JP5760720B2 - 道路勾配推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両前方の道路の道路勾配を推定する道路勾配推定装置に関するものである。

道路勾配の変化を予測し、早めに加減速を開始することで、燃費を向上できることが知られている。特に、大型車の場合、乗用車と比較して加速性能が低く、燃費に対する要求も高いためその効果は大きい。

従来より、道路勾配を推定する手法として、カメラにより自車両の前方の画像を取得し、画像処理によって白線（道路区分線）を認識し、左右の白線の開き具合などから車両の前方の道路の道路勾配、凹凸の変化を推定する方法が提案されている。

この方法では、例えば、自車両が平坦な道路（勾配が０の道路）を走行しているとすると、図５（ａ）のように白線Ｌが地平線Ｈ上で交われば、前方の道路は平坦であり、図５（ｂ）のように白線Ｌが地平線Ｈよりも低い位置で交われば、前方の道路は下り坂であり、図５（ｃ）のように白線Ｌが地平線Ｈよりも高い位置で交われば、前方の道路は上り坂である、と判断することができる。

このような道路勾配の推定は、図６に示すような道路勾配推定装置６１で実現できる。この道路勾配推定装置６１は、車両前方の道路の画像を撮像するカメラ２と、カメラ２が撮像した画像を取得する画像取得部３と、画像取得部３が取得した画像の画像処理を行い、白線を抽出する画像処理部４と、画像処理部４が抽出した白線から車両前方の道路の道路勾配を推定する勾配推定部５と、を備えている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１，２がある。

特開２００９−４１９７２号公報 特開平９−３２５０２６号公報

しかしながら、上述の従来技術では、左右の白線Ｌの開き具合などから道路勾配を推定するため、左右両側の白線Ｌがそろわないと道路勾配の推定ができないという問題がある。換言すれば、上述の従来技術では、片側の白線Ｌのみから道路勾配を推定することができないという問題がある。

これは、図７に示すように、片側の白線Ｌのみから道路勾配を推定する場合、白線Ｌの歪曲が勾配によるものなのかカーブによるものなのか判断できないためである。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、片側の白線のみからでも車両前方の道路の道路勾配を推定可能な道路勾配推定装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、車両前方の道路の画像を撮像するカメラと、該カメラが撮像した画像を取得する画像取得部と、該画像取得部が取得した画像の画像処理を行い、白線を抽出する画像処理部と、該画像処理部が抽出した白線から前記車両前方の道路の道路勾配を推定する勾配推定部と、を備えた道路勾配推定装置において、前記画像処理部は、抽出した白線が破線であるとき、その白線のペイント部分と非ペイント部分の境界である端点を抽出する端点抽出部と、該端点抽出部が抽出した各端点の前記画像上での位置と、前記カメラの設置条件や特性とを基に、視点変換処理を行い、前記車両前方の道路の道路勾配が、前記車両が走行している位置での道路勾配で一定であると仮定したときの各端点の見かけ上の位置を求める視点変換処理部と、を備え、前記勾配推定部は、前記車両が走行している位置での道路勾配を求める基準勾配取得部と、各端点間の勾配を求める端点間勾配取得部と、前記端点間勾配取得部が求めた各端点間の勾配に、前記基準勾配取得部が求めた前記車両が走行している位置での道路勾配を足し合わせることで、前記端点間の実際の道路勾配を求める道路勾配演算部と、を備え、前記端点間勾配取得部は、前記端点抽出部が抽出した各端点の番号を前記車両に近い順に０、１、・・・とし、前記車両前方の道路の道路勾配が前記車両が走行している位置での道路勾配で一定であると仮定した場合の仮想道路平面を基準とした（距離，高さ）の座標系にて、Ｎ番目の端点の見かけ上の位置を（Ｌ _N ，０）、Ｎ番目の端点の実際の位置を（Ｌ _N ’，Ｈ _N ’）としたとき、前記車両に最も近い０番目の端点の実際の位置（Ｌ ₀ ’，Ｈ ₀ ’）が、前記視点変換処理部で求めた０番目の端点の見かけ上の位置（Ｌ ₀ ，０）と等しいと仮定し、［数１］に示す式（１），式（２）

