(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自車の進行方向に対する前車の方位角と、該前車の進行方向に対する該自車の方位角であるグレイ角とを求めて該前車の該自車に対する相対姿勢角を算出する車両姿勢角計測装置であって、
同一又は異なる通光範囲角を有する複数個のシャドウ枠を水平方向及び垂直方向に配置するとともに該シャドウ枠の通光の有無により該垂直方向においてグレイコードを形成するように同一又は異なる傾斜角を離散的に持たせた離散シャドウ枠群と、
該離散シャドウ枠群の背面に設置された光源と、
該離散シャドウ枠群を通過した該光源の出力光を受けて、該出力光によって示されるグレイコードと予め設定されたグレイ角とを比較して該出力光のグレイ角を求める受光・演算部と、
を備えたことを特徴とする車両姿勢角計測装置。
【請求項２】
請求項１において、
該受光・演算部は、該前車に設置したマーカーを撮像装置によって得た画像情報と、車間距離検出手段によって検出された前車-自車間距離とから該前車の方位角を求めることを特徴とした車両姿勢角計測装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
該シャドウ枠が、複数枚の遮光板を一定間隔で並べ、１つの枠内に組み立てたものであることを特徴とした車両姿勢角計測装置。
【請求項４】
請求項３において、
該遮光板に通光量を制限するためのヒレ板を設けたことを特徴とする車両姿勢角計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両姿勢角計測装置に関し、特に前方車両(以下、前車という。)の進行方向と自車の進行方向とによって形成される姿勢角を計測する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トラックやバスを対象とし、ドライバが運転する前車の走行軌跡に沿って後続車両を制御する所謂自動追従走行システムが研究・開発されている。
このような自動追従走行システムを導入することにより、トラックの輸送効率の向上(道路容量の確保、増大)、自動車交通の省エネルギー化(定速走行、空気抵抗軽減による燃料改善)を図ることができる。
【０００３】
この自動追従走行システムの研究は、最近、ITS(Intelligent  Transport  Systems)の一貫として、日本や欧米諸国で積極的に取り込まれており促進されているが、このシステムを実現するため、図1に示すように、自車1の進行方向Aと、前車2の進行方向Bとによって形成される姿勢角Sを求め、この姿勢角Sによって車両の隊列走行の縦方向制御と横方向制御を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような自動追従走行システムなどに用いられる姿勢角は、その要求条件が下記に示すように非常に厳しい。
(1)角度の精度要求が高いが、5°以下の微少角度を正確に測定することは困難であり、１°以下になると不可能に近い。計測結果に1°の誤差があっても、縦方向制御と横方向制御に大きな影響を与える。なお、姿勢角の変化範囲は、自動車道路を例にとると、最大±15°である。
【０００５】
(2)このため、自動追従走行システムを構築する際に前車の走行軌跡を想定しフィードフォワード制御するために高精度GPSを利用する試みが多くなされているが、トンネル内等での通信途絶の問題がある。
(3)計測速度の要求が高く、安全性を確保するため、姿勢角の計測速度は100ms/回以内が必要である。
【０００６】
従って本発明は、精度が高く、インフラの整備を必要とせず且つ計測速度が速い姿勢角計測装置を実現することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係る車両姿勢角計測装置では、図1に示すように、姿勢角Sが自車1の進行方向Aに対する前車2の方位角Tと、前車2の進行方向Bに対する自車1の方位角であるグレイ角Gとを求めることにより、下記の式から前車2の自車1に対する相対的な姿勢角Sを算出しようとするものである。
【０００８】
【数１】
0003898000.tif 000002
【０００９】
