JPH03265010A - 自動走行装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 抜４九」 本発明は、走行路を探索しながら車両の自動走行を行わ
せる自動走行装置に関する。

丈末艮生 最近、自ら走行路を探索しながら、その走行路上に最適
な目標経路を設定して、車両がその目標経路上を走行す
るべく車両の走行制御を行わせるようにした自動走行装
置が開発されている。

従来、この種の自動走行装置にあっては、車両に取り付
けられた撮像装置により車両の進行方向の領域を撮像し
、その撮像された画像をデータ処理することによって道
路エツジなどの連続した線分の抽出を行い、その抽出さ
れた線分にもとづいて車両の進行方向における走行可能
領域を認識し、その認識された走行可能領域内に車両走
行の目標経路を設定したうえで、現在検出されている車
両の走行状態にもとづき、Ｘ−Ｙ座標面に設定された目
標経路上に適宜設定された目標点にＸ−Ｙ座標上の原点
位置にある車両を合流させるのに必要な舵角の制御目標
量を所定の演算処理によって予測的に求め、その求めら
れた舵角の制御目標量にしたがって目標経路に追従させ
るような車両の走行制御を行わせるようにしている（特
願昭６３−１９９６１０号参照）。

しかしこのような従来の自動走行装置では、車両を目標
経路に追従して走行させるのに必要な舵角の制御目標量
を予測的な演算によって求めるようにしているので、そ
の予測要因によって目標経路に対する追従性が低下する
ことが否めないものになっている。

ｌ煎 本発明は、目標経路に追従するための車両の走行制御を
行わせる際、何ら予測要因が含まれることがないような
車両の操舵をなして、車両の走行を目標経路に精度良く
追従させるようにした自動走行装置を提供するものであ
る。

１０文 本発明は、その目的達成のため、特に、目標経路に対す
る車両の位置偏差、目標経路の方向と車両の進行方向と
の角度偏差などの状態量を検出して、その検出された状
態量を零に収束させるべく。

車両の舵角を制御対象として、フィードバック制御を行
わせるようにしている。

その際、本発明では、フィードバック制御の一手法とし
て最適レギュレータを適用したことを特徴としている。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施例について詳
述する。

本発明による自動走行装置にあっては、第１図に示すよ
うに、車両の進行方向の領域を撮像することができるよ
うに車両に取り付けられたビデオカメラなどによる撮像
部１と、その撮像部１によって撮像された画像をデータ
処理して道路エツジなどの連続した線分の抽出を行う画
像処理部２と、その抽出された連続した線分にしたがっ
て道路などの車両の走行可能領域を認識する走行可能領
域！！！識部３と、その認識された走行可能領域内に車
両走行の目標経路を設定する目標経路設定部４と、車両
の走行速度Ｖを検出する車速センサ６と、車両の走行に
ともなうヨ一方向の角速度変化分であるヨーレートＴを
検出するヨーレートセンサ７と、車両の操舵による舵角
δを検出する舵角センサ８と、それら各センサ出力に応
じて現在の車両の走行状態を検知しながら、目標経路に
追従して車両を走行させるための操舵の制御を最適レギ
ュレータを用いて行わせる制御部５と、その制御部５か
ら出される操舵の制御指令に応じて車両の操舵を行わせ
るステアリング制御部９およびステアリング駆動部ＩＯ
とによって構成されている。

実際には１画像処理部２．走行可能領域認識部３、目標
経路設定部４および制御部５はマイクロコンピュータに
よって置き換えられる。また、そのコンピュータにステ
アリング制御部９をも含めることが可能である。

撮像部１におけるビデオカメラとしては、Ｓ準しンズに
よるもの以外に、車速や走行中の道路状況などに応じた
適切な画像が得られるように望遠レンズや広角レンズに
よるものが設けられ、また夜間用などに赤外線カメラや
超高感度カメラなどの特殊なビデオカメラが複数設けら
れており、コンピュータの制御下において、それら複数
のビデオカメラが車速や撮像画像の状態などに応じて適
宜切り換えられて使用されるようになっている。

