JP6448029B2

JP6448029B2 - 連結車両の連結角取得装置及び連結車両の運転支援システム

Info

Publication number: JP6448029B2
Application number: JP2015013464A
Authority: JP
Inventors: 興平秋山
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2035-01-27
Also published as: JP2016137802A

Description

本発明は、トラクタ（牽引車）及びこれに牽引されるトレーラ（被牽引車）等の連結車両の連結角を取得（検出）する技術、更には取得（検出）した連結角を利用して連結車両の運転を支援する技術に関する。

従来より、動力を備えたトラクタ（牽引車）に、略垂直な枢軸廻りに回動可能にトレーラ（被牽引車）を連結した連結車両がある（なお、連結は切り離し可能に構成されることが多い）。

ところで、ドライバー不足などのために輸送効率の向上を図ることが望まれることから、エンジン等の動力源と被輸送物（荷物）の積載部分とが一体となったトラック等に代えて、動力を備えたトラクタ（牽引車）と被輸送物を積載するトレーラ（被牽引車）とを切り離し可能に連結した連結車両の利用の拡大が予測される。

すなわち、ドライバーが不足するような状況下では、ドライバーはある特定のトラクタにて、被輸送物を積載した一のトレーラを牽引してある目的地まで走行し、そこでトレーラをそのトラクタから切り離した後、そのトラクタに、次の被運搬物を積載した別のトレーラ（被牽引車）を連結して別の場所に被輸送物を輸送するといったような輸送形態が拡がることが想定される。

しかし、一方で、トラクタにトレーラを連結した連結車両は運転が難しく、ドライバーには経験と技量が要求される（特に、後退は経験の浅いドライバーには難易度が高い）といった実情があり、ドライバーの育成には時間が掛かるため、輸送形態が変化したとしても、熟練したドライバーの不足を解消することはなかなか困難な状況であることには変わりがない。

このようなことから、連結車両の運転を支援するシステムも提案されている。
例えば、特許文献１では、トレーラの予想移動軌跡を表示することで連結車両の運転を支援するシステムが記載されている。

具体的には、特許文献１の連結車両の運転支援システムは、トラクタとトレーラから成る連結車両のトレーラ側にカメラを設置し、カメラは、トレーラの後方を撮影する。運転支援システムは、各撮影画像を路面に平行な鳥瞰図座標上に投影することによって各撮影画像を鳥瞰図画像に変換する一方で、複数の撮影画像から成る動画像のオプティカルフローを鳥瞰図座標上で導出し、このオプティカルフローとトラクタの移動情報からトラクタとトレーラの連結角を推定し、更に、連結角とトラクタの移動情報からトレーラの移動予想軌跡を導出するようになっている。そして、この移動予想軌跡を鳥瞰図画像に重畳した画像を表示装置に出力するように構成されている。
特開２００９−６０４９９号公報実開２００２−１４５１３３号公報特開平１１−１６００６３号公報特開平０８−３３２９７３号公報

また、特許文献２には、回転連結部により連結されたトラクタとトレーラとの連結角を検出するトレーラ連結角検出装置として、トラクタ側に設置された被検知物体が存在する方向の角度を、トレーラ側に設置されたスキャンレーダにより検出することで、連結角を検出するようにしたものが記載されている。

また、特許文献３には、トラクタに装着されたカプラベースにワイヤ部材の一端を固定し、トレーラ側にワイヤ部材の他端を長手方向に進退自在に支持し、キングピンと同心状の半円弧状に形成されたワイヤ案内部材にワイヤ部材を沿わせ、トレーラとトラクタとの間の連結角の変化に伴いワイヤ部材の他端側を長手方向に進退変位させ、ワイヤ部材の長手方向の進退変位量をトレーラとトラクタのキングピン回りの連結角にそのまま対応した量としてストロークセンサにより検出することで、構造が簡単でしかもトラクタとトレーラの連結角度を簡単な処理で精度よく測定できるようにした連結車の連結角測定装置が記載されている。

