CN111257898A - 测距传感器以及车辆用灯具、测距方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种在抑制物体检测精度的降低的同时抑制了成本的测距传感器。扫描设备(120)包含马达(122)以及安装于马达(122)并反射光源的出射光(L1)的镜(126)，构成为能够根据马达(122)的旋转来扫描作为镜(126)的反射光(L2)的探测光。光传感器(130)检测探测光(L2)在物体(OBJ)上的点(P)反射的返回光(L3)。处理器(140)基于光传感器(130)的输出检测到物体(OBJ)上的点(P)的距离。测距传感器(100)的角度分辨率(Δθ)根据到物体(OBJ)的距离而变化。

Description

测距传感器以及车辆用灯具、测距方法
技术领域
本发明涉及测距技术。
背景技术
作为汽车的传感器，可列举LiDAR(Light Detection and Ranging、LaserImaging Detection and Ranging)、相机、毫米波雷达、超声波声纳等作为候补。其中，LiDAR与其他的传感器相比，具有(i)能够根据点云数据进行物体识别，(ii)虽然是有源传感，但即使在过去的恶劣天气时也能够进行高精度的检测，iii)能够进行大范围的测定等优点，今后有望成为汽车的传感系统中的主流。
专利文献1：日本特开2017－56935号公报
专利文献2：日本特开2009－98023号公报
目前市售的LiDAR价格非常高，因此有根据车型、用途而难以被采用的情况。
发明内容
发明将要解决的课题
本发明是在这样的状况下完成的，其某一方式的例示性目的之一在于提供一种在抑制物体检测精度的降低的同时抑制了成本的测距传感器。
用于解决课题的手段
本发明的某一方式涉及一种测距传感器。测距传感器具备：光源；扫描设备，其包含马达以及安装于马达并反射光源的出射光的镜，构成为能够根据马达的旋转来扫描作为镜的反射光的探测光；光传感器，其检测探测光被物体反射的返回光；以及处理器，其基于光传感器的输出来检测到物体上的点的距离。扫描方向的角度分辨率根据到物体的距离而变化。
发明效果
根据本发明，能够提供一种在抑制物体检测精度的降低的同时抑制了成本的测距传感器。
附图说明
图1是实施方式的测距传感器的框图。
图2是表示将角度分辨率Δθ设为一定时得到的点云图。
图3是表示将角度分辨率Δθ设为可变时的点云的图。
图4(a)、(b)是表示到物体的距离d和角度分辨率Δθ的关系的图。
图5是表示测距范围与角度分辨率Δθ的关系的图。
图6是表示角度分辨率Δθ的控制的一个例子的图。
图7是实施例1的测距传感器的框图。
图8是与实施例1的角度分辨率Δθ的控制相关的控制的时序图。
图9是与实施例2的角度分辨率Δθ的控制相关的时序图。
图10是具备测距传感器的汽车的框图。
图11是表示具备测距传感器的车辆用灯具的框图。
附图标记说明
100 测距传感器
110 光源
120 扫描设备
122 马达
124 旋转轴
126 镜
130 光传感器
140 处理器
200 车辆用灯具
202 光源
204 点亮电路
206 光学系统
300 汽车
302 前照灯
310 灯具系统
304 车辆侧ECU
400 物体检测系统
410 运算处理装置
具体实施方式
(实施方式的概要)
本说明书所公开的一实施方式涉及测距传感器。测距传感器具备光源、扫描设备、光传感器、以及处理器。扫描设备包含马达和安装于马达并反射光源的出射光的镜，构成为能够根据马达的旋转来扫描作为镜的反射光的探测光。光传感器检测探测光在物体上的点反射的返回光。处理器基于光传感器的输出检测到物体上的点的距离。扫描方向的角度分辨率根据到物体的距离而变化。
根据该实施方式，通过使扫描方向(例如水平方向)的分辨率根据到物体的距离而动态地变化，能够高精度检测远方的物体的形状。
也可以是，马达的旋转速度根据到物体的距离而变化。也可以取代于此或者在其基础上，使测距的周期根据到物体的距离而变化。
本发明的另一方式涉及一种车辆用灯具。车辆用灯具具备上述任一项测距传感器、配光可变灯、以及根据测距传感器的输出控制配光可变灯的控制器。
(实施方式)
