JP2023027552A - 方向推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】虚像を含む光源の方向を検出することができる方向推定装置を提供する。
【解決手段】方向推定装置１は、スカラー量である光源の照度を検出する検出面２１～検出面２３を有し、それぞれの検出面２１～検出面２３を延長した面が互いに直交せず、かつ基準として定めた基準平面４とそれぞれの検出面２１～検出面２３を延長した面が交差し、かつそれぞれの検出領域２１０～検出領域２３０の一部が重なるように配置された第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃと、第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃのそれぞれが検出した照度に基づいて光源の三次元的な方向を推定する制御部３と、を備えて概略構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、方向推定装置に関する。

従来の技術として、日時情報、ＧＰＳ（Global Positioning System）によって検出された位置情報、傾斜情報、及び基準データに基づいて、車両に対する太陽の位置を算出する演算手段と、太陽位置情報及び照度センサによって検出された照度に基づいて、遮光手段による入射光量の調整を制御する制御手段と、を備えた車両用窓遮光装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この車両用窓遮光装置は、太陽との相対的な位置関係が時々刻々と変化する車両の窓について、太陽光線の入射を自動的に調整することができる。

特開２００５－３４９９２９号公報

従来の車両用窓遮光装置は、ＧＰＳの位置情報を用いて太陽の位置を算出するが、周囲の建物の窓ガラスなどの反射によって生じる太陽の虚像や夜間の車両のヘッドライトなどの検出対象の方向を検出することができない。

従って本発明の目的は、検出対象の方向を検出することができる方向推定装置を提供することにある。

本発明の一態様は、スカラー量である検出対象の物理量を検出する検出面を有し、少なくとも３つの検出面を延長した面が互いに直交せず、かつ基準として定めた基準平面とそれぞれの検出面を延長した面が交差し、かつそれぞれの検出領域の一部が重なるように配置された少なくとも３つ以上の検出部と、少なくとも３つ以上の検出部のそれぞれが検出した物理量のうち、選択された３つの物理量に基づいて検出対象の三次元的な方向を推定する推定部と、を備えた方向推定装置を提供する。

本発明によれば、検出対象の方向を検出することができる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、方向推定装置の照度センサの配置の一例について説明するための図であり、図１（ｃ）は、方向推定装置のブロック図の一例である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、方向推定装置の配置の一例を説明するための車両の図である。 図３（ａ）は、照度のコサイン特性の一例を説明するための図であり、図３（ｂ）は、方向推定装置が推定する光源の一例を示す図である。 図４は、方向推定装置の動作の一例を示すフローチャートである。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る方向推定装置は、スカラー量である検出対象の物理量を検出する検出面を有し、少なくとも３つの検出面を延長した面が互いに直交せず、かつ基準として定めた基準平面とそれぞれの検出面を延長した面が交差し、かつそれぞれの検出領域の一部が重なるように配置された少なくとも３つ以上の検出部と、少なくとも３つ以上の検出部のそれぞれが検出した物理量のうち、選択された３つの物理量に基づいて検出対象の三次元的な方向を推定する推定部と、を備えて概略構成されている。

この方向推定装置は、例えば、スカラー量である物理量として照度を検出する場合、この照度に基づいて検出対象の三次元的な方向を推定することができるので、ＧＰＳを用いて検出対象の位置を推定する場合と比べて、周囲の建物の窓ガラスなどの反射によって生じる太陽の虚像や夜間の車両のヘッドライトなどの検出対象の方向を推定することができる。

[実施の形態]
（方向推定装置１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係る方向推定装置の一例を示す図であり、図１（ｂ）は、方向推定装置の配置の一例について説明するための上面図であり、図１（ｃ）は、方向推定装置のブロック図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態に係る方向推定装置の配置の一例を説明するための車両の上面図であり、図２（ｂ）は、方向推定装置の配置の一例を説明するための車両内部の図である。図３（ａ）は、照度のコサイン特性の一例を説明するための図であり、図３（ｂ）は、実施の形態に係る方向推定装置が推定する光源の一例を示す図である。

なお以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率や形状は、実際の比率や形状とは異なる場合がある。また図１（ｃ）では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。

