JP2010197097A - 車両用レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の状態や車両周囲の環境状態を考慮し、測距性能の向上を図る。
【解決手段】測距部５２は、受信波形とシステムが保有する基準波形との差分波形に基づいて測距を行う。その場合、旋回や加減速による車両の姿勢変化に伴ってアンテナ位置が変化したり、雨天時に電波の送受信状態が変化したときには、差分波形補正部５３で路面の反射成分を除去して差分波形を補正し、測距部５２は、この補正した差分波形を用いて測距を行うことで、測距性能の向上を図る。
【選択図】図４

Description

本発明は、車両外部へレーダ波を送信し、車両周囲に存在する物体で反射された反射波を受信して測距を行う車両用レーダ装置に関する。

一般的なパルスレーダ装置は、送信したパルス信号が測距対象となるターゲットで反射されて受信されるまでの往復伝播時間に基づいて距離を算出している。例えば、特許文献１には、パルスを広帯域で外部へ送信し、広帯域で受信した受信波形を広帯域のサンプリングパルスでサンプリングするパルスレーダ装置が開示されている。

特表平１０−５１１１８２号公報

しかしながら、車両にレーダ装置を搭載して周囲に存在する物体を検出する場合、走行中の加減速や旋回等で車体の姿勢が変化して地面に対するアンテナ位置が変化し、また、雨天等の天候の変化によりアンテナの送受信状態が変化する。このため、電波の拡散・到来の状態が変化し、測距性能が悪化することが懸念される。

特に、ターゲット以外の影響による反射波形を予め基準波形として保有し、受信波形（入力波形）と基準波形との差分を取ることで測距を行う方式のレーダ装置では、一義的に受信波形と基準波形との差分を求めるのみでは、走行中のアンテナ位置の変化や天候による送受信状態の変化を影響を受けて測距精度が低下する虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、車両の状態や車両周囲の環境状態を考慮し、測距性能の向上を図ることのできる車両用レーダ装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による車両用レーダ装置は、車両外部へ送信したレーダ波が物体で反射した反射波を受信して測距を行う車両用レーダ装置であって、上記反射波の受信波形と基準波形との差分波形に基づいて測距対象に対する測距を行う測距部と、上記差分波形から上記受信波形に含まれる路面の反射成分を除去し、上記差分波形を補正する差分波形補正部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、車両の状態や車両周囲の環境状態を考慮した測距処理を行うため、車両周囲に存在する物体を見失ったり誤判定することがなく、測距性能を向上することができる。

本発明の実施の第１形態に係り、車両用レーダ装置の構成図 同上、自動車へのレーダユニットの配置を示す説明図 同上、差分波形の説明図 同上、測距機能に係るブロック図 同上、路面の影響と差分波形との関係を示す説明図 同上、補正マップの説明図 本発明の実施の第２形態に係り、レーダユニット切換処理のフローチャート 同上、相対速度とシステム反応時間との関係を示す説明図

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１において、符号１は、自動車等の車両に搭載されて車両周囲に存在する物体２００までの距離を測定する車両用レーダ装置（以下、単に「レーダ装置」と記載）である。このレーダ装置１は、送信アンテナ２ａ，受信アンテナ２ｂ，及び信号処理回路ユニット５を備えた複数のレーダユニット２０，…と、各レーダユニット２０を制御して測距処理等を行うコントロールユニット５０とを基本として構成されている。

尚、図１においては、送信アンテナ２ａと受信アンテナ２ｂとが分離している送信・受信アンテナ分離型の装置を示しているが、送信アンテナ２ａと受信アンテナ２ｂとが一体であっても良い。

図２は、自動車１００に搭載したレーダ装置１の複数のレーダユニット２０，…の配置例を示している。各レーダユニット２０は、フロントバンパ１０１内部の左右コーナ部とリヤバンパ１０２内部の左右コーナ部とにそれぞれ２箇所、フロントドア１０３の下部（サイドシルスポイラ内）に左右２個所、リヤドア１０４の下部（サイドシルスポイラ内）に左右２箇所、計８箇所に配設されている。コントロールユニット５０は、これらのレーダユニット２０，…を切換えながら測距処理を行う。

