JP5163971B1

JP5163971B1 - レーザースキャンセンサ

Info

Publication number: JP5163971B1
Application number: JP2011198707A
Authority: JP
Inventors: 正仁岩澤
Original assignee: Optex Co Ltd
Current assignee: Optex Co Ltd
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2011-09-12
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2031-09-12
Also published as: WO2013039085A1; JP2013061187A; EP2741111A1; US9140793B2; EP2741111A4; EP2741111B1; US20140139819A1

Abstract

【課題】通常姿勢の人間に対する検知性能を維持しつつ、さらに、小動物などの誤検知防止と匍匐侵入などをする人間の確実な検知との両立をも実現可能なレーザースキャンセンサを提供する。
【解決手段】レーザー距離計１１０と、スキャン機構１２０と、距離データ取得部１３０と、メモリ１６０と、取得された距離情報の中から人体に対応する可能性がある物体を検知するとともに、その物体の高さおよび幅をメモリ１６０に記憶されている設置状態情報にも基づいて算出し、算出された物体高さが所定高さ以上の場合はその物体の検知が第１所定時間以上継続したときに人体であると判定するとともに、算出された前記物体高さが前記所定高さ未満の場合はその物体の検知が前記第１所定時間よりも長い第２所定時間以上継続したときに人体であると判定する人体判定部１４０と、警告出力制御部１５０とを備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、例えば、建物の敷地内への侵入者などを検知するレーザースキャンセンサに関し、特に、垂直または斜め下向きに設置された場合に小動物や匍匐姿勢での侵入者などを的確に区別して検知可能なレーザースキャンセンサに関する。

従来、レーザー光を光源としたレーザー距離計を使用して侵入者を検知するようにした「警備システム」が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この「警備システム」は、光距離計の光を２次元スキャンさせるスキャン角度によって監視エリアを設定し、エリア内の侵入者を検知したとき、侵入者までの距離データおよび角度データを出力するセンサ部と、電動旋回台上に設置され、前記センサ部と連動して旋回する旋回カメラ部と、前記センサ部が前記距離データまたは前記角度データの変化を複数回連続して検出することにより侵入者の有無を検知するとともに、変化した前記センサ部からの前記距離データおよび前記角度データにより侵入者の位置を算出し、その位置データにより前記電動旋回台の前記旋回カメラ部を旋回させ、前記侵入者の画像データをモニタに表示させる機能を有する制御部と、を具備することを特徴とするものである。

また、防犯装置や警備システムとはやや異なるものの、レーザー光を使用して歩行者などを正確に識別可能な「エリアセンサによる物体識別方法」も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

この「エリアセンサによる物体識別方法」は、歩行者を誘導する歩行エリアと該歩行エリアの周辺エリアとをカバーする検出範囲に、レーザー感知器によるエリアセンサによりパルスレーザー光を投射しながら走査して光の反射時間を計測し、物体が存在しない時の反射時間と物体が存在する時の反射時間との差を走査各点ごとに求めることにより物体の形状と、大きさと、走査ごとの物体の位置の変化によるベクトルとを演算し、その演算信号から、歩行エリアを誘導方向に移動する物体と、歩行エリアを横切る方向に移動する物体とを識別することを特徴とするものである。

さらに、これらの従来技術の課題に鑑みて、実際の設置場所や警戒目的などに合わせて誤検知を極力防止できる適切な警戒領域を簡単に設定できるだけでなく、任意の警戒領域を容易に設定可能なレーザーエリアセンサを、本願の発明者は既に提案している（特許文献３参照）。

この「レーザーエリアセンサ」は、レーザー光を出射してその方向に存在する物体からの反射光が戻ってくるまでの時間からその物体までの距離を測定するレーザー距離計と、このレーザー距離計による測定方向を変える走査機構部と、この走査機構部によって測定方向を変えながら前記レーザー距離計による測定を周期的に行うことにより、検知エリアを形成するとともにその検知エリア内における方向毎の距離情報を時系列で取得する距離情報取得部と、この距離情報取得部によって取得された距離情報の中から人体に対応すると推測される部分を抽出するとともに、そうして抽出された部分の時系列での移動状況に基づいて人体であるか否かを判定する人体判定部と、この人体判定部によって人体が存在していると判定された場合に人体検知信号を出力する人体検知信号出力部とを備えていることを特徴とするものである。

