JP5571929B2 - 障害物検出および警告のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によりそのすべてが本明細書に組み込まれている、本出願と同日に出願された以下の同時係属の米国特許出願に関連する。

米国特許出願第１２／２４５，３３４号（「ＲＡＤＡＲ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＯＢＳＴＡＣＬＥ ＡＶＯＩＤＡＮＣＥ（障害物回避のためのレーダシステム）」という名称の整理番号Ｈ００１９３７７−５６１５）、これを本明細書では‘３７７出願と称する。

米国特許出願第１２／２４５，５９３号（「ＭＵＬＴＩ−ＳＥＣＴＯＲ ＲＡＤＡＲ ＳＹＳＴＥＭ（マルチセクタ・レーダシステム）」という名称の整理番号Ｈ００１９３７８−５６１５）、これを本明細書では‘３７８出願と称する。

自動車または航空機などの移動ビークルは、通常、障害物を回避するのを補助するためのシステムを用いる。たとえば航空機は、通常、航空機に脅威を与える障害物を検出するためにレーダを用いる。しかし従来のレーダシステムは、すべての潜在的に危険な障害物を適切に検出しない。たとえば、従来のレーダシステムは、ヘリコプタに重大な脅威を与えるケーブルを適切に検出しない。さらに、塵雲などの気象条件は、従来のレーダシステムがケーブルなどの障害物を検出するのに、より大きな困難さをもたらす。

米国特許出願第１２／２４５，３３４号 米国特許出願第１２／２４５，５９３号

上述の理由により、また本出願を読み、考察することによって当業者には明らかとなるであろう他の理由により、当技術分野では改良された障害物検出システムが必要である。

一実施形態では、障害物検出システムが提供される。この障害物検出システムは、無線周波数（ＲＦ）信号を放射するように動作可能な送信アンテナと、そのアンテナからのＲＦ信号の送信を制御するように動作可能な送信器とを備える。この障害物検出システムはまた、ＲＦ信号の反射を受信するように動作可能な受信アンテナと、障害物、およびその障害物の１つまたは複数の物理的属性を識別するために、受信された反射のレーダ断面積（ＲＣＳ）の複数の特性を解析するように動作可能な処理回路とを備える。

図面は本発明の例示的実施形態を示すのみであり、したがって範囲を限定するものでははなく、添付の図面を用いて、さらに特定し、かつ詳細に例示的実施形態について説明する。

障害物検出システムの一実施形態を示すブロック図である。 例示の戻り信号を示すグラフである。 ケーブルの例示の属性を示す図である。 障害物検出システムの一実施形態によって用いられる例示の周波数帯域を示すグラフである。 例示の障害物検出システムの視野を示す図である。 障害物検出システムの別の実施形態を示すブロック図である。 障害物を検出する方法の一実施形態を示すフローチャートである。

慣例に従って、説明される様々な特徴は、原寸に比例して描かれてなく、本発明に関わる特定の特徴を強調するように描かれている。様々な図面において同じ参照番号および名称は、同じ要素を示す。

以下の詳細な説明では、本明細書の一部となる添付の図面が参照され、図面には説明のために、本発明を実施することができる特定の例示的実施形態が示される。これらの実施形態は当業者が本発明を実施できるようにするのに十分に詳細に説明され、他の実施形態を使用し得ること、ならびに本発明の範囲から逸脱せずに論理的、機械的、および電気的変更を行い得ることを理解されたい。さらに、図面または明細書に示された方法は、個々のステップを行うことができる順序を限定するものと理解されるべきではない。したがって以下の詳細な説明は、限定的な意味で捉えられるべきではない。