により、各端点の実際の位置を順次求め、下式（３）
Ｇ_N＝ｔａｎ^-1｛（Ｈ_N+1’−Ｈ_N’）／（Ｌ_N+1’−Ｌ_N’）｝ ・・・（３）
より、Ｎ番目とＮ＋１番目の端点間の勾配ＧＮを求めるように構成される道路勾配推定装置である。

前記勾配推定部は、前記車両の走行中に、前記画像上で、任意の端点がその端点よりも前記車両に近い端点の位置まで移動するためにかかる時間を求め、その求めた時間と、前記車両の車速とを基に、前記隣り合う端点間の実際の距離を求める端点間実距離取得部をさらに備えてもよい。

本発明によれば、片側の白線のみからでも車両前方の道路の道路勾配を推定可能な道路勾配推定装置を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る道路勾配推定装置の概略構成図である。 本発明において、破線の白線ではペイント部と非ペイント部が一定の間隔で周期的に繰り返されていることを説明する図である。 （ａ），（ｂ）は、図１の道路勾配推定装置において、端点間の道路勾配を推定する原理を説明する図である。 図１の道路勾配推定装置の処理フローを示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｃ）は、従来の道路勾配推定方法を説明する図である。 従来の道路勾配推定装置の概略構成図である。 従来方法では、片側の白線のみから車両前方の道路の道路勾配を推定することができないことを説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る道路勾配推定装置の概略構成図である。

図１に示すように、道路勾配推定装置１は、車両前方の道路の画像を撮像するカメラ２と、カメラ２が撮像した画像を取得する画像取得部３と、画像取得部３が取得した画像の画像処理を行い、白線を抽出する画像処理部４と、画像処理部４が抽出した白線から車両前方の道路の道路勾配を推定する勾配推定部５と、を備えている。

画像処理部４は、ソーベルフィルタ等により画像取得部３が取得した画像の垂直エッジを抽出するエッジ抽出処理を行い、垂直エッジのエッジ点を抽出した後、ハフ変換を用いて直線成分を抽出し、車線幅・白線幅等の条件で候補を絞り込み、白線を抽出する白線認識処理を行う。エッジ抽出処理や白線認識処理は公知技術であるため、ここでは説明を省略する。

本実施の形態に係る道路勾配推定装置１では、画像処理部４は、抽出した白線が破線であるとき、その白線のペイント部分と非ペイント部分の境界である端点を抽出する端点抽出部６を備えている。

白線には実線と破線があり、片側二車線以上の高速道路では少なくとも左右のうち一方は破線であることが多い。例えば、一般的な高速道路では、図２に示すように、破線の白線のペイント部２１と非ペイント部２２は一定の間隔で周期的に繰り返されている。本発明では、この間隔に着目して道路勾配を推定する。

上述の白線認識処理によって求まるのは直線を表す式のみであるため、本実施の形態では、端点抽出部６にて別途白線の端点を抽出するように構成している。端点抽出部６は、白線認識処理で抽出した直線上またはその近傍にあるエッジ点を列挙し、連続的に並んでいるかを調べる。端点以外でも白線の汚れなどによってエッジ点が途切れる場合があるため、その周辺で水平エッジを探索し、端点かどうかを判断する。端点抽出部６は、抽出された端点を自車両から近い順に列挙する。ここでは、抽出した各端点の番号を車両に近い順に０、１、・・・とする。

また、本実施の形態に係る道路勾配推定装置１では、画像処理部４は、端点抽出部６が抽出した各端点の画像上での位置と、カメラ２の設置条件や特性とを基に、視点変換処理を行い、車両前方の道路の道路勾配が、車両が走行している位置での道路勾配（以下、基準勾配という）で一定であると仮定した場合の各端点の見かけ上の位置を求める視点変換処理部７を備えている。

