JP4333484B2 - 道路パラメータ算出装置および車両挙動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、自車両が走行するレーンの画像を取得し、取得した画像から自車の走行レーンを識別して道路曲率またはカーブ半径を算出する道路パラメータ算出装置、および、これを用いた車両挙動制御装置に関する。

走行レーンに沿った車両の走行を支援する車両用操舵支援装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この支援装置では、まず、ＣＣＤカメラなどを利用して自車両が走行するレーンの画像を取得する。取得した画像から画像認識処理によって走行レーンを区画する道路区画線（白線）を検出することで、自車両が走行すべき走行レーン情報を取得する。取得した走行レーン情報を基に、操舵に必要な操舵トルクを求めて、適切な操舵アシストトルクを付与することで、運転者の操舵を支援する。

このような車両用操舵支援装置においては、操舵アシストトルクの算出において、制御パラメータとして走行レーンの形状パラメータが用いられる。この形状パラメータとして特許文献１の技術では、道路の曲率（カーブ半径の逆数）を形状パラメータとして用い、フィードフォワード制御によって曲率に応じた操舵アシストトルクを付与している。
特開２００１−１０５１８号公報

ここで、道路のカーブ半径は、画像認識によって取得した区画線の位置情報を基にして幾何学的に算出され、その逆数をとることで、曲率を求めている。したがって、曲率、カーブ半径の検出精度は白線の位置認識精度に依存することになるが、以下の理由で区画線位置を高精度に検出することが難しい。

まず、道路の勾配、車両の傾き等で道路と車両の幾何学的関係が変化すると、区画線の位置認識精度が低下する。また、撮影した画像から認識処理を行う際には、所定の画素数を有するデジタルデータとして取り扱うことになるが、この際の解像度の制限から、位置認識精度を高めることが難しい。一方、画像の解像度を高めると、計算処理量が増大し、高速の処理装置を必要とするため、解像度をあまり高くすることもできない。さらに、日照や照明の条件、気象条件などにも影響を受ける。

この結果、区画線位置情報の精度を高めることが難しく、得られる曲率、カーブ半径はノイズ成分を含んだものとなる。操舵アシストトルクをフィードフォワード制御する際に、このノイズ成分が振動的な横加速度を発生させてしまい、車両の車線追従性を低下させてしまうおそれがある。

そこで本発明は、画像認識結果を用いて走行路の曲率またはカーブ半径を求める際に、白線認識のノイズ成分を効果的に除去して精度良く曲率またはカーブ半径を求めることを可能とした道路パラメータ算出装置、および、これを用いた車両挙動制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る道路パラメータ算出装置は、自車両が走行するレーン画像を取得して、画像処理によって走行レーンを認識し、認識結果から走行レーンの道路曲率またはカーブ半径を求める道路パラメータ算出装置において、認識結果から求めた道路曲率またはカーブ半径を、その時間変化量が所定の制限値以下となるよう修正して道路パラメータとして出力する手段を備えており、この制限値は、道路曲率が小さいとき、または、カーブ半径が大きいときほど小さくなるよう設定されていることを特徴とする。

すなわち、道路曲率またはカーブ半径の時間変化量が制限値以内となるようにガードをかけて出力する。このとき、道路曲率が小さい（カーブ半径が大きい場合に相当する。）ときほどガード値を小さくすることで、時間変化量が大きくならないようにする。ここで、白線認識によるカーブ半径の推定は、認識した白線の直線からのずれ量等を基にして幾何学的に求められる。このため、ずれ量が大きい場合、つまり、カーブ半径が小さく、曲率が大きい場合の推定精度に比較して、ずれ量が小さい場合、つまり、カーブ半径が大きく、曲率が小さい場合の推定精度が低下する。本発明では、この精度の傾向に応じてガード値を異ならせる。

車両速度が速いほど同じ道路区間を短時間で通過する。このため、同一の道路区間に対しても道路曲率またはカーブ半径の時間変化量は走行速度に応じて異なってくる。そこで、車両の車速を検出する車速検出手段をさらに備え、この制限値は、同一の道路曲率または同一のカーブ半径に対しては、自車両の走行速度が速いほど大きく設定されていることが好ましい。特に、同一の道路曲率または同一のカーブ半径に対しては、制限値を自車両の走行速度に正比例させるとよい。

