JP7534889B2 - 車外環境認識装置 - Google Patents

Description

本発明は、自車両の進行方向に存在する対象車両に追従する車外環境認識装置に関する。

従来、特許文献１のように、自車両の前方に位置する車両等の立体物を検出し、先行車両との衝突を回避したり、先行車両との車間距離を安全な距離に保つように制御するＡＣＣ（Adaptive Cruise Control）技術が知られている。

特許第３３４９０６０号公報

車両においては、上記のＡＣＣの一機能として追従制御が実行される場合がある。追従制御は、自車両の進行路に先行車両が存在する場合に、先行車両と自車両との車間距離を一定に保つように、自車両を先行車両に追従させる制御である。

このような追従制御を実現するため、自車両内では、対象となる先行車両（以後、対象車両という）における自車両の進行方向の速度成分Ｖｚを導出し、その速度成分に基づいて車間距離を一定に保つ制御を行っている。ここで、自車両の前方に車両が割り込んできたとしても、割り込み角度により、自車両の進行方向の速度成分が十分低くなるので、速度を比較的低下させる等、適切に対応することができる。

しかし、このような制御を画一的に実行すると、対象となる先行車両が遠方で旋回した場合も不要に速度成分が低くなり、それに伴って自車両の速度も急激に低くなる。そうすると、運転者は、自車両の速度の変化に違和感を覚える場合がある。

また、今後、追従制御を実現するために用いるカメラの画角が大きくなったり、解像度が向上すると、先行車両の旋回等を高精度で導出可能となり、自車両の速度の変化が顕著になるおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑み、適切な追従制御を実現可能な車外環境認識装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の車外環境認識装置は、自車両の進行路であり、曲線で表される自車両進行路を推定するとともに、追従制御の対象である対象車両を通り、自車両進行路と平行曲線となる対象進行路を導出する進行路導出部と、対象車両の速度ベクトルである対象速度ベクトルを導出する速度導出部と、記対象速度ベクトルと、対象進行路の対象車両の位置における接線である対象接線とのなす角が、自車両と同進行方向に走行している車両であると特定可能な所定角度の範囲内であれば、対象速度ベクトル自体に基づいて追従制御を行い、所定角度の範囲外であれば、対象速度ベクトルの対象接線の速度成分に基づいて追従制御を行う追従制御部と、を備える。

自車両進行路と対象進行路とは同心円の一部として表されるとしてもよい。

自車両進行路を円として表した場合の半径が所定長さ以上であれば、自車両進行路を直線としてもよい。

本発明によれば、適切な追従制御を実現することが可能となる。

車外環境認識システムの接続関係を示したブロック図である。 輝度画像を説明するための説明図である。 距離画像を説明するための説明図である。 車外環境認識装置の概略的な機能を示した機能ブロック図である。 車外環境認識処理の流れを示すフローチャートである。 自車両進行路を説明するための説明図である。 対象進行路を説明するための説明図である。 対象車両の速度ベクトルを説明するための説明図である。 追従制御を説明するための説明図である。 追従制御を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（車外環境認識システム１００）
図１は、車外環境認識システム１００の接続関係を示したブロック図である。車外環境認識システム１００は、撮像装置１１０と、車外環境認識装置１２０と、車両制御装置１３０とを含んで構成される。

撮像装置１１０は、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）等の撮像素子を含んで構成され、自車両１の前方の車外環境を撮像し、少なくとも輝度の情報が含まれる輝度画像（カラー画像やモノクロ画像）を生成することができる。また、撮像装置１１０は、自車両１の進行方向側において２つの撮像装置１１０それぞれの光軸が略平行になるように、略水平方向に離隔して配置される。撮像装置１１０は、自車両１の前方の検出領域に存在する立体物を撮像した輝度画像を、例えば１／６０秒のフレーム毎（６０ｆｐｓ）に連続して生成する。ここで、立体物は、車両、自転車、歩行者、信号機、道路標識、ガードレール、建物といった独立して存在する物のみならず、車両の各ライト、自転車の車輪等、その一部として特定できる物も含む。

