JP6540689B2 - レーダーモジュール、輸送機器、及び物体識別方法 - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波を使用したレーダーモジュール、レーダーモジュールを搭載した輸送機器、及び物体識別方法に関する。

従来、情報通信技術を利用して道路交通上の問題解決を図る高度道路交通システム（ＩＴＳ：Intelligent Transport Systems）の開発が進めされている。この分野では、例えば、センサーによって自動車の周囲環境（例えば、周囲の自動車や歩行者、障害物等）を検出し、検出結果に基づいて危険を回避又は軽減するための安全支援動作（例えば警告、ブレーキ制御等）を行う技術が実用化されている。

このセンサーの１つとして、波長が１〜１０ｍｍ（周波数：３０〜３００ＧＨｚ）のミリ波を使用するレーダー（いわゆるミリ波レーダー）が知られている。ミリ波レーダーは電波を使用するため、雨や霧などの悪天候下でも一定の感度を確保できるという利点がある。ミリ波レーダーは、自動車の周囲に送信信号（電波）を送信し、検出対象の物体（以下「目標物体」）で反射した反射信号（反射波）を受信して解析することにより、周囲環境に関する情報（目標物体の位置（距離、方位）、相対速度等）を取得することができる。

ミリ波センサーは、自動車事故を回避することを目的として、主に車両検知用として普及してきた。さらに近年では、自動車等の人工物と歩行者（人）を分離して検出すべく、広帯域の７９ＧＨｚ帯（７７〜８１ＧＨｚ）のミリ波を使用した高分解能のミリ波レーダーが実用化されている。例えば特許文献１、２には、反射信号の受信電力のばらつき（分散、標準偏差など）を利用して、人であるか否かを判断する技術が開示されている。

特開２０１３−１６７５５４号公報 特開２０１３−９６９１５号公報

特許文献１、２では、反射信号の受信電力のばらつき（例えば分散値）が、基準値と比較して大きければ、目標物体が人であると判断する。しかしながら、受信電力のばらつきは、信号量とノイズ量の比（ＳＮＲ：Signal to Noise Ratio）によって変化する。例えば、目標物体が人工物であっても、低ＳＮＲ環境では受信電力のばらつきは大きくなる。そのため、基準値の適切な設定が困難であり、目標物体が人工物であるにもかかわらず、人であると誤検知される虞がある。

本発明の目的は、低ＳＮＲ環境であっても目標物体が人であるか否かを精度よく識別できるレーダーモジュール、輸送機器、及び物体識別方法を提供することである。

本発明に係るレーダーモジュールは、送信アンテナと、
受信アンテナと、
送信信号を生成する信号源と、
前記送信アンテナを介して前記送信信号を目標物体に向けて送信する送信部と、
前記送信信号が目標物体で反射して生じる反射信号を前記受信アンテナを介して受信する受信部と、
前記受信部から出力される受信信号に基づいて信号処理を行う信号処理部と、
前記信号処理部で得られた情報を出力する外部インターフェースと、を備え、
前記信号処理部は、前記受信信号の受信電力の平均値と分散値を算出し、算出された平均値と分散値を用いて、前記目標物体を識別することを特徴とする。

本発明に係る輸送機器は、上記のレーダーモジュールと、
前記レーダーモジュールから出力された情報に基づいて、危険を回避又は軽減するための動作を行う安全運転支援動作部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る物体識別方法は、所定の送信信号を送信し、前記送信信号が目標物体で反射して生じる反射信号を受信するレーダー装置における物体識別方法であって、
前記反射信号に基づく受信電力を取得する第１ステップと、
前記受信電力の平均値を算出する第２ステップと、
前記受信電力の分散値を算出する第３ステップと、
前記平均値と前記分散値を用いて前記目標物体を識別する第４ステップと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、人のＲＣＳが指数分布になることを利用し、反射波の受信電力の平均値と分散値を用いて目標物体を識別するので、低ＳＮＲ環境であっても目標物体が人であるか否かを精度よく識別することができる。

本発明の一実施の形態に係る自動車の安全運転支援に関する制御系のブロック図である。 レーダーモジュールの検知範囲を示す図である。 自動車に搭載されるレーダーモジュールのブロック図である。 人判定部における物体識別処理の一例を示すフローチャートである。 目標物体が人である場合と人工物である場合の判定指標の変化を示す図である。 目標物体が人である場合と人工物である場合の受信電力の測定結果（分布状態）を示すヒストグラムである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態では、本発明に係る輸送機器として自動車を例に挙げて説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る自動車１の安全運転支援に関する制御系のブロック図である。図１に示すように、自動車１は、レーダーモジュール１０及び安全運転支援動作部２０を備える。

