JP5187805B2 - 移動物体の指標位置への相対角度及び位置計測方法及び、それを利用した駐車支援方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、移動物体の指標位置への相対角度及び位置計測方法及び、それを利用した駐車支援方法及びシステムに関する。車両などの移動物体を目標位置に移動させる場合には、目標位置と車両との位置関係を知る必要がある。本発明は、目標位置として駐車スペースを想定し、後方駐車における駐車スペースと車両との相対位置の計測手法と、その位置関係を基にした駐車支援方法及びシステムに関する。

駐車支援の研究は、これまでにも盛んに行われており、既に、駐車支援を目的とした支援システムも市販されている。市販されているものは、車両後方に設置したカメラを利用したものが多く、駐車スペースの画像に、現在の操舵また直進時の車両諸元に基づき予想される車幅の軌跡線をナビゲーションシステムなどのモニタに重畳して表示させるものや、駐車スペースを画像上で確定後に、自動で操舵を行うものもある。駐車スペースとの相対位置関係を知るために、カメラが利用されているが、夜間などの明度の低い環境では相対位置の把握が困難な場合がある。また、駐車時における障害物の認識は、ドライバにゆだねられていることが多く、障害に対する情報を提供するものはほとんど無い。

研究レベルでは、高精度に位置検出可能なGPSと詳細な地図情報、さらにはジャイロや操舵角センサ、速度センサなどを車両に搭載して、駐車スペースとの位置関係を基に、駐車誘導支援を行うシステムもある。このシステムでは、高精度なGPSやジャイロなどが必要なことから車載装置のコストが高くなることが欠点であり、詳細な地図情報の作成コストも問題になる。
大前学、橋本尚久、藤岡健彦、清水浩：駐車場を有する構内における自動車の自動運転の運動制御に関する研究、自動車技術会論文集Vol．35-3、p．235-240 (2004) 加藤晋、橋本尚久、美濃部直子、津川定之：通信を利用した外部誘導システムの開発、自動車技術会春季大会、No．42-06、p．13-18、20065155 (2006) 加藤晋、橋本尚久、美濃部直子、津川定之：通信を利用した外部誘導システムの実フィールド検証、自動車技術会秋季大会、20065731 (2006) 酒井克博、広中慎司、駐車操作時のドライバ負担軽減システムの研究、自動車技術会春季大会、No．10-06、p．9-12、20065014 (2006)

本発明は、高精度なGPSやジャイロなどを必要とすることなく、計測対象となる指標が円柱状であれば計測方向に左右されずに，対象となる環境に既知の目印となる指標を置くことで，その指標との距離や方向を計測し、さらにこれによって、車両を誘導して駐車支援を行うことを目的としている。

本発明の移動物体の指標位置への相対角度及び位置計測方法は、対象となる環境に既知の目印として、直径及び間隔が既知の２つの指標を配置し、水平方向にレーザを一定角度毎に照射し、その距離を算出することのできるレーザレンジファインダを、移動物体に固定し、前記レーザレンジファインダで計測した範囲内で算出した指標候補の位置、該指標候補の間隔情報及び直径情報に基づいて、前記２つの指標を特定し、前記レーザレンジファインダにより算出したこれら２つの指標の距離と角度の値から、前記レーザレンジファインダからみた、前記２つの指標の中点の距離と角度を算出し、前記移動物体あるいは前記２つの指標のいずれかを原点とした相対座標系における、前記移動物体と前記２つの指標の置かれた位置との相対的な角度と位置を算出する。

また、本発明の駐車支援方法は、上記方法を用いて、車両に固定したレーザレンジファインダと２つの指標の置かれた位置との相対的な角度と位置を算出して、車両の誘導を行う。
また、本発明の駐車支援システムは、上記方法を用いて、車両に固定したレーザレンジファインダと２つの指標の置かれた位置との相対的な角度と位置を算出して、目標駐車スペースに収まるように、車両位置の情報提示或いは運転操作指示を行ない、或いは、目標駐車スペースに収まるように、車両の目標操舵角及び目標速度算出し、車両のアクチュエータを制御する。

本発明によれば、高精度なGPSやジャイロなどを必要とせず、車載装置のコストを高くすることも、詳細な地図情報の作成コストが問題になることもなく、指標となる円柱として，カラーコーン（登録商標）や弾性車止めポール，パイプなど，様々なものを利用可能にして、指標と車両の距離や方向を計測し、さらにこれによって駐車支援を行うことが可能となる。

