JP2022524603A - センサ装置の熱調節 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの放射源（１０）で光線（１６）を生成して走査領域（１８）に放射し、走査領域（１８）で後方散乱または反射された光線（２２）を少なくとも１つの検出器（４）で検出して、検出器（４）と接続された制御装置（２６）で道路状態を判定するために分析する、道路状態を判定するためのセンサ装置（１）を動作させる方法方法であって、少なくとも１つのセンサ（１２、１４）によって、センサ装置（１）の少なくとも１つの部品（４、６、１０、１２、１４）に対する温度に依存する影響が検出され、センサ装置（１）の部品（４、６、１０、１２、１４）に対する温度に依存する影響は、加熱装置（２４）および／または冷却装置（２４）によって補償され、および／または制御装置（２６）によって分析の際に補償されるという方法が開示される。さらに、制御装置（２６）およびコンピュータプログラムが開示される。

Description

本発明は、少なくとも１つの放射源から光線が生成されて走査領域に放射され、その走査領域から後方散乱または反射された光線が少なくとも１つの検出器によって検出され、その検出器と接続された制御装置によって道路状態を判定するために分析される、道路状態を判定するためのセンサ装置を動作させる方法、制御装置およびコンピュータプログラムに関する。

高度に自動化された車両を安全に運転するためには、道路状態を正確に把握することが必要である。路面の摩擦係数は、特に車両のタイヤと路面との間にある中間媒体に影響される。

この種の中間媒体としては、例えば、路面の水、氷、雪、土などがあり得る。例えば、赤外波長域の光線を放射し、後方散乱または反射された光線を検出器で受信する光学センサによってそれらの媒体を検出することができる。その後、検出器の受信した測定データを分析して道路状態を取得することができる。

通常、半導体で構成される放射源に加えて、センサを構成する検出器やその他の部品にも温度依存性があり、この温度依存性は、センサの精度に影響を与える可能性がある。例えば、半導体光源の放射パワーは、温度の上昇とともに低下する場合がある。半導体光源の温度は、発光波長域にも影響を与える。検出器では、温度の上昇によってノイズ特性が悪影響を受けたり、温度の上昇とともに感度が低下したりする場合がある。

本発明の課題は、センサ装置の熱の影響を技術的に容易に補償する方法と制御装置を提案することにある。

この課題は、独立請求項のそれぞれの対象によって解決される。本発明の有利な実施形態は、それぞれの従属副請求項の対象である。

本発明の一態様によれば、道路状態を判定するためのセンサ装置を動作させる方法が提供される。センサ装置は、走査領域に放射されるべき光線を生成するための少なくとも１つの放射源を有する。走査領域で後方散乱または反射された光線は、少なくとも１つの検出器によって検出されて、その検出器と接続された制御装置によって道路状態を判定するために分析される。

センサ装置の少なくとも１つの部品に対する温度に依存する影響は、少なくとも１つのセンサによって検出され、そのセンサ装置の部品に対する温度に依存する影響は、加熱装置および／または冷却装置によって補償され、および／または制御装置によって分析の際に補償される。

本発明のさらなる一態様によれば、当該方法を実行するように構成された制御装置が提供される。

さらに、本発明の一態様によれば、制御装置によって実行されるときに、制御装置に当該方法を実行させる命令を含むコンピュータプログラムが提供される。

制御装置は、好ましくは、車両側の制御装置または装置側の制御装置とすることができる。特に、制御装置は、センサ装置のモジュール構成要素として構成され得る。

センサ装置は、好ましくは、車両またはインフラ設備と共に使用されて道路状態の判定を実行することができる。特に、この方法によって、センサ装置を広い温度範囲で一定の精度で動作させることができる。そのような温度範囲は、例えば－４０℃から＋８５℃とすることができる。

特に、この方法は、ドイツ連邦道路交通研究所の定義によれば、支援された、部分的に自動化された、高度に自動化された、および／または完全に自動化された、あるいはドライバ不要の方法で運転可能な車両に使用され得る。

加熱装置は、例えばペルチェ素子や電気抵抗ヒータなどとすることができる。冷却装置としては、パッシブヒートシンク、ファンによって冷却されるアクティブヒートシンク、液冷や水冷、吸収式冷却器、ペルチェ素子などが使用できる。ここで、ペルチェ素子は、制御装置と接続され、制御装置によって冷却モードまたは加熱モードに設定可能である、冷却加熱一体型装置として使用することができる。

