JP6222786B2 - 車両の走行制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、自車両前方の先行車両に追従して走行する追従走行を制御する車両の走行制御装置に関する。

従来、自動車等の車両においては、自車両の前方を走行する先行車両に追従して走行する追従走行システムが知られている。この先行車両への追従走行システムは、例えば、特許文献１に開示されているように、先行車両をレーダやカメラ等により捕捉して、ステアリング、トランスミッション、エンジン及びブレーキを自動的に制御するものであり、路面上にレーンマーカや白線のない道路を走行する場合や、渋滞時等の低速走行時に先行車両との車間距離が小さくなって前方視野が制限され、車線（白線）を認識困難な場合に有効である。

特開２００４−３２２９１６号公報

上述の追従走行システムでは、先行車両の背面領域を観測して算出される車幅方向の中心位置を制御目標点として、この制御目標点に自車両の幅方向の中心位置が一致するように制御することが一般的である。

しかしながら、追従対象となる先行車両が自車両よりも小型の車両である場合、小型の車両は車両重量や重心位置等の要因により外乱の影響を受けやすく、蛇行ぎみに走行したり、路肩側や対向車線側に寄って偏走する可能性が高くなる。

このため、自車両よりも小型の車両に追従して走行する場合には、自車両と同じ大きさ以上の車両に追従して走行する場合に比較して自車両の動きが過敏になり、蛇行や偏走の挙動が顕著となってドライバに不安感を与える虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、先行車両に追従して走行する際に、先行車両の挙動に起因する自車両の不必要な挙動を抑制することのできる車両の走行制御装置を提供することを目的としている。

本発明の一態様による車両の走行制御装置は、自車両前方の先行車両に追従して走行する追従走行を制御する車両の走行制御装置であって、前記先行車両の車幅方向の設定位置を前記追従走行の制御目標点として設定する制御目標点設定部と、前記制御目標点への目標操舵角と実操舵角との偏差に基づいて、前記目標操舵角への操舵制御量を補正する操舵制御量補正部とを備える。

本発明の他の態様による車両の走行制御装置は、自車両前方の先行車両に追従して走行する追従走行を制御する車両の走行制御装置であって、前記先行車両の車幅方向の設定位置を前記追従走行の制御目標点として設定する制御目標点設定部と、前記先行車両の形状データに基づいて、前記制御目標点への操舵制御における不感帯を設定する不感帯設定部とを備える。

本発明によれば、先行車両に追従して走行する際に、先行車両の挙動に起因する自車両の不必要な挙動を抑制することができる。

走行制御システムの構成図 車両移動量の説明図 先行車両の走行軌跡を示す説明図 先行車両に対する操舵制御の不感帯を示す説明図 先行車両の挙動に対する自車両の修正操舵量を示す説明図 先行車両と自車両との車幅比に対する不感帯の設定を示す説明図 操舵制御量の補正係数を示す説明図 追従走行制御のフローチャート

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１において、符号１０は、自動車等の車両の走行制御システムであり、車両の自律的な自動運転を含む走行制御を実行する。この走行制御システム１０は、走行制御装置１００を中心として、外部環境認識装置２０、エンジン制御装置４０、変速機制御装置５０、ブレーキ制御装置６０、操舵制御装置７０等が車内ネットワークを形成する通信バス１５０を介して互いに接続されて構成されている。

外部環境認識装置２０は、車載のカメラ、ミリ波レーダ、レーザレーダ等の各種デバイスにより、自車両周囲の外部環境を認識する。本実施の形態においては、外部環境認識装置２０として、車載のカメラ１及び画像認識装置２による外部環境の認識を主として説明する。

カメラ１は、本実施の形態においては、同一対象物を異なる視点から撮像する２台のカメラ１ａ，１ｂで構成されるステレオカメラであり、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を有するシャッタ同期のカメラである。これらのカメラ１ａ，１ｂは、例えば、車室内上部のフロントウィンドウ内側のルームミラー近傍に所定の基線長で配置されている。

