JP2005003397A - 車両用障害物検出装置 - Google Patents

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勝規 山田
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Abstract

【課題】障害物の距離のみならず高さをも同時に効率的に検出可能な車両用障害物検出装置を提供する。
【解決手段】レーザ光を出射して反射を受波する送波部2、受波部3と、物体との距離、物体の高さを算出し、レーザ光の出射と走査を制御するレーダ信号処理・制御部1からなる。レーダ信号処理・制御部の検出制御判断部14は、物体の高さを検出するために、2段階の検出走査の制御を行う。まず物体の存在を検出のために水平走査のみの第1段階の検出走査を行い、ついで物体が検出されたとき、第1段階の検出走査時の物体からの反射の方向を軸として、走査面を傾けつつ、第2段階の検出走査を繰り返し行う。高さ算出部13は、第2段階の検出走査が終了した時点で、検出制御判断部から走査面方向の回転角を得て、物体までの距離に基づいて物体の高さを算出する。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁波を自車両から物体に向けて出射するとともに、物体から反射された電磁波を受波することにより、物体を検出する車両用障害物検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
【特許文献1】特開2002−365365号公報
レーザ光やミリ波などの電磁波を車両前方または後方に出射し、電磁波の出射方向を水平方向に走査し、その反射波を受波して障害物を検出する装置が知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、たとえば駐車場の入り口のゲートや、路面に設けられたキャッツアイなどの障害物においては、それを自車両が通過できる高さか、または車輪が支障なく乗り越えることができる高さかを判定する必要がある。
従来の障害物検出装置では、障害物の位置や自車両からの距離、自車両との相対速度を算出することができるが、障害物の高さを検出することができなかった。
【0004】
これを解決するために例えば特許文献1に記載されているように、電磁波を出射する垂直方向の角度を順次変えつつ、水平方向に走査することによって、障害物を検出したときの、障害物までの距離と垂直方向の走査角度から障害物の高さを算出する方法が考えられる。
その場合電磁波の出射方向を垂直方向と水平方向の走査可能範囲全体にわたって走査することになり、障害物の高さを検出するまでに時間が掛かり、データ量が増大して演算時間が長くなるという問題があった。
【0005】
本発明は、上記の問題点を解決するために、垂直方向、水平方向の2次元走査を走査可能範囲全体にわたって走査することなく短時間に走査することによって物体の高さを求めることができる車両用障害物検出装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、電磁波のパルスを自車両前方または後方の物体に向けて出射するとともに、物体で反射された電磁波のパルスを受波することにより、物体を検出する装置において、電磁波の出射方向を変えて走査する走査手段と、所定の垂直方向の角度で水平方向に電磁波を走査して、物体からの少なくとも2つの等距離にある反射を検出した場合には、検出した2つの反射の一方である第1の反射を得た電磁波の出射方向を軸として、走査の平面を反射の他方である第2の反射が検出できなくなるまで傾ける走査面変更手段と、第2の反射が検出できなくなったときに、第2の反射が検出できなくなる前の第2の反射を得た電磁波の出射方向に基づいて物体の高さを検出する高さ検出手段とを備えるものとした。
【0007】
【発明の効果】
本発明により、電磁波の出射方向を垂直方向と水平方向の走査可能範囲全体にわたって走査することなく、狭い範囲の走査を行うのみで物体の高さを検出するので、物体の高さを検出するまでの時間が短縮できる。
また、少なくとも二つの等距離にある出射方向の異なる反射を検出したとき、一方の第1の反射を得た出射方向を軸として、他方の第2の反射を検出できなくなるまで走査の平面を傾けるので、常に同一の物体の反射を捉えながら高さの測定を行っていることになり、他の物体の高さを誤って測定することがない。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を説明する。図1は実施の形態の車両用障害物検出装置のブロック構成図である。