以下，基于优选的实施方式，一边参照附图，一边对本发明进行说明。对各附图所示的相同或者同等构成要素、部件、处理标注相同的附图标记，适当地省略重复的说明。另外，实施方式并不限定发明，而是用来例示，实施方式中记载的所有特征或其组合不一定是发明的本质。
图1是实施方式的测距传感器100的框图。测距传感器100是LiDAR(LightDetection and Ranging)，具备光源110、扫描设备120、光传感器130、以及处理器140。光源110出射例如具有红外光谱的光L1。光源110的出射光L1也可以在时间上调制。
扫描设备120具备马达122和一个或者多个镜(也称为叶片)126。镜126为翼状，安装于马达122的旋转轴124，反射光源110的出射光L1。作为镜126的反射光的探测光L2的出射角(也称为扫描角)θ根据镜126的位置(即马达的旋转角φ)而变化。因而，通过马达122旋转，能够使探测光L2在θ方向上扫描θMIN～θMAX。另外，在设有两片镜126的情况下，马达122的1/2转(机械角为180度)与一次扫描对应，因而若马达122旋转一周，则探测光L2被扫描两次。另外，镜126的片数不被限定。
马达122的旋转角φ例如能够通过霍尔传感器、光学式的编码器等位置检测机构检测，因而各时刻的扫描角θ能够根据旋转角φ而求出。
光传感器130检测探测光L2在物体OBJ上的点P反射的返回光L3。处理器140基于光传感器130的输出，检测到物体OBJ上的点P的距离。距离检测的方式、算法不被特别限定，能够使用公知技术。例如，也可以出射探测光L2，然后测定光传感器130接收返回光为止的延迟时间、即TOF(飞行时间)，并取得距离。
以上是测距传感器100的基本构成。接着说明其动作。使马达122旋转而使探测光L2的扫描角θ变化为θ1、θ2、…，同时在各扫描角θi(i＝1、2、…)中测定到物体OBJ的表面上的点Pi的距离ri。由此，能够获得扫描角θi和与其对应的距离ri的对(点云数据)。
该测距传感器100能够通过极其常见的马达122与翼状的镜126的组合来构成扫描设备120，因此能够降低测距传感器100的成本。
接着，对测距传感器100的进一步的特征进行说明。图2是表示使角度分辨率Δθ为一定时得到的点云的图。物体OBJ1存在于相对于测距传感器100相对较近的位置，物体OBJ2存在于相对于测距传感器100相对较远的位置。
在使角度分辨率Δθ为一定的情况下，对于较近的物体OBJ1，可在相对较多的点P处获得反射，但若物体变远，则可获得反射的点P的个数减少。即，越远的物体，形状的判定越困难。
为了解决该问题，能够采用将角度分辨率Δθ设定得非常小、以便对于测距传感器100的测距范围内最远的物体获得足够的分辨率这一方法。然而，该方法由于在一次扫描内获得的点云的个数变得庞大，因此对处理器140要求的运算量变得庞大，扫描速率降低。为了获得应用程序所要求的扫描速率，需要高价并且高性能的处理器140，因此违反了测距传感器100的低成本化的要求。
因此，在本实施方式中，使角度分辨率Δθ根据到物体OBJ的距离d而动态地变化。图3是表示使角度分辨率Δθ为可变时的点云的图。在测定远方的物体OBJ2时，角度分辨率Δθ变小。由此，关于远方的物体OBJ2，可在四个点获得反射。因而，即使对于远方的物体OBJ2，也能够进行形状的判定。
若从另一观点来看，对于距离近的物体OBJ1，能够掌握到使角度分辨率Δθ降低，减少了点云的个数。由此，即使在使用了运算能力不那么高的廉价的处理器140的情况下，也能够实现应用程序所要求的扫描速率。
图4(a)、(b)是表示到物体的距离d和角度分辨率Δθ的关系的图。例如，考虑无关于到物体的距离d地在扫描方向上获得Δx的空间分辨率。在该情况下，只要式(1)成立即可，因此Δθ与d的关系式用式(2)表示。
dsinΔθ＝Δx…(1)
Δθ＝arcsin(Δx/d)…(2)
图4(a)、(b)设为Δx＝0.2m而绘制出Δθ与d的关系，图4(a)以线性标度绘制横轴，图4(b)以log标度绘制横轴。
也可以将角度分辨率Δθ保持为距离d的函数，利用处理器140进行运算以计算出角度分辨率Δθ。或者，也可以保持表示距离d与角度分辨率Δθ的关系的表，并通过表参照来选择角度分辨率Δθ。
如图4(a)、(b)所示，也可以使角度分辨率Δθ根据到物体OBJ的距离d而连续地变化，但也可以如以下说明那样使角度分辨率Δθ离散地变化。即，也可以将全部测距范围分割为多个m个范围R1～Rm，按照每个范围确定角度分辨率Δθ1～Δθm。图5是表示测距范围与角度分辨率Δθ的关系的图。在图5的例子中，示出m＝3的情况，但分割数m不被特别限定，也可以是两个或者四个以上。