カメラ１で撮像した左右一対の画像は、画像認識装置２で処理される。画像認識装置２は、ステレオマッチング処理により、左右画像の対応位置の画素ずれ量（視差）を求め、画素ずれ量を輝度データ等に変換して距離画像を生成する。距離画像上の点は、三角測量の原理から、自車両の車幅方向すなわち左右方向をＸ軸、車高方向をＹ軸、車長方向すなわち距離方向をＺ軸とする実空間上の点に座標変換され、自車両が走行する道路の白線（車線）、障害物、自車両の前方を走行する車両等が３次元的に認識される。

車線としての白線は、画像から白線の候補となる点群を抽出し、その候補点を結ぶ直線や曲線を算出することにより、認識することができる。例えば、画像上に設定された白線検出領域内において、水平方向（車幅方向）に設定した複数の探索ライン上で輝度が所定以上変化するエッジの検出を行って探索ライン毎に１組の白線開始点及び白線終了点を検出し、白線開始点と白線終了点との間の中間の領域を白線候補点として抽出する。

そして、単位時間当たりの車両移動量に基づく白線候補点の空間座標位置の時系列データを処理して左右の白線を近似するモデルを算出し、このモデルにより、白線を認識する。白線の近似モデルとしては、ハフ変換によって求めた直線成分を連結した近似モデルや、２次式等の曲線で近似したモデルを用いることができる。

エンジン制御装置４０は、エンジン運転状態を検出する各種センサ類からの信号及び通信バス１５０を介して送信される各種制御情報に基づいて、エンジン（図示せず）の運転状態を制御する。エンジン制御装置４０は、例えば、吸入空気量、スロットル開度、エンジン水温、吸気温度、空燃比、クランク角、アクセル開度、その他の車両情報に基づき、燃料噴射制御、点火時期制御、電子制御スロットル弁の開度制御等を主要とするエンジン制御を実行する。

変速機制御装置５０は、変速位置や車速等を検出するセンサ類からの信号や通信バス１５０を介して送信される各種制御情報に基いて、自動変速機（図示せず）に供給する油圧を制御し、予め設定された変速特性に従って自動変速機を制御する。

ブレーキ制御装置６０は、例えば、ブレーキスイッチ、４輪の車輪速、ハンドル角、ヨーレート、その他の車両情報に基づき、４輪のブレーキ装置（図示せず）をドライバのブレーキ操作とは独立して制御する。また、ブレーキ制御装置６０は、各輪のブレーキ力に基づいて各輪のブレーキ液圧を算出して、アンチロック・ブレーキ・システムや横すべり防止制御等を行う。

操舵制御装置７０は、例えば、車速、ドライバの操舵トルク、ハンドル角、ヨーレート、その他の車両情報に基づき、車両の操舵系に設けた電動パワーステアリングモータ（図示せず）によるアシストトルクを制御する。また、操舵制御装置７０は、走行制御装置１００からの指示により、自車両の前方を走行する先行車両への追従走行時、先行車両の走行軌跡を追従する操舵量で電動パワーステアリングモータを駆動制御する。

次に、走行制御システム１０の中心となる走行制御装置１００について説明する。走行制御装置１００は、外部環境認識装置２０による外部環境の認識結果に基づいて、自車両の走行車線に沿った進行路への走行制御と、先行車両に追従して走行する追従走行制御とを実行する。これらの走行制御は、走行制御装置１００の制御部１０１と制御目標点設定部１０２とを主要部として実行される。

詳細には、自車両前方に先行車両が捕捉されていない場合、制御部１０１は、道路の白線を認識して自車両の走行車線を検出し、この走行車線に沿った進行路を設定する。そして、この進行路上を設定車速で走行するよう、エンジン制御装置４０、変速機制御装置５０、ブレーキ制御装置６０、及び操舵制御装置７０を介した走行制御を実行する。

一方、自車両前方に先行車両が捕捉されている場合には、制御部１０１は、先行車両と所定の車間距離を維持しながら進行路上を設定車速で走行するよう、エンジン制御装置４０、変速機制御装置５０、ブレーキ制御装置６０、及び操舵制御装置７０を介した走行制御を実行する。また、渋滞時等のような低速走行時には、制御部１０１は、先行車両に追従して走行する追従走行制御を行う。