本装置は、大きくはレーザ光を走査しながら出射する送波部2、出射されたレーザ光の反射波を集光して電気信号に変換する受波部3、物体との距離、物体の高さを算出し、レーザ光の出射と走査を制御するレーダ信号処理・制御部1、測定結果を表示する表示装置4、自車両の車速を検出する車速センサ5、自車両の走行方向を検出する自車姿勢検出センサ6からなる。
【0009】
送波部2は、レーザ光をパルス発信するレーザダイオード21、レーザダイオード21に電流を供給する駆動回路22、レーザダイオード21からのレーザ光を所定の垂直方向および水平方向の角度範囲の広がりのビームに調整する成形レンズ23、レーザ光の出射方向を変化させて走査する走査鏡24、走査鏡24を駆動する走査アクチュエータ25からなる。
【0010】
受波部3は、物体からの反射レーザ光を集光する受光レンズ33、受光レンズ33により集光されたレーザ光の強度に比例した電気信号に変換するフォトダイオード31、フォトダイオード31からの電気信号を増幅する増幅回路32からなる。
送波部2と受波部3は、例えば車両前部バンパーの車幅方向中央に、前方に向けて設ける。
【0011】
レーザダイオード21はたとえば、波長850〜950nm付近に放射強度のピークを有する近赤外線レーザダイオードである。フォトダイオード31はこの波長の近赤外線に適合した感度を有する。
成形レンズ23から出射されるレーザ光は、たとえば垂直方向に3°、水平方向に1°の広がりを持ったビーム光である。
レーザ光の光軸の垂直方向、水平方向共に0°の方向は車両の真正面前方で、路面からの高さhに設定されている。
【0012】
レーダ信号処理・制御部1は、2次元走査部11、距離算出部12、高さ算出部13、検出制御判断部14、走査面方向設定部15、初期設定記憶部16からなる。
2次元走査部11は、走査面方向設定部15から入力された走査面方向指示に基づき、その走査面内の範囲にレーザ光を出射するように走査アクチュエータ25を制御し、各走査周期内の適切なタイミングにレーザ光を発信するように駆動回路22を制御する。
また、2次元走査部11は、レーザ光の発信タイミング信号と、その時の走査方向角度位置の信号を距離算出部12に送る。
【0013】
距離算出部12は、2次元走査部11からのレーザ光の発信タイミング信号と増幅回路32からの反射レーザ光の受波タイミング信号の時間差Δtに基づき物体までの距離Dを式(1)によって算出する。
D=(C×Δt)/2 ・・・・(1)
ここでCは光速度である。
距離算出部12は、算出した距離Dを、走査方向角度位置の信号とともに検出制御判断部14に出力する。
【0014】
検出制御判断部14は、レーダ信号処理・制御部1全体を制御する機能を有し、本装置が物体の高さを検出するための2段階の検出走査の制御を行う。
まず物体の存在を検出のためにレーザ光の水平走査のみの第1段階の検出走査を行い、ついで物体が検出されたときにその高さを検出するために、第1段階の検出走査時に物体からの反射を得た一つの走査方向角度位置を向くレーザ光光軸を中心にして、走査面を斜めに傾けて走査を行い、その走査面の角度を変えて走査を繰り返す第2段階の検出走査を行う。
【0015】
さらに、検出制御判断部14は、物体の高さ検出を行った後、再度第1段階の検出走査を行って当該物体の距離検出を行いつつ、物体との距離と、車速センサ5からの自車両の車速データ、自車姿勢検出センサ6からの走行方向データに基づいて、物体との距離測定の周期間の物体と自車両の相対位置の変化から同一物体を検出しているかどうかの判定を行う。
なお、ここでは第1段階の検出走査、第2段階の検出走査の各走査での走査周期は全て同一の周期Tmsecとする。
【0016】
初期設定記憶部16は、物体の有無を検出するために、水平走査をするための走査面設定条件を記憶している。
走査面方向設定部15は、第1段階の検出走査では、初期設定記憶部16から初期の水平走査の走査面設定条件を読み出し、その走査面に沿った走査をするように2次元走査部11に走査方向指示を送る。
走査面方向設定部15は、また検出制御判断部14から第2段階の検出走査指示を受けたときは、後述のフローチャートのように走査面方向を設定し、その走査面に沿った走査をするよう2次元走査部11に走査方向指示を送り、検出制御判断部14から第2段階の検出走査の停止指令があるまで順次走査面方向の設定を変化させて、つまり走査面を回転して走査を行わせる。
【0017】
高さ算出部13は、第2段階の検出走査が終了した時点で、検出制御判断部14から走査面方向の回転角を得て、物体までの距離に基づいて物体の高さを算出する。
算出された高さは、検出制御判断部14を介して表示装置4に表示される。なお、表示装置4には、物体との距離も検出制御判断部14を介して表示される。
