JP2016205879A - 走行軌跡生成方法及び走行軌跡生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 走行体の走行軌跡を、実際の走行にできるだけ忠実に生成することのできる走行軌跡生成方法及び走行軌跡生成装置を提供することにある。
【解決手段】 走行体の幅方向両側にレーザドップラ速度計（ＬＤＶ）を取付けた走行体を、路面を走行させて、当該ＬＤＶからレーザビームを路面に対して鉛直又はほぼ鉛直に照射し続け、その間に路面からの散乱光を両ＬＤＶで受光して、走行体の走行速度に比例したドップラ信号を抽出し、当該ドップラ信号に基づいて、予め設定した単位時間ごとに、走行体の走行速度を求め、この走行速度から走行体の蛇行半径と走行距離を単位時間ごとの軌跡として求め、走行中の走行体の単位時間ごとの軌跡を繰り返し求め、それら軌跡を連続して接続することにより走行体の走行軌跡を生成する方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車や鉄道車両等の走行軌跡をレーザドップラ速度計を用いて生成する走行軌跡生成方法及び走行軌跡生成装置に関するものである。

車両の走行軌跡を生成する方法として、走行車両の形状や特性情報から交差点やカーブを曲がる時の軌跡を仮想的に生成する手法や、実車両で実際に走行した軌跡を追跡するＧＰＳを利用する手法、ジャイロセンサで検出した角速度を積分した角度情報を用いて位置情報を推測する手法、複数台のカメラを設置して、当該設置場所での走行軌跡を描く方法など、様々な手法（例えば、特許文献１〜３）が提案されている。

特開２０１２−１２３４７２号公報 特開２００７−１４８６１５号公報 特開２０１０−０２０７２９号公報

前記手法のうち、走行軌跡を仮想的に生成する手法では、実車両の実際の走行軌跡を追跡しているわけではないため、正確な走行軌跡を生成することはできない。ＧＰＳを利用する手法は捕捉した衛星の数により位置精度が変化し、トンネル内やビルの谷間などでは捕捉不能に陥るという難点がある。ジャイロセンサを用いた手法は、ジャイロセンサが高額であるためコスト高となり過ぎることと、積分して得られる位置精度は積算誤差が大きくなる欠点を持っている。複数台のカメラを設置する手法では、走行軌跡を描ける範囲がカメラを設置した場所に限定されるという難点がある。

また、前記各手法で得られる速度精度及び位置精度は０．５ｋｍ／ｈ及び１００ｍｍ程度にすぎないうえ、これらは様々な場所で連続して得られる精度ではないため、正確な走行軌跡を描き続けることはできない。

本発明の解決課題は、自動車、電車、その他の車両（これらを以下「走行体」という。）の走行軌跡を、実際の走行にできるだけ忠実に（精度良く）描くことのできる走行軌跡生成方法及び走行軌跡生成装置を提供することにある。

（走行軌跡生成方法）
本発明の走行軌跡生成方法は、走行体の走行軌跡を生成する走行軌跡生成方法であり、走行体の幅方向両側にレーザドップラ速度計（Laser Doppler Velocimeter：以下「ＬＤＶ」という。）を取付け、その走行体を道路、鉄道軌道等（これらを以下「路面」という。）を走行させて、当該ＬＤＶからレーザビームを路面に対して鉛直又はほぼ鉛直に照射し続け、その間に路面からの散乱光を両ＬＤＶで受光して、走行体の走行速度に比例したドップラ信号を求め、当該ドップラ信号に基づいて、予め設定した単位時間ごとに、走行体の走行速度を求め、この走行速度から走行体の蛇行半径と走行距離を単位時間ごとの軌跡として求め、走行中の走行体の単位時間ごとの軌跡を繰り返し求め、それら軌跡を連続して接続することにより走行体の走行軌跡を生成するようにした方法である。この場合、両ＬＤＶで受光した散乱光を同期して処理して、走行体の走行速度を求めることができる。走行軌跡はモニタ画面に表示あるいは紙面に印刷することにより目視することができる。

［傾き角補正］
走行体が坂道を走行する場合は、走行体が傾くため水平な路面を走行している場合よりも、走行体の前部又は後部が路面と接近したり離れたりする（距離が変動する）。この距離変動が生ずると、走行体に取り付けたＬＤＶと路面との間に傾き角が生じる。傾き角は走行体の走行速度に影響する（傾き角があると走行速度が小さくなる：遅くなる）ため、走行速度に基づいて走行体の蛇行半径と走行距離（軌跡）を求める本発明の走行軌跡生成方法では、求めた走行軌跡に誤差が生ずる。傾き角は急ブレーキを掛けたことにより走行体が前傾した場合も生じ、前記誤差の一因になる。

本発明では、前記誤差を補正するため、走行体の前方と後方に取り付けた変位センサから路面に対して鉛直又はほぼ鉛直にレーザビームを照射して、前方の変位センサで路面と走行体の前方との距離を、後方の変位センサで路面と走行体の後方との距離を検出し、検出された距離に基づいて、走行体と路面との距離変動に伴って生ずるＬＤＶと路面との間の傾き角の変動に起因する単位時間当たりの軌跡測定誤差を補正し、補正された単位時間当たりの軌跡を連続して接続することにより走行体の走行軌跡を生成するようにすることもできる。

［焦点深度］
走行体が走行する路面は凹凸している場合もある。凹凸があると、ＬＤＶから出射されるレーザビームの到達距離が変動する。ＬＤＶはレーザビームの焦点深度が一定であるため、焦点深度の浅いＬＤＶでは、前記到達距離が変動するとレーザビームの焦点が凹凸部からずれて、路面から反射するレーザビームの散乱光の強度が低下して必要な散乱光が得られず、走行体の走行速度の測定精度が低下する。このため、走行速度に基づいて走行体の蛇行半径と走行距離（軌跡）を求める本発明の走行軌跡生成方法では、求めた走行軌跡に誤差が生ずる。本発明では、この誤差をなくすため、焦点深度の深いＬＤＶを使用して、路面に多少の凹凸があっても、路面の凹凸が、ＬＤＶから照射されるレーザビームの焦点距離内に収まるようにして、路面から散乱光を確実に得られるようにして、走行軌跡を正確に生成することもできる。

