CN113534119B - 传感器及传感器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提高观测精度。一种传感器(10)，具有：出射单元(11)，其在将作为观测波的波束的出射方向逐一改变规定角度的同时，使该波束沿扫描方向进行扫描；控制单元(13)，其以波束宽度大于规定角度的方式控制出射单元，所述波束宽度作为表示波束在扫描方向上的广度的指标；推断单元(14)，其根据与照射在目标物体的多个波束各自对应的多个观测点，推断与目标物体有关的代表点。

Description

传感器及传感器系统
技术领域
本发明涉及一种传感器以及具有该传感器的传感器系统的技术领域。
背景技术
作为这种传感器，提出了例如采用多波束式的雷达装置(参照专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-187071号公报。
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1记载的技术中，根据与搭载雷达装置的车辆的前方障碍物有关的各信道CHi(i＝1、2、…、n)的位置(xi、yi)的数据，计算在X方向及Y方向上成为最短的点。在此，在专利文献1记载的技术中，从多个X分量中提取最短的X分量的值，并从多个Y分量中提取最短的Y分量的值。然后，为了方便起见，将由最短的X分量的值和最短的Y分量的值表示的位置作为前方障碍物的位置。因此，如专利文献1的图12所示的那样，有可能将实际并不存在前方障碍物的位置确定为前方障碍物的位置。
本发明正是鉴于上述情况而完成的，其课题在于提供一种能够提高观测精度的传感器及传感器系统。
用于解决问题的方法
本发明的一个方式涉及的传感器具有：出射单元，其在将作为观测波的波束的出射方向逐一改变规定角度的同时，使所述波束沿扫描方向进行扫描；控制单元，其以波束宽度大于所述规定角度的方式控制所述出射单元，所述波束宽度作为表示所述波束在所述扫描方向上的广度的指标；推断单元，其根据与照射在目标物体的多个所述波束各自对应的多个观测点，推断与所述目标物体有关的代表点。
本发明的一个方式涉及的传感器系统具有：第一传感器；以及第二传感器，其角度分辨率高于所述第一传感器，所述第二传感器具有：出射单元，其在将作为观测波的波束的出射方向逐一改变规定角度的同时，使所述波束沿扫描方向进行扫描；控制单元，其以波束宽度大于所述规定角度的方式控制所述出射单元，所述波束宽度作为表示所述波束在所述扫描方向上的广度的指标；推断单元，其根据与照射在目标物体的多个所述波束各自对应的多个观测点，推断与所述目标物体有关的代表点。
发明的效果
根据该传感器及该传感器系统，通过以波束宽度大于上述规定角度的方式控制出射单元，能够增加单位面积的观测点(换言之，波束条数)。其结果为，即使在例如传感器的波束出射部附着有污迹的情况、目标物体为低反射物体的情况、目标物体的大小比较小的情况等不适于观测的情况下，也能够提高观测精度。
附图说明
图1是示出波束宽度与波束间隔之间的关系的一个例子的图。
图2是示出分辨率的概念的概念图。
图3是示出实施方式涉及的传感器的构成的框图。
图4是示出应用了实施方式涉及的传感器的场景的一个例子的图。
图5是示出实施方式涉及的传感器系统的构成的框图。
具体实施方式
<传感器>
对传感器涉及的实施方式进行说明。实施方式涉及的传感器具有出射单元，该出射单元在将作为观测波的波束(光、电磁波等)的出射方向逐一改变规定角度的同时，使该波束沿扫描方向进行扫描。在此，“波束”为指向性较高的观测波。作为“波束”的具体例子，可举出光波束(即激光波束)、笔形波束等。此外，规定角度可以是恒定的角度，也可以针对每个扫描方向而不同(例如，水平扫描时的规定角度与垂直扫描时的规定角度可以不同)。
