JP2015114744A - 運転支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 カーブ路におけるヨーレイトまたは横加速度を滑らか推移させることができる運転支援装置を提供する。【解決手段】 カーブ路における自車両の走行経路を生成する走行経路生成部15と、自車両が生成された走行経路に沿って走行するように自車両を制御する運転支援制御部16と、を備えた運転支援装置において、自車両の横加速度の特性をカーブ路に対応した所定の２次の時間関数の横加速度特性で設定する横加速度特性設定部15cを設け、走行経路生成部15は、設定された横加速度特性を積分することで、カーブ路における自車両の位置の時間的推移が５次の時間関数で表される曲線となるように走行経路を生成する。【選択図】 図１

Description

本発明は、運転支援装置に関する。

特許文献１には、カーブ路における車両の目標走行経路を位置座標値に基づいた５次の関数で設定する技術が開示されている。

特開平1-223513号公報

しかしながら、上記従来技術においては、目標走行経路を位置座標値に基づいて設定しているため、操舵角については考慮した制御となっているが、車両の加速度については考慮した制御になっていないため、結果としてヨーレイトまたは横加速度の変化が不連続となり、ドライバに違和感を与えるという問題があった。
本発明の目的は、カーブ路におけるヨーレイトまたは横加速度を滑らか推移させることができる運転支援装置を提供することにある。

本発明では、自車両の横加速度の特性をカーブ路に対応した所定の２次以上の時間関数の横加速度特性で設定し、設定された横加速度特性を積分することで、カーブ路における自車両の位置の時間的推移が５次以上の時間関数で表される曲線となるように走行経路を生成する。

よって、カーブ路における自車両の位置の時間的推移が５次以上の時間関数で表される曲線となるように走行経路を生成することで、加速度の１階微分（躍度）は２次以上の時間関数となるため、加速度を直線的ではなく曲線的に変化させることができる。この結果、カーブ路におけるヨーレイトまたは横加速度を滑らかに推移させることができる。

実施例１の運転支援装置の構成を示すブロック図である。 カーブ路における経由点の設定方法を示す図である。 ワインディング路における経由点の設定方法を示す説明図である。 車速Vと設定時間Tsとの関係を示す図である。 走行経路生成部15によるカーブ路の走行経路生成処理の流れを示すフローチャートである。 経由点車速設定部15bによる各経由点の車速設定処理の流れを示すフローチャートである。 旋回半径、車速およびヨーレイトに応じた横加速度閾値の設定マップである。 ドライバの制御ブロック図である。 ドライバモデルの制御動作の説明図である。

〔実施例１〕
図１は、実施例１の運転支援装置の構成を示すブロック図である。実施例１の運転支援装置は、舵角センサ1、車速センサ2、ナビゲーションシステム3、ヨーレイトセンサ4、カメラ5、コントローラ6、表示装置7、音声装置8、アクセルアクチュエータ9、ブレーキアクチュエータ10および操舵アクチュエータ11を備える。
舵角センサ1は、ステアリングホイールの舵角を検出する。
車速センサ2は、自車両の車速を検出する。

ナビゲーションシステム3は、地図情報データベース3aとGPS信号受信機3bとを有し、GPS信号受信機3bから取得した自車両の緯度経度情報を地図情報データベース3aの地図データと重畳して表示装置7に表示する。
ヨーレイトセンサ4は、自車両に作用するヨーレイトを検出する。
カメラ5は、自車両前方の走行環境を撮像する。

コントローラ6は、現在位置検出部12、現在進行方向検出部13、運転支援区間検出部14、走行経路生成部15および運転支援制御部16を有する。
現在位置検出部12は、ナビゲーションシステム3からの緯度経度情報およびカメラ5の撮像画像に基づいて、自車両の現在位置を検出する。
現在進行方向検出部13は、ナビゲーションシステム3からの緯度経度情報、カメラ5の撮像画像および車速センサ2からの車速に基づいて、自車両の現在進行方向を検出する。

