JP6335155B2 - 車両の走行制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、自車両前方の先行車両に追従して走行する追従走行を制御する車両の走行制御装置に関する。

従来、自動車等の車両においては、自車両の前方を走行する先行車両に追従して走行する追従走行システムが知られている。この先行車両への追従走行システムは、例えば、特許文献１に開示されているように、先行車両をレーダやカメラ等により捕捉して、ステアリング、トランスミッション、エンジン及びブレーキを自動的に制御するものであり、路面上にレーンマーカや白線のない道路を走行する場合や、渋滞時等の低速走行時に先行車両との車間距離が小さくなって前方視野が制限され、車線（白線）を認識困難な場合に有効である。

特開２００４−３２２９１６号公報

上述の追従走行システムでは、先行車両の背面領域を観測して算出される車幅方向の中心位置を制御目標点として、この制御目標点に自車両の幅方向の中心位置が一致するように制御することが一般的である。

しかしながら、追従対象となる先行車両が自車両よりも小型の車両である場合、小型の車両は車両重量や重心位置等の要因により外乱の影響を受けやすく、車両横位置が高周波数・高振幅で変化する可能性が高い。

このため、自車両よりも小型の車両に追従して走行する場合には、大型車両に追従して走行する場合に比較して自車両の挙動がふらつき傾向になり易く、自車両や周辺車両のドライバに不安感を与える虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、先行車両に追従して走行する際に、先行車両の走行軌跡のふらつきに対して自車両のふらつきを抑制することのできる車両の走行制御装置を提供することを目的としている。

本発明の一態様による車両の走行制御装置は、自車両前方の先行車両に追従して走行する追従走行を制御する車両の走行制御装置であって、前記先行車両の車幅方向の設定位置を前記追従走行の制御目標点として設定する制御目標点設定部と、前記先行車両の少なくとも車幅を含む形状データに基づいて、第１のゲインを設定する第１の制御調整値設定部と、前記先行車両の横速度に基づいて、前記先行車両の横速度が基準速度を超える領域では前記第１のゲインよりも大きくなる第２のゲインを設定する第２の制御調整値設定部と、前記第１のゲインと前記第２のゲインとを選択的に用いて前記制御目標点への制御量を調整する制御量調整部とを備える。

本発明によれば、先行車両に追従して走行する際に、先行車両の走行軌跡のふらつきに対して自車両のふらつきを抑制することができる。

走行制御システムの構成図 車両移動量の説明図 先行車両の走行軌跡を示す説明図 先行車両に対する追従軌跡を示す説明図 第１のゲインの特性を示す説明図 第２のゲインの特性を示す説明図 追従走行制御のフローチャート

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１において、符号１０は、自動車等の車両の走行制御システムであり、車両の自律的な自動運転を含む走行制御を実行する。この走行制御システム１０は、走行制御装置１００を中心として、外部環境認識装置２０、エンジン制御装置４０、変速機制御装置５０、ブレーキ制御装置６０、操舵制御装置７０等が車内ネットワークを形成する通信バス１５０を介して互いに接続されて構成されている。

外部環境認識装置２０は、車載のカメラ、ミリ波レーダ、レーザレーダ等の各種デバイスにより、自車両周囲の外部環境を認識する。本実施の形態においては、外部環境認識装置２０として、車載のカメラ１及び画像認識装置２による外部環境の認識を主として説明する。

カメラ１は、本実施の形態においては、同一対象物を異なる視点から撮像する２台のカメラ１ａ，１ｂで構成されるステレオカメラであり、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を有するシャッタ同期のカメラである。これらのカメラ１ａ，１ｂは、例えば、車室内上部のフロントウィンドウ内側のルームミラー近傍に所定の基線長で配置されている。

カメラ１で撮像した左右一対の画像は、画像認識装置２で処理される。画像認識装置２は、ステレオマッチング処理により、左右画像の対応位置の画素ずれ量（視差）を求め、画素ずれ量を輝度データ等に変換して距離画像を生成する。距離画像上の点は、三角測量の原理から、自車両の車幅方向すなわち左右方向をＸ軸、車高方向をＹ軸、車長方向すなわち距離方向をＺ軸とする実空間上の点に座標変換され、自車両が走行する道路の白線（車線）、障害物、自車両の前方を走行する車両等が３次元的に認識される。

車線としての白線は、画像から白線の候補となる点群を抽出し、その候補点を結ぶ直線や曲線を算出することにより、認識することができる。例えば、画像上に設定された白線検出領域内において、水平方向（車幅方向）に設定した複数の探索ライン上で輝度が所定以上変化するエッジの検出を行って探索ライン毎に１組の白線開始点及び白線終了点を検出し、白線開始点と白線終了点との間の中間の領域を白線候補点として抽出する。

