JP4230312B2

JP4230312B2 - 車両の進行路推定装置、及び、その進行路推定装置を備えた走行制御装置

Info

Publication number: JP4230312B2
Application number: JP2003297997A
Authority: JP
Inventors: 厚芳高澤
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2023-08-21
Also published as: EP1508504A3; US20050043882A1; US7164985B2; EP1508504A2; EP1508504B1; JP2005070983A

Description

本発明は、人工衛星から取得される自車位置と地図等に設定した目標進行路から自車両の進行路を推定する車両の進行路推定装置、及び、その進行路推定装置を備えた走行制御装置に関する。

近年、人工衛星から得られる位置データに基づいて車両の位置を検出するＧＰＳ（Global Positioning System）が、車両用のナビゲーション装置において広く用いられており、このＧＰＳで検出した自車位置情報を基に走行制御する様々な技術が提案され、実用化されている。

例えば、特開２００３−２６０１７号公報では、ＧＰＳからの情報を基に自車位置を検出し、走行目標である目標軌跡を演算し、操舵周波数応答に依存して前方注視距離を演算する。そして、自車両進行方向ベクトルを基に、前方注視距離位置での自車両と目標軌跡との将来位置横偏差を演算し、現在位置での自車両と目標軌跡との現在位置横偏差を演算し、現在位置横偏差と将来位置横偏差に基づき、自車両が目標軌跡に追従する操舵を行うための目標舵角変化量を演算し、演算された目標舵角変化量を得る指令値により操舵を行う自動操舵の技術が開示されている。
特開２００３−２６０１７号公報

ところで、上述の特許文献１の技術では、将来位置横偏差を演算するにあたり、自車両進行方向ベクトルを基準に求めるようになっているため、自車両進行方向ベクトルが不正確な場合、将来位置横偏差が精度良く求められず、精度の良い自動操舵ができないという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、車両の走行環境に応じて適切に、精度良く自車進行路を設定し、正確で安定した走行制御を可能とする車両の進行路推定装置、及び、その進行路推定装置を備えた走行制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、地球を周回する衛星からの情報を基に自車両の第１の特定位置を測位して検出する第１の自車位置検出手段と、上記第１の自車両位置検出手段とは異なる位置に配設され、上記地球を周回する衛星からの情報を基に上記自車両の第１の特定位置とは異なる自車両の第２の特定位置を測位して検出する第２の自車位置検出手段と、自車両の走行すべき目標進行路を設定する目標進行路設定手段と、上記目標進行路の曲率半径を演算する曲率半径演算手段と、上記目標進行路の曲率半径が予め設定した閾値より小さい場合に上記測位された第１の特定位置と上記測位された第２の特定位置とを結んで得られる直線方向を自車両の進行方向として自車進行路を推定する自車進行路推定手段とを備えたことを特徴としている。

本発明による車両の進行路推定装置、及び、その進行路推定装置を備えた走行制御装置は、車両の走行環境に応じて適切に、精度良く自車進行路を設定し、正確で安定した走行制御が可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１〜図７は本発明の実施の形態を示し、図１は車両の走行制御装置の全体を示す概略説明図、図２は自動操縦制御の自動操舵のフローチャート、図３は自動操舵の原理の説明図、図４は自車進行路推定ルーチンのフローチャート、図５は目標進行路の曲率半径演算の説明図、図６は曲率半径閾値と車速のマップの説明図、図７は推定される自車進行路の説明図である。

図１に示すように、本実施の形態は、ＧＰＳの形態の中でも、周知のＲＴＫ（Real-Time Kinematic）−ＧＰＳを用いて制御を行うものであり、地球を周回する人工衛星（ＧＰＳ衛星）１からの情報（測位計算等に必要な衛星の軌道情報をはじめとするデータ等）は、基準局２と、移動局である自車両３（但し、受信位置は後述するように２箇所）により受信される。