図１は、障害物検出システム１００の一実施形態のブロック図である。システム１００は、送信器１０２、送信アンテナ１１２、受信器１０４、受信アンテナ１１０、および処理回路１０６を含む。送信アンテナ１１２および受信アンテナ１１０は、システム１００において回転可能な構成にて実装することができる。送信アンテナ１１２は、処理回路１０６および送信器１０２によって指示されるのに従って、無線周波数（ＲＦ）信号を送信する。この実施形態では、送信アンテナ１１２、送信器１０２、受信器１０４、および受信アンテナ１１０は、非ポラリメトリック・レーダを構成する。すなわち送信器１０２から送信され、受信アンテナ１１０にて受信されるＲＦ信号は、単一の偏波を有する。しかし他の実施形態では、ポラリメトリック・レーダシステムを用い得ることを理解されたい。

１つの例示的実施形態では、送信アンテナ１１２は、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＲＦ信号を送信する。ＦＭＣＷ ＲＦ信号は、処理回路１０６が検出された障害物までの距離を計算することを可能にする。いくつかのこのような実施形態では、ＲＦ信号は周波数帯域を有し、送信器１０２と受信器１０４は、ＲＦ周波数帯域内の周波数にわたって線形的に掃引する。送信されるＲＦ信号の線形掃引は、受信される反射信号の処理と同期する。

システム１００は、システム１００が位置する移動ビークルの進路の近くの障害物を検出する。たとえば一実施形態ではシステム１００は、ヘリコプタなどの航空ビークルの近くのケーブルを検出することができる。しかし他の実施形態では、自動車または水上の水上艦船などの他のタイプのビークルを用い得ることを理解されたい。さらに本明細書では、「障害物」という用語は、照明柱、ケーブル、桟橋など、ビークルに潜在的な危険をもたらす静止物体を指す。

ケーブルなどの障害物は、送信されたＲＦ信号を反射することになる。受信アンテナ１１０は、ＲＦ信号の反射を受信し、解析のために、受信器１０４を通じて反射された信号を処理回路１０６に供給する。処理回路１０６は、ケーブルなどの障害物を検出するために、受信された反射信号のレーダ断面積（ＲＣＳ）の特性を解析する。ＲＣＳは、送信アンテナ１１２および受信アンテナ１１０が回転するのに従って変化する。反射信号のＲＣＳと入射角の関係の例示のグラフは、図２に示される。具体的には図２は、特定の期間においてズームインされており、戻されたすべてのデータのサブセットを示す。さらに、図２のグラフは、ＦＭＣＷ ＲＦ信号の反射からの例示のデータを示す。図２のグラフは例示のための示されるものであり、限定するためのものではなく、他のケーブルまたは障害物はこれとは異なるようにＲＦ信号を反射することができ、したがってＲＣＳ対入射角の異なるグラフを生じることを理解されたい。

本明細書では、反射信号のＲＣＳの「特性」という用語は、反射信号（本明細書では戻り信号とも呼ばれる）の電気的性質または特質を指す。したがって、ＲＣＳの１つまたは複数の特性の解析は、反射信号の単なる検出より多くのものを含む。処理回路１０６によって解析される例示の特性は、非限定的に、図２に示されるようにピーク振幅２０４、ピーク分離間隔２０２、ピーク幅２０８、およびピークの周期性２０６を含む。いくつかの実施形態では、処理回路１０６は、１つまたは複数の特性を、種々の障害物の実証的研究を通して得られた特性のデータベースと比較する。次いで処理回路１０６は、ＲＣＳの１つまたは複数の特性がデータベース内の特性とほぼ一致する場合は、障害物を識別する。

他の実施形態では、処理回路１０６は、データベースと比較せずに、１つまたは複数の特性の値を解析して障害物を識別または検出する。たとえば、最小および／または最大ピーク分離間隔などの閾値を設定することができる。（１つまたは複数の）閾値に対するピーク分離間隔の値は、障害物を識別するのに用いられる。

さらに一実施形態では、処理回路１０６は、反射信号のＲＣＳの１つまたは複数の特性を解析して、障害物の検出に加えて障害物の属性を決定する。本明細書では、障害物の「属性」という用語は、障害物の物理的性質または特徴を指す。たとえば図３は、処理回路１０６によって決定することができる、ケーブルの例示の物理的属性を示す。図３に示される例示の属性は、個々の素線の素線直径（ｄ）、ケーブル全体のケーブル直径（Ｄ）、ケーブルの表面の間隔（Ｌ）、および素線の回転の間隔（Ｐ）を含む。しかし他の実施形態において、および他の障害物のタイプに対しては、他の属性が処理回路１０６によって決定され得ることを理解されたい。

