(57)【要約】【課題】車線曲率の補正を適正化して車線追従性を向上する。【解決手段】画像情報から検出された車線曲率ρを、補正係数ｋと車線曲率推定値ρs との積の形で記述し、オブザーバを用いて、各車両状態量と共に、車線曲率推定値ρs 及び補正係数ｋを算出（推定）することにより、車線曲率推定値ρs を真の車線曲率ρ* に近づけることにより、車線曲率を検出するための画像情報と車両状態量を推定するための車両モデルとのメジャーを合致させるための補正係数ｋを真値に近づける。補正係数ｋが定常値ｋ0 、即ち真値になると、車線幅が変わらない限り、車線曲率を検出するための画像情報と車両モデルとのメジャーは変化しないから、補正係数ｋ自体を変更する必要がなく、車線曲率の補正が適正化されて車線追従性が向上する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも車線曲率を含む走行車線の状態を検出する走行車線状態検出手段と、前記走行車線状態検出手段で検出された走行車線の曲率の誤差を補正する車線曲率補正手段と、前記車線曲率補正手段で補正された走行車線曲率に基づくと共に、前記走行車線状態検出手段で検出された走行車線の状態に対し、自車両が所定の状態になるようにして、当該走行車線に追従するように走行する車線追従走行制御手段とを備え、前記車線曲率補正手段は、車線曲率の推定値に補正係数を乗じた値が前記走行車線状態検出手段で検出された走行車線の曲率になるものとし、その車線曲率の推定値と真の車線曲率とが一致するように前記補正係数を補正することを特徴とする車線追従走行制御装置。
【請求項２】
前記車線曲率補正手段は、前記走行車線状態検出手段で検出された走行車線状態及び自車両の走行状態に基づいて前記車線曲率の推定値及び補正係数を状態量として推定する状態推定器を備え、前記状態推定器は、前記車線曲率の推定値が前記真の車線曲率に一致するように前記補正係数を補正することを特徴とする請求項１に記載の車線追従走行制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走行車線を検出し、その走行車線に追従するように自車両を走行させる車線追従走行制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の車線追従走行制御装置としては、例えば前方注視点の走行車線に対する横変位が予め設定された値になるようにして、自車両を走行車線に追従走行させるものがある（例えば非特許文献１）。
この車線追従走行制御装置では、走行車線の曲率を予め検出していないため、走行車線への追従性が十分でない可能性がある。そこで、例えば画像処理等によって検出された走行車線の曲率を加味することにより、走行車線への追従性を向上する手法が考えられる（例えば非特許文献２）。
【０００３】
一般に、画像処理等によって検出された走行車線曲率には検出誤差があるため、例えば真の車線曲率と検出された車線曲率との誤差を差分値としてモデル化し、補償する手法がある（例えば非特許文献３）。
【非特許文献１】“Research on automated lane tracking using linear quadratic control procedure for a curved path”(JSAE Review 20(1999) 325-329)
【非特許文献２】「走行レーン認識におけるロバストなレーンマーキング候補選択の一手法」（電子情報通信学会論文誌Ｄ−II Vol.J81-D-II No.8 pp.1904-1911 1998年8 月）
【非特許文献３】「最適制御入門  レギュレータとカルマン・フィルタ」（pp.222-224  東京大学出版会  1987）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の車線追従走行制御装置において、検出される走行車線の曲率と真の車線曲率との誤差を単に差分値として補正したのでは、例えば車線曲率が変化したときに、再び誤差を補正する必要が生じ、それが車線曲率が変化する度に繰り返されるため、車線追従性がよくないという問題がある。
