JP6815833B2

JP6815833B2 - 車両識別システム

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Publication number: JP6815833B2
Application number: JP2016214271A
Authority: JP
Inventors: 拓久哉中; 信一魚津
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2016-11-01
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2036-11-01
Also published as: JP2018072235A

Description

本発明は、例えば露天掘り鉱山等において、パトロールカーやサービスカー等の作業車両であるライトビークルを識別する車両識別システムに関する。

鉱山用の作業機械、例えばダンプトラック等の運搬車両にミリ波レーダ等のセンサを搭載し、自車の進行方向前方に他の作業車両がないか判断する車両識別技術が知られている。鉱山を走行する運搬車両は一般的な自動車に比べてかなり大型であり、しかも凹凸の大きな路面を走行するため、運搬車両の前方を走行する自動車等の小型車両をミリ波レーダで検出することが困難な場合がある。そのため、検知対象である車両にミリ波レーダの送信波を反射させるためのレーダ反射体を補助的に搭載し、レーダ反射体からの反射波を検出することで車両を識別する技術がある。

例えば特許文献１では、複数のレーダ反射体の設置間隔の違いに対応した意味づけを行い、識別対象となる車両の各面に設置間隔の異なる複数のレーダ反射体を搭載し、ミリ波レーダでレーダ反射体の設置間隔を検出することで車両の向きを検出する技術が提案されている。

特開平１０−１４２３３２号公報

しかしながら、特許文献１では、複数のレーダ反射体をそれぞれ異なるレーダ反射体として分離して検知するために、距離分解能を時間的に可変させる必要がある。そのため、この可変処理に時間がかかり、応答性が悪くなるという課題がある。また、レーダ反射体を小型車両に搭載する場合は、レーダ反射体の設置間隔を狭める必要が生じるため、レーダ反射体を分離する事が物理的に困難となる。その結果、特許文献１では、車両の種類を精度良く識別できないという課題がある。

そこで本発明は、鉱山において鉱山機械の前方を走行する車両の種類を応答性良く、かつ高精度で識別できる車両識別システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、鉱山内において車両を識別する車両識別システムであって、前記鉱山内を走行する鉱山機械に搭載されて電磁波を送信するレーダと、識別対象である前記車両に搭載されて前記レーダから送信された電磁波を反射するレーダ反射体と、前記レーダ反射体からの反射波の強度を検出して前記車両の種類を識別する検出装置と、を有し、前記車両に対して平面視で前記車両の周囲３６０度の方向から前記レーダが送信した電磁波に対する、前記車両からの各反射波の強度の変動範囲が予め定められており、前記レーダ反射体の反射断面積は、前記検出装置において検出された前記受信強度が、予め定められた前記車両からの各反射波の強度の変動範囲内となるように設定されていることを特徴とする車両識別システムを提供する。

本発明によれば、鉱山において鉱山機械の前方を走行する車両の種類を応答性良く、かつ高精度で識別できる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施形態に係る車両識別システムの概略構成図である。車両識別システムの構成を説明する図である。図３Ａはレーダ反射体の一構成例を示す斜視図、図３Ｂはレーダ反射体の他の構成例を示す上面図及び側面図である。検知対象である車両に対して全方向から電磁波を送信したときの反射波の受信強度を表す図である。車両検出装置で実行される処理の流れを示すフローチャートである。検知対象の車両を識別するための統計量のテーブル値を示す図である。

以下、鉱山内を走行する鉱山機械の一態様としてのダンプトラック１０、及び識別対象物の一態様としての車両２０に車両識別システム１を適用する場合について説明する。

＜ダンプトラック１０のシステム構成＞
ダンプトラック１０の主なシステム構成について、図１及び図２を参照して説明する。

図１は、実施形態に係る車両識別システム１の概略構成図である。図２は、車両識別システム１の構成を説明する図である。

ダンプトラック１０は、ショベルで掘削した大量の土砂や鉱石を搬送するための運搬車両であり、一般的な乗用車に比べてサイズが大きく、また、走行路の凹凸との干渉を避けるために車高が高い。ダンプトラック１０及び車両識別システム１の識別対象である車両２０は、鉱山内において、土砂や鉱石をダンプトラック１０に積込む積込場、ダンプトラック１０が運搬した荷物を放土する放土場、及び積込場と放土場とを連結する搬送路を主に走行する。

