JP5682334B2 - 移動体の距離測定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、距離測定中に、距離測定装置を搭載した移動体と、その移動体周囲の物体(被測定物)との距離が時々刻々変化する事態が発生しても、周囲物体までの距離をより安定的に測定可能とすることを目的としている。
また、使用するパルス光は、横方向(例えば水平方向)に延在した発光領域を有するので、パルス光の照射領域と非照射領域の境界を、横方向に沿って位置するパルス光の上端エッジとして検出される。このため、従来公知のシートビームを用いた三角測量方式による距離計測が可能となり、本装置を搭載した移動体と被測定物との間の距離をより安定して測ることができる。
以上のように、距離測定中に、距離測定装置を搭載した移動体と、その移動体周囲の物体(被測定物)との距離が時々刻々変化する事態が発生しても、周囲物体までの距離をより安定的に測定可能とすることが出来る。
本実施形態では、距離測定装置を搭載する移動体として、道路や床などの走行路に沿って移動する車両MMを例にして説明する。
また本実施形態では、距離測定方向として車両前方に位置する被測定物との距離を測定する場合で説明する。もちろん、車両後方や側方に位置する被測定物との距離を測定可能になるように、後述の撮像部12及び投光部11を配置しても良い。
本実施形態の距離測定装置は、対象とする車両MMに搭載されている。その距離測定装置は、図1に示すように、投光部11、撮像部12、及び距離測定制御部20を備える。
本実施形態の投光部11は、図1に示すように、車両MMの前部に設けられている。その投光部11は、車両MM前方に向けてパルス光を投光(照射)可能となっている。本実施形態の投光部11は、プロジェクタヘッドライトやリフレクタを備えたヘッドライトからなる。そして、その投光部11からの光は、上下に幅を持って水平方向に延びた発光領域を形成する配光特性を有し、且つ予め定められた投光パターンで投光される。上記水平方向は、若干左右に傾斜していても良い。そして、上記水平方向に形成された投光は被測定物SMに照射され、被測定物SM上に照射領域と非照射領域の輝度境界を鮮明に映し出す配光を実現する。
上記投光の発光領域は、車幅方向に沿って水平方向に延在する上端を有する。そして、その発光領域の上下幅は、撮像する撮像周期等に基づき、連続して撮像する画像間において発光領域同士が確実に重なりが生じるだけの大きさを有する。例えば、発光領域の下端部は後述の撮像領域よりも下方に位置するように設定する。
検波部13は、撮像部12が予め設定した撮像周期で取得した2以上の画像を参照し、その画像中の画素から、投光部11から照射(投光)されるパルス光に同期した光を抽出する。すなわち、検波部13は、投光部11から照射されたパルス光に同期して撮像された画像からパルス光を抽出するための検波処理を行う。
エッジ検出部15は、検波部13で抽出されたパルス光の画像(照射光画像)から、当該パルス光の上端エッジを検出する。
投光された照射光のみを頑健に検出する処理として、同期検波が一般的に用いられる。本実施形態の検波部13では、その同期検波で処理を行う。すなわち、検波部13では、撮像部12によって撮像された画像における画像領域中の全画素について、この同期検波処理を施し、各画素で照射光の抽出を行う。
ここで、BPSKは一回の位相変調(1シンボル)で1bitを伝送する。なお、送信する信号列(ビット列)をan、搬送周波数をfcとする。BPSKでは、1bit送信時に、1を送る場合は位相0(ゼロ)、0(ゼロ)を送る場合は位相πだけシフトした搬送波により信号を送信する。そして、送信信号(図5で「2)」で記載のBPSK信号)は、キャリア周波数fcにより強度変調をかけたパルス光として、投光部11から送出される。送出されたパルス光は、被測定物SMにより反射され、撮像部12により撮像される。撮像部12で撮影された画像は、各画素、搬送波が重畳され、図5の「3)」に示す搬送波重畳後の時系列信号が得られる。その後、低域通過フィルタにより、高周波成分を除去した結果について、正負の符号判定を行い、送信する信号列(ビット列)をanを復元する(図5の「4)」参照)。
まず、ステップS1で、撮像部12が撮像した画像を取得する。
次に、ステップS2では、取得した画像に対し、検波制御部14が規定する搬送波を重畳する(図5の「3)」参照)。具体的には、画像中処理領域に設定された全画素に対して、取得タイミングに応じた位相における正弦波を掛け合わせる。