そして、単位時間当たりの車両移動量に基づく白線候補点の空間座標位置の時系列データを処理して左右の白線を近似するモデルを算出し、このモデルにより、白線を認識する。白線の近似モデルとしては、ハフ変換によって求めた直線成分を連結した近似モデルや、２次式等の曲線で近似したモデルを用いることができる。

エンジン制御装置４０は、エンジン運転状態を検出する各種センサ類からの信号及び通信バス１５０を介して送信される各種制御情報に基づいて、エンジン（図示せず）の運転状態を制御する。エンジン制御装置４０は、例えば、吸入空気量、スロットル開度、エンジン水温、吸気温度、空燃比、クランク角、アクセル開度、その他の車両情報に基づき、燃料噴射制御、点火時期制御、電子制御スロットル弁の開度制御等を主要とするエンジン制御を実行する。

変速機制御装置５０は、変速位置や車速等を検出するセンサ類からの信号や通信バス１５０を介して送信される各種制御情報に基いて、自動変速機（図示せず）に供給する油圧を制御し、予め設定された変速特性に従って自動変速機を制御する。

ブレーキ制御装置６０は、例えば、ブレーキスイッチ、４輪の車輪速、ハンドル角、ヨーレート、その他の車両情報に基づき、４輪のブレーキ装置（図示せず）をドライバのブレーキ操作とは独立して制御する。また、ブレーキ制御装置６０は、各輪のブレーキ力に基づいて各輪のブレーキ液圧を算出して、アンチロック・ブレーキ・システムや横すべり防止制御等を行う。

操舵制御装置７０は、例えば、車速、ドライバの操舵トルク、ハンドル角、ヨーレート、その他の車両情報に基づき、車両の操舵系に設けた電動パワーステアリングモータ（図示せず）によるアシストトルクを制御する。また、操舵制御装置７０は、走行制御装置１００からの指示により、自車両の前方を走行する先行車両への追従走行時、先行車両の走行軌跡を追従する操舵量で電動パワーステアリングモータを駆動制御する。

次に、走行制御システム１０の中心となる走行制御装置１００について説明する。走行制御装置１００は、外部環境認識装置２０による外部環境の認識結果に基づいて、自車両の走行車線に沿った進行路への走行制御と、先行車両に追従して走行する追従走行制御とを実行する。これらの走行制御は、走行制御装置１００の制御部１０１と制御目標点設定部１０２とを主要部として実行される。

詳細には、自車両前方に先行車両が捕捉されていない場合、制御部１０１は、道路の白線を認識して自車両の走行車線を検出し、この走行車線に沿った進行路を設定する。そして、この進行路上を設定車速で走行するよう、エンジン制御装置４０、変速機制御装置５０、ブレーキ制御装置６０、及び操舵制御装置７０を介した走行制御を実行する。

一方、自車両前方に先行車両が捕捉されている場合には、制御部１０１は、先行車両と所定の車間距離を維持しながら進行路上を設定車速で走行するよう、エンジン制御装置４０、変速機制御装置５０、ブレーキ制御装置６０、及び操舵制御装置７０を介した走行制御を実行する。また、渋滞時等のような低速走行時には、制御部１０１は、先行車両に追従して走行する追従走行制御を行う。

この先行車両への追従走行では、制御部１０１は、先行車両の走行軌跡を算出し、この走行軌跡に一致するように操舵制御装置７０を介した操舵制御を行うと共に、エンジン制御装置４０、変速機制御装置５０、ブレーキ制御装置６０を介した走行駆動制御を実行する。この場合、先行車両への追従走行制御は、自車両の車線内での横位置が制御目標点設定部１０２で設定される制御目標点に一致するよう操舵角を修正することにより、自車両の進行方向を決定する制御となる。

制御目標点は、基本的には、先行車両の背面領域の車幅方向の中心位置で設定され、この中心位置を先行車両の位置として走行軌跡が算出される。具体的には、例えば、カメラ１の撮像画像から先行車両の背面領域の中心位置を求め、この中心位置を先行車両の位置を示す候補点として、撮像画像の１フレーム当たりの自車両の移動量に基づいてフレーム毎の候補点を求める。そして、この候補点の点群を近似する曲線を先行車両の走行軌跡として算出する。