このダンプトラック１０は、図２に示すように、ミリ波レーダ１００、自車位置検出センサ１３０、車両検出装置１１０、操縦装置１７０、車両制御装置１２０、警報装置１６０、及び車両駆動装置１５０を含む。

ミリ波レーダ１００は、ダンプトラック１０に搭載されたレーダの一態様であり、一般的に波長域が数ｍｍから数十ｍｍの電磁波を照射し、その反射波が帰ってくるまでの時間及びドップラーシフト量を計測する。これにより、ミリ波レーダ１００は、反射対象までの相対距離及び相対速度を検出することができる。ミリ波レーダ１００は、粉塵や霧、雨、照明変化などの環境変化に対するロバスト性が高く、鉱山現場で稼動する鉱山機械に搭載されてよく使用される。

また、ミリ波レーダ１００は、反射波の受信レベルを表す受信強度を得ることができる。この受信強度は、一般的に、反射対象が金属物の場合には高い値となる。そのため、非金属である路面の凹凸からの反射波の受信強度は低い値となり、金属を有する車両等からの反射波の受信強度は高い値となる傾向がある。この特性を利用することで、ミリ波レーダ１００が検知した対象の中から識別対象外である路面の凹凸と、識別対象である車両２０等を分離することが可能となる。

さらに、受信強度は、ミリ波レーダ１００の照射範囲内に含まれる金属部分の面積が広くなるほど反射波の受信強度が高い値となる特性がある。これにより、大きさの異なる車両２０等が混在している鉱山環境において、受信強度の大きさの違いに応じて所望の車両２０の種類を識別することが可能となる。

なお、本実施形態では、ミリ波レーダ１００の具体的な出力方式は限定しないが、例えば、アンテナ切り替え式のマルチビームアンテナを有したミリ波レーダ１００を用いることができる。

自車位置検出センサ１３０は、ダンプトラック１０の位置を検出するためのセンサであり、ＧＰＳ受信機１３２、ジャイロ装置１３３、加速度センサ１３４、及び車輪速センサ１３５を含む。なお、これら以外のセンサを用いて自車位置検出センサ１３０を構成しても良い。

ＧＰＳ受信機１３２は、複数のＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）衛星から送信される電波をアンテナ１３１で受信することで、自車両の位置や姿勢を検出する。ジャイロ装置１３３や加速度センサ１３４は、ダンプトラック１０の加速度を検出する。車輪速センサ１３５は、ダンプトラック１０の車輪回転速度を検出する。

車両検出装置１１０は、後述するレーダ反射体２００からの反射波の強度を検出して、警報を出すべき識別対象物（本実施形態では車両２０）を検出するためのものであり、メモリに格納されたプログラムをＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）が実行することで実現される各種機能構成モジュールを含む電子制御ユニット（ＥＣＵ：ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）である。

車両検出装置１１０は、ミリ波レーダ１００から出力される車両２０までの相対距離、ダンプトラック１０と車両２０との間における相対速度、ミリ波レーダ１００が受信した反射波の受信強度、及び自車位置検出センサ１３０から得られる車両運動情報に基づき、ミリ波レーダ１００で検知した対象が警報を出すべき識別対象物（車両２０）であるかを判定する機能を有する。なお、車両検出装置１１０における処理内容については、後述する。

操縦装置１７０は、ドライバーがダンプトラック１０を操縦するための装置であり、ステアリングホイール、ブレーキペダル、アクセルペダル、及びギヤシフトレバー等、ダンプトラック１０の操縦に必要な装置を含む。