各レーダユニット２０内の信号処理回路ユニット５は、図１においては周知の等価時間サンプリング方式を採用した例を示している。すなわち、信号処理回路ユニット５は、パルス生成部６、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７、掃引波形生成部８、時間掃引パルス生成部９、バンドパスフィルタ１０、サンプル／ホールド（Ｓ／Ｈ）回路１１、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２、アンプ１３を備えて構成されている。

パルス生成部６は、コントロールユニット５０から供給されるクロック信号ＣＬＫ１に同期して、所定周波数の送信パルスを生成する。この送信パルスは、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７で所定の周波数帯域に制限され、送信アンテナ２ａから車両外部にレーダ波として送信される。

掃引波形生成部８は、コントロールユニット５０から供給されるフレーム毎のタイミング信号ＣＬＫ２をトリガとして、送信パルスを周波数掃引するための波形（例えばランプ波等）を有する掃引信号を生成する。この掃引信号は、時間掃引パルス生成部９に入力される。

時間掃引パルス生成部９は、コントロールユニット５０からのクロック信号に同期して、掃引波形生成部８から出力される掃引信号に基づいて、送信パルスに対して所定量ずつ遅延させた時間掃引パルスを生成する。この時間掃引パルスは、サンプル／ホールド回路１１に入力される。

サンプル／ホールド回路１１は、時間掃引パルスをトリガとして、受信アンテナ２ｂで受信されてバンドパスフィルタ１０によりノイズを除去された受信信号を一時的にホールドし、サンプリングする。このときのサンプリング波形は、受信アンテナ２ｂで受信した波形を時間軸上で伸張した波形となる（等価時間サンプリング）。

この等価時間サンプリングされた受信波形は、ローパスフィルタ１２へ通され、高周波ノイズがカットされる。更に、ローパスフィルタ１２を通過した信号がアンプ１３で所定の出力レベルに増幅され、コントロールユニット５０に入力される。

コントロールユニット５０は、レーダユニット２０を用いた測距システムの中心構成をなすものである。コントロールユニット５０には、マイクロプロセッサを中心として、クロック信号やタイミング信号を信号処理回路ユニット５へ出力する周辺回路、信号処理回路ユニット５へから入力されるアナログ信号（アンプ１３からの信号）をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器等が備えられている。

コントロールユニット５０は、クロック信号やタイミング信号を各信号処理回路ユニット５へ供給すると共に、各信号処理回路ユニット５で処理した受信信号に基づいて車両外部に存在する物体までの距離を算出する測距処理を主として行う。この測距処理は、本実施の形態においては、図３に実線で示すような差分波形に基づいて行われる。

すなわち、コントロールユニット５０は、図３に一点鎖線で示すベースバンド波形を基準波形として保持している。そして、この基準波形と、受信アンテナ２ｂ及び信号処理回路ユニット５を介して取得した受信波形（図３中に破線で示す波形）との差分波形を算出し、この差分波形に基づいて測距を行う。

尚、図３における受信波形は、１フレーム分（１周期分）の波形を、サンプル数２００、８ビットの分解能でＡ／Ｄ変換したデータを示している。１フレームの周期は、例えば２０〜４０ｍｓｅｃ程度である。

差分波形に基づく測距を行う場合、コントロールユニット５０が保持する基準波形として、車両外部環境に測定対象となる物体が存在しない状況での反射波形を取得することで、測距が可能となる。例えば、測定対象となる物体が存在しない標準的な路面状況での反射波形等を、オフラインの実験或いはシミュレーションによって取得し、予めメモリに書き込んでおく、若しくは出荷時検査時に１台毎に適した値を書き込むことで、測距が可能となる。

しかしながら、予め保持する基準波形を用いるのみでは、走行中の加減速により車体姿勢が変化したり、天候等の環境条件が変化した場合には、正確な測距が行われない虞がある。このため、コントロールユニット５０は、図４に示すように、レーダユニット切換部５１、測距部５２、差分波形補正部５３を備え、車両の状態や周囲の環境状態に応じて差分波形を補正することにより、測距性能を向上するようにしている。

レーダユニット切換部５１は、複数のレーダユニット２０での測距を可能とするため、各レーダユニット２０を一定時間毎に等間隔で切換え、測距部５２に受信波形信号を入力する。この切換えは、具体的は、信号処理回路ユニット５のアンプ１３からの信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器の入力チャンネルを順次切換えることで実施される。