以下、例示に基づき、本発明を説明する。図１は、相対位置計測の原理を示す図である。移動物体における相対位置の計測手法は、自動車やロボットの分野で、様々に研究開発が行われている。本発明による相対位置の計測手法は、レーザレンジファインダ（LRF）を用いて、対象となる環境に既知の目印となる指標を置くことで、その指標との距離や方向を計測するものである。

レーザレンジファインダは、水平方向にレーザを一定角度毎に照射し、その距離を算出するものを利用する。また目印となる指標には、角度の計測のために2点以上、または平面が必要であるため、2つの円柱（直径、間隔は既知）を利用している。図１に示すように、指標である2つの円柱は直径、間隔は既知であるため、各円柱をレーザレンジファインダで計測した距離と角度の値から、2つの円柱の置かれた位置との相対的な角度と位置が算出可能である。この指標の設置位置が、絶対地図上で既知であれば、絶対位置と方向を推定することが可能となる。また、レーザレンジファインダの車両上の設置方向より、自己の方向も推定可能である。さらに、速度に関しては、誤差は大きいものの計測周期と移動距離から求めることも可能である。

相対位置計測の手順を以下に示す。ただし、計測範囲内に指標としての2つの円柱のセットは、1組しかないものとした。また、相対座標系は、車両や円柱の指標など様々な位置を原点とすることが可能である。
１）LRF計測範囲内の円柱候補の位置（角度と距離）を検出（目標駐車スペースとのおおよその位置関係と、既知である円柱の直径情報による絞込み）
２）円柱候補のうち、指標としての2つの円柱のセットの1組のみの位置（各円柱の角度と距離）を検出（既知である指標としての2本の円柱の間隔情報による絞込み）。1組以上の場合は、１)に戻って再検出
３）指標となる2つの円柱の距離から、その中点の距離を算出（２つの距離を加算し2分の１としたもの）
４）指標となる2つの円柱の検出角度から、その中点の角度を算出（２つの検出角度を加算し2分の１としたもの）
５）指標となる2つの円柱の位置を結ぶ線分を求め、それに対し垂直となる角度を算出することで、2つの円柱の置かれた方向を算出
６）相対座標系の原点から、各位置の関係を再計算して変換する。
７）相対座標系における車両の位置を、車両のLRFの取り付け位置、円柱のセットの計測位置・角度、円柱の置かれた方向などから推定（時系列変化から車両速度も推定）
８）相対座標系における車両の向きを、車両のLRFの取り付け方向、円柱のセットの計測角度、円柱の置かれた方向などから推定（時系列変化から車両ヨーレート及び速度も推定）
９）２）で指標となる円柱のセットが検出された場合は、車両の移動方向、速度などを考慮して、次の計測時の円柱を探索する位置を絞り込み、計測時間の短縮を図る。
１０）計測を１）に戻って繰り返す。

以上の手順によって、移動物体の指標位置への相対角度及び位置計測が可能となる。本発明では、原理的に2つの円柱がレーザレンジファインダから同じ角度上に並んでおり、1つの距離しか計測できない場合は、正確な計測は困難である。しかし、このような場合が連続しない状態での連続した移動の中での計測では、計測が可能であった過去の位置状態と、片方の円柱の位置などから、ある程度の位置変化を予測することは可能である。

図２は、駐車スペースに対する相対位置計測を説明する図である。駐車すべき車両の所定位置（例えば後部中央）には、レーザレンジファインダが取り付けられている。レーザレンジファインダは、水平方向にレーザを一定角度毎に照射し、その距離を算出するものを利用する。また目印となる指標として、直径及び間隔が既知の2つの円柱を利用する。このため、図２に示すように、目標駐車スペースの後方両端に、指標となる２つの円柱が置かれている。円柱としては、カラーコーンや弾性車止めポール、パイプなど、円柱状の様々なものを移動指標として利用することが可能である。計測対象が円柱状であれば計測方向に左右されないという利点がある。目標となる移動に対して計測対象の位置が既知であるものが２つ以上同時にLRFで計測できれば、位置と方位を精度良く検出できることになる。さらに、円柱として、既存の構造物を用いることも可能で、上述した円柱と同様に、計測したい移動範囲内から、特徴を持って観測できれば、それらを利用して、相対位置を算出することが可能となる。例えば、駐車に関して考えると、昇降式駐車場や昇降横行式駐車場などの駐車パレットの周囲の柱を利用することで、駐車スペースとの相対位置を計測することも可能となる。さらに、目標駐車スペースの後方に移動指標を置くだけでなく、目標駐車スペースの左右の駐車車両を、相対位置計測の指標に用いるなど、様々な移動指標や配置などが考えられる。これらの場合において、指標探索の条件が異なることになるが、構造物の特徴を用いて検出の条件とすることで、同じように指標の検出が可能となり、相対位置の検出を行うことができる。