運転支援区間検出部14は、カメラ5の撮像画像、自車両の現在位置および進行方向から、自車両前方の道路形状を推定し、推定した道路形状から自車両前方の運転支援区間を検出する。運転支援区間はカーブ路（交差点等の右左折路や旋回方向の異なるカーブ同士が連続するワインディング路を含む。）の入口から出口までとする。カーブ路の入口は直線路からカーブ路へ移行する際の直線路とカーブ路との接続位置とし、カーブ路の出口はカーブ路から直線路へ移行する際のカーブ路と直線路との接続位置とする。

走行経路生成部15は、運転支援区間検出部14により検出された運転支援区間における自車両の走行経路を生成する。走行経路生成部15は、経由点設定部15a、経由点車速設定部15bおよび横加速度特性設定部15cを有する。
経由点設定部15aは、カーブ入口から出口までの走行路に複数の経由点を設定する。このとき、図２に示すように、少なくともカーブ路の最大曲率部分の頂点付近の１点P1または頂点の前後２点P2,P3を経由点とする。また、経由点設定部15aは、カーブ路と直線路との接続位置の前後２点（P4,P5およびP6,P7）を経由点として設定する。さらに、互いに旋回方向が異なるカーブ路が連続する場合には、図３に示すように、両カーブ路の接続位置の前後２点P8,P9を経由点として設定する。
経由点車速設定部15bは、カーブ路の最大曲率部分の頂点付近の車速が走行路の法定速度となるように走行経路に基づいて各経由点における車速を設定する。このとき、法定速度が不明または定められていない場合には、カーブ路の最大曲率部分の頂点付近の横加速度がカーブ路の旋回半径、現在の車速およびヨーレイトから求まる横加速度閾値となるように各経由点における車速を設定する。
横加速度特性設定部15cは、自車両の横加速度の特性をカーブ路に対応した所定の２次の時間関数の横加速度特性で設定する。このとき、横加速度特性の２次の項の係数は、カーブ路の最大曲率部分の最大曲率値以下に設定する。また、走行経路が、互いに旋回方向の異なる２つのカーブ路が近接する走行経路である場合には、２つのカーブ路における自車両の走行経路の最大曲率部分を求め、横加速度特性の２次の項の係数を最大曲率部分の最大曲率値以下に設定する。

走行経路生成部15は、隣接する経由点同士を曲線で結び、走行経路を生成する。ここで、各曲線のうち、運転支援区間（カーブ入口から出口までの走行路）内に設定された経由点同士を結ぶ曲線、および互いに旋回方向が異なる２つのカーブ路の接続位置の前後の経由点同士を結ぶ曲線は、横加速度特性設定部15cにより設定された横加速度特性を積分することで、カーブ路における自車両の位置の時間的推移が５次の時間関数で表される曲線とする。また、各曲線のうち、カーブ路と直線路との接続位置の前後の経由点同士を結ぶ曲線は、曲率が徐々に変化するような緩和曲線（例えば、クロソイド曲線）とする。

運転支援制御部16は、走行経路生成部15により設定された走行経路と経由点車速設定部15bにより設定された各経由点における車速に基づき、走行経路に沿って自車両を走行させるための操舵指令を生成し、操舵アクチュエータ11に対し出力する操舵制御を行う。運転支援制御部16は、操舵制御の応答遅れを考慮し、自車両の現在位置と車速とから予測される運転支援開始時間（自車両に最も近い経由点である運転支援開始位置への到達時間）よりも設定時間だけ早く操舵指令を出力する。設定時間Tsは、下記の式(1)を参照して求める。
Ts = kVⁿ + T0 …(1)
kは比例定数、Vは車速、nは3〜4、T0は0.4〜0.6である。
図４は、車速Vと設定時間Tsとの関係を示す図であり、車速Vが高いほど設定時間Tsは大きくなる。つまり、車速が高いほど操舵制御の開始位置は運転支援区間よりも自車両側にシフトする。