レーダーモジュール１０は、例えば７９ＧＨｚ帯のミリ波を利用するＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式のミリ波レーダーである。レーダーモジュール１０は、例えば図２に示すように、自動車の前バンパーや後バンパーに配置される。図２には、前バンパーの車幅方向中央部、及び後バンパーの車幅方向両側部にレーダーモジュール１０を配置した場合の検知範囲を示している。これにより、運転者の死角に存在する目標物体を検知することができる。

レーダーモジュール１０は、自動車１の周囲環境（例えば、周囲の自動車や歩行者、障害物等）を検知し、周囲環境に関する情報を安全運転支援動作部２０に出力する。周囲環境に関する情報には、目標物体の有無、目標物体までの距離、及び目標物体の識別結果（人であるか否か）が含まれる。

安全運転支援動作部２０は、レーダーモジュール１０から出力された周囲環境に関する情報に基づいて、危険を回避又は軽減するための安全運転支援動作を行う。具体的な安全運転支援動作については後述する。

図３は、自動車１に搭載されるレーダーモジュール１０のブロック図である。図３に示すように、レーダーモジュール１０は、信号源１１、送信部１２、送信アンテナ１３、受信アンテナ１４、受信部１５、信号処理部１６、及び外部インターフェース１７等を備える。

レーダーモジュール１０においては、信号源１１、送信部１２、受信部１５、信号処理部１６、及びＩ／Ｏポート（図示略）が一枚の基板上に配置されたワンチップＩＣを適用できる。送信アンテナ１３及び受信アンテナ１４は、例えばプリント回路基板上に形成された銅箔パターンによって構成される。送信アンテナ１３及び受信アンテナ１４を有するプリント回路基板に、信号源１１等を有するワンチップＩＣ、ＩＣ外付け部品、及び外部インターフェース１７等が実装される。そして、このプリント回路基板がシールドケースで覆われることにより、レーダーモジュール１０が構成される。

信号源１１は、電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）の制御電圧に三角波の変調信号を加えることにより、周波数変調（ＦＭ：frequency modulation）された送信信号を生成する。
送信部１２は、例えば送信信号を送信アンテナ１３に出力するとともに、送信信号の一部を受信部１５に分配する方向性結合器を含む。
送信アンテナ１３は、送信信号を自動車１の周囲に送信波として放射する。送信波は目標物体に到達すると、目標物体の反射率に応じて反射する。

受信アンテナ１４は、目標物体で反射して生成される反射信号を受信し、受信部１５に出力する。
受信部１５は、例えば受信アンテナ１４から出力された反射信号と、送信部１２（方向性結合器）から出力された送信信号とを混合して、ビート信号（受信信号）を生成するミキサーを含む。受信部１５は、生成したビート信号を信号処理部１６に出力する。

信号処理部１６は、周波数解析部１６１、物体検知部１６２、及び人判定部１６３を有する。
周波数解析部１６１は、ＡＤ変換器（図示略）でデジタル化されたビート信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）等の処理を実行して、周波数解析を行う。
物体検知部１６２は、周波数解析部１６１で算出されたビート信号の周波数分布（ビート周波数のピーク）に基づいて、目標物体を検知するとともに、検知された目標物体までの距離及び目標物体との相対速度を算出する。
人判定部１６３は、目標物体が検知されたビート信号の受信電力に基づいて、検知された目標物体が人であるか否かを判定する。人判定部１６３における物体識別処理については後述する。
信号処理部１６で生成された周囲環境に関する情報は、外部インターフェース１７を介して安全運転支援動作部２０に出力される。

図４は、人判定部１６３における物体識別処理の一例を示すフローチャートである。図４に示す物体識別処理は、例えば物体検知部１６２において新たに目標物体が検知されることに伴い開始される。なお、信号処理部１６に入力されたビート信号は所定期間、記憶部（図示略）に記憶されるものとする。

ステップＳ１０１において、人判定部１６３は、目標物体が検知されたビート信号の受信電力Ｐ_ｒを複数取得する。受信電力Ｐ_ｒの安定した分布を得るためには、取得データ数は７個以上であることが好ましい。
ステップＳ１０２において、人判定部１６３は、受信電力Ｐ_ｒの平均値Ｅを算出する。
ステップＳ１０３において、人判定部１６３は、受信電力Ｐ_ｒの分散値Ｖを算出する。