測距部５２は、レーダユニット切換部５１で切換えられた信号処理回路ユニット５のアンプ１３からの受信波形信号をＡ／Ｄ変換し、この受信波形（計測波形）とシステムが保有する基準波形との差分波形に基づいて測距を行う。このときの差分波形は、例えば、０〜２５５の８ビットでＡ／Ｄ変換したとき、計測波形と基準波形との大小関係に応じて以下の（ａ），（ｂ）に示すようになる。
（ａ）計測波形＞基準波形の場合
差分波形＝計測波形−基準波形＋１２８
（ｂ）計測波形＜基準波形の場合
差分波形＝基準波形−計測波形＋１２８

（ａ），（ｂ）で求められる差分波形は、車両の状態や周囲に環境状態が、予め有する基準波形を決定した状態に対応する標準的な状態での差分である。測距部５２は、実際の車両走行中や車両周囲の環境状態が標準的な状態から乖離したとき、（ａ），（ｂ）を補正した差分波形を、差分波形補正部５３から入力し、この補正された差分波を用いて測距を行う。差分波形による測距は、差分波形の全体的な大きさによる絶対平均値ベースによる一般的な手法や、その他の各種手法を用いて行うことができる。

尚、測距部５２から測距結果は、図示しない車両制御装置に出力され、測距結果に従った警報処理や衝突回避処理、走行制御等が実施される。

差分波形補正部５３は、車両走行中のアンテナ位置の変化や雨天時の電波の送受信状態の変化を考慮して差分波形を補正し、測距部５２へ送る。この差分波形の補正は、差分波形から受信波形に含まれる路面の反射成分を除去することで行われる。

すなわち、図５に示すように、受信アンテナ２ｂを介して入力される受信波形（計測波形）には、物体からの反射波と路面からの反射波とが重畳されている。従って、単に計測波形から基準波形を引いた差分波形を用いて測距を行うと、路面の影響を受けて正確な測距が困難となる。そのため、計測波形から基準波形を引いた差分波形から路面の影響の影響を除去して補正することより、物体の真の反射のみによる測距を行うことができる。

補正後の差分波形は、以下の（ｃ），（ｄ）に示すようになる。
（ｃ）計測波形＞基準波形の場合
差分波形（補正後）＝計測波形−基準波形＋１２８−路面からの反射波形
（ｄ）計測波形＜基準波形の場合
差分波形（補正後）＝基準波形−計測波形＋１２８−路面からの反射波形

路面からの反射波形は、旋回走行や加減速による車両の姿勢変化、雨天時の路面の影響によって異なる。例えば、以下の（１）〜（３）に示す条件の少なくとも一つの条件に応じて、路面からの反射の影響を表す補正値が設定される。

（１）車両の旋回時の姿勢変化によるアンテナ位置の変化
車両の旋回中は、車体が傾いてアンテナの位置が地面に対して近く或いは遠くなり、アンテナのビームが大地に係り影響を受ける。従って、旋回走行時のアンテナ位置に対する路面の影響を予め実験やシミュレーション等により求めておき、旋回時には、旋回による（アンテナ位置の変化による）路面反射の変化の影響を除いた差分波形で測距を行うことで、誤判定を低減して測距精度を向上することができる。

（２）車両の加減速時の姿勢変化によるアンテナ位置の変化
同様に、加減速時にアンテナ位置に対する路面の影響を予め実験やシミュレーション等により求めておき、加減速時には、加減速による（アンテナ位置の変化による）路面反射の変化の影響を除いた差分波形で測距を行うことで、誤判定を低減して測距精度を向上することができる。

（３）雨天時の路面の影響による対地反射の影響の変化
送信アンテナ２ａ及び受信アンテナ２ｂは、前後のバンパ内や左右のドア下部のサイドシルスポイラ内に装着されている。しかしながら、雨天時には、路面の影響による対地反射の影響の変化を無視できない。従って、雨天時には、雨天時の路面反射の変化の影響を除いた差分波形で測距を行うことにより、誤判定を低減して測距精度を向上することができる。