该传感器具有控制上述出射单元的控制单元。具体地，该控制单元以波束宽度大于规定角度的方式控制出射单元，所述波束宽度作为表示波束在扫描方向上的广度的指标。
波束宽度可以用角度(指向角等)来表示，也可以用与出射单元相距规定距离处的波束的束斑宽度(即距离单位)来表示。在波束宽度是用与出射单元相距规定距离处的束斑宽度来表示的情况下，可以将与出射单元相距规定距离处的一个波束的束斑中心、和与该一个波束相差上述规定角度的方向出射的另一波束的束斑中心之间的间隔用于相当于上述规定角度的值。
该传感器具有推断单元，该推断单元根据与照射在目标物体的多条波束分别对应的多个观测点，推断与目标物体有关的代表点。“与波束对应的观测点”是指通过观测波束的反射波而确定的波束被反射的反射点。观测点不限于相当于目标物体的一部分的反射点，也可以是相当于不同于目标物体的物体的一部分的反射点。也就是说，照射到目标物体的多条波束的一部分可以不通过目标物体被反射，而是通过不同于该目标物体的物体被反射。此外，一条波束对应的观测点不限于一个，也可以是两个以上。
关于多个观测点中通过观测被目标物体反射的波束的反射波而得到的多个观测点，由于与该传感器的距离大致相同而形成点组。推断单元根据该点组，对与目标物体有关的代表点进行推断。“与目标物体有关的代表点”例如可以是与目标物体的中心、重心等对应的点。在目标物体为具有进深的物体的情况下，上述代表点可以是与目标物体的一个面的中心、重心等对应的点。此外，根据点组而对与目标物体有关的代表点进行推断的方法能够采用现有的各种方式，例如，可以通过假定点组是按照高斯分布进行分布而对与目标物体有关的代表点进行推断。
并且，为了提高基于传感器的观测精度，谋求提高传感器的分辨率。此时，例如图1(a)所示，在认为观测对象存在的距离处，波束以束斑互不重叠的方式集中的情况较多。在此情况下，如图1(a)所示，束斑的宽度w1小于相邻的束斑中心之间的距离d。这种关系在波束宽度(即波束在扫描方向上的广度)小于上述规定角度(在此为1度)时成立。在提高传感器的分辨率时，使波束如图1(a)所示地集中的理由是，为了避免通过多个波束观测同一个地方、以及为了采用在一个观测位置取得一个反射点来识别目标物体的方法。
根据这种观测方法，能够通过较为简洁的构成来实现例如LiDAR(LightDetection and Ranging：激光检测和测距)。另一方面，在目标为例如低对比度的物体、平板等的情况、在例如强反射物体和弱反射物体混在一起的环境的情况下，有可能例如相邻的两个物体的识别困难等而发生误检测。另外，由于波束集中成比较尖锐，所以在传感器中波束穿过的光学窗附着有污迹的情况、在污迹附着的部分的面积较小的情况下，有时波束被污迹遮挡(即，传感器的观测性能显著下降)。
对此，在实施方式涉及的传感器中，如上所述，从出射单元出射的波束宽度大于规定角度。在此情况下，例如图1(b)所示，在认为观测对象可能存在的距离处，束斑彼此重叠。在此情况下，如图1(b)所示，束斑的宽度w2大于相邻束斑的中心之间的距离d。波束相对拓宽，因此，首先即使上述光学窗上附着有些许污迹，也能够抑制波束被污迹遮挡的情况。
接着，参照图2，对分辨率进行说明。与传感器有关的分辨率能够通过每单位面积内的观测点数(即，观测密度)来评价。在图1(a)和(b)所示的方式中，相邻束斑中心之间的距离均为“d”，是相同的。因此，照射在图2所示的目标物体T的波束条数均为16条(参照图2(a)和(b))。也就是说，在图1(a)和(b)中的任一方式中，都针对目标物体T取得到16个观测点。如上所述，分辨率能够通过单位面积的观测点数来评价。因此，可以说图1(a)所示方式的分辨率与相当于本实施方式涉及的传感器的图1(b)所示方式的分辨率是相等的。