また、運転支援制御部16は、自車両の各経由点における車速を経由点車速設定部15bにより設定された車速と一致させるための駆動指令および制動指令を生成し、アクセルアクチュエータ9およびブレーキアクチュエータ10に対し出力する車速制御を行う。
さらに、運転支援制御部16は、操舵制御および車速制御の開始直前には、制御開始をドライバに報知するための報知指令を表示装置7および音声装置8に対し出力する。また、操舵制御および車速制御の終了直前には、制御終了をドライバに報知するための報知指令を表示装置7および音声装置8に対し出力する。

表示装置7は、運転支援制御部16からの報知指令に応じて報知画面を表示する。
音声装置8は、運転支援制御部16からの報知指令に応じて報知音を出力する。
アクセルアクチュエータ9は、運転支援制御部16からの駆動指令に応じて車輪に駆動トルクを付与する。
ブレーキアクチュエータ10は、運転支援制御部16からの制動指令に応じて車輪に制動トルクを付与する。
操舵アクチュエータ11は、運転支援制御部16からの操舵指令に応じて転舵輪を転舵させる。

［走行経路生成処理］
図５は、走行経路生成部15によるカーブ路の走行経路生成処理の流れを示すフローチャートである。
ステップS1では、第１カーブ路（直近のカーブ路）の最大曲率部分の頂点付近の１点または頂点の前後２点を経由点として設定する。
ステップS2では、第Nカーブ路の先は第Nカーブ路と旋回方向が異なるカーブ路であるか否かを判定し、YESの場合はステップS3へ進み、NOの場合はステップS4へ進む。ここで、Nの初期値は1である。
ステップS3では、第N+1カーブ路の最大曲率部分の頂点付近の１点または頂点の前後２点を経由点として設定する。

ステップS4では、第Nカーブ路と第N+1カーブ路との接続位置の前後２点を経由点として設定する。
ステップS5では、Nをインクリメント(+1)する。
ステップS6では、第Nカーブ路と先の直線路との接続位置の前後２点を経由点として設定する。
ステップS7では、現在の自車位置を経由点として設定する。
ステップS8では、設定された各経由点を結ぶ走行経路を生成する。

［車速設定処理］
図６は、経由点車速設定部15bによる各経由点の車速設定処理の流れを示すフローチャートである。
ステップS11では、走行路の法定速度Vlimitが不明であるか否かを判定し、YESの場合はステップS12へ進み、NOの場合はステップS13へ進む。
ステップS12では、カーブ路の旋回半径、現在の車速およびヨーレイトに基づき、図７に示すマップを参照して横加速度閾値を求め、カーブ路の最大曲率部分の頂点付近の横加速度が横加速度閾値となるように各経由点の車速を設定する。
ステップS13では、現在の車速Vcuが法定速度Vlimitよりも大きいか否かを判定し、YESの場合はステップS14へ進み、NOの場合はステップS15へ進む。
ステップS14では、カーブ路の最大曲率部分の頂点付近の車速が法定速度Vlimitとなるように各経由点の車速を設定する。
ステップS15では、カーブ路の旋回半径、現在の車速およびヨーレイトに基づき、図７に示すマップを参照して横加速度閾値を求め、カーブ路の最大曲率部分の頂点付近の横加速度が横加速度閾値となるように各経由点の車速を設定する。

次に、作用を説明する。
実施例１では、運転支援区間の各経由点間を結ぶ走行経路を、カーブ路における自車両の位置の時間的推移が５次の時間関数で表わされるような曲線としている。ここで、運転支援区間に適切な経由点n個をおくと、その間を(n+2)-1個の５次式で表現された走行経路を設定し、拘束条件として、各点の座標、速度、加速度の連続ならびに加速度の１階微分（躍度）が連続であるとおき、{(n+2)-1}×{(n+2)-1}個の連立方程式が解けることで、運転支援区間における走行経路を算出できる。
この際に拘束条件として、躍度が連続であるとおいているが、経由点から経由点までを結ぶ走行経路を下記の式(2)のような５次の時間関数とすると、
P(t) = a₅t⁵ + a₄t⁴ + a₃t³ +a₂t² +a₁t +a₀ …(2)
a₁,a₂,a₃,a₄,a₅はパラメータ定数である。
躍度は、下記の式(3)のような２次の時間関数で表される。
P(t) = 60a₅t² + 36a₄t +6a₃ …(3)

