JP4054106B2

JP4054106B2 - 距離測定装置

Info

Publication number: JP4054106B2
Application number: JP12894098A
Authority: JP
Inventors: 正彦加藤; 高廣山西
Original assignee: Takata Corp; Olympus Corp
Current assignee: Takata Corp; Olympus Corp
Priority date: 1998-05-12
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2018-05-12
Also published as: JPH11325885A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車、バイク、人、路側の構造物あるいは建物などの障害物に光束を照射し、その反射光から障害物までの距離を測定する距離測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザレーダを用いたいわゆる車間距離センサあるいはオートクルージングシステムでは固定あるいは走査型の光ビームが用いられる。車間距離センサは、移動体に対する光ビームの射出方向を所定の方向に設定するために、２次元の角度調整が可能な取付ブラケットを介して移動体に取り付けられる。光ビームの射出方向は、計測あるいは設定した移動体の車軸の方向に対して所定の位置に設けたターゲットに対して調節され、その調節は取付ブラケットを用いて行なわれる。
【０００３】
曲線路では操舵角の検出あるいは撮像素子と加速度センサなどの車間距離センサ以外のセンサの組み合わせ情報から道路形状と移動体の進行方向を検出し、進行方向にモータ駆動等により、光ビームの射出方向を調節する。このようにして得られた車間距離あるいは障害物との間の距離情報の時系列データと自車の加速度データを用いて、衝突の危険性の判断あるいはドライバヘの警報による注意の喚起を行なっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
通常、車やロボットなどの移動体の車軸の方向あるいはこれと一定の関係にある参照面は明示されていない。このため車間距離センサあるいは距離測定装置を移動体へ取り付ける場合、車軸の方向を外形から定めることが必要となり、このためには相応の設備と手間を必要とする。しかも、直進時に限定したとしても、外形から定めた車軸の方向と走行方向の関係は、（移動体のくせのために）移動体毎に異なり明確でない。このため、距離測定装置を移動体に取り付ける際に、光ビームの射出方向（距離測定装置の光軸）と移動体の車軸の方向（走行方向）とを一致させることは困難であり、移動体毎に異なる可能性がある。
【０００５】
一方、光ビームの射出方向は車間距離や障害物検出の監視領域を定めるが、これが移動体の車軸の方向あるいは直進時の走行方向と一致しない場合、ドライバの視線感覚（運転感覚）と監視領域とが微妙に食い違い、ドライバに違和感を与える恐れがあるのみならず、見なくてもよいところをみてしまうことによる誤作動の懸念も生ずる。
【０００６】
本発明は、上記の不具合を解消するために成されたもので、その目的は、移動体の走行方向と光ビームの射出方向を一致させるための手段を備えた距離測定装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した不具合を解決するため、光ビームの射出方向と移動体の走行方向とのズレ角を検出する走行モニタを距離測定装置自身が内蔵することが望ましい。この走行モニタは移動体の直進時には０を示し、曲線路走行を含む任意の走行時には光ビームの射出方向と移動体の走行方向とのズレ角に対応した数値を示す。距離測定装置を最初に移動体へ取り付けるときに、光ビームの射出方向と直進時の移動体の走行方向とのズレがあると、走行モニタの表示は０を示さず、初期設定誤差があることがわかる。
【０００８】