特許第３０１１１２１号公報特開２００４−１８５３６３号公報特開２００９−０９３４２８号公報

例えば、特許文献３に記載されているような従来技術では、取得された距離情報における検知物体の高さや幅などから人体に対応すると推測される部分を抽出するとともに、そうして抽出された部分の検知持続時間や時系列での移動状況などに基づいて実際に人体であるか否かを確定する判定を行っていた。

このような判定における検知高さや幅などの各種パラメータは、例えば、ＤＩＰスイッチや外部のパソコンなどによって予め設定されるので、判定処理で使用される人体の検知パラメータは固定値となる。

この場合、地面から比較的近い（低い）ところで検知される小動物などと、地面から比較的高い（遠い）ところで検知される通常姿勢で歩行中などの人間とで、検知物体の認識時間に差がなければ、両方とも人体として検知することになっていた。

小動物などを誤って検知しないようにするためには、例えば、地面から一定高さまでの物体を検知させないようにパラメータ設定することなどで解決していた。

しかし、こうした一定高さ以下の不検知設定をすると、例えば、悪意のある人間による匍匐侵入などでも不検知状態となってしまう。つまり、一定高さ以下の不検知設定では、小動物などの誤検知防止と匍匐侵入などをする人間の確実な検知とを両立する設定を行うことが困難であった。

従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、通常姿勢の人間に対する検知性能を維持しつつ、さらに、小動物などの誤検知防止と匍匐侵入などをする人間の確実な検知との両立をも実現可能なレーザースキャンセンサを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明のレーザースキャンセンサは、レーザー光を出射してその方向に存在する物体からの反射光が戻ってくるまでの時間からその物体までの距離を測定するレーザー距離計と、このレーザー距離計による測定方向を変える走査機構部と、この走査機構部によって測定方向を変えながら前記レーザー距離計による測定を周期的に行うことにより、検知エリアを形成するとともにその検知エリア内における方向毎の距離情報を時系列で取得する距離情報取得部と、前記レーザー距離計の設置状態情報を記憶する記憶部と、この距離情報取得部によって取得された距離情報の中から人体に対応する可能性がある物体を検知するとともに、その物体の高さおよび幅を前記記憶部に記憶されている前記設置状態情報にも基づいて算出し、算出された前記物体高さが所定高さ以上の場合はその物体の検知が第１所定時間以上継続したときに人体であると判定するとともに、算出された前記物体高さが前記所定高さ未満の場合はその物体の検知が前記第１所定時間よりも長い第２所定時間以上継続したときに人体であると判定する判定部と、この判定部によって人体が存在していると判定された場合に警告信号を出力する警告信号出力部とを備えていることを特徴とする。

ここで、前記記憶部に記憶されている前記設置状態情報とは、例えば、前記レーザー距離計の設置高さと測定向きが挙げられるが、これらに限らず、さらに他の情報を含んでもよい。また、外部操作によって少なくとも前記第１所定時間の設定を変更可能な設定変更部をさらに備えていてもよい。

このような構成のレーザースキャンセンサによれば、通常姿勢の人間に対する検知性能を従来技術同等に維持しつつ、検知物体の高さが低くて通常歩行中や立ち止まっている人体ではない可能性が高い場合には、さらに検知物体の幅も考慮し、人体であるとの判定を確定するまでの時間をそれぞれ適切に設定できる。これにより、小動物などの誤検知防止と匍匐侵入などをする人間の確実な検知とが両立できるので、誤報や失報を極力発生させない最適な運用が可能となる。

また、本発明のレーザースキャンセンサにおいて、前記判定部は、算出された前記物体高さが前記所定高さ未満の場合において、前記物体幅が所定幅以上のときには、その物体の検知が前記第１所定時間と同じまたは短い第３所定時間以上継続したときでも人体であると判定してもよい。

