JP2020051971A

JP2020051971A - レーザ距離測定装置

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Publication number: JP2020051971A
Application number: JP2018183685A
Authority: JP
Inventors: 正浩河合; Masahiro Kawai; 陽輔高川; Yosuke Takagawa; 俊平亀山; Shunpei Kameyama
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: DE102019213515A1; JP6723307B2; US20200103531A1; US10935662B2

Abstract

【課題】前方の地面の傾斜にかかわらず、前方の地面に対するレーザ光の照射範囲を適切に設定できるレーザ距離測定装置を提供する。【解決手段】走査機構１２を制御して、自車両の進行方向に対する左右方向の照射角度範囲でレーザ光Ｌ１を走査させると共に、自車両の進行方向に対する上下方向の照射角度範囲でレーザ光Ｌ１を走査させる２次元走査を行い、自車両が位置する地面に対する、自車両の前方の地面の上下方向の相対傾斜情報を検出し、相対傾斜情報に応じて上下方向の照射角度範囲を上側又は下側に移動させるレーザ距離測定装置１０。【選択図】図１

Description

本願は、レーザ距離測定装置に関する。

従来、レーザ光を測定対象に照射し、物体から反射される反射光に基づいて物体までの距離を測定するレーザ距離測定装置が知られている。光源から出射されたレーザ光を、走査機構によって特定範囲を走査させる走査型のレーザ距離測定装置がある。しかしながら、従来のレーザ距離測定装置の多くは、ある既定の装置条件で動作している。例えば、パルスレーザ光源はレーザ光源自体の信頼性の観点から出射光を高パワーかつ高周波で駆動することが容易でなく、走査範囲の開始点から終了点までの１フレーム間で取得できる点群数に限界があり、広視野と高分解能を両立させることが容易でなかった。

この問題を解決するために、特許文献１に開示された技術がある。特許文献１の技術では、測定範囲を粗く走査して、物体が存在する注目領域を抽出し、走査範囲を注目領域に絞り、高分解能で物体を検出するように構成されている。

特許第５４１３２５６号公報

しかしながら、特許文献１を含め、従来のレーザ距離測定装置には次の課題がある。特に、車両に搭載され、物体（他の車両、人、障害物等）への衝突防止等の安全走行に利用されるレーザ距離測定装置の場合、レーザ距離測定装置の最適動作は、走行する道路状態に依存する。特許文献１の技術では、走査範囲を物体が存在する範囲に絞るため、絞り込んだ走査範囲以外の測定範囲に、新たな物体が入ってきた場合に、新たな物体の検出が遅れたり、検出漏れが生じたりする問題がある。

また、車両の前方の路面の傾斜が変化していれば、前方の路面の傾斜に応じて、レーザ距離測定装置により物体を検出する必要のある測定必要範囲が変化する。前方の路面が上側に傾斜している場合は、測定必要範囲が、傾斜していない場合よりも上側に変化する。前方の路面が下側に傾斜している場合は、測定必要範囲が、傾斜していない場合よりも下側に変化する。前方の路面の傾斜が変化しても、傾斜に応じて変化する測定必要範囲をカバーできるように、レーザ光の照射範囲を予め上下方向に広くすることが考えられる。しかし、上下方向の走査範囲を広げると、上下方向の走査間隔が広くなり、上下方向の分解能が粗くなる問題が生じる。分解能を向上させるために、１フレームの走査数を増加させ、上下方向の測定点数を増加させることも考えられるが、フレーム間隔が長くなる問題が生じる。

そこで、前方の地面の傾斜にかかわらず、前方の地面に対するレーザ光の照射範囲を適切に設定できると共に、上下方向の測定点の分解能が粗くなることを抑制し、分解能の向上のためにフレーム間隔が長くなることを抑制できるレーザ距離測定装置が望まれる。

本願に係るレーザ距離測定装置は、
レーザ光を出射するレーザ光発生部と、
自車両の前方に照射する前記レーザ光の照射角度を、前記自車両の進行方向に対して左右方向及び上下方向に変化させる走査機構と、
前記走査機構を制御して、前記自車両の進行方向に対する左右方向の照射角度範囲で前記レーザ光を走査させると共に、前記自車両の進行方向に対する上下方向の照射角度範囲で前記レーザ光を走査させる２次元走査を行う走査制御部と、
自車両の前方の物体に反射した前記レーザ光の反射光を受光し、受光信号を出力する受光部と、
出射した前記レーザ光、前記受光信号、及び前記照射角度に基づいて、前記照射角度に存在する物体までの距離を算出する距離算出部と、
前記自車両が位置する地面に対する、前記自車両の前方の地面の上下方向の相対傾斜情報を検出する傾斜検出部と、を備え、
前記走査制御部は、前記相対傾斜情報に応じて前記上下方向の照射角度範囲を上側又は下側に移動させるものである。

本願に係るレーザ距離測定装置によれば、前方の地面の傾斜がない場合に、前方の地面に対するレーザ光の照射範囲が適切になるように上下方向の照射角度範囲を設定することができる。そして、前方の地面の傾斜に応じて、上下方向の照射角度範囲を上側又は下側に移動させるので、前方の地面が傾斜しても、前方の地面に対するレーザ光の照射範囲を適切に保つことができる。よって、上下方向の照射角度範囲を必要以上に広く設定する必要がなく、上下方向の測定点の分解能が粗くなることを抑制し、分解能の向上のためにフレーム間隔が長くなることを抑制できる。