【0018】
図2は、本実施の形態における物体の高さ測定の流れ図である。
ステップ101では、走査方向設定部15は、第1段階の検出走査を行うために、走査面の初期設定を行う。つまり、走査方向設定部15は、走査面方向のパラメータを初期設定値記憶部16から読み出し、2次元走査部11に送出する。
第1段階の検出走査は、レーザ光の光軸を上下方向0°または上方向に角度θvに固定して、左右方向に走査する水平走査である。
【0019】
ステップ102では、2次元走査部11は、水平走査による距離測定を行う。つまり、2次元走査部11は、入力された走査面方向のパラメータに基づいて、走査鏡24の方向を水平方向に変化させつつ、レーザ光のパルスを適切なタイミングで発信させる。
距離算出部12は各レーザ光のパルス毎に物体までの距離を算出し、2次元走査部11から入力される走査方向角度位置と、物体までの距離データDを検出制御判断部14に送る。検出制御判断部14は、入力された距離データDを走査方向角度位置に対応させて記憶する。
【0020】
ステップ103では、検出制御判断部14は、第1段階の検出走査によって得た距離データについて評価し、等距離にある2つ以上の反射を得たかどうかをチェックする、つまり大きさのある物体を検出したか否かを判定する。
図3は、θv=Vとして水平方向にHmin〜Hmaxの範囲で走査し、第1段階の検出走査を行った結果を説明する図である。
【0021】
距離データD(水平方向の走査方向角度位置・・・H−4、H−3、H−2、H−1、H、H、H、H、・・・に対応させて個々の距離データDを・・・D−4、D−3、D−2、D−1、D、D、D、D、・・・とする。)を相互比較し、距離の差が所定値以内の距離Dを抽出する。例えば、ダブルハッチングで示す反射e、e、eの距離がD、D−2、D−4であり、その値がほぼ等しく差が所定値内に入っていたとする。
【0022】
次に、検出制御判断部14は、このe、e、eに対して、水平方向走査角度0°に近い走査方向角度位置の反射、ここではeを基準点として互いの水平方向の角度差Δθを求め、例えばeとeに対して式(2)に基づきeとe間の実際の距離幅ΔSWを推定する。
ΔSW=(D−4+D)×tan(Δθ/2) ・・・(2)
その距離幅が所定の値DT1以下の場合、DT1以下で最大の距離幅となる反射の対の水平方向走査角度位置を記憶する。
ここでは、反射eとeの対応する位置の距離幅が所定の値DT1以下であったとして、水平方向走査角度位置H、H−4を記憶する。
を基準点とした反射e、eとのいずれの組み合わせでも、推定された実際の距離幅ΔSWがDT1より大きい場合は、同一物体からの反射信号とは判定しない。
その後、大きさのある一つの物体を検出したとして、第2段階の検出走査を行うためにステップ104に進む。
なお、自車両からの距離が同一とみなせる複数の反射が存在しないとき、または距離幅ΔSWがDT1より大きく、同一物体からの反射信号とは判定されないときは、最終的に大きさのある物体を検出していないと判断して、ステップ102に戻り、第1段階の検出走査の水平走査による距離測定を行う。
【0023】
ステップ104では、検出制御判断部14は、大きさのある一つの物体に対して高さ検出のための第2段階の検出走査を行うために、走査面を回転させる回転軸と回転方向を決定する。
同一物からの等距離にあると判断され対で選定された反射のうち、自車両の車幅方向中心を通る前後軸に近い方向からの反射を第1の反射、他方を第2の反射と以後呼ぶ。
回転軸は、ステップ102の第1の反射に対する第1段階の検出走査時のレーザ光の出射方向線とする。つまり、図3の例では水平方向走査角度0°に近いeの走査方向角度位置(H,V)の出射方向線が走査面を回転させる回転軸となる。
回転方向は、第1の反射が水平方向走査角度0°(自車両の車幅方向中心を通る前後軸)から右側にある場合は右回り(時計回り)、逆に水平方向走査角度0°より左側にある場合は左回り(反時計回り)とする。
検出制御判断部14は、回転軸と回転方向を決定後、物体の高さを検出する指令、走査面回転軸のデータと回転方向の指令を走査面方向設定部15に送る。
【0024】
ステップ105では、走査面方向設定部15が、物体の高さを検出する指令を受け、繰返し行う第2段階の検出走査のその都度の走査面の方向を設定する。
走査面の方向は、繰返しの最初は図3に示す初期水平走査面Piに対して、eの走査方向角度位置(H,V)の出射方向線を軸に所定の回転角度増分Δθsを前述の回転方向に増して、角度Δθsで走査面Ps(1)を設定する。
次からの繰返しでは、前回の走査面の角度に回転角度増分Δθsを前述の回転方向に加算してそのときの回転角度θsとする走査平面Ps(n)(Ps(2)、Ps(3)、・・・・)を設定する。