本発明はこれらの諸問題を解決するために開発されたものであり、車線曲率の誤差の補正を適正化することにより車線追従性を向上することができる車線追従走行制御装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記諸問題を解決するため、本発明の車線追従走行制御装置は、検出された車線曲率の誤差を補正して車線追従走行制御を行うにあたり、例えば状態推定器等によって推定された車線曲率の推定値に補正係数を乗じた値が検出された走行車線の曲率になるものとし、その車線曲率の推定値と真の車線曲率とが一致するように前記補正係数を補正することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
而して、本発明の車線追従走行制御装置によれば、検出された車線曲率の誤差を補正して車線追従走行制御を行うにあたり、例えば状態推定器等によって推定された車線曲率の推定値に補正係数を乗じた値が検出された走行車線の曲率になるものとし、その車線曲率の推定値と真の車線曲率とが一致するように前記補正係数を補正する構成としたため、車線曲率の推定値が真の車線曲率に近づくにつれて補正係数も真値に近づき、走行車線の曲率が変化しても補正係数自体を変更する必要がないので、車線曲率の推定値は真の車線曲率に漸近し続けるといったように、車線曲率の誤差の補正が適正化され、車線追従性を向上することが可能となる。このとき、前記車線曲率の推定値及び補正係数を共に状態推定器の状態量にすることにより、車線曲率の推定値が真の車線曲率に近づくにつれて補正係数も真値に近づく。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を図面を伴って説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す概略構成図であり、ステアリングホイール１に連結されたステアリングシャフト２には、例えば電動パワーステアリング装置にも適用される電動モータ３が車線追従走行制御のためのアクチュエータとして取付けられている。この電動モータ５の回転トルクは、走行中に前輪から操舵系に伝達されるセルフアライニングトルクに抗して当該前輪を転舵するための操舵トルクとして作用する。そして、この電動モータ５の回転トルク、即ち操舵トルクは、コントロールユニット４からの指令電流ｉ* によって制御される。
【０００８】
また、車室内のインナーミラーステー等の固定部には、ＣＣＤカメラ等のカメラ５が設置されている。このカメラ５は、車両前方状況を撮像し、撮像した画像データをカメラコントローラ６に出力する。カメラコントローラ６は、例えば特開平１１−１０２４９９号公報に記載されているように、単眼カメラ２５の画像データを二値化等の処理により自車両近傍の白線を検出すると共に、図２に示すように所定の車両前方注視点Ｌでの走行車線に対する自車両の相対横変位、この場合は走行車線中央からの自車両の横変位ｙCr、車両の白線の接線に対するヨー角Φｒ、自車両前方の走行車線の曲率ρを算出し、これらをコントロールユニット４に出力する。
【０００９】
コントロールユニット１０は、図示しないマイクロコンピュータ等の離散化されたディジタルシステムで構成され、入力されたヨー角Φｒ、横変位ｙCr、車線曲率ρに基づいて車線追従に必要な操舵指令トルクを求め、その操舵指令トルクを達成するための指令電流ｉ* を算出し、この指令電流ｉ* を電流サーボ系を介して前記電動モータ３に出力することにより、車線追従走行制御を行う。なお、電動モータ３の実際の電流値ｉは、当該電動モータ３の電流サーボ系に設けられた電流センサ７によってモニタされる。また、実際の操舵角θは、ステアリングシャフト系に設けられた操舵角センサ８によってモニタされる。
【００１０】
図３に、本実施形態のコントロールユニットの構成をブロック図化して示す。この実施形態では、前記電流センサ７で検出されたモータ電流値ｉ、操舵角センサ８で検出された操舵角θ、カメラコントローラ６で算出された車線曲率ρ及び走行車線に対する自車両の横変位ｙCr及び車線曲率ρを用い、状態推定器（オブザーバ）９によって車線曲率推定値ρs 及び車両状態量をベクトルとして算出（推定）する。そして、この状態推定器９で算出した車両状態量及び車線曲率推定値ρs に基づいてレギュレータ１０で指令電流ｉ* を算出出力する。
【００１１】
図４には、状態推定器９の構成を示す。図４中、Ａ、Ｂ、Ｃは、システムの構成から決定される行列、Ｋｅは、一般にエスティメータゲインと呼ばれ、後述する白色ノイズや観測ノイズによって決定される行列であり、代表的にはカルマンフィルタがあるが、ここでは本発明の主要構成ではないのでその詳細な説明は省略する。以下、前記カメラコントローラ６で算出（検出）された車線曲率ρと、真の車線曲率を求めるべく推定された車線曲率推定値ρs とを考慮した各行列の設定方法について説明する。まず、算出（検出）された車線曲率ρと車線曲率推定値ρs とを比例係数ｋを用いて下記１式で記述する。