実施の形態１に係るレーザ距離測定装置の概略構成を示す図である実施の形態１に係るレーザ距離測定装置の模式図である。実施の形態１に係るＭＥＭＳミラーを説明するための図である。実施の形態１に係るＭＥＭＳミラーの駆動電流を説明するためのタイムチャートである。実施の形態１に係る上下方向及び左右方向の照射角度範囲を説明するための図である。実施の形態１に係る制御装置のハードウェア構成図である。実施の形態１に係る物体までの距離の検出を説明するための図である。実施の形態１に係る光源信号と受光信号とを説明するタイムチャートである。比較例に係る制御挙動を説明するための図である。実施の形態１に係る相対傾斜角度に応じた、照射角度範囲の移動を説明する図である。実施の形態１に係る相対傾斜角度に応じた電流値の移動を説明する図である。実施の形態１に係る相対高さに応じた、照射角度範囲の移動を説明する図である。実施の形態１に係る相対高さに応じた電流値の移動を説明する図である。実施の形態１に係る制御挙動を説明するための図である。実施の形態２に係るレーザ距離測定装置の概略構成を示す図である。実施の形態２に係るフレームの処理を説明するための図である。実施の形態２に係る各照射角度における地面の高さの算出を説明するための図である。実施の形態２に係る各照射角度における地面の高さの算出を説明するための図である。実施の形態２に係る制御挙動を説明するための図である。

１．実施の形態１
実施の形態１に係るレーザ距離測定装置１０について図面を参照して説明する。図１は、レーザ距離測定装置１０の概略構成を示すブロック図である。図２は、レーザ距離測定装置１０の光学系の概略配置構成を示す模式図である。レーザ距離測定装置１０は、ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）又はレーザレーダとも呼ばれる。レーザ距離測定装置１０は、自車両に搭載され、自車両の前方にレーザ光Ｌ１を２次元走査して照射し、レーザ距離測定装置１０（自車両）から自車両の前方に存在する物体までの距離を測定する。

レーザ距離測定装置１０は、レーザ光発生部１１、走査機構１２、受光部１３、走査制御部１４、距離算出部１５、及び傾斜検出部１６等を備えている。後述するように、走査制御部１４、距離算出部１５、及び傾斜検出部１６は、制御装置２０に備えられている。レーザ光発生部１１は、レーザ光Ｌ１を出射する。走査機構１２は、自車両の前方に照射するレーザ光Ｌ１の照射角度を、自車両の進行方向に対して左右方向及び上下方向に変化させる。受光部１３は、自車両の前方の物体に反射したレーザ光の反射光Ｌ２を受光する。走査制御部１４は、走査機構１２を制御して、自車両の進行方向に対する左右方向の照射角度範囲でレーザ光を走査させると共に、自車両の進行方向に対する上下方向の照射角度範囲でレーザ光を走査させる２次元走査を行う。距離算出部１５は、出射したレーザ光Ｌ１、受光信号、及び照射角度に基づいて、照射角度に存在する物体までの距離を算出する。

１−１．レーザ光発生部１１
レーザ光発生部１１は、レーザ光Ｌ１を出射する。レーザ光発生部１１は、レーザ光源１１１、及びレーザ光源駆動回路１１２を備えている。レーザ光源駆動回路１１２は、図８に示すように、パルス周期Ｔｐでオンになるパルス信号（光源信号）を生成する。レーザ光源駆動回路１１２は、後述する送受光制御部１７からの指令信号に基づいて、パルス信号を生成する。レーザ光源１１１は、レーザ光源駆動回路１１２から伝達されたパルス信号がオンになったときに、近赤外波長のレーザ光Ｌ１を発生し、走査機構１２に向かって出射する。なお、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光Ｌ１は、レーザ光源１１１と走査機構１２との間に配置された集光ミラー１３３を透過する。

１−２．走査機構１２
走査機構１２は、自車両の前方に照射するレーザ光Ｌ１の照射角度を、自車両の進行方向（照射中心線）に対して左右方向及び上下方向に変化させる。走査機構１２は、可動ミラー１２１、及びミラー駆動回路１２２を備えている。図２に示すように、レーザ光源１１１から出射したレーザ光Ｌ１は、集光ミラー１３３を透過した後、可動ミラー１２１に反射し、筐体１８に設けられた透過窓１９を透過して、可動ミラー１２１の角度に応じた照射角度で自車両の前方に照射される。

本実施の形態では、可動ミラー１２１は、ＭＥＭＳミラー１２１（Micro Electro Mechanical Systems）とされている。図３に示すように、ＭＥＭＳミラー１２１は、互いに直交する第１軸Ｃ１と第２軸Ｃ２の回りにミラー１２１ａを回転させる回転機構を備えている。ＭＥＭＳミラー１２１は、ミラー１２１ａが設けられた矩形板状の内側フレーム１２１ｂと、内側フレーム１２１ｂの外側に配置された矩形環板状の中間フレーム１２１ｃと、中間フレーム１２１ｃの外側に配置され矩形板状の外側フレーム１２１ｄと、を備えている。外側フレーム１２１ｄは、ＭＥＭＳミラー１２１の本体に固定されている。

外側フレーム１２１ｄと中間フレーム１２１ｃとは、ねじり弾性を有する左右２つの第１トーションバー１２１ｅにより連結されている。中間フレーム１２１ｃは、外側フレーム１２１ｄに対して、２つの第１トーションバー１２１ｅを結ぶ第１軸Ｃ１回りに捩れる。第１軸Ｃ１回りに一方側又は他方側に捩れると、レーザ光Ｌ１の照射角度が上側又は下側に変化する。中間フレーム１２１ｃと内側フレーム１２１ｂとは、弾性を有する上下２つの第２トーションバー１２１ｆにより連結されている。内側フレーム１２１ｂは、中間フレーム１２１ｃに対して、２つの第２トーションバー１２１ｆを結ぶ第２軸Ｃ２回りに捩れる。第２軸Ｃ２回りに一方側又は他方側に捩れると、レーザ光Ｌ１の照射角度が左側又は右側に変化する。