道路曲率が第１の曲率値を超える場合、あるいは、カーブ半径が第１のカーブ半径を下回る場合には、この制限値を道路構造基準に基づいた制限値に設定するとよい。上述したようにカーブ半径が小さく、曲率が大きい場合には、比較的カーブの推定精度が保たれる。一方で、道路構造基準を超える急なカーブは通常存在しないことから、ガード値を道路構造基準に基づく値に設定してノイズ成分を除去する。

本発明に係る車両挙動制御装置は、上記いずれかの道路パラメータ算出装置と、判定した道路曲率を基にして車両挙動を制御する手段とを備えていることを特徴とする。この車両挙動制御手段としては、カーブ状態に応じて車両を制御する装置であり、自動操舵または操舵支援装置や、ブレーキ制御装置、駆動力制御装置等がある。

本発明によれば道路曲率またはカーブ半径の時間変化量を制限することで、曲率・カーブ半径等の不自然な変動を抑制することができる。例えば、白線認識の不確かさに起因する振動（ノイズ）成分が存在するような場合に、このノイズ成分の影響を抑制することが可能となり、道路曲率やカーブ半径を利用した車両挙動制御の安定性・制御性が向上する。

さらに、車速に応じてガード値を適切に設定することで、走行状態によらずに安定した道路パラメータの取得が可能となり、車両挙動制御の安定性・制御性を確保することができる。

道路曲率が第１の曲率値を超える場合、あるいは、カーブ半径が第１のカーブ半径を下回る場合には、この制限値を道路構造基準に基づいた値に設定することで、道路構造と矛盾するカーブ半径、曲率の過大な変化を排除することができるので、取得した道路パラメータに対する信頼性が向上する。

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。

本発明に係る車両挙動制御装置（本発明に係る道路パラメータ算出装置を含む。）の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の車両挙動制御装置を備えた車両１の構成図を図１に示す。車両１は、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electrical Contorol Unit）２を備えており、ＥＣＵ２によって車両挙動制御（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の周囲の状況の動画像を撮影する。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（走行経路＝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、前方走行経路のカーブ曲率（χ＝１／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。）及びヨー角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。なお、カーブ曲率、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。画像に基づいて、前方走行経路の各種情報量（カーブ曲率χや自車のオフセットＤ・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。車速センサ１１は、車速検出手段として機能している。なお、車速検出手段として車体前後加速度を検出するセンサを取り付け、この出力を時間積分することで車速を得るようにすることも可能である。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前方のカーブ曲率（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操舵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。

また、ＥＣＵ２には、警告ランプ１６及び警報ブザー１７が接続されている。警告ランプ１６は、車室内に搭乗した乗員が視認可能な位置に配置されており、ＥＣＵ２からの指令信号に従って点灯する。また、警報ブザー１７は、ＥＣＵ２からの指令信号に従って車室内へ音声を発する。ＥＣＵ２は、後述する論理に従って警告ランプ１６及び警報ブザー１７を駆動し、乗員に対して注意を喚起する。

次に、車線維持制御（車両挙動制御）について道路パラメータ算出とともに、説明する。図４は、車線維持制御の動作を示すブロック図であり、図５は、道路パラメータ算出における変化率制限のフローチャートである。

まず、ＣＣＤカメラ８によって、車両１の前方状況を撮像し（図２右下）、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の状況（カーブ曲率χ）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。なお、カーブ曲率χは、撮像された画像から前方カーブの曲率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。

また、走行経路に対して目標となるオフセットやヨー角は、目標オフセットＤ_０及び目標ヨー角θ_０として予め決定されている。

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、カーブ曲率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、車両１前方のカーブ曲率χに基づいて、車両１をこのカーブ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。最初に変化率制限手段２０により、カーブ曲率χの修正値χcを算出する。この変化率制限手段２０と、画像処理部９とが本発明に係る道路パラメータ算出装置を構成する。なお、変化率制限手段２０は、画像処理部９内に組み込んでもよいし、白線情報を検出する部分までを画像処理部９内に構成して、道路パラメータの算出と変化率制限手段２０を別に構成してもよいし、これらをＥＣＵ２内に組み込んでもよい。さらには、画像処理部９とＥＣＵ２とを一体化することも可能である。