この先行車両への追従走行では、制御部１０１は、先行車両の走行軌跡を算出し、この走行軌跡に一致するように操舵制御装置７０を介した操舵制御を行うと共に、エンジン制御装置４０、変速機制御装置５０、ブレーキ制御装置６０を介した走行駆動制御を実行する。この場合、先行車両への追従走行制御は、自車両の車線内での横位置が制御目標点設定部１０２で設定される制御目標点に一致するよう操舵角を修正することにより、自車両の進行方向を決定する制御となる。

制御目標点は、基本的には、先行車両の背面領域の車幅方向の中心位置で設定され、この中心位置を先行車両の位置として走行軌跡が算出される。具体的には、例えば、カメラ１の撮像画像から先行車両の背面領域の中心位置を求め、この中心位置を先行車両の位置を示す候補点として、撮像画像の１フレーム当たりの自車両の移動量に基づいてフレーム毎の候補点を求める。そして、この候補点の点群を近似する曲線を先行車両の走行軌跡として算出する。

詳細には、図２に示す関係から、自車両Ｃ１の車速Ｖと、自車両Ｃ１のヨーレートから求まるヨー角θとに基づき、フレームレートΔｔ（撮像画像が１フレーム更新されるまでの時間）での自車両Ｃ１’への移動量Δｘ，Δｚを、以下の（１）式及び（２）式を用いて計算する。
Δｘ＝Ｖ・Δｔ・ｓｉｎθ …（１）
Δｚ＝Ｖ・Δｔ・ｃｏｓθ …（２）

次に、以下の（３）式及び（４）式に示すように、前フレーム以前に検出した先行車両の候補点Ｐold(Ｘold,Ｚold)に対し、自車両の移動量Δｘ，Δｚを減算した後、現在のフレームにおける車両固定座標系（Ｘ',Ｚ'）への座標変換を行うことにより、現在のフレームにおける先行車両の候補点Ｐpre(Ｘpre,Ｚpre)の座標を計算する。
Ｘpre＝(Ｘold・Δｘ)・ｃｏｓθ−(Ｚold・Δｚ)・ｓｉｎθ …（３）
Ｚpre＝(Ｚold・Δｘ)・ｓｉｎθ＋(Ｚold・Δｚ)・ｃｏｓθ …（４）

そして、これらの候補点の点群に対して、例えば最小二乗法を適用することにより、以下の（５）式に示すような曲線を求め、この曲線を先行車両の走行軌跡Ｐとする（図３参照）。（５）式において、係数Ｋ１は走行軌跡の曲率成分、係数Ｋ２は走行軌跡のヨー角成分（自車両に対する走行軌跡の傾き成分）、係数Ｋ３は自車両に対する走行軌跡の横位置成分を示している。
Ｐ＝Ｋ１・Ｚ²＋Ｋ２・Ｚ＋Ｋ３ …（５）

前述したように、先行車両の走行軌跡に追従する制御では、先行車両の背面領域の車幅方向の中心位置を制御目標点として自車両の操舵角を制御する。従って、制御部１０１は、自車両の車幅方向の中心位置が制御目標点に一致するように、操舵制御装置７０を介して現在の操舵角を修正し、先行車両への追従走行を制御する。この制御目標点への操舵制御は、現在の操舵角で進行したときの自車両位置と制御目標点との偏差δxに基づくフィードバック制御を主として実行される。

例えば、以下の（６）式に示すように、制御目標点との偏差δxに基づく操舵量に、先行車両の走行軌跡の曲率Ｋ１に基づくフィードフォーワード分と、自車両のヨー角を走行軌跡のヨー角成分Ｋ２に一致させるための偏差δyawのフィードバック分とを加えて目標操舵角αrefを算出する。
αref＝Ｇf・δx＋Ｇff・Ｋ１＋Ｇy・δyaw …（６）
但し、Ｇf ：現在の操舵角で進行したときの自車両位置と制御目標点との偏差に対するフィードバックゲイン
Ｇff：走行軌跡の曲率に対するフィードフォワードゲイン
Ｇy ：走行軌跡と自車両との相対ヨー角に対するフィードバックゲイン

