JP4736777B2 - 車両用道路形状認識装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両用道路形状認識装置に関するものである。
従来、例えば、特許文献１に記載の車両用道路形状認識方法によれば、一定距離毎に道路に配置されるキャッツアイ等の反射光の強度が高い特定の反射体の位置情報について、車両からの距離に応じてつなぎ合わせることによって道路形状を認識する。
特開２００１−２５６６００号公報
上述した車両用道路形状認識方法は、方位精度が高く、また、反射光の強度が高い反射体を検出するレーザレーダ特有のものであり、方位検出精度がレーザレーダに比べて低く、また、反射電波の強度が高い反射体を検出する電波レーダでは、特定の反射体の位置情報を利用して道路形状を正確に認識することができない。
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたもので、電波レーダを用いて道路形状を正確に認識することができる車両用道路形状認識装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するためになされた請求項１記載の車両用道路形状認識装置は、自車両の周囲に送信電波を送波し、その送信電波を反射する反射物体からの反射電波を受信する電波レーダ手段と、電波レーダ手段の受信した反射電波に基づいて、自車両からの反射物体の距離、及び自車両に対する反射物体の方位を認識する反射物体認識手段と、を備えた車両用道路形状認識装置であって、
自車両からの距離と、自車両に対する方位と、からなる極座標系に示される、反射物体認識手段の認識した反射物体の距離及び方位を示す点について、近接する点同士からなる点集合を抽出する点集合抽出手段と、
点集合抽出手段の抽出した点集合について、自車両からの距離の軸方向の長さが一定長さ以上であるかどうかを判定する点集合長さ判定手段と、
点集合長さ判定手段が一定長さ以上であると判定した点集合が道路に沿って設けられたガードレールを表しているとみなし、その点集合に基づいて、自車両の位置する道路の形状を認識する道路形状認識手段と、を備えることを特徴とする。
自車両に搭載された電波レーダから送波される送信電波は、例えば、ガードレールからの反射電波を受信するが、この受信した反射電波に基づいて認識される反射物体の距離、及び方位は、上記極座標系において線状となって表されるという特徴を持っている。
本発明は、この特徴点に着目してなされたもので、上述したように、極座標系に示される反射物体の距離及び方位を示す点について、近接する点同士からなる点集合を抽出し、この点集合が一定長さ以上である場合に、点集合が道路に沿って設けられたガードレールを表しているとみなし、その点集合に基づいて自車両の位置する道路の形状を認識する。これにより、レーザレーダを用いなくとも、電波レーダを用いて道路形状を正確に認識することができるようになる。
請求項２に記載の車両用道路形状認識装置によれば、道路形状認識手段は、
自車両の位置を原点とし、自車両の前後方向を縦座標軸とし、自車両の横方向を横座標軸とする平面座標系に極座標系を変換する座標変換手段と、
座標変換手段によって変換された平面座標系において、点集合長さ判定手段が一定長さ以上であると判定した点集合の近似曲線を算出する近似曲線算出手段と、
近似曲線の横座標軸における切片の位置から、点集合として表されるガードレールが自車両に対して右側、若しくは左側に存在するのかを判定する点集合左右判定手段と、を備えることを特徴とする。
ガードレールは道路に沿って設けられるため、そのガードレールからの反射電波に基づく点集合の点同士をつなげてみると、極座標系において曲線を示す。従って、この点集合からガードレールの形状を示す近似曲線を算出することが可能である。そして、平面座標系における、近似曲線の横座標軸における切片の位置から、点集合として表されるガードレールが自車両に対して右側、若しくは左側に存在するのかを判定することができる。