更に、特許文献４には、トラクタ側のカプラにトレーラ前部中央のキングピンが係止され、カプラにてトレーラの前部が支持された状態で牽引されるセミトレーラにおいて、トレーラ側にキングピンを中心とする半径Ｒの円弧をなす磁気スケールを埋め込み設置し、トラクタ側のカプラの側面部に磁気スケールに所定の隙間をもって対向する磁気センサを取付け、磁気センサの出力信号からトレーラの連結角度の変化方向と変化量とを演算にて求めるようにしたセミトレーラの連結角度検出装置が記載されている。

しかしながら、特許文献１のものでは、画像を取得するための比較的高価なカメラが必要であると共に、複雑な画像処理によりトレーラの予想移動軌跡を取得するものであるため、演算処理システムには高速な演算速度が要求される共に膨大な画像情報等を記憶するための大容量のメモリが必要になるため、構成が複雑かつ高度化するため低コスト化が難しいといった実情がある。

また、特許文献２のものでは、高価なスキャンレーダが必要であると共に、リフレクタはスキャンレーダのレーザ光を正確に長期間反射させるために頻繁なメンテナンスが必要となることが予測されるなど、風雨や塵を受けるような使用形態である通常の連結車両には、コスト的にもメンテナンスの煩雑さなどの面からも適さないといった実情がある。

また、特許文献３のものは、連結角の変化に応じて伸縮する特殊なワイヤー構造とストロークセンサが必要となるなど、連結角の検出のために特殊な構造とセンサ類が別途必要となるため、コストが増大するといった実情がある。

また、特許文献４のものも、連結角の検出のために磁気センサや磁気スケール等が別途必要となるため、コストが増大するといった実情がある。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、比較的簡単かつ低コストな構成で、トラクタとトレーラからなる連結車両の連結角の取得（検出）のために別途特殊なハードウェアを必要とすることなく、連結角を取得（検出）することができる連結車両の連結角取得装置を提供することを目的とする。また、この連結車両の連結角取得装置を用いた運転支援システムを提供することを目的とする。

このため、本発明に係る連結車両の連結角取得装置は、
牽引車両と、該牽引車両に対して略垂直方向に延びる連結軸廻りに回転可能に連結される被牽引車両と、からなる連結車両の連結角取得装置であって、
牽引車両に対する被牽引車両の連結軸廻りの回転角である連結角θを、

δ：実操舵角（実舵角）
Ｌ１：トラクタの車軸間距離
Ｌ２：連結点からトレーラの後輪軸までの距離
Ｌｈ：カプラオフセット（連結点からトラクタの後輪軸までの距離）
Ｖ１：トラクタの後輪の車輪速（トラクタの旋回中心に関する後輪軸の旋回速度）
Ｖ２：トレーラの後輪の車輪速（トレーラの旋回中心に関する後輪軸の旋回速度）
により取得することを特徴とする。

また、本発明に係る連結車両の運転支援システムは、上述した本発明に係る連結車両の連結角取得装置により取得される連結角に基づく情報をドライバーに提示して、連結車両の運転を支援することを特徴とする。

本発明に係る連結車両の運転支援システムにおいて、連結車両の後退運転において、そのまま後退させても連結角θが変化しない実操舵角δのときに、その旨をドライバーに報知することを特徴とすることができる。