到物体OBJ的距离d能够基于到该物体的表面上的代表点P的距离r来检测。代表点也可以设为最先获得反射的点。或者，也可以将代表点设为多个，将多个代表点的距离的平均值设为到物体OBJ的距离d。
分辨率Δθ也可以在一个扫描周期中动态地变化。例如，也可以每当检测到新的物体OBJ时将角度分辨率Δθ更新。图6是表示角度分辨率Δθ的控制的一个例子的图。横轴表示扫描角θ，能够与时间的行进方向建立对应。上段表示距离r，下段表示角度分辨率Δθ。图6中示出两个扫描周期。
考虑在范围R1中包含物体OBJ1、在范围R2中包含物体OBJ2的状况。首先，在某个角度分辨率Δθ上设定初始值θ0。
若测定物体OBJ1上的最初的点Pi的距离ri，则将该距离r1设为到物体OBJ1的距离d1，可知物体OBJ1包含在范围R1内。因而，角度分辨率Δθ被设定为较大的值Δθ1，进行扫描。
接着，若测定物体OBJ2上的最初的点Pj的距离rj，则基于该距离rj，将该距离rj设为到物体OBJ2的距离d2，可知物体OBJ2包含在范围R2内。因而，角度分辨率Δθ被设定为较小的值Δθ2，进行扫描。
若扫描角θ达到θMAX，则移至下一个扫描周期，返回到θMIN。
若测定物体OBJ1上的最初的点Pk的距离rk，则将该距离rk设为到物体OBJ1的距离d1，可知物体OBJ1包含在范围R1中。因而，角度分辨率Δθ被设定为Δθ1，进行扫描。
接着，若测定物体OBJ2上的最初的点Pl的距离rl，则基于该距离rl，将该距离rl设为到物体OBJ2的距离d2，可知物体OBJ2包含在范围R2中。因而，角度分辨率Δθ被设定为Δθ2，进行扫描。
另外，在没有检测到有意义的反射光的范围，也可以增大角度分辨率Δθ。由此，能够减少点云的个数，减少处理器140的运算负载。
接着，参照几个实施例对角度分辨率Δθ的控制方法进行说明。
(实施例1)
图7是实施例1的测距传感器100A的框图。测距传感器100A根据到物体OBJ的距离d，使马达122的旋转速度动态地变化。
处理器140对光源110以及光传感器130分别赋予定时信号S1、S2，使测距的周期(采样速率)Tr保持为一定。
光源110包含发光元件112与点亮电路114。点亮电路114与定时信号S1同步地使发光元件112点亮。光传感器130与定时信号S2同步地测定返回光L3。
处理器140基于光传感器130的输出S4而取得TOF。测距传感器100A也可以具备检测马达122的转子的位置(马达的旋转角φ)的位置传感器129。处理器140也可以基于位置传感器129的输出S5取得当前的扫描角θ。
处理器140基于到物体OBJ的距离d，决定角度分辨率Δθ。然后，向马达驱动电路128输出与角度分辨率Δθ相应的转速指令S3。马达驱动电路128以与转速指令S3相应的转速使马达122旋转。
以上是测距传感器100A的构成。接着说明其动作。图8是与实施例1的角度分辨率Δθ的控制相关的控制的时序图。测距定时以规定的周期Tr产生。在期间t0～t1，马达的转速成为第一值v1，马达的旋转角φ以第一斜率变化。为了简单起见，设为扫描角θ与马达的旋转角φ成比例，则扫描角θ也以某一斜率α1增加。此时的角度分辨率Δθ1成为α1×Tr。
在期间t1～t2，马达的转速成为比第一值v1小的第二值v2，马达的旋转角φ以第二斜率变化。此时，扫描角θ以相对较小的斜率α2(＜α1)增加。此时的角度分辨率Δθ2成为α2×Tr。
这样，根据实施例1，通过控制马达的转速，能够控制角度分辨率Δθ。
另外，作为马达122也可以使用步进电动机。在该情况下，处理器140能够基于向马达122供给的脉冲的频率来控制转速，并能够基于供给脉冲的个数来控制旋转角。在使用步进电动机的情况下，能够进行开环控制，因此不需要位置传感器129。
(实施例2)
在实施例2中，测距传感器100一边将马达的转速保持为一定，一边使测距的周期Tr变化。图9是与实施例2的角度分辨率Δθ的控制相关的时序图。
在扫描周期的整个区间TSCAN，马达的转速为一定v0，扫描角θ以一定的斜率α0增大。
在期间t0～t1，测距的周期Tr成为相对较长的第一值Tr1。此时的角度分辨率Δθ1成为α0×Tr1。
