JP7381939B2 - ３次元構造推定方法及び３次元構造推定システム - Google Patents

Description

本発明は、走行環境を表す３次元地図における自車両の位置を推定することにより、自車両の前方の３次元構造を推定するための方法及びシステムに関する。

近年、自動車庫入れや車線追従走行や自動運転など、車両の運転を支援するための技術が各種提案され、実現のための技術開発が盛んである。自動運転などの高度な運転支援を実現するためには、走行環境を表す精度の高い３次元地図が不可欠である。そこで、例えば３次元地図の元データとなる点群データを移動しながら取得するモービルマッピングシステムが提案されている（例えば特許文献１参照。）。このモービルマッピングシステムによれば、精度の高い３次元地図を効率良く作製できる。

例えば下記の特許文献２には、レーンマークや縁石やガードレールなどの３次元的な位置情報を含む高精度な３次元地図を参照することで、前方の走行環境の３次元構造を把握する技術が記載されている。そしてこの文献には、前方の３次元構造を精度高く把握することで、自動操舵や自動ブレーキなどを含む自動走行を実現できる旨が記載されている。

特開２０１８－１２８３６４号公報 特開２０１４－３４２５１号公報

高精度な３次元地図が利用可能であっても、その３次元地図における自車両の位置推定の精度が十分でない場合、３次元地図の高精度を十分に活かすことができず、高精度な運転支援を実現できないおそれがある。

本発明は、前記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、３次元地図において自車両の位置を精度高く推定することにより、自車両の前方の３次元構造を精度高く推定するための方法及びシステムを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、走行環境を表す３次元地図を元にして自車両の前方の３次元構造を推定する方法であって、
３次元地図は、少なくとも道路の構造、建物の領域、及び走行環境を構成する地物の位置が特定された２次元地図に対して、高さ方向の空間的な情報が付加された３次元的な地図であって、当該３次元地図では、走行路に敷設された各マーカに対して、少なくともマーカの識別情報がひも付けられて各マーカの位置が特定され、
前記マーカを検出するマーカ検出処理と、
前記マーカの識別情報を提供するためにマーカに対応して設けられた情報提供部から識別情報を読み取る固有情報読取処理と、
前記マーカに対する自車両の相対位置を推定する相対位置推定処理と、
前記マーカ検出処理により検出されたマーカの識別情報、及び該マーカに対する相対位置のデータ、を含むマーカ基準データを生成する処理と、
前記マーカ基準データに含まれる識別情報を利用して対応するマーカを特定し、特定されたマーカに対する自車両の相対位置に基づいて３次元地図における自車両の位置を推定する絶対位置推定処理と、
自車両の絶対方位を推定する絶対方位推定処理と、
自車両の前方の３次元構造を表す３Ｄデータを演算する処理と、を含み、
前記絶対方位推定処理では、自車両に取り付けられたセンサを利用して前記地物を検出して自車両を基準とするローカル座標系における当該地物の位置を特定すると共に、前記３次元地図における当該地物の位置を、当該ローカル座標系における当該地物の位置に変換するための座標変換を調べることで３次元地図における自車両の方位を推定し、
前記３次元構造を演算する処理において、前記３次元地図における自車両の位置及び方位を利用し、３次元地図が表すグローバル座標系における３Ｄデータを、自車両の方位を基準としたローカル座標系で表される自車両の前方の３次元構造を表す３Ｄデータに変換する３次元構造推定方法にある。

本発明の一態様は、走行環境を表す３次元地図を元にして自車両の前方の３次元構造を推定するシステムであって、
３次元地図は、少なくとも道路の構造、建物の領域、及び走行環境を構成する地物の位置が特定された２次元地図に対して、高さ方向の空間的な情報が付加された３次元的な地図であって、当該３次元地図では、走行路に敷設された各マーカに対して、少なくともマーカの識別情報がひも付けられて各マーカの位置が特定され、
前記マーカを検出するマーカ検出部と、
前記マーカの識別情報を提供するためにマーカに対応して設けられた情報提供部と、
前記マーカの識別情報を読み取る固有情報読取部と、
前記マーカに対する相対位置を推定する相対位置推定部と、
前記マーカ検出部が検出したマーカの識別情報、及び該マーカに対する相対位置のデータ、を含むマーカ基準データを生成する構成と、
前記マーカ基準データに含まれる識別情報を利用して対応するマーカを特定し、特定されたマーカに対する相対位置に基づいて３次元地図における自車両の位置を推定する絶対位置推定部と、
自車両の絶対方位を推定する絶対方位推定部と、
自車両の前方の３次元構造を表す３Ｄデータを演算する演算処理部と、を含み、
前記絶対方位推定部は、自車両に取り付けられたセンサを利用して前記地物を検出して自車両を基準とするローカル座標系における当該地物の位置を特定すると共に、前記３次元地図における当該地物の位置を、当該ローカル座標系における当該地物の位置に変換するための座標変換を調べることで３次元地図における自車両の方位を推定し、
前記演算処理部は、前記３次元地図における自車両の位置及び方位を利用し、３次元地図が表すグローバル座標系における３Ｄデータを、自車両の方位を基準としたローカル座標系で表される自車両の前方の３次元構造を表す３Ｄデータに変換する３次元構造推定システムにある。

本発明は、走行路に敷設されたマーカの位置が特定された３次元地図を前提とし、マーカを利用して自車両の前方の３次元構造を推定する発明である。走行路に敷設されたマーカは、走行環境側に固定されているため、位置的な変動がほとんどない。位置が固定されているマーカを利用すれば、３次元地図における自車両の絶対位置を精度高く推定でき、自車両の前方の３次元構造を精度高く推定できる。