（走行軌跡生成装置）
本発明の走行軌跡生成装置は、路面を走行する走行体の走行軌跡を生成する走行軌跡生成装置であり、ＬＤＶが走行体の幅方向両側であって、その幅方向同一線上又はほぼ同一線上に、路面に対して鉛直又はほぼ鉛直に取付けられたＬＤＶ付き走行体と、信号処理装置を備え、前記信号処理装置は、ＬＤＶ付き走行体の走行中に両ＬＤＶから路面に対してレーザビームを鉛直又はほぼ鉛直に照射して得られる路面からの散乱光を処理して、走行体の走行速度に比例したドップラ信号を求め、このドップラ信号に基づいて走行体の走行速度を求め、この走行速度から走行体の蛇行半径と走行距離（軌跡）を単位時間ごとに算出することができ、単位時間ごとの軌跡を連続して接続して走行体の走行軌跡を生成することができるものである。

［２ｃｈ信号処理器］
前記信号処理装置は、二つのＬＤＶからのＬＤＶ速度を同期処理することができる２ｃｈ信号処理器を備えたものが望ましい。

［変位センサ付走行軌跡生成装置］
本発明の走行軌跡生成装置は、走行体の前方と後方に変位センサを取り付け、前方の変位センサは路面に鉛直又はほぼ鉛直にレーザビームを照射して、当該路面からの反射光を受光して路面と走行体の前方との距離を、後方の変位センサは路面に鉛直又はほぼ鉛直にレーザビームを照射して当該路面からの反射光を受光して路面と走行体の後方との距離を夫々検出でき、両変位センサの夫々で検出された距離に基づいて、路面に対する走行体の傾き角を補正して走行体の走行速度を補正し、この補正を単位時間ごとに行って単位時間当たりの軌跡を補正し、補正された単位時間当たりの軌跡を連続して接続して走行体の走行軌跡を生成できるようにすることもできる。

［焦点深度の深いＬＤＶ付走行軌跡生成装置］
前記ＬＤＶには後記する、焦点深度の深い差動型ＬＤＶを使用するのが望ましい。その焦点深度は路面の凹凸がＬＤＶから照射されるレーザビームの焦点距離内に収まる深さである。焦点深度の深い差動型ＬＤＶを使用することにより、路面に凹凸があってもＬＤＶ速度を正確に計測できる。

本発明の走行軌跡生成方法及び走行軌跡生成装置は次の効果がある。
（１）走行体の走行速度が正確に得られることで、走行軌跡を正確に描くことができる。このため、この軌跡を、その走行体の走行挙動、性能評価などに利用したり、既存の地図の補正に利用したりすることがきる。
（２）路面のどの位置を、どのような軌跡で走行したのか、交差点やカーブでの実軌跡や速度変化（加速・減速時などを含む）などから、路面の状態を推測することも可能となる。
（３）ＬＤＶを鉄道車両に搭載した場合は、レールの正確な曲率の計測や、車両侵入番線の把握などに利用できる。
（４）非接触、高精度、高分解能、高速で走行体の速度測定が得られることから、路面の周囲状況の影響を受けることなく、正確な走行軌跡を求めることができる。

（ａ）は本発明の走行軌跡生成方法及び走行軌跡生成装置の平面説明図、（ｂ）は単位時間当たりの走行距離及び蛇行半径（単位時間当たりの軌跡）の説明図。 （ａ）は本発明の走行軌跡生成方法における傾き角補正方法の説明図、（ｂ）は本発明の走行軌跡生成方法における傾き角補正装置の側面説明図、（ｃ）は走行体の左右への傾き角は軌跡生成の誤差の要因でないことの説明図。 本発明の走行軌跡生成方法の動作説明図。 （ａ）は本発明の走行軌跡生成装置の正面説明図、（ｂ）は同装置の側面説明図。 一般的な差動型ＬＤＶの動作説明図。 ＬＤＶ装置の一例を示す説明図。 差動型ＬＤＶの一例を示す動作説明図。 焦点を二箇所に設けて焦点深度を深くする場合の説明図。 アナモルフィックプリズムを使用して焦点深度を深くする場合の説明図。 焦点を三箇所以上に設けて焦点深度を深くする場合の説明図。 物体に凸面があっても計測可能であることの説明図。 （ａ）は計測値が計測途中で中断した場合の説明図、（ｂ）は中断したデータを連続データに生成した場合の説明図、（ｃ）は（ａ）のＣ部分の説明図。 図１２の補間説明図。

本発明の走行軌跡生成方法は、自動車、鉄道車両をはじめとする各種走行体の走行軌跡を生成することができるが、図示した実施例は走行体が自動車の場合である。本発明の走行軌跡生成方法は差動型ＬＤＶにより走行体の走行速度を計測し、計測した走行速度に基づいて軌跡を求める方法である。本発明の走行軌跡生成方法の説明に先立って、差動型ＬＤＶを用いた速度計測方法の原理を以下に説明する。

［差動型ＬＤＶの動作原理］
図５は差動型ＬＤＶを用いた速度計測装置の一般的な構成である。図５ではレーザ光源１から出射されるレーザビームをビームスプリッタ２で二方向に分割し、一方のレーザビーム（照射光１）はそのまま直進して走行体が走行する路面４に照射され、他方のレーザビーム（照射光２）はミラー３で直角に反射されて交差角φで路面４に照射される。路面４からの散乱光（二本の照射光１、２に対応した散乱光）が受光素子ＰＤに受光される。二本の散乱光は正負同じ量のドップラシフトを起こす。二本の散乱光を受光素子ＰＤにおいて重ね合わせてドップラ周波数ｆｄを検出する。これが差動型ＬＤＶである。散乱光はレンズで集光して受光素子で受光することもできる。