車両制御装置１２０は、ダンプトラック１０の駆動を制御するための装置であり、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）がメモリに格納されたプログラムを実行することで実現される各種機能構成モジュールを含む電子制御ユニット（ＥＣＵ：ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）である。

車両制御装置１２０は、操縦装置１７０の操縦量に応じて、ダンプトラック１０を走行させるための車両駆動信号を車両駆動装置１５０に対して送信する機能を有する。また、車両制御装置１２０は、車両検出装置１１０や自車位置検出センサ１３０の出力情報に応じて、車両駆動装置１５０に対して出力する車両駆動信号に制限を加えることが可能である。

さらに、車両制御装置１２０は、警報音を出力するスピーカや表示装置を含む警報装置１６０に対して信号を送信し、ドライバーに警報を発する機能も有する。

車両駆動装置１５０は、ダンプトラック１０を駆動させるための装置であり、走行モータ１５１、制動装置１５２、及び操舵モータ１５３を含む。

＜車両２０のシステム構成＞
次に、車両２０の主なシステム構成について、図１、図２、図３Ａ及び図３Ｂ、並びに図４を参照して説明する。

図３Ａはレーダ反射体２００の一構成例を示す斜視図であり、図３Ｂはレーダ反射体２００の他の構成例を示す上面図及び側面図である。図４は、識別対象である車両２０に対して全方向から電磁波を送信したときの反射波の受信強度３００を表す図である。

図１に示すように、識別対象である車両２０には、ミリ波レーダ１００から送信された電磁波を反射するレーダ反射体２００が搭載されている。車両２０は、例えば鉱山内の稼働状況を監視するサービスカー等であり、ダンプトラック１０と比べて車高が低い。ダンプトラック１０に搭載されたミリ波レーダ１００は概ね２ｍを超える高さに設置されているため、特に車両２０がダンプトラック１０の近くにいる場合には、ミリ波レーダ１００の照射範囲１０１内に車両２０が位置しにくくなる。よって、ミリ波レーダ１００において車両２０を検知することができない可能性がある。

そこで、本実施形態では、ミリ波レーダ１００の照射範囲１０１内にレーダ反射体２００が位置するように、車両２０の天井部２０ａにレーダ反射体２００が取り付けられている。これにより、ミリ波レーダ１００から送信された電磁波をレーダ反射体２００でより確実に反射させることができる。また、このように車両２０の天井部２０ａにレーダ反射体２００を取り付けることによって、ミリ波レーダ１００の照射範囲１０１内にレーダ反射体２００以外の物が入りにくくなるため、レーダ反射体２００以外の物によってミリ波レーダ１００から送信された電磁波が反射されてしまうことを抑制することができる。

なお、レーダ反射体２００の取り付け高さは、ミリ波レーダ１００の取り付け高さと同じであることが望ましい（図１において高さＨで示す）。これにより、車両２０がダンプトラック１０に対してどの方向から接近した場合であっても、レーダ反射体２００からの反射波をミリ波レーダ１００で受信しやすくなる。したがって、より信頼性の高い車両識別システム１を提供することができる。

本実施形態では、レーダ反射体２００は、図３Ａに示すように、開口部２００ａを有する中空の三角錐状に形成されている。具体的には、レーダ反射体２００は、３つの合同の直角二等辺三角形状の反射板２０１，２０２，２０３を有しており、反射板２０１，２０２，２０３それぞれにおける直角を挟んだ二辺が互いにつなぎ合わされて形成されている。

反射板２０１，２０２，２０３は、例えば鉄やアルミニウム等の金属によって形成されており、内側表面がミリ波の反射面となっている。なお、レーダ反射体２００を軽くするために、金属以外の材料を用いて反射板２０１，２０２，２０３を形成してもよい。この場合、反射板２０１，２０２，２０３の内側表面にアルミニウム等の金属を含む塗料を塗布する必要がある。