カメラ２の高さ、俯角、画角などのパラメータが既知であれば、カメラ２で取得した車両前方の画像を真上から見たように視点変換することができる。視点変換処理は公知であるため詳細な説明は省略するが、［数２］に示す式（４），式（５）のような変換式を用いて視点変換できることが一般に知られている。

なお、視点変換処理を行う時期は特に限定されるものではなく、上述のように端点抽出後に視点変換を行うようにしてもよいし、視点変換後の座標上で端点を抽出するように構成してもよい。

なお、視点変換後の端点の見かけ上の位置は、車両前方の道路の道路勾配が基準勾配で一定であると仮定した場合に、真上（走行面に対して垂直方向）から見たときの位置情報であるから、高さ情報は含まれていない。以下、視点変換後のＮ番目の端点の見かけ上の位置を（Ｌ_N，０）と記載する。ここでＬ_Nは、道路が平坦であるという仮定で視点変換したＮ番目の端点までの見かけの距離である。以下、括弧書きで座標を示す場合、車両前方の道路の道路勾配が基準勾配で一定であると仮定した場合の仮想道路平面を基準とした（距離，高さ）を示すものとする。Ｌ_Nは、画像上でのＮ番目の端点のｙ座標の位置がｙ_Nだとすると、上述の式（４）を用いて、［数３］に示す式（６）のように表すことができる。

本実施の形態に係る道路勾配推定装置１では、勾配推定部５は、車両が走行している位置での道路勾配である基準勾配Ｇを求める基準勾配取得部８と、各端点の見かけ上の位置から得られる隣り合う端点間の見かけ上の距離と、予め求めた隣り合う端点間の実際の距離とに基づき、各端点間の勾配Ｇ_Nを求める端点間勾配取得部９と、端点間勾配取得部９が求めた各端点間の勾配Ｇ_Nに、基準勾配Ｇを足し合わせることで、端点間の実際の道路勾配Ｇ_N’を求める道路勾配演算部１０と、を備えている。

基準勾配取得部８で基準勾配Ｇを求める方法については、数多く提案されており、特に限定するものではないが、例えば、車速の時間微分によって求めた加速度と、加速度センサから求めた実際の加速度を比較して基準勾配Ｇを推定することができる。

端点間勾配取得部９は、抽出した端点間の見かけ上の距離と、隣り合う端点間の実際の距離ｄとを比較して、端点間の勾配を求めるように構成される。隣り合う端点間の実際の距離ｄを求める方法については、後述する。

図３（ａ）に示すように、Ｎ番目の端点が実座標上で点Ａの位置にあるとすると、Ｎ＋１番目の端点は、点Ａを中心とする半径ｄの円Ｂの円周上に存在することになる。他方、カメラ２の高さをＨとすると、Ｎ＋１番目の端点は、カメラ２の位置である（０，Ｈ）とＮ＋１番目の端点の見かけ上の位置（Ｌ_N+1，０）を結ぶ直線Ｃ上に存在することになる。したがって、円Ｂと直線Ｃの交点Ｄが、Ｎ＋１番目の端点の実際の位置になる。

図３（ａ）のように、Ｎ番目とＮ＋１番目の端点間の見かけ上の距離Ｅが、隣り合う端点間の実際の距離ｄよりも長い場合には、Ｎ番目の端点からＮ＋１番目の端点は上り坂であると判断することができ、図３（ｂ）のように、Ｎ番目とＮ＋１番目の端点間の見かけ上の距離Ｅが、隣り合う端点間の実際の距離ｄよりも短い場合には、Ｎ番目の端点からＮ＋１番目の端点は下り坂であると判断することができる。

つまり、白線認識を行い、端点として認識された点の間隔と、理論値（端点間の実際の距離ｄ）とを比較することで、大まかな勾配を推定することができる。実際にはＮ番目の端点の高さは０ではないので、あくまで大まかな判断ではあるが、傾向としては、理論値より短く映っていれば下り坂、長く映っていれば上り坂と判断できる。