方向推定装置１は、スカラー量である検出対象の物理量を検出する検出面を有し、少なくとも３つの検出面を延長した面が互いに直交せず、かつ基準として定めた基準平面とそれぞれの検出面が交差し、かつそれぞれの検出領域の一部が重なるように配置された少なくとも３つ以上の検出部と、少なくとも３つ以上の検出部のそれぞれが検出した物理量のうち、選択された３つの物理量に基づいて検出対象の三次元的な方向を推定する推定部としての制御部３と、を備えて概略構成されている。

本実施の形態の検出対象は、光源である。そして検出部は、スカラー量である検出対象の物理量として光源の照度を検出する照度センサである。本実施の形態の検出部は、一例として、図１（ａ）～図１（ｃ）に示すように、第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃである。なお検出対象の物理量は、照度に限定されず、磁束などのスカラー量であっても良い。

従って本実施の形態の方向推定装置１は、図１（ａ）～図１（ｃ）に示すように、スカラー量である光源の照度を検出する検出面２１～検出面２３を有し、それぞれの検出面２１～検出面２３を延長した面が互いに直交せず、かつ基準として定めた基準平面４とそれぞれの検出面２１～検出面２３を延長した面が交差し、かつそれぞれの検出領域２１０～検出領域２３０の一部が重なるように配置された第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃと、第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃのそれぞれが検出した照度に基づいて光源の三次元的な方向を推定する推定部としての制御部３と、を備えて概略構成されている。

第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃは、一例として、図１（ａ）に示すように、基準平面４の上に配置されている。この基準平面４は、例えば、方向推定装置１が配置される配置先の面である。

方向推定装置１は、一例として、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、車両７の天井７０や車内のダッシュボード７２の上であるがこれに限定されず、他の位置であっても良い。また方向推定装置１は、ダッシュボード７２の上面からフロントウインドウ７１側に傾けて主な光源の方向に向けて配置されても良い。

この方向推定装置１は、虚像を含む光源の方向を推定し、推定した光源の方向と照度の情報を照度情報Ｓ_４として車両７の表示装置７５に出力するように構成されている。表示装置７５は、一例として、光源の方向と照度に基づいてユーザが視認し易いように表示画面の輝度やコントラストなどを調整する。

表示装置７５は、例えば、図２（ｂ）に示すように、ヘッドアップディスプレイ７３や空中に像を結像する空中ディスプレイ７４である。ヘッドアップディスプレイ７３は、前方の視界が確保できるように透明な表示部７３ａやフロントウインドウ７１の表示領域７３ｂに画像を表示するように構成されている。空中ディスプレイ７４は、ダッシュボード７２上の空中に画像を表示する。

方向推定装置１は、ダッシュボード７２に配置される場合、ヘッドアップディスプレイ７３や空中ディスプレイ７４の近傍に配置される。これらの表示装置７５は、センターコンソールなどに配置される場合と比べて、太陽や他の車両のヘッドライトの光の入射によって視認性が低下し易い。表示装置７５は、方向推定装置１から所得した車両７に対する光源や虚像の方向に基づいて表示部７３ａ、表示領域７３ｂや空中ディスプレイ７４に光が入射すると判定すると、これらを調整する。なお表示装置７５は、センターコンソールやインストルメントパネルに配置されたメインディスプレイやサブディスプレイであっても良い。

ヘッドアップディスプレイ７３の表示部７３ａが車両７に配置される場合、ヘッドアップディスプレイ７３は、光の入射が判定されると、表示部７３ａの輝度やコントラストなどを調整して視認性の低下を抑制する。

またヘッドアップディスプレイ７３が表示領域７３ｂに画像を表示する場合、ヘッドアップディスプレイ７３は、光の入射が判定されると、表示領域７３ｂの輝度やコントラストを調整し、表示領域７３ｂが移動可能な場合、表示位置を移動させ、視認性の低下を抑制する。

さらに空中ディスプレイ７４が車両７に配置される場合、空中ディスプレイ７４は、光の入射が判定されると、輝度やコントラストを調整しても良いし、表示位置が移動可能な場合、表示位置を移動させ、視認性の低下を抑制する。

（第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃの構成）
第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃは、主にフォトダイオードを有して構成されている。第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃは、それぞれの検出面２１～検出面２３に入射する光の照度を検出して照度の情報である照度情報Ｓ_１～照度情報Ｓ_３を生成して制御部３に出力する。