次に、ステップS3では、ステップS2で搬送波を重畳した画像をフレームメモリに蓄積する。同期検波処理に連続するnフレーム必要な場合は、nフレーム分のフレームメモリが確保される。このとき、例えば、リングバッファ構造により、最も古い画像データを最新の画像データにより更新する。
そして、ステップS5にて、読み出した同期検波に用いる最新n画素分のデータに対しローパスフィルタを適用する。
ステップS7では、処理領域中のすべての画素について、検波が終了したか否かを判定する。処理領域中のすべての画素について、検波が終了していれば、次のエッジ検出部15の処理に移行する。一方、処理領域中のすべての画素について、検波が終了していなければ、ステップS4に戻り、次の画素位置(例えば、(xi+1、yj))の時系列画素データを読出し、ステップS5以下の処理を繰り返す。
エッジ検出部15は、検波部13で検出したnフレーム数の各領域光投光エリアS(t)、S(t+dt)・・・S(t+n・dt)の重複するエリアである照射エリアSd(t+n・dt)を、下記式に基づき演算する。
Sd(t+n・dt)=S(t)∩S(t+dt)・・・
・・・∩S(t+n・dt)
Sd(t+n・dt)=S(t)∩S(t+n・dt)
ここで、検波部13による同期検波に必要なフレーム数をn、画像取得の撮像間隔をdtとする。そして、検波部13で抽出した領域光投光エリアについて、時刻tでの領域光投光エリアをS(t)、・・・、時刻t+n・dtでの領域光投光エリアをS(t+n・dt)とする。
Sd(t+n・dt)=S(t)∩S(t+n・dt)
そして、エッジ検出部15は、この画像中に特定された領域Sd(t+n・dt)の上端エッジを検出することで、エッジE(t+n・dt)を得る(図7(d))。
そして、距離算出部16は、エッジ検出部15が検出したエッジEを使用し、光切断法の原理に基づき、対象物までの距離を測定する。
光切断法では、図8に示すように、対象とする物体にあらかじめ定められた位置からスリット光(細い帯状のパターン)を照射した状態で物体の像を入力する。3次元物体の形状データを得る場合は、このスリット光の照射方向を少しずつ変化させつつ対象物の像を入力することで、物体上に写ったスリット光の位置や形状と、スリット光照射装置の位置と方向により、三角測量の原理により物体表面の位置を検出する。 このように、照射した一本のスリット光が物体表面を切断する形となるため、光切断法と呼ばれている。なお、スリット光の作成方法として、シリンドリカルレンズを用いたもの、ポリゴンミラーによるもの、ライン状LEDによるものなどがある。
そして、本実施形態の距離算出部16では、エッジ検出部15が検出した上端エッジEを上記スリット光とみなして、上述の光切断法の原理に基づく処理を実施し、公知の方法にて距離測定を行う。
まず本実施形態とは異なる、投光部11からの投光がスリット状の照射光(投光)の場合について説明する。
三角測量の原理に基づき被測定物SMまでの距離を計測する際に、検出頑健性を確保すべく同期検波を用いたとする。この場合、スリット状の照射光では、同期検波による照射光抽出時に被測定物SMとの相対距離が変化する。この結果、画像中における照射光位置がずれてしまうため、安定して照射光を画像中に検出することができないという問題がある。たとえば、図9(a)に示すように、連続する時刻tと時刻t+dtで被測定物SM(距離を計測する対象)と観測系(ここでは車両MMに搭載された撮像部12位置とする)の距離がDからD+dDに変化したとする。このとき、撮像部12画像中における投光された照射光上端エッジ位置は、時刻tで高さ方向y0の位置(図9(b))、時刻t+dtでは高さ方向(y0+dy)の位置(図9(c))となる。このとき、投光上端エッジを画像中に特定する検波処理は、画素単位で行われるため、投光光上端エッジが連続する時刻で異なる画像位置(ここでは、y0とy0+dy)に観測されることは、検波処理によって、画像から投光光を抽出することができないことを意味する(図9(d)参照)。すなわち、検波処理による安定した投光光抽出を実現するためには、連続する複数の画像(フレーム)において、投光光が画像中の同じ位置に観測されることが必須である。つまり、検波のためには連続する5フレームの画像が必要としたら、5フレーム連続して画像中の同じ位置に、投光パターンが形成されていることが必要である。しかしながら、車両MMに搭載された観測系は、車両MMの動きに応じて、また、被測定物SMの動きに応じて、その相対的な位置関係(距離等)が変化する。このため、図9に示すような、シート状の投光パターンでは、複数のフレームにわたって投光パターンが画像上の同一箇所に観測される保証が無く、投光パターンの検出が破綻する可能性が大きい。