請求項３に記載の車両用道路形状認識装置によれば、点集合左右判定手段は、平面座標系の横座標軸上において、自車両の右側及び左側の領域に、点集合がガードレールを表している場合に、その点集合の近似曲線の切片となる座標値の範囲を定め、横座標軸における近時曲線の切片が、設定された座標値の範囲内に位置するかどうかによってガードレールが右側、若しくは左側に存在するのかを判定することを特徴とする。
自車両の横方向における、自車両の中心位置に対するガードレールの位置は、ある程度の距離の範囲内に位置するものと想定することができる。従って、その想定される範囲内に近似曲線の切片が位置するかどうかによって、路側物が自車両に対して右側、若しくは左側に存在するのかを判定することができる。
請求項４に記載のように、点集合左右判定手段は、平面座標系の横座標軸上に設定された座標値の範囲内に切片が位置する場合、近似曲線を算出する基となった点集合は道路に沿って設けられたガードレールを表しており、座標値の範囲外に前記切片が位置する場合、点集合はガードレールを表すものではないと判定することが好ましい。これにより、近似曲線を算出する基となった点集合がガードレールであるのか、若しくは、ガードレール以外の反射物体であるのかを判断することができる。
請求項５に記載のように、点集合抽出手段は、一定方位内で、一定距離内の点同士からなる点集合を抽出することが好ましい。道路に沿って設けられるガードレールからの反射電波に基づく極座標系に示される点は、一定方位内で、一定距離内の点となって表されるからである。
以下、本発明の実施の形態における車両用道路形状認識装置に関して、図面に基づいて説明する。なお、本発明の車両用道路形状認識装置は、定速走行制御の際に先行車両を捉えると、所定の車間距離を保つように車速を制御する車間距離制御装置を構成する一装置として適用されるものである。
図１に、車間距離制御装置２の全体構成を示す。車間距離制御装置２は、コンピュータ４を主として構成され、車速センサ６、ステアリングセンサ８、ヨーレートセンサ９、レーダ装置１０、クルーズコントロールスイッチ１２、表示器１４、自動変速機制御器１６、ブレーキスイッチ１８、ブレーキ駆動器１９、スロットル駆動器２１、及びスロットル開度センサ２３を備えている。
コンピュータ４は、入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）および各種の駆動回路を備えている。これらのハード構成は一般的なものであるので詳細な説明は省略する。このコンピュータ４は、先行車両との車間距離を制御する車間距離制御や、先行車両が選択されていない場合には、自車両の車速を設定速度となるように制御する定速走行制御を行う。
車速センサ６は、車輪の回転速度に対応した信号を検出するセンサであり、検出した信号をコンピュータ４へ出力する。ステアリングセンサ８は、ステアリングの操舵角の変更量を検出するものであり、その値から相対的な操舵角を検出するものである。この検出した操舵角は、コンピュータ４へ出力される。ヨーレートセンサ９は、自車両の鉛直方向回りの角速度を検出するものであり、検出した角速度は、コンピュータ４へ出力される。
クルーズコントロールスイッチ１２は、いずれも図示しない、メインＳＷ、セットＳＷ、リジュームＳＷ、キャンセルＳＷ、タップＳＷの５つの押しボタンスイッチを備えている。
メインＳＷは、クルーズコントロール（定速走行制御）を開始可能にさせるためのスイッチである。なお、定速走行制御内で車間距離制御も実行される。セットＳＷは、これを押すことによって、その時の自車両の車速を取り込み、その車速を目標速度として記憶させるものである。また、この目標速度の設定後、定速走行制御が行われる。
リジュームＳＷは、定速走行制御中でない状態で、目標車速が記憶されているときに押された場合、自車両の車速を現在の車速から目標車速まで復帰させるものである。キャンセルＳＷは、実行されている定速走行制御を中止させるものであり、このキャンセルＳＷを押すことで中止処理が実行される。タップＳＷは、先行車両との目標車間距離を設定するためのもので、ユーザの好みに応じて、所定範囲の距離に限り設定可能なものである。
表示器１４は、いずれも図示しない設定車速表示器、車間距離表示器、及びセンサ異常表示器から構成される。設定車速表示器は、定速走行制御の設定車速を表示し、車間距離表示器は、レーダ装置１０の測定結果に基づいて先行車両との車間距離を表示する。センサ異常表示器は、車速センサ６等の各種センサに異常が発生した場合に、その異常発生を表示する。