また、撮像特性が同一の２台のビデオカメラを並設して
、２眼立体視による画像を得るようにすることも可能で
ある。

画像処理部２における道路エツジなどの連続した線分の
抽出は、以下のようにして行われる。

まず、撮像部１から送られてくる撮像画像をサンプリン
グして、そのサンプリングされた入力画像を微分処理す
ることによって画像エツジの検出の処理を行わせたうえ
で５画像処理部２内に設けられた自動しきい値設定回路
により、そのときの入力画像の濃淡の程度に応じた最適
しきい値を自動的に設定して、そのエツジ画像の２値化
を行わせる。

なおその際、入力画像の２値化を先に行わせたうえで、
エツジ検出のための微分処理を行わせるようにしてもよ
い。また、２値化を行わせる代わりに、画像の濃淡を表
現した多値化を行わせるようにしてもよい。

次いで、そのエツジ検出され、２値化または多値化され
た処理画像にもとづいて、Ｘ−Ｙ座標上の線分をρ−θ
座標上の点であられす座標変換を行わせる公知手法であ
るｌ（ｏｕｇｈ変換処理を行わせることにより、連続性
のある点列を結合したり、連続性のない孤立した点を除
去したりして、例えば第２図に示すような道路エツジの
連続した線分の情報を得る。

ここで、θはＸ−Ｙ座標上の直線からその座標の原点に
おろした垂線の角度であり、またρはその垂線の長さで
ある。例えば、第１０図に示すＸ−Ｙ座標上の線分りは
、第１１図に示すようにρ−θ座標上における点０１と
してあられされる。

なおその際、２値化された処理画像にもとづいて、エツ
ジ追跡の処理を行わせて連続性をもった画像のエツジ部
分をわり出すようにしてもよい。

また１画像エツジの連続性を求めるためのＨｏｕｇｈ変
換処理およびエツジ追跡処理などの複数の処理を並列的
に行わせ、それら各処理結果から総合的に判断するよう
にすれば、より精度の高い道路エツジの情報を求めるこ
とができるようになる。さらに、車両の走行にともなっ
て入力画像の領域成長を行いながら前述の連続性ある画
像エツジの抽出のための処理を行えば、より精度の高い
道路エツジの情報の抽出を行うことができるようになる
。

走行可能領域認識部３は、撮像部１におけるビデオカメ
ラによって撮像される画像が遠近投影によるものである
ため、第２図に示すような遠近投影による道路エツジの
画像を第３図に示す、ような遠近投影の影響をなくした
道路エツジの画像に変換する公知手法である射影変換処
理を行う。

なお、その射影変換特性は、ビデオカメラの遠近投影の
特性にしたがって、予め走行可能領域認識部３に設定さ
れている。

そして、走行可能領域認識部３は、射影変換処理された
道路エツジの画像にもとづいて、例えば第４図に示すよ
うに、連続した道路エツジＥｌ。

Ｅ２間を、撮像部１の撮像方向すなわち車両１１の進行
方向をＹ軸方向としたときのＸ−Ｙ座標上における車両
の走行可能領域ＲＡとして認識する。

なお、第４図において、Ｐ点は車両１１の現在位置を示
すもので、撮像部１のビデオカメラによる撮像領域の下
端中央がＰ点としてＸ−Ｙ座標上の原点の位置にくるよ
うに、予めビデオカメラの車両に対する搭載位置が設定
されている。

次に、走行可能領域認識部３において認識された走行可
能領域である車両前方の道路が認識されると、目標経路
設定部４において、その認識された道路上における車両
の最適な走行経路となる目標経路が以下のようにして設
定される。