熱の影響の補償は、分析のレベルで行うこともできる。例えば、補償はソフトウェアレベルで行うことも可能である。

これにより、例えば放射源、検出器、ダイオード、抵抗など、センサ装置の部品の温度に起因する変動や偏りを考慮したり、補償したりすることができる。

一実施形態によれば、センサ装置の部品は、熱伝導性が良好な少なくとも１つの回路基板上に配置されており、回路基板および／または回路基板上に配置された部品は、加熱装置および／または冷却装置によって熱調整される。このような回路基板は、熱エネルギーの放出に使用され得る。例えば、回路基板は金属製の回路基板とすることができる。このように、回路基板上に配置された部品の熱調整は、回路基板を介して行うことができる。例えば、このような温度安定化は、熱安定化されるべき部品にできる限り近い場所に配置された１つまたは複数のペルチェ素子によって行うことができる。特に、発熱素子および／または冷却素子は、センサ装置の部品と共に回路基板の共通面に配置することができ、または回路基板の第２の面に別々に配置することができる。

さらなる実施形態によれば、少なくとも１つの放射源および／または回路基板および／または検出器の温度は、少なくとも１つの温度センサにより測定されて制御装置に受信される。温度センサは、例えば、熱電対、パイロメータ、抵抗センサなどとすることができる。特に、温度センサは、それぞれの部品および／または部品の領域にある回路基板の温度を測定することができる。温度センサの検出された測定データは、制御装置に受信され、道路状態を判定するためのデータの分析に使用され得る。

さらなる実施形態によれば、温度は、生成された光線の放射パワーを検出するための数学的関数および／またはシミュレーションおよび／または温度－放射パワー特性曲線において使用される。路面の状態を判定する際に、強度を間違いなく正確に分析するためには、送出される放射パワーを把握することが不可欠である。

センサ装置に使用される光源または放射源の温度－放射パワー特性曲線は、例えば補間によってアクセス先のテーブルに格納され得る。それぞれの放射源の温度を測定することで、既知の温度で較正された値に対する、放射源の放射パワーの温度による偏りを算出することができる。また、テーブルに代わって、または追加的に、放射源の放射パワーを温度に基づいて計算することができる。これは、アルゴリズムやシミュレーションモデルなどで行うことができる。このように、温度測定に基づく部品への熱の影響を、制御装置によって道路状態判定の際に考慮することができる。

さらなる実施例では、測定された温度は、放射源の温度に依存する波長偏位を考慮するため、および／または検出器への熱の影響を考慮するために使用される。同様に、検出器には、典型的には、例えば量子効率やフォトダイオードのシャント抵抗などの温度効果がある。少なくとも１つの検出器の測定された温度は、検出器の検出された測定値を補正し、ひいては測定精度を高めることができる。

放射源から光線が放射される際の温度による中心波長の波長偏位、すなわちいわゆる波長シフトは、ソフトウェアベースで制御装置によりアルゴリズムにおいて考慮することができ、および／または、ハードウェアベースで加熱装置および／または冷却装置により放射源の温度を調整することで対処することができる。

特に、要求される温度範囲において、制御装置による道路状態の判定のためのアルゴリズムが適応できない場合は、加熱装置および／または冷却装置による温度補償が必要になることがある。

さらなる実施例では、生成された光線の放射パワーは強度センサにより測定されて制御装置にて受信される。放射源の温度を測定して放射パワーを間接的に検出する代わりに、少なくとも１つの強度センサにより放射パワーを直接検出してもよい。強度センサは、例えばフォトダイオード、ＣＭＯＳセンサ、ＣＣＤセンサなどとすることができる。このように、光線を地表に送る前に、または送らずに、強度センサで放射パワーを直接測定することができる。

強度の温度補償は、強度変化による偏差をコンピュータプログラムで十分に考慮できなくなった場合にのみ必要である。これは、例えば、信号対雑音比の低いしきい値を信号が下回った場合に行われる場合がある。さらに、コンピュータプログラムに入力されるデータの精度に対する要求が、温度補償なしで達成される精度よりも高い場合には、温度補償が必要になる場合がある。好ましくは、センサ装置の温度安定化は、目の安全性に関する安全規制を遵守するために、代替的または追加的に使用され得る。