詳細には、図２に示す関係から、自車両Ｃ１の車速Ｖと、自車両Ｃ１のヨーレートから求まるヨー角θとに基づき、フレームレートΔｔ（撮像画像が１フレーム更新されるまでの時間）での自車両Ｃ１’への移動量Δｘ，Δｚを、以下の（１）式及び（２）式を用いて計算する。
Δｘ＝Ｖ・Δｔ・ｓｉｎθ …（１）
Δｚ＝Ｖ・Δｔ・ｃｏｓθ …（２）

次に、以下の（３）式及び（４）式に示すように、前フレーム以前に検出した先行車両の候補点Ｐold(Ｘold,Ｚold)に対し、自車両の移動量Δｘ，Δｚを減算した後、現在のフレームにおける車両固定座標系（Ｘ',Ｚ'）への座標変換を行うことにより、現在のフレームにおける先行車両の候補点Ｐpre(Ｘpre,Ｚpre)の座標を計算する。
Ｘpre＝(Ｘold−Δｘ)・ｃｏｓθ−(Ｚold−Δｚ)・ｓｉｎθ …（３）
Ｚpre＝(Ｘold−Δｘ)・ｓｉｎθ＋(Ｚold−Δｚ)・ｃｏｓθ …（４）

そして、これらの候補点の点群に対して、例えば最小二乗法を適用することにより、以下の（５）式に示すような曲線を求め、この曲線を先行車両の走行軌跡Ｐとする（図３参照）。（５）式において、係数Ｋ１は走行軌跡の曲率成分、係数Ｋ２は走行軌跡のヨー角成分（自車両に対する走行軌跡の傾き成分）、係数Ｋ３は自車両に対する走行軌跡の横位置成分を示している。
Ｐ＝Ｋ１・Ｚ²＋Ｋ２・Ｚ＋Ｋ３ …（５）

前述したように、先行車両の走行軌跡に追従する制御では、先行車両の背面領域の車幅方向の中心位置を制御目標点として自車両の操舵角を制御する。従って、制御部１０１は、自車両の車幅方向の中心位置が制御目標点に一致するように、操舵制御装置７０を介して現在の操舵角を修正し、先行車両への追従走行を制御する。この制御目標点への操舵制御は、現在の操舵角で進行したときの自車両位置と制御目標点との偏差δxに基づくフィードバック制御を主として実行される。

例えば、以下の（６）式に示すように、制御目標点との偏差δxに基づく操舵量に、先行車両の走行軌跡の曲率Ｋ１に基づくフィードフォーワード分と、自車両のヨー角を走行軌跡のヨー角成分Ｋ２に一致させるための偏差δyawのフィードバック分とを加えて目標操舵角αrefを算出する。
αref＝Ｇf・δx＋Ｇff・Ｋ１＋Ｇy・δyaw …（６）
但し、Ｇf ：現在の操舵角で進行したときの自車両位置と制御目標点との偏差に対するフィードバックゲイン
Ｇff：走行軌跡の曲率に対するフィードフォワードゲイン
Ｇy ：走行軌跡と自車両との相対ヨー角に対するフィードバックゲイン

この目標操舵角αrefへの操舵制御は、目標操舵角αrefと実操舵角αtとの偏差に基づく目標操舵トルクへの制御として実行される。目標操舵トルクへの制御は、具体的には、電動パワーステアリングモータの電流制御として実行され、例えば、以下の（７）式に示すように、ＰＩＤ制御による駆動電流Ｉｍで電動パワーステアリングモータが駆動される。
Ｉｍ＝Ｋv・(Ｇp・(αref-αt)＋Ｇi・∫(αref-αt)ｄｔ＋Ｇd・ｄ(αref-αt)/ｄｔ)…（７）
但し、Ｋv：モータ電圧−電流の変換係数
Ｇp：比例ゲイン
Ｇi：積分ゲイン
Ｇd：微分ゲイン

このような先行車両への追従走行では、図４に破線で示すように、先行車両Ｃ２が道路ＲＤの車線Ｌｓ，Ｌｃ内をふらつきぎみに進行すると、先行車両Ｃ２に追従する自車両Ｃ１もふらついてしまい、ドライバに不安感を与える虞がある。特に、先行車両Ｃ２が自車両量Ｃ１よりも小型の車両である場合、車両重量や重心位置等の要因により外乱の影響を受けやすく、車両横位置が高周波数・高振幅で変化する傾向にある。

このような先行車両の走行軌跡のふらつきに対応するため、走行制御装置１００は、図１に示すように、制御部１０１、制御目標点設定部１０２に加えて、制御量調整部１０３、第１の制御調整値設定部１０４、第２の制御調整値設定部１０５を備えており、先行車両への追従性を調整して自車両のふらつきを抑制する。