実施例１における、位置推定システムの説明図。 実施例１における、車両側のシステム構成を示すブロック図。 実施例１における、磁気マーカの説明図。 実施例１における、ＲＦＩＤタグの正面図。 実施例１における、磁気マーカを通過する際の進行方向の磁気計測値の変化を例示する説明図。 実施例１における、車幅方向に配列された磁気センサＣｎによる車幅方向の磁気計測値の分布を例示する説明図。 実施例１における、自車位置推定処理の流れを説明するフロー図。 実施例１における、方位推定処理の流れを示すフロー図。 実施例２における、方位推定処理の流れを示すフロー図。 実施例２における、２つの磁気マーカを通過したときの横ずれ量の差分Ｏfdと、方位ずれ角Ｒｆと、の関係を示す説明図。 実施例２における、直線路に沿って車両が走行する状況を例示する説明図。 実施例２における、直線路を車両が斜行する状況を例示する説明図。 実施例２における、曲線路に沿って車両が走行する状況を例示する説明図。 実施例２における、曲線路を車両が斜行する状況を例示する説明図。 実施例３における、２つの磁気マーカに対する横ずれ量の差分Ｏfdと、方位ずれ角Ｒｆと、の関係を示す説明図。

本発明の実施の形態につき、以下の実施例を用いて具体的に説明する。
（実施例１）
本例は、走行環境を表す３次元地図における自車両の絶対位置を精度高く推定することにより、自車両の前方の３次元構造を推定するための３次元構造推定方法及び３次元構造推定システム１に関する例である。この内容について、図１～図８を用いて説明する。

まず、自動運転を実現するための３次元地図と、車両５の前方の走行環境を表す３次元構造と、の関係を説明する。３次元地図は、東西南北などの方位によって規定されるグローバル座標系（ワールド座標系）において表現された地図である。そして、この３次元地図を表す３Ｄマップデータは、グローバル座標系の３Ｄデータである。一方、車両５の前方の３次元構造は、車両５を基準としたローカル座標系で表示される。この３次元構造を表す３Ｄデータは、ローカル座標系の３Ｄデータである。グローバル座標系の３Ｄデータからローカル座標系の３Ｄデータへの置換、あるいはその逆の置換には、座標変換が必要になる。この座標変換には、グローバル座標系におけるローカル座標系の座標軸の方向が特定されている必要がある。例えば、グローバル座標系における車両５の前後方向の向きである方位が特定されていれば、３次元地図の３Ｄマップデータに座標変換を施し、前方の３次元構造を表す３Ｄデータに置換できる。

本例の位置推定システム１は、３次元地図における自車両の絶対位置（自車位置という。）を推定するためのシステムである。この位置推定システム１は、例えば自動運転を実現するための自動運転システム（図示略）と組み合わせられる。例えば自動運転システムは、位置推定システム１が推定した自車位置を利用して、前方の走行環境の３次元構造を認識する。そして自動運転システムは、各種の車載センサを利用して周囲の状況を把握した上で、前方の３次元構造に応じた車両制御を実行し、車両の自動走行を実現する。

位置推定システム１は、図１及び図２のごとく、マーカの一例である磁気マーカ１０を検出するセンサアレイ２１、慣性航法のためのＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）２２、前方を撮影するカメラ３５、磁気マーカ１０の固有情報を読み取るタグリーダ３４、３次元地図の地図データである３Ｄマップデータを格納する地図データベース（地図ＤＢ）４０、及び絶対位置推定処理等を実行する制御ユニット３２、などを含んで構成されている。なお、本例では、センサアレイ２１と、ＩＭＵ２２と、が一体化された計測ユニット２を例示する。

以下、走行路の一例である道路に敷設される磁気マーカ１０を概説した後、計測ユニット２、タグリーダ３４、制御ユニット３２など車両５側の構成を説明する。
磁気マーカ１０は、図３のごとく、車両５が走行する道路の路面１００Ｓ（図１）に敷設される道路マーカである。磁気マーカ１０は、左右のレーンマークで区分された車線の中央に沿って例えば１０ｍ間隔で配置されている。

磁気マーカ１０は、図３のごとく、直径２０ｍｍ、高さ２８ｍｍの柱状をなしている。この磁気マーカ１０は、路面１００Ｓに設けた孔に収容された状態で敷設される（図１参照。）。磁気マーカ１０をなす磁石は、磁性材料である酸化鉄の磁粉を基材である高分子材料中に分散させたフェライトプラスチックマグネットである。この磁石は、最大エネルギー積（ＢＨｍａｘ）＝６．４ｋＪ／ｍ^３という特性を備えている。

本例の磁気マーカ１０の仕様の一部を表１に示す。

この磁気マーカ１０は、計測ユニット２の取付け高さとして想定する範囲１００～２５０ｍｍにおける上限の２５０ｍｍ高さにおいて、８μＴ（マイクロテスラ）の磁束密度の磁気を作用する。

本例の磁気マーカ１０では、図３及び図４のごとく、無線により情報を出力するＲＦＩＤタグ（Radio Frequency Identification、無線タグ）１５が、上端面に取り付けられている。ＲＦＩＤタグ１５は、無線による外部給電により動作し、磁気マーカ１０の固有情報の一例であるマーカＩＤ（識別情報）を送信する。

なお、本例の磁気マーカ１０が採用する磁石は、酸化鉄の磁粉を高分子材料中に分散させた磁石である。この磁石は、導電性が低く無線給電時に渦電流等が生じ難い。それ故、磁気マーカ１０に付設されたＲＦＩＤタグ１５は、無線伝送された電力を効率良く受電できる。