中間フレーム１２１ｃには、フレームに沿った環状の第１コイル１２１ｇが設けられており、第１コイル１２１ｇに接続された第１電極パット１２１ｈが、外側フレーム１２１ｄに設けられている。内側フレーム１２１ｂには、フレームに沿った環状の第２コイル１２１ｉが設けられており、第２コイル１２１ｉに接続された第２電極パット１２１ｊが、外側フレーム１２１ｄに設けられている。ＭＥＭＳミラー１２１には、不図示の永久磁石が設けられている。第１コイル１２１ｇに正側又は負側の電流が流れると、中間フレーム１２１ｃを第１軸Ｃ１回りに一方側又は他方側にねじるローレンツ力が生じ、捩れ角度は、電流の大きさに比例する。第２コイル１２１ｉに正側又は負側の電流が流れると、内側フレーム１２１ｂを第２軸Ｃ２回りに一方側又は他方側にねじるローレンツ力が生じ、捩れ角度は、電流の大きさに比例する。

図４の上段グラフに示すように、ミラー駆動回路１２２は、走査制御部１４の指令信号に従って、正の第１最大電流値Ｉｍｘ１と負の第１最小電流値Ｉｍｎ１との間を、第１周期Ｔ１で振動する電流を、第１電極パット１２１ｈを介して第１コイル１２１ｇに供給する。第１周期Ｔ１は、２次元走査の１フレーム分の周期となる。電流の振動波形は、のこぎり波又は三角波等とされる。図５に示すように、レーザ光は、正の第１最大電流値Ｉｍｘ１に対応する上下方向の最大照射角度θＵＤｍｘと、負の第１最小電流値Ｉｍｎ１に対応する上下方向の最小照射角度θＵＤｍｎとの間を、第１周期Ｔ１で振動する。上下方向の照射角度は、ゼロの場合に、車両の進行方向に平行になり、正の値の場合に、車両の進行方向に対して上側に傾き、負の値の場合に、車両の進行方向に対して下側に傾く。

電流の振動波形を正側又は負側にシフトさせると、上下方向の照射角度範囲を上側又は下側にシフトさせることができる。ミラー駆動回路１２２は、走査制御部１４の指令信号に従って、電流の振動範囲（Ｉｍｘ１、Ｉｍｎ１）を正側又は負側に変化させる。

図４の下段グラフに示すように、ミラー駆動回路１２２は、走査制御部１４の指令信号に従って、正の第２最大電流値Ｉｍｘ２と負の第２最小電流値Ｉｍｎ２との間を、第２周期Ｔ２で振動する電流を、第２電極パット１２１ｊを介して第２コイル１２１ｉに供給する。第２周期Ｔ２は、第１周期Ｔ１よりも短い値に設定されており、第１周期Ｔ１を、１フレームにおける左右方向の往復走査回数で除算した値に設定される。電流の振動波形は、正弦波又は矩形波等とされる。図５に示すように、レーザ光は、正の第２最大電流値Ｉｍｘ２に対応する左右方向の最大照射角度θＬＲｍｘと、負の第２最小電流値Ｉｍｎ２に対応する左右方向の最小照射角度θＬＲｍｎとの間を、第２周期Ｔ２で振動する。左右方向の照射角度は、ゼロの場合に、車両の進行方向に平行になり、正の値の場合に、車両の進行方向に対して左側に傾き、負の値の場合に、車両の進行方向に対して右側に傾く。

１−３．受光部１３
受光部１３は、自車両の前方の物体に反射したレーザ光の反射光Ｌ２を受光する。受光部１３は、光検出器１３１、光検出器制御回路１３２、及び集光ミラー１３３を備えている。図２に示すように、自車両の前方にある物体４０に反射した反射光Ｌ２は、透過窓１９を透過し、可動ミラー１２１に反射した後、集光ミラー１３３に反射し、光検出器１３１に入射する。

光検出器１３１は、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）等を受光素子として備え、受光した反射光Ｌ２に応じた受光信号を出力する。光検出器制御回路１３２は、送受光制御部１７からの指令信号に基づいて、光検出器１３１の動作を制御する。光検出器１３１が出力した受光信号は、距離算出部１５に入力される。

１−４．制御装置２０
レーザ距離測定装置１０は、制御装置２０を備えている。制御装置２０は、走査制御部１４、距離算出部１５、傾斜検出部１６、及び送受光制御部１７等の機能部を備えている。制御装置２０の各機能は、制御装置２０が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置２０は、図６に示すように、処理回路として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置９０（コンピュータ）、演算処理装置９０とデータのやり取りをする記憶装置９１、演算処理装置９０に外部の信号を入出力する入出力装置９２、及びレーザ距離測定装置１０の外部の外部装置とデータ通信を行う外部通信装置９３等を備えている。

演算処理装置９０として、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、各種の論理回路、及び各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、演算処理装置９０として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置９１として、演算処理装置９０からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）、演算処理装置９０からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）等が備えられている。なお、記憶装置９１として、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の各種の記憶装置が用いられてもよい。

入出力装置９２は、レーザ光源駆動回路１１２、ミラー駆動回路１２２、光検出器１３１、及び光検出器制御回路１３２等が接続され、これらと演算処理装置９０との間でデータ及び制御指令の送受信を行う通信回路、入出力ポート等を備えている。外部通信装置９３は、カーナビゲーション装置３０、外部演算処理装置３１等の外部装置と通信を行う。

そして、制御装置２０が備える各機能部１４〜１７等の各機能は、演算処理装置９０が、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行し、記憶装置９１、入出力装置９２、及び外部通信装置９３等の制御装置２０の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、各機能部１４〜１７等が用いる判定距離等の設定データは、ソフトウェア（プログラム）の一部として、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されている。以下、制御装置２０の各機能について詳細に説明する。

１−４−１．送受光制御部１７
送受光制御部１７は、レーザ光源駆動回路１１２に指令信号を伝達し、パルス周期Ｔｐのパルス状のレーザ光を出力させる。また、送受光制御部１７は、光検出器制御回路１３２に指令信号を伝達し、光検出器１３１に受光信号を出力させる。