このような構成のレーザースキャンセンサによれば、匍匐前進などによる侵入者と横になって転がりながら侵入する者とを区別して、それぞれ的確に検知することが可能となる。

本発明のレーザースキャンセンサによれば、通常姿勢の人間に対する検知性能を従来技術同等に維持しつつ、小動物などの誤検知防止と匍匐侵入などをする人間の確実な検知とが両立できるので、誤報や失報を極力発生させない最適な運用が可能となる。

本発明の一実施形態に係るレーザースキャンセンサ１００の概略構成を示すブロック図である。レーザースキャンセンサ１００によって形成される検知エリアを示す概略平面図である。通常歩行中の人間１０が侵入する例を示す概略斜視図である。悪意のある人間１０ａが匍匐前進で侵入する例であり、図４（ａ）は概略斜視図、図４（ｂ）は概略平面図である。悪意のある人間１０ｂが横になって転がりながら侵入する例であり、図５（ａ）は概略斜視図、図５（ｂ）は概略平面図である。レーザースキャンセンサ１００の人体判定部１４０において人体の存在を判定するための処理概略を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

＜実施形態の概略構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザースキャンセンサ１００の概略構成を示すブロック図である。図２は、このレーザースキャンセンサ１００によって形成される検知エリアを示す概略平面図である。なお、図２では隣接する距離測定方向の間隔を実際の間隔よりも遙かに広く描画してあるが、あくまでも説明の便宜のためである。図３は、通常歩行中の人間１０が侵入する例を示す概略斜視図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は悪意のある人間１０ａが匍匐前進侵入する例であり、図４（ａ）は概略斜視図、図４（ｂ）は概略平面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は悪意のある人間１０ｂが横になって転がりながら侵入する例であり、図５（ａ）は概略斜視図、図５（ｂ）は概略平面図である。

図１に示すように、レーザースキャンセンサ１００は、レーザー距離計１１０と、スキャン機構１２０と、距離データ取得部１３０と、人体判定部１４０と、警告出力制御部１５０と、メモリ１６０と、ＤＩＰスイッチ１７０とを備えている。

レーザー距離計１１０は、パルスレーザー光を出射し、その方向に存在する物体からの反射光が戻ってくるまでの微小な時間を精密に測定することによって、その物体までの距離を正確に測定する。レーザー距離計１１０におけるレーザー光の発光素子としては、例えば半導体レーザーダイオード（ＬＤ）などが挙げられる。受光素子としては、例えばアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などが挙げられる。発光素子の駆動制御や反射光が戻ってくるまでの時間測定などには専用のハードウェア回路などを設けることが望ましい。レーザー距離計の一般的な特徴としては、かなりの長距離まで精密な距離測定が可能であり、例えば、最大で数十ｍ、場合によってはそれより遙かに長距離であっても測定可能であるが、このレーザー距離計１１０では最大検知距離を３０ｍとしておく。

スキャン機構１２０は、不図示のモータなどを内蔵することで回転可能としてあり、レーザー距離計１１０による距離の測定方向（角度）を変えられるようにレーザー距離計１１０の少なくとも一部と機械的に連結されている。例えば、レーザー距離計１１０のうちで光学系の部分のみを回転させるような構成が考えられるが、レーザー距離計１１０全体を回転させるような構成でもよいし、それ以外の構成でもかまわない。そして、スキャン機構１２０が一定速度で所定方向に回転することにより、それに連動してレーザー距離計１１０による距離の測定方向が変化する。

距離データ取得部１３０は、スキャン機構１２０によって測定方向を変えながらレーザー距離計１１０による測定を周期的に繰り返すことによって、図２に示すような検知エリアＡ１００を形成するとともにその検知エリアＡ１００内における所定角度間隔の方向毎の距離データを所定時間毎に時系列で取得する。