自動変速機制御器１６は、コンピュータ４からの指示により、自車両の車速を制御する上で必要な、自動変速機の変速位置を選択するものである。ブレーキスイッチ１８は、運転者によるブレーキペダルの踏み込みを検出し、ブレーキ駆動器１９は、コンピュータ４の指示に応じてブレーキ圧力を調節する。
スロットル駆動器２１は、コンピュータ４の指示に応じてスロットルバルブの開度を調節し、内燃機関の出力を制御する。スロットル開度センサ２３は、スロットルバルブの開度を検出する。
コンピュータ４は、図示しない電源ＳＷを備え、この電源ＳＷがオンされることにより、電源が供給されて所定の処理を開始する。コンピュータ４は、このように構成されていることにより、車間距離制御や定速走行制御を実行する。
レーダ装置１０は、例えば、周知のＦＭＣＷ（Frequency Modulation Continuous Wave）レーダ等のレーダ装置である。このレーダ装置１０は、自車両のフロントグリル付近に設置され、例えば、マイクロ波やミリ波等の送信電波を自車両前方に送波し、その反射電波を受信する。さらに、その受信した反射電波に基づいて、反射物体までの距離、相対速度、及び自車両に対する方位を検出する。次に、レーダ装置１０の内部構成について説明する。
図２は、レーダ装置１０の内部構成を示すブロック図である。同図に示すように、レーダ装置１０は、発振器１０１、送信アンテナ１０２、受信アンテナ１０３、混合器１０４、Ａ／Ｄ変換器１０５、及びＦＦＴ１０６によって構成される。
発振器１０１は、例えば、電圧の大きさを制御することによって発振周波数を変更できる電圧制御発振器等が用いられ、所定の周波数を中心として、ある周波数幅で発振周波数を変調する。
送信アンテナ１０２は、自車両前方へ送信電波を送波するためのアンテナである。受信アンテナ１０３は、送信アンテナ１０２から送波された送信電波に対する反射電波を受信する。混合器１０４は、発振器１０１によって生成される送信信号と、受信アンテナ１０３によって受信される受信信号とを混合して、１つの信号にする機器である。
Ａ／Ｄ変換器１０５は、混合器１０４によって混合されたアナログ信号（以下、ビート信号）をデジタル信号に変換する。ＦＦＴ１０６は、時間領域のビート信号を周波数領域のパワースペクトルのデータに変換する。そして、パワースペクトルのデータに基づいて反射物体までの距離、相対速度、及び反射物体の自車両に対する方位が導かれる。これら反射物体までの距離、相対速度、及び反射物体の自車両に対する方位データは、コンピュータ４に出力される。
次に、レーダ装置１０の測定原理について、図を用いて説明する。図３（ａ）は、送信波ｆｓを送波したときに、この送信電波ｆｓの反射電波である受信電波ｆｒを受信した場合の例である。同図（ａ）に示すように、送信アンテナ１０２から送波される送信電波ｆｓは、周波数ｆ０を中心として変調幅ΔＦの範囲内で周波数を変調しながら、１／ｆｍ毎に繰り返し送波される。
一方、この送信電波ｆｓの反射電波を受信アンテナ１０３で受信したのが受信電波ｆｒであり、この受信電波ｆｒは、送信電波ｆｓに対して時間遅れｔｄと周波数シフトが発生する。本実施形態におけるレーダ装置１０では、この時間遅れｔｄと周波数シフトから、反射物体までの距離と相対速度を導いている。
すなわち、反射物体との相対速度が零である場合、送波された送信電波に対する反射電波は、反射物体までの距離に応じた時間遅れｔｄを受ける。一方、周波数シフトは、いわゆるドップラー効果によって発生するものである。すなわち、自車両と反射物体が相対的に移動しているとき、自車両から送波される送信電波ｆｓは、反射物体側では相対速度の大きさに対応して、その周波数のシフト量も大きくなる。従って、この周波数のシフト量ｆｄから相対速度を導くことができる。
図３（ｂ）は、混合器１０４によって送信電波ｆｓと受信電波ｆｒとが混合されたビート信号を示している。同図に示すように、ビート周波数ｆｂｕは、送信電波ｆｓと受信電波ｆｒの各々上昇部における周波数のシフト量を示し、また、ビート周波数ｆｂｄは、送信電波ｆｓと受信電波ｆｒの各々下降部における周波数のシフト量を示している。