また、長期間の使用の間には振動を初めとする種々の原因により距離測定装置の移動体への取り付け状況が変わり、ドライバが車を直進させているにもかかわらず、走行モニタが０を示さないことが生ずる。このような場合、取付誤差を手動的にあるいは自動的に取付ブラケットを通して補正することができる手段を具備していることが望ましい。こうすると車毎のくせによらず、距離測定装置の移動体への初期設定誤差を補正することができるのみならず、長期間の使用時の保守を可能とし、また曲線路走行を含む任意の走行時に光ビームの射出方向と移動体の走行方向とを一致させ、距離測定装置の監視方向とドライバの運転感覚とを一致させる可能性を与える。
【０００９】
本発明は、移動体に取り付けることによって当該移動体に搭載され、光束を物体に照射することにより移動体と物体間の距離を計測する距離測定装置において、上記光束を照射するための送光光源と送光レンズを有する送光光学系と、受光素子と受光レンズを有する受光光学系とを備えると共に、上記移動体の移動に伴う上記光束の光軸に対する加速度ベクトルを慣性力により移動する浮き子の移動量を時系列で検出することによって取得し、この加速度ベクトルより上記光束の光軸に対する上記移動体の移動方向を検出する移動モニタ（走行モニタ）を具備し、かつ、上記移動モニタの支持部と上記光学系を支持する支持枠とは一体に成形加工されており、さらに、上記移動モニタは当該距離測定装置に設けられた機械的基準面に対して予め決められた所定の位置関係となる参照面を有するものであり、上記移動モニタで検出された移動体の移動方向に基づいて曲線路走行時を含む任意の走行時における物体に照射する光束の射出方向と移動体の走行方向を一致させて距離測定を行なうことを可能となすことを特徴とし、上述したような走行モニタを内蔵した距離測定装置を実現する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
まず、第一の実施の形態について図１を用いて説明する。図１（ａ）に示すように、距離測定装置１００は、送光光源１０１と送光レンズ１０２を有する送光光学系と、受光素子１０４と受光レンズ１０５を有する受光光学系とを備えている。送光光学系の光軸（距離測定装置の光軸）１０３と受光光学系の光軸１０６は平行に設定されている。距離測定装置１００は移動体に取り付けられ、送光光学系の光軸１０３と移動体の走行方向（簡単のため直進時を想定、直進時は加速度方向と一致）１２０とが成す角度をθとする。
【００１５】
距離測定装置１００は、さらに、移動体走行モニタ１３０を有している。移動体走行モニタ１３０の支持部１０７には、距離測定装置１００の機械的基準面（たとえば端部のエッジ）に対して一定の既知の関係（例えば平行とか直交とか）にある参照面１０８が設けられている。
【００１６】
移動体走行モニタ１３０に設けられた参照面１０８は、機械的な基準面であり、鏡面であればより好ましい。この参照面１０８は、好適には、送光光源１０１と送光レンズ１０２の（図示しない）支持枠と一体に成形加工される。
【００１７】
参照面１０８は、距離測定装置１００の受光光学系を組み立てる際に、送光光学系の光軸１０３と平行に設定されたモニタ光１１１が照射され、不図示の支持枠に固定された受光レンズ１０５のほぼ焦点位置に設定された受光素子１０４の動作チェックに利用される。また、移動体走行モニタ１３０の構成部品を組み立てる際の機械的な基準面として機能する。
【００１８】
支持部１０７の内部には浮子１０９が配置されており、浮子１０９は支持部１０７に固定された弾性部材の可動保持部１１０により四方向から可動に保持されている。移動体の移動に伴って浮子１０９には慣性力１１２が働く。この慣性力１１は移動体の走行方向１２０と反対の方向を向き、その大きさは浮子１０９の質量をｍ、移動体の加速度をαとすると、ｍαで表される。
【００１９】
図１（ｂ）に示すように、浮子１０９はレンズ１１３と枠１１７からなり、枠１１７は弾性部材からなる可動保持部１１０により支持部１０７に可動に保持されている。レンズ１１３の光軸（厳密には中心軸）１１６上に光源１１４と２次元受光素子１１５が設けられている。２次元受光素子１１５としては例えば２次元ＰＳＤや４分割素子が用いられる。
【００２０】