例えば、スキャン機構１２０によるスキャン周期Ｔを５０ｍｓ（１秒間に２０回のスキャンを行う）、１回転の半分の１８０度の範囲でパルスレーザー光を発光して距離を測定するものとして、パルスレーザー光のパルス幅を３４ｎｓ、その発光周期を３４．７μｓとすれば、１８０度の範囲で７２０回の距離測定ができる。この場合の距離測定の角度間隔は０．２５度で、これは３０ｍ先でも図２に示すように約１３ｃｍに過ぎないから、検知エリアＡ１００内の空間分解能としてはかなり高い。そのため、距離データ取得部１３０によって取得される距離データに基づいて検知物体の位置、大きさ（幅）、形状などをかなり正確に識別して人体か否かなどの判定をすることが可能であり、検知エリアＡ１００内に複数の人体が存在する場合であってもそれらを個別に識別することも可能である。そして、そのような距離データがスキャン周期Ｔである５０ｍｓ毎に得られることになる。なお、ここに示した数値はあくまでも例示に過ぎない。

図２では、レーザー距離計１１０を水平方向に設置するとともに、スキャン機構１２０によって地面と平行に測定方向を変えながらレーザー距離計１１０による測定を周期的に繰り返す場合を示しているが、このような設置状態に限らない。例えば、地面から一定高さの位置に真下または斜め下に向けてレーザー距離計１１０を設置してもよい。この場合、そのような設置状態の情報、具体的には設置高さや測距向きなどをメモリ１６０に記憶させておけば、それらも併せて参照することで対象物の高さも算出することができる。

人体判定部１４０は、まず、距離データ取得部１３０によって取得された距離データを解析して、その中から人体形状に対応すると推測される部分を抽出する。

例えば、図３に示すように、人体１０がレーザースキャンセンサ１００側の方向を向いている場合、胴体部分の幅Ｗは数十ｃｍ程度であるから仮に４０ｃｍとすれば、３０ｍの距離では約３個の隣接データに相当する。距離が短くなると隣接データ間の幅もそれに応じて狭くなり、例えば２０ｍの距離では約８．８ｃｍとなり、１０ｍの距離では約４．４ｃｍとなる。このとき、実際の同じ幅に対する隣接データの個数は逆に増えるので、例えば、１０ｍの距離では４０ｃｍの幅が約９個の隣接データに相当する。人体がレーザースキャンセンサ１００側の方向を向いておらず斜めや横向きであるときは、もちろん距離データに現れる幅は狭くなる。

また、小さな子供でない限り、人体１０の高さＨは通常１ｍ以上であろうと考えられる。検知物体の高さがこれより低ければ、たまたま迷い込んだ小動物などを検知した可能性が高い。

もっとも、これらはあくまでも通常歩行中や立ち止まっている人体１０のことであって、悪意のある人間１０による匍匐侵入などでは状況は異なる。例えば、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、匍匐前進しているような侵入者１０ａがいた場合、検知物体の幅Ｗは概ね人体の幅に相当するが、検知物体の高さＨは小動物並みに低いはずである。ただし、侵入には長時間を要すると考えられる。一方、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、横になって転がりながら（ローリング）侵入する者１０ｂがいた場合には、検知物体の高さＨが小動物並みに低いのは同様であるが、検知物体の幅Ｗは普通の人体の幅よりは遙かに大きくなるはずである。匍匐前進とは異なり、侵入にはそれほど時間を要さないこともあり得る。

距離データは距離データ取得部１３０によって時系列で取得されているので、次に、距離データ中に人体である可能性があると判断された部分が、それ以降の距離データではどのように変化しているか、移動状況を把握する。また、移動の軌跡が著しく不連続であるときなども同様に人体ではない可能性が高いと判断できる。さらに、移動方向なども考慮することにより、警戒すべき侵入者であるのか、単に検知エリアＡ１００の境界付近を歩行している通行人なのかなどの判別を行うこともできる。そして、以上の判断などを総合して、警戒すべき人体が存在しているか否かを判断する。

なお、仮に３０ｍ以上の距離にある物体を検知したとしても、検知エリアＡ１００外に相当するため、以上で述べた人体か否かの判断の対象としては扱わないものとしておくが、これに限るものではない。