この目標操舵角αrefへの操舵制御は、目標操舵角αrefと現在の実操舵角αtとの偏差に基づく目標操舵トルクへの制御として実行される。目標操舵トルクへの制御は、具体的には、電動パワーステアリングモータの電流制御として実行され、例えば、以下の（７）式に示すように、ＰＩＤ制御による駆動電流Ｉｍで電動パワーステアリングモータが駆動される。
Ｉｍ＝Ｋv・(Ｇp・(αref-αt)＋Ｇi・∫(αref-αt)ｄｔ＋Ｇd・ｄ(αref-αt)/ｄｔ)…（７）
但し、Ｋv：モータ電圧−電流の変換係数
Ｇp：比例ゲイン
Ｇi：積分ゲイン
Ｇd：微分ゲイン

このような先行車両への追従走行では、先行車両が自車両よりも小型の車両である場合、車両重量や重心位置等の要因により外乱の影響を受けやすく、車両横位置が高周波数・高振幅で変化する傾向にある。その結果、先行車両が自車両よりも小型の車両である場合、蛇行ぎみに走行したり、路肩側や対向車線側に寄って偏走する可能性が高く、この先行車両に追従する自車両の動きが過敏になり、蛇行や偏走の挙動が顕著となってドライバに不安感を与える虞がある。

このため、走行制御装置１００は、図１に示すように、制御部１０１、制御目標点設定部１０２に加えて、不感帯設定部１０３、操舵制御量補正部１０４を備えており、先行車両の挙動に起因する自車両の不必要な挙動を抑制し、ドライバに不安感を与えないようにしている。

不感帯設定部１０３は、先行車両の形状データに基づいて、操舵制御の不感帯の幅Ｄを設定する。本実施の形態においては、カメラ１の撮像画像から取得される先行車両の形状データと、予め自車両の装置内に記憶されている対応する形状データの関係に基づいて、先行車両が自車両よりも小型の車両であるか否かを判断し、先行車両が自車両よりも小型の車両である場合、不感帯の幅Ｄを設定する。先行車両と自車両との形状データの関係としては、車幅比、面積比（車幅方向をＸ軸、車高方向をＹ軸としたときの平面上への投影面積の比）、縦横比（車高／車幅）等を用いることができる。

具体的には、図４に示すように、先行車両Ｃ２が自車両Ｃ１よりも小型の車両であると判断したとき、そのときの先行車両Ｃ２に対する追従走行の制御目標点を中心とする所定範囲に不感帯の幅Ｄを設定し、先行車両Ｃ２が蛇行しても、自車両Ｃ１の中心点と制御目標点との偏差λが不感帯の幅Ｄ内である場合には、自車両Ｃ１の操舵量を修正することなく保持する。

すなわち、先行車両Ｃ２が自車両Ｃ１以上の大きさである場合には、図５に破線で示すように、自車両の進路偏差を示す目標操舵角αrefと実操舵角αtとの偏差Δαに対して自車両Ｃ１の操舵量αを修正するが、先行車両Ｃ２が自車両Ｃ１よりも小型の車両である場合には、図５に実線で示すように、図中に（Ｄ）で示す不感帯の領域内では目標操舵角αrefと実操舵角αtとの偏差Δαに対して自車両Ｃ１の操舵量αの修正を抑制し、自車両の過敏な反応を防止する。

不感帯の幅Ｄは、本実施の形態においては、先行車両の車幅と自車両の車幅との車幅比に基づいて設定する。すなわち、不感帯設定部１０３は、カメラ１の撮像画像から得られる先行車両の背面領域のＸ軸方向の右端位置と左端位置との差分を先行車両の車幅Ｗ２として算出し、この車幅Ｗ２と、予め既知の自車両の車幅Ｗ１との車幅比Ｗ２／Ｗ１に基づいて例えばテーブル参照等によって係数Ｋｄを算出し、この係数Ｋｄを先行車両の車幅Ｗ２に乗算して不感帯の幅Ｄを設定する。