レーダ反射体２００を車両２０に搭載する際には、例えば三角錐の一側面である反射板２０３を底面として車両２０の天井部２０ａに取り付ける。ミリ波レーダ１００から送信された電磁波は、開口部２００ａからレーダ反射体２００の空間内に入射する（図３Ａにおいて一点鎖線の矢印で示す）。レーダ反射体２００の空間内に入射した電磁波は、反射板２０１，２０２，２０３の内側表面に当たって反射され、開口部２００ａを介して入射方向と反対の方向、すなわちミリ波レーダ１００の方向に向かって反射波として放出される。

レーダ反射体２００の反射断面積は、ミリ波レーダ１００が車両２０に送信した電磁波に対する車両２０からの反射波の反射断面積に応じて設定されている。ここで、「反射断面積」とは、ミリ波レーダ１００が送信した電磁波に対する反射波を、その進行方向に対して交差（直交）する方向に切断したときの断面積をいう。したがって、本実施形態における「レーダ反射体２００の反射断面積」とは、反射板２０１，２０２，２０３の内側表面に当たって反射した各反射波が重ね合わされた波を、その進行方向に対して交差する方向に切断したときの断面積をいう。また、「ミリ波レーダ１００が車両２０に送信した電磁波に対する車両２０からの反射波」とは、ミリ波レーダ１００を用いて車両２０の車体に直接的に電磁波を送信し、車両２０の車体表面から反射された反射をいう。

本実施形態では、図４に示すように、ミリ波レーダ１００を用いて車両２０に対して平面視で車両２０の周囲３６０度の方向、すなわち車両２０が走行する走行路面を見た場合における３６０度の方向から電磁波を送信し、車両２０からの各反射波の受信強度３００を測定する。測定した受信強度３００を予め記録しておき、この受信強度３００の変動範囲を確認する。なお、図４では、車両２０からの各反射波の受信強度３００の変動範囲は、最小強度３０２から最大強度３０３の間となっている。

そして、車両検出装置１１０において検出されるレーダ反射体２００からの反射波の受信強度が、予め定められた受信強度３００の変動範囲内に収まる値となるように、レーダ反射体２００の反射断面積を設定する。このように設定した反射断面積を有するレーダ反射体２００を車両２０に搭載することにより、ミリ波レーダ１００で検知した対象の中から車両２０の種類を精度良く特定することができる。すなわち、レーダ反射体２００の反射断面積を利用することにより、ミリ波レーダ１００で受信した反射波の受信強度に応じて、検知した対象がどういった種類の車両２０であるか、また路面の凹凸のような識別対象外の物であるか等を高精度に識別することができる。

また、レーダ反射体２００の反射断面積を利用して車両２０の種類を識別していることから、車両２０にレーダ反射体２００を複数設置して、各レーダ反射体２００を分離して検知するために距離分解能を時間的に可変させるといった処理等が不要となる。これにより、車両識別システム１は、システム内における処理時間が短縮されて応答性良く車両２０の種類を識別することが可能である。また、車両識別システム１は、複数のレーダ反射体２００を分離して検知する必要がなくなるため、精度良く車両２０の種類を識別することが可能である。

例えば、車両検出装置１１０において検出されるレーダ反射体２００からの反射波の受信強度として、車両２０に対して平面視で車両２０の周囲３６０度の方向からミリ波レーダ１００が送信した電磁波に対する車両２０からの全反射波の平均強度３０１、すなわち受信強度３００の平均値が得られるように、反射断面積を設定すればよい。この場合、車両検出装置１１０において検出されるレーダ反射体２００からの反射波の受信強度が平均強度３０１以外の値であれば車両２０以外の車両等であることを容易に識別することができる。

ここで、使用するミリ波レーダ１００の波長をλ［ｍ］、設定したい反射断面積をσ［ｍ^２］、反射板２０１，２０２，２０３における直角を挟む辺の長さをａ［ｍ］とすると、次の式（１）が成り立つ。
この式（１）より辺の長さａを求めることで、所望の受信強度（本実施形態では車両２０に対応する受信強度）を得ることができるレーダ反射体２００を設計することができる。