照度センサの検出範囲は、主に検出面の上方である。図１（ａ）に示す第１の照度センサ２ａの検出範囲２１０～第３の照度センサ２ｃの検出範囲２３０は、照度が同じ場合、検出面の中央の法線方向が最も照度が高く、当該法線方向から検出面に向かって傾くにつれて照度が低くなることを示している。この照度センサの特性は、照度のコサイン特性と呼ばれる。

図３（ａ）に示すように、円柱状の光束Φ_ａの平行光が基準平面４に垂直に入射する場合、その照度Ｅ_ａは、照射面積Ａ_ａを用いて以下の式で示される。
Ｅ_ａ＝Φ_ａ／Ａ_ａ
また円柱状の光束Φ_ｂの平行光が基準平面４に対して入射角θで入射する場合、その照度Ｅ_ｂは、照射面積Ａ_ａと照射面積Ａ_ｂの関係がＡ_ａ／Ａ_ｂ＝Ｃｏｓθであることから以下の式で示される。
Ｅ_ｂ＝Φ_ｂ／Ａ_ｂ＝Ｅ_ａＣｏｓθ
なお光束Φ_ｂは、斜めに入射するだけで変化しないのでΦ_ａと等しい。
またＣｏｓθは、０＜Ｃｏｓθ≦１である。

照度は、垂直入力する場合より斜め方向から入射する方が基準平面４を照らす照射面積が広くなるので低くなる。斜め方向から照明した際の照度Ｅ_ｂは、基準平面４の垂直方向から照明した際の照度Ｅ_ａのＣｏｓθ倍となる。

照度センサは、ベクトル量ではなく、スカラー量として照度を検出するものであるので、光源の方向の情報を含んでいない。従って制御部３は、後述する推定方法によってスカラー量である照度を用いて光源の方向を推定するように構成されている。

なお検出範囲２１０～検出範囲２３０は、一例として、図１（ａ）に示すように、検出面２１～検出面２３０を延長した円形の面を有している。この面が互いに直交せず、かつ面が交差している。この検出範囲２１０～検出範囲２３０は、その一部が重なり重領域２５を形成している。第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃは、重領域２５が形成されるように配置される。

・第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃの配置について
第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃは、一例として、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、基準平面４の法線ベクトル４０の方向をＺ軸とし、基準平面４内にＸＹ軸を有する球面座標系を設定した場合、それぞれの検出面２１～検出面２３の法線ベクトル２１ａ～法線ベクトル２３ａとＺ軸とのなす角度θ_１～角度θ_３がそれぞれ等しく、かつそれぞれの検出面２１～検出面２３の法線ベクトル２１ａ～法線ベクトル２３ａをＸＹ平面に投影した投影ベクトル２１ｂ～投影ベクトル２３ｂ間の角度φ_１～角度φ_３が１２０°間隔となるように配置される。

角度φ_１は、図１（ｂ）に示すように、投影ベクトル２１ｂと投影ベクトル２２ｂの間の角である。角度φ_２は、投影ベクトル２２ｂと投影ベクトル２３ｂの間の角である。角度φ_３は、投影ベクトル２３ｂと投影ベクトル２１ｂの間の角である。

角度φ_１～角度φ_３は、検出範囲２１０～検出範囲２３０当たりの光源方向の誤差が抑制されるため、１２０°間隔とされることが好ましいが光源の方向が限定されている場合、その方向の感度が高くなるように間隔を狭めても良い。

角度θ_１～角度θ_３は、検出領域２１０～検出範囲２３０が重領域２５を形成するため、つまり検出面２１～検出面２３が法線ベクトル４０側に傾くように配置されるため、０°より大きく、９０°より小さい角度となるように配置されることが好ましい。

また角度θ_１～角度θ_３は、角度を大きくすることで、検出領域２１０～検出範囲２３０が狭くなる代わりに推定する方向の角度誤差を抑制することができる。また第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃは、検出対象の照度Ｅ_０が近い値となり、近い光源の方向の推定に有利なことから可能な限り近づけて配置されることが好ましい。

（制御部３の構成）
制御部３は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部３が動作するためのプログラムが格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。また制御部３は、その内部にクロック信号を生成する手段を有し、このクロック信号に基づいて動作を行う。