これによって、車両MMの姿勢変化や、被測定物SMの移動に伴う車両MMと被測定物SMの相対的な位置変化が生じる場合でも、重複した照射パターンが被測定物SM上の同一箇所に連続して観測できる結果、安定的に照射光を抽出することが可能である(図7参照)。
例えば、検波部13により5フレーム(n=5)で、エッジ検出部15で使用する上記エッジE(t+n・dt)が得られるとし、画像を毎秒1000枚(1000fps)得る設定とする。この場合には、距離測定装置を搭載した車両MMと被測定物SMとの相対的な移動速度が100km/hである場合、実空間での相対距離変化量は、15cmとなる。これは、エッジE(t+n・dt)から算出される被測定物SMまでの距離誤差が15cmであることを意味する。すなわち、この場合には、被測定物SMとの相対距離が15mとしても、誤差1%であり、十分な距離計測精度が得られることが分かる。
ここで、投光部11は投光手段を構成する。撮像部12は撮像手投を構成する。検波部13は検波手段を構成する。エッジ検出部15はエッジ部検出手段を構成する。距離算出部16は距離算出手段を構成する。
(1)投光部11は、車両MMの外方に向けて、上下方向に幅を有して横方向に延在した発光領域を有するパルス光を時間変調させて投光する。撮像部12は、予め設定した撮像領域内に位置する上記投光部11が投光したパルス光を撮像する。検波部13は、上記撮像部12が撮像した画像から同期検波により上記パルス光を抽出する。エッジ検出部15は、上記検波部13が抽出したパルス光上端のエッジ部を検出する。距離算出部16は、上記エッジ部検出部が検出したエッジ部と車両MMとの距離を算出する。
また、パルス光は横方向に延在した発光領域を有するので、パルス光の照射領域と非照射領域との境界をエッジとして検出することで、シートビームを用いた三角測量方式による距離計測が可能となる。
以上から、本装置を搭載した車両MMと被測定物SMとの相対位置が時々刻々変化する場合であっても、本装置を搭載した車両MMと被測定物SMとの間の距離をより安定して求めることが可能となる。
(1)上記投光部11として、発光方向が異なる複数の投光部11を備え、且つ、異なる投光方向毎に照射光(投光)の時系列パターンが異なるようにしても良い。
このように、パルス光を照射する投光部11を複数備えると、単一の投光部11だけでは検出できない領域を減らすことができる。また、各投光部11を固有の周波数(時間)変調によりパルス光を発光し、検波部13により投光光検出をするようにすれば、距離計測をする領域毎に、最適な距離計測周期(スループット)を設定することが可能となる。
このことは、例えば、遠方であれば時間を掛けた冗長的な検波により、確度高く照射光を抽出して、確実な障害物検出を行う。一方、近傍位置であれば、より短時間での距離計測を実現するなど、緊急度合いに応じた距離計測周期を設定し、その緊急度合いに応じて車両MMを制御することが可能となる。
この場合には、複数の発光領域のうち上端部が相対的に上側にある発光領域を使用して、被測定物SMまでの距離がある程度大きい場合であれば時間を掛けた冗長的な検波により、確度高く照射光を抽出し、確実な被測定物検出と被測定物SMまでの距離計測を行う。
ここで、第一の投光部11が照射(投光)する照射光の発光領域の上端エッジをE1、第二の投光部11が照射(投光)する照射光の発光領域の上端エッジをE2、第三の投光部11が照射(投光)する照射光の発光領域の上端エッジをE3とする。そして、E1、E2、E3をそれぞれ撮影した画像は、図10(b)のようになる。
上述のように、E1、E2、E3の距離計測レンジは、それぞれの投光光照射方向の俯角を変化させることにより設定している。
ここでは、E1、E2、E3と、3つの照射光上端エッジについての距離計測を例示したが、投光器の数については、3つに限られるものではない。
投光部11による照射光(投光)と撮像部12による撮像タイミングは制御され、生成する元信号により検波部13で同期検波を行うことにより照射光抽出が行われる。この同期検波処理は、変調として、位相変調または振幅変調または周波数変調を使用することにより、複数システムによる混信の回避や検出頑健性の向上を実現することができる。