制御量調整部１０３は、制御部１０１における追従走行制御の制御量を増減し、先行車両への追従性を調整する。この制御量の増減は、追従走行における自車両の操舵角や操舵力の調整であり、例えば、上述の（６）式による目標操舵角αref、或いは（７）式による電動パワーステアリングモータの駆動電流Ｉｍを増減させる。

より詳細には、目標操舵角αrefにおける自車両位置と制御目標点との偏差に対するフィードバックゲインＧｆを主として調整し、適宜、走行軌跡と自車両との相対ヨー角に対するフィードバックゲインＧy、目標操舵トルクへのＰＩＤ制御における制御ゲイン（比例ゲインＧp、積分ゲインＧi、微分ゲインＧd）等を調整するようにしても良い。

本実施の形態においては、追従走行の制御量に対する制御調整値として、先行車両の形状データに基づく第１のゲインＧ１と、先行車両の横速度（Ｘ軸方向への移動速度）に基づく第２のゲインＧ２とを設定する。第１のゲインＧ１は、第１の制御調整値設定部１０４において設定され、第２のゲインＧ２は、第２の制御調整値設定部１０５において設定される。制御量調整部１０３は、主として、第１のゲインＧ１を用いて追従走行の制御量を調整し、状況に応じて第２のゲインＧ２を選択的に用いて追従走行の制御量を調整する。

第１のゲインＧ１は、本実施の形態においては、カメラ１の撮像画像から取得される先行車両の形状データと、予め自車両の装置内に記憶されている対応する形状データとの関係に基づいて設定される。先行車両と自車両との形状データの関係としては、車幅比、面積比（車幅方向をＸ軸、車高方向をＹ軸としたときの平面上への投影面積の比）、縦横比（車高／車幅）等を用いることができる。

本実施の形態においては、先行車両と自車両との形状データの比として、先行車両と自車両との車幅比を用いる。第１の制御調整値設定部１０４は、カメラ１の撮像画像から得られる先行車両の背面領域のＸ軸方向の右端位置と左端位置との差分を先行車両の車幅Ｗ２として算出し、この車幅Ｗ２と、予め既知の自車両の車幅Ｗ１との車幅比Ｗ２／Ｗ１に基づいて第１のゲインＧ１を設定する。

第１のゲインＧ１は、先行車両の車幅が自車両の車幅よりも小さい小型車の場合には、車両挙動がふらつき傾向となることを考慮したものであり、例えば図５に示すような特性のテーブルに格納され、このテーブルを参照して設定される。図５においては、第１のゲインＧ１は、Ｗ２／Ｗ１＜１．０の場合、車幅比Ｗ２／Ｗ１が小さくなるほど、第１のゲインＧ１も小さくなり、Ｗ２／Ｗ１≧１．０では、Ｇ１＝１．０（調整無し）となる特性に設定されている。

尚、図５のテーブルにおいては、車幅比Ｗ２／Ｗ１に基づいて第１のゲインＧ１を設定するようにしているが、先行車両の車幅Ｗ２に基づいて第１のゲインンＧ１を設定するようにしても良い。すなわち、自車両の車幅は既知であり、先行車両の車幅を検出することで、先行車両が自車両よりも小型で車両挙動がふらつき傾向となる車両であるか否かが分かるため、先行車両の形状データから一義的に第１のゲインＧ１を設定するようにしても良い。

一方、第２のゲインＧ２は、先行車両の横方向への移動速度が大きくなった場合、カーブに沿って走行しているような状況が想定されることを考慮した調整値である。第２の制御調整値設定部１０５は、カメラ１の撮像画像から先行車両の横速度Ｖｘを算出し、この横速度Ｖｘに基づいて第２のゲインＧ２を設定する。

第２のゲインＧ２は、例えば図６に示すような特性のテーブルに格納されており、このテーブルを参照して設定される。図６においては、第２のゲインＧ２は、カーブ走行を想定した基準速度Ｖｘ0でＧ２＝１．０となるようにして、先行車両の横速度Ｖｘに対して略直線状に変化する特性に設定されている。

本実施の形態においては、先行車両と自車両との車幅比に基づく第１のゲインＧ１と、先行車両の横速度に基づく第２のゲインＧ２とは、Ｖｘ＞Ｖｘ0の領域では、Ｇ１＜Ｇ２となるように設定されている。すなわち、先行車両の横速度Ｖｘが基準速度を超える場合には、先行車両の車幅に拘わらず先行車両の横速度に応じて追従性が向上する調整がなされ、カーブ走行時の先行車両への追従性の低下が防止される。