二本の照射光１、２に対応した散乱光のドップラ周波数（受光素子面で受光したドップラ周波数）ｆｄ_１、ｆｄ_２は、
ｆｄ_１＝２／λ ｓｉｎ（４／φ）・Ｖ・ｃｏｓ（θ−φ／４）・・・（１）
ｆｄ_２＝２／λ ｓｉｎ（４／φ）・Ｖ・ｃｏｓ（θ＋φ／４）・・・（２）
で表される。
λ：レーザ波長
φ：二本のレーザ光のなす角度
Ｖ：走行体の移動速度
θ：二本のレーザ光の接線からの傾き角

前記のように、周波数が異なる２種類の散乱光がヘテロダイン検波されて、次のビート周波数ｆｄが検出される。
ｆｄ＝｜ｆｄ_１−ｆｄ_２｜＝２／λ・Ｖ・ｓｉｎ（φ／２）・ｃｏｓθ・・・（３）
この式からわかるように、走行体の速度Ｖに比例した周波数が検出される。また、式の中に受光位置の角度成分がないため、受光面に対する位置の制約がなく、路面４からの散乱光をどの位置で受光しても良く、レンズなどで散乱光を集光しても速度を正確に捉えることができる。従って、移動する走行体（例えば自動車）に差動型ＬＤＶを取付ければ、走行体が走行する路面４と走行体との相対速度（走行体の走行速度）を計測することができる。

（走行軌跡生成方法の実施形態）
本発明の走行軌跡生成方法は各種の差動型ＬＤＶを使用可能であるが、前記動作原理の差動型ＬＤＶ（以下、単に「ＬＤＶ」という。）を使用する場合を一例として説明する。本発明の走行軌跡生成方法は前記ＬＤＶを、自動車、電車以外の走行体に取付けて使用することもできるが、以下に走行体が自動車の場合であり、その走行体に取付けて使用する場合を一例として説明する。

図１（ａ）に示すように、ＬＤＶ（Ａ、Ｂ）を走行体１０の幅方向両外側（左右外側）の同一又はほぼ同一線上に取り付けておく。ＬＤＶのレーザビーム照射面を、走行体１０を車両走行路（以下、「路面」と記す。）４に対して鉛直又はほぼ鉛直（以下、単に「鉛直」という。）に取り付ける。この走行体１０を、路面４の上を走行させて、走行体１０の走行速度（ＬＤＶ速度）を前記ＬＤＶ（Ａ、Ｂ）の前記動作に基づいて取得する。このＬＤＶ速度から走行体１０の走行距離と蛇行半径を、予め定めてある単位時間ｔごとに求める。ＬＤＶ速度と単位時間ｔから単位時間当たりの走行距離が求められ、左右両ＬＤＶの速度差（左右のＬＤＶ（Ａ、Ｂ：図１（ａ））の移動距離の差）と単位時間から、単位時間当たりの蛇行半径が求められる。単位時間ごとに求めた走行距離と蛇行半径は単位時間当たりの軌跡となる。走行体１０の軌跡を、前記と同様にして、単位時間ｔごとに連続して繰り返し求め、得られた単位時間当たりの軌跡を連続して接続することにより、走行体１０の走行開始から走行終了までの軌跡（走行軌跡）を求めることができる。

前記走行軌跡は、走行距離のみならず蛇行半径にも基づくため、走行体１０が実際に走行したカーブ（円弧）を描く。前記単位時間ｔは任意に設定することができるが、この実施例では２ｍｓとする。走行軌跡をモニタ画面に表示あるいは紙面に印刷することにより走行軌跡を目視することができる。

［ＬＤＶ速度の取得、単位時間当たりの走行距離と蛇行半径の算出］
前記ＬＤＶ速度の取得、ＬＤＶ速度に基づく走行体１０の単位時間ｔ当たりの走行距離と蛇行半径は次のようにしての算出することができる。

図１（ａ）に示すように、車両１０の左右に取付けたＬＤＶ（Ａ、Ｂ）の取付け間隔（取付け幅）をｌ、走行角速度をωとし、円弧（車両の走行カーブ：蛇行）の中心Ｏから夫々のＬＤＶ（Ａ、Ｂ）までの距離（半径）をｒ_Ａ、ｒ_Ｂとすれば、
Ｖ_Ａ＝ｒ_Ａ・ω（ｍ／ｓ）・・・（４）
Ｖ_Ｂ＝（ｒ_Ａ−ｌ）・ω（ｍ／ｓ）・・・（５）
前記（４）（５）式より、
Ｖ_Ａ／Ｖ_Ｂ＝ｒ_Ａ／（ｒ_Ａ−ｌ）
ω＝Ｖ_Ａ／ｒ_Ａ
ｒ_Ａ・Ｖ_Ａ−ｒ_Ａ・Ｖ_Ｂ＝Ｖ_Ａｌ
ｒ_Ａ＝Ｖ_Ａｌ／（Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｂ）・・・（６）
ｒ_Ａが求められる。

ＬＤＶから得られるＶ_Ａ、Ｖ_Ｂは、高速演算処理により、単位時間２ｍｓの更新レートで出力することができ、２ｍｓ間の平均速度がＶ_Ａ、Ｖ_Ｂとなっている。したがって２ｍｓで走行した円弧を描くことができる。その時の原点Ｐ（図１（ｂ））から、単位時間中に走行した位置の座標Ｘ、Ｙを求めることができる。このとき、走行角φ_Ａ（ｒａｄ）も得られる。走行角φ_Ａ（ｒａｄ）は次式により求めることができる。

ω＝φ_Ａ／ｔ （ｔ＝２ｍｓ）
φ_Ａ＝ωｔ＝（Ｖ_Ａ／ｒ_Ａ）・ｔ
Ｘ＝ｒ_Ａｓｉｎφ_Ａ
＝ｒ_Ａｓｉｎ（（Ｖ_Ａ／ｒ_Ａ）・０．００２）
Ｙ＝ｒ_Ａ−ｒ_Ａｃｏｓφ_Ａ
＝ｒ_Ａ−ｒ_Ａｃｏｓ（（Ｖ_Ａ／ｒ_Ａ）・０．００２）

