理後の道路曲率（以下「フィルタリング曲率」という）χｆは、選択器２１に出力される。

選択器２１は、検出曲率χｃとフィルタリング曲率χｆとの偏差ｄχに基づいて、検出曲率χｃとフィルタリング曲率χｆとを択一的に選択して出力する。より具体的には、偏差ｄχが増大傾向にある場合または偏差ｄχが所定値より大きい場合に、検出曲率χｃを制御用の道路曲率（以下、単に「道路曲率」という）χとして選択し出力する。一方、偏差ｄχが増大傾向になくかつ偏差ｄχが所定値以下のときには、フィルタリング曲率χｆを道路曲率χとして選択し出力する。すなわち、選択器２１は選択手段として機能する。

ここで、図５を参照しつつ、選択器２１で実行される道路曲率選択処理について詳細に説明する。

ステップＳ１００では、フィルタ２０から入力されたフィルタリング曲率χｆと、画像処理部９から入力された検出曲率χｃとの偏差ｄχが算出される。続くステップＳ１０２では、偏差の符号ｓｄχが設定される。ここで、偏差ｄχが正のときには偏差符号ｓｄχに「１」が代入され、偏差ｄχが負のときには偏差符号ｓｄχに「−１」が代入さる。また、偏差ｄχが０のときには偏差符号ｓｄχに「０」が代入さる。

続いてステップＳ１０４では、偏差ｄχの絶対値（以下「絶対偏差」という）ａｄχが算出される。

次に、ステップＳ１０６では、偏差ｄχが拡大傾向にあるか否かについての判断が行われる。より具体的には、偏差符号ｓｄχの今回値が前回値と同じであり、かつ絶対偏差ａｄχの今回値が前回値より大きいか否かについての判断が行われる。ここで、両条件が満足された場合には、偏差ｄχが増大傾向にあると判断され、ステップＳ１０８に処理が移行する。一方、いずれかの条件が満足されなかったときには、偏差ｄχが増大傾向にないと判断され、ステップＳ１１０に処理が移行する。

ステップＳ１０６が肯定された場合には、ステップＳ１０８において増大傾向の継続時間を計測する遅延タイマー１がインクリメントされた後、ステップＳ１１２に処理が移行する。一方、ステップＳ１０６が否定された場合には、ステップＳ１１０において遅延タイマー１がリセットされた後、ステップＳ１１２に処理が移行する。

ステップＳ１１２では、偏差ｄχが所定値αより大きいか否かについての判断が行われる。より具体的には、偏差符号ｓｄχの今回値が前回値と同じであり、かつ絶対偏差ａｄχの今回値が所定値αより大きいか否かについての判断が行われる。ここで、両条件が満足された場合には、ステップＳ１１４に処理が移行する。一方、いずれかの条件が満足されなかったときには、ステップＳ１１６に処理が移行する。

ステップＳ１１２が肯定された場合には、ステップＳ１１４において偏差ｄχが所定値αを超えている継続時間を計測する遅延タイマー２がインクリメントされた後、ステップＳ１１８に処理が移行する。一方、ステップＳ１１２が否定された場合には、ステップＳ１１６において遅延タイマー２がリセットされた後、ステップＳ１１８に処理が移行する。

ステップＳ１１８では、遅延タイマー１の値が所定値βより大きいか否か、または遅延タイマー２の値が所定値τより大きいか否かについての判断が行われる。ここで、両条件またはいずれか一方の条件が満足された場合には、ステップＳ１２０において、検出曲率χｃが道路曲率χとして選択される。その後、ステップＳ１２４に処理が移行する。一方、両条件が満足されなかったときには、ステップＳ１２２において、フィルタリング曲率χｆが道路曲率χとして選択される。その後、ステップＳ１２４に処理が移行する。なお、所定値α、所定値βおよび所定値τは、例えば、東名高速道路などの緩やかなクロソイド曲線により構成される道路ではフィルタリング曲率χｆが選択され、よりきついクロソイド曲線により構成される道路では検出曲率χｃが選択され得るように設定される。

ステップＳ１２４では、偏差符号ｓｄχの前回値に今回値が代入され、偏差符号ｓｄχの前回値が更新される。続いて、ステップＳ１２６では、絶対偏差ａｄχの前回値に今回値が代入され、絶対偏差ａｄχの前回値が更新される。その後、本処理から一旦抜ける。