また、車外環境認識装置１２０は、２つの撮像装置１１０それぞれから輝度画像を取得し、所謂パターンマッチングを用いて、視差、および、任意のブロックの画像内の位置を示す画像位置を含む視差情報を導出する。ここで、ブロックは、例えば、水平４画素×垂直４画素の配列で表される。また、水平は、撮像した画像の画像横方向を示し、垂直は、撮像した画像の画像縦方向を示す。また、パターンマッチングは、一方の輝度画像から任意に抽出したブロックに対応するブロックを他方の輝度画像から検索する手法である。

例えば、パターンマッチングにおけるブロック間の一致度を評価する関数として、輝度の差分をとるＳＡＤ（Sum of Absolute Difference）、差分を２乗して用いるＳＳＤ（Sum of Squared intensity Difference）や、各画素の輝度から平均値を引いた分散値の類似度をとるＮＣＣ（Normalized Cross Correlation）等の手法がある。車外環境認識装置１２０は、このようなブロック単位の視差導出処理を、例えば、６００画素×２００画素の検出領域に映し出されている全てのブロックについて行う。ここでは、ブロックを４画素×４画素としているが、ブロック内の画素数は任意に設定することができる。

ただし、車外環境認識装置１２０では、検出分解能単位であるブロック毎に視差を導出することはできるが、そのブロックがどのような立体物の一部であるかを認識できない。したがって、視差情報は、立体物単位ではなく、検出領域における検出分解能単位、例えばブロック単位で独立して導出されることとなる。ここでは、このようにして導出された視差情報を対応付けた画像を、上述した輝度画像と区別して距離画像という。

図２は、輝度画像１２６を説明するための説明図であり、図３は、距離画像１２８を説明するための説明図である。例えば、２つの撮像装置１１０を通じ、検出領域１２４について図２のような輝度画像１２６が生成されたとする。ただし、ここでは、理解を容易にするため、２つの輝度画像１２６の一方のみを模式的に示している。車外環境認識装置１２０は、このような輝度画像１２６からブロック毎の視差を求め、図３のような距離画像１２８を形成する。距離画像１２８における各ブロックには、そのブロックの視差が関連付けられている。ここでは、説明の便宜上、視差が導出されたブロックを黒のドットで表している。

また、車外環境認識装置１２０は、輝度画像１２６に基づく輝度値（またはカラー値）、および、距離画像１２８に基づいて算出された、自車両１との相対距離を含む実空間における三次元空間の位置情報を用いて、まず路面を特定する。その後、車外環境認識装置１２０は、特定した路面上に位置し、カラー値が等しく三次元の位置情報が近いブロック同士を立体物としてグループ化して、自車両１の前方の検出領域における立体物がいずれの対象物、例えば、先行車両や自転車に対応するかを特定する。

また、車外環境認識装置１２０は、このように立体物を特定すると、立体物との衝突を回避したり、先行車両との車間距離を安全な距離に保つように自車両１を制御する。ここで、追従制御は、自車両１の進行路に先行車両が存在する場合に、運転手のアクセル操作やブレーキ操作を支援して、先行車両と自車両１との車間距離を一定に保つように、自車両１を先行車両に追従させる制御である。

なお、上記相対距離は、距離画像１２８におけるブロック毎の視差情報を、所謂ステレオ法を用いて三次元の位置情報に変換することで求められる。ここで、ステレオ法は、三角測量法を用いることで、立体物の視差からその立体物の撮像装置１１０に対する相対距離を導出する方法である。

車両制御装置１３０は、ＥＣＵ(Electronic Control Unit）で構成され、ステアリングホイール１３２、アクセルペダル１３４、ブレーキペダル１３６を通じて運転手の操作入力を受け付け、操舵機構１４２、駆動機構１４４、制動機構１４６に伝達することで自車両１を制御する。また、車両制御装置１３０は、車外環境認識装置１２０の指示に従い、操舵機構１４２、駆動機構１４４、制動機構１４６を制御する。