続いて、移動体走行モニタの動作について述べる。通常、移動体の直進時の走行方向１２０と送光光学系の光軸１０３は、初期設定誤差のために平行でない。これは前述したように移動体の車軸の方向が明示されていないため、距離測定装置を移動体に取り付けた際に、送光光学系の光軸１０３は移動体の車軸の方向と必ずしも一致しないことによる。従って、直進時に限定したとしても、移動体の走行方向１２０と送光光学系の光軸１０３とは一致するとは限らない。
【００２１】
送光光源１０１は送光レンズ１０２のほぼ焦点位置に設定され、送光光学系の光軸１０３は点光源である送光光源１０１と送光レンズ１０２の中心とを結ぶ直線で表される。送光光源１０１と送光レンズ１０２の不図示の支持枠は参照面１０８と一体に成形加工され、送光レンズ１０２の焦点距離はこの加工精度に対応して選ばれる。
【００２２】
これは距離測定装置１００の機械的基準面に対する送光光学系の光軸１０３のずれあるいはバラツキが、送光光源１０１と送光レンズ１０２の支持枠の相対的加工精度εと送光レンズ１０２の焦点距離ｆにより、ａｒｃｔａｎ（ε／ｆ）で表される量に左右されるためであり、参照面１０８は外部からモニタ光により送光光学系の光軸１０３の方向（いいかえると距離測定装置１００の光軸方向）をチェックするために用いられるからである。
【００２３】
例えば、前述のずれを０．１°以内に収めるには、ａｒｃｔａｎ（ε／ｆ）≦０．１°を満足することが要請される。相対的加工精度εが０．０７ｍｍが避けられない場合には、送光レンズ１０２の焦点距離ｆはｆ≧ε／ｔａｎ０．１°＝４０ｍｍに選ばれる必要がある。逆に、このように機械的パラメータを選んでおけば、長期間の使用の間に距離測定装置１００の光軸方向が変化してゆくことが避けられる。
【００２４】
図１（ｂ）において、光源１１４と２次元受光素子１１５は支持部１０７に固定されている。移動体が静止している時、レンズ１１３と枠１１７からなる浮子１０９に慣性カ１１２は働かず、光源１１４から発した光束はレンズ１１３により２次元受光素子１１５の中心に集光される。移動体が走行して移動体に加速度が働くと、浮子１０９には慣性力１１２が働き、浮子１０９は弾性部材１１０の復元力と慣性力１１２とがつりあう位置に移動する。
【００２５】
この移動によって、光源１１４から発した光束のレンズ１１３による集光点は２次元受光素子１１５上を移動し、その移動量は送光光学系の光軸１０３と平行な方向およびこれと直交する方向に分離して検出される。この検出された時系列データ値から、各時刻における送光光学系の光軸１０３に対する移動体の加速度ベクトルが求められる。
【００２６】
移動体の直進時の送光光学系の光軸１０３と走行方向とのズレ量θ₀ は一種の設定誤差で、移動体の車軸方向が不明確なために生ずるが、これをあらかじめ手動で補正しておくか、ズレ量θ₀ を初期値として登録し、自動で曲線路走行を含めたズレ量θを補正することが望ましい。
【００２７】
次に、第二の実施の形態として、別の移動体走行モニタの構成について図２を用いて説明する。図２（ａ）に示すように、支持部１０７の内部に配置された光源１１４と２次元受光素子１１５の間には、二つのボールレンズ２０６と２０７が配置され、ボールレンズ２０６と光源１１４の間には開口２０４が配置されている。ボールレンズ２０７は２次元受光素子１１５と一体に支持部１０７に固定されている。
【００２８】
一方、ボールレンズ２０６は、支持部１０７から延びた弾性部材から成る可動保持部１１０により四方から吊られている。可動保持部１１０はゴムなどの弾性材料を用いることができる。ボールレンズ２０６には強磁性体からなる枠２０１が固定されており、両者は浮子１０９を構成している。枠２０１の周囲にはガイド２０２が設けられており、枠２０１とガイド２０２の間の間隙２０３には磁性流体が充填されている。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、ボールレンズ２０６と可動保持部１１０は、留め枠２１０を介して結合されている。参照面１０８は円筒形状の支持部１０７の外側の一部を機械的に切削・研磨したものだが、これに一面を反射面とした平行平板を固着してもよい。
【００３０】
次に、この移動体走行モニタの動作について説明する。移動体が静止しているとき、ボールレンズ２０６と枠２０１とからなる浮子１０９は、光軸１１６上に静止しており、光源１１４で発生された光２０５により照明された開口２０４の像は、二つのボールレンズ２０６と２０７によって２次元受光素子１１５の中心に形成される。