次に、走行制御装置１００における先行車両への追従走行制御のプログラム処理について、図７のフローチャートを用いて説明する。

この先行車両への追従走行制御では、最初のステップＳ１において、自車両の前方の所定範囲内に認識された先行車両が有るか否かを調べる。そして、先行車両が認識されていない場合には、本処理を抜け、先行車両が認識されている場合、ステップＳ１からステップＳ２へ進み、先行車両の背面領域の中心位置を先行車両に対する追従走行の制御目標点として設定する。

次に、ステップＳ３へ進んで先行車両の車幅Ｗ２を算出し、この先行車両の車幅Ｗ２と予め装置内に記憶されている自車両の車幅Ｗ１との車幅比Ｗ２／Ｗ１に基づくテーブル参照等により第１のゲインＧ１を設定する（図５参照）。更に、ステップＳ４で先行車両の横速度Ｖｘを算出し、この横速度Ｖｘに基づくテーブル参照等により第２のゲインＧ２を設定する（図６参照）。

ステップＳ４に続くステップＳ５では、第１のゲインＧ１と第２のゲインＧ２とを比較する。そして、Ｇ１＞Ｇ２の場合には、ステップＳ６で先行車両と自車両との車幅比に基づく第１のゲインＧ１を追従走行の制御量に対する調整値として設定し、Ｇ１≦Ｇ２の場合、ステップＳ７で先行車両の横速度に基づく第２のゲインＧ２を追従走行の制御量に対する調整値として設定する。

その後、ステップＳ６或いはステップＳ７からステップＳ８へ進み、自車両の車幅方向の中心位置が制御目標点に一致するよう追従走行制御を実行する。この追従走行制御は、制御目標点と自車両の中心位置との偏差に基づいて現在の操舵角を修正する操舵制御を中心として実行され、図４に示すように、先行車両Ｃ２が自車両Ｃ１よりも小型の車両で走行軌跡がふらつき傾向にある場合、自車両の追従性を低下させて図中に実線で示すような走行軌跡としてふらつきを抑制し、ドライバの不安心感を解消する。

このように本実施の形態においては、先行車両の車幅方向の設定位置を制御目標点として追従走行する際に、先行車両が自車両よりも小型の車両でふらつき傾向にあっても、先行車両の走行軌跡のふらつきに対して自車両のふらつきを抑制することができ、自車両や周辺車両のドライバに不安感を与えることがない。

１ カメラ
２ 画像認識装置
１０ 走行制御システム
２０ 外部環境認識装置
３０ 地図情報処理装置
４０ エンジン制御装置
５０ 変速機制御装置
６０ ブレーキ制御装置
７０ 操舵制御装置
１００ 走行制御装置
１０１ 制御部
１０２ 制御目標点設定部
１０３ 制御量調整部
１０４ 第１の制御調整値設定部
１０５ 第２の制御調整値設定部
１５０ 通信バス
Ｃ１ 自車両
Ｃ２ 先行車両
Ｇ１ 第１のゲイン
Ｇ２ 第２のゲイン

Claims (4)

1. 自車両前方の先行車両に追従して走行する追従走行を制御する車両の走行制御装置であって、
   前記先行車両の車幅方向の設定位置を前記追従走行の制御目標点として設定する制御目標点設定部と、
   前記先行車両の少なくとも車幅を含む形状データに基づいて、第１のゲインを設定する第１の制御調整値設定部と、
   前記先行車両の横速度に基づいて、前記先行車両の横速度が基準速度を超える領域では前記第１のゲインよりも大きくなる第２のゲインを設定する第２の制御調整値設定部と、
   前記第１のゲインと前記第２のゲインとを選択的に用いて前記制御目標点への制御量を調整する制御量調整部と
   を備えることを特徴とする車両の走行制御装置。
2. 前記制御量調整部は、前記第２のゲインが前記第１のゲインより大きくなった場合、前記第２のゲインを用いて前記制御目標点への制御量を調整することを特徴とする請求項１記載の車両の走行制御装置。
3. 前記第１のゲイン及び前記第２のゲインは、前記制御目標点への自車両の操舵量を調整するためのゲインであることを特徴とする請求項１又は２記載の車両の走行制御装置。
4. 前記第１のゲイン及び前記第２のゲインは、前記制御目標点への自車両の操舵力を調整するためのゲインであることを特徴とする請求項１又は２記載の車両の走行制御装置。

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