駐車スペースに対して、2つの円柱を駐車に邪魔にならず、かつ計測が可能な位置に置き、その位置が目標駐車スペースに対してどのような位置に設置してあるかが既知であれば、その目標駐車スペースと車両との相対的な位置関係を常に計測することが可能となる。これにより、目標駐車スペースと車両との位置関係をドライバに提示することや、位置関係を基に自動駐車することも可能となる。

先に述べたように計測指標は、様々なものが考えられるため、指標自体は固定する必要はなく、パイプなどを指標に利用すればトランクなどに入れ持ち運び、目標駐車スペースが決まった時点で、指標を設置して相対位置に基づいた駐車支援を行わせることなどが考えられる。このとき、指標の設置に関して、その間隔は、2つをある既知の長さの紐などでつないでおき、その長さに置くようにすれば、簡単に設置できる。また、目標駐車スペースの寸法を正確に計測する必要は無く、指標を駐車スペースの最後部の中央付近に設置することにあらかじめ設定すれば、駐車スペースには駐車時に余裕があることから、一般的な駐車スペースと車両の大きさなどから、目標駐車スペースを仮想して、相対位置を基にした誘導を行うことが可能である。

また、レーザレンジファインダが常に目標駐車スペースに向かう移動方向を検出しているため、移動経路上の障害物の有無も同時に検出することが可能であり、障害物の存在によるドライバへの注意警告や自動停止を行うことも可能となる。このレーザレンジファインダは、駐車時だけでなく、他の用途にも用いることが可能であり、例えば、高速道路などでの車線変更において、後方車両の接近を検出することが可能である。

図３は、自動制御による駐車支援システムの構成を例示する図である。駐車支援システムは、レーザレンジファインダを用いて車両の駐車スペースとの相対位置や向きなどの状態推定を行いながら、制御処理用ＰＣに搭載の駐車制御アルゴリズムに従って、目標駐車スペースに収まるように、目標操舵角及び目標速度を算出し、車両のアクチュエータ（操舵制御アクチュエータ、速度制御アクチュエータ）を制御する。このとき、制御遅れを考慮して車両状態を予測した制御量を算出している。操舵制御に関しては、目標駐車スペースと自車との位置関係から駐車制御アルゴリズムによって常に制御が更新されるため、また、制御遅れを考慮しているため、操舵角の情報は必ずしも必要としない。速度制御に必要な車両速度は、レーザレンジファインダを利用した状態推定の時系列変化から推定することが可能であり、また、車載の速度センサからの情報を利用することも可能である。

このように、駐車支援システムとして、車両と目標駐車スペースの位置や向きの相対関係を利用して、精度良く駐車を行うための操舵変化量、駆動制動量を制御アルゴリズムから算出し、操作誘導情報として提供することが可能となる。車両の駐車制御アルゴリズムは、非特許文献１で用いられている制御手法を用いて操舵変化量の算出を行うことができる。この制御手法の特徴は、車体のホイールベース等の幾何的なパラメータやコーナリングパワー等の力学的パラメータに依存しないという特徴があるため、実際に不特定多数の車両に対応できる可能性がある。図示の例では、駐車スペースの位置と向きの情報は、車両上の駐車支援システムが地図データベースなどにより、既知としている。被誘導車両の位置に関して、非特許文献１では、重心位置を利用しているが、通常、重心位置の計測は困難であるため、簡易的に中心位置を利用することができる。この駐車制御アルゴリズムでは、中心位置に対して多少の誤差（数十[cm]程度）がある場合にも、駐車スペース内に収まるように車両を誘導できることが、シミュレーションにより示されている（非特許文献２）。速度制御は、駐車支援開始から極低速を保持させ、駐車スペースに入った後は、ブレーキをかけるようにすれば良いこととなる。

