JP6725982B2 - 障害物判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、障害物判定装置に関し、特に、測距装置による計測結果に基づいて障害物の有無を判定する障害物判定装置に関する。

測距センサとして構成される測距装置は、測定範囲内に存在する物体との距離を計測することができ、１次元あるいは２次元の距離データマップを取得することができる。測距装置は、例えば、計測した距離情報を利用して自己の動作を決定し、自律的に行動する自律走行装置が障害物を検知して回避するための安全装置として用いられている。

測距装置のうち、光学式のものは、ケーシングの内部に発光部と受光部を設け、透明な光学窓を介して光を送受光することで、対象物までの距離すなわち反射点までの距離を演算している。測距装置は、計測範囲内の座標における反射点までの距離情報を出力する。

なお、特許文献１には、障害物判定技術に係わり、所定速度で走行しながらレーザセンサにより前方の路面を所定の周期で走査する移動ロボットであって、複数の走査で得られた複数のデータのうち、所定回数以上のデータが同一の場所で得られた場合に障害物ありの判定を行なうものが開示されている。この移動ロボットでは、路面に水溜まりができているような場合でも障害物を高い精度で検知することができる。

特開２００８−９９２９号公報

図６は、従来技術の課題を説明するための図である。
図６の移動体１００の測距装置は、レーザ光を放射状にスキャンするように出射し、該出射光に対する反射光に基づいて反射点までの距離を算出するものである。移動体１００は、上記測距装置による計測結果に基づいて障害物の有無を判定する障害物判定装置を搭載し、障害物判定装置による判定結果に基づいて走行する。この移動体１００に対して減速エリアＡ１０１及び停止エリアＡ１０２が設けられている。

移動体１００の障害物判定装置は、減速エリアＡ１０１に所定数以上の反射点Ｐ１０１が検出された場合や、停止エリアＡ１０２に所定数以上の反射点が検出された場合、障害物ありと判定する。そして、この判定結果に応じて、移動体１００は減速または停止する。

しかし、雪粒もレーザ光を反射し、測距装置では反射点が雪粒によるものか否かを判定することができない。そのため、単純に反射点の数が所定数以上の場合に障害物ありと判定し移動体１００を減速／停止させるのでは、雪粒による反射点が多ければ、障害物がないにも関わらず障害物ありと誤判定を出してしまう。
雨粒についても同様である。
特許文献１にはこの点に関し、開示も示唆もしていない。

本発明は、上述のような実状に鑑みてなされたものであり、雨や雪などの降水の影響を考慮して障害物の有無を判定することができる障害物判定装置を提供することをその目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、所定範囲に対して測距用の電磁波を出射し、反射波により反射点までの距離を所定周期毎に測定する測距装置と、前記所定周期中に検出された、前記所定範囲内に設けられた所定領域内の前記反射点の数に基づいて、障害物の有無を判定する障害物判定部と、を備えた障害物判定装置であって、前記障害物判定部が、前記所定領域内の前記反射点のうち、前記所定距離内に他の前記反射点が存在しないものを降水による反射点であるノイズ点として推定するか、あるいは、前記所定領域内の前記反射点のうち、他の前記反射点と共に互いの距離が第１の所定距離以内の一群の反射点群を構成するが、該反射点群を構成する他の前記反射点以外に前記第１の所定距離よりも長い第２の所定距離以内に別の前記反射点がないものを降水による反射点である前記ノイズ点として推定する推定部と、前記所定周期毎の前記所定領域内の前記ノイズ点であると推定された反射点の数の履歴を記憶する履歴記憶部と、を有し、判定対象の前記所定周期における前記所定領域内の前記反射点の数と、前記履歴とに基づいて、前記障害物の有無を判定することを特徴としたものである。

本発明の第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記障害物判定部が、前記判定対象の前記所定周期における前記所定領域内の前記反射点の数と、前記所定周期毎の前記ノイズ点であると推定された反射点の数として所定の直近期間において最も頻出度の高い数と、に基づいて、前記障害物の有無を判定することを特徴としたものである。

