JP6922700B2 - 雨滴検出装置及びワイパ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、雨滴検出装置及びワイパ制御装置に関する。
近年、車両ワイパ装置としては、ウィンドに付着した雨滴を雨滴検出装置にて検出し、その検出結果に基づいてワイパ制御装置によりワイパを自動的に駆動させるものが開発されている(例えば特許文献1参照)。
このような車両ワイパ装置に用いられる雨滴検出装置(特許文献1では付着物センサ)としては、車両ウィンドに付着した異物(雨滴)の量を判断し、その異物の量に応じてワイパモータを制御する制御部に対して信号を出力するようになっている。
特開平9−189533号公報
ところで、上記のような車両ワイパ装置では、車両ウィンドに付着した異物の量に応じてワイパモータの動作が決定される。このため、例えばワイパの誤作動を避けるために閾値を設定すると、雨天時の最初の動き出しが遅くなる傾向となる。また、雨天といっても小雨、大雨、暴雨など様々なバリエーションがあり、シチュエーション毎に場合分けさせると、設定すべき閾値が膨大な量となり、効率よく雨天と判定することができない。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、効率よく雨天と判定可能な雨滴検出装置及びワイパ制御装置を提供することにある。
上記課題を解決する雨滴検出装置は、車両ウィンドを撮像して該車両ウィンドの表面の情報を得るためのウィンド面検出センサと、前記車両ウィンドのウィンド面の情報からウィンド面上の異物の存在を推定する異物推定部と、予め修習された非雨天時のウィンドの表面の状態から機械学習により導いた非雨天状態であるというウィンド表面状態判別式を記憶した記憶部と、を備えた制御部を有し、前記制御部は、前記異物推定部により前記ウィンド面における異物の存在が肯定された場合は、前記ウィンド面の状態と前記記憶部に記憶された前記ウィンド表面状態判別式とを対比して雨天状態であるか否かを判定する。
上記態様によれば、記憶部に記憶された非雨天状態であるというウィンド表面状態判別式とウィンド面の状態とを対比して雨天状態であるか否かを判定する。つまり、非雨天状態というウィンド表面状態判別式(閾値)から逸脱した状態である場合に雨天状態と判定することが可能となるため、細かい雨天のデータを得る必要がなく効率よく雨天と判定することが可能となる。
上記雨滴検出装置において、前記異物推定部は、前記ウィンド面検出センサの撮像範囲内における前記ウィンド面上の異物の位置並びに時間的な連続性を検出することが好ましい。
上記態様によれば、撮像範囲内におけるウィンド面上の異物の位置並びに時間的な連続性を検出する。ここで、ウィンド面上に雨滴が付着した場合には、その場に留まるか風等により僅かに動く程度である。即ちウィンド面上の雨滴は通常時間の経過に伴う位置的な変化が少ないこととなる。そのため、前述した通りウィンド面上の異物の位置並びに時間的な連続性を検出することで雨滴の誤検出を抑えることができる。
上記雨滴検出装置において、前記制御部は、前記ウィンド面上における異物の付着率を算出し、該異物の付着率と前記雨天状態である旨の情報を、ワイパを駆動させるためのワイパモータを制御するワイパ制御部に出力することが好ましい。
上記態様によれば、異物の付着率と雨天状態である旨の情報をワイパモータを制御するワイパ制御部に出力することで、ワイパ制御部においてワイパの動作モードを決定することができる。
また上記課題を解決するワイパ制御装置は、ワイパモータの回転を制御するワイパ制御部を有し、前記ワイパ制御部は、前記雨滴検出装置の前記制御部から出力された前記異物の付着率と雨天状態である旨の情報に基づいて前記ワイパの作動を決定する。
上記態様によれば、異物の付着率と雨天状態である旨の情報からワイパモータを制御するワイパ制御部によってワイパの動作モードを決定することができる。
上記ワイパ制御装置において、前記ワイパモータの出力軸の角度を検出する角度検出部と、前記角度検出部によって検出された前記出力軸の角度の情報を前記雨滴検出装置の前記制御部に出力する角度情報出力部と、を備えることが好ましい。
上記態様によれば、雨滴検出装置の制御部に対してワイパモータの出力軸の角度の情報を出力することで、例えば撮像範囲内にワイパ(ワイパブレード)が見切れた状態での雨滴検出を抑えることが可能となる。
本発明の雨滴検出装置及びワイパ制御装置によれば、効率よく雨天と判定可能となる。
一実施形態における車両の模式断面図。 学習方法について説明するための説明図。 (a)〜(c)は天候の違いによる差異を説明するための説明図。 (a)〜(c)は雨滴検出方法について説明するための説明図。 雨滴検出装置の制御例を示すフローチャート。 変形例における制御ブロック図。 同変形例における撮像範囲と払拭範囲との関係を説明するための説明図。
以下、雨滴検出装置を備えた車両ワイパ装置の一実施形態について説明する。なお、図面では、説明の便宜上、構成の一部を誇張又は簡略化して示す場合がある。また、各部分の寸法比率についても、実際と異なる場合がある。
図1に示すように、車両Cには、ルーフパネル1の車両前方側端部から車両前方側に向かって斜め下方に延びるように車両ウィンドとしてのフロントガラス2が設けられている。又、車両Cにおけるルーフパネル1の下面には、運転席3から後方を確認するためのバックミラー4が支持されている。