ステップＳ１０４において、人判定部１６３は、平均値Ｅの２乗と分散値Ｖを比較する。平均値Ｅの２乗を分散値Ｖで除算した判定指標Ｅ^２／Ｖが第１の基準値Ｓ１よりも小さい場合、処理はステップＳ１０５に移行する。判定指標Ｅ^２／Ｖが第１の基準値Ｓ１以上の場合、処理はステップＳ１０６に移行する。「第１の基準値Ｓ１」は、判定指標Ｅ^２／Ｖによって目標物体を識別するためのものであり、１近傍に設定される。

ステップＳ１０５において、人判定部１６３は、検知された目標物体は「人」であると判定する。
ステップＳ１０６において、人判定部１６３は、検知された目標物体は「人工物」であると判定する。

ところで、自由空間におけるレーダーの受信電力Ｐ_ｒは、下式（１）で表される。

式（１）において、レーダー反射断面積（ＲＣＳ：Radar Cross Section）σ以外の項は一定値であると考えられるので、受信電力Ｐ_ｒはＲＣＳに比例する。目標物体が人である場合、人の表面は振動しているので、ＲＣＳは一定値とならずに変動する。ＲＣＳが指数分布に従うと仮定すると、受信電力Ｐ_ｒも指数分布に従う。なお、目標物体が人である場合の受信電力Ｐ_ｒが指数分布に近くなることは実験により確認されている。

図６は、目標物体が人である場合と人工物（ここではリフレクター）である場合の受信電力の測定結果（分布状態）を示すヒストグラムである。図６より、リフレクターの測定データの分布はライス分布に近く、人の測定データの分布はレイリー分布に近いことが分かる。これより、目標物体が人である場合の受信電力Ｐ_ｒは指数分布に従うと考えてよい。

したがって、目標物体が人である場合、理想的には受信電力Ｐ_ｒの平均値Ｅの２乗と分散値Ｖは等しく、Ｅ^２／Ｖ＝１となる。この関係は、図５に示すようにＳＮＲによらず一定である。

一方、目標物体が人以外の人工物（車両等）である場合、ＲＣＳは一定値になると考えられる。この場合、受信電力Ｐ_ｒのばらつきはＳＮＲに応じて変動し、受信電力Ｐ_ｒの平均値Ｅの２乗は分散値Ｖよりも明らかに大きく、Ｅ^２／Ｖ＞１となる（図５参照）。

これより、受信電力Ｐ_ｒの平均値Ｅの２乗と分散値Ｖの比Ｅ^２／Ｖを判定指標として用いることにより、目標物体が人であるか人以外の人工物であるかを精度よく判定することができる。また、図５に示すように、目標物体が人である場合の判定指標Ｅ^２／Ｖと目標物体が人工物である場合の判定指標Ｅ^２／Ｖとは大きく乖離するので、適切な第１の基準値Ｓ１を容易に設定することができる。

このように、レーダーモジュール１０は、送信アンテナ１３と、受信アンテナ１４と、送信信号を生成する信号源１１と、送信アンテナ１３を介して送信信号を目標物体に向けて送信する送信部１２と、送信信号が目標物体で反射して生じる反射信号を受信アンテナ１４を介して受信する受信部１５と、受信部１５から出力される受信信号（ビート信号）に基づいて信号処理を行う信号処理部１６と、信号処理部１６で得られた情報を出力する外部インターフェース１７と、を備える。信号処理部１６（人判定部１６３）は、受信信号の受信電力Ｐ_ｒの平均値Ｅと分散値Ｖを算出し、算出された平均値Ｅと分散値Ｖを用いて、目標物体を識別する。
具体的には、信号処理部１６（人判定部１６３）は、受信電力Ｐ_ｒの平均値Ｅの２乗と分散値Ｖを比較して、平均値Ｅの２乗を分散値Ｖで除算した判定指標Ｅ^２／Ｖが１近傍に設定される第１の基準値Ｓ１よりも小さい場合に、目標物体が人であると判定する。

レーダーモジュール１０によれば、人のＲＣＳが指数分布になることを利用し、受信信号の受信電力Ｐ_ｒの平均値Ｅと分散値Ｖを用いて目標物体を識別するので、低ＳＮＲ環境であっても目標物体が人であるか否かを精度よく識別することができる。

レーダーモジュール１０の人判定部１６３で得られた目標物体の識別結果は、目標物体の有無、目標物体までの距離等とともに、周囲環境に関する情報として安全運転支援部２０に出力される。安全運転支援動作部２０は、周囲環境に関する情報に基づいて、危険を回避又は軽減するための安全運転支援動作を行う。