１−４−２．距離算出部１５
距離算出部１５は、出射したレーザ光Ｌ１、受光信号、及び照射角度に基づいて、照射角度に存在する物体までの距離を算出する。図７に示すように、レーザ光源１１１から出射したレーザ光Ｌ１は、距離Ｌだけ前方にある物体４０に反射し、反射光Ｌ２は、距離Ｌだけ後方にある光検出器１３１に入射する。図８は、レーザ光源１１１から出射したレーザ光Ｌ１の光源信号と、光検出器１３１で受光した反射光Ｌ２の受光信号との関係を示している。光源信号の立ち上がりから受光信号のピークまで時間Ｔは、レーザ光源１１１及び光検出器１３１と物体４０との間の距離Ｌをレーザ光が往復する時間である。よって、時間Ｔに光速を乗算し、２で除算すれば、物体４０までの距離Ｌを算出することができる。

距離算出部１５は、レーザ光発生部１１がパルス状のレーザ光Ｌ１を発光し始めた時点から、受光部１３が受光信号を出力する時点までの時間Ｔを受光時間として計測する。そして、距離算出部１５は、受光時間に光速を乗算し、２で除算した値を、レーザ光Ｌ１の発光時点の照射角度に存在する物体までの距離Ｌとして算出する。距離算出部１５は、距離Ｌに加えて、受光信号の大きさに基づいて、反射光Ｌ２の強度も検出する。なお、距離算出部１５は、受光部１３が受光信号を出力していない場合は、その時点の照射角度に存在する物体を検出できないと判定して、距離Ｌを算出しない。距離算出部１５は、距離の算出結果を外部演算処理装置３１に伝達する。

１−４−３．傾斜検出部１６
傾斜検出部１６は、自車両が位置する地面に対する、自車両の前方の地面の上下方向の相対傾斜情報を検出する。本実施の形態では、傾斜検出部１６は、外部装置としてのカーナビゲーション装置３０から、自車両が位置する地面及び自車両の前方の地面の高度情報又は傾斜情報を取得し、取得した高度情報又は傾斜情報に基づいて、相対傾斜情報を検出するように構成されている。ここで、地面とは、自車両の車輪が上に乗る面を意味し、橋、トンネル、立体駐車場等の立体的な構造物の地面も含む。

カーナビゲーション装置３０は、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機、加速センサ、方位センサ等の位置情報検出機により自車両の位置（緯度、経度、高度）及び進行方向等を検出する。そして、カーナビゲーション装置３０は、道路情報等を記憶した地図データを参照し、自車両の周辺の道路情報等を取得し、自車両が走行している道路を判定する。道路情報には、道路又は地表の各地点の地面の高度情報及び傾斜情報が含まれる。

相対傾斜情報の内容には、複数のバリエーションが考えられ、以下で２つのバリエーションについて説明する。

＜相対傾斜情報の第１例＞
レーザ距離測定装置１０の前方の距離測定範囲は、レーザ光の強度、光検出器１３１の受光感度等の仕様により、予め定まっている。傾斜検出部１６は、相対傾斜情報として、自車両が位置する地面に対する、自車両の前方の距離測定範囲の地面の相対傾斜角度を検出する。

本実施の形態では、傾斜検出部１６は、カーナビゲーション装置３０から、自車両が現在位置する道路の路面の傾斜角度を取得する。ここで、傾斜角度は、自車両の進行方向に沿った、水平方向に対する傾斜角度である。或いは、カーナビゲーション装置３０から道路の傾斜角度の情報を直接取得できない場合は、傾斜検出部１６は、カーナビゲーション装置３０から、自車両が現在位置する道路の路面の高度情報と、自車両の前後の道路の路面の高度情報を取得し、取得した高度情報に基づいて、自車両の位置する道路の路面の傾斜角度を算出する。

傾斜検出部１６は、カーナビゲーション装置３０から、自車両よりも判定距離だけ前方の道路の路面の傾斜角度を取得する。判定距離は、距離測定範囲内に設定される。或いは、傾斜検出部１６は、カーナビゲーション装置３０から、自車両よりも判定距離だけ前方の道路の路面の高度情報と、その前後の道路の路面の高度情報を取得し、取得した高度情報に基づいて、自車両よりも判定距離だけ前方の道路の路面の傾斜角度を算出する。前方の道路がカーブしている場合は、カーブしている道路に沿って、自車両よりも判定距離だけ前方の道路の路面の傾斜角度を取得する。或いは、自車両が道路以外の場所を走行している場合は、傾斜検出部１６は、カーナビゲーション装置３０から、道路以外の地点の高度情報又は傾斜角度を取得してもよい。

そして、傾斜検出部１６は、自車両よりも判定距離だけ前方の路面の傾斜角度から、自車両が位置する道路の路面の傾斜角度を減算した角度を、相対傾斜角度として算出する。

＜相対傾斜情報の第２例＞
傾斜検出部１６は、相対傾斜情報として、自車両が位置する地面に対する、自車両よりも判定距離だけ前方の地面の上下方向の相対高さを検出する。

本実施の形態では、傾斜検出部１６は、カーナビゲーション装置３０から、自車両が現在位置する道路の路面の高度情報を取得する。また、傾斜検出部１６は、カーナビゲーション装置３０から、自車両よりも判定距離だけ前方の道路の路面の高度情報を取得する。前方の道路がカーブしている場合は、カーブしている道路に沿って、自車両よりも判定距離だけ前方の道路の路面の高度情報を取得する。或いは、自車両が道路以外の場所を走行している場合は、傾斜検出部１６は、カーナビゲーション装置３０から、道路以外の地点の高度情報を取得してもよい。