この２つのビート周波数ｆｂｕ及びｆｂｄを用いることで、次式に示すように、上述した距離の長さに相当する周波数ｆｂ、及び相対速度の大きさに相当する周波数ｆｄを求めることができる。なお、次式中のＡＢＳは絶対値を示している。
（数１）
距離に相当する周波数ｆｂ＝［ＡＢＳ（ｆｂｕ）＋ＡＢＳ（ｆｂｄ）］／２
（数２）
相対速度に相当する周波数ｆｄ＝［ＡＢＳ（ｆｂｕ）−ＡＢＳ（ｆｂｄ）］／２
さらに、これら周波数ｆｂ及びｆｄを次式に代入することで、反射物体までの距離及び相対速度が算出される。なお、次式中のＣは光速を示している。
（数３）
距離＝Ｃ／（４×ΔＦ×ｆｍ）×ｆｂ
（数４）
相対速度＝（Ｃ／２×ｆ０）×ｆｄ
次に、レーダ装置１０において、自車両に対する反射物体の方位を測定する原理について説明する。図４に示すように、本実施形態では、送信アンテナ１０２から送波された送信電波の反射電波を複数の受信アンテナ１０３によって受信する。そして、各々の受信アンテナ１０３で受信した受信電波から、自車両に対する反射物体の方位を求める。
すなわち、複数の受信アンテナ１０３が自車両の幅方向に配置されるとき、自車両が走行する直線道路の車線と同じ車線を先行車両３０が走行している場合、複数の受信アンテナ１０３において、受信電波の到着時間の時間差は殆ど生じない。その結果、Ａ／Ｄ変換器１０５に入力されるビート信号においても、同じ時間に受信電波を受信したため位相差は殆ど生じない。
しかし、カーブ路を走行する場合、図４に示すように、複数の受信アンテナ１０３の受信する受信電波の到着時間には時間差が生じる。この時間差は、Ａ／Ｄ変換器１０５に入力されるビート信号の位相差となって現れる。従って、この位相差の大きさから、自車両に対する先行車両３０等の反射物体の方位を求めることができる。
図１に示すコンピュータ４では、レーダ装置１０から出力された反射物体の距離、相対速度、及び方位のうち、相対速度が略ゼロ（０）、すなわち、停止物と特定される反射物体の距離と方位に基づいて、自車両の位置する道路の形状を認識する道路形状認識処理を実行する。そして、この道路形状認識処理によって認識された道路形状から、自車両の位置する道路の旋回半径（カーブ曲率半径）Ｒを算出する。
また、コンピュータ４では、レーダ装置１０から出力された反射物体の距離、相対速度、及び方位のうち、停止物と特定される以外の反射物体の距離と方位に基づいて、自車両のレーダ装置１０中心を原点（０、０）とし、車幅方向をＸ軸、車両前方方向をＹ軸とする平面座標系における、自車両に対する反射物体の中心位置座標（Ｘ、Ｙ）を求める。この変換結果の値が異常な範囲を示していれば、表示器１４のセンサ異常表示器にその旨の表示がなされる。
さらに、コンピュータ４では、自車両の旋回半径Ｒと先行車両の中心位置座標（Ｘ、Ｙ）を用いて、カーブ路を走行中の自車両に対する先行車両の鉛直方向回りの回転角度を算出し、この回転角度から横位置補正量を算出する。なお、自車両が直線路を走行している場合には、旋回半径Ｒが非常に大きな値を取るため、計算上不具合を生じることがある。そのため、旋回半径Ｒの値が所定値以上の場合には所定の処置を施す。
また、コンピュータ４は、先行車両の中心位置のＹ座標に対して、上述した自車両に対する先行車両の鉛直方向回りの回転角度（theta）と距離Ｌを用いて、横位置補正量を算出して先行車両の中心位置を補正する。この補正された先行車両の中心位置から車間距離の制御をすべき先行車両であるか否かを判定する。そして、車間距離をすべき先行車両が選択された場合には、その先行車両に対する距離及び相対速度、自車速、クルーズコントロールスイッチ１２の設定状態、ブレーキスイッチ１８の踏み込み状態に基づいて、ブレーキ駆動器１９、スロットル駆動器２１、自動変速機制御器１６に、先行車両との車間距離を調整するための制御信号を出力するとともに、表示器１４に対して必要な表示信号を出力して、状況を運転者に告知する。
さらに、スロットル駆動器２１を駆動してスロットル開度を制御したり、自動変速機制御器１６を作動して自動変速機のギヤ位置を制御したり、あるいは、ブレーキ駆動器１９を駆動してブレーキ圧力を制御したりすることで、自車両と先行車両との車間距離が目標車間距離に保たれる。また、表示器１４にはリアルタイムな状態が表示される。