ここで、図５を参照して、変化率制限の動作を具体的に説明する。この処理動作は所定のタイムステップごとに繰り返し実行される。まず、曲率χと車速Ｖｎが読み込まれる（ステップＳ１）。次に、今回のタイムステップで読み込まれた曲率χと前回のタイムステップの曲率修正値であるχoldの値の差Δχを求める（ステップＳ２）。これは、曲率の時間変化量に相当する。そして、曲率修正値χoldの絶対値の逆数がしきい値Ａ以上か否かを判定する。これは、前回のタイムステップにおけるカーブ半径の修正値がしきい値Ａ（第１のカーブ半径）以上か否かを判定することに相当する。これに変えて、χoldの絶対値がしきい値１／Ａ（第１の道路曲率）以下か否かを判定しても同様の結果になる。

判定結果がＹＥＳで、カーブ半径が大きい（道路曲率が小さい）と判定した場合には、道路曲率の変化制限値Δχlimitとして車速Ｖｎに所定の係数Ｂを乗じた値を設定する（ステップＳ４）。一方、判定結果がＮＯで、カーブ半径が小さい（道路曲率が大きい）と判定した場合には、道路曲率の変化制限値Δχlimitとして車速Ｖｎに所定の係数Ｃを乗じた値を設定する（ステップＳ５）。図６に示されるように、Ｃ＞Ｂに設定されている。

ステップＳ４、Ｓ５でΔχlimitを設定したら、ステップＳ２で求めた曲率の時間変化量であるΔχの絶対値とΔχlimitとを比較する（ステップＳ６）。Δχの絶対値がΔχlimit以上の場合には、さらに、Δχの正負を調べる（ステップＳ７）。ステップＳ７でΔχが正、つまり、今回のタイムステップで画像処理部９において求めたχが前回の修正値χoldよりΔχlimit以上増えていた場合には、χoldにΔχlimitを加算した値を今回の修正値χcに設定する（ステップＳ８）。ステップＳ７で反対にΔχが負、つまり、今回のタイムステップで画像処理部９において求めたχが前回の修正値χoldよりΔχlimit以上減っていた場合には、χoldからΔχlimitを減算した値を今回の修正値χcに設定する（ステップＳ９）。ステップＳ６で、Δχの絶対値がΔχlimit未満と判定された場合には、画像処理部９において求めたχの前回の修正値χoldからの時間変化量が±Δχlimit未満と小さいことを意味するから、ステップＳ１０に移行してχcに画像処理部９において求めたχを格納する。

ステップＳ８〜Ｓ１０でχcを求めたら、χoldをχｃで書き換え（ステップＳ１１）、求めたχｃを出力して（ステップＳ１２）処理を終了する。

画像処理部９で求めたカーブ半径Ｒの認識精度は、特にカーブ半径が大きいほど低下する。これは、画像処理が基としている画像の解像度のほか、車両と道路との幾何学的関係の変化、画像の取得状況の変化等に起因している。このため、画像処理部９で求めたカーブ半径Ｒから求めた曲率χの生データは、図７に細線で示すように振動的に変化する。このように振動的に変化する曲率χを用いて後述するように操舵アシストトルクを制御すると、アシストトルクも振動的に変化してしまい、これが拡大して車両挙動が不安定になったり、操作フィーリングが低下してしまう。

そこで、本発明では、曲率の時間変化量に制限値Δχlimitをかけることで、図７に太線で示されるように、振動成分を除去して、不用意な振動の発生を抑制し、車両挙動を安定化させるとともに、操作フィーリングの向上を図っている。

この振動成分は、カーブ半径／曲率の認識精度が低下するカーブ半径が大きい（曲率が小さい）ときほど発生しやすいため、カーブ半径が大きい／曲率が小さい場合には、制限値を小さくして振動成分の発生を強く抑制し、一方、カーブ半径が小さい／曲率が大きい場合には、制限値を大きくして振動成分の発生の抑制量を弱くすることで、制御性の向上とのバランスを図っている。