そして、上記の式(1)におけるグレイ角Gを求めるため、本発明では、同一又は異なる通光範囲角を有する複数個のシャドウ枠を水平方向及び垂直方向に配置するとともに該シャドウ枠の通光の有無により該垂直方向においてグレイコードを形成するように同一又は異なる傾斜角を離散的に持たせた離散シャドウ枠群3と、該離散シャドウ枠群3の背面に設置された光源と、該離散シャドウ枠群3を通過した該光源の出力光を受けて、該出力光によって示されるグレイコードと予め設定されたグレイ角とを比較して該出力のグレイ角Gを求める受光・演算部4とを備えている。
【００１０】
さらに、上記の受光・演算部4は、前車2に設置したマーカーを撮像装置によって得た画像情報と、車間距離検出手段によって検出された前車2−自車1間の距離とから前車2の方位角Tを求めることができる。
以下、上記のグレイ角G及び方位角Tの算出原理を順次説明する。
【００１１】
[1] グレイ角Gの算出
本発明においては、図2(1)に示すように、シャドウ枠30を用いる。このシャドウ枠30は、複数枚の遮光板5を一定の間隔で並べ、一つの枠内に組み立てたものである。
【００１２】
このようなシャドウ枠30を、図示の角度▲１▼〜▲３▼のそれぞれの角度から観察すると、同図（2)▲１▼〜▲３▼にそれぞれ示すような画像が得られる。
すなわち、このようなシャドウ枠30は、ブラインド状の遮光板5で組み立てたものであるので、或る角度(通光範囲角α)の光のみを通すことになるので、図2(1)に示したように、
0003898000.tif 000003
【００１３】
の光のみを通すことになり(同図(2)▲２▼参照)、その他は遮光されてしまう(同▲１▼及び▲３▼参照)。
次に、図3に示すように、シャドウ枠を離散的な角度βi(i＝1,2,3…)だけ傾斜させて並べたシャドウ枠311〜314を離散シャドウ枠群31として用いる。
【００１４】
従って、この場合は、
0003898000.tif 000004
すなわち
0003898000.tif 000005
【００１５】
の光のみを通すことになる。
このような離散シャドウ枠群31を横方向だけではなく縦方向にも用いたものが、図4に例示されている。すなわち、図3に示した離散シャドウ枠群31を、縦方向に4段分だけ、シャドウ枠31ａ〜31dとして設けたものであり、これらはそれぞれ後述するように4ビットのグレイコードに対応している。
【００１６】
ここで、例えばα/2＝1°のシャドウ枠を仮定するとともに、図5(3)に示すように傾斜角βのデータを設定することにより、各シャドウ枠31ａ〜31ｄの通光範囲角αは同図(2)に示すようなものとなる。
この結果、図4に示した離散シャドウ枠群3においては、光を通す明部分と通さない暗部分(網掛部分)とが存在することとなり、従って、図5(1)に示すような角度θと通光量ｘとの関係になる。すなわち、一個のシャドウ枠30はα＝2°の範囲をカバーするので、例えば0°〜8°の部分は、4個のシャドウ枠を用いることになる。
【００１７】
このように、同図(1)に示した明暗部分に着目すると、縦方向ｘは4ビットのグレイコードを構成していることが分かる。逆に言えば、同図(1)に示すようなグレイコードを実現するために、同図(2)に示す各シャドウ枠の通光範囲角αの値を決定し、かつ同図(3)に示す、傾斜角βを決定すればよいことになる。
【００１８】
すなわち、通光の有無を、“1”又は“0”で表現すると、例えば1ビット目(20ビット)のシャドウ枠31aでは0°〜1°のシャドウ枠が設けられていないので、“無＝0”となり、1°〜3°は“有＝１”となる。同様にして、3°〜5°“0”、5°〜7°は“1”、7°〜9°は“0”、9°〜11°は“1”、11°〜13°は“0”、13°〜15°は“1”となり、15°〜16°はシャドウ枠が設けられていないので“0”となる。
【００１９】
同様にして、シャドウ枠群31b〜31dにそれぞれ対応する 2ビット目(21ビット)、3ビット目(22ビット)、4ビット目(23ビット)においてそれぞれ通光の有無によって“1”又は“0”のデータが得られることになる。
この結果、横軸の角度θにおいて通光範囲角αの中心毎に1°間隔で4ビットのデータを取ると、例えば、0.5°においては“1000”であり、1.5°においては“1001”となり、これを15.5°まで1°間隔でデータを取ると図６に示すようなグレイコード対グレイ角のデータが得られる。