ここで、Ｎ番目の端点の実際の位置（Ｌ_N’，Ｈ_N’）から、Ｎ＋１番目の端点の実際の位置（Ｌ_N+1’，Ｈ_N+1’）を求める方法を以下に説明する。なお、Ｌ_N’は、道路が平坦であると仮定したときのＮ番目の端点までの距離、Ｈ_N’は、道路が平坦であると仮定したときのＮ番目の端点の平坦面（道路面）からの高さを表している。

図３（ａ）における直線Ｃの長さは、［数４］に示す式（７）で表される。

よって、直線Ｃの直線方向の単位ベクトルは、［数５］に示す式（８）で表すことができ、直線Ｃに対して垂直方向の単位ベクトルは、［数６］に示す式（９）のように表すことができる。

ここで、Ｎ番目の端点である点Ａ、つまり（Ｌ_N’，Ｈ_N’）の位置から直線Ｃに垂線（直線Ｃに対して垂直な線）を引いたときの垂線の足（垂線と直線Ｃの交点）を点Ｆとする。点Ａから点Ｆまでの距離をｋとすると、点Ｆの位置は、点Ａから式（９）の単位ベクトルをｋ倍した長さ移動した位置となるので、［数７］に示す式（１０）のように表すことができる。

直線Ｃの式は、下式（１１）
ＨＬ_N+1’＋Ｈ_N+1’Ｌ_N+1＝ＨＬ_N+1 ・・・（１１）
または下式（１２）
（Ｌ_N+1’／Ｌ_N+1）＋（Ｈ_N+1’／Ｈ）＝１ ・・・（１２）
で表すことができるので、点Ｆの位置を式（１１）または式（１２）のＬ_N+1’、Ｈ_N+1’として代入して整理すると、［数８］に示す式（１３）のように、ｋを求めることができる。

この式（１３）を上述の式（１０）に代入すると、点Ｆの位置は［数９］に示す（式１４）のようになる。

ここで、点Ｆから点Ｄ、すなわちＮ＋１番目の端点までの距離は、［数１０］に示す式（１５）で表される。

点Ｄの位置（Ｌ_N+1’，Ｈ_N+1’）は、点Ｆから直線Ｃの直線方向に式（１５）の距離移動した位置なので、Ｌ_N+1’，Ｈ_N+1’は、それぞれ［数１１］に示す式（１６），式（１７）のようになり、式を整理すると、［数１２］に示す式（１），式（２）のようになる。

以上より求めた式（１），式（２）を用いれば、Ｎ番目の端点の実際の位置（Ｌ_N’，Ｈ_N’）から、Ｎ＋１番目の端点の実際の位置（Ｌ_N+1’，Ｈ_N+1’）を求めることが可能になる。

本実施の形態では、端点間勾配取得部９は、道路面に段差や屈折は無く道路勾配は連続的に変化するものとし、車両に最も近い０番目の端点の実際の位置（Ｌ₀’，Ｈ₀’）が、視点変換処理部７で求めた０番目の端点の見かけ上の位置（Ｌ₀，０）と等しいと仮定し（換言すれば、最も近い０番目の端点は自車両が走行中の道路平面と同一平面上にあると仮定し）、上述の式（１），式（２）の漸化式を用いて各端点の実際の位置を順次求める。初期値として０番目の端点の位置を設定すれば、式（１），式（２）により各端点の実際の位置が順次求められることになる。

端点間勾配取得部９は、各端点の実際の位置を求めた後、下式（３）
Ｇ_N＝ｔａｎ^-1｛（Ｈ_N+1’−Ｈ_N’）／（Ｌ_N+1’−Ｌ_N’）｝ ・・・（３）
より、Ｎ番目とＮ＋１番目の端点間の勾配Ｇ_Nを順次求めるように構成される。

なお、ここでいう端点間の勾配Ｇ_Nとは、基準勾配Ｇを０と仮定したときの道路勾配（端点で区切られた各区間での平均勾配）である。よって、道路勾配演算部１０にて、下式（１８）
Ｇ_N’＝Ｇ＋Ｇ_N
＝Ｇ＋ｔａｎ^-1｛（Ｈ_N+1’−Ｈ_N’）／（Ｌ_N+1’−Ｌ_N’）｝
・・・（１８）
のように、端点間勾配取得部９が求めた各端点間の勾配Ｇ_Nに、基準勾配Ｇを足し合わせることで、端点間の実際の道路勾配Ｇ_N’を求めることができる。