図６は、不感帯を設定するテーブルの特性例を示し、車幅比Ｗ２／Ｗ１が小さくなるほど、すなわち先行車両が自車両よりも小さくなるほど、係数Ｋｄが大きくなる特性に設定されている。係数Ｋｄは、最大で例えばＫｄ＝０．８程度となるように設定されており、Ｗ２／Ｗ１≧１．０すなわち先行車両が自車両以上の大きさである場合には、Ｋｄ＝０で実質的に不感帯は無くなる。

尚、図６のテーブルは、説明を容易にするため、車幅比Ｗ２／Ｗ１に基づいて係数Ｋｄを設定するものとして説明したが、自車両の車幅Ｗ１は既知の定数であるため、参照パラメータ（車幅比Ｗ２／Ｗ１）から逆算される先行車両の車幅Ｗ２と、テーブル上の該当する係数Ｋｄの値とを予め乗算した値（不感帯の幅Ｄ）を直接テーブルに格納するようしても良い。

また、図６のテーブルにおいては、車幅比Ｗ２／Ｗ１に基づいて係数Ｋｄを設定するようにしているが、先行車両の車幅Ｗ２に基づいて係数Ｋｄを設定するようにしても良い。すなわち、自車両の車幅は既知であり、先行車両の車幅を検出することで先行車両が自車両よりも小型の車両であるか否かが分かるため、先行車両の形状データから一義的に不感帯の幅を設定するようにしても良い。

操舵制御量補正部１０４は、先行車両が路肩側や対向車線側に寄って偏走している場合、目標操舵角への操舵制御量を補正して先行車両の挙動に起因する自車両の不必要な挙動を抑制する。この操舵制御量の補正は、目標操舵角αrefと実操舵角αtとの偏差Δαに応じて設定される補正係数Ｋα（Ｋα≦１．０）を用いて、操舵制御量を低減する方向の補正となる。

この場合、先行車両が偏走しているか否かは、車線（白線）を認識可能な場合には、車線中央位置に対する先行車両の横位置から判断することができる、一方、渋滞走行時等で先行車両によってカメラ１の視野が制限され、車線（白線）を認識できない場合には、実操舵角、目標操舵角と実操舵角との偏差等によって偏走を判断することができる。通常の走行環境であれば、車線幅及び車線内で操舵角の最大値は既知とすることができるため、実操舵角や目標操舵角と実操舵角との偏差が所定の閾値を超えている場合、先行車両が偏走している（自車両も先行車両に追従して偏走している）と判断することができる。

また、補正係数Ｋαは、例えば、図７に示すような特性のテーブルを参照して設定される。図７の例では、目標操舵角αrefと実操舵角αtとの偏差Δαが小さい領域から大きくなるにつれて、Ｋα＝１．０から単調減少的に小さくなる特性とされている。この補正係数Ｋαによる操舵制御量の低減補正は、具体的には、例えば、上述の（６）式による目標操舵角αref、或いは（７）式による電動パワーステアリングモータの駆動電流Ｉｍに乗算することで実行され、追従走行における自車両の操舵角や操舵力を低減させて自車両の不要な挙動を抑制する。

また、より詳細には、補正係数Ｋαは、目標操舵角αrefにおける自車両位置と制御目標点との偏差に対するフィードバックゲインＧｆを主として、適宜、走行軌跡と自車両との相対ヨー角に対するフィードバックゲインＧy、目標操舵トルクへのＰＩＤ制御における制御ゲイン（比例ゲインＧp、積分ゲインＧi、微分ゲインＧd）等に分配して乗算することで、各ゲインンを低下させ、目標操舵角αref、電動パワーステアリングモータの駆動電流Ｉｍを低減補正するようにしても良い。

次に、走行制御装置１００における先行車両への追従走行制御のプログラム処理について、図８のフローチャートを用いて説明する。

この先行車両への追従走行制御では、最初のステップＳ１において、自車両の前方の所定範囲内に認識された先行車両が有るか否かを調べる。そして、先行車両が認識されていない場合には、本処理を抜け、先行車両が認識されている場合、ステップＳ１からステップＳ２へ進み、先行車両の背面領域の中心位置を先行車両に対する追従走行の制御目標点として設定する。