人の車両運転における操舵制御は車両の横変位を制御する。フロントガラスを通して前方を見て、将来位置を予測しながら操舵すると考えられる。その際のドライバの制御ブロック図は、図８のように考えられる。
時間と共に変化する量の予測値を数学的に書くと、下記の式(4)で表される。

y₀は横変位初期値、hはドライバゲイン係数、e^-τLsはむだ時間、τ_Lは時定数、sはラプラス演算子、δは操舵角、lは車両固有ゲイン係数、Aはスタビリティファクター、Vは車速、θは車体横滑り角、Lは前方注視距離(VΔt)、yは横変位である。

次に、人がこのような予測をどのように行っているのかを考えてみる。
まず、車両の操舵応答を下記の式(5),(6)で近似する。

Grは横加速度、T₁,T₂,Q,Pは車両固有ゲイン係数である。
式(4)の第２項、第３項はそれぞれ以下の説明が可能である。

Rは旋回半径である。
式(7)は姿勢角からの直線的な将来位置の予測となり、式(8)は現在の舵角から旋回半径を考慮した円弧による将来位置の予測と考えることができる（図９参照。）。

式(8)に示すように、旋回半径を考慮した円弧による将来位置の予測は、位置の２階微分の式が含まれている。この部分が経路の進行に伴い、滑らかさが確保できることがすなわち人にとっての操作、応答が自然で負担のないものであると考えられる。よて、走行経路を算出する拘束条件を躍度連続とするが、躍度が式(3)にあるように２次式で表されることにより、式(8)にある位置の２階微分に直線的な部分が一切存在せず、全体が滑らかな曲線で表されることで、ヨーレイトおよび横加速度を滑らかに推移させることができると共に、ドライバの自然な操舵、ドライバにとって違和感のない応答を得ることができる。
また、走行経路を算出する経由点の設定において、経由点の数に依存することなく、安定して目標とするドライバに違和感や不安感を抱かせない滑らかな車両応答を得ることができる。

以上説明したように、実施例１にあっては以下に列挙する効果を奏する。
(1) カーブ路における自車両の走行経路を生成する走行経路生成部15と、自車両が生成された走行経路に沿って走行するように自車両を制御する運転支援制御部16と、を備えた運転支援装置において、自車両の横加速度の特性をカーブ路に対応した所定の２次の時間関数の横加速度特性で設定する横加速度特性設定部15cを設け、走行経路生成部15は、設定された横加速度特性を積分することで、カーブ路における自車両の位置の時間的推移が５次の時間関数で表される曲線となるように走行経路を生成する。
よって、カーブ路におけるヨーレイトまたは横加速度を滑らかに推移させることができる。

(2) 横加速度特性設定部15cは、カーブ路における自車両の走行経路の最大曲率部分を求め、横加速度特性を２次の時間関数で設定し、横加速度特性の２次の項の係数を最大曲率部分の最大曲率値以下に設定することを特徴とする運転支援装置。
よって、２次の項の係数を最大曲率部分の最大曲率値以下に設定することで、車両として安定した加速度で旋回走行できる。

(3) 経由点設定部15aは、カーブ路の最大曲率部分の頂点付近の１点または頂点の前後２点を経由点として設定する。
よって、カーブ路の最大曲率部分を通過する際のヨーレイトおよび横加速度を滑らかに推移させることができ、ドライバに違和感や不安感を抱かせない滑らかな車両応答を得ることができる。

(4) 経由点設定部15aは、カーブ路と直線路との接続位置の前後２点を経由点として設定し、走行経路生成部15は、当該経由点同士を緩和曲線で結ぶ。
よって、カーブ路への進入前からカーブ路を抜けるまでの走行過程において、ヨーレイトおよび横加速度を滑らかに推移させることができる。

(5) 横加速度特性設定部15cは、走行経路が、互いに旋回方向の異なる２つのカーブ路が近接する走行経路である場合には、２つのカーブ路における自車両の走行経路の最大曲率部分を求め、横加速度特性の２次の項の係数を最大曲率部分の最大曲率値以下に設定する。
よって、ワインディング路においても、車両として安定した加速度で旋回走行できる。