ここで、隣り合う端点間の実際の距離ｄを求める方法について説明しておく。

本実施の形態では、勾配推定部５は、隣り合う端点間の実際の距離ｄを求める端点間実距離取得部１１をさらに備えている。

本実施の形態では、車両の走行中に、画像取得部３が取得した画像上で、任意の端点がその端点よりも車両に近い端点の位置まで移動するためにかかる時間を求め、その求めた時間と、車両の車速とを基に、隣り合う端点間の実際の距離ｄを求めるように、端点間実距離取得部１１を構成した。

つまり、本実施の形態では、隣り合う端点間の実際の距離ｄを車両が走行するのにかかった時間を求め、その時間に車速を掛け合わせて車両の走行距離を求めることで、隣り合う端点間の実際の距離ｄを求めるように端点間実距離取得部１１を構成した。

ただし、隣り合う端点間の実際の距離ｄを求める方法は、これに限定されるものではなく、例えば、白線のペイント部分と非ペイント部分の長さを道路情報データとして予め蓄積しておき、ＧＰＳにより車両がどの道路を走っているかを判定して道路情報データを参照することによって、隣り合う端点間の実際の距離ｄを求めるようにしてもよい。

次に、本実施の形態に係る道路勾配推定装置１の処理フローについて図４を用いて説明する。

図４に示すように、道路勾配推定装置１では、まず、ステップＳ１にて、画像取得部３が、カメラ２が撮像した画像を取得する。

ステップＳ２では、画像処理部４の視点変換処理部７が視点変換処理を行い、その後、画像処理部４が、エッジ抽出処理（ステップＳ３）、白線認識処理（ステップＳ４）を順次行う。

ステップＳ５では、画像処理部４の端点抽出部６が白線の端点の抽出を行い、その後、ステップＳ６にて、抽出した端点を近い順にリスト化する（各端点に番号をつける）。

ステップＳ７では、勾配推定部５の端点間勾配取得部９が、車両に一番近い０番目の端点に初期値を与える。すなわち、０番目の端点の実際の位置（Ｌ₀’，Ｈ₀’）が、視点変換処理部７で求めた０番目の端点の見かけ上の位置（Ｌ₀，０）と等しいと仮定する。

ステップＳ８では、端点間勾配取得部９が、次の端点があるか判断し、ＹＥＳと判断された場合、ステップＳ９にて、上述の式（１），式（２）を用いて、次の端点の位置を推定し、ステップＳ８に戻る。

ステップＳ８にてＮＯと判断された場合、すなわち、ステップＳ５で抽出した全ての端点について実際の位置（Ｌ_N’，Ｈ_N’）を求めた後、ステップＳ１０にて、基準勾配取得部８が、自車両位置の道路勾配、すなわち基準勾配Ｇを求める。

その後、ステップＳ１１にて、端点間勾配取得部９が、上述の式（３）を用いて、各端点間の勾配Ｇ_Nを求め、道路勾配演算部１０が、求めた各端点間の勾配Ｇ_NにステップＳ１０で求めた基準勾配Ｇを足し合わせて、上述の式（１８）より、端点間の実際の道路勾配Ｇ_N’を求める。

以上説明したように、本実施の形態に係る道路勾配推定装置１では、抽出した白線が破線であるとき、その白線のペイント部分と非ペイント部分の境界である端点を抽出し、視点変換処理により、車両前方の道路の道路勾配が基準勾配Ｇで一定であると仮定したときの各端点の見かけ上の位置を求め、隣り合う端点間の見かけ上の距離と、予め求めた隣り合う端点間の実際の距離とに基づき、各端点間の勾配Ｇ_Nを求め、求めた各端点間の勾配Ｇ_Nに基準勾配Ｇを足し合わせることで、端点間の実際の道路勾配Ｇ_N’を求めている。