本発明によれば、比較的簡単かつ低コストな構成で、トラクタ（牽引車両）とトレーラ（被牽引車両）からなる連結車両の連結角の取得（検出）のために別途特殊なハードウェアを必要とすることなく、連結角を取得（検出）することができる連結車両の連結角取得装置を提供することができる。また、この連結車両の連結角取得装置を用いた運転支援システムを提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る連結車両の連結角検出装置が適用される連結車両（トラクタ及びトレーラ）の一例を示す側面図である。同上実施の形態に係る連結車両の連結角検出装置が適用される連結車両（トラクタ及びトレーラ）の一例を示す平面図である。（Ａ）は連結車両の後退運転での旋回のきっかけを与える運転操作を説明する平面図であり、（Ｂ）は連結車両の後退運転において連結車両の連結角を一定に保つ場合の運転操作について説明する平面図であり、（Ｃ）は連結車両の後退運転においてハンドル（ステアリング）を直進状態に戻す運転操作について説明する平面図である。同上実施の形態に係る連結車両の連結角検出装置における連結角θを幾何学モデルに基づき検出（取得）するための説明図である。（Ａ）は本実施の形態に係る連結車両の運転支援システムの一構成例を示す斜視図であり、（Ｂ）は連結車両の後退運転における低速旋回時の幾何学モデルを示す図である。（Ａ）は同上実施の形態に係る連結車両の運転支援システムのモニター表示の一例であり連結車両の後退運転での旋回のきっかけを与える運転操作の支援に役立つ表示の一例であり、（Ｂ）は同上連結車両の運転支援システムのモニター表示の一例であり連結車両の後退運転において連結車両の連結角を一定に保つ場合の運転操作の支援に役立つ表示の一例であり、（Ｃ）は同上連結車両の運転支援システムのモニター表示の一例であり連結車両の後退運転においてハンドル（ステアリング）を直進状態に戻す運転操作の支援に役立つ表示の一例である。

以下、本発明に係る実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

本発明の一実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。
図１、図２に示すように、本発明の一実施の形態に係る連結車両１０は、トラクタ（牽引車両）１とトレーラ（被牽引車両）２とからなり、トラクタ（牽引車）１とトレーラ（被牽引車）２は、連結器３により、略垂直方向に延在される連結軸廻りに回転可能に連結された構成となっている。なお、連結器３は、トラクタ（牽引車両）１とトレーラ（被牽引車両）２とを切り離し可能に構成することができる。

なお、トレーラ（被牽引車両）２はトラクタ（牽引車両）１に対して略垂直方向に延びる連結軸廻りに回転可能に連結され、トラクタ（牽引車両）１に対するトレーラ（被牽引車両）２の連結軸廻りの回転角を連結角と称する。

ここで、運転が難しいとされる連結車両１０の後退での方向転換（車庫入れなど）の際の運転操作について説明する。
（１）後退での車庫入れのように、連結車両１０をある目的の方向に後退させる場合には、まず初めに、トレーラ２の後端側が目的の方向を向くようにトレーラ２を旋回（回転）させる必要がある。そのために、図３（Ａ）に示すように、トラクタ１を、トレーラ２に旋回（回転）のきっかけを与えるために、目的の方向とは逆方向にハンドルを切る。

（２）次に、トレーラ２の回転（後退方向）の方向付けができたら、図３（Ｂ）に示すように、トラクタ１のハンドル操作量（操舵角）を一定に保ちつつ、連結角θを一定に維持しながら連結車両１０を後退させていく。

（３）そして、図３（Ｃ）に示すようにトレーラ２側が目的の方向と一致したら（例えば、車庫入れの枠線等と平行になったら）、ハンドルを直進状態に戻し目定位置まで直線的に後退させる。

従って、連結角θを検出することができれば、ドライバーにトレーラ２の予測進行方向などに関する情報を提供することができ、運転を支援することが可能となる。

しかしながら、既述したように、従来においては、連結角θを検出するために別途高価なハードウェアを取り付けなければ連結角θを検出することはできなかったが、本発明者は、連結車両１０が他の目的で既に搭載しているハードウェア（センサ類）を利用することで、簡単かつ低コストな構成により連結角θを取得（検出）できることに想到した。