前記Ｘ、Ｙを、次の単位時間当たりに取得するデータの原点として演算し、描画し続ければ（繰り返せば）、ＬＤＶ（Ａ）を取り付けた位置（図１（ａ））の走行軌跡を生成することができる。必要であれば、車両の中心位置ｒ_Ａ−ｌ／２点での軌跡にしてもよい。

上記のように計測することにより、走行体１０の左右に取り付けたＬＤＶ（Ａ、Ｂ）により、左右の直進方向の対路面速度を非接触で正確かつ高分解能、高速で測定して、走行体１０の走行軌跡を描くことが可能になる。現在、本件出願人により実用化されているＬＤＶは０．００１ｋｍ／ｈの分解能で２ｍｓの更新レートをもって測定することができ、測定精度は０．０５％以下の繰り返し誤差である。ｌ＝１．５ｍ（車両幅）とし、０．１％の速度差で走行した場合を計算すると、
Ｖ_Ａ＝６０．０００＝１６．６６６７（ｍ／ｓ）
Ｖ_Ｂ＝６０．０６０＝１６．６８３３（ｍ／ｓ）
前記（６）式より、
６０ｋｍ／ｈの２ｍｓでの走行距離は３３．３ｍｍ
ｒ_Ａ＝Ｖ_Ａ・ｌ／（Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｂ）
ｒ_Ａ＝１６．６６６７×１．５／（１６．６６６７−１６．６８３３）
＝２５／０．０１６６≒１５０３ｍ
となり、１５０３ｍの半径で、円弧の長さ３３．３ｍｍを描く能力を持っていることになる（φ_Ａ＝２２．２μｒａｄ≒０．５秒）。

［傾き角θの補正方法］
路面は平坦地だけでなく坂道もある。車両が坂道を走行するとＬＤＶと路面とに相対的な傾き角θが生ずる（図２（ａ））。車両の傾き角θは坂道以外の原因、例えば、急ブレーキかけたときの車両の上下動によっても生ずる。傾き角θがある場合の車両走行速度Ｖ’は次式で求められることから、速度Ｖ’はｃｏｓθだけ小さく測定されてしまう。本発明の走行軌跡生成方法において生成精度を向上させるためには、路面４に対するＬＤＶの傾き角θを補正する必要がある。補正式は次式になる。
Ｖ’＝Ｖ・ｃｏｓθ
したがって、路面に対するＬＤＶの傾き角θ（図２（ａ））を測定し、単位時間２ｍｓレートで測定される速度値を補正して前記誤差を補正する必要がある。前記傾き角θは図２（ｂ）のように走行体１０の前後に変位計１１、１２を間隔Ｌで取り付け、変位計１１、１２から路面４に対して鉛直にレーザビームを照射して路面４までの距離ｌ_１、ｌ_２を計測し、次式で求めることができる。
ｔａｎθ＝｜ｌ_１−ｌ_２｜／Ｌ
θ＝ｔａｎ^−１｜ｌ_１−ｌ_２｜／Ｌ
このθより、ｃｏｓθを求め、このｃｏｓθにより、前記左右のＬＤＶ（図１（ａ）（ｂ））で測定された左右のＬＤＶ（Ａ、Ｂ）のＬＤＶ速度Ｖ_Ａ’、Ｖ_Ｂ’を割り、正しいＬＤＶ速度Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂを求めて補正をする。
Ｖ_Ａ＝Ｖ_Ａ’／ｃｏｓθ
Ｖ_Ｂ＝Ｖ_Ｂ’／ｃｏｓθ

前記傾き角θ（図２（ｂ））は走行体１０の前後の傾きである。この場合、ＬＤＶからのレーザビーム照射位置が路面４で変化するが、左右のＬＤＶ間の取付け幅ｌ（図２（ｃ））は路面１０の水平位置での長さであり、走行体１０の左右の傾き（図２（ｃ））は、走行方向に対する傾きではないため軌跡生成の誤差原因にはならない。

（走行軌跡生成装置の実施形態１）
本発明の走行軌跡生成装置の一例を、自動車にＬＤＶを取り付けた場合を一例として説明する。

図１（ａ）、図４（ａ）に示すように、走行体１０の車幅方向左右対向位置に取り付けたＬＤＶ（Ａ、Ｂ）と信号処理装置を備える。信号処理装置は２ｃｈ信号処理器１３（図３）とコンピュータ（ＰＣ）１４（図３）を備えている。ＬＤＶ（Ａ、Ｂ）は図４（ａ）に示すように、そのレーザビーム照射面を路面４に対して鉛直に取り付けてある。２ｃｈ信号処理器１３は両ＬＤＶからの速度情報を含むドップラ周波数を演算し、走行体１０の速度を求めることができる。このとき、２ｃｈの演算（両ＬＤＶからの信号の演算）が同じタイミングで行われるように同期させる。

（走行軌跡生成装置の実施形態２）
本発明の走行軌跡生成装置では、前記傾き角θ（図２（ｂ））を補正するために、図４（ｂ）に示すように、走行体１０の前後に変位センサ１１、１２を取付け、変位量演算器１５を設ける。これら変位センサ１１、１２から得られた路面４までの高さｌ_１、ｌ_２（図４（ｂ））を変位量演算器１５で演算処理して求め、求められた高さｌ_１、ｌ_２を２ｃｈ信号処理器１３で同期処理し、その処理データＶ_Ａ’、Ｖ_Ｂ’、ｌ_１、ｌ_２を同時にＰＣ１４（図３）に取り込む。これらのデータと次式に基づいて走行体１０の前後の傾き角θを求め、Ｖ_Ａ’、Ｖ_Ｂ’を補正したあと、走行体１０の蛇行半径ｒ及び走行角φ_Ａから座標Ｘ、Ｙを求める。
θ＝ｔａｎ^−１｜ｌ_１−ｌ_２｜／Ｌ
Ｖ_Ａ＝Ｖ_Ａ’／ｃｏｓθ
Ｖ_Ｂ＝Ｖ_Ｂ’／ｃｏｓθ
ｒ＝（ｒ_Ａ＋ｒ_Ｂ）／２
Ｖ＝（Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｂ）／２
ｒ：走行体の中心位置での蛇行半径
Ｖ：走行体の中心位置での速度
Ｘ＝ｒｓｉｎφ_Ａ＝ｒｓｉｎ（Ｖ／ｒ・ｔ）
Ｙ＝ｒ−ｒｃｏｓφ_Ａ＝ｒ−ｒｃｏｓ（Ｖ／ｒ・ｔ）
ｔ：データ更新サイクル２ｍｓ（０．００２ｓｅｃ）