次に、本実施形態の特徴部分である道路形状認識処理について説明する。レーダ装置１０から送波される送信電波は、先行車両だけでなく、例えば、ガードレール等の路側物からの反射電波を受信するが、この受信した反射電波に基づいて認識される反射物体の距離、及び方位は、図５に示すように線状となって表されるという特徴を持っている。そこで、本実施形態の道路形状認識処理では、路側物からの反射電波によって道路形状を認識する構成とした。
この道路形状認識処理では、図６に示すように、レーダ装置１０から出力された反射物体の距離、相対速度、及び方位のうち、相対速度が略ゼロ（０）、すなわち、停止物と特定される反射物体の距離と方位（停止物データ）を用いる。この停止物データには、ガードレール等の路側物と路側物以外の停止物が含まれるため、路側物の停止物データ（路側データ）と路側物以外の停止物データとに分類する。さらに、同図に示すように、路側データが自車両の右側に存在するのか、左側に存在するのかについても分類する。
次に、コンピュータ４において実行される道路形状認識処理について、図８に示すフローチャートを用いて説明する。ステップＳ１０では、図７に示すように、自車両からの距離と自車両に対する方位とからなる極座標系に示される停止物データの各点について、一定方位内で、一定距離内の点同士からなる点集合（グループ）を抽出する。ガードレール等の道路に沿って設けられる路側物の停止物データは、一定方位内で、一定距離内の点となって表されるからである。
ステップＳ２０では、抽出したグループの各点をレーダ装置１０中心を原点（０、０）とし、車幅方向をＸ軸、車両前方方向をＹ軸とする平面座標系（ＸＹ座標系）に変換する。ステップＳ３０では、ＸＹ座標系におけるグループのＹ軸方向の長さが一定以上であるかどうかを判定する。ここで、肯定判定される場合にはステップＳ４０へ処理を進め、否定判定される場合にはステップＳ７０へ処理を移行する。
ステップＳ４０では、一定以上の長さを有するグループの近似曲線を算出する。ステップＳ５０では、ステップＳ４０で算出した近似曲線のＸＹ座標系におけるＸ軸切片が路側存在領域内に位置するかどうかを判定する。すなわち、Ｘ軸切片をＸｃとしたとき、次式を満たすかどうかを判定する。
（数５）
ＸＲｍｉｎ≦Ｘｃ≦ＸＲｍａｘ
（数６）
ＸＬｍｉｎ≦Ｘｃ≦ＸＬｍａｘ
ここで、数式５、若しくは数式６を満たす場合には、ステップＳ６０に処理を進め、数式５、数式６の何れも満たさない場合には、ステップＳ７０へ処理を移行する。ステップＳ６０では、数式５を満たす場合、グループは、自車両の右側に存在する路側物であると特定し、一方、数式６を満たす場合、グループは、自車両の左側に存在する路側物であると特定する。
すなわち、ガードレール等の路側物は道路に沿って設けられるため、その路側物に対応する停止物データの各点同士をつなげてみると、極座標系において曲線を示す。従って、この点集合から路側物の形状を示す近似曲線を算出することが可能であるため、その近似曲線のＸＹ座標系におけるＸ軸切片の位置から、路側物が自車両に対して右側、若しくは左側に存在するのかを判定することができる。
また、自車両の横方向における、自車両の中心位置に対するガードレール等の路側物の位置は、ある程度の距離の範囲内に位置するものと想定することができる。従って、その想定される範囲内を示す数式５や数式６に近似曲線のＸ軸切片が位置するかどうかによって、路側物が自車両に対して右側、若しくは左側に存在するのかを判定することができる。
ステップＳ７０では、グループは路側物でないと特定する。このように、数式５や数式６を満たす場合、そのグループは、路側物であると判断することができ、また、数式５や数式６を満たさない場合、若しくは、グループの長さが一定以上でない場合、路側物以外の反射物体であると判断することができる。ステップＳ８０では、全てのグループを抽出したかどうかを判定する。そして、肯定判定される場合には本処理を終了し、否定判定される場合には、ステップＳ１０へ処理を移行し、他のグループについて、上述した処理を行う。
