JP2015059748A - 障害物検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】障害物までの距離及び障害物の相対速度に加え、障害物の３次元位置も検知できる安価な障害物検知装置を提供する。【解決手段】障害物検知装置は、回転翼の先端部に設置され、障害物を探知するレーダ波（電磁波）を送受信するアンテナと、受信した高周波信号を中間周波数に変換するＲＦチップと、周波数変換及びアナログ−ディジタル変換を行う周波数・ＡＤ変換部と、受信信号からビームを生成するモノパルス・ディジタルビームフォーミング部と、周波数変調連続波方式によって障害物までの距離及び障害物の相対速度を検知する測距／測速部と、モノパルス測角によって障害物が存在する方向の角度を検知する測角部と、を備える障害物検知部を備える。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、障害物検知装置に関する。

近年自治体や省庁の地方管区が回転翼を装備した飛行機体、すなわちヘリコプターの保有数を増やしたことにより、ヘリコプターによる災害救助や人命救助活動や救急活動の機会が増えている。
このような活動が増えた一方、ヘリコプターの特徴である機動性の弊害によりヘリコプター自体が高圧電線などに接触したり、アンテナ等の高所の構造物や樹木に接触したりして墜落する事故が増えている。

高圧電線や携帯基地局のアンテナまたは高層建造物の避雷針などは構造自体が細長く目視にて確認することが難しい。特に雨天や暗がりなどの悪環境ではサーチライト等の補助ライトを使用しても確認する事ができないため活動範囲や環境が限られていた。

これらの問題を解決するために、レーダやレーザーなどを使ったセンサによって障害物を検出方法検討されたが、障害物の構造が非常に細いため通常のレーダでは波長以下になりターゲットを検出する事ができなかった。また暗視カメラでは検知精度が低くレーザーではビームが絞れているため広い範囲を走査すると時間が掛かり飛行しながらターゲットを探索することが困難で、実用的でない。

一方、近年の半導体技術の進歩は目覚しく、従来は進行波管などの真空管で構成していたレーダ増幅器を半導体チップで構成できるようになった。特に高精度でターゲットの反射を捕らえるためにはより高周波のレーダ、例えば周波数３０ＧＨｚ以上波長１０ｍｍ以下のミリ波帯のレーダが必要になるが、最近まで半導体の高周波動作限界により適する半導体が無かった。

しかし最近の細線化技術とエピタキシャル化技術の進捗による電子移動度の高速化により動作周波数をミリ波帯まで高くすることが可能となり、ミリ波帯の送受信機や信号処理を１チップ化することできるようになって小型軽量で高性能なミリ波レーダが低価格で提供する事が可能となり、自動車等の民製品分野で衝突防止などに広く普及してきている。

このような技術的な背景を基に、ミリ波レーダをヘリコプターの回転翼に装備し、障害物を検知するシステムが提案されている。

しかし、従来のミリ波レーダでは、障害物までの距離と、障害物との相対速度しか把握できず、障害物との高低差の把握が難しいと言う問題があり、それを補完するため回転翼以外の場所に種々のセンサを装備する必要があるため、コストの高いものとなっていた。

特開２０１２-２０１１７６号公報

設置が簡便でより少ないセンサ数で、障害物までの距離及び障害物の相対速度に加え、障害物の３次元位置も検知できる安価な障害物検知装置が求められている。

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態は、回転翼の先端部に設置され、障害物を探知するレーダ波（電磁波）を送受信するアンテナと、受信した高周波信号を中間周波数に変換するＲＦチップと、周波数変換及びアナログ−ディジタル変換を行う周波数・ＡＤ変換部と、受信信号からビームを生成するモノパルス・ディジタルビームフォーミング部と、周波数変調連続波方式によって障害物までの距離及び障害物の相対速度を検知する測距／測速部と、モノパルス測角によって障害物が存在する方向の角度を検知する測角部と、を備える障害物検知部を備える障害物検知装置を提供する。

障害物検知装置の構成を示すブロック図である。 ヘリコプターの外観斜視図である。 障害物検知部の受信装置の構成を示す図である。 送信波と反射波を示す図である。 誤差電圧から障害物の存在する方向の角度を求める手順を示す図である。 誤差電圧から障害物の存在する方向の角度を求める手順を示す図である。 障害物の検知範囲を示す図である。

以下、障害物検知装置の一実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

本実施形態の障害物検知装置は、回転翼の先端部に設置され、障害物を探知するレーダ波（電磁波）を送受信するアンテナと、受信した高周波信号を中間周波数に変換するＲＦチップと、周波数変換及びアナログ−ディジタル変換を行う周波数・ＡＤ変換部と、受信信号からビームを生成するモノパルス・ディジタルビームフォーミング部と、周波数変調連続波方式によって障害物までの距離及び障害物の相対速度を検知する測距／測速部と、モノパルス測角によって障害物が存在する方向の角度を検知する測角部と、を備える障害物検知部を備える。