情報提供部の一例をなすＲＦＩＤタグ１５は、例えばＰＥＴ（Polyethylene terephthalate）フィルムから切り出したタグシート１５０（図４）の表面にＩＣチップ１５７が実装された電子部品である。タグシート１５０の表面には、ループコイル１５１及びアンテナ１５３の印刷パターンが設けられている。ループコイル１５１は、外部からの電磁誘導によって励磁電流が発生する受電コイルである。アンテナ１５３は、位置データ等を無線送信するための送信アンテナである。

次に、車両５が備える（１）計測ユニット２、（２）タグリーダ３４、（３）制御ユニット３２について説明する。さらに、地図ＤＢ４０に格納された（４）３次元地図の構造を説明する。
（１）計測ユニット
計測ユニット２（図２）は、センサアレイ２１とＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）２２と、が一体化されたユニットである。センサアレイ２１は、マーカ検出部の一例をなすと共に、横ずれ量の計測部及び相対位置推定部としての機能を備えている。ＩＭＵ２２は、相対位置推定部の一例をなしている。車幅方向に長い棒状のこの計測ユニット２は、例えば車両５のフロントバンパーの内側において、路面１００Ｓと対面する状態で取り付けられる（図１参照。）。本例の車両５の場合、路面１００Ｓを基準とした計測ユニット２の取付け高さが２００ｍｍとなっている。

計測ユニット２のセンサアレイ２１（図２）は、車幅方向に沿って一直線上に配列された１５個の磁気センサＣｎ（ｎは１～１５の整数）と、図示しないＣＰＵ等を内蔵した検出処理回路２１２と、を備えている。なお、センサアレイ２１では、１５個の磁気センサＣｎが１０ｃｍの等間隔で配置されている。

磁気センサＣｎは、アモルファスワイヤなどの感磁体のインピーダンスが外部磁界に応じて敏感に変化するという公知のＭＩ効果（Magnet Impedance Effect）を利用して磁気を検出するセンサである。磁気センサＣｎでは、アモルファスワイヤなどの図示しない感磁体が直交する２軸方向に沿って配置されている。これにより磁気センサＣｎは、直交する２軸方向に作用する磁気の検出が可能である。本例では、進行方向及び車幅方向の磁気成分を検出できるように磁気センサＣｎがセンサアレイ２１に組み込まれている。

磁気センサＣｎは、磁束密度の測定レンジが±０．６ｍＴであって、測定レンジ内の磁束分解能が０．０２μＴという高感度のセンサである。本例では、車両５の高速走行に対応できるよう、計測ユニット２の各磁気センサＣｎによる磁気計測の周波数が３ｋＨｚに設定されている。

磁気センサＣｎの仕様の一部を表２に示す。

上記のように、磁気マーカ１０は、磁気センサＣｎの取付け高さとして想定する範囲１００～２５０ｍｍにおいて８μＴ以上の磁束密度の磁気を作用できる。磁束密度８μＴ以上の磁気を作用する磁気マーカ１０であれば、磁束分解能が０．０２μＴの磁気センサＣｎを用いて確実性高く検出可能である。

センサアレイ２１の検出処理回路２１２（図２）は、磁気マーカ１０を検出するためのマーカ検出処理などを実行する演算回路である。この検出処理回路２１２は、各種の演算を実行するＣＰＵ（central processing unit）のほか、ＲＯＭ（read only memory）やＲＡＭ（random access memory）などのメモリ素子等を利用して構成されている。

検出処理回路２１２は、磁気センサＣｎが出力するセンサ信号を３ｋＨｚの周波数で取得してマーカ検出処理を実行する。そして、検出処理回路２１２は、マーカ検出処理の検出結果を制御ユニット３２に入力する。詳しくは後述するが、このマーカ検出処理では、磁気マーカ１０の検出に加えて、検出した磁気マーカ１０に対する車両５の横ずれ量の計測が行われる。検出処理回路２１２は、磁気マーカ１０に対する自車両の横ずれ量を計測する計測部としての機能を有している。

計測ユニット２に組み込まれたＩＭＵ２２は、慣性航法により車両５の運動を推定する処理を実行する慣性航法ユニットである。ＩＭＵ２２は、方位を計測する電子コンパスである２軸磁気センサ２２１と、加速度を計測する２軸加速度センサ２２２と、角速度を計測する２軸ジャイロセンサ２２３と、を備えている。自車両の運動を推定する運動推定部の一例をなすＩＭＵ２２は、加速度、角速度、方位などの計測値を利用し、車両５が過去に所在した特定の位置を起点（基準）として移動後（運動後）の相対位置を推定する。

ＩＭＵ２２は、加速度の二階積分により時々刻々の変位量を演算すると共に、角速度の積分である方位の変化量や計測方位等を利用して車両５の時々刻々の方位を精度高く算出する。そしてＩＭＵ２２は、車両５の方位に沿って変位量を積算することで基準位置に対する相対位置を演算する。ＩＭＵ２２が推定する相対位置を利用すれば、隣り合う磁気マーカ１０の中間に車両５が位置するときにも自車位置の推定が可能になる。

（２）タグリーダ
固有情報読取部の一例をなすタグリーダ３４は、磁気マーカ１０に取り付けられて保持されたＲＦＩＤタグ１５（図３）と無線で通信する通信ユニットである。タグリーダ３４は、ＲＦＩＤタグ１５の動作に必要な電力を無線で送電し、ＲＦＩＤタグ１５が送信するマーカＩＤ（固有情報）を受信する（固有情報読取処理）。