在期间t1～t2，测距的周期Tr成为相对较短的第二值Tr2。此时的角度分辨率Δθ2成为α0×Tr2。
这样，根据实施例2，通过使测距的周期Tr变化，能够控制角度分辨率Δθ。
(实施例3)
实施例3是实施例1与实施例2的组合，使马达的转速和测距周期Tr这两方变化。由此，能够控制分辨率Δθ。
(用途)
图10是具备测距传感器100的汽车的框图。汽车300具备前照灯302L、302R。测距传感器100内置于前照灯302L、302R的至少一方。前照灯302位于车身的最前端，在检测周围的物体的方面，作为测距传感器100的设置位置是最有利的。
图11是表示具备测距传感器100的车辆用灯具200的框图。车辆用灯具200与车辆侧ECU304一起构成灯具系统310。车辆用灯具200具备光源202、点亮电路204、光学系统206。而且，在车辆用灯具200设置物体检测系统400。物体检测系统400包含上述的测距传感器100与运算处理装置410。运算处理装置410基于由测距传感器100获得的点云数据，判定车辆前方的物体OBJ的有无以及种类。运算处理装置410能够包含基于通过机械学习获得的预测模型的识别器。
运算处理装置410检测出的与物体OBJ相关的信息也可以利用于车辆用灯具200的配光控制。具体而言，灯具侧ECU208基于运算处理装置410生成的与物体OBJ的种类及其位置相关的信息，生成适当的配光图案。点亮电路204以及光学系统206以获得灯具侧ECU208所生成的配光图案的方式进行动作。
此外，也可以将运算处理装置410检测出的与物体OBJ相关的信息发送到车辆侧ECU304。车辆侧ECU也可以基于该信息进行自动驾驶。
以上，基于实施方式说明了本发明。本领域技术人员应当理解，该实施方式是例示，能够对这些各构成要素、各处理工序的组合实施多种变形例，并且这种变形例也包含在本发明的范围内。以下，对这种变形例进行说明。
(变形例1)
在实施方式中，说明了扫描线为一条的测距传感器100，但也可以扩展为多条。
(变形例2)
在实施方式中，无关于物体的距离d而尽可能使扫描方向的空间分辨率Δx均匀化地确定了角度分辨率Δθ，但不限于此。空间分辨率Δx也可以根据到物体的距离d而不同。
(变形例3)
在实施方式中，作为测距传感器100的用途，说明了搭载于灯具的情况，但测距传感器100的用途并不限定于此，能够广泛地用于不要求市售的高价的LiDAR那种性能的用途。
虽然基于实施方式，使用具体的语句说明了本发明，但实施方式只不过是表示本发明的原理、应用的一方面，在实施方式中，在不脱离权利要求书所规定的本发明的思想的范围内，认可多种变形例、配置的变更。

Claims (7)

1.一种测距传感器，其特征在于，具备：
光源；
扫描设备，其包含马达以及安装于所述马达并反射所述光源的出射光的镜，构成为能够根据所述马达的旋转来扫描作为所述镜的反射光的探测光；
光传感器，其检测所述探测光在物体上的点反射的返回光；以及
处理器，其基于所述光传感器的输出检测到所述物体上的点的距离；
扫描方向的角度分辨率根据到所述物体的距离而变化。
2.根据权利要求1所述的测距传感器，其特征在于，
所述马达的旋转速度根据到所述物体的距离而变化。
3.根据权利要求1或2所述的测距传感器，其特征在于，
测距的周期根据到所述物体的距离而变化。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的测距传感器，其特征在于，
所述角度分辨率根据到所述物体的距离而离散地变化。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的测距传感器，其特征在于，
针对被检测的每个物体控制所述分辨率。
6.一种车辆用灯具，其特征在于，具备：
权利要求1至5中任一项所述的测距传感器；
配光可变灯；以及
控制器，其根据所述测距传感器的输出控制所述配光可变灯。
7.一种测距方法，其特征在于，具备如下步骤：
使安装有镜的马达旋转；
向所述镜照射光，并使所述镜的反射光扫描；
利用光传感器检测由物体反射的返回光；
通过运算处理，基于所述光传感器的输出检测到所述物体上的点的距离；以及
根据到所述物体的距离使角度分辨率变化。
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