その目標経路は、後述するように、道路形状および車速
をも考慮したうえで、そのときの車両の走行状況に適す
るように設定されるのが望ましいが、基本的には、認識
された道路が狭いかまたは広いかによって以下のように
して一律に設定される。

すなわち、目標経路設定部４において、道路幅が一定以
上の広軌道であると判断された場合には、例えば第４図
に示すように、左側通行路の場合、道路の左側の基準と
なるエツジから例えば１．５ｍ程度の所定の隔離幅Ｗを
もってその基準エツジに沿う目標経路ＯＣ′Ｉｔ設定す
る。

また、目標経路設定部４において、道路幅が一定未満の
狭軌道であると判断された場合には、特に図示しないが
、その道路の中央に目標経路を設定する。

そしてその設定された目標経路のＸ−Ｙ座標上における
位置のデータが、目標経路設定部４の内部メモリに記憶
される。

なお、Ｘ−Ｙ座標上における走行可能領域および目標経
路の尺度は、撮像部１におけるビデオカメラの倍率によ
って決定される。

第４図中、Ｐ点から０点に至るまでの軌跡は。

後述するように、制御部５の制御下において車両の操舵
制御がなされることにより、Ｐ点にいる車両が目標経路
○Ｃに合流するまでの走行経路を示している。０点は、
そのときの車両の目標経路ＯＣへの合流位置となる。

また本発明では、車両の走行状態を検出して。

その検出された走行状態にしたがい、以下のように道路
における最適な車両の目標経路を設定するようにするこ
とも可能である。

すなわち、目標経路設定部４において、例えば。

車速センサ６によって検出される車両の走行速度を読み
込んで、そのときの車速が予め設定されたしきい値以下
の低速域内にあ九ば、第５図（ａ）に示すように、道路
の形状に沿うように目標経路ＯＣを設定する。

同様に、そのときの車速か予め設定されたしきい値を越
える高速域内にあれば、第５図（ｂ）に示すように１曲
りくねった道路を走行する場合。

車両に作用する横方向の加速度ができるだけ軽減さ九る
ような緩い曲率をもった目標経路ＯＣを道路内に設定す
る。

次に、道路上における目標経路が設定されたら。

制御部５において、その目標経路に追従して車両を走行
させるための操舵の制御が実行される。

その際１本発明では、第６Ｗｉに示すように、車両１１
の現在位置の目標経路ＯＣに対するＸ軸上の位置偏差Ｘ
　ｅｒｒおよびまたは目標経路ＱＣの方向と車両の進行
方向との角度偏差ｅ　ｅｒｒを検出して、その両方また
はその何れか一方を零に収束させるような操舵を行わせ
るようにしている。

具体的には、フィードバック制御理論の一つである公知
の最適レギュレータを利用して９位置偏差Ｘ　ｅｒｒお
よびまたは角度偏差θｅｒｒを状態量とし、舵角δを制
御量として、その位置偏差Ｘ　ｅｒｒおよび角度偏差θ
ｅｒｒを零に収束させるように車両の舵角を制御する。

第７図に、最適レギュレータによる制御系の構成例を示
している。

同図において、１１は制御対象となる車両を示している
。また、１２は積分要素、に、〜に４は状態フィードバ
ックゲイン、Ｔはヨーレート、■は車速、βは横すベリ
角である。

ここでは、車両１１の検出されたヨーレートＴを積分要
素１２によって積分することによって車両１１の進行方
向の角度θをわり出し、また目標経路○ＣのＸ−Ｙ座標
上のデータからその目標経路ＯＣの方向の角度ｅ　ｒｅ
ｆを得て、その角度偏差（９ｅｒｒを求めるようにして
いる。

そして、ここでは、車両１１の進行方向の角度θと車速
ＶとからＸ−Ｙ座標上における現在の車両位置（Ｘｎ、
　Ｙｎ）をわり出して、その車両位置のＹｎ値に対応し
た目標経路ＯＣ上の点（Ｘｒｅｆ。