図１に示すように、安全運転支援動作部２０は、停止動作部２１、運転動作部２２、及び警告部２３を有する。
停止動作部２１は、周囲環境に関する情報に基づいて、自動車１の停止動作を支援する。具体的には、停止制御部２１１の制御下で、ブレーキ２１２が動作し、自動車１を自動的に減速又は停止させる。これにより、速やかに危険を回避することができる。

運転動作部２２は、周囲環境に関する情報に基づいて、自動車１の運転動作を支援する。具体的には、運転制御部２２１の制御下で、ハンドル２２２が動作し、自動車１の走行方向を自動的に変更する。これにより、速やかに危険を回避することができる。

警告部２３は、周囲環境に関する情報に基づいて、搭乗者又は外部に対して警告を行う。具体的には、警告制御部２３１の制御下で、シートベルト２３２が自動的に巻き上げられ、搭乗者に刺激を与える。搭乗者は、シートベルト２３２による触覚変化を知覚することで、危険を察知することができる。

また、警告制御部２３１の制御下で、シート２３３が振動し、搭乗者に刺激を与える。搭乗者は、シート２３３による触覚変化を知覚することで、危険を察知することができる。

また、警告制御部２３１の制御下で、表示部２３４が表示によって警告を行う。表示部２３４としては、例えば、カーナビゲーションシステム等の液晶ディスプレイ、フロントガラス、搭乗者が装着しているメガネ又はヘッドアップディスプレイ、又はバックモニター等を適用できる。
表示部２３４は、例えば人がいる方向を表示部２３４に２Ｄ表示したり、人までの距離に応じて表示部２３４の表示色（背景色など）を変更したりする（安全：青→黄→赤：危険）ことにより、搭乗者に対して警告を行う。搭乗者は、視覚によって危険を察知することができる。

また、警告制御部２３１の制御下で、音声出力部（スピーカー）２３５が音声によって警告を行う。搭乗者は、聴覚によって危険を察知することができる。

また、警告制御部２３１の制御下で、無線通信部２３６が搭乗者又は歩行者が所持する携帯端末（例えばスマートフォン）に対して警告情報を送信する。警告情報を受信した携帯端末では、表示又は音声によって警告が行われる。搭乗者又は歩行者は、自身が所持する携帯端末からの伝達情報によって危険を察知することができる。

また、警告制御部２３１の制御下で、臭気発生部２３７が臭気を発生する。搭乗者は、嗅覚によって危険を察知することができる。

さらには、ヘッドライトのパッシングやクラクションによって周囲に危険を察知させるようにしてもよい。また、目標物体までの距離や目標物体がある方向に合わせてヘッドライトの照射態様を変化させるようにしてもよい。

自動車１においては、周囲環境に関する情報に基づいて、安全運転支援動作部２０が上述したような動作を行うので、自車の安全性はもちろん、他車及び歩行者の安全性も格段に向上する。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、目標物体が人であると判定するための判定指標として、受信電力Ｐ_ｒの平均値Ｅの２乗から分散値Ｖを減算した値（Ｅ^２−Ｖ）を用いることもできる。この場合、判定指標（Ｅ^２−Ｖ）が０近傍に設定される第２の基準値より小さい場合に、目標物体が人であると判定される。
ただし、目標物体が人である場合の判定指標（Ｅ^２−Ｖ）と目標物体が人工物である場合の判定指標（Ｅ^２−Ｖ）の乖離幅は、Ｅ^２／Ｖを判定指標とした場合よりも小さく、適切な第２の基準値の設定が難しくなるので、判定指標としてはＥ^２／Ｖを用いることが好ましい。

また、レーダーモジュール１０には、パルス方式、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）等、ＦＭＣＷ方式以外の方式を適用してもよい。
また、本発明に係るレーダーモジュールは、自動車の他、鉄道車両、船舶、飛行機等の輸送機器、又は道路に設置される路側機に搭載することができる。輸送機器には、その他のレーダーモジュール（例えば７６ＧＨｚミリ波レーダー）やステレオカメラ等のセンサーを組み合わせて搭載してもよい。複数のセンサーを搭載することにより、輸送機器の周囲環境をさらに的確に把握することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２０１４年３月３１日出願の特願２０１４−０７２２９１の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。

１ 自動車（輸送機器）
１０ レーダーモジュール
１１ 信号源
１２ 送信部
１３ 送信アンテナ
１４ 受信アンテナ
１５ 受信部
１６ 信号処理部
１７ 外部インターフェース
２０ 安全運転支援動作部
１６１ 周波数解析部
１６２ 物体検知部
１６３ 人判定部

Claims (15)