そして、傾斜検出部１６は、自車両よりも判定距離だけ前方の路面の高度から、自車両が位置する道路の路面の高度を減算した高度を、相対高さとして算出する。

１−４−４．走査制御部１４
走査制御部１４は、走査機構１２を制御して、自車両の進行方向に対する左右方向の照射角度範囲でレーザ光Ｌ１を走査させると共に、自車両の進行方向に対する上下方向の照射角度範囲でレーザ光Ｌ１を走査させる２次元走査を行う。

本実施の形態では、上述したように、走査制御部１４は、レーザ光Ｌ１の照射角度を、上下方向の照射角度範囲及び第１周期Ｔ１で走査させる指令信号を、ミラー駆動回路１２２に伝達する。具体的には、走査制御部１４は、第１コイル１２１ｇに供給する電流の正の第１最大電流値Ｉｍｘ１及び負の第１最小電流値Ｉｍｎ１、及び第１周期Ｔ１の指令信号を、ミラー駆動回路１２２に伝達する。

また、走査制御部１４は、レーザ光Ｌ１の照射角度を、左右方向の照射角度範囲及び第２周期Ｔ２で走査させる指令信号を、ミラー駆動回路１２２に伝達する。具体的には、走査制御部１４は、第２コイル１２１ｉに供給する電流の正の第２最大電流値Ｉｍｘ２及び負の第２最小電流値Ｉｍｎ２、及び第２周期Ｔ２の指令信号を、ミラー駆動回路１２２に伝達する。走査制御部１４は、第１周期Ｔ１を、１フレームにおける左右方向の往復走査回数で除算した値を、第２周期Ｔ２に設定する。

図５に示すように、第１周期Ｔ１で、レーザ光Ｌ１の照射角度を、矩形状の２次元の走査範囲を１回走査させることができる。この２次元の走査範囲の１回の走査を、１フレームという。

＜走査制御の課題＞
図９に、自車両の前方の地面の傾斜が変化しても、自車両の進行方向に対する上下方向の照射角度範囲を変化させない比較例の制御挙動を示す。図９（ａ）に、前方の地面が傾斜していない場合、図９（ｂ）に、前方の地面が上側に傾斜している場合、図９（ｃ）に前方の地面が下側に傾斜している場合を示す。

図９の比較例に示すように、前方の地面が上側に傾斜している図９（ｂ）の場合は、傾斜していない図９（ａ）の場合よりも、地面に当たるレーザ光の上下方向の照射角度範囲が増加し、地面よりも上側に照射されるレーザ光の上下方向の照射角度範囲が減少する。一方、前方の地面が下側に傾斜している図９（ｃ）の場合は、傾斜していない図９（ａ）の場合よりも、地面に当たるレーザ光の上下方向の照射角度範囲が減少し、地面よりも上側に照射されるレーザ光の上下方向の照射角度範囲が増加する。

ところで、前方の地面よりも上側にある車両、歩行者、障害物等の物体４０を検出するためには、地面よりも上側に照射されるレーザ光の上下方向の照射角度範囲を一定以上確保する必要がある。一方、道路の形状、白線などの道路標示を検出するためには、地面に当たるレーザ光の上下方向の照射角度範囲を一定以上確保する必要がある。

図９の比較例の場合は、前方の地面の傾斜が変化しても、地面に当たる照射角度範囲及び地面よりも上側に照射される照射角度範囲を一定以上確保するために、レーザ光の上下方向の照射角度範囲が予め広く設定されている。しかし、上下方向の照射角度範囲を広げると、上下方向の走査間隔が広くなり、上下方向の測定点の分解能が粗くなる問題があった。分解能を向上させるために、１フレームの左右方向の走査数を増加させることも考えられるが、フレーム間隔が長くなる問題が生じる。よって、前方の地面の傾斜にかかわらず、前方の地面に対するレーザ光の照射角度範囲を適切に設定できると共に、上下方向の測定点の分解能が粗くなることを抑制し、分解能の向上のためにフレーム間隔が長くなることを抑制できるレーザ距離測定装置が望まれる。

＜上下方向の照射角度範囲の移動制御＞
そこで、本実施の形態では、走査制御部１４は、自車両が位置する地面に対する、自車両の前方の地面の上下方向の相対傾斜情報に応じて上下方向の照射角度範囲を上側又は下側に移動させるように構成されている。この構成によれば、前方の地面の傾斜がない場合に、前方の地面に対する上下方向の照射角度範囲が適切になるように上下方向の照射角度範囲を設定することができる。そして、前方の地面の傾斜に応じて、上下方向の照射角度範囲を上側又は下側に移動させるので、前方の地面が傾斜しても、前方の地面に対する上下方向の照射角度範囲を適切に保つことができる。よって、上下方向の照射角度範囲を必要以上に広く設定する必要がなく、上下方向の測定点の分解能が粗くなることを抑制し、分解能の向上のためにフレーム間隔が長くなることを抑制できる。

例えば、走査制御部１４は、自車両が位置する地面に対して、自車両の前方の地面が下側に傾斜している場合は、相対傾斜度合に応じて、上下方向の照射角度範囲を下側に移動させ、自車両が位置する地面に対して、自車両の前方の地面が上側に傾斜している場合は、相対傾斜度合に応じて、上下方向の照射角度範囲を上側に移動させる。

＜相対傾斜情報の第１例＞
傾斜検出部１６が、相対傾斜情報として、自車両が位置する地面に対する、自車両の前方の距離測定範囲の地面の相対傾斜角度を検出するように構成されている場合について説明する。この場合は、走査制御部１４は、相対傾斜角度に応じて、上下方向の照射角度範囲を上側又は下側に移動させるように構成されている。

走査制御部１４は、図１０に示すように、相対傾斜角度に比例して、上下方向の照射角度範囲を上側又は下側に移動させる。相対傾斜角度が負である場合は、前方の地面が下側に傾斜しているため、上下方向の照射角度範囲を下側（負側）に移動させ、相対傾斜角度が正である場合は、前方の地面が上側に傾斜しているため、上下方向の照射角度範囲を上側（正側）に移動させる。例えば、走査制御部１４は、上下方向の照射角度範囲を、相対傾斜角度がゼロの場合の基準範囲から、相対傾斜角度に比例した移動角度だけ変化させる。