基準局２は、予め位置が正確に求められている地点に設けられており、ＧＰＳアンテナ２ａ、ＧＰＳ受信機２ｂ、無線機２ｃを備えて主要に構成されている。そして、この基準局２で観測したＧＰＳ衛星１からの電波の位相情報、疑似距離、及び、基準局２の位置座標を、測位する地点、すなわち、移動局である２つの受信位置を有する自車両３に無線機２ｃにより送信する。基準局２からは、具体的には、誤差補正量、疑似距離補正量、座標値等のデータ等が自車両３に対して送信される。

移動局である自車両３には、車両横方向の略中央の車室内前方に、ＧＰＳアンテナ３ａ、ＧＰＳ受信機３ｂ、無線機３ｃが搭載されている。また、自車両３には、車両横方向の略中央の車室内後方に、ＧＰＳアンテナ３ｄ、ＧＰＳ受信機３ｅ、無線機３ｆが搭載されている。尚、これらＧＰＳアンテナ３ａと、ＧＰＳアンテナ３ｄとは、ＲＴＫ−ＧＰＳの誤差を考慮して、２つの位置で直線を設定できる位置に配置され、例えば、ＲＴＫ−ＧＰＳの最大誤差５cmである場合、最大１０cmより離間させて、前後に配設される。

そして、前方のＧＰＳ受信機３ｂは、上述の基準局２からの誤差補正量、疑似距離補正量、座標値等のデータ（無線機３ｃで受信されるデータ）や、自車両３で受信したＧＰＳ衛星１からの情報をＧＰＳ受信機３ｂ内で比較解析することにより、自車両の前方側位置（座標値）を即座に精度良く（例えば、誤差１〜５cm）得られるようになっている。このように、ＧＰＳ受信機３ｂは、自車両の第１の特定位置（すなわち、前方のＧＰＳアンテナ３ａの位置）を検出する第１の自車位置検出手段としての機能を有している。

同様に、後方のＧＰＳ受信機３ｅは、上述の基準局２からの誤差補正量、疑似距離補正量、座標値等のデータ（無線機３ｆで受信されるデータ）や、自車両３で受信したＧＰＳ衛星１からの情報をＧＰＳ受信機３ｅ内で比較解析することにより、自車両の後方側位置（座標値）を即座に精度良く（例えば、誤差１〜５cm）得られるようになっている。このように、ＧＰＳ受信機３ｅは、自車両の第２の特定位置（すなわち、後方のＧＰＳアンテナ３ｄの位置）を検出する第２の自車位置検出手段としての機能を有している。

こうして、自車両３では、ＧＰＳアンテナ３ａ、ＧＰＳ受信機３ｂ、無線機３ｃで前方側自車位置が、ＧＰＳアンテナ３ｄ、ＧＰＳ受信機３ｅ、無線機３ｆで後方側自車位置が検出されるようになっているが、前方側自車位置が自車位置を代表するようになっている。

また、自車両３には、目標進行路設定手段、曲率半径演算手段、自車進行路推定手段、及び、自車両移動情報演算手段としての機能を有する制御装置３ｇが設けられており、この制御装置３ｇには、前方ＧＰＳ受信機３ｂと後方ＧＰＳ受信機３ｅとが図示しないシリアル−ＣＡＮ変換器等を介してそれぞれ接続され、現在の前方側自車位置と後方側自車位置の情報が入力されると共に、車速Ｖを検出する車速センサ３ｈ、ハンドル角θHを検出するハンドル角センサ３ｉ等のセンサ類と自動操縦制御のメインスイッチ３ｊが接続されている。

更に、自車両３の制御装置３ｇには、図示しないハードディスク、或いは、ＣＤ、ＤＶＤ等の記憶メディアに予め必要な地図情報が記憶されている。この地図情報は、例えばダッシュボード上に設けられた液晶ディスプレイ３ｋに適宜表示され、ドライバが図示しないリモコン装置等により目的地を入力することで、現在の自車位置と、この現在位置から目的地までの最適なコース（目標進行路：ノード列で与えられる）を、地図上に表示する。