（３）制御ユニット
制御ユニット３２は、計測ユニット２やタグリーダ３４を制御すると共に、自車位置を推定する位置推定部（相対位置推定部、絶対位置推定部）としての機能を備えるユニットである。この制御ユニット３２は、各種の演算を実行するＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ素子、等が実装された電子基板（図示略）を備えている。詳しくは後述するが、位置推定部としての制御ユニット３２は、磁気マーカ１０に対する自車両の相対位置を利用して（相対位置推定処理）、３次元地図における自車両の絶対位置である自車位置を推定する（絶対位置推定処理）。

（４）３次元地図の構造
３次元地図は、道路の構造や建物の領域などが特定された２次元地図に対して、高さ方向の空間的な情報が付加された３次元的な地図である。さらに、本例の位置推定システム１が採用する３次元地図では、車線に沿って配列された磁気マーカ１０の敷設位置が特定されている。

３次元地図が含む空間的な情報としては、道路の脇の縁石の高さや、ガードレールの高さ、車線の真上に張り出した標識板などの空間的な位置の情報などがある。３次元地図には、車線を区画するレーンマーク（白線）の位置を表すレーンマーク情報なども含まれている。また、３次元地図では、走行環境を構成する地物に対して属性情報がひも付けられている。例えば、３次元地図中の縁石には、高さの情報に加えて、縁石である旨の属性情報がひも付けられている。３次元地図中の各磁気マーカ１０には、磁気マーカ１０である旨を表す属性情報、固有情報であるマーカＩＤ、３次元地図における位置を表す位置情報など、がひも付けられている。

次に、本例の（Ａ）マーカ検出処理、（Ｂ）自車位置推定処理、（Ｃ）方位推定処理、の内容を説明する。（Ａ）マーカ検出処理、及び（Ｃ）方位推定処理は、（Ｂ）自車位置推定処理の中で実行される処理である。

（Ａ）マーカ検出処理
マーカ検出処理は、計測ユニット２のセンサアレイ２１（検出処理回路２１２）が実行する処理である。センサアレイ２１は、上記の通り、磁気センサＣｎを用いて３ｋＨｚの周波数でマーカ検出処理を実行する。

上記のごとく、磁気センサＣｎは、車両５の進行方向及び車幅方向の磁気成分を計測可能である。例えばこの磁気センサＣｎが、進行方向に移動して磁気マーカ１０の真上を通過するとき、進行方向の磁気計測値は、図５のごとく磁気マーカ１０の前後で正負が反転すると共に、磁気マーカ１０の真上の位置でゼロを交差するように変化する。したがって、車両５の走行中では、いずれかの磁気センサＣｎが検出する進行方向の磁気について、その正負が反転するゼロクロスＺｃが生じたとき、計測ユニット２が磁気マーカ１０の真上に位置すると判断できる。検出処理回路２１２は、このように計測ユニット２が磁気マーカ１０の真上に位置し、進行方向の磁気計測値のゼロクロスＺｃが生じたとき、磁気マーカ１０を検出したと判断する。

また、例えば、磁気センサＣｎと同じ仕様の磁気センサについて、磁気マーカ１０の真上を通過する車幅方向の仮想線に沿う移動を想定すると、車幅方向の磁気計測値は、磁気マーカ１０を挟んだ両側で正負が反転すると共に、磁気マーカ１０の真上の位置でゼロを交差するように変化する。１５個の磁気センサＣｎを車幅方向に配列した計測ユニット２の場合には、図６の例の通り、磁気マーカ１０を介してどちらの側にあるかによって磁気センサＣｎが検出する車幅方向の磁気の正負が異なってくる。

計測ユニット２の各磁気センサＣｎの車幅方向の磁気計測値を例示する図６の分布曲線に基づけば、車幅方向の磁気の正負が反転するゼロクロスＺｃを利用して磁気マーカ１０の車幅方向の位置を特定可能である。隣り合う２つの磁気センサＣｎの中間（中央とは限らない）にゼロクロスＺｃが位置している場合には、ゼロクロスＺｃを挟んで隣り合う２つの磁気センサＣｎの中間の位置が、磁気マーカ１０の車幅方向の位置となる。あるいはいずれかの磁気センサＣｎの位置にゼロクロスＺｃが一致している場合、すなわち車幅方向の磁気計測値がゼロであって両隣りの磁気センサＣｎの磁気計測値の正負が反転している磁気センサＣｎが存在する場合には、その磁気センサＣｎの直下の位置が、磁気マーカ１０の車幅方向の位置となる。

相対位置推定部の一例をなす検出処理回路２１２は、計測ユニット２の中央の位置（磁気センサＣ８の位置）に対する磁気マーカ１０の車幅方向の位置の偏差を、磁気マーカ１０に対する車両５の横ずれ量として計測する（横ずれ量を計測する処理）。例えば、図６の場合であれば、ゼロクロスＺｃの位置がＣ９とＣ１０との中間辺りのＣ９．５に相当する位置となっている。上記のように磁気センサＣ９とＣ１０の間隔は１０ｃｍであるから、磁気マーカ１０に対する車両５の横ずれ量は、車幅方向において計測ユニット２の中央に位置するＣ８を基準として（９．５－８）×１０ｃｍとなる。なお、磁気マーカ１０に対する横ずれ量を計測する処理が、相対位置推定部による第１の相対位置推定処理の一例である。

（Ｂ）自車位置推定処理
自車位置推定処理は、３次元地図における自車位置（自車両の絶対位置）を推定する処理である。なお、図７の処理の流れには、自車位置推定処理のほか、３次元地図における自車両の方位を推定する方位推定処理、及び自車両基準の３次元構造を演算する処理が含まれている。以下、図７を参照してこれらの処理の内容を説明する。