【００２０】
これは、ｎ桁目を“1”にしてそこまでのコードを逆の順番に用いるという「グレイコード」になっており、必ず１文字しか変化しない状態になっていることが分かる。
従って、このようなグレイコードにより、図１に示した受光・演算部4がグレイコードとして例えば“0111”を受信した場合には、そのグレイ角Gは図6に示すように「10.5°」であり、そして、この場合の角度θの分解能はα/2＝0.5°であることが分かる。
【００２１】
[2] 方位角の算出
図1に示した自車1の進行方向Aに対する前車2の方位角Tの求め方は、従来より種々知られているが、例えば前車2に設置したマーカーを受光・演算部4に設けられている撮像装置によって得た画像情報と、同じく設けられている車間距離検出手段によって検出された前車―自車間距離とから前車2の方位角Tを求めることができる。
【００２２】
ここで、シャドウ枠における通光量について説明する。
図７において、遮光板5の間隔を“1”として正規化し、その長さをhとすると、角度θだけ傾斜した光が図示のように入力した時、その通光量（通光幅）xは次式で示される。
【００２３】
【数２】
0003898000.tif 000006
【００２４】
すなわち、通光量xと角度θとの関係は図8に表わされることになる。
従って、x>1/2を通光範囲とし(入力通光量を判定する閾値＝1/2)、これを1°(α/2＝1°）とするためには、
0003898000.tif 000007
より、
0003898000.tif 000008
【００２５】
とすればよい。
この場合の離散シャドウ枠群3による通光量は図９に網掛で示すようになり、閾値＝1/2により太線で示す論理値が得られる。
ここで、上記のシャドウ枠30を用いた場合には、同図に示す如く、通光量が最大から最小（或いはその逆）まで2°であり、通光量と画像の明るさが必ずしも線形でないことを考慮すると、最大±1°の誤差が生じ得る。
【００２６】
すなわち、図9に示すように通光量は例えばθ＝8°において、シャドウ枠群31aを通過した光はこの境界において急激に変化しておらず、閾値＝1/2による判定に誤りが生ずる可能性があることが分かる。
これを改良するためには、通光量の傾きをより急峻にし、同時に閾値を下げれば良いが、下げ過ぎると光を通さない暗部分の溝が深くなる。従って、例えば、閾値＝1/4に設定すると、ｘ＝1−ｈ・tanθ＝1/4であるので、
0003898000.tif 000009
【００２７】
となり、この場合の通光量ｘは図10に示すようになる。
ただし、この場合の通光量は0→1→1/2→1…のように変化する。このように同じ通光範囲であっても角度により通光量が変化することは、画像処理の閾値判定の上で好ましくない。
そこで、閾値＝1/4とした状態(h＝43)でさらに、ピークを(点線部分)を半分にカットするため、図11に示すように遮光板5にヒレ板6を付けることが好ましい。
【００２８】
すなわち、1/4幅のヒレ板6を2個、遮光板5の中央部に付ければよい。これにより図12に示すように、通光量xは半分になるが、閾値判定は安定する。
さらに、図10に示されている閾値＝1/4からはみ出している部分を無くすため(θ＝4°/3→1°)には、閾値は限りなく“0”に近づけることが好ましいので、図13に示すようになる。
【００２９】
この場合、
23ビットh＝43、板間＝1（幅hは不変とし、傾斜角βを調整）
22ビットh＝43、板間＝1（幅hは不変とし、傾斜角βを調整）
21ビットh＝43、板間＝1（幅hは不変とし、傾斜角βを調整）
20ビットh＝57.3、板間＝1（又はh＝43、板間＝0.75）（幅hを可変）
である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る車両姿勢角計測装置の実施例をグレイ角の算出と方位角の算出に分けて説明する。
[1] グレイ角の算出における実施例
図１に示したグレイ角Gを求めるために使用する離散シャドウ枠群については図4に一例を示した。この例では、シャドウ枠の通光量は一種類で済むが、数は16個必要であり、しかもそれぞれ傾斜角βを変える必要があった。
【００３１】