また、自車両３の制御装置３ｇには、自動操縦制御を実行するアクチュエータとして、電動スロットル弁制御装置３ｌ、ブレーキ制御装置３ｍ、及び、電動パワーステアリング制御装置３ｎが接続されている。

そして、ドライバが自動操縦制御のメインスイッチ３ｊをＯＮし、自動操縦制御における目標車速が設定されると、この目標車速を維持するように、電動スロットル弁制御装置３ｌに信号を出力してスロットル弁３ｏを駆動させ、加速、或いは、減速を実行させ、所定以上の大きな減速を行わせる際には、ブレーキ制御装置３ｍに信号を出力して自動ブレーキを作動させる。

次に、自車両３の制御装置３ｇにおける自動操縦制御の自動操舵について、図２のフローチャート及び図３の自動操舵の原理の説明図で説明する。図２のフローチャートは、自動操縦制御のメインスイッチ３ｊがＯＮされると、所定時間毎に実行されるプログラムで、まず、ステップ（以下、「Ｓ」と略称）１０１で必要なパラメータの読み込みが行われる。

次に、Ｓ１０２に進み、後述の自車進行路推定ルーチンに従って、自車進行路の推定が行われ、自車進行路は、目標進行路の曲率半径Ｒに応じて、前方側自車位置と後方側自車位置とを結んで得られる前方への直線方向、或いは、自車位置（前方側自車位置）の過去の履歴の中から、現在位置より略車長長さ（例えば、５ｍ）手前の自車測位点履歴を抽出し、この５ｍ手前の自車測位点と現在の自車位置とを結んで得られる前方への直線方向を自車進行路として推定する。

次いで、Ｓ１０３に進み、現在の自車位置から最も近い、目標進行路のノードを抽出する。

その後、Ｓ１０４に進み、現在の自車速と、予め設定しておいた前方注視時間（例えば、１．５秒）より、前方注視距離を求める。例えば、現在の自車速が２０km/hの場合は、前方注視距離は、５．５６ｍ・１．５秒＝８．３４ｍ。

次いで、Ｓ１０５に進み、Ｓ１０４で求めた前方注視距離近傍の目標進行路上のノードを誘導目標ノードとして設定する。

次に、Ｓ１０６に進み、誘導目標ノードと自車進行路からの横方向のずれ量を目標ノード偏差ΔＤとして演算する。

次いで、Ｓ１０７に進み、目標ノード偏差ΔＤをゼロにするように目標ハンドル角δｈを以下の（１）式により算出する。
δｈ＝Ｇp・ΔＤ＋Ｇd・（ｄ（ΔＤ）／ｄｔ） …（１）
ここで、Ｇpは比例項ゲインであり、Ｇdは微分項ゲインである。

次に、Ｓ１０８に進み、目標ハンドル角δｈとハンドル角センサ３ｉで検出した実際のハンドル角θHとからハンドル角偏差Δδ（＝δｈ−θH）を演算する。

次いで、Ｓ１０９に進み、以下の（２）式によりハンドル角偏差Δδをゼロにするように、電動パワーステアリング制御装置３ｋにおける電動パワーステアリングモータの指示電流Ｉδを演算し、Ｓ１１０で、この指示電流Ｉδを出力してプログラムを抜ける。
Ｉδ＝Ｋp・Δδ＋Ｋd・（ｄ（Δδ）／ｄｔ）＋Ｋi・∫Δδｄｔ
…（２）
ここで、Ｋpは比例項ゲイン、Ｋdは微分項ゲイン、Ｋiは積分項ゲインである。

次に、上述のＳ１０２で実行される自車進行路推定ルーチンについて図４のフローチャートで説明する。

まず、Ｓ２０１で目標進行路の曲率半径Ｒを演算する。この曲率半径Ｒの演算は、例えば、目標進行路上の３つのノードの外接円半径を求めることにより得られる。尚、この３つのノードは、図３における誘導目標ノードを含む隣接するノード、或いは、自車位置から最も近いノードを含む隣接するノード、或いは、前方注視距離に存在する隣接するノードの何れでも良いが、本実施の形態では、誘導目標ノードを中心として前後に隣接するノードとする。