【００３１】
移動体が走行し始めると、浮子１０９は移動体の加速度αと逆方向に慣性力ｍαを受け、可動保持部１１０の弾性力と釣り合う位置に移動する。これに応じて２次元受光素子１１５上の開口２０４の像は移動し、その移動量は２次元受光素子１１５の出力に基づいて送光光学系の光軸１０３と平行な方向およびこれと直交する方向に分離して検出される。
【００３２】
言い換えれば、移動体の加速度ベクトルが送光光学系の光軸１０３に対して検出される。曲線路を含めた一般の走行の場合、走行方向はこれを積分して次式により求められる。
【００３３】
【数１】

【００３４】
ここに△φは送光光学系の光軸１０３に対する移動体の走行方向の時刻ｔ₁ から時刻ｔ₂ に到る平均の方向変化量、ａ（ｔ）は移動体の加速度α（ｔ）の送光光学系の光軸方向成分、ｂ（ｔ）は同じく送光光学系の光軸に直交する成分を表している。あるいは、図２（ｂ）において、その紙面は２次元受光素子１１５の受光面と平行の位置関係にあり、紙面内の参照面１０８に垂直な方向が送光光学系の光軸方向成分を表し、平行な成分が送光光学系の光軸に直交する成分を表している。言い換えると、２次元受光素子１１５の直交する２方向がそれぞれ送光光学系の光軸方向とこれに直交する方向に対応している。
【００３５】
上式で例えば移動体の直進時のズレ量θ₀ を求める時にはｔ₁ ＝０、ｔ₂ ＝１０秒として△φを計算すればよい。△φの計算は加速度α（ｔ）の測定値からソフト的に求める手法と、出力ａ（ｔ）とｂ（ｔ）をハード的に積分して求める手法とがある。△φを積算するとθになる。
【００３６】
枠２０１とガイド２０２の間隙２０３を充填する不図示の磁性流体は、浮子１０９を制動する機能を有している。磁性流体は、強磁性体からなる枠２０１によりその周辺に捕捉され、ガイド２０２にはアルミのような非磁性体を使用することが可能である。磁性流体は、速い振動成分に対しては剛体のように浮子１０９を保持し、ゆっくりした動きには抵抗なく滑らかに従う。この特性による制動は、車のように激しい振動の多い移動体への移動体走行モニタの搭載にとって非常に有効である。
【００３７】
本実施形態では、浮子１０９は、図２（ａ）に明瞭に示されるように、水平方向に延びる可動保持部１１０により保持されているが、垂直方向に延びる可動保持部により保持されてもよい。
【００３８】
以上の説明は、水平面内における距離測定装置の光軸と移動体の走行方向との相違を検出する場合を想定している。これは距離測定装置の光軸を水平にして移動体に取り付けることは、水準器などの手段を用いることにより、移動体の車軸の方向が不明確であっても可能であることを考慮したためである。
【００３９】
上述の２次元受光素子１１５の受光面は水平面に平行に配置してあり、水平面に直交する方向の加速度成分を検出し得ない。しかし、３次元的に距離測定装置の光軸と移動体の走行方向との相違を検出する構成とすることも容易に可能である。これは、図２（ａ）において、光軸１１６に直交するボールレンズ２０６の直径を光軸（例えば紙面に垂直にボールレンズ２０６の中心を通って手前から奥へ向かう光軸）として別の光源部と１次元ＰＳＤを配置することにより、ボールレンズ２０６の光軸１１６に沿った方向の変位、言い換えると上述の３次元的相違を検出することができる。
【００４０】
続いて、第三の実施の形態として、更に別の移動体走行モニタについて図３を用いて説明する。図３（ａ）に示すように、本実施形態では、円盤状の浮子３０１には、距離測定装置の光軸３１０に平行な軸３０４に沿って格子状パターン３０２が形成され、また軸３０４に直交する軸３０５に沿って格子状パターン３０３が形成されている。
【００４１】
円盤状の浮子３０１は、図には示してないが、第二の実施の形態と同様に、支持体に対して弾性部材から成る可動支持部により可能に支持され、また、その過敏な動きを抑えるために磁性流体を用いた制動機構が設けられている。
【００４２】
図３（ｂ）に示すように、格子状パターン３０２に対して、その移動を検出する光検出系３５０が設けられている。図には示さないが、格子状パターン３０３に対しても同様な光検出系が設けられている。格子状パターン３０３の光検出系は格子状パターン３０２の光検出系３５０と全く同じであり、以下では代表的に格子状パターン３０２の光検出系３５０について述べる。