本発明の第３の技術手段は、第１の技術手段において、前記障害物判定部が、前記判定対象の前記所定周期における前記所定領域内の前記反射点の数と、前記所定周期毎の前記ノイズ点であると推定された反射点の数の所定の直近期間における平均値と、に基づいて、前記障害物の有無を判定することを特徴としたものである。

本発明の第４の技術手段は、第２または第３の技術手段において、前記障害物判定部が、障害物ありとの判定結果が２回連続した場合に該判定結果を出力することを特徴としたものである。

本発明の第５の技術手段は、第１〜第４のいずれか１の技術手段において、前記所定領域が、真上から見て当該障害物判定装置の輪郭の外側に設けられていることを特徴としたものである。

本発明の第６の技術手段は、第１〜第５のいずれか１の技術手段において、前記推定部が、前記所定領域内の反射点のうち、特定の位置に存在するもののみを前記ノイズ点であるか否かの判定対象とすることを特徴としたものである。

本発明の障害物判定装置によれば、降水の影響を考慮して障害物の有無を判定することができる。

本発明の第１の実施形態に係る障害物判定装置の構成例を示すブロック図である。 図１の障害物判定装置の外観構成例を示す図である。 反射点のうちノイズによるものを推定する方法の一例を説明する図である。 障害物の有無を判定する方法の一例を説明する図である。 本発明の他の実施形態に係る障害物判定装置の簡略上面図である。 従来技術の課題を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の障害物判定装置の好適な実施形態について説明する。なお、以下の発明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る障害物判定装置の構成例を示すブロック図である。図２は、図１の障害物判定装置の外観構成例を示す図である。本例の障害物判定装置は、障害物を検知し該障害物との距離に応じて減速や停止するなど自律的に走行する自律走行装置として構成されている。
障害物判定装置１は、本体部３と、本体部３に取り付けられる光学式の測距装置２とを備えている。測距装置２は、光学式により計測対象物までの距離を計測する。

光学式の測距装置２は、レーザ光源から出力される測距用の光（以下、測定光）に変調を加えて照射し、計測対象物からの反射光を、光学窓を通して受光素子で検出して、計測対象物までの距離すなわち反射点までの距離を測定する。測定光の変調方式としてＡＭ（Amplitude Modify）方式とＴＯＦ（Time of Flight）方式が実用化されている。ＡＭ方式は、正弦波でＡＭ変調された測定光とその反射光を光電変換して、それらの信号間の位相差を計算し、位相差から距離を演算する。ＴＯＦ方式は、パルス状に変調された測定光とその反射光を光電変換し、それらの信号間の遅延時間から距離を演算する方式である。本実施形態の測距装置は、上記いずれの方式も適用することができる。

測距装置２は、測定光を出射し、反射光により反射点（測点ともいう）までの距離を測定することを所定周期毎に所定範囲について行うものである。測距装置２は、所定周期毎に、例えば、所定範囲（以下、計測範囲）を測定光で１次元的または２次元的に走査し、反射光を受光することで上記計測範囲内における反射点までの距離を算出する。１次元的な走査を行う場合、測距装置２の計測範囲は、測距装置２の後述の光学機構部２３を中心とした扇形の形状となる。また、２次元的に走査する場合の計測範囲は、測距装置２の光学機構部２３を中心とした縦横扇形の形状となる。
このような測距装置２として代表的なものは、２Ｄ−ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging又はLaser Imaging Detection and Ranging）や３Ｄ−ＬＩＤＡＲ、レーザレンジファインダなど挙げられる。なお、レーザレンジファインダはＴＯＦ方式を採用した測距センサであり、走査軸を１軸、２軸もたせることで、それぞれ２次元平面の計測、３次元的な計測が可能となる。また、ＬＩＤＡＲはレーザレンジファインダの一種であるとも言える。

この他、測距装置２は、光を走査することなく発光部から赤外光などの光を照射し、受光素子に２次元受光センサ（例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor））を使用して、２次元受光センサの受光結果により一定の測定範囲内における反射点までの距離を計測するようにすることもできる。
なお、以下では、測距装置２は所定の計測範囲を測定光で１次元的に走査するもので構成された例で説明する。

