JP2018163129A - 物体検知方法及び物体検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体検出のためのグループ化を行う際の探索範囲の設定において、投光点からの距離による探索範囲の変更のみならず、投光角度によって探索範囲を変更することにより物体の検出精度を改良する。【解決手段】光束の出射時刻と物体から反射した光束の受光時刻との時間差に基づいて物体までの距離値を求める処理部と、光束の投光角度θとこれに対応した距離値とから物体の座標を点群として算出する点群座標算出手段と、点群のうち点間距離が所定の探索範囲内に存在する点をグループ化することで物体を検出する物体検知手段とを用いる。距離値と投光角度θに応じて探索範囲（２１−２５，４１—４５）を変更する。探索範囲を、距離値が近い側（２１−２５）から遠い側（４１—４５）に向かって大きくするとともに、光束の投光方向の長さ（４３Ｌ）をこれに垂直な方向の長さ（４３Ｗ）に対し１対１を除く所定の比率とし、投光角度θに応じて回転させる。【選択図】図２

Description

本発明は、物体検知方法及び物体検知装置に関する。

近年、監視空間内の侵入者や車両を検出する目的で、レーザーレーダーなどのレーダーで検出した多数の検出点の中から物体を検出する物体検知装置が使用されている。位置を示す点群データの中から物体を検出する技術としては、例えば特許文献１に記載されたものがすでに提案されている。かかる技術では、検出点のうち所定の近接範囲内に存在する検出点をグループ化して集合体を生成することで物体を検知する。

レーザーレーダーの場合、図５に示すようにレーザー光１１を所定の角度間隔で投光するため、レーザー光１１の投光点Ｏからの距離が遠くなるほど距離分解能は悪化し、所定角度で離れる点間の距離も離れるため、投光点Ｏからの距離が遠くなるほどグループ化のための探索範囲は大きくするべきである。
図５(a)に示すように対象物体１０が投光方向に垂直に存在するか、もしくは図５(b)に示すように対象物体１０が傾いて存在するかによって点間の距離は変化する。密になりやすい走査方向に対し、投光方向の探索範囲を伸ばすことで安定して物体を検知することが可能になる。
目的は異物除去と異なるものの、特許文献１においてレーザー光の走査方向（Ｘ方向）と投光方向（Ｙ方向）で近接範囲の大きさを変更することはすでに提案されている。

特開２０１１−４３３３０号公報

しかしながら、例えば図６、図７に示すように投光角度範囲βが広域となった場合に点群が密になる方向は異なり、Ｙ軸を中心にした中央部と同じ探索範囲条件では周辺部では物体検知精度が悪化してしまう。図６、図７において、Ｙ軸を中心にした中央部で点群が密になる方向はＸ方向であるが、投光角度範囲βが広域となった場合に投光点ＯからＸ方向にある物体において点群が密になる方向はＹ方向である。すなわち、それは投光角度θによって変わる。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、物体を検出する光を投光し走査して得られた点群データにおいて２点間の距離に応じて当該２点のグループ化を行う際の探索範囲の設定において、投光点からの距離による探索範囲の変更のみならず、投光角度によって探索範囲を変更することにより物体の検出精度を改良することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、光束を出射する出射部と、前記光束を所定の投光角度範囲内で走査する走査部と、前記角度範囲内の空間にある物体から反射した光束を受光する受光部とを有する投受光ユニットと、
前記出射部より光束を出射した出射時刻と、空間内の物体から反射した光束を前記受光部で受光した受光時刻との時間差に基づいて前記物体までの距離値を求める処理部と、
前記光束の投光角度とこれに対応した前記距離値とから前記物体の座標を点群として算出する点群座標算出手段と、
前記点群のうち点間距離が所定の探索範囲内に存在する点をグループ化することで物体を検出する物体検知手段とを用いて、物体を検知する方法において、
前記距離値と前記投光角度に応じて前記探索範囲を変更することを特徴とする物体検知方法である。