Ｙｎ）を求めて、Ｘｎ値とＸ　ｒｅｆ値との偏差Ｘ　ｅ
ｒｒを求めるようにしている。

また、ここでは、車両１１の実際の走行状態に即した制
御を行わせることができるように、フィードバックの状
態量として、ヨーレートＴおよび横すベリ角β（または
その何れか一方）をも加味するようにしている。

なお、車両１１の横すべり角βは、公知のように、車両
１１における車体重量１前後タイヤの各コーナリングホ
ース、ホイールベースなどの車体特性にしたがい、車両
１１の車速Ｖおよび舵角δに応じて、所定の演算によっ
て求められるものである。

実際には１種々の車速Ｖおよび舵角δに応じた横すべり
角βの値を予め算出してメモリテーブルに格納しておき
、制御部５において、車速センサ６によって検出された
車速Ｖおよび舵角センサ８によって検出された舵角δに
応じて、そのメモリテーブルから所定の横すべり角βの
値を読み出すようにする。

各状態フィードバックゲインに、〜に４は、以下のよう
にして決定される。

本発明では、最適レギュレータの適用に際して、例えば
、評価関数Ｊ　（ｕ）を次式に示すように設定し、θｅ
ｒｒ、　Ｘｅｒｒ、δを重要視する度合を変えながら、
そのＪ　（ｕ）の値を最小にするような各重み係数’ｌ
Ｉ＋　ｑ２ｐｒを求めて、最適な各状態フィードバック
ゲインに、−に４を決定するようにしている。

Ｊ　（ｕ）＝５−、Ｃθｅｒｒ”　　（Ｉ＋　　＋Ｘｅ
ｒｒ”　　ｑ２　　＋　δ”　　ｉ）ｄｉ（１） ここで、ｑｌは角度偏差θｅｒｒの重み係数ｓｑ２は位
置偏差Ｘ　ｅｒｒの重み係数、ｒは舵角δの重み係数で
ある。

最終的に、ステアリング制御部９は、制御部５から与え
られる舵角δの制御指令に応じて、ステアリング駆動部
１０を介して車両１１のステアリングの駆動を適宜なさ
しめて、車両１１を目標経路ＯＣに追従して走行させる
ような操舵を行わせる。

以上の処理が、予めその処理に要する時間を見込んだ所
定の制御周期をもってくり返し行われ、それにより車Ｗ
Ｊ１１の走行が進むにしたがって、目標経路ＯＣに追従
する車両の走行制御が継続的に行われていく。

なお、以下に１本発明に適用される最適レギュレータの
概要について詳細する。

一般に、第７図に示すような制御系が線形となるように
構成されたシステムにあっては、制御対象の入力ベクト
ルＵ（入力量）、状態ベクトル電（状態量）、出力ベク
トルｙ　（ｆｆｉ力量）の関係が、下記式（２）で示す
状態方程式および下記式（３）で示す出力方程式であら
れされる。

ｄｘ／ｄ　ｔ＝Ａｘ＋Ｂｕ　　　　　−（２）ｙ　＝Ｃ
ｘ　　　　　　　　　　　　　　（３）ここで、Ａはシ
ステム行列、Ｂは入力行列、Ｃは出力行列である。

いま、入力ベクトルＵとして、状態ベクトル電に対し、
Ｋなるフィードバック行列を乗じたもので置き換えた第
８図に示すような閉ループによるフィードバック制御系
を考える。