このように、本実施形態の車間距離制御装置における道路形状認識処理は、極座標系に示される反射物体の距離及び方位を示す点について、近接する点同士からなるグループを抽出し、このグループが一定長さ以上である場合に、そのグループに基づいて自車両の位置する道路の形状を認識する。これにより、レーザレーダを用いなくとも、電波レーダを用いて道路形状を正確に認識することができるようになる。
車間距離制御装置２の全体構成を示すブロック図である。 レーダ装置１０の構成を示すブロック図である。 （ａ）は、送信波ｆｓを放射したときに、この送信波ｆｓの反射波である受信波ｆｒを受信した場合の受信信号の一例を示した図であり、（ｂ）は、混合器１０４によって送信波ｆｓと受信波ｆｒとが混合された信号の一例を示した図である。 レーダ装置１０において反射物体の自車両に対する方位の測定原理を説明する図である。 路側物からの反射波によって道路形状を認識する概念を説明するための図である。 停止物データの分類を説明するための図である。 Ｘ軸切片から路側物の左右方向を判定する方法を説明するための図である。 道路形状認識処理の流れを示すフローチャートである。
符号の説明
２ 車間距離制御装置
１０ レーダ装置
２０ 自車両
３０ 先行車両
１０１ 発振器
１０２ 送信アンテナ
１０３ 受信アンテナ
１０４ 混合器
１０５ Ａ／Ｄ変換器
１０６ ＦＦＴ

Claims (5)

  1. 自車両の周囲に送信電波を送波し、その送信電波を反射する反射物体からの反射電波を受信する電波レーダ手段と、前記電波レーダ手段の受信した反射電波に基づいて、前記自車両からの前記反射物体の距離、及び前記自車両に対する前記反射物体の方位を認識する反射物体認識手段と、を備えた車両用道路形状認識装置であって、
    前記自車両からの距離と、前記自車両に対する方位と、からなる極座標系に示される、前記反射物体認識手段の認識した前記反射物体の距離及び方位を示す点について、近接する点同士からなる点集合を抽出する点集合抽出手段と、
    前記点集合抽出手段の抽出した点集合について、前記自車両からの距離の軸方向の長さが一定長さ以上であるかどうかを判定する点集合長さ判定手段と、
    前記点集合長さ判定手段が一定長さ以上であると判定した点集合が道路に沿って設けられたガードレールを表しているとみなし、その点集合に基づいて、前記自車両の位置する道路の形状を認識する道路形状認識手段と、を備えることを特徴とする車両用道路形状認識装置。
  2. 前記道路形状認識手段は、
    前記自車両の位置を原点とし、前記自車両の前後方向を縦座標軸とし、前記自車両の横方向を横座標軸とする平面座標系に前記極座標系を変換する座標変換手段と、
    前記座標変換手段によって変換された平面座標系において、前記点集合長さ判定手段が一定長さ以上であると判定した点集合の近似曲線を算出する近似曲線算出手段と、
    前記近似曲線の前記横座標軸における切片の位置から、前記点集合として表されるガードレールが前記自車両に対して右側、若しくは左側に存在するのかを判定する点集合左右判定手段と、を備えることを特徴とする請求項１記載の車両用道路形状認識装置。
  3. 前記点集合左右判定手段は、前記平面座標系の横座標軸上において、前記自車両の右側及び左側の領域に、前記点集合がガードレールを表している場合に、その点集合の近似曲線の切片となる座標値の範囲を定め、前記横座標軸における近時曲線の切片が、設定された座標値の範囲内に位置するかどうかによって前記ガードレールが右側、若しくは左側に存在するのかを判定することを特徴とする請求項２記載の車両用道路形状認識装置。
  4. 前記点集合左右判定手段は、前記平面座標系の横座標軸上に設定された座標値の範囲内に前記切片が位置する場合、前記近似曲線を算出する基となった点集合は道路に沿って設けられたガードレールを表しており、前記座標値の範囲外に前記切片が位置する場合、前記点集合はガードレールを表すものではないと判定することを特徴とする請求項３記載の車両用道路形状認識装置。
  5. 前記点集合抽出手段は、一定方位内で、一定距離内の点同士からなる点集合を抽出することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の車両用道路形状認識装置。
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