以上の（１）〜（３）の条件のうち、（１），（２）の条件における車両の姿勢変化（アンテナ位置の変化）は、車高センサによる直接検出、Ｇセンサによる加速度からの推定、舵角と車速からの推定、或いは車速の微分値からの推定等によって求めることができる。従って、例えば、図６に示すように、加速度と路面反射の影響を反映した補正値との関係を予め実験或いはシミュレーションによって求めてマップ化しておき、この補正マップを参照することで、差分波形を補正することができる。

一方、（３）の条件では、雨量から対地反射の影響とバンパやサイドシルスポイラに付着した水滴の影響を考慮する必要がある。このため、ワイパの作動状態、具体的にはワイパスイッチの位置により雨量を推定し、推定した雨量に応じて補正値を一定値ずつ段階的に変えることで、誤判定を防止する。

このように、本実施の形態においては、受信波形と基準波形との差分により周囲の物体を検出する際、旋回中の横加速度や加減速時の前後加速度に応じてアンテナと路面との距離が変化することを考慮し、路面反射による差分波形の補正を行っている。また、雨天時等にも、路面反射の影響が変化するため、この路面反射の影響を考慮して差分波形を補正する。これにより、物体の検出ミスや誤判定を防止し、測距性能の向上を図ることができる。

次に、本発明の実施の第２形態について説明する。
第２形態は、複数のレーダユニット２０による測距を、車両の運転状態や周囲の環境状態に応じて適切に選択・切換えることにより、効率的な測距を可能とするものである。

前述したように、第１形態においては、コントロールユニット５０内のＡ／Ｄ変換器を時間毎に切換えて使用している。そのため、通常は全てのレーダユニット２０（送信アンテナ２ａ及び受信アンテナ２ｂ）が等間隔で切換えられて測距が行われる。しかしながら、車両の状態や周囲の環境状態によっては特定のアンテナの測距情報が短い間隔で必要な場合がある。そのような場合、特定のアンテナ（及び近辺のアンテナ）を集中して選択した方が測距時間が短くなり、測距効率を向上することができる。

このため、第２形態では、第１形態のレーダユニット切換部５１の機能を変更し、車両の運転状態や周囲の環境状態に応じて最適なアンテナを選択する。このアンテナの選択は、具体的には、図７のフローチャートに示すレーダユニット切換処理のプログラムによって実施される。

この場合、車両の至近距離にある物体を検出する場合のレーダの測距レンジは数ｍ程度である。この測距レンジにおいては、所定のアンテナを選択して自車両に接近する物体を検出しても、自車両と物体との相対速度がシステム応答時間を超える速度である場合、システム応答時間と回避行動時間との関係から衝突防止には必ずしも有効でない。

このため、コントロールユニット５０内には、システム反応速度を閾値とした物体検出フィルタを設けることが望ましい。例えば、測距最大距離を２ｍ、回避行動必要時間を０．５ｓｅｃとすると、相対速度Ｖ［ｋｍ／ｈ］とシステム反応時間ｔ［ｓｅｃ］の最大値ｔｍａｘは、下式に示すようになる。このとき、相対速度２Ｋｍ／ｈのシチュエーションでは、システム反応最大時間は３．１［ｓｅｃ］確保することができるため、この時間内のサンプリングフィルタを設けることが可能となる。
ｔｍａｘ＝（２／（（Ｖ×１０００）／６０／６０）−０．５

具体的には、相対速度Ｖとシステム反応時間ｔとを軸として、図８に示すように、回避行動必要時間に余裕を見込んだ特性のフィルタをコントロールユニット５０内に用意しておく。そして、コントロールユニット５０での入力サンプリング処理を、図８中の斜線の領域内に制限することにより、不要な処理を省いて迅速な測距を可能とし、有効に衝突回避制御に移行させることができる。

入力信号のフィルタは、例えば、以下のような段階に区分して相対速度を切換えるようにしても良い。
極低速走行時（車庫入れ等）：相対速度２ｋｍ／ｈ
低速走行時 ：相対速度４ｋｍ／ｈ
中速走行時 ：相対速度６ｋｍ／ｈ
高速走行時 ：相対速度８ｋｍ／ｈ

更に、入力信号のフィルタとして、左右対象位置のレーダユニットを選択している状態では、左右対象位置のレーダユニットで同一反応を検出した場合には、測距を行わないようにフィルタを設けることが望ましい。これは、通常の状態では、道路の左右の立体物と自車両との距離が全く同じになることは無く、道路の継ぎ目等の路面幅全体に敷設された同一物を検出すると考えられるためである。