そこで、本発明のより好適な実施例として、図14に示すように、上位のビットに関する遮光板間隔を三種類(α＝2°,4°,8°)としてシャドウ枠群にまとめ、シャドウ枠の数を8個に減らして、コストを下げたものである。
すなわち、この離散シャドウ枠群3は、20ビットにおいてα＝2°で共通であるが、傾斜角βが、それぞれ、2°,6°,10°,14°のシャドウ枠311〜314を用いる。また21ビットにおいては、α＝4°で共通であるが、β＝4°のシャドウ枠321を左端に設置し、β＝12°のシャドウ枠322を右から2番目に設置している。
【００３２】
さらに、22ビットにおいてはα＝8°でβ＝8°のシャドウ枠331を左端に設け、そして、23ビットにおいても左端にα＝8°でβ＝4°のシャドウ枠341を設けている。
これらα、βの値を上記の式
0003898000.tif 000010
に代入して各シャドウ枠のθ範囲を求めると、それぞれ図示のようになり、これは丁度、図5(1)のグレイコードに相当することが分かる。
【００３３】
グレイコードへの変換手順は、図14の8個のシャドウ枠各々について光っているか否かを判定する。4段中、下2段は、2個及び4個のシャドウ枠があるが、同時に複数個がONになることはなく、グレイコードを形成している。上段から順に各段でONとなっているシャドウ枠があれば“1”、なければ“0”(２3→２2→21→20ビット)とし、図6の表からグレイ角Gが求められる。
【００３４】
[2] 方位角の算出における実施例
一方、図1に示す方位角Tを求めるために、本発明の好適な実施例として、図15(1)に示すマーカー20を、前車2の離散シャドウ枠群3が、そのマーカー中心Mになるように設ける。このマーカー20には図示のように中心点Mの周囲に4つのテンプレート21を設けている。同図(2)はこのようなマーカー20を撮像装置により撮像した時のマーカー画像を示しており、画面の一部分にマーカー20の画像が現れることになる。
【００３５】
図1から方位角Tは次式で表わすことができる。
【００３６】
【数３】
0003898000.tif 000011
【００３７】
ここで、
doo'；マーカー画像の中心OとCCDカメラの中心O’間の距離(図1参照)
di；車間距離(同図参照)
また、車間距離diは図示しない距離センサなどにより既に分かっているものとする。
【００３８】
従って、上記の式(3)において、距離doo'が分かれば方位角Tを算出することができる。
この場合、距離doo'は図15(2)に示す偏移距離μから画像処理により次のとおり求めることができる。
【００３９】
1)CCDカメラの画像から、面積大小によって条件による4つのテンプレート21をサーチし、マーカー20の幾何学的中心Mを取得する。
2)マーカー中心Mと画像座標中心Oから偏移距離μを求める。
3)偏移距離μから実際の偏移距離doo'を求める。
【００４０】
次に、図14に示した、離散シャドウ枠群3および図15に示したマーカー20を用いて図1に示した姿勢角Sを計測する場合の受光・演算部4の動作手順を以下に説明する。
▲１▼まず受光・演算部4は、内蔵するCCDカメラ(図示せず)で撮像した画像の取得処理を行う。この場合の取得した画像が図16の上半分に示されている。
【００４１】
そして、この画像におけるマーカー20の中心Mを抽出し、この中心Mに基づいて画像中の4ビットのシャドウ枠発光エリア位置を決定する。
▲２▼画像中の4ビットのシャドウ枠発光エリアを取得し、図16の下半分右側に示されているような二値化された画像閾値イメージに変換する。
【００４２】
▲３▼このようにして求めたシャドウ枠発光エリアの二値化画像の明るい部分の面積を求める。この二値化された画像の明るい部分の面積合計値を基準値と比べて、この基準値より大きい場合はビットを白＝“1”に設定し、逆の場合はビットを黒＝“0”に設定する。
【００４３】
4)このようにして、4ビットのシャドウ枠発光エリアの二値化画像により、図14に示した離散シャドウ枠群3の通光量をグレイコードによって表すことができる。
【００４４】
このようにして求めたグレイコードを図6に示したグレイコード表を参照することによりグレイ角Gを取得することができる。