制御ユニット３２は、車両５が走行している間、図７の自車位置推定処理を繰り返し実行する。この自車位置推定処理において、制御ユニット３２は、まず計測ユニット２を制御してマーカ検出処理Ｐ１を実行させる。制御ユニット３２は、磁気マーカ１０が検出されたとき(Ｓ１０１：ＹＥＳ)、磁気マーカ１０に対する自車両の相対位置である上記の横ずれ量を計測ユニット２から取得する(Ｓ１０２)。さらに、制御ユニット３２は、タグリーダ３４を制御してタグ読取処理Ｐ２を実行させ、磁気マーカ１０の固有情報であるマーカＩＤを取得して記録する。なお、このタグ読取処理Ｐ２の実行によって取得されて記録されたマーカＩＤは、新たな磁気マーカ１０の検出に応じて新たなマーカＩＤが取得されたときに書き換えられる。

一方、磁気マーカ１０が未検出の場合は（Ｓ１０１：ＮＯ）、制御ユニット３２は、前回磁気マーカを検出したときの自車位置を基準としてＩＭＵ２２が推定した相対位置を利用し、当該磁気マーカを基準とした自車両の相対位置の推定処理を実行する（Ｓ１１２、第２の相対位置推定処理の一例）。

具体的には、制御ユニット３２は、前回の磁気マーカが検出されたときに計測された横ずれ量、及びＩＭＵ２２が推定した相対位置に基づき、前回検出された磁気マーカに対する自車両の相対位置を推定する。前回検出された磁気マーカを基準とした自車両の相対位置は、前回の磁気マーカが検出されたときの横ずれ量分の車幅方向のベクトルと、前回磁気マーカを検出したときの自車位置を基準とする相対位置（ＩＭＵ２２が推定する相対位置）を表すベクトルと、の和により特定される。

続いて制御ユニット３２は、マーカＩＤと、磁気マーカ１０に対する相対位置のデータと、を含むマーカ基準データを生成する(Ｓ１０３)。このとき、直近のタグ読取処理Ｐ２の実行に応じて記録されたマーカＩＤが採用される。また、上記のステップＳ１０２による横ずれ量、あるいは上記のステップ１１２により推定された相対位置が、マーカ基準データに含める相対位置のデータとなる。

制御ユニット３２は、マーカ基準データに含まれるマーカＩＤを利用して地図ＤＢ４０を参照し、マーカ基準データに係る磁気マーカ１０を特定する(Ｓ１０４)。そして、制御ユニット３２は、マーカ基準データに含まれる相対位置のデータを利用し、磁気マーカ１０の敷設位置（絶対位置）を基準として自車位置（自車両の絶対位置）を推定する(Ｓ１０５、絶対位置推定処理の一例)。

さらに制御ユニット３２は、方位推定処理Ｐ３（図８を参照して後述する。）を実行することで、車両５の方位を推定する。そして制御ユニット３２は、推定した車両５の方位に基づき、自車両を基準とした３次元構造を演算する(Ｓ１０６)。具体的には、地図ＤＢ４０から読み出した周辺の３次元地図の３次元情報（３次元データ）に対して座標変換を施すことにより、自車両を基準とした３次元構造を演算する。自車両を基準とした３次元構造は、車両５を自動で走行させるための有用な情報となる。

（Ｃ）方位推定処理
前出の方位推定処理Ｐ３（図８）は、３次元地図における車両方位（自車両の絶対方位）を推定する処理である。この方位推定処理Ｐ３は、図７の自車位置推定処理の中で制御ユニット３２が実行する絶対方位推定処理の一例である。方位推定処理Ｐ３の実行に当たって、制御ユニット３２は、カメラ３５による前方画像に対して画像処理を施すことで、自車両の車線を区画するレーンマークを前方画像の中から検出する(Ｓ３０１)。

そして、制御ユニット３２は、カメラ３５の光学的仕様（光軸方向、画角など）に基づき、検出されたレーンマークの３次元的な位置を表す３Ｄデータを演算する(Ｓ３０２)。このレーンマークの３Ｄデータは、カメラ３５による画像由来の３Ｄデータであり、カメラ３５を含む車両５側を中心とした前出のローカル座標系の３Ｄデータである。以下、ローカル座標系の３Ｄデータをローカル３Ｄデータという。

続いて、制御ユニット３２は、地図ＤＢ４０を参照して３次元地図を表す３Ｄマップデータの中からレーンマークに関する３Ｄデータを読み出す（Ｓ３０３）。このレーンマークの３Ｄデータは、３次元地図を規定するグローバル座標系の３Ｄデータである。以下、グローバル座標系の３Ｄデータをグローバル３Ｄデータという。

制御ユニット３２は、レーンマークのグローバル３Ｄデータに対してどのような座標変換を施せば、上記のステップＳ３０２で演算したローカル３Ｄデータに変換できるかを調べる。具体的には、制御ユニット３２は、グローバル座標系で表現される３次元地図における絶対方位であって、レーンマークのグローバル３Ｄデータをローカル３Ｄデータに座標変換可能な方位を演算により求める。この絶対方位が、３次元地図における車両方位である。本例の制御ユニット３２は、このようにレーンマークを利用して、３次元地図における車両方位を推定する(Ｓ３０４、絶対方位推定処理)。

以上のように、本例の位置推定システム１は、磁気マーカ１０を利用して３次元地図における自車位置を推定すると共に、前方画像のレーンマークを利用して３次元地図における車両方位を推定する。３次元地図における自車位置と車両方位が分れば、車両５の前方の３次元構造を演算でき、自動運転等の制御が可能になる。