図４に戻り説明を続ける。モータドライバ１４への制御量の算出にあたっては、制御量となるヨーレートωを算出する必要がある。このヨーレートωは、道路曲率χに基づくヨーレートω_ｒにオフセットＤを補償するヨーレートω_ｄとヨー角θを補償するヨーレートω_θを合算したものとして求められる。

まず、走行レーンの道路曲率χに基づいて、車両１を走行レーンに沿って走行させるために必要なヨーレートω_ｒを求める。道路曲率χは、ＥＣＵ２を構成するフィードフォワードコントローラ（Ｆ／Ｆコントローラ）２２に入力され、所定の特性に従って道路曲率χに関するヨーレートω_ｒが算出される。

オフセットＤを補償する（目標値に収束させる）ために必要となるヨーレートω_ｄは、オフセットＤと目標オフセットＤ_０との偏差（Ｄ_０−Ｄ）に係数Ｋｄを乗じることで算出される。ヨー角θを補償する（目標に収束させる）ために必要となるヨーレートω_θは、ヨー角θと目標ヨー角θ_０との偏差（θ_０−θ）に係数Ｋ_θをかけて算出される。なお、走行レーンに対して目標となる目標オフセットＤ_０や目標ヨー角θ_０は、予め設定されている。

このようにして算出された３つのヨーレートを合算することで、目標ヨーレートωが算出される。この目標ヨーレートωは、車速センサ１１によって検出された車速Ｖｎを用いて目標横加速度Ｇに変換され、ＥＣＵ２を構成するトルク演算器２３によって、この目標横加速度Ｇを発生させるために必要な、転舵量、つまりモータ１５の操舵トルクＴが算出される。

ＥＣＵ２は、求めた操舵トルクＴに応じて、モータドライバ１４に指示して、モータ１５を駆動せしめる。その結果、左右前輪ＦＲ，ＦＬが転舵され、車両１は走行レーンを維持すべく旋回される。車両１が旋回すると、再度ＣＣＤカメラ８によって前方の状況が撮像され、上述したことが繰り返される。

ここで、図６および図７を併せて参照しつつ本実施形態に係る道路曲率検出装置および操舵支援装置の動作について説明する。図６は、検出曲率χｃ、フィルタリング曲率χｆ、および制御用の道路曲率χのタイミングチャートである。図６の縦軸は曲率であり、横軸は時刻である。また、図６において、実線は検出曲率χｃを示し、破線はフィルタリング曲率χｆ示し、一点鎖線は制御用道路曲率χをそれぞれ示す。

図７は、操舵トルクのタイミングチャートである。図７の縦軸は操舵トルクであり、横軸は時刻である。なお、図７の横軸は図６の横軸と対応している。図７において、実線は、検出曲率χｃとフィルタリング曲率χｆとの切り替えが行われた場合の操舵トルク、すなわち本実施形態に係る操舵支援装置により出力される操舵トルクを示す。一方、一点鎖線は、切り替えが行われない場合、すなわち常にフィルタリング曲率χｆが用いられた場合の操舵トルクを示す。

図６に示されるように、時刻ｔ０から検出曲率χｃに対するフィルタリング曲率χｆの遅れが拡大し、時刻ｔ１で道路曲率χがフィルタリング曲率χｆから検出曲率χｃに切り替えられる。その後、時刻ｔ２でフィルタリング曲率χｆの遅れが縮小傾向になり、道路曲率χが検出曲率χｃからフィルタリング曲率χｆに切り替えられる。

その後、時刻ｔ３から再びフィルタリング曲率χｆの遅れが拡大し、時刻ｔ４で道路曲率χがフィルタリング曲率χｆから検出曲率χｃに切り替えられる。その後、時刻ｔ５でフィルタリング曲率χｆの遅れが縮小傾向になり、道路曲率χが検出曲率χｃからフィルタリング曲率χｆに切り替えられる。

このように、フィルタリング曲率χｆの遅れが発生している時刻ｔ１〜ｔ２の間および時刻ｔ４〜ｔ５の間において、道路曲率χがフィルタリング曲率χｆから検出曲率χｃに切り替えられ、フィルタリング処理の遅れが解消される。そして、操舵機構に付与される操舵トルクが検出曲率χｃに基づいて求められることにより、図７に示されように、フィルタリング処理の遅れによる制御遅れが改善される。その結果、常にフィルタリング曲率χｆに基づいて操舵トルクを求める場合（図８の一点鎖線参照）と比較して、図８に実線で示されるように、本実施形態の操舵支援装置によれば、車両のレーン追従性が向上する。