図４は、運転支援による駐車支援システムの構成を例示する図である。また、図５は、自動駐車及びドライバへの操作支援における駐車支援システムの処理の流れを示す図である。駐車支援システムが車両の相対位置推定の結果に基づいて、車両のドライバに対する位置の情報提示や運転操作指示のみを行い、ドライバがその情報に基づいて、車両をマニュアル運転により駐車することができる。ドライバは、周囲を見て車両と駐車スペースとの位置関係を確認することなく、駐車支援システムからの情報提示による位置確認と、運転操作指示に従った運転操作を行うことにより駐車が可能となる。ドライバに対する運転操作の指示については、伝達やドライバの操作の遅れを考慮し、遅れ時間後の車両状態を予測しつつ、目標操舵量及び目標速度を運転操作の指示として、提示する。ドライバへの提示方法としては、車両のモニタ上に目標となる操舵角や速度を示すバーグラフを示し、その指示に応じた音声をスピーカから流すことができる。また、駐車スペースとの車両の位置関係も図示して情報提示を行うことができる。ドライバの操作に合わせて、運転指示を与えることができ、精度良く目標駐車スペースに駐車が可能となる。図示の構成により実験した結果によれば、ドライバの運転操作に対し、変化する車両の位置や方向の微妙な修正を行う指示も実現したことで、目標駐車スペースに安全に、かつ、切り返しなどをすることなく効率よく駐車することが可能な運転操作指示を与えることができた。

図６に示すように、指標として、カラーコーンを2つ用いて2m間隔に置いて相対位置計測の基礎実験を行った。計測部分は、高さ約41cm部分で、直径約15cmである。実験は、指標となる円柱に対して、横1[m]付近、横2．5[m]付近、正面からの移動の3方向からの接近に対する相対位置の計測を試みた。レーザレンジファインダには、SICK製のLMS291を用い、180度を0．5度毎に距離計測を行わせた。このレーザレンジファインダを4輪の電動車椅子を改造した車両に、高さ約41cmの水平面が計測位置となるように設置した。移動速度は極低速とした。また、精度の検証のために、この電動車両に静止精度が約2[cm]以内のRTK-GPS（Novatel OEM4-G2）を装着し、GPSアンテナをLRFの計測位置の上部になるように設置し、移動位置を計測した。

実験結果を図７〜図１２に示す。今回の実験では、電動車を正確に直進させておらず、運転者の操作によるものもある。基礎実験のため、正確なキャリブレーションを行わなかったため、多少の誤差があるが、これらは、キャリブレーションを行うことで、かなり、削減可能と考える。また、正面からの計測で誤差が大きいが、これは、計測環境の路面に多少の起伏があり、LRFの方向が上下に変化することで、カラーコーンの計測が安定していなかったためと考えられる。これらの実験データからは、連続的に、相対位置を計測できることが検証された。誤差に対しては、路面の状態に影響を受けたが、駐車誘導などでは、充分な精度での計測が可能であることがわかる。

パイプを利用した指標のポールを用いて、距離計測に関する基礎実験を行った。実験では、移動体に取り付けられたLRFを用いて、前方のパイプの指標ポールを計測し、その中点までの距離を算出させた。パイプは、Φ27mmのものを用いて、50cmの間隔で立てている。LRFの計測位置と、指標の中点との距離をメジャーで計測し、垂直に3mから１m毎に１ｍまで近づいたときの距離計測の結果を図１３に示す。この結果より、計測した範囲内の距離は精度良く連続して検出できていることがわかる。

図１４は、角度分解能の間隔幅を示したものであるが、距離に応じて間隔幅は大きくなるため、指標となる円柱の直径によっては、検出が困難になることがわかる。今回の実験は、0．5度毎の検出で、約10m以内では指標としてカラーコーンの直径約15cmを利用し、約3m以内では指標としてパイプの直径約3cmを使用している。この図から、カラーコーンの直径での検出に対して、間隔幅は、10mでも充分に小さいが、パイプの検出に対しては、間隔幅は、3m付近でパイプの直径と同程度となるため、これ以上の遠距離の計測は不安定になると考えられる。

車両は、駐車支援システムからの制御指示に従って、自動制御されることで駐車スペースまで自動駐車される。車両には、自動制御が可能な超小型の一人乗り電気自動車（EV）を用い、かつ移動指標用円柱として弾性車止めポールを用いて実験した結果、ドライバが自動駐車の開始を選択した後は、ドライバの運転操作は全く不要となり、乗車の必要は無かった。図１５は、車両の中心の移動位置として、RTK-GPSによる計測値を基にした自動制御時の移動軌跡を示している。また、図１６はRTK-GPSの計測値を真値として、推定位置の誤差を示している。実験結果より、非常にスムーズに車両の相対位置を検出できていることがわかる。推定誤差は、ほぼ0．3[m]以内で推移しており、駐車支援に十分な位置推定精度を保ちながら、自動誘導制御が行われていることがわかる。これらの結果より、車両の相対位置推定は、駐車支援においては、充分な精度であるといえる。