【００４３】
光検出系３５０は、光源３１１とレンズ３１３からなる光軸３１５を持った送光光学系と、レンズ３１４と受光素子３１２からなる光軸３１６を持った受光光学系を備えている。光源３１１から射出された光はレンズ３１３により集光されて格子状パターン３０２に照射され、格子状パターン３０２で反射された光はレンズ３１４によって受光素子３１２に集光される。
【００４４】
格子状パターン３０２は、軸３０４に沿って一定の周期で配置された複数の反射体（あるいは非反射体）で構成され、反射体（あるいは非反射体）はその周辺の反射率に比べて高い（あるいは低い）反射率を有している。
【００４５】
格子状パターンの格子間隔すなわち反射体（あるいは非反射体）の周期やレンズ３１３の焦点距離や各光学要素の位置などの諸条件は、レンズ３１３により格子状パターン３０２上に形成される光源３１１の像の大きさが格子状パターン３０２の格子間隔以下になるように選ばれている。
【００４６】
光検出系３５０は不図示の支持部に保持されており、また浮子３０１はこれに働く慣性力に応じて支持部に対して相対的に変位し得るように支持されている。浮子３０１が慣性力を受けて紙面内（水平面内）で変位すると、受光素子３１２は格子状パターン３０２の移動による反射光量の増減に対応した２値信号を出力し、これをカウントすることにより光検出系３５０と格子状パターン３０２の軸３０４に沿った相対変位量が測定される。同様に、光検出系３５１と格子状パターン３０３の組み合わせにより両者の軸３０５に沿った相対変位量が測定される。
【００４７】
言い換えると、光検出系３５０は、格子状パターン３０２により、光軸３１０の方向に沿った浮子３０１の移動を検出し、光検出系３５１は、格子状パターン３０３により、光軸３１０に直交する方向に沿った浮子３０１の移動を検出する。つまり、２つの光検出系３５０と３５１は、それぞれ格子状パターン３０２と３０３との組み合わせにより、浮子３０１の相対的変位を２次元的に測定する。
【００４８】
図３（ｃ）は、浮子３０１に形成された格子状パターン３０２とその移動を検出する光検出系３５０の別の構成例を概略的に示しており、上述した１次元の格子状パターン３０２を２次元格子としたもので、絶対変位量を測定できるように工夫したものである。具体的には数字１〜５で示したように５列のパターンを設け、各パターンを構成する高反射率の反射体のあるところに２値信号の１をあて、反射体の無いところに２値信号の０をあてれば、符号３３０で示した行のパターンでは第３列の反射体が欠如しているから１１０１１を表し、その右の行のパターンは００１１１を表す。これらの２値信号を１０進法で表せばそれぞれ２７、２８を表す。
【００４９】
光検出系３５０は、この５列のパターンを読むため、５組の送光光学系３２１と受光光学系３２２を備えており、符号３２３で示した行のパターンを２値信号列に変えて読み出す。言い換えると、と変位した浮子３０１の絶対位置を読むことができる。
【００５０】
ここでは、説明を簡単にするため、純２進符号コードを例にあげたが、グレイ（Ｇｒａｙ）符号コードを初めとする種々の符号コードを用いることができる。光検出系３５０は、発光素子と受光素子のペアを規則的に配列した素子とマイクロレンズアレイとを組み合わせることにより、容易に１０列ぐらいを数ｍｍ程度に配列することが可能である。
【００５１】
本実施形態では、光検出系３５０の全ての光学要素が浮子３０１の片側に配置されており、扁平な構造となっており、また浮子３０１の絶対変位量を測定できるという利点を有している。
【００５２】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更あるいは機能の追加が可能である。本発明の実施形態では光を用いた加速度センサを移動体走行モニタとして例示したが、他の機械的振動の加速度による周波数変化を用いた加速度計を用いることができることは勿論である。
【００５３】
また、運転席に距離測定装置の光軸方向に対する移動体の走行方向の相違を示すモニタを設け、直進時の走行から距離測定装置の取付誤差をドライバが判断し、運転席から取付ブラケットをモータ駆動により駆動し、取付誤差を修正させることもできる。