单位面积内的观测点数越增加(换言之，观测密度越高)，分辨率的评价就越高。因此，若减小距离d，则观测密度将升高，能够提高分辨率。在此，在图1(a)所示的方式中，由于距离d是以束斑彼此不重叠的方式设定的，因此距离d的最小值等于宽度w1。因此，在图1(a)所示的方式中，其分辨率被宽度w1限制。另一方面，在相当于实施方式涉及的传感器的图1(b)所示方式中，距离d小于宽度w2。因此，实施方式涉及的传感器不被宽度w2限制，能够通过减小距离d而谋求其分辨率的提高。
另外，在实施方式涉及的传感器中，由于从出射单元出射的波束相对拓宽，因此在通过该传感器观测目标物体T时，目标物体T的一部分被波束多次照射(参照图2(b))。也就是说，该传感器能够对这一部分进行多次观测。在该传感器中，由于能够针对同一部分(或同一目标)得到多次观测结果，因此，即使在目标为例如低对比度的物体、平板等的情况、在强反射物与若反射物混在一起的环境中，该传感器也能够在抑制例如误检测、目标丢失，与此同时适当地观测目标。
如上所述，根据实施方式涉及的传感器，能够提高观测精度。
参照图3及图4，对作为实施方式涉及的传感器的一个具体例子的传感器10进行说明。在图3中，传感器10具有观测部11、扫描部12、控制部13及探测部14。
观测部11出射波束，并且通过接收被出射的波束的反射波来取得观测信息。扫描部12在将从观测部11出射的波束的出射方向逐一改变规定角度的同时，使该波束沿扫描方向进行扫描。扫描部12例如可以通过使观测部11绕规定的旋转轴旋转来使从该观测部11出射的波束进行扫描，也可以例如通过控制从观测部11出射的波束的相位而改变该波束的出射方向，使该波束进行扫描。
控制部13设定分别与观测部11及操作部12有关的观测参数等。此时，控制部13特别地以从观测部11出射的波束的波束宽度大于上述规定角度的方式，设定上述观测参数。探测部14从观测部11接收观测信息，例如将该观测信息转换为点组、物体标志，或对物体进行识别。探测部14特别地根据相当于上述多个观测点的一个例子的点组，推断与目标物体有关的代表点。
在传感器10中，由于从观测部11出射的波束的波束宽度大于上述规定角度，因此，传感器10与上述实施方式涉及的传感器同样地，也能够提高观测精度。此外，“观测部11”及“操作部12”相当于上述“出射单元”的一个例子。“控制部13”及“探测部14”分别相当于上述“控制单元”及“推断单元”的一个例子。
在此，将传感器10作为车载传感器使用的情况作为一个例子，并参照图4等，对传感器10的进一步优点进行说明。在图4中，假设传感器10搭载于车辆1。图4中的多条虚线分别表示从传感器10出射的波束。在图4中，车辆2行驶于车辆1的前方，车辆3行驶在该车辆2的前方。另外，相向车辆4行驶在与车辆1行驶车道相邻的相邻车道。
从传感器10出射的波束的波束宽度比较宽。在此，在波束宽度比较宽的情况下，例如图2(b)所示，照射在目标物体T的边缘部附近的波束的一部分并没有被目标物体T反射，而是照射到从波束的出射侧观察时相比目标物体T而进深处。也就是说，在图4所示的波束b1照射到车辆2的情况下，波束b1的一部分被车辆2反射，并且波束b1的其他部分照射到例如车辆3。同样地，在波束b2照射到车辆2的情况下，波束b2的一部分被车辆2反射，并且波束b2的其他部分照射到例如相向车辆4。
其结果为，通过观测部11接收波束b1的反射波，观测部11能够取得与车辆2有关的观测点(反射点)的信息和与车辆3有关的观测点的信息，作为观测信息。同样地，通过观测部11接收波束b2的反射波，观测部11能够取得与车辆2有关的观测点的信息和与相向车辆4有关的观测点的信息，作为观测信息。