ここで、評価関数 を考えたとき、そのＪ　（ｕ）の値を最小にするフィー
ドバック行列Ｋが存在し、そのＫの値が次式によって与
えられる。

Ｋ：Ｒ−ＩＢＴＰ　　　　　　　・・・（５）Ｑ、Ｒは
Ｙｅｌｌの重みを示す止定対称行列である。

ＰはＲｉｃｃａｔｉ方程式 ％式％ の唯一の正定対称行列解である。

ｙ”　、　ｕ”　、　ＡＴ、　Ｂ”　、　Ｃ”　４ｔツ
レ（し転置行列を示している。

Ｖ”ＱＶｐ　＠Ｊ”　Ｒｕは２次形式と呼び、スカラー
になる。

しかして、評価関数Ｊ　（ｕ）が決まれば、それを最小
にするフィードバック行列Ｋを求めることができる。

なお、評価関数Ｊ　（ｕ）における重み行列Ｑ、　Ｒの
値はそれが一般にシュミレーションによって決められて
いる。

いま、第９図に示すように、車両１１における４軸Ｔｌ
ｌ〜Ｔ１４の運動を２軸ＴＬ、Ｔ２の運動に近似したモ
デルにあって、前述の状態方程式と出力方程式とを作成
してみる。

同図において、Ｃｆは前輪コーナリングホース［Ｎ］、
Ｃｒは後輪コーナリングホース［Ｎコ。

Ｑｆは前輪−重心点０間の距離［ｍｌ、Ｑｒは後輪−重
心点０間の距離［ｍ　］である。

ここで、車両重量をＭ［ｋｇ］、ヨ一方向の慣性モーメ
ントをＩ　［ｋ　ｇ　、　ｍ／ｓｅｃ”　］　、前軸コ
ーナリングパワーをＰ　ｆ　［Ｎ／ｒａｄｌ　、後輪コ
ーナリングパワーをＰ　ｒ　［Ｎ／ｒａｄ］とすると、
車体の運動方程式は１次式によって与えられる。

ｍｖ−ｄβ／ｄｔ＋２（Ｐｆ　＋Ｐｒ　）・β＋　（ｍ
ｖ＋　（２／ｖ）（Ｑｆ−Ｐｆ−Ｑｒ−Ｐｒ））Ｔ＝２
Ｐｆ・δ　　　　　　　・・・（６）２（ＱＩＰｆ　　
−Ｑｒ−Ｐｒ　）β　＋　Ｉ−ｄＴ／ｄｔ＋２Ｔ（（Ｉ
ｆ２　・Ｐｆ　−Ｑｒ”　　・Ｐｒ）／ｖ＝２Ｑｆ−Ｐ
ｆ・δ　　　　　　　・・・　（７）いま、 ｄ　Ｘｅｒｒ／　ｄ　ｔ　＝　ｖ　・（ｅｅｒｒ＋β）
−（８）とし、システム状態量を ｘ＝［ｒ、　　　β　　　Ｘ　ｅｒｒ　　　　θｅｒｒ
コ１とすると、状態方程式は次式のようになる。

・・・　（９） また、出力方程式は次式のようになる。

ここで。

ａ＝−（Ｐｆｌｌｌｆ’　　＋Ｐｒ−Ｑｒ２　）／ｖ　
ｒｂ　＝　　　（Ｐｆ−Ｑｆ−Ｐｒ−Ｑｒ）／　Ｉｃ　
＝　１　＋　　（Ｐｆ−Ｑｆ−Ｐｒ−Ｑｒ）／　Ｉｄ＝
−（Ｐｆ　＋Ｐｒ）／ｖＭ ｅ　＝Ｐｆ−Ｑｆ／　Ｉ ｆ　＝Ｐｆ／ｖＭ である。