障害物が検出されると、処理回路１０６は、ユーザに検出された障害物の指示をもたらすために、出力装置１０８（図１）に信号を出力する。出力装置１０８は、たとえば音声装置または視覚表示装置として実装することができる。さらに、いくつかの実施形態では、出力装置１０８は、音声および視覚的警告に加えて、またはそれらの代わりに、ステアリングホイールの振動などの他の知覚的警告をもたらすように構成される。さらに、いくつかの実施形態では、出力装置１０８に供給され、それから出力される情報は、検出された障害物の１つまたは複数の属性、および／または計算された障害物までの距離を含む。

いくつかの実施形態では、ＲＦ信号は約９４ＧＨｚの周波数にて送信される。しかし他の実施形態では、約３５ＧＨｚなど、他の周波数が用いられることを理解されたい。いくつかのこのような例示的実施形態では、図４に示されるようにＦＭＣＷ ＲＦ信号は、約９４ＧＨｚを中心とし約８００ＭＨｚの幅をもつ周波数帯域４０２を有する。したがって送信器および受信器は、９３．６ＭＨｚと９４．４ＭＨｚの間の周波数帯域を線形的に掃引する。

さらに、図５に示されるように、送信アンテナ１１２はビーム幅５０２を有する。図５の実施例では、ビーム幅５０２は±１度程度である。システム１００は、ＲＦ信号ビーム幅５０２より大きな領域を走査するために、方位角面（すなわち、ビークルの進行方向に平行な平面）に沿って送信アンテナ１１２および受信アンテナ１１０を回転させる。具体的にはシステム１００は、中心線５０４から±９０度を走査することができる。しかし他の実施形態では、システム１００は他の領域の大きさを走査し得ることを理解されたい。たとえば他の実施形態では、システム１００は±１８０度を走査することができる。システム１００が、ある領域を走査するのに従って、静止障害物に接触する送信されたＲＦ信号の入射角は変化し、図２に示されるように受信アンテナ１１０にて受信される反射信号のパワー（すなわちＲＣＳ）に影響を与える。

上述の反射信号の処理のすべてまたは一部は、コンピュータ可読媒体上に有形に具体化され、処理回路１０６などの処理ユニットによって実行されるソフトウェア命令にて実施することができる。このようなコンピュータ可読媒体は、汎用または専用コンピュータまたはプロセッサ、または任意のプログラマブル論理デバイスによってアクセスし得る任意の利用可能な媒体とすることができる。適当なコンピュータ可読媒体は、たとえばディスクまたはＣＤ−ＲＯＭなどの磁気または光媒体など、ＲＡＭ（たとえばＳＤＲＡＭ、ＤＤＲ ＳＤＲＡＭ、ＲＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなど）、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリなどの揮発性または不揮発性媒体などの記憶またはメモリ媒体、およびネットワークおよび／または無線リンクなどの通信媒体を通じて伝達される電気信号、電磁信号、またはデジタル信号などの伝送媒体を含むことができる。

図６に示される障害物検出システム６００の別の実施形態では、２つの受信アンテナ１１０−１および１１０−２が用いられる。アンテナ１１０−１および１１０−２は、ある垂直間隔だけ離され、処理回路１０６が、システム６００が位置するビークルに対する検出された障害物の高さを検証することを可能にする。具体的には処理回路１０６は、‘３７７出願にさらに詳細に述べられているように、受信アンテナ１１０−１によって受信した反射された信号と、受信アンテナ１１０−２によって受信した反射された信号の間の位相差を解析してビークルに対する障害物の高さを決定する。いくつかの実施形態では、２つの受信アンテナ１１０−１および１１０−２が用いられる場合、処理回路１０６はまた、ＲＣＳの１つの特性として受信アンテナ１１０−１と１１０−２間のレーダ反射の相関を解析する。