次に、ステップＳ３へ進んで先行車両の車幅Ｗ２を算出し、この先行車両の車幅Ｗ２と予め装置内に記憶されている自車両の車幅Ｗ１との車幅比Ｗ２／Ｗ１に基づくテーブル参照等により、不感帯の幅Ｄを設定する（図６参照）。そして、ステップＳ４で制御目標点と自車両の中心位置との偏差が不感帯内であるか否かを調べる。

その結果、制御目標点と自車両の中心位置との偏差が不感帯内である場合には、ステップＳ４からステップＳ５へ進んで先行車両が路肩側或いは対向車線側によって偏走しているか否かを調べる。そして、制御目標点と自車両の中心位置との偏差が不感帯内にあり、且つ先行車両が偏走していない場合には、ステップＳ５からステップＳ６へ進んで現在の操舵角を保持する。

一方、ステップＳ４において、制御目標点と自車両の中心位置との偏差が不感帯から外れている場合、ステップＳ４からステップＳ７へ進み、先行車両が偏走しているか否かを調べる。そして、先行車両が偏走していない場合には、ステップＳ７からステップＳ９へ進み、自車両の車幅方向の中心位置が制御目標点に一致するよう追従走行制御を実行する。このときの追従走行制御は、制御目標点への操舵制御、すなわち制御目標点と自車両の中心位置との偏差に基づいて操舵角を修正する操舵制御を中心として実行される。

また、ステップＳ７において先行車両が偏走している場合には、ステップＳ７からステップＳ８へ進み、制御目標点への目標操舵角αrefと現在の実操舵角αtとの偏差Δαに基づくテーブル参照等により、操舵制御量の補正係数Ｋαを設定する（図７参照）。そして、ステップＳ９で、補正係数Ｋαで低減補正した操舵制御量に基づいて、制御目標点への操舵制御を実行する。

このように本実施の形態においては、先行車両の車幅方向の設定位置を制御目標点として追従走行する際に、先行車両が自車両よりも小型の車両で蛇行や偏走といった挙動を示す場合にも、この先行車両の挙動に起因する自車両の不必要な挙動を抑制することができ、ドライバに不安感を与えることがない。

１ カメラ
２ 画像認識装置
１０ 走行制御システム
２０ 走行環境認識装置
３０ 地図情報処理装置
４０ エンジン制御装置
５０ 変速機制御装置
６０ ブレーキ制御装置
７０ 操舵制御装置
１００ 走行制御装置
１０１ 制御部
１０２ 制御目標点設定部
１０３ 不感帯設定部
１０４ 操舵制御量補正部
１５０ 通信バス
Ｃ１ 自車両
Ｃ２ 先行車両

Claims (4)

1. 自車両前方の先行車両に追従して走行する追従走行を制御する車両の走行制御装置であって、
   前記先行車両の車幅方向の設定位置を前記追従走行の制御目標点として設定する制御目標点設定部と、
   前記制御目標点への目標操舵角と実操舵角との偏差に基づいて、前記目標操舵角への操舵制御量を補正する操舵制御量補正部と
   を備えることを特徴とする車両の走行制御装置。
2. 自車両前方の先行車両に追従して走行する追従走行を制御する車両の走行制御装置であって、
   前記先行車両の車幅方向の設定位置を前記追従走行の制御目標点として設定する制御目標点設定部と、
   前記先行車両の形状データに基づいて、前記制御目標点への操舵制御における不感帯を設定する不感帯設定部と
   を備えることを特徴とする車両の走行制御装置。
3. 更に、前記先行車両の形状データに基づいて、前記制御目標点への操舵制御における不感帯を設定する不感帯設定部を備えることを特徴とする請求項１記載の車両の走行制御装置。
4. 前記形状データは、前記先行車両の車幅であることを特徴とする請求項２又は３記載の車両の走行制御装置。

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