図１の測距装置２は、測定光を出力する発光部２２と、発光部２２から発光された測定光の反射光を受光する受光部２４と、発光された測定光の光路を駆動走査し、反射光を受光素子に導くためのミラー等の光路調整手段を備えた光学機構部２３と、発光部２２の発光駆動及び光学機構部２３の光路調整手段の駆動制御を行う駆動制御部２１と、受光部２４で光電変換された出力信号及び駆動制御部２１からの光路駆動情報に基づいて、反射点までの距離を算出する距離算出部２５とを有する。測距装置２は、距離算出部２５により算出された反射点までの距離の情報を、該反射点を得られた時の測定光の出射角度と共に反射点の位置情報として出力する。

距離算出部２５から出力された反射点の位置情報すなわち距離の計測結果は、本体部３の障害物判定部３１に入力される。
障害物判定部３１は、測距装置２による計測結果に基づいて、測距装置２の計測範囲内に設けられた所定領域内の障害物の有無を判定する。障害物判定部３１は、障害物判定装置１の前方の所定領域内に物体（障害物として障害物として認識すべき物体）があると判定された場合、障害物ありと判定するが、その詳細については本実施形態の特徴であり、後述する。上記所定領域は、所謂、計測エリア（障害物検知エリア）であり、反射点（測点）の座標空間を示す領域であると言える。
障害物判定部３１は、判定結果を本体部３の本体動作制御部３２に出力する。

本体部３は、障害物判定装置１を走行させる駆動部３４が備えられる。駆動部３４は、例えば複数の車輪とその車輪を回転駆動するためのモータ等により構成される。駆動制御部３３は、本体動作制御部３２の制御に従って駆動部３４の駆動を制御する。
本体動作制御部３２は、本体部３の動作を制御する。

本体動作制御部３２によって制御される駆動制御部３３は、本体動作制御部３２の制御に従って駆動部３４を駆動する。駆動制御部３３は、例えば４輪の車輪を回動させて障害物判定装置１を走行させたり、４輪の車輪の回動方向及び回動速度を変えて本体部３の向きを変えたりする制御を行う。

障害物判定部３１は、障害物判定装置１が回避すべき障害物を判定し、判定結果として、障害物の位置情報（距離、角度）を本体動作制御部３２に出力する。
本体動作制御部３２は、障害物判定部３１での判定結果に基づいて、障害物判定装置１の走行を制御するものであり、障害物判定部３１から入力された障害物の位置情報に基づき障害物を回避する動作を行わせるように駆動制御部３３を制御する。ここでは例えば、走行している障害物判定装置１の走行方向を変更したり、障害物の手前で減速したり停止させたりするような制御を行う。

上述のような障害物判定装置１は、図２で例示するように、本体部３の上部に測距装置２が搭載されて成る。本体部３の内部に障害物判定部３１や本体動作制御部３２等を構成するユニットが搭載されている。
また、図の例では、本体部３の駆動部として、４輪の車輪４が取り付けられ、自動走行を可能とする。各車輪４は、正逆に回動可能であり、回動方向、回動速度、及び各車輪の向きの少なくとも一つが制御され、これにより障害物判定装置１は走行可能となっている。

次に、図１を参照し、図３及び図４を用いて本実施形態の主たる特徴について説明する。図３は、障害物判定装置１の測距装置２における計測範囲と、障害物の有無の判定が行われる所定領域の例を示すと共に、計測範囲内の反射点の例を示す図である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）はそれぞれ、所定周期毎の所定領域内の反射点の数、上記反射点のうち雪や雨等の降水によるノイズ点と推定されたものの数及び降水の影響を除いた反射点の数の例を示す図である。

障害物判定装置１の測距装置２は、図３の計測範囲Ｒを周期的にレーザ光で走査し、反射光により反射点までの距離を算出／測定する。
反射点までの距離情報を測距装置２から取得する障害物判定部３１は、反射点位置記憶部３１ａと、反射点数カウント部３１ｂと、推定部３１ｃと、履歴記憶部３１ｄとを有する。