車両２０に搭載するレーダ反射体２００は、車両２０への搭載性から出来るだけ小さくなることが望ましいため、本実施形態のように大きさに対して反射断面積を大きくする事ができる三角錐状のいわゆる三角コーナリフレクタを用いるとよい。

なお、図３Ｂに示すように、一側面を底面として車両２０の天井部２０ａ（図１参照）に取り付けた三角コーナリフレクタを環状に複数配置したレーダ反射体２１０を用いると、より望ましい。この場合、ミリ波レーダ１００から送信された電磁波は、複数の三角コーナリフレクタそれぞれの開口部２００ａから入射する（図３Ｂの側面図において一点鎖線の矢印で示す）。これにより、車両２０がダンプトラック１０に対してどの方向から接近しても、レーダ反射体２１０を検知することができる。

＜車両検出装置１１０における処理＞
次に、車両検出装置１１０で実行される処理の内容について、図２、図５、及び図６を参照して説明する。

図５は、車両検出装置１１０で実行される処理の流れを示すフローチャートである。図６は、検出対象である車両２０を識別するための統計量のテーブル値を示す図である。

図２に示すように、車両検出装置１１０は、前処理部１１１、検知対象識別処理部１１２、及び警報対象出力処理部１１３の３つの処理部から構成される。車両検出装置１１０で実行される具体的な処理内容について、図５を参照して説明する。

前処理部１１１は、ミリ波レーダ１００から出力される車両２０との相対距離や相対速度、及びミリ波レーダ１００で受信された反射波の受信強度の情報を取得する（ステップＳ６０１）。そして、取得した情報から単発的に検出されるノイズ状のデータを除去する処理を実行する（ステップＳ６０２）。このとき、ステップＳ６０１において取得した情報を、予め定められたダンプトラック１０の車両座標系に座標変換を行ってもよい。なお、ダンプトラック１０と車両２０との衝突を回避する場合には、車両座標系への変換が必要となる。

次に、得られた受信強度値に対して統計処理を行い、検出した車両２０の種類を判別するための統計量を算出する（ステップＳ６０３）。なお、この統計量は、車両２０の種類を判別することができればどのような値でもよく、例えば累積平均値・累積分散値・移動平均値・移動分散値等を使用することができる。

検知対象識別処理部１１２では、前処理部１１１によって算出した車両２０に対する受信強度値の統計量と、予め設定された判別したい車両の受信強度の統計量とを比較することで、車両２０の種類を判別する処理を行う（ステップＳ６０４）。

具体的には、図６に示すように、判別したい車両に応じた受信強度値の統計量を予め設定しておく。そして、この設定しておいた統計量と、前処理部１１１で得られた受信強度値の統計量とを比較し、最も近い値となる統計量を求めることで、車両の種類を判別する。

例えば、前処理部１１１によって算出された統計量を(Y₁, Y₂, ・・・, Y_n)とすると、次の式（２）で表される２乗和が最小となる車両を識別対象とすれば良い。なお、式（２）において、iは識別対象（車両）の種類を表す番号、jは統計量の種類を表す番号であり、それぞれ1≦i≦m, 1≦j≦nである。

警報対象出力処理部１１３は、検知対象識別処理部１１２によって識別された車両のうち警報をすべき車両、すなわち車両２０に関する相対位置・相対速度・受信強度・統計量・識別結果等の検知結果を車両制御装置１２０に出力する処理を行う（ステップＳ６０５）。

そして、図２に示すように、車両制御装置１２０は、車両検出装置１１０から受け取った警報対象のデータに基づき、警報装置１６０に信号を送信する。そして、警報装置１６０は、ドライバーに対して警報を出す。また、車両制御装置１２０は、車両検出装置１１０から受け取った警報対象のデータに基づき、車両駆動装置１５０に信号を送信する。これにより、車両駆動装置１５０は、制動装置１５２を用いてダンプトラック１０を減速させたり、操舵モータ１５３を用いて車両２０との接触を回避する自動操舵を行わせたりすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上気した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、本実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、本実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。またさらに、本実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、上記実施形態では、鉱山内を走行する鉱山機械としてダンプトラック１０を挙げて説明したが、これに限らず、ドーザ、ライトビークル、グレーダ、散水車等、ダンプトラックとは異なる種類の鉱山機械であってもよい。また、鉱山内を自動走行する自律走行ダンプであってもよい。