1. 送信アンテナと、
   受信アンテナと、
   送信信号を生成する信号源と、
   前記送信アンテナを介して前記送信信号を目標物体に向けて送信する送信部と、
   前記送信信号が目標物体で反射して生じる反射信号を前記受信アンテナを介して受信する受信部と、
   前記受信部から出力される受信信号に基づいて信号処理を行う信号処理部と、
   前記信号処理部で得られた情報を出力する外部インターフェースと、を備え、
   前記信号処理部は、前記受信信号の受信電力の平均値と分散値を算出し、前記平均値の２乗を前記分散値で除算した判定指標が１近傍に設定される第１の基準値より小さい場合に、前記目標物体が人であると判定する、
   ことを特徴とするレーダーモジュール。
2. 送信アンテナと、
   受信アンテナと、
   送信信号を生成する信号源と、
   前記送信アンテナを介して前記送信信号を目標物体に向けて送信する送信部と、
   前記送信信号が目標物体で反射して生じる反射信号を前記受信アンテナを介して受信する受信部と、
   前記受信部から出力される受信信号に基づいて信号処理を行う信号処理部と、
   前記信号処理部で得られた情報を出力する外部インターフェースと、を備え、
   前記信号処理部は、前記受信信号の受信電力の平均値と分散値を算出し、前記信号処理部は、前記平均値の２乗から前記分散値を減算した判定指標が０近傍に設定される第２の基準値より小さい場合に、前記目標物体が人であると判定する、
   ことを特徴とするレーダーモジュール。
3. 前記信号源、前記送信部、前記受信部、及び前記信号処理部が一枚の基板上に配置されたワンチップＩＣを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーダーモジュール。
4. 前記送信アンテナ及び前記受信アンテナが形成されたプリント回路基板上に前記ワンチップＩＣ及び前記外部インターフェースが実装され、当該プリント回路基板がシールドケースで覆われていることを特徴とする請求項３に記載のレーダーモジュール。
5. 請求項１又は２に記載のレーダーモジュールと、
   前記レーダーモジュールから出力された情報に基づいて、危険を回避又は軽減するための動作を行う安全運転支援動作部と、を備えることを特徴とする輸送機器。
6. 前記安全運転支援動作部は、前記レーダーモジュールから出力された情報に基づいて、当該輸送機器の停止動作を支援する停止動作部を有することを特徴とする請求項５に記載の輸送機器。
7. 前記安全運転支援動作部は、前記レーダーモジュールから出力された情報に基づいて、当該輸送機器の運転動作を支援する運転動作部を有することを特徴とする請求項５に記載の輸送機器。
8. 前記安全運転支援動作部は、前記レーダーモジュールから出力された情報に基づいて、搭乗者又は外部に対して警告を行う警告部を有することを特徴とする請求項５に記載の輸送機器。
9. 前記警告部は、表示によって警告を行う表示部を有することを特徴とする請求項８に記載の輸送機器。
10. 前記警告部は、音声によって警告を行う音声出力部を有することを特徴とする請求項８に記載の輸送機器。
11. 前記警告部は、臭気を発することによって警告を行う臭気発生部を有することを特徴とする請求項８に記載の輸送機器。
12. 前記警告部は、搭乗者に触覚変化をもたらすことによって警告を行う刺激発生部を有することを特徴とする請求項８に記載の輸送機器。
13. 前記警告部は、警告を示す情報を無線で送信する無線通信部を有することを特徴とする請求項８に記載の輸送機器。
14. 所定の送信信号を送信し、前記送信信号が目標物体で反射して生じる反射信号を受信するレーダー装置における物体識別方法であって、
    前記反射信号に基づく受信電力を取得する第１ステップと、
    前記受信電力の平均値を算出する第２ステップと、
    前記受信電力の分散値を算出する第３ステップと、
    前記平均値と前記分散値を用いて前記目標物体を識別する第４ステップと、を備え、
    前記第４ステップにおいて、前記平均値の２乗を前記分散値で除算した判定指標が１である場合に、前記目標物体が人であると判定する、
    ことを特徴とする物体識別方法。
15. 所定の送信信号を送信し、前記送信信号が目標物体で反射して生じる反射信号を受信するレーダー装置における物体識別方法であって、
    前記反射信号に基づく受信電力を取得する第１ステップと、
    前記受信電力の平均値を算出する第２ステップと、
    前記受信電力の分散値を算出する第３ステップと、
    前記平均値と前記分散値を用いて前記目標物体を識別する第４ステップと、を備え、
    前記第４ステップにおいて、前記平均値の２乗から前記分散値を減算した判定指標が０である場合に、前記目標物体が人であると判定する、
    ことを特徴とする物体識別方法。

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