また、人体判定部１４０は、必要に応じて各種情報などをメモリ１６０に記憶するとともにメモリ１６０に記憶された各種情報などを参照する。また、人体判定部１４０によって通常姿勢の人体の判定を確定するまでの時間を、設置作業時などに必要に応じて外部からの手動操作で切り替えられるようにするためのＤＩＰスイッチ１７０が設けられている。

警告出力制御部１５０は、人体判定部１４０によって人体が存在していると判断された場合に警告信号Ｄｏｕｔ１を出力する。

なお、距離データ取得部１３０、人体判定部１４０、警告出力制御部１５０、およびメモリ１６０などは、例えば、機器組み込み用のワンチップマイコンとそのソフトウェア処理によって構成することが好ましい。上述した各判別処理などは、パターンマッチングなどの手法によって実現できるので、比較的コストの安いワンチップマイコンを採用することもでき、レーザースキャンセンサ１００全体としてのコストダウンに貢献することができる。ただし、必ずしもワンチップマイコンを使用しなくてもよい。

＜人体判定部１４０における人体判定処理概略＞
図６は、レーザースキャンセンサ１００の人体判定部１４０において人体の存在を判定するための処理概略を示すフローチャートである。なお、以下で示す連続検知回数に関する閾値は、スキャン機構１２０によるスキャン周期Ｔが５０ｍｓである場合を想定したものであり、本発明がこれらの数値に限定されないのはもちろんである。

まず、検知物体が通常歩行中や立ち止まっている人体なのか否かによって具体的な判定処理内容を異ならせるため、検知物体の高さＨと予め設定したパラメータである所定高さＨ１（例えば、１ｍ）とを大小比較し（ステップＳ１）、物体高さＨが所定高さＨ１未満であればステップＳ３に進み、そうでなければステップＳ２に進む。

ステップＳ１からステップＳ２へ進んできた場合は、物体高さＨが所定高さＨ１以上であるから、その検知物体が通常歩行中や立ち止まっている人体である可能性が高いので、通常の判定処理（ステップＳ２）を行った上で人体判定処理を終了する。なお、この通常判定処理では、その物体を連続して検知している時間（連続検知回数とスキャン周期Ｔとの積から算出可能）が比較的短くても（例えば、２〜３回。ＤＩＰスイッチ１７０によって設定変更可）人体と判定できる。

一方、ステップＳ１からステップＳ３へ進んできた場合は、物体高さＨが所定高さＨ１未満であるから、検知物体が小動物などかもしれないが、悪意のある人間１０ａ、１０ｂによる匍匐侵入などの可能性もある。そこで、その区別をするため、検知物体の幅Ｗと予め設定したパラメータである所定幅Ｗ１（胴体の横幅に相当。例えば、５０ｃｍ）とを大小比較し（ステップＳ３）、物体幅Ｗが所定幅Ｗ１未満であればステップＳ８に進み、そうでなければステップＳ４に進む。

ステップＳ３からステップＳ４へ進んできた場合は、物体高さＨが所定高さＨ１未満であるものの物体幅Ｗが所定幅Ｗ１以上であるから、小動物などとは考えにくいが、例えば、図５（ａ）および図５（ｂ）に示したようなローリングによる侵入者１０ｂである可能性が考えられる。そこで、その物体を連続して検知した回数が３回未満かどうかを確認し（ステップＳ４）、３回未満であれば人体であると判定することを確定するのは次回以降に持ち越して（ステップＳ７）人体判定処理を終了し、そうでなければステップＳ５に進む。ステップＳ５では、さらに４回に等しいかどうかを確認し、４回に等しいのであればやはり人体であると判定することを確定するのは次回以降に持ち越して（ステップＳ７）人体判定処理を終了し、そうでなければ人体であると判定して発報処理（ステップＳ６）を行った後に人体判定処理を終了する。

なお、このステップＳ５は必ずしも不可欠な条件分岐ではない。本来であれば、検知回数が１回目または２回目の場合は次回に判定が持ち越され（ステップＳ７）、３回目以上なら必ず発報処理（ステップＳ６）を行うことになるからである。しかしながら、３回目途中に何らかの異常などがあって処理が確定せずに４回目の判定になったときには、改めて次回に判定を持ち越すが（ステップＳ７）、もう一度戻ってきたとき（すなわち５回目以上になったとき）には、やはりローリングなどによる侵入者１０ｂがいる可能性が高いと判断して発報処理を行う（ステップＳ６）ようにしている。