すなわち、本実施の形態に係る連結角取得（検出）装置は、以下のようにして連結角θを取得（検出）するように構成される。
既知の情報であるとトラクタ１の車軸間距離Ｌ１（操舵輪軸と後輪軸の間の距離）と、トレーラ２の連結点（連結軸）と後輪軸の間の距離Ｌ２と、トラクタ１の連結点（連結軸）と後輪軸の間の距離Ｌｈと、を用いて、図４に示すような幾何学モデルに基づいて演算により連結角θを算出する。連結角θは、トラクタ（牽引車）１とトレーラ（被牽引車）２との連結器３による連結点（鉛直な連結軸）廻りの回転角度である（或いは、平面図上におけるトラクタ（牽引車）１の長手方向中心軸と、トレーラ（被牽引車）２の長手方向中心軸と、が交差する角度である）。

そして、本実施の形態に係る連結角検出装置では、トラクタ１の前輪（操舵輪）の実操舵角δを、ステアリングの舵角センサにより取得される実舵角（実際の操舵角）に基づいて取得する。具体的には、実操舵角δは、例えば、ステアリングの舵角センサにより取得される舵角にステアリングギヤボックスのギヤ比をかけることで取得することができる。
なお、舵角センサは、連結車両１０に他の目的（ＤＳＣ（ダイナミック・スタビリティー・コントロール）など）のために既に搭載されているセンサである。

また、本実施の形態では、トラクタ１の後輪の車輪速度Ｖ１を車輪速度センサにより取得すると共に、トレーラ２の後輪の車輪速度Ｖ２を車輪速度センサにより取得する。例えば、回転速度にタイヤ径を考慮することで取得することができる。また、左右輪で速度差がある場合は、左右輪の平均値を代表値として利用することができる。
なお、トラクタ１の後輪の車輪速度センサ、トレーラ２の後輪の車輪速度センサは、他の目的（ＤＳＣ（ダイナミック・スタビリティー・コントロール）、アンチロックブレーキシステムなど）のために既に搭載されているセンサである。

なお、図４において、
θ：連結角（演算により取得）
δ：実操舵角（実舵角）（操舵角センサの出力に基づき取得）
Ｌ１：トラクタの車軸間距離（ホイールベース）（既知の値）（コンピュータに入力或いは記憶）
Ｌ２：連結点からトレーラの後輪軸までの距離（既知の値）（コンピュータに入力或いは記憶）
Ｌｈ：カプラオフセット（連結点からトラクタの後輪軸までの距離）（既知の値）（コンピュータに入力或いは記憶）
Ｖ１：トラクタの後輪の車輪速（トラクタの旋回中心に関する後輪軸の旋回速度）（車輪速センサの出力に基づき取得）
Ｖ２：トレーラの後輪の車輪速（トレーラの旋回中心に関する後輪軸の旋回速度）（車輪速センサの出力に基づき取得）
Ｖｃ：連結点の速度（演算により取得）
Ｒ１：連結点からトラクタの旋回中心までの距離（演算により取得）
Ｒ２：連結点からトレーラの旋回中心までの距離（演算により取得）
Ｒ３：トラクタの車両中心線Ｘ（後輪軸の幅方向中心線）からトラクタ旋回中心までの最短距離（演算により取得）
Ｒ４：トレーラの車両中心線Ｙ（後輪軸の幅方向中心線）からトレーラ旋回中心までの最短距離（演算により取得）
α：トラクタの車両中心線Ｘと、連結点とトラクタ旋回中心を結ぶ線と、のなす角（交差角）（演算により取得）
と定義する。

図４の幾何学モデルによると、
Ｖｃ／Ｖ１＝Ｒ１／Ｒ３、Ｖ２／Ｖｃ＝Ｒ４／Ｒ２の関係から、
Ｖ２／Ｖ１＝Ｒ４／Ｒ２・Ｒ１／Ｒ３ …（式１）

Ｒ４／Ｒ２＝ｃｏｓ（π／４＋θ−α） …（式２）

また、
Ｒ３＝Ｌ１／ｔａｎδ
Ｒ１＝（Ｌｈ^２＋Ｒ３^２）^1／２＝（Ｌｈ^２＋（Ｌ１／ｔａｎδ）^２）^1／２より、
Ｒ１／Ｒ３＝（（Ｌｈ・ｔａｎδ）^２＋Ｌ１^２）^1／２／Ｌ１ …（式３）