また、上記実施形態では、車両２０として鉱山内の稼働状況を監視するサービスカーを例に挙げて説明したが、これに限らず、鉱山内を走行する乗用車等であってもよい。

また、上記実施形態では、レーダ反射体２００は車両２０に搭載されていたが、これに限らず、走行路面上にレーダ反射体２００を設置してもよい。この場合、レーダ反射体２００の反射断面積を車両や路面等と異なる値に設定することで、レーダ反射体２００が設置された領域に対して進入不可等の意味を持たせることが可能となる。

また、上記実施形態では、レーダ反射体２００としていわゆる三角コーナリフレクタを用いていたが、これに限らず、ミリ波レーダ１００が送信した電磁波を反射し、反射断面積を有する形状のものであればよい。

また、上記実施形態では、レーダ反射体２００は車両２０の天井部２０ａに取り付けられていたが、これに限らず、ミリ波レーダ１００が送信した電磁波を反射することができる位置であればよい。

１：車両識別システム、１０：ダンプトラック（鉱山機械）、２０：車両、２０ａ：天井部、１００：ミリ波レーダ（レーダ）、１０１：レーダの照射範囲、１１０：車両検出装置（検出装置）、２００，２１０：レーダ反射体、２００ａ：開口部、３００：受信強度、３０１：平均強度

Claims

鉱山内において車両を識別する車両識別システムであって、
前記鉱山内を走行する鉱山機械に搭載されて電磁波を送信するレーダと、
識別対象である前記車両に搭載されて前記レーダから送信された電磁波を反射するレーダ反射体と、
前記レーダ反射体からの反射波の強度を検出して前記車両の種類を識別する検出装置と、を有し、
前記車両に対して平面視で前記車両の周囲３６０度の方向から前記レーダが送信した電磁波に対する、前記車両からの各反射波の強度の変動範囲が予め定められており、
前記レーダ反射体の反射断面積は、前記検出装置において検出された前記受信強度が、予め定められた前記車両からの各反射波の強度の変動範囲内となるように設定されている
ことを特徴とする車両識別システム。
請求項１に記載の車両識別システムであって、
前記検出装置において検出された前記受信強度が、前記車両に対して平面視で前記車両の周囲３６０度の方向から前記レーダが送信した電磁波に対する前記車両からの全反射波の平均強度となるように、前記レーダ反射体の反射断面積が設定されている
ことを特徴とする車両識別システム。
請求項１に記載の車両識別システムであって、
前記レーダ反射体は、前記鉱山機械よりも高さが低い前記車両に搭載されており、前記レーダ反射体の取り付け位置は、前記レーダの照射範囲内である
ことを特徴とする車両識別システム。
請求項３に記載の車両識別システムであって、
前記レーダ反射体の取り付け高さは、前記レーダの取り付け高さと同じである
ことを特徴とする車両識別システム。
請求項３に記載の車両識別システムであって、
前記レーダ反射体は、開口部を有する中空の三角錐状に形成され、前記レーダから送信された電磁波が前記開口部から入射するように、一側面を底面として前記車両の天井部に取り付けられている
ことを特徴とする車両識別システム。
請求項３に記載の車両識別システムであって、
前記レーダ反射体は、開口部を有する中空の三角錐体を環状に複数配置して形成され、
複数の前記三角錐体はそれぞれ、前記レーダから送信された電磁波がそれぞれの前記開口部から入射するように、一側面を底面として前記車両の天井部に取り付けられている
ことを特徴とする車両識別システム。