［ＬＤＶの焦点深度］
路面４は凹凸している箇所もある。差動型ＬＤＶは焦点を結ぶ構成であるため、路面４に照射されるレーザ光の焦点が差動型ＬＤＶの受光素子の測定許容範囲内の焦点深度でなければ（焦点深度が深くなければ）正確な計測ができない。走行体１０の走行速度に基づいて走行体１０の蛇行半径と走行距離（軌跡）を求める本発明の走行軌跡生成方法では、求めた走行軌跡に誤差が生ずる。この誤差を補正するため、本発明では、焦点深度の深いＬＤＶを使用して、路面に多少の凹凸があっても、走行軌跡を正確に生成できるようにすることもできる。ここで、焦点深度が深いとは、例えば、安定的に２００ｍｍ以上をいう。焦点深度の深いＬＤＶとしては、例えば本件出願人が先に開発した特願２０１２−１４２１６１「鉄道車両速度計測方法及びその計測装置」がある。

［焦点深度の大きなＬＤＶ１：図６］
前記特許出願に係る焦点深度の大きなＬＤＶの一例を図６に示す。このＬＤＶは、レーザ光源１、コリメータレンズ３２、周波数シフト素子（例えば、ＡＯＭ）３３、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３４、λ／２波長板３５、無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）３６、ミラー３７、レンズ３８、受光素子（ＡＰＤ）３９、増幅器４０を備えた差動型ＬＤＶである。

図６のレーザ光源１から出射されるレーザビームは、コリメータレンズ３２で平行ビームになる様に調整される（横方向のみ平行にする）。このレーザビームがＡＯＭ３３に入射され、このＡＯＭ３３にｆｍ信号（例えば、４０ＭＨｚ）を加えて、入射されたレーザビームの周波数を、例えば、４０ＭＨｚシフトさせ、且つ、ある角度だけ回折した１次回折光と、そのまま通過する０次光が出射する。ＡＯＭ３３の材料にＴｅＯ_２（二酸化テルル）や、ＰｂＭｏＯ_２（モリブデン酸鉛）の様な光学結晶を用いた音響光学素子を用いると、１次回折光と０次光の偏波面が変わる（Ｐ偏光とＳ偏光になる）。この出射光が偏光ビームスプリッタ３４に入射されてＰ偏光ビームとＳ偏光ビームに二分される。

Ｐ偏光ビームはそのまま透過側に直進して車両が走行する路面４に照射される。Ｓ偏光ビームは無偏光ビームスプリッタ３６で偏光ビームＳ_１とＳ_２に二分され、そのビームスプリッタ３６から直角方向に出射される偏光ビームＳ_１と、ビームスプリッタ３６を透過して直進してミラー３７で反射される偏光ビームＳ_２が、Ｐ偏光ビームと交差角φ_１、φ_２で路面４に照射される。この場合、夫々のビームを干渉させる(偏波の波面を揃える)ために、Ｐ偏光ビームにλ／２波長板３５を入れて偏波面を合わせる（揃える）。また、Ｐ偏光ビームの軸上の２箇所で交差する（焦点を結ぶ）ようにする。

［図６の信号処理部の動作］
路面４からの散乱光（２本の照射光に対応した散乱光）が受光レンズ３８等の光学系で集光されて受光素子３９に受光される。この２本の散乱光は正負同じ量のドップラシフトを起こし、受光素子３９において重ね合わされてドップラ周波数が検出される。

受光素子３９で検出されたドップラ周波数ｆｄ_１、ｆｄ_２は前記（１）、（２）式のようになり、ＡＯＭ３３の駆動周波数ｆｍを中心に走行体１０の速度Ｖに比例した周波数が検出される。従って、図６に示す差動型ＬＤＶを走行体１０に取付ければ、路面４と走行中の走行体１０との相対速度（走行体の走行速度）を計測することができる。

図６では、ＡＯＭ３３でｆｍだけ周波数シフトされているため、ドップラ周波数ｆｄは、
ｆｄ＝ｆｍ±２／λ・Ｖ・ｓｉｎ（φ／２）
＝ｆｍ±Ｋ・Ｖ・・・（７）
（Ｋ＝２／λ・ｓｉｎ（φ／２））
となる。

式（７）より、ドップラ周波数ｆｄはＡＯＭ３３の駆動周波数ｆｍを中心に走行体１０の走行速度Ｖに比例した周波数が検出される。このため、ある時間におけるドップラ周波数の波数（パルス数）を積算すれば、その時間における走行体１０の移動距離を求めることができる。前記パルス間隔はビ−ム交差角φとレーザ光の波長λとにより定まる。

式（７）の中には受光位置の角度成分がないため、ドップラ周波数ｆｄには受光素子９の受光面に対する位置の制約がなく、どの位置で受光しても、また、レンズ３８（図６）で集光しても速度を正確に捉えることができる。

ここで得られたドップラ周波数ｆｄは４０ＭＨｚを中心にした信号であるが、車両速度Ｖによるドップラ周波数の変化はその１／１０程度の±４ＭＨｚであることと、以降の演算処理周波数の使い易さから、４０ＭＨｚを５ＭＨｚ程度にビートダウンさせるのが望ましい。このためミキサー４３（図６）に３５ＭＨｚを入力する。３５ＭＨｚのローカル信号は水晶発振器２１と、ＰＬＬ発振器２２を用いて作った信号であり、それ以降の動作クロックにも流用する。これにより、クロックによる温度ドリフト等をキャンセルすることができる。