α＝ｔａｎ^−１（Ｌ１／（Ｌｈ・ｔａｎδ）） …（式４）

ここで、式１に、式２、式３、式４を代入し変形すると、
ｃｏｓ（π／４＋θ−α）＝V2／V1・L1／（（Lh・ｔａｎδ）^２＋Ｌ１^２）^1／２

θ＝ｃｏｓ^−１（V2／V1・L1／（（Lh・ｔａｎδ）^２＋L1^２）^1／２−π／４＋α
＝ｃｏｓ^−１（V2／V1・L1／（（Lh・ｔａｎδ）^２＋L1^２）^1／２−π／４＋
ｔａｎ^−１（L1／（Lh・ｔａｎδ））
となる。
すなわち、

…（数式Ａ）
これにより、連結角θを演算により取得（検出）することができる。

このように、本実施の形態に係る連結角取得（検出）装置によれば、既に車両に搭載されているセンサ類を活用すると共に、上述した幾何学モデルに基づく演算により、簡単かつ低コストで、連結車両１０のトラクタ１とトレーラ２の連結角θを取得（検出）することができる。

なお、本実施の形態に係る連結車両の連結角取得（検出）装置によれば、長さ（Ｌ２）が異なるトレーラ２を連結するような場合でも、Ｌ２の値を変更するだけで、簡単に連結車両１０のトラクタ１とトレーラ２の連結角θを取得（検出）することができる。

そして、連結車両１０のトラクタ１とトレーラ２の連結角θを取得することができれば、運転が難しいとされる連結車両１０の後退での車庫入れの際の運転を支援することができる。

例えば、図５（Ｂ）に示すように、連結車両１０のトラクタ１とトレーラ２の連結角θと、実操舵角δと、からトレーラ２の後退時の進行方向を算出（予測）することができ、これを運転室内のモニター等に表示させることにより、ドライバーはトレーラ２の後退の際に向かわせたい方向に対するステアリング操作量や回転方向を予測することができ、以って連結車両１０の後退運転の支援に貢献することができる。

より具体的な連結車両の運転支援システムとしては、図５（Ａ）に示すように、トレーラ２の後方を撮影するバックカメラを搭載すると共に、運転席にモニター、スピーカーを搭載するといった構成とすることができる。上述した各種センサの出力及びバックカメラの画像情報はＥＣＵ（電子制御ユニット）に送られて演算処理や運転支援に利用される。また、モニターやスピーカーにはＥＣＵからの情報が送られて、視覚的及び聴覚的な案内を運転者に提示することができるようになっている。

そして、ＥＣＵは、連結車両１０のトラクタ１とトレーラ２の連結角θと、実操舵角δと、からトレーラ２の後退時の進行方向（図５（Ｂ）参照）を算出（予測）すると共に、その予測結果をバックカメラの映像に重ねてモニターに表示する（図６（Ａ）参照）。
これにより、ドライバーは、バックカメラの映像に重畳されたトレーラ２の後退時の進行方向の表示を参考に後退運転をすることができるため、円滑かつ安全な後退運転の支援の実現に貢献するができる。

具体的には、図３（Ａ）で説明したように、連結車両１０をある目的の方向に後退させる場合には、まず初めに、トレーラ２の後端側が目的の方向を向くようにトレーラ２を旋回させる必要があり、その際に、トラクタ１を、トレーラ２に回転のきっかけを与えるために、目的の方向とは逆方向にハンドルを切る必要があるが、ドライバーは、図６（Ａ）に示すような表示を参考に（バックカメラの映像に重畳されたトレーラ２の後退時の進行方向の表示を参考に）、どちらにどの程度ハンドルを切れば、トレーラ２の回転のきっかけとなるかを直ちに知ることができるため、本実施の形態に係る連結車両の運転支援システムは、連結車両１０の後退運転の際の有益な支援を実現することができる。