すなわち、図５に示すように、自車両３を中心とするＸ（車両の左右方向）−Ｙ（車両の前後方向）座標上で、目標進行路のカーブを構成する３つのノードＰ１（ｘ１，ｙ１）、Ｐ２（ｘ２，ｙ２）、Ｐ３（ｘ３，ｙ３）を考える。また、Ｐ１−Ｐ２間の線分をＡ、Ｐ２−Ｐ３間の線分をＢ、Ｐ３−Ｐ１間の線分をＣとすると、３点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の外接円の半径Ｒは、以下の（３）式で与えられる。
Ｒ＝（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）／（４・Ｓａ） …（３）

ここで、Ｓａは、三角形Ｐ１−Ｐ２−Ｐ３の面積であり、
Ｓａ＝（λ・（λ−Ａ）・（λ−Ｂ）・（λ−Ｃ））^１／２ …（４）
但し、λ＝（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）／２

また、各線分Ａ、Ｂ、Ｃは、各座標値より以下の各式により求められる。
Ａ＝（（ｙ２−ｙ１）^２＋（ｘ２−ｘ１）^２）^１／２ …（５）
Ｂ＝（（ｙ３−ｙ２）^２＋（ｘ３−ｘ２）^２）^１／２ …（６）
Ｃ＝（（ｙ１−ｙ３）^２＋（ｘ１−ｘ３）^２）^１／２ …（７）
次に、Ｓ２０２に進み、予め設定した閾値としての曲率半径閾値Ｒcを設定する。この曲率半径閾値Ｒcは、車速Ｖに応じて可変設定され、例えば、図６に示すマップのように、大きな車速程、大きな値に設定される。尚、この曲率半径閾値Ｒcは車幅等の条件により可変しても良く、例えば、制御装置３ｇに記憶された地図情報等により、高速道路や国道等の大きな車幅の走行路では小さな補正項を加算し、他の走行路では大きな補正項を加算して補正する。

次いで、Ｓ２０３に進み、目標進行路の曲率半径Ｒと、曲率半径閾値Ｒcとを比較し、目標進行路の曲率半径Ｒが曲率半径閾値Ｒcより小さい場合（Ｒ＜Ｒcの場合）は、Ｓ２０４に進み、前方側自車位置と後方側自車位置とを結んで得られる前方への直線方向を自車進行路として推定し、ルーチンを抜ける。

逆に、Ｓ２０３での目標進行路の曲率半径Ｒと曲率半径閾値Ｒcとの比較の結果、目標進行路の曲率半径Ｒが曲率半径閾値Ｒc以上の場合（Ｒ≧Ｒcの場合）は、Ｓ２０５に進み、自車位置（前方側自車位置）の過去の履歴の中から、現在位置より略車長長さ（例えば、５ｍ）手前の自車測位点履歴を抽出し、この５ｍ手前の自車測位点と現在の自車位置とを結んで得られる前方への直線方向を自車進行路として推定し、ルーチンを抜ける。

すなわち、曲率半径Ｒが小さい目標進行路では、現在位置より略車長長さ手前の自車測位点と現在の自車位置とを結んで得られる前方への直線方向を自車進行路として推定すると、これら２点において、自車両３の方向が大きく異なり、誘導目標ノードにおける目標ノード偏差ΔＤを正確に算出できない虞があるため、前方側自車位置と後方側自車位置とを結んで得られる前方への直線方向を自車進行路として推定するのである。逆に、曲率半径Ｒが大きい目標進行路では、前方側自車位置と後方側自車位置とを結んで得られる前方への直線方向を自車進行路として推定すると、自車両３の僅かなヨー角が発生した場合でも、微小な偏差量を正確に算出してしまうため、誘導目標ノードにおける目標ノード偏差ΔＤから算出した目標ハンドル角δｈにこの誤差が反映されてしまい、車両の無用なふらつき（直進収束性の悪化）の原因になると考えられるため、現在位置より略車長長さ手前の自車測位点と現在の自車位置とを結んで得られる前方への直線方向を自車進行路として推定するのである。