ミキサー４３（図６）から出力されたドップラ信号（５±４ＭＨｚ）は、ＬＰＦ４４で不要高周波成分がカットされ、Ａ／Ｄコンバータ４５でデジタルデータに変換され、デジタル演算器（ＤＳＰ）４６にて高速速度演算が行われる。高速速度演算はドップラ信号が不要なノイズ成分を含んだビート信号であることから、ＦＦＴ演算を基本とした演算処理で、ドップラ周波数を正しく特定し、前記（７）式より速度を求めることができる。

［周波数シフト素子］
図６のように、照射光の一方にＡＯＭ３３を入れることで、予めシフトした周波数を零速度とし、この零速度を中心に速度の方向及び零速度の計測を正しく行うことができ、移動距離も正確に求めることができる。ＡＯＭ３３を入れない場合は、Ｖ＝０のとき、ｆ＝０となって移動速度及び移動方向の判別ができない。

［焦点深度の大きなＬＤＶ２］
差動型ＬＤＶの場合、走行体１０の移動方向に対して、図７に示すように、幅Ｗをもった平行なレーザビームになるようにコリメータレンズ３２（図７）で調整することにより、交差角φはレーザ光の交差した長さｄ（図７）のどの位置においても一定になり、走行体１０の移動速度Ｖを正確に計測することができる。つまり、図７に示すように、路面４に照射するレーザビームが幅Ｗで平行であれば、ｄの領域が焦点となって、正確な計測ができる。この差動型ＬＤＶでは次のようにしてｄの長さ（焦点深度）を広く（深く）してある。

［焦点深度］
焦点深度ｄは、
ｄ＝２ｃｏｓ（φ／２）・Ｗ／ｃｏｓ（９０−φ）・・・（８）
となり、φが小さくなれば大きくなり、深度を長くすることができる。図７のレーザビームの交差領域（菱型部分）の上下部分はドップラレベルが低下するので、一般的に菱形の全長ｄの範囲全てを使用することはできず、その７０％位が使用限度となる。差動型ＬＤＶを走行体１０に取り付けた場合、路面４に凹凸があったり、走行体１０が傾斜したりすることを考慮すると、少なくとも２００ｍｍ以上の焦点深度は必要である。

レーザ光源１のビーム幅Ｗ（図７）はコリメートビーム（平行光）で通常４〜５ｍｍであることから、焦点深度ｄを３００ｍｍ確保するには、Ｗ＝４ｍｍとして、前記（８）式からφを求めると、φ＝１．５３°で約１．５°となる。しかし、１．５°は非常に小さな値であり、光学系のわずかな位置ズレで精度が落ちてしまう。（８）式で精度を０．１％程度に入れようとすると、
ｓｉｎ１．５／２＝０．０１３
ｓｉｎ^−１（０．０１３×０．１／１００）≒０．００００７５０°＝２．７″
となり、ビームの平行度も２．７″以内の広がり角にしなくてはならず、光学系の調整が非常に難しく、安定性も確保しにくい。

［焦点深度を深くする方法１］
図６において焦点深度を深くするためには，図８のように２つの焦点を持った構成とすることができる。図８では偏光ビームスプリッタ３４で２本に分けた照射光の一方のレーザビームを路面４に所定角度で直接照射し、他方のレーザビームを無偏光ビームスプリッタ３６で２本に分け、そのうちの一方のレーザビームを路面４に交差角φ_１で照射し、他方のレーザビームをミラー３７で反射させて路面４に前記と同じ交差角φ_２（φ_１＝φ_２）で照射して、前記双方のレーザビームを二箇所で交差させて二つの焦点領域ｄ_１、ｄ_２を作る。焦点領域ｄ_１は路面４の凸部の近くにし、焦点領域ｄ_２を路面４の凹部に当たる位置（下方：車両から遠く）にして、路面の凹凸が焦点内に収まる深さの焦点深度にすることができる。

図８のｄ_１、ｄ_２をそれぞれ５０ｍｍ程度確保し、φ_１、φ_２を約５°とすると、（８）式より、Ｗ＝４として、ｄ_１＝ｄ_２＝９２ｍｍとなり、９２×０．７＝６４ｍｍで約６０ｍｍ程度が測定可能幅となる。φ_１、φ_２が５°になったことで、上述と同じように（８）式で精度を０．１％程度に入れようとすると、
ｓｉｎ５／２＝０．０４３６
ｓｉｎ^−１（０．０４３６×０．１／１００）＝０．００２５°＝９″
となり、φ＝１．５°のときの約３倍になることで、光学系の調整・安定性も向上する。

この場合、ｄ_１とｄ_２の間の距離は、測定可能幅を２００ｍｍ確保し、二つの焦点深度長を６０ｍｍとすると、２００−６０−６０＝８０となる。この場合、ｄ_１領域は路面４の凸部位置となり、ｄ_２はそれより下の凹部位置となって、路面４の凹凸いずれかの箇所に必ず焦点が合うことになる。このため、ｄ_１とｄ_２の間に焦点がなくても、ｄ_１、ｄ_２のどちらかに合致して計測が行われる。

［焦点深度を深くする方法２］
前記ＬＤＶでは、レーザビーム幅（平行幅）をそのまま広げることによっても焦点深度を深くすることができる。レーザビームの間隔を平行のまま広げるものとしては、例えば、アナモルフィックプリズムがある。このＬＤＶではそのプリズムを使用することもできるが、二つ以上のレンズ、例えば、凹凸レンズの組み合わせで拡げることもできる。

図９は偏光ビームスプリッタ３４で二分されたレーザ光の一方のビーム幅を、アナモルフィックプリズム６０を使用して広げる方法である。アナモルフィックプリズム６０は斜辺の傾斜角の異なる２個のプリズム６０ａ、６０ｂを用いて、レーザビームをある方向のみに拡大・縮小するもので、どちらか一方のレーザビームを拡大する構成にする。例えば、レーザビームのビーム幅を３倍に拡大すると焦点深度ｄは図９のように２倍に拡大する。