また、ＥＣＵは、そのまま後退させても連結角θが変化しない操舵角δのときに、音声等の聴覚情報によりドライバーに報知する。このとき、例えば、ドライバーは、ＥＣＵにより予測されたトレーラ２の後退時の進行方向の表示と、バックカメラの映像から、そのまま連結角θを一定に保つことで目的方向への移動が達成できると判断した場合には、その音声（すなわち、その連結角θ）が継続されるようにハンドルの操舵角δを維持することで、連結車両を目的方向へ後退させることができる（図６（Ｂ）参照）。
このような音声報知（音声案内：音情報の提示）により、本実施の形態に係る連結車両の運転支援システムは、円滑かつ安全な後退運転の支援の実現に貢献することができる。

更に、ドライバーは、図６（Ｃ）に示すように、バックカメラの映像に重畳されたトレーラ２の後退時の進行方向の表示を参考に後退運転をすることができるため、駐車場の枠内に平行に駐車できるタイミングを知ることができるため、そのタイミングでハンドルを直進状態に戻し目定位置まで直線的に後退させることで、良好に所定位置に駐車させることができるため、本実施の形態に係る連結車両の運転支援システムは、円滑かつ安全な後退運転の支援の実現に貢献することができる。

このように、本実施の形態に係る連結車両の運転支援システムによれば、バックカメラの映像と、トレーラ２の後退時の進行方向の表示と、を重畳させてモニターに表示させて、後退運転の際の有益な情報をドライバーに対して提示するようにしたので、円滑かつ安全な後退運転の支援の実現に貢献することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、比較的簡単かつ低コストな構成で、トラクタとトレーラからなる連結車両の連結角の取得（検出）のために別途特殊なハードウェアを必要とすることなく、連結角を取得（検出）することができる連結車両の連結角取得（検出）装置を提供することができる。また、この連結車両の連結角取得（検出）装置を用いた運転支援システムを提供することができる。

ところで、上記各実施の形態において、連結車両はセミトレーラに限定されるものではなく、フルトレーラ（牽引機能と搭載機能を有するトラクタが、牽引機能が無く搭載機能のみを有するトレーラを連結し牽引するような連結車両）にも適用可能である。

また、トレーラ２の後輪軸が前後方向に並ぶ２軸（図３、図５（Ａ））の場合には、図４の幾何学モデルにおいては後輪前後２軸の平均値をＬ２やＶ２の値として用いることで、上記と同様に処理する（取り扱う）ことができる。

以上で説明した各実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

１トラクタ（牽引車両）
２トレーラ（被牽引車両）
３連結器
１０連結車両（セミトレーラ）

Claims

牽引車両と、該牽引車両に対して略垂直方向に延びる連結軸廻りに回転可能に連結される被牽引車両と、からなる連結車両の連結角取得装置であって、
牽引車両に対する被牽引車両の連結軸廻りの回転角である連結角θを、

δ：実操舵角（実舵角）
Ｌ１：トラクタの車軸間距離
Ｌ２：連結点からトレーラの後輪軸までの距離
Ｌｈ：カプラオフセット（連結点からトラクタの後輪軸までの距離）
Ｖ１：トラクタの後輪の車輪速（トラクタの旋回中心に関する後輪軸の旋回速度）
Ｖ２：トレーラの後輪の車輪速（トレーラの旋回中心に関する後輪軸の旋回速度）

により取得することを特徴とする連結車両の連結角取得装置。
請求項１に記載の連結車両の連結角取得装置により取得される連結角に基づく情報をドライバーに提示して、連結車両の運転を支援することを特徴とする連結車両の運転支援システム。
連結車両の後退運転において、そのまま後退させても連結角θが変化しない実操舵角δのときに、その旨をドライバーに報知することを特徴とする請求項２に記載の連結車両の運転支援システム。