このように位置推定システム１は、走行路に敷設された磁気マーカ１０の位置情報を含む３次元地図を前提とするシステムである。この位置推定システム１は、磁気マーカ１０を利用して３次元地図における自車両の絶対位置の推定等を実現する。走行路に敷設された磁気マーカ１０は、路面に固定されているため、位置的な変動がほとんどない。位置が固定されている磁気マーカ１０を利用すれば、３次元地図における自車両の絶対位置を精度高く推定できる。本例の位置推定システム１は、ＧＰＳ電波等の受信を前提としないので、例えばトンネルやビルの谷間などＧＰＳ電波が受信できなかったり不安定になる場所であっても位置の推定精度が不安定になることがない。

本例では、全ての磁気マーカ１０にＲＦＩＤタグ１５が付設された構成を例示している。これに代えて、一部の磁気マーカ１０にＲＦＩＤタグ１５を付設することも良い。この場合には、ＲＦＩＤタグ１５が付設されない磁気マーカ１０を検出したとき、慣性航法によって推定された車両位置を利用して３次元地図を参照すると良い。そして、３次元地図上の磁気マーカのうち、慣性航法による車両位置の近傍に位置するものを、検出された磁気マーカ１０と特定すると良い。検出された磁気マーカ１０を特定できれば、その磁気マーカ１０の敷設位置を基準として横ずれ量の分だけずらした位置が新たな車両位置となる。

なお、ＲＦＩＤタグ１５に代えて、路側等に設置される電波ビーコンや赤外線ビーコン等の通信ユニットを採用しても良い。この場合には、タグリーダ３４に代えて、電波ビーコン等に対応する受信装置を車両に搭載すれば良い。

本例では、位置推定システム１と組み合わせるシステムとして、自動運転システムを例示している。自動運転システムに代えて、車線からの逸脱を警報する逸脱警報システムや、車線に沿ってハンドルを自動操舵したり車線からの逸脱を回避するための操舵アシスト力を発生させるレーンキープシステムを適用することも良い。

なお、インターネット等の通信回線に接続可能な車両５であれば、地図ＤＢ４０としての機能をサーバ装置に持たせることも良い。車両５は、車両の位置を推定するために必要な情報をサーバ装置に送信すると良い。前方画像を処理する機能についてもサーバ装置に持たせても良い。車両の加速度等を計測するセンサを車両側に設ける一方、センサ出力を取得したサーバ装置が相対位置を演算する構成であっても良い。

なお、本例では、磁気マーカ１０の固有情報としてマーカＩＤを例示している。これに代えて、あるいは加えて磁気マーカ１０の敷設位置を表す位置情報を固有情報として採用しても良い。
また、マーカとして磁気マーカ１０を例示したが、道路に配設された各種のマーカに代えることができる。例えば、路面１００Ｓに印刷されたマーカであっても良く、キャッツアイのようなマーカであっても良い。

本例では、車両方位を推定するためのローカル３Ｄデータとグローバル３Ｄデータとの対応付けに当たって、画像処理により検出されたレーンマークを利用している。これに代えて、あるいは加えて、レーザーレーダやミリ波レーダ等により検出された信号機や標識などを利用し、ローカル３Ｄデータとグローバル３Ｄデータとを対応付けることも良い。

（実施例２）
本例は、実施例１の位置推定システムに基づき、方位推定処理の内容を変更した位置推定システム１の例である。この内容について、図９～図１４を参照して説明する。
本例の位置推定システム１は、車線の中央に沿って磁気マーカ１０が２ｍ（マーカスパンＳ＝２ｍ）毎に配置された走行路を対象としている。この位置推定システム１では、２つの磁気マーカ１０を利用して車両５の相対方位が推定される。なお、本例では、車線方向に沿って磁気マーカ１０が配列されているので、隣り合う２つの磁気マーカ１０を結ぶ方位は、車線方向に略一致する。

本例の制御ユニット（図１中の符号３２）は、３次元地図における車両方位（前後方向の向き、車体の中心軸の方位）を推定する機能を備えている。この機能は、隣り合う２つの磁気マーカ１０を結ぶ方位に対する自車両の相対方位を推定する相対方位推定部としての機能と、３次元地図における自車両の絶対方位を推定する絶対方位推定部としての機能と、を組み合わせて実現される。

相対方位推定部は、隣り合う２つの磁気マーカ１０を結ぶ方位、すなわち車線方向を基準として自車両の相対方位を推定する。絶対方位推定部は、自車両の相対方位に基づいて３次元地図における自車両の絶対方位を推定する。

制御ユニットは、図９の方位推定処理を実行して、車線方向に対する自車両の相対方位を推定する。この方位推定処理は、２つの磁気マーカ１０に対する横ずれ量の差分を演算するステップ（Ｓ３１１）と、２つの磁気マーカ１０の位置を結ぶ線分方向Ｍｘ（図１０）に対する車両５の相対方位である方位ずれ角Ｒｆ（図１０）を演算するステップ（Ｓ３１２）と、を含む相対方位推定処理の一例である。

上記のごとく、隣り合う２つの磁気マーカ１０の位置を結ぶ線分方向Ｍｘは、車線方向（道路の方向）に略一致する。したがって、線分方向Ｍｘに対する車両５の相対方位である方位ずれ角Ｒｆは、車線方向に対する自車両の相対方位となる。

ステップＳ３１１では、図１０のごとく、隣り合う２つの磁気マーカ１０を車両５が通過したとき、１つ目の磁気マーカ１０に対する横ずれ量Ｏf1と、２つ目の磁気マーカ１０に対する横ずれ量Ｏf2と、の差分Ｏfdを次式により演算する。なお、同図の場合、Ｏf1とＯf2とで正負が異なることから、差分に応じてＯfdの絶対値は、Ｏf1及びＯf2の絶対値を超える値となる。