次に、アンテナを効率的に選択するためのレーダユニット切換のプログラム処理について、図７のフローチャートを用いて説明する。

この処理は、一定間隔で割り込み実行される処理であり、先ず、最初のステップＳ１において、舵角、ウィンカ、車速、ギヤポジション等の車両状態を示す各種センサ・スイッチからの信号を読み込む。次いで、ステップＳ２へ進み、バックスイッチがＯＮか否か、すなわち車両の走行方向が後退であるか否かを判断する。

バックスイッチがＯＮのときには、ステップＳ２からステップＳ３へ進み、リヤバンパ１０２内に配設されたレーダユニット２０への入力切換えを行い、後方のアンテナ（送信アンテナ２ａ及び受信アンテナ２ｂ）を中心とした測距を行う。そして、後方のアンテナを中心とした測距が完了すると、今回の割り込み処理を終了する。

一方、ステップＳ２において、バックスイッチがＯＦＦの場合には、ステップＳ２からステップＳ４へ進んでウィンカスイッチがＯＮか否かを調べる。ウィンカスイッチがＯＮの場合、ステップＳ４からステップＳ５へ進み、ウィンカ指示方向のレーダユニット２０からの入力に切換えてウィンカ指示方向のアンテナを中心とした測距を行う。そして、ウィンカ指示方向のアンテナを中心とした測距の完了により今回の割り込み処理を終了する。

ステップＳ４において、ウィンカスイッチがＯＦＦの場合、ステップＳ４からステップＳ６へ進んで舵角が旋回状態を表す閾値を超えたか否かを調べる。そして、舵角が閾値を超えて旋回走行となった場合、ステップＳ６からステップＳ７へ進んで旋回方向のレーダユニット２０に切換え、旋回方向のアンテナを中心とした測距を行う。そして、この測距完了により、割り込み処理を終了する。

一方、ステップＳ６で舵角が閾値を超えていない場合、ステップＳ６からステップＳ８へ進み、特定のアンテナで物体を検出しているか否かを調べる。そして、特定のアンテナで物体を検出している場合、ステップＳ９で物体の検出部位と進行方向とから次に同物体を検出可能となるアンテナを想定し、想定したアンテナを中心とした測距を行って割り込み処理を終了する。一方、特定のアンテナでの物体検出がない場合には、ステップＳ８からステップＳ１０へ進んで、等間隔でレーダユニット２０を順次切換えて測距を行い、割り込み処理を終了する。

以上のように、第２形態では、車両の運転状態や周囲の環境状態に応じて最適なアンテナを選択するようにしている。これにより、測距処理における処理時間を短縮し、また、効率的に物体を検出することができ、測距性能の向上に寄与することができる。

１ レーダ装置
２ａ 送信アンテナ
２ｂ 受信アンテナ
５ 信号処理回路ユニット
２０ レーダユニット
５０ コントロールユニット
５１ レーダユニット切換部
５２ 測距部
５３ 差分波形補正部
２００ 物体

Claims (5)

1. 車両外部に送信したレーダ波が物体で反射した反射波を受信して測距を行う車両用レーダ装置であって、
   上記反射波の受信波形と基準波形との差分波形に基づいて測距対象に対する測距を行う測距部と、
   上記差分波形から上記受信波形に含まれる路面の反射成分を除去し、上記差分波形を補正する差分波形補正部と
   を備えることを特徴とする車両用レーダ装置。
2. 上記路面の反射成分は、車両の姿勢変化によるアンテナ位置の変化によって生じる成分を含むことを特徴とする請求項１記載の車両用レーダ装置。
3. 上記アンテナ位置の変化によって生じる成分を、走行中の横加速度と前後加速度との少なくとも一方に基づいて求めることを特徴とする請求項２記載の車両用レーダ装置。
4. 上記路面の反射成分は、ワイパの作動状態によって推定される雨天時の成分を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の車両用レーダ装置。
5. 上記測距部に、車両の複数箇所に配置したレーダユニットを車両状態と周囲の環境状態との少なくとも一方に基づいて選択的に切換え接続する切換部を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の車両用レーダ装置。

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