本実施の形態では、走査制御部１４は、図１１に示すように、相対傾斜角度に比例して、第１最大電流値Ｉｍｘ１及び第１最小電流値Ｉｍｎ１を変化させる。走査制御部１４は、第１最大電流値Ｉｍｘ１及び第１最小電流値Ｉｍｎ１を、相対傾斜角度がゼロの場合の基準値から、相対傾斜角度に比例した移動電流値だけ変化させる。

＜相対傾斜情報の第２例＞
傾斜検出部１６が、相対傾斜情報として、自車両が位置する地面に対する、自車両よりも判定距離だけ前方の地面の上下方向の相対高さを検出するように構成されている場合について説明する。この場合は、走査制御部１４は、上下方向の相対高さに応じて、上下方向の照射角度範囲を上側又は下側に移動させるように構成されている。この構成によれば、自車両が傾斜の開始時点に近づくにつれ、相対高さが連続的に増加又は減少するため、上下方向の照射角度範囲を連続的に変化させることができる。

走査制御部１４は、図１２に示すように、相対高さに比例して、上下方向の照射角度範囲を上側又は下側に移動させる。相対高さが負である場合は、前方の地面が下側に傾斜しているため、上下方向の照射角度範囲を下側（負側）に移動させ、相対高さが正である場合は、前方の地面が上側に傾斜しているため、上下方向の照射角度範囲を上側（正側）に移動させる。例えば、走査制御部１４は、上下方向の照射角度範囲を、相対高さがゼロの場合の基準範囲から、相対高さに比例した移動角度だけ変化させる。

本実施の形態では、走査制御部１４は、図１３に示すように、相対高さに比例して、第１最大電流値Ｉｍｘ１及び第１最小電流値Ｉｍｎ１を変化させる。走査制御部１４は、第１最大電流値Ｉｍｘ１及び第１最小電流値Ｉｍｎ１を、相対高さがゼロの場合の基準値から、相対高さに比例した移動電流値だけ変化させる。

＜制御挙動＞
図１４に、本実施の形態に係る、上下方向の照射角度範囲の移動制御を行った場合の制御挙動を示す。図９と同様に、図１４（ａ）に、前方の地面が傾斜していない場合、図１４（ｂ）に、前方の地面が上側に傾斜している場合、図１４（ｃ）に前方の地面が下側に傾斜している場合を示す。

図１４（ａ）に示すように、前方の地面の傾斜がない場合に、地面に当たる照射角度範囲及び地面よりも上側に照射される照射角度範囲が適切になるように、上下方向の照射角度範囲が設定されている。よって、上下方向の照射角度範囲が、必要以上に広く設定されておらず、図９の比較例に比べ、１フレームの左右方向の走査数を増加させることなく、上下方向の測定点の分解能を向上させることができている。

図１４（ｂ）に示すように、前方の地面が上側に傾斜している場合は、傾斜に応じて、上下方向の照射角度範囲が上側に移動されている。そのため、前方の地面が上側に傾斜しても、地面に当たる照射角度範囲及び地面よりも上側に照射される照射角度範囲を適切に保つことができている。

図１４（ｃ）に示すように、前方の地面が下側に傾斜している場合は、傾斜に応じて、上下方向の照射角度範囲が下側に移動されている。そのため、前方の地面が下側に傾斜しても、地面に当たる照射角度範囲及び地面よりも上側に照射される照射角度範囲を適切に保つことができている。

２．実施の形態２
次に、実施の形態２に係るレーザ距離測定装置１０について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係るレーザ距離測定装置１０の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、傾斜検出部１６が、距離算出部１５の距離の測定結果に基づいて、相対傾斜情報を検出する構成が実施の形態１と異なる。図１５は、本実施の形態に係るレーザ距離測定装置１０の概略構成を示す図である。

本実施の形態では、傾斜検出部１６が、距離算出部１５の距離の測定結果に基づいて、自車両が位置する地面に対する、自車両の前方の地面の上下方向の相対高さ情報を取得し、取得した相対高さ情報に基づいて、相対傾斜情報を検出するように構成されている。この構成によれば、外部装置に依存せず、相対傾斜情報を信頼性高く検出することができる。

図１６に示すように、傾斜検出部１６は、少なくとも１フレーム前の、左右方向の照射角度範囲の中心部における、上下方向の各照射角度Ｐｄ１、Ｐｄ２、・・・の距離の測定結果に基づいて、前方の地面の上下方向の相対高さ情報を算出する。この構成によれば、１フレームの全情報を用いる場合に比べ、中心部の少ない情報を用いるので、演算処理負荷を低減することができる。また、１フレーム前の情報を用いるので、最新の地面の状態を検出することができる。なお、傾斜検出部１６は、過去の複数のフレームの情報を用いて、平均化などの統計的な処理を行ってもよい。

図１７に示すように、三角関数から、車両の進行方向に平行な照射中心線に対する上下方向の照射角度Ｐｄ、及び検出した地面までの距離Ｌに基づいて、照射中心線に対する地面の高さＨを算出できる。傾斜検出部１６は、上下方向の各照射角度Ｐｄ１、Ｐｄ２、・・・について、照射角度及び距離の測定値に基づいて、照射中心線に対する地面の高さを算出する。

図１８に、上下方向の各照射角度Ｐｄ１、Ｐｄ２、・・・について、検出した地面までの距離と、照射中心線に対する地面の高さとの関係の例を示す。第１照射角度Ｐｄ１から第４照射角度Ｐｄ４までは、照射中心線に対する地面の高さが同じなので、その範囲の地面の相対傾斜角度がゼロであり、その範囲の地面の相対高さがゼロであると判定できる。一方、第５照射角度Ｐｄ５から第６照射角度Ｐｄ６では、次第に地面の高さが増加しており、その範囲の地面の相対傾斜角度がゼロよりも大きく、その範囲の地面の相対高さがゼロよりも大きいと判定できる。