也就是说，传感器10不仅能够观测被目标物体(在此为车辆2)反射的波束的反射波，也能够观测被从传感器10观察时相比该目标物体位于进深处的物体反射的波束的反射波。因此，在与照射到目标物体的多条波束分别对应的多个观测点中，包括通过波束在目标物体处被反射而产生的反射波引起的第一种观测点、以及通过波束在从波束出射侧观察相比该目标物体位于进深处被反射而产生的反射波引起的第二种观测点(例如与车辆3、相向车辆4有关的观测点)。
在此，波束b1的一部分通过车辆2被反射时的反射强度明显地强于波束b1的其他部分通过车辆3被反射时的反射强度。同样地，波束b2的一部分通过车辆2被反射时的反射强度明显地强于波束b2的其他部分通过相向车辆4被反射时的反射强度。
因此，探测部14可以在针对一条波束存在例如两个观测点的情况下，以两者的反射强度的差值大于规定值为条件地，提取目标物体被这一条波束照射的部分作为该目标物体的边缘部(即，边缘)。
此外，“规定值”考虑以下因素进行设定即可，例如与传感器10有关的观测误差、一条波束的一部分通过目标物体的一部分被反射时的反射强度与这一条波束的其他部分通过相比目标物体的这一部分位于进深处的其他部分被反射时的反射强度之间的差值(即，为了在目标物体的表面存在凹凸的情况下不误认目标物体的边缘部的指标)等。
以此方式，探测部14能够根据通过波束b1的照射取得的车辆2的观测点与车辆3的观测点之间的反射强度的差值，提取车辆2的一个边缘部。同样地，探测部14能够根据通过波束b2的照射取得的车辆2的观测点与相向车辆4的观测点之间的反射强度的差值，提取车辆2的另一边缘部。探测部14还可以根据提取的车辆2的多个边缘部来推断车辆2的形状(例如从传感器10观察的车辆2的形状等)。
实施方式涉及的传感器可以应用于在以机械方式将出射方向逐一改变规定角度(相当于扫描步进角)的同时出射波束的例如扫描型LiDAR、出射各条波束的多个放射元件呈阵列状配置的例如相控阵雷达、相控阵式LiDAR等。
根据实施方式涉及的传感器，与出射的波束的波束宽度小于上述规定角度的比较例相比，还能够提高目标物体的位置的检测精度。特别地，在目标物体为低对比度物体的情况、环境较差的情况下，该实施方式涉及的传感器的效果大。也就是说，根据该实施方式涉及的传感器，不仅能够高精度地推断目标物体的形状，也能够高精度地推断其位置。
<传感器系统>
对传感器系统涉及的实施方式进行说明。实施方式涉及的传感器系统具有第一传感器、以及角度分辨率高于该第一传感器的第二传感器。在此，只要第二传感器的角度分辨率高于第一传感器，则第二传感器传感器可以是与第一传感器类别相同的传感器，也可以是与第一传感器类别不同的传感器。此外，第一传感器不限于一个，可以为多个。第二传感器也不限于一个，可以为多个。
传感器的分辨率是由通过传感器可识别的最小距离或角度表示。可识别的最小距离或角度越小，则分辨率(即识别对象的能力)越高。“角度分辨率”是用可识别的最小角度表示分辨率的指标。“角度分辨率高于第一传感器”是指“可识别比第一传感器可识别的最小角度更小的角度”。
例如，在具有多个检测元件呈二维排列的检测部、且对该检测部的视场范围暂时进行观测的传感器(例如照相机等)中，一个检测元件的视场角(即瞬时视场)相当于“角度分辨率”的一个具体例。例如，在作为出射观测波(光、电波等)并对出射的观测波的反射波进行观测的传感器的一个具体例的LiDAR的情况下，当假设与一个面的距离为“x”，该一个面上的激光束斑之间的距离为“d”，则“角度分辨率”表示为约“d·2tan-1(1/2x)”(该值对应于扫描步进角)。在作为该传感器的其他具体例的雷达的情况、用角度表示的波束宽度相当于“角度分辨率”的一个具体例。