請求項２記載の発明は、前記探索範囲を、前記距離値が近い側から遠い側に向かって大きくするとともに、前記光束の投光方向の長さをこれに垂直な方向の長さに対し１対１を除く所定の比率とし、前記投光角度に応じて回転させることを特徴とする請求項１に記載の物体検知方法である。

請求項３記載の発明は、前記点群の座標は一平面上に分布していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の物体検知方法である。

請求項４記載の発明は、前記点群の座標は三次元空間上に分布しており、２次元の前記投光角度のそれぞれに応じて前記探索範囲を変更することと特徴とする請求項１又は請求項２に記載の物体検知方法である。

請求項５記載の発明は、前記点群の座標は三次元空間上に分布しており、２次元の前記投光角度のうち前記投光角度範囲の大きい１次元に対してのみ前記投光角度に応じて前記探索範囲を変更することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の物体検知方法である。

請求項６記載の発明は、光束を出射する出射部と、前記光束を所定の投光角度範囲内で走査する走査部と、前記角度範囲内の空間にある物体から反射した光束を受光する受光部とを有する投受光ユニットと、
前記出射部より光束を出射した出射時刻と、空間内の物体から反射した光束を前記受光部で受光した受光時刻との時間差に基づいて前記物体までの距離値を求める処理部と、
前記光束の投光角度とこれに対応した前記距離値とから前記物体の座標を点群として算出する点群座標算出手段と、
前記点群のうち点間距離が所定の探索範囲内に存在する点をグループ化することで物体を検出する物体検知手段とを備える物体検知装置において、
前記物体検知手段は、前記距離値と前記投光角度に応じて前記探索範囲を変更することを特徴とする物体検知装置である。

請求項７記載の発明は、前記物体検知手段は、前記探索範囲を、前記距離値が近い側から遠い側に向かって大きくするとともに、前記光束の投光方向の長さをこれに垂直な方向の長さに対し１対１を除く所定の比率とし、前記投光角度に応じて回転させることを特徴とする請求項６に記載の物体検知装置である。

請求項８記載の発明は、前記点群の座標は一平面上に分布していることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の物体検知装置である。

請求項９記載の発明は、前記点群の座標は三次元空間上に分布しており、前記物体検知手段は、２次元の前記投光角度のそれぞれに応じて前記探索範囲を変更することと特徴とする請求項６又は請求項７に記載の物体検知装置である。

請求項１０記載の発明は、前記点群の座標は三次元空間上に分布しており、前記物体検知手段は、２次元の前記投光角度のうち前記投光角度範囲の大きい１次元に対してのみ前記投光角度に応じて前記探索範囲を変更することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の物体検知装置である。

本発明によれば、物体を検出する光を投光し走査して得られた点群データにおいて２点間の距離に応じて当該２点のグループ化を行う際の探索範囲を投光角度に応じて変更することにより、投光点から見た物体の方角に関わらずグループ化の精度を保ち、物体の検出精度を改良することができる。

本発明の一実施形態に係る物体検知装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る物体検知装置に設定される探索範囲を示す図である。 本発明の一実施形態に係る物体検知装置による物体上の検出点の探索の様子を示す図である。 (a)は比較例に係る物体検知装置による物体上の検出点の探索の様子を示す図であり、(b)は本発明の一実施形態に係る物体検知装置による物体上の検出点の探索の様子を示す図である。 レーザーレーダーにより物体のある空間を比較的狭い走査角で走査し検出点を得る様子と示す図であり、(a)は物体が正面を向いている場合を、(b)は物体が傾いている場合を示す。 レーザーレーダーにより物体のある空間を比較的広い走査角で走査し検出点を得る様子と示す図であり、(a)は物体が比較的近い場合を、(b)は物体が比較的遠い場合を示す。 レーザーレーダーにより物体のある空間を比較的広い走査角で走査し検出点を得る様子と示す図であり、(a)は物体が正面を向いている場合を、(b)は物体が傾いている場合を示す。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