【００５４】
さらに、衝突事故の直前の距離測定装置の光軸方向に対する移動体の走行方向を記憶させておき、衝突時に移動体の走行方向に対してどの方向を距離測定装置が監視していたかを知ることができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、移動体の走行方向と光ビームの射出方向を一致させるため、光ビームの射出方向と移動体の走行方向とのズレ角を検出する走行モニタを内蔵した距離測定装置が提供される。走行モニタを内蔵しているため、初期設定誤差や長期の使用による取り付け状況の変化が分かり、適切な対応が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態を説明するための図であり、（ａ）は距離測定装置の概略的な構成を示す平面図、（ｂ）は移動体走行モニタの内部構造を示す側断面図である
【図２】第二の実施の形態を説明するための図であり、（ａ）は移動体走行モニタの側断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線による平断面図で、簡単のためにガイドと枠は省略してある。
【図３】第三の実施の形態を説明するための図であり、（ａ）は移動体走行モニタの浮子の平面図、（ｂ）は浮子に形成されたパターンとその移動を検出する光検出系の一構成例を概略的に示した図、（ｃ）は浮子に形成されたパターンとその移動を検出する光検出系の別の構成例を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１００距離測定装置
１０１送光光源
１０２送光レンズ
１０４受光素子
１０５受光レンズ
１０７支持部
１０９浮子
１１０可動保持部
１１３レンズ
１１４光源
１１５２次元受光素子
１１７枠
１３０移動体走行モニタ

Claims

移動体に取り付けることによって当該移動体に搭載され、光束を物体に照射することにより移動体と物体間の距離を計測する距離測定装置において、
上記光束を照射するための送光光源と送光レンズを有する送光光学系と、受光素子と受光レンズを有する受光光学系とを備えると共に、上記移動体の移動に伴う上記光束の光軸に対する加速度ベクトルを慣性力により移動する浮き子の移動量を時系列で検出することによって取得し、この加速度ベクトルより上記光束の光軸に対する上記移動体の移動方向を検出する移動モニタを具備し、かつ、上記移動モニタの支持部と上記光学系を支持する支持枠とは一体に成形加工されており、さらに、上記移動モニタは当該距離測定装置に設けられた機械的基準面に対して予め決められた所定の位置関係となる参照面を有するものであり、上記移動モニタで検出された移動体の移動方向に基づいて曲線路走行時を含む任意の走行時における物体に照射する光束の射出方向と移動体の走行方向を一致させて距離測定を行なうことを可能となすことを特徴とする距離測定装置。
上記移動モニタは、
上記光束の光軸に対して所定の位置に配設された支持部と、
上記支持部に対して可動に支持された浮子と、
上記移動体の加速時に生ずる慣性力による上記浮子の移動を、上記光束の光軸方向と上記光束の光軸と直交する方向に分離して検知する検知手段と、
上記浮子の移動を制動する制動手段と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
上記浮子はレンズよりなり、
上記検知手段は、上記支持部に対して位置固定されており上記レンズに光を照射する光源と、上記支持部に対して位置固定されており上記レンズを透過した上記光源よりの光の受光位置を検知可能な２次元受光部を具備する、
ことを特徴とする請求項２に記載の距離測定装置。
上記制動手段は、
上記浮子に固定され、強磁性体よりなる固定部材と、
上記支持部に固定され、上記固定部材を磁性流体を充填した間隙を介して保持するガイド部と、
を具備することを特徴とする請求項２に記載の距離測定装置。
上記浮子は、片面の直交する２方向に渡って、交互に配した反射部と非反射部よりなる縞パターンを設けた平板よりなり、
上記検知手段は、上記支持部に対して位置固定されており上記縞パターンに光を照射する光源と、上記縞パターンよりの反射光を検知する受光部を具備する、
ことを特徴とする請求項２に記載の距離測定装置。