制御部３は、照度しきい値３０を有している。制御部３は、第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃの少なくとも１つの照度センサが照度しきい値３０以上の照度を検出した場合、光源の方向を推定し、光源の方向と照度の情報を含む照度情報Ｓ_４を生成して表示装置７５に出力する。

・光源の方向の推定方法について
図３（ｂ）に示すように、光源９０が太陽である場合、車両７には、一例として、光源９０からの直接光９００や建物８１に反射した反射光９１０などが入射する。光源９０の大部分が建物８０に隠れている場合、直接光９００が殆ど車両７に入射せず、建物８１に反射して車両７に到達する反射光９１０の照度が直接光９００の照度よりも高いことがある。

この際、建物８１の壁や窓ガラスには、光源９０の虚像９１が生じる。方向推定装置１は、光源９０よりも虚像９１の方の照度が高い場合、スカラー量である照度を用いて虚像９１の方向を以下に示す推定方法により推定することができる。

制御部３は、第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃが検出した３つの照度Ｅ_１～照度Ｅ_３と、光源から出力される光のベクトル（単位光ベクトルν_０）と第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃの検出面２１～検出面２３のそれぞれの法線ベクトル（単位法線ベクトルν_ｉ）の内積と、を用いて光のベクトルを算出して光源の方向を推定するように構成されている。以下では、具体的な推定方法について説明する。

光源の単位光ベクトルν_０（絶対値１）は、以下の式１で表すことができる。このν_０は、一例として、図３（ｂ）に示す反射光９１０と同じ方向のベクトルである。

ａ_０、ｂ_０、ｃ_０は、基準平面４に設定したＸＹＺ座標における成分である。
また第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃの単位法線ベクトルν_ｉ（絶対値１：ｉ＝１、２、３）は、以下の式２で表すことができる。

単位光ベクトルν_０と単位法線ベクトルν_ｉのなす角度をθ_ｉ（ｉ＝１、２、３）とすると、Ｃｏｓθ_ｉは、ベクトルの内積（ν_０・ν_ｉ＝｜ν_０｜・｜ν_ｉ｜Ｃｏｓθ_ｉ：ただし｜ν_０｜＝１、｜ν_ｉ｜＝１）をとることで次の式で表すことができる。

Ｃｏｓθ_ｉ＝ａ_０ａ_ｉ＋ｂ_０ｂ_ｉ＋ｃ_０ｃ_ｉ

θ_ｉ＝０の際の光源の照度をＥ_０、第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃが検出する照度をＥ_ｉとすると、上述した照度のコサイン特性より、照度Ｅ_０と照度Ｅ_ｉには、以下の関係がある。

Ｅ_ｉ＝Ｅ_０Ｃｏｓθ_ｉ

この照度Ｅ_ｉの式は、以下の式３として書くことができる。

さらに式３は、以下の式４に変形することができる。

照度Ｅ_０は、スカラー量であるので、左辺中央の行列をＡ、行列Ａの逆行列をＡ^－１、左辺の右の行列をν_０として逆行列Ａ^－１を式４の左から乗算すると以下の式５が得られる。なお式５は、左辺と右辺を入れ替えている。

この式５により、光源の単位光ベクトルν_０の未知の成分（ａ_０，ｂ_０，ｃ_０）は、測定値であってスカラー量である照度Ｅ_１～照度Ｅ_３を用いて推定することができる。なお照度Ｅ_０は、θ_ｉ＝０の際の照度であるがスカラー量であるので、方向の推定には問題がない。

制御部３は、以上に示した推定方法により、虚像を含めた光源の方向を推定することができる。

以下に本実施の形態の方向推定装置１の動作の一例について図４のフローチャートに従って説明する。

（動作）
方向推定装置１の制御部３は、第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃから照度情報Ｓ_１～照度情報Ｓ_３を取得する（Ｓｔｅｐ１）。制御部３は、取得した照度情報Ｓ_１～照度情報Ｓ_３と照度しきい値３０とを比較して測定された照度が照度しきい値３０以上となるか監視する。