図７は、障害物を検出する方法７００の一実施形態を示すフローチャートである。方法７００は、上述のシステム１００などのシステムにおいて実施することができる。７０２では送信アンテナはＲＦ信号を送信する。いくつかの実施形態では、送信されるＲＦ信号はＦＭＣＷ ＲＦ信号である。さらにいくつかの実施形態では、ＦＭＣＷ ＲＦ信号を送信するステップは、約８００ＭＨｚの幅を有し約９４ＧＨｚを中心とする周波数帯域信号を送信するステップを含む。いくつかのこのような実施形態では、ＲＦ信号を送信するステップは、周波数の帯域にわたって線形的に掃引するステップを含む。７０４では、送信されたＲＦ信号の反射が受信アンテナにて受信される。

７０６では処理回路は、受信された反射信号の１つまたは複数の特性を解析する。具体的には処理回路は、ピーク振幅、ピーク分離間隔、ピーク幅、およびピークの周期性のうちの１つまたは複数を解析する。さらにいくつかの実施形態では、反射信号の１つまたは複数の特性は、障害物、および障害物の少なくとも１つの属性を検出するために解析される。いくつかの実施形態では、検出される障害物はケーブルである。いくつかのこのような実施形態では、反射信号の１つまたは複数の特性の解析によって検出される属性は、非限定的に、個々の素線の素線直径、ケーブル全体のケーブル直径、ケーブルの表面の間隔、および素線の回転の間隔を含む。

７０８にて障害物が識別または検出された場合は、７１０にてユーザに警報が発せられる。ユーザに警報を発するステップは、非限定的に、上述のように音声警報、視覚的警報、または機械的構成部品の振動を発するステップを含むことができる。さらにいくつかの実施形態では、警報を発するステップは、障害物の少なくとも１つの検出された属性、および障害物までの距離に関する情報をもたらすステップを含む。次いで方法７００は、７０２にて繰り返し、障害物を検出するためにＲＦ信号を送信し続ける。７０８にて障害物が検出されない場合は、方法７００は７０２にて繰り返し、障害物を検出するためにＲＦ信号を送信し続ける。

以上、特定の実施形態を示し説明してきたが、当業者なら、示された特定の実施形態を、同じ目的を達成するように適応された任意の構成で置き換えることができることが理解されよう。本出願は、本発明の任意の適応形態または変形形態も包含することを意図するものである。したがって、本発明は、特許請求の範囲およびその等価物によってのみ限定されることを明確に意図するものである。

１００ 障害物検出システム
１０２ 送信器
１０４ 受信器
１０４−１ 受信器
１０４−２ 受信器
１０６ 処理回路
１０８ 出力装置
１１０ 受信アンテナ
１１０−１ 受信アンテナ
１１０−２ 受信アンテナ
１１２ 送信アンテナ
６００ 障害物検出システム

Claims (3)

1. 無線周波数（ＲＦ）信号を放射するように動作可能であり、回転するように構成された送信アンテナと、
   前記送信アンテナからの前記ＲＦ信号の送信を制御するように動作可能な送信器であって、前記送信アンテナが回転するのに従って前記ＲＦ信号の送信を制御して前記送信されたＲＦ信号が障害物に接触する入射角を経時的に変化させるように構成された送信器と、
   前記ＲＦ信号の反射を受信するように動作可能な受信アンテナと、
   前記障害物、および前記障害物の１つまたは複数の物理的属性を識別するために、前記入射角の変化によって生じる前記受信された反射のレーダ断面積（ＲＣＳ）の１つまたは複数の特性を解析するように動作可能な処理回路と
   を備える、障害物検出システム。
2. 前記送信器は、前記送信アンテナを介した周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）無線周波数信号の送信を制御するように動作可能である、請求項１に記載の障害物検出システム。
3. 前記送信アンテナは、非ポラリメトリックＲＦ信号を送信するように動作可能である、請求項１に記載の障害物検出システム。

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