ここで、カーブ半径が小さい／曲率が大きい場合の時間変化量の制限値を規定する係数Ｃは、法令等による道路構造基準に基づいた値に設定しておくとよい。このような基準を超える判定結果は実際の状況から乖離していると考えられるからである。

求めたχcは、フィードフォワードコントローラ（Ｆ／Ｆコントローラ）２１に入力され、所定の特性に従ってカーブ曲率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。

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、トルク演算器２２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＝モータ１５の駆動トルクＴが算出される。

ＥＣＵ２は、求めた駆動トルク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は車線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。

以上の説明では、Δχlimitの制限値は所定の係数に車速を乗じて求めるものとした。これは、同じ道路を走行する場合でも車速が速いほど曲率（カーブ半径）の時間変化量は大きく変化することから、これを補償することを目的としたものである。しかしながら、制御を行う車速領域が限定されているような場合には、車速によらずに一定の制限値を用いて制御を行うこともできる。

また、上述の例では、係数を２段階に設定する例を説明したが、これを多段階に設定しても良く、あるいは、図８に実線および破線で示したように、曲率に応じて無段階に変化させてもよい。この場合には、曲率またはカーブ半径に応じた制限値の係数を変化率制限手段内にマップ形式または関数の形式で格納しておき、これを読み出して設定を行えばよい。

ここでは、曲率の時間変化量を制限する場合を例に説明したが、カーブ半径の時間変化量を制限してもよい。両者は、一方が他方の逆数であるという関係にあるから、いずれを制限しても同様の結果が得られる。

以上の説明では、走行レーンに沿った走行を支援する操舵支援装置に応用する例を説明したが、自動操舵装置やカーブの状態に基づいてブレーキの制動力配分や駆動輪への駆動力配分を制御する装置等にも本発明は好適に適用可能である。

本実施形態の車両挙動制御装置を備えた車両１の構成図である。 本実施形態の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。 車線維持制御の動作を示すブロック図である。 道路パラメータ算出における変化率制限のフローチャートである。 道路曲率の変化制限値の設定に用いる係数の一例を示す図である。 道路曲率の生データと本発明による処理後のデータとを比較して示す図である。 道路曲率の変化制限値の設定に用いる係数の別の設定例を示す図である。

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、１６…警告ランプ、１７…警報ブザー、２０…変化率制限手段、２１…フィードフォワードコントローラ、２２…トルク演算器、３０…フロントウィンドウ、５０…道路、５１…走行レーン、Ｄ…オフセット、Ｇ…目標横加速度、Ｒ…カーブ半径、Ｔ…駆動トルク、Ｖｎ…車速、θ…ヨー角、χ…カーブ曲率、ω…ヨーレート。

Claims (5)

1. 自車両が走行するレーン画像を取得して、画像処理によって走行レーンを認識し、認識結果から走行レーンの道路曲率またはカーブ半径を求める道路パラメータ算出装置において、
   認識結果から求めた道路曲率またはカーブ半径を、その時間変化量が所定の制限値以下となるよう修正して道路パラメータとして出力する手段を備えており、
   前記制限値は、道路曲率が小さいとき、または、カーブ半径が大きいときほど小さくなるよう設定されていることを特徴とする道路パラメータ算出装置。
2. 車両の車速を検出する車速検出手段をさらに備えており、
   前記制限値は、同一の道路曲率または同一のカーブ半径に対しては、自車両の走行速度が速いほど大きくなるよう設定されていることを特徴とする請求項１記載の道路パラメータ算出装置。
3. 前記制限値は、同一の道路曲率または同一のカーブ半径に対しては、自車両の走行速度に正比例するよう設定されていることを特徴とする請求項２記載の道路パラメータ算出装置。
4. 道路曲率が第１の曲率値を超える場合、あるいは、カーブ半径が第１のカーブ半径を下回る場合には、前記制限値を道路構造基準に基づいた制限値に設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の道路パラメータ算出装置。
5. 請求項１〜４記載のいずれかの道路パラメータ算出装置と、
   判定した道路曲率を基にして車両挙動を制御する手段とを備えていることを特徴とする車両挙動制御装置。

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