上述したように、車外環境認識システム１００では、カラー値が等しく三次元の位置情報が近いブロック同士をグループ化して立体物としている。例えば、自車両１の前方に先行車両が存在している場合を想定すると、先行車両の背面に相当する複数のブロックが、その相対距離が等しいことで立体物としてグループ化される。そして、そのグループ化された立体物の特徴に応じて先行車両であると判断される。

そして、車外環境認識装置１２０は、自車両１の前方に存在する全ての先行車両を候補車両とし、そのうち、自車両１が走行する自車両進行路に候補車両が存在すれば、その中で相対距離が最短な候補車両を対象車両とする。そして、車外環境認識装置１２０は、その相対距離が最短な候補車両との相対距離や相対速度に基づいて追従制御を実行する。ここで、自車両進行路は、現時点以降に自車両１が走行すると予測されるレーン等、自車両１以上の幅を有する進行路を示す。例えば、車外環境認識装置１２０は、対象車両の、自車両１の進行方向の速度成分Ｖｚを導出し、その速度成分Ｖｚに基づいて車間距離を一定に保つ制御を行うことができる。ここで、自車両１の前方に候補車両が割り込んできたとしても、割り込み角度により、自車両１の進行方向の速度成分Ｖｚが十分低くなるので、自車両１は、速度を比較的低下させる等、適切に対応することができる。

しかし、このような制御を、割り込んできた候補車両、および、継続的に先行している対象車両のいずれに対しても画一的に実行すると、対象車両が遠方で旋回した場合も割り込んできた候補車両と判定してしまい、不要に速度成分Ｖｚが低くなり、それに伴って自車両の速度も急激に低くなる。そうすると、運転者は、自車両の速度の変化に違和感を覚える場合がある。そこで、本実施形態では、対象車両の速度を正確に判断することで、適切な追従制御を実現することを目的としている。

以下、このような目的を実現するための車外環境認識装置１２０の構成について詳述する。ここでは、本実施形態に特徴的な、対象車両の速度としてどのような速度を適用すべきかの選択について詳細に説明する。

（車外環境認識装置１２０）
図４は、車外環境認識装置１２０の概略的な機能を示した機能ブロック図である。図４に示すように、車外環境認識装置１２０は、Ｉ／Ｆ部１５０と、データ保持部１５２と、中央制御部１５４とを含んで構成される。

Ｉ／Ｆ部１５０は、撮像装置１１０、および、車両制御装置１３０との双方向の情報交換を行うためのインターフェースである。データ保持部１５２は、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等で構成され、以下に示す各機能部の処理に必要な様々な情報を保持する。

中央制御部１５４は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路で構成され、システムバス１５６を通じて、Ｉ／Ｆ部１５０、データ保持部１５２等を制御する。また、本実施形態において、中央制御部１５４は、路面特定部１６０、立体物特定部１６２、進行路導出部１６４、速度導出部１６６、追従制御部１６８としても機能する。以下、車外環境認識処理について、当該中央制御部１５４の各機能部の動作も踏まえて詳述する。

（車外環境認識処理）
図５は、車外環境認識処理の流れを示すフローチャートである。車外環境認識処理では、路面特定部１６０により、自車両１前方の路面が特定される（Ｓ２００）。次に、立体物特定部１６２により、候補車両が特定される（Ｓ２０２）。続いて、進行路導出部１６４により、自車両進行路、および、対象車両を通り自車両進行路と平行曲線となる対象進行路が導出される（Ｓ２０４）。次に、速度導出部１６６により、対象車両の速度ベクトルである対象速度ベクトルが導出される（Ｓ２０６）。続いて、追従制御部１６８により、対象速度ベクトルと、対象進行路の対象車両の位置における接線である対象接線のなす角に応じて追従制御が行われる（Ｓ２０８）。