続くステップＳ３１２では、図１２のごとく、２つの磁気マーカ１０の位置を結ぶ線分方向Ｍｘに対する車両５の方位Ｄｉｒのなす角（旋回方向の角度の偏差）である方位ずれ角Ｒfを演算する。この方位ずれ角Ｒfは、横ずれ量の差分Ｏfd及びマーカスパンＳを含む次式により算出される。

例えば直線路に沿って車両５が走行している場合、車両５の向きが車線方向に沿うことになる（図１１）。この場合には、２つの磁気マーカ１０の位置を結ぶ線分方向Ｍｘに対する車両５の方位Ｄｉｒのなす角である方位ずれ角Ｒｆがゼロに近くなる。一方、車両５の向きが車線方向に沿っていない場合には（図１２）、線分方向Ｍｘに対して車両５の方位Ｄｉｒがずれて、方位ずれ角Ｒｆが大きくなる。曲線路に沿って車両５が走行している場合には（図１３）、曲線路である車線の接線方向に、２つの磁気マーカ１０の位置を結ぶ線分方向Ｍｘが一致し、この線分方向Ｍｘに対する車両５の方位Ｄｉｒのなす角である方位ずれ角Ｒｆがゼロとなる。一方、曲線路である車線を斜行する場合には（図１４）、曲線路である車線の接線方向に対する車両５の方位Ｄｉｒのずれが大きくなり方位ずれ角Ｒｆが大きくなる。

上記の通り、線分方向Ｍｘに対する車両５の方位Ｄｉｒのなす角である方位ずれ角Ｒｆは、車線方向に対する自車両の相対方位である。図９の方位推定処理によれば、磁気マーカ１０を利用して車線方向に対する自車両の相対方位を精度高く推定できる（相対方位推定処理）。磁気マーカ１０は、道路に敷設されており位置が固定されているので、２つの磁気マーカ１０を結ぶ方位の誤差は小さいと期待できる。よって、磁気マーカ１０に基づく車両５の相対方位は精度の高いものである。

そして絶対方位推定部としての制御ユニットは、車線方向に対する自車両の相対方位と、３次元地図に基づく車線方向の絶対方位と、を組み合わせて、３次元地図における自車両の絶対方位を推定する（絶対方位推定処理）。例えば制御ユニットは、３次元地図における車線方向の絶対方位を基準として自車両の相対方位の分だけ方位をずらすことで、３次元地図における自車両の絶対方位を推定する。
なお、その他の構成要件及び作用効果については、実施例１と同様である。

（実施例３）
本例は、実施例２の位置推定システムに基づいて、車線方向に対する自車両の相対方位を推定する相対方位推定処理の内容を変更した位置推定システム１の例である。この位置推定システム１では、車両５の前後に設けた計測ユニット２を利用して自車両の相対方位を推定する。この内容について、図１５を参照して説明する。

本例の車両５では、４ｍの間隔をあけて計測ユニット２が配置されている。前後の計測ユニット２の間隔である４ｍは、１つおきの２つの磁気マーカ１０の間隔４ｍ（マーカスパンＳ１とする。）と同一である。４ｍ間隔で配置された計測ユニット２によれば、１つの磁気マーカ１０を挟んで隣り合う２つの磁気マーカ１０をほぼ同じタイミングで検出できる。

図１５のように、前側の計測ユニット２が計測した横ずれ量をＯf1、後ろ側の計測ユニットが計測した横ずれ量をＯf2とし、両者の差分をＯfdとしたとき、方位ずれ角Ｒｆは、次式で演算可能である。

実施例２と同様、方位ずれ角Ｒｆは、２つの磁気マーカ１０を結ぶ方位に対する車両５の方位のなす角である。２つの磁気マーカ１０を結ぶ方位は、車線方向に略一致するため、この方位ずれ角Ｒｆは、車線方向に対する自車両の相対方位を表している。

なお、４ｍ間隔の前後の計測ユニット２の中央に、計測ユニットを追加して配置することも良い。この場合には、前側の計測ユニット２と中央の計測ユニットとの組み合わせ、及び後ろ側の計測ユニット２と中央の計測ユニットとの組み合わせのうちの少なくともいずれか一方で、２ｍ間隔で隣り合う磁気マーカ１０を同じタイミングで検出して横ずれ量を計測できるようになる。速度に応じて、２ｍ間隔の２つの磁気マーカ１０を利用するか、４ｍ間隔の２つの磁気マーカ１０を利用するか、を切り換えることも良い。
なお、その他の構成及び作用効果については、実施例２と同様である。

以上、実施例のごとく本発明の具体例を詳細に説明したが、これらの具体例は、特許請求の範囲に包含される技術の一例を開示しているにすぎない。言うまでもなく、具体例の構成や数値等によって、特許請求の範囲が限定的に解釈されるべきではない。特許請求の範囲は、公知技術や当業者の知識等を利用して前記具体例を多様に変形、変更あるいは適宜組み合わせた技術を包含している。

１ 位置推定システム
１０ 磁気マーカ（マーカ）
１５ ＲＦＩＤタグ（情報提供部）
２ 計測ユニット
２１ センサアレイ（マーカ検出部）
２１２ 検出処理回路（相対位置推定部、横ずれ量の計測部）
２２ ＩＭＵ（相対位置推定部、運動推定部）
３２ 制御ユニット（相対位置推定部、絶対位置推定部、相対方位推定部、絶対方位推定部）
３４ タグリーダ（固有情報読取部）
５ 車両

Claims (8)