光源の光量を測定するモニターフォトダイオードのようなものを用いて、光線の放射強度を決定し、基準信号として制御装置に転送してもよい。

さらなる実施形態によれば、生成された光線の放射パワーは、放射源で直接的に、光伝搬接続部を介して間接的に、および／または放射源の散乱放射で、強度センサにより測定される。技術的に容易な構成では、強度センサを放射源のすぐ近くに位置決めして、放射源の放射光および／または散乱光の一部を使用して放射パワーを検出することができる。さらに、少なくとも１つの放射源から強度センサへの光伝搬接続部を確立することができる。これは、例えば、ビームスプリッタ、ライトガイドなどで実現することができる。

さらなる実施形態によれば、強度センサの温度依存性は、数学的関数および／または比較テーブルによって補償される。これにより、フォトダイオード特性の温度依存が信号へ与える影響を補償することができる。例えば、このような考慮は、波長に依存する温度－感度特性曲線によって行うことができる。このような考慮は、検出器の感度範囲の端に位置しない波長範囲に対して特に有利である。

本発明のさらなる一態様によれば、センサ装置が提供され、このセンサ装置は、当該方法を実行するための制御装置と接続可能である。センサ装置は、光線を生成して走査領域に放射するための少なくとも１つの放射源と、走査領域で反射または散乱した光線を受信するための少なくとも１つの検出器とを有する回路基板を備える。センサ装置への熱の影響は、少なくとも１つのセンサによって検出可能である。特に、センサ装置の部品への熱の影響を検出可能である。センサ装置の部品は、例えば、ＬＥＤや半導体レーザなどの放射源、検出器、抵抗、フォトダイオードなどとすることができる。

センサ装置は、好ましくは制御装置による道路状態の判定を実行するための測定データを供給することができる。少なくとも１つのセンサは、温度センサおよび／または強度センサとすることができる。これにより、温度および／または放射源への温度の影響は、センサ装置の少なくとも１つのセンサによって検出され得る。部品への熱の影響を把握することで、これらの影響を補償することができる。

一実施例によると、少なくとも１つのセンサは、温度センサおよび／または強度センサとして構成されている。これにより、部品の動作温度の変化による直接的または間接的な影響を検出することができる。代替的または追加的に、少なくとも１つの放射源は、温度に依存しない中心波長を有することができる。特に、少なくとも１つの放射源の放射パワーのみが温度に依存してもよく、したがって、放射パワーの補償のみが必要となる。このような放射源は、例えばＤＦＢレーザとして実現できる。これにより、波長偏位の補償が不要になり得る。

さらなる実施例によると、少なくとも１つの迷光シールドが、少なくとも１つの検出器の領域に配置されている。好ましくは、迷光シールドは、端部側での、または横方向の迷光入射から検出器を保護することができる。これにより、検出器は放射源に隣接して配置できるため、センサ装置は特にコンパクトな構成にすることができる。

さらなる実施形態によると、走査領域で反射または後方散乱した光線の光路に、少なくとも１つのバンドパスフィルタが配置されている。少なくとも１つのバンドパスフィルタは、検出器の前または少なくとも１つの放射源の後ろの光路に配置され得る。

好ましくは、複数の所望の狭波長域を透過させるバンドパスフィルタを検出器の前に配置することができる。このような多波長バンドパスフィルタを用いることで、本実施形態で使用する部品点数を削減することができる。このようなバンドパスフィルタでは、それぞれ１つのフィルタを有する複数の検出器の使用や、例えばファブリ・ペローフィルタによるようなフィルタの経時変化をなくすことができる。

さらなる実施形態によれば、少なくとも１つのバンドパスフィルタは、検出器の迷光シールドに配置されており、バンドパスフィルタ、迷光シールドおよび検出器は互いに接続されている。これにより、コンパクトな検出器ユニットを実現することができる。迷光シールドは、少なくとも片側が開口したハウジングとして実現することができる。迷光シールドの開口側は、少なくとも１つのバンドパスフィルタで覆うことができる。少なくとも１つの検出器は、迷光シールド内に位置決めされ得る。

さらなる構成では、例えばＬＥＤのような比較的広帯域の光源を放射源として使用することもできる。これらは、十分な近似で温度に依存しない波長域を透過させる狭帯域バンドパスフィルタと組み合わせることができる。その結果として得られる放射パワーは変化するが、バンドパスフィルタから検出器への透過波長域はもはや変化しない。