（路面特定処理Ｓ２００）
路面特定部１６０は、輝度画像１２６および距離画像１２８に基づいて、自車両１の前方の路面を特定する。また、路面特定部１６０は、自車両１が走行しているレーン左右に位置する白線等の車線境界線に基づいて自車両１前方の路面を特定する。なお、路面特定部１６０は、レーン左右の車線境界線に限らず、路面標示、壁、路肩に設けられた段差、ポール、バリア等の立体物に基づいて自車両１前方の路面を特定することもできる。

（立体物特定処理Ｓ２０２）
立体物特定部１６２は、路面特定部１６０で特定された路面の鉛直上方に高さを有する立体物を特定する。具体的に、立体物特定部１６２は、路面から高さが±所定距離（例えば０．３ｍ）の範囲に位置するブロックは、立体物ではないと判定する。一方、立体物特定部１６２は、路面からの高さが所定距離以上に位置するブロックは、路面から高さ方向に突出している立体物の候補とする。

そして、立体物特定部１６２は、路面の鉛直上方に高さを有する立体物の候補とされた複数のブロックのうち自車両１との相対距離が等しいブロックをグループ化し、立体物として特定する。次に、立体物特定部１６２は、立体物となった点群の立体物らしさ（形状、大きさ等）に基づいて、立体物が、候補車両（先行車両）であるか否か判断する。なお、立体物が車両であるか否かの判定については、既存の様々な技術を利用できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。

（進行路導出処理Ｓ２０４）
図６は、自車両進行路を説明するための説明図である。自車両１は、走行する道路や目的地に応じて様々な進行路を移動する。ここでは、まず、進行路導出部１６４が、自車両１に搭載された慣性計測装置（Inertial Measurement Unit）を通じて取得した自車両１の速度および鉛直軸回りの角速度、ならびに、レーン左右の車線境界線およびＧＰＳが用いられたナビゲーション装置を通じて取得した地図情報（または道路情報）に基づいて自車両１の進行路である自車両進行路２１０を推定する。

例えば、自車両１が、図６において矢印で示したような軌跡で移動しているとき、その軌跡を維持した場合の推定軌跡が実線で示した自車両進行路２１０となる。ここでは、自車両１が旋回していることを踏まえ、図６に示すように、自車両１が走行している路面上を、半径Ｒで表される円に沿って移動すると推定している。したがって、自車両進行路２１０は円弧を描く。

また、自車両１の前方には様々な候補車両２が存在する。かかる候補車両２には、自車両１と同進行方向に走行している車両に加え、自車両１の進行路に割り込んでくる車両、対向車線を走行する車両、および、進行路と直交する道路を走行している車両も含まれる。

進行路導出部１６４は、候補車両２が自車両進行路２１０、例えば、自車両１が走行するレーン内に存在すれば、その候補車両２を対象車両３とし、後述する追従制御部１６８の制御対象とする。

図７は、対象進行路を説明するための説明図である。進行路導出部１６４は、対象車両３の背面の水平方向中心を通り、自車両進行路２１０と平行曲線（曲線に対し、その曲線上の各点より法線方向へ一定の距離にある曲線）となる対象進行路２２０を導出する。具体的に、進行路導出部１６４は、図７に破線で示したように、対象車両３の背面の水平方向中心を通り、自車両進行路２１０と同心円（同一の中心を持つ円）となる円を対象進行路２２０とする。ただし、自車両進行路２１０と対象進行路２２０とは、図７のように、半径Ｒが一致するとは限らない。なお、平行曲線が通る点は、対象車両３の背面の水平方向中心に限らず、対象車両３中の任意の位置であればよく、例えば、対象車両３の水平面中心としてもよい。