レーザビームのビーム幅は、アナモルフィックプリズム６０を偏光ビームスプリッタ３４（図８）の前に入れることにより、偏光ビームスプリッタ３４で分岐される両レーザビームのビーム幅を拡大させることもできる。この場合は、拡大された倍率分と同じ分だけ焦点深度ｄも拡大されて効率的であるが、偏光ビームスプリッタ３４の面積を大きくしなくてはならなくなる。いずれにしても、交差角φを必要以上に小さくせず、ビーム幅を拡大する方法も有効手段である。

［焦点深度を深くする方法３］
前記ＬＤＶでは図１０のように、平行なレーザビームを交差角φで二方向から照射して、焦点ｄを三箇所以上に設けることもできる。

［焦点深度内に凹凸がある場合］
速度Ｖの走行体１０の焦点深度内に、凹凸、例えば、図１１に示すような凸面があった場合、差動型ＬＤＶの受光センサでは凸面からの散乱光を受けて、凸面の速度Ｖ´を計測することになる。Ｖ´がθだけ傾いた場合のドップラ周波数ｆｄは前記（３）式より、
ｆｄ＝｜ｆｄ_１−ｆｄ_２｜＝２／λ・Ｖ´・ｓｉｎ（φ／２）・ｃｏｓθ・・・（９）
となる。
ここで、２／λ・ｓｉｎ（φ／２）＝Ｋとすると、
ｆｄ＝Ｋ・Ｖ´・ｃｏｓθ
Ｖ´＝Ｖ／ｃｏｓθであるから、
ｆｄ＝Ｋ・Ｖ／ｃｏｓθ・ｃｏｓθ
＝ＫＶ
となる。このため、図１１のような凸面或いは図示しない凹面があっても、路面４の測定面の移動方向の速度Ｖを正しく計測することができる。つまり凹凸の影響を受けない。このような差動型ＬＤＶを使用すれば凹凸のある路面４にレーザビームを照射しても対路面速度を正確に計測することができる。

前記比例定数Ｋは、光学系を構成した時点で、既値の速度値が正しく導けている回転物等を使って求めておく。この値を用いて演算を行う。この速度値を用い、Ｄ／Ａコンバータ４８（図６）にて速度に比例した電圧出力を取出したり、デジタル信号発生器（ＤＤＳ）４７（図６）にて、予め決められたピッチ間隔のパルスに変換して出力したりすることができる。また、このパルスをカウンタ４９（図６）で積算すると移動距離になる。

前記のように測定許容範囲である焦点深度を深くした（安定的に２００ｍｍ以上）光学センサを備えた差動型ＬＤＶを走行体１０に取付け、走行体１０に取付けたレーザ光源（ＬＤ）１（図６）からのレーザビームを路面４に照射し続け、路面４からの散乱光を前記差動型ＬＤＶの受光素子で受光し、受光素子にて走行速度に比例したドップラ信号を抽出し、このドップラ信号に対応する周波数を演算処理して走行体の対地速度（走行速度）と移動距離を計測する。移動距離を計測するピッチパルスはデジタル信号発生器４７（図６）により生成される。

［補間機能］
差動型ＬＤＶを走行体１０に取付けて速度計測する場合、何らかの原因（例えば、ゴミ等の障害物が光路を遮る）でレーザビームが遮られると、図１２（ａ）のようにドップラ信号のレベルが急激に減少し、速度値を演算処理できなくなり零点に落ちてしまうことがある。また、障害物が移動する物の場合はその障害物の移動速度を計測してしまい、図１２（ｂ）のように計測速度が急変することもある。このような異常は障害物が取り除かれれば復帰するが、その間の計測データは車両速度に対応したデータではないため、このデータを使用したのでは精度の高い速度計測ができない。このよう計測データの異常時でも精度の高い計測を可能とするため、本発明で使用する差動型ＬＤＶでは、次のいずれかの補間処理を行うことができる。

補間処理は、計測中に何らかの理由で計測が中断して計測データ（ドップラ信号）が図１２（ａ）のように欠落したときは、ドップラ信号のデータ更新を中止し、欠落前又は、欠落後又は欠落前後の有効な計測データ（ドップラ信号）を用いて欠落部分を補間して図１２（ｂ）のように速度値を連続生成して前記欠落があっても走行速度を連続計測できるようにしてある。求められた速度値に基づいて全走行の移動距離を正確に求めることもできる。

補間処理方法の一つは図１２（ａ）のＡのように計測値が欠落した場合の補間処理方法あり、ＡＰＤ３９（図６）で検出されたドップラ信号レベルを判定し、ある判定値以下の場合は、判定値以下になる前の計測値（直前値）のままとし、急激な減少時のデータ更新はしない。つまり直前値で補間する。

補間処理の他の一つは図１２（ａ）のＢのように計測値が急変する場合の補間処理方法であり、このときは、異常前計測値からの変化率が大きいため、その変化率がある値以上の場合は、この値を使用せず、直前値のままとする補間（微分値補間）を行う（図１３）。自動車や電車などの走行体の場合、速度が急激に変化することは考えられないため、この変化率（微分値）の判定値は容易に決めることができる。

補間処理の他の一つは、図１２（ａ）のＣの場合のように、走行体１０の加速、減速中に、障害物でレーザビームが遮られて、ドップラ信号のレベルが急激に減少した場合であり、このときは、直前値で補間すると図１２（ｃ）の凹凸分（斜線部）だけ誤差を持つことになる。短時間のこのような小さな誤差は、速度出力には全く影響がないが、移動距離は積算されていくため、この回数が増すと、大きな誤差になる場合がある。従って、長さについてのみ、図１２（ｃ）のように、異常発生前と異常回復後に正常な速度を捉えた箇所までを直線で結び、この三角形の面積分（△Ｓ相当）のパルスを、前記正常な速度を捉えた瞬間に（図１２（ｃ）のＰ点で）加減算する処理を行う。これにより長さの計測誤差は、ほとんどなくなり、正しい移動距離の計測が可能になる。