【００１２】
【数１】
2005044208.tif 000003
【００１３】
このうち、比例係数ｋ及び車線曲率推定値ρs を共に状態量、即ち前記状態推定器９で推定する対象の状態量とみなす。すると、前記１式は、二つの状態量の積であり、非線形系であるので、下記２式を用いて線形近似を行う。
【００１４】
【数２】
2005044208.tif 000004
【００１５】
前記比例係数ｋ及び車線曲率推定値ρs を含む状態量の行列ｘを下記３式で表す。なお、式中の［…］t は転置行列を意味する。即ち、行列ｘは列ベクトルである。
【００１６】
【数３】
2005044208.tif 000005
【００１７】
このうち、φ’はヨーレイト、φr は走行車線に対する自車両のヨー角、ｙ' Crは横移動速度、ｙCrは走行車線中央からの自車両の横変位、θ’は操舵角速度、θは操舵角である。
前記比例係数ｋ及び車線曲率推定値ρs の振る舞いを夫々ランダムウォークモデルでモデル化し、夫々のモデルで用いられる白色ノイズを夫々ｗｋ、ｗρとし、前記モータ電流値ｉを入力とする状態方程式を下記４式で表した。
【００１８】
【数４】
2005044208.tif 000006
【００１９】
また、前記４式中の行列の各要素は、周知の車両運動方程式から求められ、夫々、下記５〜１９式で与えられる。
【００２０】
【数５】
2005044208.tif 000007
【００２１】
但し、Ｉは車両のヨー慣性モーメント、ｍは車両質量、ｌｆは重心点〜前輪車軸間距離、ｌｒは重心点〜後輪車軸間距離、ｃｆは前輪コーナリングパワー（２輪分）、ｃｒは後輪コーナリングパワー（２輪分）、Ｎはステアリングギヤ比、Ｊｍはモータ慣性モーメント（ステアリング系を含む）、ξは前輪トレール長さ、Ｋｐはパワーステアリングアシスト係数（１でアシストなし、０でフルアシスト）、Ｋｔはモータトルク定数である。
また、状態方程式は、前記２式を考慮して、下記２０式で近似した。
【００２２】
【数６】
2005044208.tif 000008
【００２３】
また、前記レギュレータ１０の出力は下記２１式で与えられる。なお、各状態量に乗じられるゲインｋ1 〜ｋ7 は、例えば最適レギュレータの手法を用いて設定可能であるが、本発明の主要構成ではないので、その詳細な説明は省略する。
【００２４】
【数７】
2005044208.tif 000009
【００２５】
次に、上記実施形態の動作をコントロールユニット４で実行するために、操舵制御処理手順を表す図５のフローチャートを伴って説明する。
この操舵制御処理は、所定サンプリング時間ΔＴ（例えば１０msec. ）毎のタイマ割込処理として実行され、先ず、ステップＳ１で、前記電流センサ７で検出されたモータ電流値ｉを読込む。
次にステップＳ２に移行して、前記カメラコントローラ６で算出された走行車線に対するヨー角φｒ、走行車線に対する横変位ｙCr、車線曲率ρ、前記操舵角センサ８で検出された操舵角θを読込む。
【００２６】
次にステップＳ３に移行して、前記ステップＳ１で読込まれたモータ電流値ｉ、ステップＳ２で読込まれた走行車線に対するヨー角φｒ、走行車線に対する横変位ｙCr、車線曲率ρ、操舵角θを用い、前記状態推定器９によって前記車線曲率推定値ρs を含む各種の車両状態量を算出（推定）する。このとき、車線曲率推定値ρs が真の車線曲率に近づくにつれて比例係数ｋも真値に近づくことは後段に詳述する。
【００２７】
次にステップＳ４に移行して、前記ステップＳ３で算出（推定）された車線曲率推定値ρs を含む各種の車両状態量を用い、前記レギュレータ１０によって電動モータ３への指令電流ｉ* を算出する。
次にステップＳ５に移行して、前記ステップＳ４で算出された指令電流ｉ* を出力することにより、前記電動モータ３をサーボ駆動してからメインプログラムに復帰する。
【００２８】
次に、前記実施形態の作用について説明する。図６は、車両が直線路、曲線路、直線路、曲線路の順に走行したときの検出された車線曲率ρ、車線曲率推定値ρs 、真の車線曲率ρ* 、比例係数ｋの経時変化を示す。直線路から曲線路、或いは曲線路から直線路への移行期には、車線曲率が一様に変化する過渡期を経て、車線曲率が一様な、つまり定常期の曲線路或いは直線路に移行するものとする。また、走行開始時には、検出された車線曲率ρは車線曲率推定値ρs に一致している、即ち比例係数ｋは“１”であるものとし、且つ検出された車線曲率ρと真の車線曲率ρ* との間には所定の計測誤差が存在するものとする。