第二传感器具有：出射单元，其在将作为观测波的波束的出射方向逐一改变规定角度的同时，使该波束沿扫描方向进行扫描；控制单元，其以波束宽度大于规定角度的方式控制出射单元，所述波束宽度作为表示波束在扫描方向上的广度指标；推断单元，其根据与照射在目标物体的多个波束各自对应的多个观测点，推断与目标物体有关的代表点。也就是说，第二传感器具有与上述实施方式涉及的传感器同样的结构。
在该传感器系统中，第一传感器及第二传感器可以协同动作。具体而言，例如，可以通过角度分辨率高于该第一传感器的第二传感器，对由第一传感器检测的物体进行高精度的观测。该传感器系统由于具有相当于上述实施方式涉及的传感器的第二传感器，因此能够提高观测精度。
参照图5，对作为实施方式涉及的传感器系统的一个具体例的传感器系统100进行说明。在图5中，传感器系统100构成为具有传感器10、传感器20、数据处理部30及数据处理部40。在此，传感器20相当于上述第一传感器的一个例子，传感器10相当于上述第二传感器的一个例子。此外，传感器10由于与参照图3说明的传感器10相同，因此省略重复说明。
传感器20具有观测部21、控制部22、以及探测部23。观测部21取得观测信息。在传感器20为例如照相机的情况下，观测信息可以为图像、亮度值信息等。在传感器20为例如LiDAR、雷达等情况下，观测信息可以为通过利用观测部21接收反射波(例如光、电磁波等)而取得的信息(例如距离、反射强度等)。控制部22设定与观测部21有关的观测参数。探测部23从观测部11接收观测信息，例如将该观测信息转换为点组、物体标志，对物体进行识别。作为这些处理的结果，探测部23生成探测数据。
数据处理部30的探测数据接收部31从探测部23接收探测数据。探测数据接收部31将接收到的探测数据向管理部32发送。管理部32将探测数据累积。此时，管理部32可以根据赋予了探测数据的时刻信息，按照时间序列顺序将探测数据累积。
管理部32将累积的探测数据中例如最新的探测数据向数据处理部40的观测计划部42发送。另外，管理部32将与基于传感器20的观测有关的指示向观测控制部33发送。此外，该指示的具体内容可以根据传感器系统100的使用的目的、用途来适当设定。观测控制部33根据来自管理部32的指示，将用于控制部22设定观测参数的信息向控制部22发送。
数据处理部40的观测计划部42根据从管理部32接收到的探测数据，确定例如传感器10的观测目标。在存在多个观测目标的情况下，观测计划部42可以设定多个观测目标各自的观测顺序。观测计划部42生成观测计划，该观测计划包含表示被确定的观测目标的信息等。然后，观测计划部42将生成的该观测计划向观测控制部42发送。
观测控制部42根据观测计划，将与基于传感器10的观测有关的指示向控制部13发送。此外，该指示的具体内容可以根据传感器系统100所用于的目的、用途来适当设定。探测数据接收部41从探测部14接收数据。具体地，探测数据接收部41接收例如与通过探测部14推断的观测目标有关的代表点、通过探测部14推断的观测目标的形状等，作为上述数据。
根据实施方式涉及的传感器系统，与上述实施方式涉及的传感器同样地，不仅能够高精度地推断目标物体的形状，也能够高精度地推断其位置。
下面说明从以上说明的实施方式引出的发明的各种方式。
发明的一个方面涉及的传感器具有：出射单元，其在将作为观测波的波束的出射方向逐一改变规定角度的同时，使所述波束沿扫描方向进行扫描；控制单元，其以波束宽度大于所述规定角度的方式控制所述出射单元，所述波束宽度作为表示所述波束在所述扫描方向上的广度的指标；推断单元，其根据与照射在目标物体的多个所述波束各自对应的多个观测点，推断与所述目标物体有关的代表点。