なお、図16に示した二値化画像の場合は、“1111”であるので、図6の表からグレイ角G＝5.5°であることが分かる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る車両姿勢角計測装置によれば、同一又は異なる通光範囲角を有する複数個のシャドウ枠を水平方向及び垂直方向に配置するとともに該シャドウ枠の通光の有無により該垂直方向においてグレイコードを形成するように同一又は異なる傾斜角を離散的に持たせた離散シャドウ枠群と、該離散シャドウ枠群の背面に設置された光源と、該離散シャドウ枠群を通過した該光源の出力光を受けて、該出力光によって示されるグレイコードと予め設定されたグレイ角とを比較して該出力光へのグレイ角を求める受光・演算部とを備えるように構成したので、前車の進行方向に対する自車の方位角であるグレイ角を正確且つ精密に求めることができ、このグレイ角と自車の進行方向に対する前車の方位角とから前車の自車に対する相対姿勢角を正確且つ精密に迅速な計測を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両の自動追従走行システムにおける本発明の車両姿勢角計測装置の原理を説明するための平面ブロック図である。
【図２】本発明に係る車両姿勢計測装置に用いるシャドウ枠とその画像を示した図である。
【図３】図2に示したシャドウ枠に傾斜角を与えて離散シャドウ枠を形成した状態を示した図である。
【図４】本発明に係る車両姿勢計測装置に用いる離散シャドウ枠群の一例を示した正面図である。
【図５】本発明に係る車両姿勢計測装置における各シャドウ枠とグレイコードとの関係を示した図である。
【図６】本発明に係る車両姿勢角計測装置で求めたグレイコードとグレイ角との関係を示した図である。
【図７】本発明に係る車両姿勢角計測装置に用いるシャドウ枠の通光状態を説明するための平面図である。
【図８】図7におけるシャドウ枠の通光量を説明するための図である。
【図９】本発明に係る車両姿勢角計測装置に用いる離散シャドウ枠群の通光量を閾値＝1/2に設定した場合の波形図である。
【図１０】本発明に係る車両姿勢計測装置においてヒレ板無しの離散シャドウ枠を用いた場合の通光量（閾値＝1/4）を示した波形図である。
【図１１】本発明に係る車両姿勢計測装置に用いるシャドウ枠における遮光板にヒレ板を付けた状態を示した平面図である。
【図１２】本発明に係る車両姿勢計測装置においてヒレ板付き離散シャドウ枠を用いた場合の通光量（閾値＝1/4）を示した波形図である。
【図１３】本発明に係る車両姿勢計測装置においてヒレ板なしの離散シャドウ枠を用いた場合の通光量（閾値＝0）を示した波形図である。
【図１４】本発明に係る車両姿勢計測装置に用いる離散シャドウ枠群の一実施例を示した正図面である。
【図１５】本発明に係る車両姿勢計測装置に用いるマーカーとその画像を示した表面図である。
【図１６】本発明に係る車両姿勢角計測装置で取得されるCCDカメラ画像を示した図である。
【符号の説明】
1  自車（追従車）
2  前車
30,311〜314,321,322,331,341  シャドウ枠
3,31,31ａ〜31ｄ  離散シャドウ枠群
4  受光・演算部
5  遮光板
6  ヒレ板
T  方位角
G  グレイ角
S  姿勢角
20  マーカー
21  テンプレート
図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【図１】
0003898000.tif 000012
【図２】
0003898000.tif 000013
【図３】
0003898000.tif 000014
【図４】
0003898000.tif 000015
【図５】
0003898000.tif 000016
【図６】
0003898000.tif 000017
【図７】
0003898000.tif 000018
【図８】
0003898000.tif 000019
【図９】
0003898000.tif 000020
【図１０】
0003898000.tif 000021
【図１１】
0003898000.tif 000022
【図１２】
0003898000.tif 000023
【図１３】
0003898000.tif 000024
【図１４】
0003898000.tif 000025
【図１５】
0003898000.tif 000026
【図１６】
0003898000.tif 000027