前記実施形態は走行体１０が自動車の場合であるが、電車の場合は連結されている複数車両のいずれか１両の車両の、幅方向（左右）対象位置に、差動型ＬＤＶを取り付けることにより、走行軌跡を生成することができる。本発明では、前記した差動型ＬＤＶ以外のＬＤＶを使用することもできる。ＬＤＶの取り付け位置も、左右対称位置であれば、自動車のバンパーとか他の箇所とすることもできる。本発明の課題を解決できれば、他の機能を付加することもできる。

１ レーザ光源
２ ビームスプリッタ
３ ミラー
４ 路面
１０ 走行体
１１ 変位センサ
１２ 変位センサ
１３ ２ｃｈ信号処理器
１４ コンピュータ（ＰＣ）
１５ 変位量演算器
２１ 水晶発振器
２２ ＰＬＬ発振器
３２ コリメータレンズ
３３ 周波数シフト素子（ＡＯＭ）
３４ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
３５ λ／２波長板
３６ 無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）
３７ ミラー
３８ レンズ
３９ 受光素子（ＡＰＤ）
４０ 増幅器
４３ ミキサー
４４ ＬＰＦ
４５ Ａ／Ｄコンバータ
４６ デジタル演算器（ＤＳＰ）
４７ デジタル信号発生器（ＤＤＳ）
４８ Ｄ／Ａコンバータ
４９ カウンタ
６０、６０ａ、６０ｂ アナモルフィックプリズム
Ａ、Ｂ （差動型）ＬＤＶ
ＰＤ 受光素子

Claims (8)

1. 走行体の走行軌跡を生成する走行軌跡生成方法において、
   走行体の幅方向両側にレーザドップラ速度計（ＬＤＶ）を取付けた走行体を、路面を走行させて、当該ＬＤＶからレーザビームを路面に対して鉛直又はほぼ鉛直に照射し続け、その間に路面からの散乱光を両ＬＤＶで受光して、走行体の走行速度に比例したドップラ信号を抽出し、当該ドップラ信号に基づいて、予め設定した単位時間ごとに、走行体の走行速度を求め、この走行速度から走行体の蛇行半径と走行距離を単位時間ごとの軌跡として求め、走行中の走行体の単位時間ごとの軌跡を繰り返し求め、それら軌跡を連続して接続することにより走行体の走行軌跡を生成する、
   ことを特徴とする走行軌跡生成方法。
2. 請求項１記載の走行軌跡生成方法において、
   両ＬＤＶで受光した散乱光を同期して処理して、走行体の走行速度を求める、
   ことを特徴とする走行軌跡生成方法。
3. 請求項１又は請求項２記載の走行軌跡生成方法において、
   走行体の前方と後方に取り付けた変位センサから路面に対して鉛直又はほぼ鉛直にレーザビームを照射して、前方の変位センサで路面と走行体の前方との距離を、後方の変位センサで路面と走行体の後方との距離を検出し、検出された距離に基づいて、走行体と路面との距離変動に伴って生ずるＬＤＶと路面との間の傾き角の変動に起因する単位時間当たりの軌跡測定誤差を補正し、補正された単位時間当たりの軌跡を連続して接続することにより走行体の走行軌跡を生成する、
   ことを特徴とする走行軌跡生成方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の走行軌跡生成方法において、
   焦点深度の深いＬＤＶを使用して、路面の凹凸が、ＬＤＶから照射されるレーザビームの焦点距離内に収まるようにした、
   ことを特徴とする走行軌跡生成方法。
5. 路面を走行する走行体の走行軌跡を生成する走行軌跡生成装置において、
   ＬＤＶが走行体の幅方向両側であって、その幅方向同一線上又はほぼ同一線上に、路面に対して鉛直又はほぼ鉛直に取付けられたＬＤＶ付き走行体と、信号処理装置を備え、
   前記信号処理装置は、ＬＤＶ付き走行体の走行中に両ＬＤＶから路面に対してレーザビームを鉛直又はほぼ鉛直に照射して得られる路面からの散乱光を処理して、走行体の走行速度に比例したドップラ信号を求め、このドップラ信号に基づいて走行体の走行速度を求め、この走行速度から走行体の蛇行半径と走行距離（軌跡）を単位時間ごとに算出することができ、単位時間ごとの軌跡を連続して接続して移動体の走行軌跡を生成できるようにした、
   ことを特徴とする走行軌跡生成装置。
6. 請求項５記載の走行軌跡生成装置において、
   走行体の前方と後方に変位センサを取り付け、
   前方の変位センサは路面に鉛直又はほぼ鉛直にレーザビームを照射して、当該路面からの反射光を受光して路面と走行体の前方との距離を、後方の変位センサは路面に鉛直又はほぼ鉛直にレーザビームを照射して当該路面からの反射光を受光して路面と走行体の後方との距離を夫々検出でき、
   前記両変位センサの夫々で検出された距離に基づいて、路面に対する走行体の傾き角を補正して走行体の走行速度を補正し、この補正を単位時間ごとに行って単位時間当たりの軌跡を補正し、補正された単位時間当たりの軌跡を連続して接続して走行体の走行軌跡を生成できるようにした、
   ことを特徴とする走行軌跡生成装置。
7. 請求項５又は請求項６記載の走行軌跡生成装置において、
   信号処理装置が、走行体の左右両側のＬＤＶが路面から受光した散乱光を同期時処理できる２ｃｈ信号処理器を備えた、
   ことを特徴とする走行軌跡生成装置。
8. 請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の走行軌跡生成装置において、
   ＬＤＶが焦点深度の深いものであり、その焦点深度は路面の凹凸がＬＤＶから照射されるレーザビームの焦点距離内に収まる深さである、
   ことを特徴とする走行軌跡生成装置。
   

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