本発明の好ましい実施例について、高度に簡略化した概略図を参照して詳述する。

一実施形態にかかるセンサ装置の概略上面図である。 図１のセンサ装置の概略断面図である。

図１では、一実施形態にかかるセンサ装置１の概略上面図が示されている。センサ装置１は、回路基板２を有する。

回路基板２は、例示的に正方形の形状をしており、例えば金属などの熱伝導性の良好な材料で作製されている。これにより、回路基板２の熱伝導率を高めることができる。

センサ装置１の回路基板２上には、中央に検出器４が配置されている。検出器４は、例えば、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、またはＰＩＮフォトダイオードなどのフォトダイオードとして実現できる。検出器４の周囲には、迷光シールド６が周方向に配置されている。検出器４が円筒形状を有する場合、迷光シールド６は筒状であり、検出器４をその内側で形状嵌合的に収容する。迷光シールド６は、検出器４の設計によって異なる場合がある。例えば、表面実装部品構造の検出器４の場合、迷光シールド６は、正方形または長方形の形状を有することができる。代替的に、または追加的に、迷光シールド６は、すでに検出器４に組み込まれている場合もある。迷光シールド６は、検出器４を半径方向Ｒに、または検出器４の外側面Ｍに沿って制限している。検出器４は、例えばレンズなどの、独自の受信光学系または統合型受信光学系を有していてもよい。

軸方向Ａにおいて、迷光シールド６は検出器４よりも突出していてもよい。その端部で、迷光シールド６上にバンドパスフィルタ８が配置されている。これにより、特定の波長の入射光のみが、バンドパスフィルタ８を透過して検出器４へ伝搬する。

センサ装置１は、さらに、回路基板２上に一列に配置された４つの放射源１０を有する。放射源１０は、回路基板２上に任意の数、任意の形状で配置され得る。例えば、放射源１０を１つだけ設けてもよい。代替的または追加的に、複数の放射源１０を迷光シールド８の周囲に円環状に配置することができる。本実施形態によれば、放射源１０は、赤外線ＬＥＤとして実現されている。放射源１０は、連続的または順番に交互に動作させたり、停止させたりすることができる。

放射源１０に隣接するように温度センサ１２および強度センサ１４が回路基板上に配置されている。温度センサ１２は、例えば、回路基板２と熱伝導的に接続された抵抗温度センサとして実現されている。温度センサ１２は放射源１０に直接配置されているため、温度センサ１２によって放射源１０の温度を監視することができる。

強度センサ１４は、モニターフォトダイオードとして実現されており、放射源１０から放射される散乱光を測定することができるので、放射源１０の放射パワーの監視に利用され得る。

図２には、図１のセンサ装置１が横方向断面図で示されている。これにより、検出器４の周りにおける迷光シールド８の形状嵌合的な配置を説明することができる。

放射源１０は、走査領域１８に放射されるべき光線１６を生成する。生成された光線１６は、放射される前に１つまたは複数の光学系によって形状調整されてもよい。

走査領域１８では、生成された光線１６が、例えば物体や道路などの障害物２０に照射される場合がある。障害物２０では、生成された光線１６がセンサ装置１に向けて反射したり、後方散乱したりし得る。そして、センサ装置１に向けて反射または後方散乱した光線２２は、バンドパスフィルタ８で遮断されたり、バンドパスフィルタを透過して検出器４へ伝搬したりし得る。

本実施例によれば、回路基板２は温度安定性をもつように構成されている。このために、回路基板２の裏面にはペルチェ素子２４が配置されている。ペルチェ素子２４は、回路基板２および回路基板２上に配置された部品４、６、１０、１２、１４の温度を調整するための冷却素子および加熱素子として機能する。

検出器４へ伝搬した光線２２は、電気信号に変換され、制御装置２６で受信され得る。制御装置２６は、回路基板２の導体路３に接続されており、部品４、６、１０、１２、１４、２４に対する読み出しや駆動制御を行うことができる。これにより、制御装置２６は、センサまたは検出器４、１２、１４の測定値を受信し、分析することができる。これに並行して、制御装置２６は、放射源１０およびペルチェ素子２４を駆動制御および調整することができる。