本実施形態に係る曲率検出装置によれば、検出曲率χｃとフィルタリング曲率χｆとの偏差ｄχが増大傾向にある場合または偏差ｄχが所定値より大きい場合に、検出曲率χｃが道路曲率χとして選択され出力されるので、フィルタリング処理の遅延を解消することが可能となる。また、その際に、偏差ｄχの増大傾向が所定時間β継続していること、または偏差ｄχが所定値αより大きい状態が所定時間τ継続していることを選択の条件とすることにより、フィルタリング処理による遅延状態の誤判定を防止することが可能となる。

また、本実施形態に係る操舵支援装置によれば、フィルタリング処理による遅延が解消された道路曲率χに基づいてアシストトルクを付与することにより、アシストトルクを調節する際の制御遅れを改善することが可能となる。例えば、カーブ入り口（カーブ進入地点）では、フィルタリング曲率χｆの立上り遅れによるステアリングホイールの切り増し遅れを抑制することができる。また、カーブ出口（カーブ脱出地点）では、フィルタリング曲率χｆの立下り遅れによるステアリングホイールの切り戻し遅れを抑制することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では道路曲率を検出し利用する技術について説明したが、道路曲率はカーブ半径の逆数であるので、道路曲率に代えてカーブ半径を用いることができることは言うまでもない。また、本実施形態では、道路曲率検出装置を操舵支援装置に適用したが、道路曲率検出装置は他の制御装置に適用することもできる。

実施形態の操舵支援装置を搭載した車両の構成図である。 ＣＣＤカメラによる走行レーンの取得状況を説明する図である。 道路パラメータを説明する図である。 操舵支援制御の動作を示すブロック図である。 道路曲率選択処理の処理手順を示すフローチャートである。 取得された道路曲率の一例を示すグラフである。 算出された操舵トルクの一例を示すグラフである。 実施形態の操舵支援装置を搭載した車両のレーン追従性を示す図である。

符号の説明

１…車両、２…ＥＣＵ、３…ステアリングホイール、４…ステアリングシャフト、５…ステアリングギヤボックス、６…ラックバー、７…ナックルアーム、８…カメラ、９…画像処理部、１０…舵角センサ、１１…車速センサ、１２…ヨーレートセンサ、１３…ナビゲーションシステム、１４…モータドライバ、１５…モータ、２０…フィルタ、２１…選択器、２２…フィードフォワードコントローラ、２３…トルク演算器、５０…道路、５１…走行レーン。

Claims (5)

1. 車両に取り付けられ、前記車両の前方を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段が撮像した画像データに基づき、前記車両が走行する道路の曲率を検出する曲率検出手段と、
   前記曲率検出手段が検出した前記曲率をフィルタリング処理するフィルタリング手段と、
   前記曲率検出手段が検出した前記曲率と、フィルタリング処理後のフィルタリング曲率との偏差に基づいて、前記曲率と前記フィルタリング曲率とを択一的に選択して出力する曲率選択手段と、を備えたことを特徴とする道路曲率検出装置。
2. 前記曲率選択手段は、前記曲率と前記フィルタリング曲率との前記偏差が増大傾向にあるときに、前記曲率検出手段が検出した前記曲率を選択して出力することを特徴とする請求項１に記載の道路曲率検出装置。
3. 前記曲率選択手段は、前記曲率と前記フィルタリング曲率との前記偏差が所定値より大きいときに、前記曲率検出手段が検出した前記曲率を選択して出力することを特徴とする請求項１または２に記載の道路曲率検出装置。
4. 前記曲率選択手段は、前記偏差状態が継続している場合に、前記曲率検出手段が検出した前記曲率を選択して出力することを特徴とする請求項２または３に記載の道路曲率検出装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の道路曲率検出装置と、
   前記道路曲率検出装置が出力した道路曲率に基づいて、前記車両の操舵機構にアシストトルクを付与するトルク付与手段と、を備えることを特徴とする操舵支援装置。
   
   

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