物体検知装置ＭＤは、例えば、レーザー光束を出射するパルス式の半導体レーザーＬＤと、半導体レーザーＬＤからの発散光を平行光に変換するコリメートレンズＣＬと、コリメートレンズＣＬで平行とされたレーザー光を、回転するミラー面により監視空間に向かって走査投光すると共に、対象物からの反射光を反射させるミラーユニットＭＵと、ミラーユニットＭＵで反射された対象物からの反射光を集光するレンズＬＳと、レンズＬＳにより集光された光を受光するフォトダイオードＰＤと、半導体レーザーＬＤの出射タイミングとフォトダイオードＰＤの受光タイミングとの時間差に応じて距離情報を求める処理回路（処理部）ＰＲＯＣと，ミラーユニットＭＵを回転駆動するモータＭＴと、これらを収容する筐体ＣＳとを有する。

本実施の形態において、半導体レーザーＬＤとコリメートレンズＣＬとで出射部ＬＰＳを構成し、レンズＬＳとフォトダイオードＰＤとで受光部ＲＰＳを構成し、ミラーユニットＭＵが走査部を構成し、更にこれらで投受光ユニットを構成する。出射部ＬＰＳ、受光部ＲＰＳの光軸は、ミラーユニットＭＵの回転軸ＲＯに対して直交していると好ましい。

剛体である施設の壁ＷＬ等に固定されたボックス状の筐体ＣＳは、上壁ＣＳａと、これに対向する下壁ＣＳｂと、上壁ＣＳａと下壁ＣＳｂとを連結する側壁ＣＳｃとを有する。側壁ＣＳｃの一部に開口ＣＳｄが形成され、開口ＣＳｄには透明板ＴＲが取り付けられている。

ミラーユニットＭＵは、２つの四角錐を逆向きに接合して一体化した形状を有し、すなわち対になって向き合う方向に傾いたミラー面Ｍ１、Ｍ２を４対（但し４対に限られない）有している。ミラー面Ｍ１、Ｍ２は、ミラーユニットの形状をした樹脂素材（例えばＰＣ）の表面に、反射膜を蒸着することにより形成されていると好ましい。

ミラーユニットＭＵは、筐体ＣＳに固定されたモータＭＴの軸ＭＴａに連結され、回転駆動されるようになっている。本実施の形態では、軸ＭＴａの軸線（回転軸線）が鉛直方向であるＺ方向に延在しており、Ｚ方向に直交するＸ方向及びＹ方向によりなすＸＹ平面が水平面となっているが、軸ＭＴａの軸線を鉛直方向に対して傾けても良い。

次に、物体検知装置ＭＤの物体検出原理について説明する。図１において、半導体レーザーＬＤからパルス状に間欠的に出射された発散光は、コリメートレンズＣＬで平行光束に変換され、回転するミラーユニットＭＵの第１ミラー面Ｍ１に入射し、ここで反射され、更に第２ミラー面Ｍ２で反射した後、透明板ＴＲを透過して外部の空間に向けて、例えば縦長の矩形断面を持つレーザスポット光として走査投光される。尚、出射されたレーザスポット光が対象物で反射し、反射光として戻ってくる方向を投光方向という。同一投光方向に進行するレーザスポット光束は、同一の画素で検出される。

走査投光された光束のうち物体に当たって反射したレーザー光の一部は、再び透明板ＴＲを透過して筐体ＣＳ内のミラーユニットＭＵの第２ミラー面Ｍ２に入射し、ここで反射され、更に第１ミラー面Ｍ１で反射されて、レンズＬＳにより集光され、それぞれフォトダイオードＰＤの受光面で検知されることとなる。更に、処理部である処理回路ＰＲＯＣが、半導体レーザーＬＤの出射タイミングとフォトダイオードＰＤの受光タイミングとの時間差に応じて距離情報を求める。
これにより走査空間内の全領域で対象物の検出を行って、投光角度毎に距離情報を持つデータ列を得ることができる。処理回路ＰＲＯＣは、点群座標算出手段として、得られたデータ列を投光角度情報と距離情報から実空間上での座標に変換することで、物体を反射した点での点群として算出する。