制御装置２６は、機械読み取り可能な記憶媒体２８を有し、この記憶媒体は、センサ装置１を動作させるためのプログラムを有する。

これにより、制御装置２６は、特に、検出器４の測定値に基づいて、道路状態の判定を実行することができる。温度センサ１２および強度センサ１４の測定値は、制御装置２６によって、検出器４および放射源１０への熱の影響の補償を実行するために使用され得る。

熱の影響は、制御装置２６による分析の際や、ペルチェ素子２４による温度調整の際に考慮することができる。

Claims (15)

1. 少なくとも１つの放射源（１０）で光線（１６）を生成して走査領域（１８）に放射し、前記走査領域（１８）で後方散乱または反射された光線（２２）を少なくとも１つの検出器（４）で検出して、前記検出器（４）と接続された制御装置（２６）で道路状態を判定するために分析する、道路状態を判定するためのセンサ装置（１）を動作させる方法であって、
   少なくとも１つのセンサ（１２、１４）によって、前記センサ装置（１）の少なくとも１つの部品（４、６、１０、１２、１４）に対する温度に依存する影響が検出され、
   前記センサ装置（１）の前記部品（４、６、１０、１２、１４）に対する前記温度に依存する影響は、加熱装置（２４）および／または冷却装置（２４）によって補償され、および／または前記制御装置（２６）によって分析の際に補償される、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記センサ装置（１）の前記部品（４、６、１０、１２、１４）は、熱伝導性を有する少なくとも１つの回路基板（２）上に配置されており、前記回路基板（２）および／または前記回路基板（２）上に配置された前記部品（４、６、１０、１２、１４）は、前記加熱装置（２４）および／または前記冷却装置（２４）によって熱調整される、請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの放射源（１０）および／または前記回路基板（２）および／または前記検出器（４）の温度は、少なくとも１つの温度センサ（１２）により測定されて前記制御装置（２６）に受信される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記温度は、当該生成された光線（１６）の放射パワーを検出するための数学的関数および／またはシミュレーションおよび／または温度－放射パワー特性曲線において使用される、請求項３に記載の方法。
5. 当該測定された温度は、前記放射源（１０）の温度に依存した波長偏位を考慮するため、および／または前記検出器（４）への熱の影響を考慮するために使用される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 当該生成された光線（１６）の放射パワーは強度センサ（１４）により測定されて前記制御装置（２６）に受信される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 当該生成された光線（１６）の放射パワーは、前記放射源（１０）で直接的に、光伝搬接続部を介して間接的に、および／または前記放射源（１０）の散乱放射で、前記強度センサ（１４）により測定される、請求項６に記載の方法。
8. 前記強度センサ（１４）の温度依存性は、数学的関数および／または比較テーブルを用いて補償される、請求項６または７に記載の方法。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を実行するための制御装置（２６）と接続可能なセンサ装置（１）であって、
   光線（１６）を生成し当該光線（１６）を走査領域（１８）に放射するための少なくとも１つの放射源（１０）と、前記走査領域（１８）で反射または散乱した光線（２２）を受光するための少なくとも１つの検出器（４）とを有する回路基板を備え、
   前記センサ装置（１）への熱の影響が、少なくとも１つのセンサ（１２、１４）によって検出可能であることを特徴とするセンサ装置。
10. 前記少なくとも１つのセンサ（１２、１４）は、温度センサ（１２）および／または強度センサ（１４）として構成され、前記少なくとも１つの放射源（１０）は、温度に依存しない中心波長を有する、請求項９に記載のセンサ装置。
11. 少なくとも１つの迷光シールド（６）が、前記少なくとも１つの検出器（４）の領域に配置されている、請求項９または１０に記載のセンサ装置。
12. 前記走査領域（１８）で反射または後方散乱した光線（２２）の光路に、少なくとも１つのバンドパスフィルタ（８）が配置されている、請求項９から１１のいずれか一項に記載のセンサ装置。
13. 前記少なくとも１つのバンドパスフィルタ（８）は、前記検出器（４）の前記迷光シールド（６）に配置されており、前記バンドパスフィルタ（８）、前記迷光シールド（６）および前記検出器（４）は互いに接続されている、請求項９から１２のいずれか一項に記載のセンサ装置。
14. 請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成された制御装置（２６）。
15. 機械読み取り可能な記憶媒体（２８）に格納されたコンピュータプログラムであって、制御装置（２６）によって実行されるときに、前記制御装置（２６）に請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を実行させる命令を含むコンピュータプログラム。
    

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