1. 走行環境を表す３次元地図を元にして自車両の前方の３次元構造を推定する方法であって、
   ３次元地図は、少なくとも道路の構造、建物の領域、及び走行環境を構成する地物の位置が特定された２次元地図に対して、高さ方向の空間的な情報が付加された３次元的な地図であって、当該３次元地図では、走行路に敷設された各マーカに対して、少なくともマーカの識別情報がひも付けられて各マーカの位置が特定され、
   前記マーカを検出するマーカ検出処理と、
   前記マーカの識別情報を提供するためにマーカに対応して設けられた情報提供部から識別情報を読み取る固有情報読取処理と、
   前記マーカに対する自車両の相対位置を推定する相対位置推定処理と、
   前記マーカ検出処理により検出されたマーカの識別情報、及び該マーカに対する相対位置のデータ、を含むマーカ基準データを生成する処理と、
   前記マーカ基準データに含まれる識別情報を利用して対応するマーカを特定し、特定されたマーカに対する自車両の相対位置に基づいて３次元地図における自車両の位置を推定する絶対位置推定処理と、
   自車両の絶対方位を推定する絶対方位推定処理と、
   自車両の前方の３次元構造を表す３Ｄデータを演算する処理と、を含み、
   前記絶対方位推定処理では、自車両に取り付けられたセンサを利用して前記地物を検出して自車両を基準とするローカル座標系における当該地物の位置を特定すると共に、前記３次元地図における当該地物の位置を、当該ローカル座標系における当該地物の位置に変換するための座標変換を調べることで３次元地図における自車両の方位を推定し、
   前記３次元構造を演算する処理において、前記３次元地図における自車両の位置及び方位を利用し、３次元地図が表すグローバル座標系における３Ｄデータを、自車両の方位を基準としたローカル座標系で表される自車両の前方の３次元構造を表す３Ｄデータに変換する３次元構造推定方法。
2. 請求項１において、前記マーカ検出処理により検出されたマーカに対する自車両の車幅方向の横ずれ量を計測する処理と、
   前記自車両の運動を推定する処理と、を含み、
   前記相対位置推定処理は、前記マーカ検出処理により前記マーカが検出された場合に実行される第１の相対位置推定処理であるか、前記マーカ検出処理により前記マーカが検出された後、新たなマーカが検出されるまでの間に実行される第２の相対位置推定処理であるか、に応じて処理の内容が相違し、
   前記第１の相対位置推定処理は、前記マーカが検出された際に計測された横ずれ量に基づいて自車両の相対位置を推定する処理であり、
   前記第２の相対位置推定処理は、いずれかのマーカが検出された際に計測された横ずれ量、及び当該いずれかのマーカを検出した後の自車両の運動の推定結果に基づき、当該いずれかのマーカに対する自車両の相対位置を推定する処理である３次元構造推定方法。
3. 請求項１または２において、前記情報提供部は、前記マーカに保持された無線タグである３次元構造推定方法。
4. 請求項１～３のいずれか１項において、前記地物は、車両の走行領域を区画するレーンマーク、信号機、及び標識のうちのいずれかである３次元構造推定方法。
5. 走行環境を表す３次元地図を元にして自車両の前方の３次元構造を推定するシステムであって、
   ３次元地図は、少なくとも道路の構造、建物の領域、及び走行環境を構成する地物の位置が特定された２次元地図に対して、高さ方向の空間的な情報が付加された３次元的な地図であって、当該３次元地図では、走行路に敷設された各マーカに対して、少なくともマーカの識別情報がひも付けられて各マーカの位置が特定され、
   前記マーカを検出するマーカ検出部と、
   前記マーカの識別情報を提供するためにマーカに対応して設けられた情報提供部と、
   前記マーカの識別情報を読み取る固有情報読取部と、
   前記マーカに対する相対位置を推定する相対位置推定部と、
   前記マーカ検出部が検出したマーカの識別情報、及び該マーカに対する相対位置のデータ、を含むマーカ基準データを生成する構成と、
   前記マーカ基準データに含まれる識別情報を利用して対応するマーカを特定し、特定されたマーカに対する相対位置に基づいて３次元地図における自車両の位置を推定する絶対位置推定部と、
   自車両の絶対方位を推定する絶対方位推定部と、
   自車両の前方の３次元構造を表す３Ｄデータを演算する演算処理部と、を含み、
   前記絶対方位推定部は、自車両に取り付けられたセンサを利用して前記地物を検出して自車両を基準とするローカル座標系における当該地物の位置を特定すると共に、前記３次元地図における当該地物の位置を、当該ローカル座標系における当該地物の位置に変換するための座標変換を調べることで３次元地図における自車両の方位を推定し、
   前記演算処理部は、前記３次元地図における自車両の位置及び方位を利用し、３次元地図が表すグローバル座標系における３Ｄデータを、自車両の方位を基準としたローカル座標系で表される自車両の前方の３次元構造を表す３Ｄデータに変換する３次元構造推定システム。
6. 請求項５において、前記マーカ検出部によりマーカが検出された場合に、当該マーカに対する自車両の車幅方向の横ずれ量を計測する計測部と、
   前記自車両の運動を推定する運動推定部と、を含み、
   前記相対位置推定部は、前記マーカ検出部により前記マーカが検出された場合、当該マーカについて前記計測部が計測した横ずれ量に基づいて当該マーカに対する自車両の相対位置を推定する一方、
   いずれかのマーカが検出された後、新たなマーカが検出されるまでの間は、当該いずれかのマーカについて前記計測部が計測した横ずれ量、及び当該いずれかのマーカが検出されてから前記運動推定部により推定された自車両の運動の推定結果に基づいて、当該いずれかのマーカに対する自車両の相対位置を推定するように構成されている３次元構造推定システム。
7. 請求項５または６において、前記地物は、車両の走行領域を区画するレーンマーク、信号機、及び標識のうちのいずれかである３次元構造推定システム。
8. 請求項５～７のいずれか１項において、前記情報提供部は、前記マーカに保持された無線タグである３次元構造推定システム。

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