処理回路ＰＲＯＣから得られた点群データを取得したコンピュータ（不図示）は、物体検知手段として、その点群の中から物体を検知するために、点間距離が一定距離値内に存在する点同士のグループ化を行う。この一定距離値をここでは探索範囲と呼ぶ。前述のとおり、レーザーレーダーはレーザー光を所定の角度間隔で投光するため、距離が遠くなるほど距離分解能は悪化する。物体が存在した際の点間距離も離れるため、距離が遠くなるほどグループ化のための探索範囲は大きくするべきである。
また、物体を検知するために対象が投光方向に垂直に存在するか、もしくは傾いて存在するかによって点間の距離は変化する。密になりやすい走査方向（投光方向に垂直な方向）に対し、投光方向の探索範囲を伸ばすことで安定して物体を検知することが可能になる。
さらに、投光方向により探索範囲のＸＹ比（Ｘ方向長さとＹ方向長さとの比）を変更することで、投光角度に対する考慮が必要となる。例えば中心軸（＝Ｙ軸）を基準角（０°)とし、０°方向での探索範囲を投光角度θに応じて回転することにより解決することができる。

以上を踏まえた探索範囲の設定イメージを示すと図２のようになる。まず、物体検知装置ＭＤが設置される投光点Ｏから比較的遠い探索範囲４１−４５は、投光点Ｏから比較的近い探索範囲２１−２５に対し大きくされている。
代表してＹ軸上にある一つの点４３ａの探索範囲４３につき説明すると、探索範囲４３は、点４３ａに対しグループ化する点の探索範囲を規定するものあり、投光方向の長さ４３Ｌがこれに垂直な方向の長さ４３Ｗに対し長くされている。他の探索範囲についても同様である。
探索範囲４４は、探索範囲４３に対し投光角度θの変化分だけ同方向に回転配置される。他の探索範囲も同様である。
なお、投光方向の長さ４３Ｌがこれに垂直な方向の長さ４３Ｗに対し１対１を除く所定の比率とされていれば、投光角度θに応じて回転させる意義がある。

探索範囲の変更は点群の位置座標に係数を掛けることにより同様の効果を得られる。例えばＸ方向１に対し、Ｙ方向をα倍の探索範囲にしたい場合、点群の（ｘ,ｙ）座標を（ｘ,ｙ/α）と変換した後、球形の探索範囲で検索することにより実行可能である。
また、ここで角度を考慮する際は、中心軸Ｙからの投光角度をθとして、
Ｘ方向係数：cosθ+αsinθ
Ｙ方向係数：sinθ+αcosθ
となり、（ｘ,ｙ）座標を(x/(cosθ+αsinθ), ｙ/(sinθ+αcosθ))と変換した後に球形の探索範囲で検索することにより実行可能である。

以上の説明は平面上に物体を走査する２次元レーザーレーダー（点群の座標は一平面上に分布している場合）について述べたが、走査方向を２方向に持った３次元レーザーレーダー（点群の座標は三次元空間上に分布している場合）においても副走査方向の投光角度φを導入することにより対応可能である。図２においてＸ軸回りの角度が副走査方向の投光角度φに相当する。
また、一般的に３次元レーザーレーダーでは主走査方向に対し副走査方向の投光角度範囲は大きくないため、計算処理負荷の低減のために副走査方向は角度の考慮は省略しても良い。すなわち、投光角度範囲の大きい１次元に対してのみ投光角度に応じて探索範囲を変更することとしてもよい。

（比較説明）
図３は、図２と同様の走査空間の２次元座標においいて、Ｙ軸上の１つの点３１aの探索範囲３１と、そこに横たわる物体１０を示している。
このような探索範囲３１に対し、投光角度θにより探索範囲を回転させない例を、図４(a)に示す。図４(a)において、点３１aから投光角度θが大きく変わった点３２ａの探索範囲３２Ｃは、探索範囲３１に対し回転しておらず、長手方向がＹ方向のままである。この場合、点３２ａを検出した際の投光方向について探索範囲３２Ｃはあまり長くないので、例えば、物体１０上の検出点のうち点３２ａの隣の点３２ｂが探索範囲３２Ｃに入らず、点３２ｂを点３２ａに対しグループ化することがない。したがって、図４(a)において、物体１０の右端部１０ａが、物体１０の一部として認識されないなどの不具合が生じる。