なお、自車両進行路２１０が、直線もしくは限りなく直線に近い曲線であれば、その円の大きさ（半径の大きさ）が膨大となる。そうすると、自車両進行路２１０を円で近似することで処理負荷が増大し、計算時間に影響するおそれがある。

そこで、進行路導出部１６４は、自車両進行路２１０を円として表した場合の半径Ｒが所定長さ以上であれば、自車両進行路２１０を直線として扱う。その場合、進行路導出部１６４は、対象車両３を通り、自車両進行路２１０としての直線と平行する直線を対象進行路２２０とする。こうして、処理負荷の増大を防止することができる。

（速度導出処理Ｓ２０６）
図８は、対象車両３の速度ベクトルを説明するための説明図である。なお、図８、および、以降で示す図９、図１０でのベクトルは、路面と平行な２次元のベクトルで表される。速度導出部１６６は、自車両１の速度に基づいて車外環境認識装置１２０で生成された自車両１の対地速度ベクトルＶｍに、距離画像１２８における対象車両３のフレーム間の移動推移に基づいて導出された自車両１に対する対象車両３の相対速度ベクトルを加算し、対象車両３の対地速度ベクトルである対象速度ベクトルＶｓを導出する。

次に、速度導出部１６６は、自車両進行路２１０と平行曲線である対象進行路２２０の対象車両３の位置における接線である対象接線２２２を速度計算軸とし、対象速度ベクトルＶｓを対象接線２２２に分解した速度成分である対象接線速度成分Ｖｔを導出する。ここで、対象接線速度成分Ｖｔは、対象速度ベクトルＶｓと対象接線２２２のなす角θを用いてＶｓ・ｃｏｓθで表すことができる。そして、速度導出部１６６は、その対象接線速度成分Ｖｔの方向（符号）を対象速度ベクトルＶｓの方向（符号）とみなす。こうして、方向を有さない対象速度ベクトルＶｓに方向（符号）を定義することができる。

（追従制御Ｓ２０８）
追従制御部１６８は、対象速度ベクトルＶｓと対象接線２２２のなす角θに応じて追従制御を切り替える。

再び図８を用いて説明すると、対象速度ベクトルＶｓは、対象進行路２２０の接線である対象接線２２２に対して角度を有する。対象車両３が自車両１と同進行方向に走行している車両である場合、対象車両３の対象速度ベクトルＶｓは対象進行路２２０と同方向になるので、対象速度ベクトルＶｓと対象接線２２２のなす角θは小さくなるはずである。一方、対象車両３が自車両１の進行路に割り込んできた車両であった場合、対象速度ベクトルＶｓと対象接線２２２とのなす角θは大きくなるはずである。

そこで、追従制御部１６８は、対象速度ベクトルＶｓと対象接線２２２のなす角θが所定角度（例えば±４５度）範囲内であれば、対象速度ベクトルＶｓ自体に基づき、対象車両３を追従制御する。一方、追従制御部１６８は、対象速度ベクトルＶｓと対象接線２２２のなす角θが所定角度範囲外であれば、対象速度ベクトルＶｓの対象接線２２２の速度成分である対象接線速度成分Ｖｔに基づき、対象車両３を追従制御する。

図９および図１０は、追従制御を説明するための説明図である。このように、対象速度ベクトルＶｓと対象接線２２２のなす角θが所定角度範囲外であれば、追従制御部１６８は、対象接線速度成分Ｖｔの方向に沿って、対象車両３を追従制御の対象として追従制御する。具体的に、図９に示すように、追従制御部１６８は、対象接線速度成分Ｖｔを、自車両１の進行方向のＺ軸２３０と進行方向に直交するＸ軸２３２とに分解し、速度成分Ｖｚと速度成分Ｖｘを導出する。そして、追従制御部１６８は、速度成分Ｖｚに従い、車間距離を安全な距離に保つように自車両１の速度を制御する。