反射点位置記憶部３１ａは、測距装置２から得られた反射点の位置情報を、測距装置２の１走査周期毎（１フレーム毎）に区別可能に記憶する。
反射点数カウント部３１ｂは、判定対象のフレームにおいて検出された、計測範囲Ｒ内に設けられた減速エリアＡ１内の反射点の数をカウントする。このカウントは反射点位置記憶部３１ａの記憶内容を参照して行なわれる。

推定部３１ｃは、反射点位置記憶部３１ａを参照し、減速エリアＡ１内の反射点のうち、雪や雨、霙、霰などの降水による反射点であるノイズ点を推定する。反射点が雪や雨によるものの場合、同一フレームに別の反射点が検出されないか、検出されたとしても図３の反射点Ｐ１１のように所定距離（例えば１ｍ）より離れた位置にしか他の反射点Ｐ１２が存在しないことが多いものと推測される。そこで、推定部３１ｃは、減速エリアＡ１内の反射点のうち、同一フレームにおいて所定距離内（例えば、１ｍ内）に他の反射点が存在しないものを雪などによるノイズ点と推定する。

履歴記憶部３１ｄは、推定部３１ｃによりノイズ点と推定された減速エリアＡ１内の反射点の数をフレーム毎に記憶する。つまり、履歴記憶部３１ｄは、フレーム毎の減速エリアＡ１内のノイズ点と推定された反射点の数（以下、ノイズ点数）の履歴を記憶する。

障害物判定部３１は、反射点数カウント部３１ｂがカウントした、障害物の有無の判定対象のフレーム（以下、判定対象フレーム）における減速エリアＡ１内の反射点の数と、履歴記憶部３１ｄに記憶されたフレーム毎の減速エリアＡ１内のノイズ点数の履歴とに基づいて、障害物の有無を判定する。例えば、障害物判定部３１は、判定対象フレームにおける減速エリアＡ内の反射点の数から、フレーム毎の減速エリアＡ１内のノイズ点数であって最も頻出度の高い数（最頻値）を減算し、減算した値が閾値より大きい場合、障害物ありと判定する。最頻値は、“０”を除いたうちで最も頻出度の高い数が好ましく、また、判定対象フレームの所定の直近期間における最頻値、例えば直前の数十フレーム中の最頻値が好ましい。

より具体的な例を図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を用いて説明する。この例では、上記最頻値としては、“０”を除いたうちで最も頻出度の高い値であって、直前２０フレーム中における最頻値を利用するものとする。また、各フレームにおける減速エリアＡ１内の反射点の数及びノイズ点数がそれぞれ図４（Ａ）及び図４（Ｂ）のように推移したとする。さらに、上記閾値は３であるものとする。

この障害物判定部３１は、判定対象フレームが第８５フレームの場合、図４（Ａ）に示すように第８５フレームの減速エリアＡ１内の反射点の数は“４”であり、閾値“３”より大きい。しかし、第８５フレームの直前２０フレームすなわち第６５〜８４フレームにおけるフレーム毎の減速エリアＡ１内のノイズ点数の最頻値は“１”であり、第８３フレームの上記反射点の数“４”から上記最頻値“１”を減算した値は図４（Ｃ）に示すように“３”であり、閾値“３”以下であるため、障害物判定部３１は第８５フレームについては「障害物あり」とは判定せず、「障害物なし」と判定する。

一方、判定対象フレームが第８９フレームの場合、図４（Ａ）に示すように当該フレームの減速エリアＡ１内の反射点の数は“７”である。また、第８９フレームの直前２０フレームすなわち第６９〜８８フレームにおけるフレーム毎の減速エリアＡ１内のノイズ点数の最頻値は“１”であり、第８９フレームの上記反射点の数“７”から上記最頻値“１”を減算した値は図４（Ｃ）に示すように“６”であり、閾値“３”より大きいため、障害物判定部３１は第８９フレームについては「障害物あり」と判定する。