相対位置計測の原理を示す図である。 駐車スペースに対する相対位置計測を説明する図である。 自動制御による駐車支援システムの構成を示す図である。 運転支援による駐車支援システムの構成を示す図である。 駐車支援システムの処理の流れを示す図である。 実験の様子（カラーコーン利用の指標検出を示す図である。） 横１[m]付近の移動時の推定移動位置を示す図である。 横1[m]付近の移動時のＸ軸距離とRTK-GPSの計測値との比較誤差（距離）を示す図である。 横2.5[m]付近の移動時の推定移動位置を示す図である。 横2.5[m]付近の移動時のＸ軸距離とRTK-GPSの計測値との比較誤差（距離）を示す図である。 正面からの接近時の推定移動位置を示す図である。 正面からの接近時のＸ軸距離とRTK-GPSの計測値の比較誤差（距離）を示す図である。 距離計測の結果を示す図である。 角度分解能の間隔幅と計測距離を示す図である。 ＧＰＳ基準座標で自動駐車車両の移動軌跡を示す図である。 相対位置計測誤差を示す図である。

Claims (5)

1. 対象となる環境に既知の目印として、直径及び間隔が既知の２つの指標を配置し、
   水平方向にレーザを一定角度毎に照射し、その距離を算出することのできるレーザレンジファインダを、移動物体に固定し、
   前記レーザレンジファインダで計測した範囲内で算出した指標候補の位置、該指標候補の間隔情報及び直径情報に基づいて、前記２つの指標を特定し、
   前記レーザレンジファインダにより算出したこれら２つの指標の距離と角度の値から、前記レーザレンジファインダからみた、前記２つの指標の中点の距離と角度を算出し、前記移動物体あるいは前記２つの指標のいずれかを原点とした相対座標系における、前記移動物体と前記２つの指標の置かれた位置との相対的な角度と位置を算出することから成る移動物体の指標位置への相対角度及び位置計測方法。
2. 前記レーザレンジファインダの前記移動物体上の設置方向より、該移動物体の方向を推定する請求項１に記載の移動物体の指標位置への相対位置計測方法。
3. 対象となる環境に既知の目印として、直径及び間隔が既知の２つの指標を目標駐車スペースに配置し、
   水平方向にレーザを一定角度毎に照射し、その距離を算出することのできるレーザレンジファインダを、車両に固定し、
   前記レーザレンジファインダで計測した範囲内で算出した指標候補の位置、該指標候補の間隔情報及び直径情報に基づいて、前記２つの指標を特定し、
   前記レーザレンジファインダにより算出したこれら２つの指標の距離と角度の値から、前記レーザレンジファインダからみた、前記２つの指標の中点の距離と角度を算出し、前記車両あるいは前記２つの指標のいずれかを原点とした相対座標系における、前記車両と前記２つの指標の置かれた位置との相対的な角度と位置を算出して、前記車両の誘導を行うことから成る駐車支援方法。
4. 対象となる環境に既知の目印として、目標駐車スペースに配置した直径及び間隔が既知の２つの指標と、
   車両に固定され、水平方向にレーザを一定角度毎に照射し、その距離を算出することのできるレーザレンジファインダと、
   前記レーザレンジファインダで計測した範囲内で算出した指標候補の位置、該指標候補の間隔情報及び直径情報に基づいて、前記２つの指標を特定し、前記レーザレンジファインダにより算出したこれら２つの指標の距離と角度の値から、前記レーザレンジファインダからみた、前記２つの指標の中点の距離と角度を算出し、前記車両あるいは前記２つの指標のいずれかを原点とした相対座標系における、前記車両と前記２つの指標の置かれた位置との相対的な角度と位置を算出して、目標駐車スペースに収まるように、車両位置の情報提示あるいは運転操作指示を行う駐車支援手段とからなる駐車支援システム。
5. 対象となる環境に既知の目印として、目標駐車スペースに配置した直径及び間隔が既知の２つの指標と、
   車両に固定され、水平方向にレーザを一定角度毎に照射し、その距離を算出することのできるレーザレンジファインダと、
   前記レーザレンジファインダで計測した範囲内で算出した指標候補の位置、該指標候補の間隔情報及び直径情報に基づいて、前記２つの指標を特定し、前記レーザレンジファインダにより算出したこれら２つの指標の距離と角度の値から、前記レーザレンジファインダからみた、前記２つの指標の中点の距離と角度を算出し、前記車両あるいは前記２つの指標のいずれかを原点とした相対座標系における、前記車両と前記２つの指標の置かれた位置との相対的な角度と位置を算出して、目標駐車スペースに収まるように、前記車両の目標操舵角及び目標速度を算出し、車両の操舵制御アクチュエータ及び速度制御アクチュエータを制御する制御手段とから成る駐車支援システム。