【００２９】
この場合は、検出された車線曲率ρが真の車線曲率ρ* よりも小さいので（検出値が真値より大きい場合でも、全く同様に作用する）、前記１式から推察されるように、状態推定器９の作用によって車線曲率推定値ρs が真の車線曲率ρ* が大きくなるにつれて比例係数ｋは次第に小さくなり、車線曲率推定値ρs が真の車線曲率ρ* に一致するに至って定常値ｋ0 になる。つまり、車線曲率推定値ρs が真の車線曲率ρ* が近づくにつれて比例係数ｋは定常値ｋ0 、即ち後述するところの真値に近づくことになる。従って、例えば図６の曲線路で車線曲率推定値ρs と真の車線曲率ρ* とが一致しているときには、下記２２式が成立する。
【００３０】
【数８】
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【００３１】
この関係式が、前記定常期の曲線路だけでなく、その後も普遍的に成立することを以下に説明する。
画像処理による車線認識では、所謂ＣＣＤが一枚だけの単眼カメラ方式が一般的である。その場合、左右の車線区分線の間隔、即ち車線幅を仮定して車線曲率を算出している。つまり、仮定された一定の車線幅の車線が、カメラの撮像画像内において、或る車線曲率で連続しているという仮定の下に車線曲率を算出している。従って、例えば仮定した車線幅がａ［ｍ］であり、実際の車線幅がｂ［ｍ］である場合、真の車線曲率ρ* に一致した車線曲率推定値ρs と検出された車線曲率ρとの間には下記２３式が成立する。
【００３２】
【数９】
2005044208.tif 000011
【００３３】
単に長さ［ｍ］を補正する場合の補正係数はｂ／ａ倍であるが、車線曲率の場合は次元が［１／ｍ］であるため補正係数はａ／ｂとなる。車線幅が変化するのは、例えば高速道路から一般道に移行するときなど特殊な状況であり、一般的には車線幅は変化しない。つまり、例えば前記２３式において比例係数ｋがａ／ｂに一致した後は、車線幅が変化しない限り、同じ関係、即ち前記２２式が成立し続けることになる。これは、即ち撮像画像とコンピュータ内でモデル化されている車両モデルとのメジャー（長さの基準値）を合わせていると換言できる。
【００３４】
以上は、カメラが単眼である場合の説明であるが、カメラがステレオ、即ち二つの撮像画像から車線曲率を推定する場合でも、前記２２式が普遍的に成立する。即ち、前述したような制御ブロックを構成する状態推定器やレギュレータは、制御対象である車両をモデル化して構成している。その車両モデルは、例えば前記４式からも明らかなように、長さの次元を持つパラメータによって構成されている。従って、この構成の下で、例えば曲線路をずれなく走行するためには、画像から想定される単位長さが車両モデルの単位長さに一致している必要がある。ここで、画像が想定する長さａ［ｍ］が車両モデルを構成するメジャーでｂ［ｍ］となっている場合には、車線曲率推定値ρs が真の車線曲率ρ* に一致した時点で前記２３式が成立し、前述のように車線幅が普遍的であるために前記２２式も成立することになる。
【００３５】
このように、本実施形態の車線追従走行制御装置によれば、車線曲率推定値ρs に補正係数ｋを乗じた値が検出された車線曲率ρになるものとし、その車線曲率推定値ρと真の車線曲率ρ* とが一致するように前記補正係数ｋを補正することにより、車線曲率推定値ρs が真の車線曲率ρ* に近づくにつれて補正係数ｋも定常値ｋ0 、即ち真値に近づき、補正係数ｋが一旦真値になった後は、車線幅が変わらない限り、車線曲率が変化しても補正係数ｋ自体を変更する必要がないので、車線曲率推定値ρs は真の車線曲率ρ* に一致又は漸近し続けるといったように、車線曲率の誤差の補正が適正化され、車線追従性を向上することが可能となる。
【００３６】
また、前記車線曲率推定値ρs 及び補正係数ｋを共に状態推定器の状態量にすることにより、車線曲率推定値ρs が真の車線曲率ρ* に近づくにつれて補正係数ｋも真値に近づけることができ、また係数の補正という非線形な処理を安定して行うことが可能となる。
これに対し、検出された車線曲率ρと真の車線曲率ρ* との誤差を、単に長さの差である差分値ρoff として算出し、それを検出された車線曲率ρに加算して補正し、その補正された値を用いて前記電動モータへの指令電流ｉ* を算出するものについて説明する。