このような状態方程式および出力方程式に関して、前記
（１）式に示す評価関数Ｊ　（ｕ）を用いて、状態フィ
ードバックゲイン行列には、以下のように求められる。

■評価関数Ｊ　（ｕ）の重み係数［ｑ＋　ｒ　ｑ２　ｐ
　ｒコを仮に決める。

■Ｒｉｃｃａｔｉ方程式を満たす半正定対称行Ｐを求め
る。

■前記（５）式にしたがって、最適な状態フィードバッ
クゲイン行列に＝Ｒ−’ＢＰを求める。

■その求められた状態フィードバックゲイン行列Ｋを用
いて、制御系の目標値への応答をシュミレートする。

■その応答が最適になるように１重み係数［ｑ＋＋ｑ２
＋ｒ］を変えながら、■〜■のステップをくり返す。

以上のようにして、第７図に示した制御系における最適
な状態フィードバックゲインに１〜に４が求められる。

然果 以上１本発明による自動走行装置にあっては。

車両に取り付けられた撮像装置により車両の進行方向に
おける走行可能領域を探索しながら、その探索された走
行可能領域内に目標経路を設定して、その目標経路に追
従させるための車両の走行制御を行わせる際、特に、目
標経路に対する車両の位置偏差、目標経路の方向と車両
の進行方向との角度偏差などの状態量を検出して、その
検出された状態量を零に収束させるべく、車両の舵角を
制御対象として最適レギュレータによるフィードバック
制御を行わせるようにしたもので、車両の走行を目標経
路に精度良く追従させることができるという優れた利点
を有している。

その際、本発明では、従来のような予測要因が何ら含ま
れることなく、目標経路に対する車両の実際の走行状態
にもとづいて車両の走行を目標経路に追従させるための
舵角を決定するようにしているので、従来のように予測
要因によって目標経路から外れるようなことなく、常に
正確にその目標経路に追従して、車両走行を安定して行
わせることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による自動走行装置の一実施例を示すブ
ロック構成図、第２図はビデオカメラによって撮像され
た画像のデータ処理を行うことによって得られた道路の
線分を示す図、第３図は第２図の画像を射影変換するこ
とによって得られた画像を示す図、第４図は認識された
道路エツジ間の走行可能領域に設定された目標経路の一
例を示す図、第５図（ａ）、（ｂ）は車両の低速時およ
び高速時に道路上に設定される目標経路をそれぞれ示す
図、第６図は目標経路と車両との間における位置偏差お
よび角度偏差を示す図、第７図は車両の走行を目標経路
に追従して行わせるための制御系の構成例を示すブロッ
ク図、第８図は最適レギュレータによる状態フィードバ
ック制御系の一般的な構成を示すブロック図、第９図は
車両における４輪の運動を２輪の運動に近似したモデル
を示す図、第１０図はＸ−Ｙ座標上の線分を示す図、第
１１図は第１０図の線分をＨｏｕｇｈ変換したときのρ
−θ座標上の点を示す図である。 １・・・撮像部　２・・・画像処理部　３・・・走行可
能領域認識部　４・・・目標経路設定部　５・・・制御
部　６・・・車速センサ　７・・・ヨーレートセンサ　
８・・・舵角センサ　９・・・ステアリング制御部　・
°１０・・・ステアリング駆動部　１１・・・車両　Ｒ
Ａ・・・走行可能領域ＯＣ・・・目標経路　Ｘ　ｅｒｒ
・・・位置偏差　θｅｒｒ・・・角度偏差

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、車両に取り付けられた撮像装置により車両の進行方
   向の領域を撮像する手段と、その撮像された画像をデー
   タ処理することにより連続した線分の抽出を行う手段と
   、その抽出された連続した線分にもとづいて車両の進行
   方向における走行可能領域を認識する手段と、その認識
   された走行可能領域内に目標経路を設定する手段と、そ
   の目標経路に対する車両の位置偏差およびまたは目標経
   路の方向と車両の進行方向との角度偏差を検出する手段
   と、その検出された位置偏差およびまたは角度偏差を状
   態量とし、舵角を制御量として、その位置偏差およびま
   たは角度偏差を零に収束させる最適レギュレータの制御
   下で、車両の操舵を行わせる手段とをとるようにした自
   動走行装置。 ２、状態量として、車両のヨーレート、横すべり角の両
   方またはその何れか一方を加味したことを特徴とする前
   記第１項の記載による自動走行装置。