投光部11に具備される発光源11bとして、赤外光または紫外光を使用すると、撮像部12に特定スペクトルの光を高効率で透過するフィルタを構成することにより、照射光をより頑健に検出することが可能となる。また、赤外光または紫外光を使用すると、パルス光照射によって他者の視認を妨げず、幻惑を防止することも可能となる。
一つの撮像部12で広域を観測するためには、通常、広角レンズが用いられる。一般的な広角レンズは、射影方式として等距離射影(いわゆるfθレンズ)を採用しており、周辺視野では中心視野に比べて分解能が劣る。このような広角レンズとの組合せにおいては、撮像部12視軸Pに俯角(仰角)を持たせ、分解能が高い領域を監視したい領域に向けて適切に設定することが好ましい。
撮像部12視軸Pに俯角が無い場合と有る場合をそれぞれ図12(a)、(b)に示す。図12で視軸P方向の画素位置をy(j)、y(j)の下に隣接する画素位置をy(j+1)とする。このとき、図12(a)に示すように、俯角(仰角)が0(ゼロ)[rad]の場合において、画素位置y(j)とy(j+1)で決定される1画素の角度分解能は実空間距離での距離分解能dD(0)であるとする。一方、図12(b)に示すように、俯角(仰角)がα[rad]の場合において、画素位置y(j)とy(j+1)で決定される1画素の角度分解能は実空間距離での距離分解能dD(α)であるとする。
dD(α)<dD(0)
が成立するので、撮像部12視軸Pに俯角(仰角)を持たせた場合、1画素の角度分解能に対する実空間分解能が高くなる。
このように、投光部11から照射される照射光の上端エッジを、撮像部12に対して横方向に延びる発光領域を形成し、撮像部12を上端エッジ照射方向に対して上下方向にオフセットして配置する。さらに、上端エッジ照射方向と撮像物の視軸Pが予め設定した角度をなすように当該視軸Pを設定することで、一般的な広角レンズ(魚眼レンズ)を使用した際においても、三角測量の原理に基づき距離計測する際の計測精度が向上する。
11a 反射鏡
11b 光源
11c 投光レンズ
12 撮像部
20 距離測定制御部
13 検波部
14 検波制御部
15 エッジ検出部
15 エッジ検出部
16 距離算出部
E 上端エッジ
H 照射方向
MM 車両
SM 被測定物
S 領域光投光エリア
Sd 照射エリア
Claims (6)
- 移動体に搭載される距離測定装置であって、
移動体の外方に向けて、上下方向に幅を有して横方向に延在した発光領域を有するパルス光を時間変調させて投光する投光手段と、
予め設定した撮像領域内に位置する上記投光手段が投光したパルス光を、設定した撮像周期で撮像する撮像手段と、
上記撮像手段が撮像した2以上の画像から同期検波により上記パルス光を抽出する検波手段と、
上記検波手段が抽出したパルス光上端のエッジ部を検出するエッジ部検出手段と、
上記エッジ部検出手段が検出したエッジ部と移動体との距離を算出する距離算出手段と、を備え、
上記エッジ部検出手段は、上記2以上の画像でのパルス光の重複するエリアから上記エッジ部を検出することを特徴とする移動体の距離測定装置。 - 上記投光手段として、発光方向が異なる複数の投光手段を備え、異なる発光方向毎に投光する照射光の時系列パターンが異なることを特徴とする請求項1に記載した移動体の距離測定装置。
- 上記複数の投光手段の少なくとも2つの投光手段は、上面視で投光方向が同じ方向を向くように設定されていると共に、各投光手段に対応する発光領域の上端エッジ部が互いに上下にずれていることを特徴とする請求項2に記載した移動体の距離測定装置。
- 上記変調として、位相変調、振幅変調、及び周波数変調のいずれかを使用することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載した移動体の距離測定装置。
- 上記投光手段は、少なくとも赤外光または紫外光のいずれかを照射する光源を有し、
上記撮像手段は、上記光源から照射される光領域に感度を有することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載した移動体の距離測定装置。 - 上記撮像手段は、上記投光手段に対し上下にオフセットして配置されると共に、側面視で、撮像部の視軸が、投光手段による上記発光領域の上端エッジ部の照射方向と交差するように、当該視軸の向きを上下に傾けたことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載した移動体の距離測定装置。
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