(6) カーブ路の最大曲率部分の頂点付近の車速が走行路の法定速度となるように走行経路に基づいて各経由点における車速を設定する経由点車速設定部15bを設け、運転支援制御部16は、各経由点における車速が設定された車速となるように車速を制御する。
これにより、自車両の車速が法定速度を超えるのを防止できる。

(7) 操舵制御および車速制御の開始および終了をドライバに対し事前に報知する表示装置7および音声装置8を設けた。
よって、事前に操舵制御および車速制御による運転支援の開始および終了をドライバに報知することで、ドライバの予期せぬタイミングで運転支援が開始および終了されるのを防止でき、ドライバに与える違和感を軽減できる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は、実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
例えば、実施例では、経由点間を結ぶ曲線を、カーブ路における自車両の位置の時間的推移が５次の時間関数で表わされるような曲線とする例を示したが、５次以上の時間関数で表わされるような曲線であれば、実施例と同様の作用効果を奏する。
本発明は、カーブ路に限らず直線路においても走行経路を設定して操舵制御および車速制御を行う自動運転車両にも適用できる。

1 舵角センサ
2 車速センサ
3 ナビゲーションシステム
3a 地図情報データベース
3b 信号受信機
4 ヨーレイトセンサ
5 カメラ
6 コントローラ
7 表示装置
8 音声装置
9 アクセルアクチュエータ
10 ブレーキアクチュエータ
11 操舵アクチュエータ
12 現在位置検出部
13 現在進行方向検出部
14 運転支援区間検出部
15 走行経路生成部
15a 経由点設定部
15b 経由点車速設定部
15c 横加速度特性設定部
16 運転支援制御部

Claims (7)

1. カーブ路における自車両の走行経路を生成する走行経路生成手段と、
   前記走行経路生成手段によって生成された走行経路を走行するように自車両を制御する車両制御手段と、
   を備えた運転支援装置において、
   自車両の横加速度の特性を前記カーブ路に対応した所定の２次以上の時間関数の横加速度特性で設定する横加速度特性設定手段を設け、
   前記走行経路生成手段は、前記設定された横加速度特性を積分することで、カーブ路における自車両の位置の時間的推移が５次以上の時間関数で表される曲線となるように前記走行経路を生成することを特徴とする運転支援装置。
2. 請求項１に記載の運転支援装置において、
   前記横加速度特性設定手段は、カーブ路における自車両の走行経路の最大曲率部分を求め、前記横加速度特性を２次の時間関数で設定し、前記横加速度特性の２次の項の係数を前記最大曲率部分の最大曲率値以下に設定することを特徴とする運転支援装置。
3. 請求項２に記載の運転支援装置において、
   前記経由点設定手段は、カーブ路の最大曲率部分の頂点付近の前後２点を経由点として設定することを特徴とする運転支援装置。
4. 請求項２または３に記載の運転支援装置において、
   前記経由点設定手段は、カーブ路と直線路との接続位置の前後２点を経由点として設定し、
   前記走行経路生成手段は、当該経由点同士を緩和曲線で結ぶことを特徴とする運転支援装置。
5. 請求項２ないし４のいずれかに記載の運転支援装置において、
   前記横加速度特性設定手段は、前記走行経路が、互いに旋回方向の異なる２つのカーブ路が近接する走行経路である場合には、２つのカーブ路における自車両の走行経路の最大曲率部分を求め、前記横加速度特性の２次の項の係数を前記最大曲率部分の最大曲率値以下に設定することを特徴とする運転支援装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の運転支援装置において、
   カーブ路の最大曲率部分の頂点付近の車速が走行路の法定速度となるように前記走行経路に基づいて各経由点における車速を設定する経由点車速設定手段を設け、
   前記車両制御手段は、各経由点における車速が前記設定された車速となるように車速を制御することを特徴とする運転支援装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の運転支援装置において、
   前記車両制御手段による自車両の制御開始および終了をドライバに対し事前に報知する報知手段を設けたことを特徴とする運転支援装置。

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