在该传感器的一个方面中，所述多个观测点包括第一种观测点和第二种观测点，所述第一种观测点是通过所述波束在所述目标物体处被反射而产生的反射波引起的，所述第二种观测点是通过所述波束在从所述出射单元观察相比所述目标物体位于进深处被反射而产生的反射波引起的，所述推断单元根据所述第一种观测点及所述第二种观测点，推断所述目标物体的形状。
本发明的一个方面涉及的传感器系统具有第一传感器、以及角度分辨率高于所述第一传感器的第二传感器，所述第二传感器具有：出射单元，其在将作为观测波的波束的出射方向逐一改变规定角度的同时，使所述波束沿扫描方向进行扫描；控制单元，其以波束宽度大于所述规定角度的方式控制所述出射单元，所述波束宽度作为表示所述波束在所述扫描方向上的广度的指标；以及推断单元，其根据与照射在目标物体上的多个所述波束各自对应的多个观测点，推断与所述目标物体有关的代表点。
本发明不限于上述实施方式，可在不违反从权利要求书及整个说明书中读到的发明主旨或思想的范围内进行适当改变，伴随这种改变的传感器及传感器系统也仍包含在本发明的技术范围内。
附图标记的说明
10、20传感器；11、21观测部；12操作部；13、22控制部；14、23探测部；30、40数据处理部；31、41探测数据接收部；32管理部；33、42观测控制部；42观测计划部；100传感器系统。

Claims (2)

1.一种传感器，其特征在于，具有：
出射单元，其在将作为观测波的波束的出射方向逐一改变规定角度的同时，使所述波束沿扫描方向进行扫描；
控制单元，其以波束宽度大于所述规定角度的方式控制所述出射单元，所述波束宽度作为表示所述波束在所述扫描方向上的广度的指标；
观测部，其通过接收所述波束在物体处被反射而产生的反射波，取得作为所述波束被反射的点的观测点；以及
推断单元，其根据与照射在目标物体的多个所述波束各自对应的多个观测点，推断与所述目标物体有关的代表点，
所述多个观测点包括第一反射强度的第一种观测点和弱于所述第一反射强度的第二反射强度的第二种观测点，所述第一种观测点是通过所述波束的至少一部分在所述目标物体处被反射而产生的反射波引起的，所述第二种观测点是通过所述波束的其他部分在从所述出射单元观察时相比所述目标物体位于进深的物体处被反射而产生的反射波引起的，
所述推断单元除了推断所述代表点，还根据所述第一种观测点的所述第一反射强度和所述第二种观测点的所述第二反射强度的差值，推断所述目标物体的形状。
2.一种传感器系统，其特征在于，具有：
第一传感器；
第二传感器，其角度分辨率高于所述第一传感器，
所述第二传感器具有：
出射单元，其在将作为观测波的波束的出射方向逐一改变规定角度的同时，使所述波束沿扫描方向进行扫描；
控制单元，其以波束宽度大于所述规定角度的方式控制所述出射单元，所述波束宽度作为表示所述波束在所述扫描方向上的广度的指标；
观测部，其通过接收所述波束在物体处被反射而产生的反射波，取得作为所述波束被反射的点的观测点；以及
推断单元，其根据与照射在目标物体的多个所述波束各自对应的多个观测点，推断与所述目标物体有关的代表点，
所述多个观测点包括第一反射强度的第一种观测点和弱于所述第一反射强度的第二反射强度的第二种观测点，所述第一种观测点是通过所述波束的至少一部分在所述目标物体处被反射而产生的反射波引起的，所述第二种观测点是通过所述波束的其他部分在从所述出射单元观察时相比所述目标物体位于进深的物体处被反射而产生的反射波引起的，
所述推断单元除了推断所述代表点，还根据所述第一种观测点的所述第一反射强度和所述第二种观测点的所述第二反射强度的差值，推断所述目标物体的形状。
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