＜相対傾斜情報の第１例＞
本実施の形態において、傾斜検出部１６が、相対傾斜情報として、自車両が位置する地面に対する、自車両の前方の距離測定範囲の地面の相対傾斜角度を検出するように構成されている場合について説明する。例えば、図１８に示すように、傾斜検出部１６は、自車両よりも判定距離だけ前方の地点に近い、２つの地面の距離の測定値と、それらに対応する２つの照射中心線に対する地面の高さと選択し、それら２つの点を結ぶ直線の照射中心線に対する傾きαを、相対傾斜角度として算出する。

＜相対傾斜情報の第２例＞
本実施の形態において、傾斜検出部１６が、相対傾斜情報として、自車両が位置する地面に対する、自車両よりも判定距離だけ前方の地面の上下方向の相対高さを検出するように構成されている場合について説明する。例えば、図１８に示すように、傾斜検出部１６は、自車両よりも判定距離だけ前方の地点に近い、２つの地面の距離の測定値と、それらに対応する２つの照射中心線に対する地面の高さと選択し、それら２つの点に基づいて、判定距離に対応する照射中心線に対する地面の高さを算出する。そして、傾斜検出部１６は、判定距離に対応する照射中心線に対する地面の高さから、自車両が位置する地面の照射中心線に対する高さを減算した高さβを、相対高さとして算出する。

＜制御挙動＞
図１９に、本実施の形態に係る、上下方向の照射角度範囲の移動制御を行った場合の挙動を示す。図１９（ａ）に示すように、前方の地面の傾斜がない場合は、照射角度Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３で地面を検出しているが、各照射角度Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３において検出した地面までの距離から、相対傾斜角度又は相対高さがゼロであると判定しており、照射角度範囲は、基準範囲に設定され、上側又は下側に移動されていない。上下方向の照射角度範囲は、適切に設定されている。

その後、図１９（ｂ）に示すように、自車両の前方の地面が傾斜し始め、図１８と同様に、照射角度Ｐｄ３、Ｐｄ４において傾斜している地面の距離が測定されている。その結果、相対傾斜角度又は相対高さがゼロより大きくなり、その後の演算周期で、図１９（ｃ）に示すように、照射角度範囲が上側に移動されており、上下方向の照射角度範囲が適切に設定される。なお、図１９（ｃ）の場合も、照射角度Ｐｄ１、Ｐｄ２において、現在の車両の進行方向に平行な照射中心線に対して、地面の傾きが検出されており、引き続き、照射角度範囲が上側に移動されており、上下方向の照射角度範囲が適切に設定されている。

一方、図１９（ｄ）に示すように、自車両が傾斜面を走行し始めると、照射中心線も傾斜面に平行なるため、相対傾斜角度又は相対高さがゼロであると判定し、照射角度範囲は、基準範囲に設定され、上側又は下側に移動されていない。上下方向の照射角度範囲は、適切に設定されている。このように、外部装置に依存せず、前方の地面の傾斜をリアルタイムに検出し、検出した地面の傾斜に応じて、上下方向の照射角度範囲を適切に設定することができる。

〔その他の実施の形態〕
最後に、本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。

（１）上記の各実施の形態においては、傾斜検出部１６は、カーナビゲーション装置３０又は距離算出部１５から取得した情報に基づいて、相対傾斜情報を検出するように構成されている場合を例に説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、傾斜検出部１６は、外部装置としての監視カメラ及びミリ波レーダの一方又は双方から、自車両が位置する地面に対する、自車両の前方の地面の上下方向の相対高さ情報を取得し、取得した相対高さ情報に基づいて、相対傾斜情報を検出するように構成されてもよい。

ミリ波レーダは、自車両の前方にミリ波を照射し、前方に存在する物体により反射された反射波を受信するまでの時間差及び照射方向等に基づいて、各照射角度に存在する地面までの距離を検出する。傾斜検出部１６は、自車両の進行方向に対する各照射角度と、各照射角度の地面の距離とに基づいて、実施の形態２と同様に、車両の前方の地面の上下方向の相対高さの情報を取得する。監視カメラは、カメラにより撮像した自車両の前方の画像に対して、公知の各種の画像処理を行って、画像の各点に存在する地面までの距離を検出する。傾斜検出部１６は、自車両の進行方向に対する各点の角度と、各点の地面の距離とに基づいて、実施の形態２と同様に、車両の前方の地面の上下方向の相対高さの情報を取得する。

（２）上記の各実施の形態においては、走査機構１２は、ＭＥＭＳミラー１２１を備えている場合を例に説明した。しかし、走査機構１２は、ＭＥＭＳミラー１２１以外の走査機構を備えてもよい。例えば、走査機構１２は、可動ミラーとして回転ポリゴンミラーを備え、上下方向の照射角度範囲が上側又は下側に移動するように、回転ポリゴンミラーの回転軸を傾ける機構等を備えていてもよい。

（３）上記の各実施の形態においては、微小ミラーは、ローレンツ力により可動される場合を例に説明した。しかし、微小ミラーの可動機構は、ローレンツ力のような電磁方式に限られるものではなく、圧電素子を利用した圧電方式、又はミラーと電極間の電位差による静電力を利用した静電方式とされてもよい。

（４）上記の各実施の形態においては、ＭＥＭＳミラー１２１を用い、図５に示すような走査を行って２次元走査を行う場合を例に説明した。しかし、ＭＥＭＳミラー１２１を用い、リサージュ走査又はラスタ走査を行って、２次元走査を行ってもよく、球面ミラーを用いて、歳差走査を行ってもよい。