以上の例では、障害物判定部３１は、判定対象フレームにおける減速エリアＡ内の反射点の数から、フレーム毎の減速エリアＡ１内のノイズ点数の最頻値を減算し、減算した値と閾値とを比較していたが、閾値に上記最頻値を加算し、加算した値と上記反射点の数とを比較するようにしてもよい。

（第２の実施形態）
第１の実施形態において、障害物判定部３１は、障害物の有無を判定する際、フレーム毎の減速エリアＡ１内のノイズ点数の所定の直近期間における最頻値を抽出し利用していた。それに対し、第２の実施形態においては、障害物判定部３１は、障害物の有無を判定する際、フレーム毎の減速エリアＡ１内のノイズ点数の所定の直近期間（例えば直前３〜１０フレーム）における平均値を算出し、該平均値を第１の実施形態の最頻値に代えて用いる。平均値を演算に用いる際に、小数点以下の部分については切り捨ててもよいし四捨五入してもよい。また、平均値として、上記ノイズ点数が“０”のフレームを除いたフレームの平均値を用いてもよい。

（第３の実施形態）
以上の実施形態では、障害物判定部３１は、判定対象フレームについて「障害物あり」と判定された場合、「障害物あり」の判定結果を出力する。それに対し、第３の実施形態では、障害物判定部３１は、判定対象フレームについて「障害物あり」と判定された場合、その段階では「障害物あり」の判定結果を出力せず、次のフレームにおいても「障害物あり」と判定された場合に、「障害物あり」の判定結果を出力する。

このように構成するのは、雪や雨による減速エリア内の反射点数が２フレーム連続で同じ値になる事象が起こるのは稀であるからである。「障害物あり」と判定されたフレームの次のフレームで「障害物なし」と判定された場合、先のフレームの判定は誤判定である可能性があるので、障害物判定部３１は、「障害物なし」の判定結果を出力する。

（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態に係る障害物判定装置の簡略上面図である。
自律走行装置として構成される障害物判定装置１の測距装置２は、図示するように障害物判定装置１の上面であって中央寄りに設けられており、端部に設けられてはおらず、例えば、障害物判定装置１の前部に設けられたバンパー５の前端から測距装置２までは距離がある。真上から見て障害物判定装置１の輪郭の内側にあるエリアに障害物が存在することは想定されない。

そこで、第４の実施形態に係る障害物判定装置１は、障害物の有無の判定が行われる所定領域を、真上から見て障害物判定装置１の輪郭の外側に設ける。このように上記所定領域を障害物判定装置１の外側に設けることによって、障害物の有無の際、例えば測距装置２から障害物判定装置１の前端までの位置のような測距装置２から近い位置の反射点を無視することができる。このように近い位置では、上述のように障害物が存在するとは想定されないので、その位置での反射点は障害物による反射点でないことは明らかであるため、無視するのは効果的である。また、数十センチなどの近い位置では、雪粒や雨粒のような小さいものでも複数の反射点が検知されてしまうため、障害物の有無の判定に影響のない範囲で反射点を無視するのは効果的である。

（第５の実施形態）
以上の実施形態では、推定部３１ｃが、所定領域内の反射点のうち全てのものをノイズ点であるか否かの判定対象としていた。
しかし、雨粒からの反射点は、雨粒が測距装置２から１〜３ｍの近距離に位置する場合に検知されやすい傾向がある。このため、反射点が測距装置２から０〜１ｍの位置に存在する場合や３ｍより離れた位置に存在する場合、該反射点について雨粒によるものであるか否か判定する必要はない。
また、雪粒は、近ければ近いほどレーザ光の反射光が検出されやすいため、雪粒による反射点を検知しやすくなるが、離れてしまうと反射光が検出されにくいため、雪粒による反射点を検知しにくくなる。このため、反射点が測距装置２から所定距離以上離れた位置に存在する場合、該反射点について雪粒によるものであるか否か推定する必要はない。

そこで、第５の実施形態においては、推定部３１ｃが、所定領域内の反射点のうち、特定の位置に存在するもののみをノイズ点であるか否かの判定対象とする。
これにより推定に係る処理量を減らすことができる。
なお、特定の位置とは、例えば、測距装置２から１〜３ｍの位置であり、且つ、反射点として検知できるほどの反射光を測距装置２が雪粒から受光できる位置である。