一方、ステップＳ３からステップＳ８へ進んできた場合は、物体高さＨが所定高さＨ１未満であって物体幅Ｗも所定幅Ｗ１未満であるから、例えば、図４（ａ）および図４（ｂ）に示したような匍匐前進による侵入者１０ａである可能性が考えられる。そこで、その物体を連続して検知した回数が４回より大きいかどうかを確認し（ステップＳ８）、４回以下であれば人体であると判定することを確定するのは次回以降に持ち越して（ステップＳ１０）人体判定処理を終了し、そうでなければ人体であると判定して発報処理（ステップＳ９）を行った後に人体判定処理を終了する。

以上で説明した本実施形態の構成によれば、通常姿勢の人間１０に対する検知性能を従来技術同等に維持しつつ、検知物体の高さＨが低くて通常歩行中や立ち止まっている人体ではない可能性が高い場合には、さらに検知物体の幅Ｗも考慮し、人体であるとの判定を確定するまでの時間をそれぞれ適切に設定できる。

これにより、小動物などの誤検知防止と、図４（ａ）〜図５（ｂ）に示したような匍匐侵入などを行う悪意のある人間１０ａ、１０ｂの確実な検知とが両立できるので、誤報や失報を極力発生させない最適な運用が可能となる。また、小動物などとしての検知ロジックによって人体であるとの判定を確定させるまでの時間が長くなったことで、雨や地面の反射などにおける誤報防止性能を従来よりも向上させることができる。

なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

１０人体（人間）
１０ａ侵入者
１０ｂ侵入者
１００レーザースキャンセンサ
Ａ１００検知エリア
１１０レーザー距離計
１２０スキャン機構
１３０距離データ取得部
１４０人体判定部
１５０警告出力制御部
１６０メモリ
１７０ＤＩＰスイッチ
Ｈ物体高さ
Ｈ１所定高さ
Ｗ物体幅
Ｗ１所定幅

Claims

レーザー光を出射してその方向に存在する物体からの反射光が戻ってくるまでの時間からその物体までの距離を測定するレーザー距離計と、
このレーザー距離計による測定方向を変える走査機構部と、
この走査機構部によって測定方向を変えながら前記レーザー距離計による測定を周期的に行うことにより、検知エリアを形成するとともにその検知エリア内における方向毎の距離情報を時系列で取得する距離情報取得部と、
前記レーザー距離計の設置状態情報を記憶する記憶部と、
この距離情報取得部によって取得された距離情報の中から人体に対応する可能性がある物体を検知するとともに、その物体の高さおよび幅を前記記憶部に記憶されている前記設置状態情報にも基づいて算出し、算出された前記物体高さが所定高さ以上の場合はその物体の検知が第１所定時間以上継続したときに人体であると判定するとともに、算出された前記物体高さが前記所定高さ未満の場合はその物体の検知が前記第１所定時間よりも長い第２所定時間以上継続したときに人体であると判定する判定部と、
この判定部によって人体が存在していると判定された場合に警告信号を出力する警告信号出力部と
を備えていることを特徴とするレーザースキャンセンサ。
請求項１に記載のレーザースキャンセンサにおいて、
前記判定部は、算出された前記物体高さが前記所定高さ未満の場合において、前記物体幅が所定幅以上のときには、その物体の検知が前記第１所定時間と同じまたは短い第３所定時間以上継続したときでも人体であると判定することを特徴とするレーザースキャンセンサ。
請求項１または２に記載のレーザースキャンセンサにおいて、
前記記憶部に記憶されている前記設置状態情報とは、少なくとも前記レーザー距離計の設置高さと測定向きとを含むことを特徴とするレーザースキャンセンサ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザースキャンセンサにおいて、
外部操作によって少なくとも前記第１所定時間の設定を変更可能な設定変更部をさらに備えることを特徴とするレーザースキャンセンサ。