このように、本実施の形態では、曲率半径Ｒが小さい目標進行路では、前方側自車位置と後方側自車位置とを結んで得られる前方への直線方向を自車進行路として推定する一方、曲率半径Ｒが大きい目標進行路では、現在位置より略車長長さ手前の自車測位点と現在の自車位置とを結んで得られる前方への直線方向を自車進行路として推定するので、車両の走行環境に応じて適切に、精度良く自車進行路を設定することができる。そして、この自車進行路を用いて、現在の自車位置と目標進行路とに応じて自車両の走行制御を実行させるので、正確で安定した走行制御が可能となる。

尚、本実施の形態では、移動局側のＧＰＳアンテナ３ａ，３ｄは、自車両３の車室内前後方向に配設するようになっているが、これに限定することなく、車両の横方向に配設するようにしても、車外（例えば前後のバンパ内に組み込み）に配設するようにしても良く、車両における直線位置と、この直線に対する車両の方向が特定できる位置であればどこに設けるようにしても良い。

車両の走行制御装置の全体を示す概略説明図自動操縦制御の自動操舵のフローチャート自動操舵の原理の説明図自車進行路推定ルーチンのフローチャート目標進行路の曲率半径演算の説明図曲率半径閾値と車速のマップの説明図推定される自車進行路の説明図

符号の説明

１ＧＰＳ衛星
２基準局
２ａＧＰＳアンテナ
２ｂＧＰＳ受信機
２ｃ無線機
３自車両
３ａＧＰＳアンテナ
３ｂＧＰＳ受信機（第１の自車位置検出手段）
３ｃ無線機
３ｄＧＰＳアンテナ
３ｅＧＰＳ受信機（第２の自車位置検出手段）
３ｆ無線機
３ｇ制御装置（目標進行路設定手段、曲率半径演算手段、自車進行路推定手段、自車両移動情報演算手段）
３ｈ車速センサ
３ｌ電動スロットル弁制御装置
３ｍブレーキ制御装置
３ｎ電動パワーステアリング制御装置

代理人弁理士伊藤進

Claims

地球を周回する衛星からの情報を基に自車両の第１の特定位置を測位して検出する第１の自車位置検出手段と、
上記第１の自車両位置検出手段とは異なる位置に配設され、上記地球を周回する衛星からの情報を基に上記自車両の第１の特定位置とは異なる自車両の第２の特定位置を測位して検出する第２の自車位置検出手段と、
自車両の走行すべき目標進行路を設定する目標進行路設定手段と、
上記目標進行路の曲率半径を演算する曲率半径演算手段と、
上記目標進行路の曲率半径が予め設定した閾値より小さい場合に上記測位された第１の特定位置と上記測位された第２の特定位置とを結んで得られる直線方向を自車両の進行方向として自車進行路を推定する自車進行路推定手段と、
を備えたことを特徴とする車両の進行路推定装置。
上記第１の特定位置と上記第２の特定位置のどちらかの経時変化から自車位置の現在までの移動情報を求める自車両移動情報演算手段を有し、
上記自車進行路推定手段は、上記目標進行路の曲率半径が上記予め設定した閾値を超える場合は、上記自車位置の移動情報を基に自車両の進行方向を求めて自車進行路を推定することを特徴とする請求項１記載の車両の進行路推定装置。
上記自車進行路推定手段が、上記自車位置の移動情報を基に自車両の進行方向を求める場合は、自車両の略車長分手前の自車位置と現在の自車位置とを結んで得られる直線から自車両の進行方向を求めることを特徴とする請求項２記載の車両の進行路推定装置。
上記予め設定した閾値は、車速に応じて設定することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の車両の進行路推定装置。
上記請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の車両の進行路推定装置を備え、現在の自車位置と上記自車進行路と上記目標進行路とに応じて自車両の走行制御を実行させることを特徴とする車両の走行制御装置。