（第６の実施形態）
以上では、推定部３１ｃは、所定領域の反射点のうち、同一フレームにおいて所定距離内に他の反射点が存在しないものをノイズ点と推定する推定方法を採用していた。
しかし、測距装置２によっては、スキャン時のレーザ光の照射角度の間隔が細かく、雪粒や雨粒１個から複数の反射点が検知されることもある。この場合、上述の推定方法では適切にノイズ点を推定することができない。

そこで、本実施形態において、推定部３１ｃは、推定対象の反射点が、以下の条件を満たす場合に、ノイズ点であると推定する。
条件とは、該推定対象の反射点が、他の反射点と共に互いの距離が第１の所定距離（例えば２０ｍｍ）以内の一群の反射点群を構成するが、該反射点群を構成する他の反射点以外に第２の所定距離（例えば１ｍ）以内に別の反射点がない、という条件である。

これにより、測距装置２のレーザ照射角度の間隔が細かく、雪粒１個などから複数の反射点が検知される場合でも、適切にノイズ点を推定することができる。

上記の各実施形態で記載されている技術的特徴（構成要件）は、お互いに組み合わせ可能であり、組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１…障害物判定装置、２…測距装置、２１…駆動制御部、２２…発光部、２３…光学機構部、２４…受光部、２５…距離算出部、３…本体部、３１…障害物判定部、３１ａ…反射点位置記憶部、３１ｂ…反射点数カウント部、３１ｃ…推定部、３１ｄ…履歴記憶部、３２…本体動作制御部、３３…駆動制御部、３４…駆動部、４…車輪、５…バンパー。

Claims (6)

1. 所定範囲に対して測距用の電磁波を出射し、反射波により反射点までの距離を所定周期毎に測定する測距装置と、
   前記所定周期中に検出された、前記所定範囲内に設けられた所定領域内の前記反射点の数に基づいて、障害物の有無を判定する障害物判定部と、を備えた障害物判定装置であって、
   前記障害物判定部は、
   前記所定領域内の前記反射点のうち、所定距離内に他の前記反射点が存在しないものを降水による反射点であるノイズ点として推定するか、あるいは、前記所定領域内の前記反射点のうち、他の前記反射点と共に互いの距離が第１の所定距離以内の一群の反射点群を構成するが、該反射点群を構成する他の前記反射点以外に前記第１の所定距離よりも長い第２の所定距離以内に別の前記反射点がないものを降水による反射点である前記ノイズ点として推定する推定部と、
   前記所定周期毎の前記所定領域内の前記ノイズ点であると推定された前記反射点の数の履歴を記憶する履歴記憶部と、を有し、
   判定対象の前記所定周期における前記所定領域内の前記反射点の数と、前記履歴とに基づいて、前記障害物の有無を判定することを特徴とする障害物判定装置。
2. 前記障害物判定部は、前記判定対象の前記所定周期における前記所定領域内の前記反射点の数と、前記所定周期毎の前記ノイズ点であると推定された反射点の数として所定の直近期間において最も頻出度の高い数と、に基づいて、前記障害物の有無を判定することを特徴とする請求項１に記載の障害物判定装置。
3. 前記障害物判定部は、前記判定対象の前記所定周期における前記所定領域内の前記反射点の数と、前記所定周期毎の前記ノイズ点であると推定された反射点の数の所定の直近期間における平均値と、に基づいて、前記障害物の有無を判定することを特徴とする請求項１に記載の障害物判定装置。
4. 前記障害物判定部は、障害物ありとの判定結果が２回連続した場合に該判定結果を出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の障害物判定装置。
5. 前記所定領域は、真上から見て当該障害物判定装置の輪郭の外側に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の障害物判定装置。
6. 前記推定部は、前記所定領域内の反射点のうち、特定の位置に存在するもののみを前記ノイズ点であるか否かの判定対象とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の障害物判定装置。

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