走査面方向設定部15は、新たな走査面Ps(n)(Ps(1)、Ps(2)、Ps(3)、・・・・)に対応するパラメータを2次元走査部11に送出する。
ここで添え字の(n)は第2段階の検出走査の繰返し番号nを意味する。
【0025】
ステップ106では、2次元走査部11は、設定された新たな走査面Ps(n)に対して走査し、距離算出部12にて物体までの距離を測定する。
距離算出部12は、2次元走査部11から出力されるレーザ光を発信するタイミング信号とその時のビームの走査方向角度位置を受け、ステップ102と同様にレーザ光のパルス毎に物体までの距離を算出し、その距離データD(・・・D−4(n)、D−3(n)、D−2(n)、D−1(n)、D0(n)、D1(n)、D2(n)、D3(n)、・・)と走査方向角度位置とを検出制御判断部14に出力する。
検出制御判断部14は、入力された距離データDを走査方向角度位置に対応させて記憶する。
【0026】
ステップ107では、検出制御判断部14は、第2段階の検出走査の走査面Ps(n)に対して、前述の第2の反射eの水平方向角度位置H−4で、距離D−4と同一距離に物体を検出したかどうかを判定する。
つまり、距離データD−4(n)が、第1段階の検出走査時の距離データD−4と所定の誤差内で一致するかどうか判定する。一致した場合は物体を検出したと判定する。一致しない場合は物体を検出できなかったと判定する。
【0027】
ステップ103で大きさのある物体を検出してから、第2段階の検出走査を繰り返してステップ107に到るまでの時間は極めて短く、たとえば50msec程度にできるので、その間の物体までの距離の変化は極めて小さい。つまり、自車両と物体の相対位置の変化は小さい。
従って、例えば走査面Ps(n)の走査の結果、物体を検出できなかったということは、物体は水平方向角度位置H−4に存在するにも関わらず、走査面Ps(n)が物体の高さの上端を越えたことを意味する。
検出制御判断部14は、水平方向角度位置H−4に物体を検出した場合は、走査面方向設定部15に走査面の回転角度を増して、新しい走査面を設定するよう指令する。図3の走査面Psのように物体を検出しない場合は、ステップ108に進む。
【0028】
ステップ108では、高さ算出部13は、前回繰返し時の走査面の回転角度θsに基づき、式(3)〜(5)から物体の高さH を推定する。
図4は、第1の反射eの出射方向線mに対して垂直な平面51を、送波部2から物体までの距離Dの位置に想定し、第1段階の検出走査の走査面Piからの回転角度θs、第1段階の検出走査段階における水平走査時の固定された垂直方向角度θv、反射eとeの水平方向の角度差Δθから物体の高さHを求める方法を説明する図である。
ここで位置52は第1の反射eに対応する実際の位置であり、位置53は図3の座標(H−4,V)の反射に対応する実際の位置である。
【0029】
物体の反射eとeに対応するそれぞれの実際の位置の平面51上での幅Wは、式(3)によって算出される。
W=D×tan(Δθ) ・・・・・(3)
さらに、物体の実際の高さHは、平面51と真の垂直面とのなす角が小さいと仮定して、位置53の示すレーザ光の光軸が向いている位置までの高さHは式(4)によって算出される。
=h+D×sin(θv)+W×tan(θs) ・・・(4)
ここで、hは送波部2と受波部3が設けられている路面からの高さである。
レーザ光のビームの上下方向の広がり角度を考慮すると、物体の実際の高さH は、上下方向の広がり角度の半値をBv(ここでは1.5°)として、式(5)のようになる。
=H−D×tan(Bv) ・・・(5)
【0030】
ステップ109では、検出制御判断部14は、ステップ101と同様に第1段階の検出走査を行うために走査面の初期設定を走査面方向設定部15に行わせ、ステップ102と同様に2次元走査部11が水平走査を行う。距離算出部12は距離を算出し、検出制御判断部14に距離データを走査方向角度位置に対応させて記憶させる。
【0031】
ステップ110では、検出制御判断部14が、前回の繰り返しのステップ109で検出した物体と、今回の繰り返しのステップ109で検出した物体とが、同一物かどうかを判定する。
初めて、ステップ110に入った場合は、ステップ106におけるたとえば水平方向角度位置H近傍に、2度目以降の繰り返しでステップ110に入った場合は、前回のステップ109における反射e水平方向角度位置近傍に、今回のステップ109における反射が得られ、反射eの水平方向角度位置、物体までの距離の前回からの変化が、たとえば式(6)を満たせば、検出している物体は、高さ測定した物体と同一と判定する。
cosθ−Lcosθ<Vc×T+α ・・・(6)