【００３７】
図７には、こうした車線追従走行制御装置の制御ブロックの一例を示す。この車線追従走行制御装置では、状態推定器で前記車線曲率差分値ρoff を算出（推定）し、それを検出された車線曲率ρに加算し、その加算された値を用いてレギュレータで指令電流ｉ* を算出する。この制御ブロック中の状態推定器の一例を図８に示す。この状態推定器では、前記本実施形態の図４のものと比較して、車線曲率ρを観察するための行列Ｄが付加されており、合わせて前記車線曲率差分値ρoff が出力される。
この状態推定器において、モータ電流値ｉ及び車線曲率ρを入力とし、前記車線曲率差分値ρoff を状態量とする状態方程式は下記２４式で表れる。
【００３８】
【数１０】
2005044208.tif 000012
【００３９】
また、観測方程式は下記２５式で表れる。
【００４０】
【数１１】
2005044208.tif 000013
【００４１】
また、レギュレータによる指令電流ｉ* の算出式は下記２６式で表れる。
【００４２】
【数１２】
2005044208.tif 000014
【００４３】
この車線追従走行制御装置は、前述した従来技術の組合せで構成されるものであり、車線曲率が一定である場合には、走行車線からずれることなく車線を追従することが可能である。
しかしながら、前記図６のように直線路、曲線路を交互に走行すると、車線曲率が変化する度に、前記検出された車線曲率ρと真の車線曲率ρ* との誤差を補正するための真値から前記車線曲率差分値ρoff がずれてしまい、再び車線曲率差分値ρoff を算出（推定）し直さなければならない。
【００４４】
図９は、前記図６のように直線路、曲線路、直線路の順に移行したときの検出された車線曲率ρ、真の車線曲率ρ* 、車線曲率差分値ρoff の経時変化を示したものである。このように、従来技術の組合せで構成される車線追従走行制御装置（以下、従来の車線追従走行制御装置とも記す）では、前記車線曲率差分値ρoff が、単に、定常期に検出された車線曲率ρと真の車線曲率ρ* との数値の誤差を補正するというだけのものになってしまい、撮像画像と車両モデルとのメジャーの誤差を補正するものになっていないため、検出された車線曲率ρと真の車線曲率ρ* との数値の誤差が変化すると、その度に車線曲率差分値ρoff を算出（推定）し直さなければならなくなり、車線追従性に劣ることが分かる。
【００４５】
以上より、前記カメラ５及びカメラコントローラ６が本発明の走行車線状態検出手段を構成し、以下同様に、前記状態推定器９が車線曲率補正手段を構成し、前記レギュレータ１０及びコントロールユニット４及び電動モータ３が車線追従走行制御手段を構成している。
なお、前記実施形態では、コントロールユニットの演算処理をマイクロコンピュータによって行わせたが、これに代えて各種の理論回路を組合せて構成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の車線追従走行制御装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】走行車線に対する自車両の横変位の説明図である。
【図３】図１のコントロールユニットの構成を示すブロック図である。
【図４】図３の状態推定器の構成を示すブロック図である。
【図５】図１のコントロールユニットで行われる演算処理を示すフローチャートである。
【図６】図１の車線追従走行制御装置の作用の説明図である。
【図７】従来の車線追従走行制御装置のブロック図である。
【図８】図７の状態推定器のブロック図である。
【図９】図７の車線追従走行制御装置の作用の説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
１はステアリングホイール
２はステアリングシャフト
３は電動モータ
４はコントロールユニット
５はカメラ
６はカメラコントローラ
７は電流センサ
８は操舵角センサ
９は状態推定器
１０はレギュレータ
【図１】
2005044208.tif 000015
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005044208.tif 000021
【図８】
2005044208.tif 000022
【図９】
2005044208.tif 000023