こうして、対象車両３が自車両１の進行路に割り込んできた車両であった場合、追従制御部１６８が、対象接線速度成分Ｖｔに基づいて自車両１の速度を低下させることで、対象車両３に対し適切に追従制御することが可能となる。

また、対象速度ベクトルＶｓと対象接線２２２のなす角θが所定角度範囲内であれば、追従制御部１６８は、対象速度ベクトルＶｓ自体の方向に沿って、対象車両３を追従制御する。具体的に、図１０に示すように、追従制御部１６８は、対象速度ベクトルＶｓを、自車両１の進行方向のＺ軸２３０とＸ軸２３２とに分解し、速度成分Ｖｚと速度成分Ｖｘを導出する。そして、追従制御部１６８は、速度成分Ｖｚに従い、車間距離を安全な距離に保つように自車両１の速度を制御する。

こうして、対象車両３が自車両１と同進行方向に走行している車両である場合、仮に、対象車両３が旋回したとしても、追従制御部１６８は、対象速度ベクトルＶｓに基づいて自車両１の速度を急激に変化させることなく、スムーズな走行制御を行うことができる。

なお、ここでは、所定角度として４５度を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、対象車両３が、自車両１と同進行方向に走行している追従すべき車両であるか否かさえ判断できれば足り、例えば、１０～４５度のうちの任意に選択された角度でもよい。

このように、所定角度は、自車両１と同進行方向に走行している車両であることを切り分けることができる角度に設定されているので、対象車両３として対象進行路２２０を走行している限り、対象車両３の、対象速度ベクトルＶｓと対象接線２２２のなす角θが所定角度を超えることはない。すなわち、追従制御の対象となる速度が対象速度ベクトルＶｓと対象接線速度成分Ｖｔとでチャタリングが起こることはない。また、万が一、所定角度を超えることがあったとしても、追従制御部１６８は、制御動作にＬＰＦをかけることで、自車両１の急激な挙動変化を抑制する。

以上、説明したように、対象車両３が自車両１と同進行方向に走行している車両であるか否かを判断し、それに応じて、追従制御の速度を選択しているので、適切な追従制御を実現可能となる。

また、コンピュータを車外環境認識装置１２０として機能させるプログラムや、当該プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能なフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ等の記憶媒体も提供される。ここで、プログラムは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理手段をいう。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、自車両進行路２１０および対象進行路２２０をいずれも半径Ｒで表される円で近似しているが、かかる場合に限らず、複数次の曲線で近似してもよい。

なお、本明細書の車外環境認識処理の各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、自車両の進行方向に存在する対象車両に追従する車外環境認識装置に利用することができる。

１ 自車両
２ 候補車両
３ 対象車両
１６０ 路面特定部
１６２ 立体物特定部
１６４ 進行路導出部
１６６ 速度導出部
１６８ 追従制御部
２１０ 自車両進行路
２２０ 対象進行路
２２２ 対象接線

Claims (3)

1. 自車両の進行路であり、曲線で表される自車両進行路を推定するとともに、追従制御の対象である対象車両を通り、前記自車両進行路と平行曲線となる対象進行路を導出する進行路導出部と、
   前記対象車両の速度ベクトルである対象速度ベクトルを導出する速度導出部と、
   前記対象速度ベクトルと、前記対象進行路の前記対象車両の位置における接線である対象接線とのなす角が、前記自車両と同進行方向に走行している車両であると特定可能な所定角度の範囲内であれば、前記対象速度ベクトル自体に基づいて追従制御を行い、前記所定角度の範囲外であれば、前記対象速度ベクトルの前記対象接線の速度成分に基づいて追従制御を行う追従制御部と、
   を備える車外環境認識装置。
2. 前記自車両進行路と前記対象進行路とは同心円の一部として表される請求項１に記載の車外環境認識装置。
3. 前記自車両進行路を円として表した場合の半径が所定長さ以上であれば、前記自車両進行路を直線とする請求項１または２に記載の車外環境認識装置。

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