ここで、L:1周期前の物体の検出距離
:今回の周期の物体の検出距離
θ:1周期前の物体を検出した水平方向走査角度位置
θ:今回の周期の物体を検出した水平方向走査角度位置
Vc:自車両の車速
T:走査周期
α:余裕代
図5は、式(6)の判定式を説明する図である。この例では、自車両が物体に対し走査周期Tの間に、相対的に直進した場合である。
【0032】
同一物と判定されたときは、ステップ109に戻り物体の距離の測定を繰り返す。同一物と判定されない場合は、ステップ101に戻る。
本実施の形態のフローチャートのステップ102、106と109は本発明の走査手段を、ステップ101、ステップ103から105は走査面変更手段を、ステップ107、108は高さ検出手段を構成する。
【0033】
以上のように本実施の形態によれば、レーザ光の出射方向を図3の垂直方向走査角度0°より上方の走査角空間全体にわたって走査する必要がないので、物体の高さを検出するまでの時間が短縮できる。
また、第2段階の検出走査において、検出している物体を継続して捉えながら物体の高さを測定するので、別の物体の高さを誤測定することがない。
【0034】
なお、本実施の形態では、ステップ107の物体の検出判定において、第1段階の検出走査時と同じ水平方向走査角度位置において、同じ物体の高さが検知されるかどうかを判断することにしたが、ステップ110の同一物体を検出しているか否かの判定のように、自車両の車速と走行方向のデータを加えて、物体との相対位置が変化している場合も、自車両と物体との相対位置の変化による効果の範囲内で同一物体の高さが検出されているかどうか判断してもよい。
また、本実施の形態では、レーザ光のビームの広がりが水平方向に1°、垂直方向に3°としたが、水平方向、垂直方向ともに1°としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のブロック構成を示す図である。
【図2】物体の高さを測定する流れを示す図である。
【図3】第1段階の検出走査と第2段階の検出走査を走査方向角度の座標系で説明する図である。
【図4】第2段階の検出走査から物体の高さを算出する方法を説明する図である。
【図5】自車両の進行に対し検出している物体が同一であることを判定する方法を説明する図である。
【符号の説明】
1 レーダ信号処理・制御部
2 送波部
3 受波部
4 表示装置
5 車速センサ
6 自車姿勢検出センサ
11 2次元走査部
12 距離算出部
13 高さ算出部
14 検出制御判断部
15 走査面方向設定部
16 初期設定記憶部
21 レーザダイオード
22 駆動回路
23 成形レンズ
24 走査鏡
25 走査アクチュエータ
31 フォトダイオード
32 増幅回路
33 受光レンズ
51 平面
52、53 位置

Claims (5)

  1. 電磁波のパルスを自車両前方または後方の物体に向けて出射するとともに、前記物体で反射された前記電磁波のパルスを受波することにより、物体を検出する装置において、
    前記電磁波の出射方向を変えて走査する走査手段と、
    所定の垂直方向の角度で水平方向に前記電磁波を走査して、前記物体からの少なくとも2つの等距離にある反射を検出した場合には、検出した前記2つの反射の一方である第1の反射を得た前記電磁波の出射方向を軸として、前記走査の平面を前記反射の他方である第2の反射が検出できなくなるまで傾ける走査面変更手段と、
    前記第2の反射が検出できなくなったときに、前記第2の反射が検出できなくなる前の前記第2の反射を得た前記電磁波の出射方向に基づいて物体の高さを検出する高さ検出手段とを備えることを特徴とする車両用障害物検出装置。
  2. 前記第1の反射は、自車両の車幅方向の中心を通る前後軸に最も近い出射方向のものであることを特徴とする請求項1に記載の車両用障害物検出装置。
  3. 前記第1の反射が前記前後軸に対し右側に検出された場合は、前記走査面変更手段は前記走査の平面を時計回りに傾け、
    前記第1の反射が前記前後軸に対し左側に検出された場合は、前記走査面変更手段は前記走査の平面を反時計回りに傾けることを特徴とする請求項2に記載の車両用障害物検出装置。
  4. 前記第1の反射と第2の反射は、それぞれに対応する反射位置間距離が所定値以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1に記載の車両用障害物検出装置。
  5. 前記第1の反射と第2の反射は、それぞれに対応する反射位置間距離が所定値以下で最大のものであることを特徴とする請求項4に記載の車両用障害物検出装置。
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