図１は、本実施形態の障害物検知装置の構成を示すブロック図である。図２は、ヘリコプター２０の外観斜視図である。図１及び図２に示すように障害物検知装置は、アンテナ１１が回転翼２１の先端部に設置され、障害物までの距離、障害物との相対速度、及び障害物の位置を検知する障害物検知部１と、回転翼２１の機体に対する角度を検知する回転翼角度検知部２と、障害物検知部１が検知した障害物までの距離、障害物の相対速度、及び障害物の位置並びに回転翼角度検知部２が検知した回転翼２１の機体に対する角度から障害物の機体に対する位置を算出する座標変換部３と、算出された障害物の機体に対する位置に基づいて障害物を表示する表示部４と、を備える。

図２に示すように、障害物検知部１のアンテナ１１は回転翼２１の先端部分に設置される。アンテナ１１は後方回転翼２２の先端部分にも設置される。

アンテナ１１は、回転翼２１または後方回転翼２２の翼がそれぞれ２つ以上ある場合には少なくとも２枚の翼の先端部分に設置される。

図３は、障害物検知部１の受信装置の構成を示す図である。障害物検知部１の送信装置は通常のミリ波送信装置が用いられる。

すなわち、障害物検知部１の送信装置は、信号を生成する励振部と、生成された信号を周波数変調する変調部と、変調された信号を増幅する増幅器と、を備える。増幅された信号はアンテナ１１を介して送信される。

図３に示すように、障害物検知部１の受信装置は、障害物からの反射波を受信するアンテナ１１と、受信した高周波信号を中間周波数に変換するＲＦチップ１２と、周波数変換及びアナログ−ディジタル変換を行う周波数・ＡＤ変換部１３と、受信信号からビームを生成するモノパルス・ディジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）部１４と、生成されたビームから障害物の有無を検知する目標検知部１５と、障害物が検知された場合、例えば周波数変調連続波（ＦＭ−ＣＷ）方式によって障害物までの距離及び障害物の相対速度を検知する測距／測速部１６と、例えばモノパルス測角によって障害物が存在する方向の角度を検知する測角部１７と、を備える。

ここで、ＦＭ−ＣＷ方式による障害物までの距離及び障害物の相対速度の検知方法について説明する。

障害物検知部１の送信装置は周波数変調されたミリ波をアンテナ１１から送信する。障害物がある場合、送信された信号は障害物に反射されて返ってくる。その際、障害物が動いていた場合、反射波の周波数信号はドップラーシフトする。

図４は、送信波４０１と反射波４０２を示す図である。図４に示すように、反射波４０２はドップラーシフトにより位相がずれる。

ここで、時間τにおける周波数の変化量、すなわち傾きは周波数の変化量をＢ、変化の時間をＴとするとＢ／Ｔと表わすことができる。

また、電波が障害物に当たって戻ってくるまでの時間τは以下の（１）式のようになる。

ここで、Ｒは障害物までの距離、Ｃは電波の速度である。

この間に変化する周波数は以下の（２）式の様になる。

一方、アンテナ１１によって受信された信号の周波数ｆｐは、ドップラー効果と周波数変調によって変化しているため、以下の（３）式のように表わされる。

ここで、ｆｄはドップラー効果による周波数の変化量を、ｆｍは周波数変調による周波数の変化量を表わす。

このことは、ｆｄとｆｍが分かれば距離と相対速度が算出できることを意味する。

障害物の相対速度をＶｒ、障害物までの距離をＲとすると、反射波のうち周波数が時間とともに高くなる場合の周波数ｆｐ＿ｕｐは以下の（４）式により、また周波数が時間とともに低くなる場合の周波数ｆｐ＿ｄｏｗｎは以下の（５）式により表わされる。

観測時間を２Ｔとするとｆｄは以下の（６）式により、またｆｍは以下の（７）式により表わすことができる。

これらの式から、障害物までの距離は以下の（８）式、障害物の相対速度は以下の（９）式により得ることができる。

測距／測速部１６は、（８）式及び（９）式によって障害物までの距離及び障害物の相対速度を算出する。

次に、モノパルス測角について説明する。アンテナ１１から放射される電波のビームは幅が薄く縦、すなわち回転方向に対して垂直方向に長いビームである。

一つ以上の送信ビームに対し、複数のアンテナ１１によって同時にコヒーレント波を受信すると、一つの障害物からの反射波は各アンテナ１１の間隔に従った位相角をもつ。従って、あるアンテナ１１と他のアンテナ１１においては電波の到来方向に応じた位相電位差が生じる。