（５）上記の各実施の形態においては、２つの回転軸回りにミラーを回転させるＭＥＭＳミラー１２１を用いて２次元走査させる場合を例に説明した。しかし、１つの回転軸回りにミラーを回転させるＭＥＭＳミラーを２つ用いて、２次元走査させるように構成されてもよい。

（６）上記の各実施の形態においては、１つのレーザ光源１１１のレーザ光を、ＭＥＭＳミラー１２１に反射させる場合を例に説明した。しかし、複数のレーザ光源１１１のレーザ光をＭＥＭＳミラー１２１に反射させるように構成されてもよい。

（７）上記の各実施の形態においては、光検出器１３１は、ＭＥＭＳミラー１２１及び集光ミラー１３３に反射した反射光Ｌ２を受光する場合を例に説明した。しかし、光検出器１３１は、物体に反射した反射光Ｌ２を直接受光するように構成されてもよい。

（８）上記の各実施の形態においては、インコヒーレント検波方式を用いてパルス光を送受するタイプであったが、コヒーレント検波方式を用いてパルス光を送受するタイプであってもよい。また、正弦波で強度変調されたレーザ光を送受するタイプであってもよく、インコヒーレントＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Waves)方式であっても、コヒーレントＦＭＣＷ方式であってもよい。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１０レーザ距離測定装置、１１レーザ光発生部、１２走査機構、１３受光部、１４走査制御部、１５距離算出部、１６傾斜検出部、２０制御装置、３０カーナビゲーション装置

本願に係るレーザ距離測定装置は、
レーザ光を出射するレーザ光発生部と、
自車両の前方に照射する前記レーザ光の照射角度を、前記自車両の進行方向に対して左右方向及び上下方向に変化させる走査機構と、
前記走査機構を制御して、前記自車両の進行方向に対する左右方向の照射角度範囲で前記レーザ光を走査させると共に、前記自車両の進行方向に対する上下方向の照射角度範囲で前記レーザ光を走査させる２次元走査を行う走査制御部と、
自車両の前方の物体に反射した前記レーザ光の反射光を受光し、受光信号を出力する受光部と、
出射した前記レーザ光、前記受光信号、及び前記照射角度に基づいて、前記照射角度に存在する物体までの距離を算出する距離算出部と、
前記自車両が位置する地面に対する、前記自車両の前方の地面の上下方向の相対傾斜情報を検出する傾斜検出部と、を備え、
前記走査制御部は、前記相対傾斜情報に応じて前記上下方向の照射角度範囲を上側又は下側に移動させ、
前記傾斜検出部は、前記左右方向の照射角度範囲の中心部における上下方向の各照射角度において、前記自車両の進行方向に平行な照射中心線に対する上下方向の照射角度、及び当該照射角度において検出した地面までの距離の測定結果に基づいて、前記照射中心線に対する地面の高さを算出し、
前記中心部における上下方向の各照射角度における算出結果から、前記自車両よりも判定距離だけ前方の地点に近い、２つの前記地面までの距離の測定結果と、それらに対応する２つの前記照射中心線に対する地面の高さと選択し、選択した２つの点に基づいて、前記判定距離における前記照射中心線に対する地面の高さを算出し、前記判定距離における前記照射中心線に対する地面の高さから、前記自車両が位置する地面の前記照射中心線に対する高さを減算した相対高さを、前記相対傾斜情報として算出するものである。

Claims

レーザ光を出射するレーザ光発生部と、
自車両の前方に照射する前記レーザ光の照射角度を、前記自車両の進行方向に対して左右方向及び上下方向に変化させる走査機構と、
前記走査機構を制御して、前記自車両の進行方向に対する左右方向の照射角度範囲で前記レーザ光を走査させると共に、前記自車両の進行方向に対する上下方向の照射角度範囲で前記レーザ光を走査させる２次元走査を行う走査制御部と、
自車両の前方の物体に反射した前記レーザ光の反射光を受光し、受光信号を出力する受光部と、
出射した前記レーザ光、前記受光信号、及び前記照射角度に基づいて、前記照射角度に存在する物体までの距離を算出する距離算出部と、
前記自車両が位置する地面に対する、前記自車両の前方の地面の上下方向の相対傾斜情報を検出する傾斜検出部と、を備え、
前記走査制御部は、前記相対傾斜情報に応じて前記上下方向の照射角度範囲を上側又は下側に移動させるレーザ距離測定装置。
前記傾斜検出部は、前記相対傾斜情報として、前記自車両が位置する地面に対する、前記自車両の前方の距離測定範囲の地面の相対傾斜角度を検出し、
前記走査制御部は、前記相対傾斜角度に応じて、前記上下方向の照射角度範囲を上側又は下側に移動させる請求項１に記載のレーザ距離測定装置。
前記傾斜検出部は、前記相対傾斜情報として、前記自車両が位置する地面に対する、前記自車両よりも判定距離だけ前方の地面の上下方向の相対高さ検出し、
前記走査制御部は、前記上下方向の相対高さに応じて、前記上下方向の照射角度範囲を上側又は下側に移動させる請求項１に記載のレーザ距離測定装置。
前記傾斜検出部は、外部装置としてのカーナビゲーション装置から、前記自車両が位置する地面及び前記自車両の前方の地面の高度情報又は傾斜情報を取得し、取得した前記高度情報又は前記傾斜情報に基づいて、前記相対傾斜情報を検出する請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ距離測定装置。
前記傾斜検出部は、外部装置としての監視カメラ及びミリ波レーダの一方又は双方から、前記自車両が位置する地面に対する、前記自車両の前方の地面の上下方向の相対高さ情報を取得し、取得した前記相対高さ情報に基づいて、前記相対傾斜情報を検出する請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ距離測定装置。
前記傾斜検出部は、前記距離算出部の距離の測定結果に基づいて、前記自車両が位置する地面に対する、前記自車両の前方の地面の上下方向の相対高さ情報を取得し、取得した前記相対高さ情報に基づいて、前記相対傾斜情報を検出する請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ距離測定装置。