本発明による例を図４(b)に示す。本発明では点３２ａの探索範囲３２は、図４(b)に示すように回転配置されていて、投光方向について探索範囲３２の長さは、探索範囲３１のそれと同等に長く確保されているので、点３２ａの隣の点３２ｂが探索範囲３２に入り、点３２ｂを点３２ａに対しグループ化する。さらに点３２ｂに対してグループ化する点の探索も行われるので、物体１０を正確に検出でき、投光角度θによらず物体の検出精度を保つことができる。

１０ 物体
１１ レーザー光
２１−２５ 探索範囲
３１，３２ 探索範囲
３２Ｃ 探索範囲（比較例）
４１−４５ 探索範囲
ＭＤ 物体検知装置
Ｙ 中心軸
β 投光角度範囲

Claims (10)

1. 光束を出射する出射部と、前記光束を所定の投光角度範囲内で走査する走査部と、前記角度範囲内の空間にある物体から反射した光束を受光する受光部とを有する投受光ユニットと、
   前記出射部より光束を出射した出射時刻と、空間内の物体から反射した光束を前記受光部で受光した受光時刻との時間差に基づいて前記物体までの距離値を求める処理部と、
   前記光束の投光角度とこれに対応した前記距離値とから前記物体の座標を点群として算出する点群座標算出手段と、
   前記点群のうち点間距離が所定の探索範囲内に存在する点をグループ化することで物体を検出する物体検知手段とを用いて、物体を検知する方法において、
   前記距離値と前記投光角度に応じて前記探索範囲を変更することを特徴とする物体検知方法。
2. 前記探索範囲を、前記距離値が近い側から遠い側に向かって大きくするとともに、前記光束の投光方向の長さをこれに垂直な方向の長さに対し１対１を除く所定の比率とし、前記投光角度に応じて回転させることを特徴とする請求項１に記載の物体検知方法。
3. 前記点群の座標は一平面上に分布していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の物体検知方法。
4. 前記点群の座標は三次元空間上に分布しており、２次元の前記投光角度のそれぞれに応じて前記探索範囲を変更することと特徴とする請求項１又は請求項２に記載の物体検知方法。
5. 前記点群の座標は三次元空間上に分布しており、２次元の前記投光角度のうち前記投光角度範囲の大きい１次元に対してのみ前記投光角度に応じて前記探索範囲を変更することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の物体検知方法。
6. 光束を出射する出射部と、前記光束を所定の投光角度範囲内で走査する走査部と、前記角度範囲内の空間にある物体から反射した光束を受光する受光部とを有する投受光ユニットと、
   前記出射部より光束を出射した出射時刻と、空間内の物体から反射した光束を前記受光部で受光した受光時刻との時間差に基づいて前記物体までの距離値を求める処理部と、
   前記光束の投光角度とこれに対応した前記距離値とから前記物体の座標を点群として算出する点群座標算出手段と、
   前記点群のうち点間距離が所定の探索範囲内に存在する点をグループ化することで物体を検出する物体検知手段とを備える物体検知装置において、
   前記物体検知手段は、前記距離値と前記投光角度に応じて前記探索範囲を変更することを特徴とする物体検知装置。
7. 前記物体検知手段は、前記探索範囲を、前記距離値が近い側から遠い側に向かって大きくするとともに、前記光束の投光方向の長さをこれに垂直な方向の長さに対し１対１を除く所定の比率とし、前記投光角度に応じて回転させることを特徴とする請求項６に記載の物体検知装置。
8. 前記点群の座標は一平面上に分布していることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の物体検知装置。
9. 前記点群の座標は三次元空間上に分布しており、前記物体検知手段は、２次元の前記投光角度のそれぞれに応じて前記探索範囲を変更することと特徴とする請求項６又は請求項７に記載の物体検知装置。
10. 前記点群の座標は三次元空間上に分布しており、前記物体検知手段は、２次元の前記投光角度のうち前記投光角度範囲の大きい１次元に対してのみ前記投光角度に応じて前記探索範囲を変更することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の物体検知装置。

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