予め各アンテナ１１の位相電位差と反射波の到来方向の角度との関係を示す測角テーブルをメモリ等の記憶装置に格納しておけば位相電位差すなわち誤差電圧によって障害物が存在する方向の角度を知ることができる。

図５及び図６は、誤差電圧から障害物の存在する方向の角度を求める手順を示す図である。

図５（Ａ）に示すように、アンテナ１１から放射するビームをΣ曲線、アンテナ１１から放射するビームと位相が９０°及び１８０°ずれた曲線をΔ曲線とすると、測角部１７は方向θ１からの反射波の誤差電圧ｄ１を、受信した振幅から受信した振幅を示すΣ曲線の角度に相当するΔ曲線の振幅を差し引いて求める。

図５（Ｂ）に示すように、測角部１７は誤差電圧ｄ１に基づいて測角テーブルを参照し、予め測定して得られた誤差電圧と障害物の存在する方向の角度との関係を示すε曲線から角度θ１を求める。

図６（Ａ）に示すように、障害物の存在する方向がθ２に変化した場合、誤差電圧もｄ２に変化する。

測角部１７は誤差電圧ｄ２に基づいて測角テーブルを参照し、ε曲線から角度θ２を求める。

従って、水平方向に回転する回転翼２１に設置されたアンテナ１１が受信した反射波から、測角部１７は高さ方向の障害物の存在する角度を求めることができ、垂直方向に回転する後方回転翼２２に設置されたアンテナ１１が受信した反射波から、測角部１７は水平方向の障害物の存在する角度を求めることができる。

図７は、障害物７０３の検知範囲を示す図である。図７に示すように、回転翼２１に設置されたアンテナ１１によっては、範囲７０１に示す範囲の障害物７０３までの距離、すなわちＸ軸方向の位置を測距／測速部１６が測定し、縦方向の位置、すなわちＹ軸方向の角度を測角部１７が測定する。さらに、回転側角度検知部２が機体と回転翼２１との位置である角度θ３を算出する。

後方回転翼２２についても、範囲７０２に示す範囲の障害物７０３を検知する。

従って、障害物検知装置は表示部４に障害物７０３の存在位置を表示することができる。

以上述べたように、本実施形態の障害物検知装置は、回転翼２１の先端部に設置され、障害物７０３を探知するレーダ波である電磁波を送受信するアンテナ１１と、受信した高周波信号を中間周波数に変換するＲＦチップ１２と、周波数変換及びアナログ−ディジタル変換を行う周波数・ＡＤ変換部１３と、受信信号からビームを生成するモノパルス・ディジタルビームフォーミング部１４と、生成されたビームから障害物７０３の有無を検知する目標検知部１５と、障害物７０３が検知された場合、周波数変調連続波方式によって障害物７０３までの距離及び障害物７０３の相対速度を検知する測距／測速部１６と、モノパルス測角によって障害物７０３が存在する方向の角度を検知する測角部１７と、を備える障害物検知部１を備える。

従って、障害物７０３までの距離及び障害物の相対速度に加え、障害物７０３の位置も検知できる安価な障害物検知装置を提供できるという効果がある。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１１ アンテナ
１６ 測距／測速部
１７ 測角部
２１ 回転翼

Claims (5)

1. 回転翼の先端部に設置され、障害物を探知する電磁波を送受信するアンテナと、
   受信した高周波信号を中間周波数に変換するＲＦチップと、
   周波数変換及びアナログ−ディジタル変換を行う周波数・ＡＤ変換部と、
   受信信号からビームを生成するモノパルス・ディジタルビームフォーミング部と、
   周波数変調連続波方式によって前記障害物までの距離及び前記障害物の相対速度を検知する測距／測速部と、
   モノパルス測角によって前記障害物が存在する方向の角度を検知する測角部と、を備える障害物検知部を備える障害物検知装置。
2. 前記障害物検知部は、
   後方回転翼の先端部にアンテナをさらに備える請求項１記載の障害物検知装置。
3. 前記障害物検知部は、
   前記アンテナからミリ波を送信する請求項２記載の障害物検知装置。
4. 前記障害物検知部は、
   生成された前記ビームから前記障害物の有無を検知する目標検知部をさらに備える請求項３記載の障害物検知装置。
5. 前記回転翼の機体に対する角度を検知する回転翼角度検知部と、
   前記障害物検知部が検知した前記障害物までの距離、前記障害物の相対速度、及び前記障害物が存在する方向の角度並びに前記回転翼角度検知部が検知した前記回転翼の前記機体に対する角度から前記障害物の前記機体に対する位置を算出する座標変換部と、
   算出された前記障害物の前記機体に対する位置に基づいて前記障害物を表示する表示部と、
   をさらに備える請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の障害物検知装置。

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