制御部３は、照度が照度しきい値３０以上となった場合（Ｓｔｅｐ２：Ｙｅｓ）、上述の推定方法に基づいて光源の方向を推定する（Ｓｔｅｐ３）。

制御部３は、照度と推定した光源の方向の情報を含む照度情報Ｓ_４を生成し、表示装置７５に出力する（Ｓｔｅｐ４）。

ここでステップ２において制御部３は、照度が照度しきい値３０以上とならなかった場合（Ｓｔｅｐ２：Ｎｏ）、ステップ１に処理を進める。制御部３は、照度が照度しきい値３０以上となるまでステップ１とステップ２を繰り返し行う。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る方向推定装置１は、虚像を含む光源の方向を推定することができる。この方向推定装置１は、第１の照度センサ２ａ～第３の照度センサ２ｃが検出したスカラー量である照度に基づいて光源の位置を推定するので、ＧＰＳを用いて太陽の方向を算出する場合と比べて、光源のみならず光源の虚像の方向を推定することができる。

方向推定装置１は、光源のみならず光源の虚像の方向を推定することができるので、虚像の方向を推定できない場合と比べて、ユーザが車内にいても車外にいても表示装置７５の視認性の低下を抑制することができる。

方向推定装置１は、太陽のみならず、他の車両のヘッドライトの方向も推定することができるので、この構成を採用しない場合と比べて、夜間の走行において視認性の低下を抑制することができる。

他の実施の形態の方向推定装置１は、制御部３が４つ以上の照度センサが配置された場合、隣接した照度センサ間で比較し、検出した照度の差分が大きい順に３つの照度センサを選択し、選択した照度センサに応じて検出対象の三次元的な方向を推定するように構成されている。

制御部３は、いずれかの照度センサが検出した照度が照度しきい値３０以上となった場合、差分が大きい３つの照度センサを選択する。そして制御部３は、選択した３つの照度センサが検出した３つの照度に基づいて上述の推定方法を用いて光源の方向を推定して照度情報Ｓ_４を生成する。

この実施の形態の方向推定装置１は、４つ以上の照度センサから３つの照度センサを選択して光源の方向を推定するので、この構成を採用しない場合と比べて、光源の方向をより精度良く推定することができる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。また、これら実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、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。

１…方向推定装置、２ａ～２ｃ…第１の照度センサ～第３の照度センサ、３…制御部、４…基準平面、２１～２３…検出面、２１ａ～２３ａ…法線ベクトル、２１ｂ～２３ｂ…投影ベクトル、２１０～２３０…検出領域

Claims (5)

1. スカラー量である検出対象の物理量を検出する検出面を有し、少なくとも３つの前記検出面を延長した面が互いに直交せず、かつ基準として定めた基準平面とそれぞれの前記検出面を延長した面が交差し、かつそれぞれの検出領域の一部が重なるように配置された少なくとも３つ以上の検出部と、
   前記少なくとも３つ以上の前記検出部のそれぞれが検出した前記物理量のうち、選択された３つの前記物理量に基づいて前記検出対象の三次元的な方向を推定する推定部と、
   を備えた方向推定装置。
2. 前記検出部は、前記基準平面の法線ベクトルの方向をＺ軸とし、前記基準平面内にＸＹ軸を有する球面座標系を設定した場合、それぞれの前記検出面の法線ベクトルと前記Ｚ軸とのなす角度がそれぞれ等しく、かつそれぞれの前記検出面の法線ベクトルをＸＹ平面に投影した投影ベクトル間のなす角度が１２０°間隔となるように配置される、
   請求項１に記載の方向推定装置。
3. 前記推定部は、４つ以上の前記検出部が配置された場合、隣接した前記検出部間で比較し、検出した前記物理量の差分が大きい順に３つの前記検出部を選択し、選択した前記検出部に応じて前記検出対象の三次元的な方向を推定する、
   請求項１又は２に記載の方向推定装置。
4. 前記検出対象は、光源であり、
   前記検出部は、前記スカラー量である前記検出対象の前記物理量として前記光源の照度を検出する照度センサである、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方向推定装置。
5. 前記推定部は、前記照度センサが検出した３つの照度と、前記光源から出力される光のベクトルと前記照度センサの前記検出面のそれぞれの法線ベクトルの内積と、を用いて前記光のベクトルを算出して前記光源の方向を推定する、
   請求項４に記載の方向推定装置。

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