これにより、認識した白線が破線であれば、片側の白線のみからでも道路勾配を推定できるようになり、左右両側の白線が同時に認識できない場合でも、白線が破線でさえあれば、車両前方の道路の道路勾配を推定することが可能になる。

なお、車両の両側の白線を認識できた場合には、両側の白線を用いて従来通りの道路勾配推定を行い、片側の白線のみしか認識できなかった場合にのみ、上述のような道路勾配推定を行うように勾配推定部５を構成してもよい。また、車両の両側の白線を認識できた場合においても、両側の白線を用いて従来通りの道路勾配推定を行うと同時に、上述のような道路勾配推定を補助的に行うように構成してもよい。これにより、道路勾配推定結果の信頼性を高めることができる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１ 道路勾配推定装置
２ カメラ
３ 画像取得部
４ 画像処理部
５ 勾配推定部
６ 端点抽出部
７ 視点変換処理部
８ 基準勾配取得部
９ 端点間勾配取得部
１０ 道路勾配演算部
１１ 端点間実距離取得部

Claims (2)

1. 車両前方の道路の画像を撮像するカメラと、
   該カメラが撮像した画像を取得する画像取得部と、
   該画像取得部が取得した画像の画像処理を行い、白線を抽出する画像処理部と、
   該画像処理部が抽出した白線から前記車両前方の道路の道路勾配を推定する勾配推定部と、
   を備えた道路勾配推定装置において、
   前記画像処理部は、
   抽出した白線が破線であるとき、その白線のペイント部分と非ペイント部分の境界である端点を抽出する端点抽出部と、
   該端点抽出部が抽出した各端点の前記画像上での位置と、前記カメラの設置条件や特性とを基に、視点変換処理を行い、前記車両前方の道路の道路勾配が、前記車両が走行している位置での道路勾配で一定であると仮定したときの各端点の見かけ上の位置を求める視点変換処理部と、
   を備え、
   前記勾配推定部は、
   前記車両が走行している位置での道路勾配を求める基準勾配取得部と、
   各端点間の勾配を求める端点間勾配取得部と、
   前記端点間勾配取得部が求めた各端点間の勾配に、前記基準勾配取得部が求めた前記車両が走行している位置での道路勾配を足し合わせることで、前記端点間の実際の道路勾配を求める道路勾配演算部と、
   を備え、
   前記端点間勾配取得部は、
   前記端点抽出部が抽出した各端点の番号を前記車両に近い順に０、１、・・・とし、前記車両前方の道路の道路勾配が前記車両が走行している位置での道路勾配で一定であると仮定した場合の仮想道路平面を基準とした（距離，高さ）の座標系にて、Ｎ番目の端点の見かけ上の位置を（Ｌ _N ，０）、Ｎ番目の端点の実際の位置を（Ｌ _N ’，Ｈ _N ’）としたとき、
   前記車両に最も近い０番目の端点の実際の位置（Ｌ ₀ ’，Ｈ ₀ ’）が、前記視点変換処理部で求めた０番目の端点の見かけ上の位置（Ｌ ₀ ，０）と等しいと仮定し、［数１］に示す式（１），式（２）
   

   

   により、各端点の実際の位置を順次求め、下式（３）
   Ｇ _N ＝ｔａｎ ^-1 ｛（Ｈ _N+1 ’−Ｈ _N ’）／（Ｌ _N+1 ’−Ｌ _N ’）｝ ・・・（３）
   より、Ｎ番目とＮ＋１番目の端点間の勾配ＧＮを求めるように構成される
   ことを特徴とする道路勾配推定装置。
2. 前記勾配推定部は、
   前記車両の走行中に、前記画像上で、任意の端点がその端点よりも前記車両に近い端点の位置まで移動するためにかかる時間を求め、その求めた時間と、前記車両の車速とを基に、前記隣り合う端点間の実際の距離を求める端点間実距離取得部をさらに備える
   請求項１記載の道路勾配推定装置。

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