また、車両Cには、車両Cの内部からフロントガラス2を撮像して該フロントガラス2の表面の情報を得るためのウィンド面検出センサとしてのカメラ11が設けられている。カメラ11は、筐体12と、筐体12内に収容保持された撮像素子としてのCMOS(イメージ)センサ13と筐体12から外部に露出するように保持されたレンズ14とを有する。カメラ11は、バックミラー4の車両前方側に配置されるように、本実施形態ではルーフパネル1に固定されている。詳しくは、カメラ11は、筐体12を支持すべく上方に延びる支持部12aを有し、該支持部12aはカメラ11がバックミラー4の車両前方側に配置されるようにルーフパネル1に固定されている。なお、バックミラー4は、車両Cの車幅方向(フロントガラス2の幅方向)中心に配置され、カメラ11も車両Cの車幅方向(フロントガラス2の幅方向)中心に配置されている。
CMOSセンサ13の撮像面13aとレンズ14の主面14aとは、ピント面Pmがフロントガラス2の外表面2aを含む平面を基準として車室内側に傾くように、互いが非平行状態で設けられている。より詳しくは、ピント面Pmは、撮像範囲における下端側が車室内側となるように撮像面13aと主面14aとが傾けて設けられている。そして、前記ピント面Pmと前記撮像面13aを含む平面と主面14aとが一直線L上で交わるように撮像面13aと主面14aが傾けて設けられている。なお、フロントガラス2の外表面2aは、実際は湾曲しており平面ではないが、その湾曲面に最も近い平面を用いて、CMOSセンサ13の撮像面13aとレンズ14の主面14aとの傾きが設定されている。また、図1は、車両Cを側方(車両幅方向)から見た模式断面図であり、撮像面13aを含む平面を直線S1として図示し、前記主面14aを含む平面を直線S2として図示している。さらに図1では、フロントガラス2の外表面2aを含む平面を直線S3として図示し、直線S3を基準として車室内側に傾いた含むピント面Pmを含む直線S4として図示し、一直線Lは紙面直交方向に延びるため、点で図示している。
上述した構成とすることで、本実施形態のカメラ11では、前記ピント面Pmを基準として被写界深度Dが設定されることとなる。なお、被写界深度Dはピント(焦点)が合っていると見なすことができる範囲であり、ピント面Pmを基準として前方側(車両Cにおいて後方側)に位置する前方被写界深度D1と、ピント面Pmを基準として後方側(車両Cにおいて前方側)に位置する後方被写界深度D2とを足し合わせた範囲である。また、本例の被写界深度Dは、カメラ11の撮像範囲内におけるフロントガラス2の上端側ほど浅く、下端側ほど深くなっている。
そのため、前述したようにピント面Pmの撮像範囲における下端側が車室内側となるように撮像面13aと主面14aとが傾けて設けられることで、撮像範囲における後方被写界深度D2をフロントガラス2の外表面2a近傍に設定されることとなる。また、本例の被写界深度Dは、撮像範囲においていずれも外表面2aを含む位置となっている。
また、カメラ11は、撮像中心軸線Jが、水平面よりも鉛直方向側に向くように(言い換えると斜め下方側を向くように)、且つ、フロントガラス2の外表面2aと交わる位置Pが該フロントガラス2の上半分の範囲H1内となるように設けられている。なお、フロントガラス2の上半分の範囲H1とは、詳しくは、フロントガラス2の上端とフロントガラス2の鉛直方向中心Zとの間の範囲である。
また、車両Cには、カメラ11に接続された制御回路21が設けられている。制御回路21は、前記画像データに基づいて異物としての雨滴の有無を判定(推定)する雨滴判定部22と、予め修習された非雨天時のフロントガラス2の外表面2aの状態から、機械学習により導いた非雨天状態であるというウィンド表面状態判別式を記憶した記憶部23と、通信部24とを有する。
雨滴判定部22は、カメラ11によって撮像された画像データから雨滴を推定する。雨滴判定部22は、雨滴判定においては異物としての雨滴の連続性を検出するようになっている。すなわち、カメラ11によって撮像された画像データの内で複数のフレーム毎における雨滴の位置的及び時間的連続性を検出する。なお、このような検出方法の一例としてカルマンフィルタを用いることができる。
制御回路21は、通信部24を介してワイパ制御回路31と接続される。
ワイパ制御回路31は、車両ワイパ装置のワイパモータMの駆動を制御するワイパ制御部32と、前記制御回路21の通信部24と通信を行う通信部33とを有する。各通信部24,33との通信方法(接続方法)は、例えば、CAN、LIN、FlexRay(登録商標)等の車載ネットワークを用いることができる。
次に、非雨天状態であるというウィンド表面状態判別式を導く際に用いた機械学習方法について説明する。なお、以下に示す学習方法で得られたウィンド表面状態判別式は予め記憶部23に記憶されたものであり、車両走行時においてその情報の更新はしないものとして説明する。
本例では、パターン認識手法の1つである1−class SVM(サポートベクターマシン:Support Vector Machine)を用いて「雨天でない」状態の映像から機械学習を実施している。このとき、「雨天でない」状態(非雨天状態)を正常範囲(正常値)として学習させている。ここで「雨天でない」状態の映像における情報としては、例えば、晴天や曇天等の天候の情報、フロントガラス2のキズ、他車のヘッドライト等のライト類の情報が含まれる。
図2には本当は雨以外である場合の正規分布ND1と、本当は雨である場合の正規分布ND2とを示している。また、各正規分布ND1,ND2の共通の横軸として「雨らしさ」を示している。「雨らしさ」とは、取得された画像内の異物が雨滴の特徴に類似している程度を示すものである。また、図2において本当は雨である場合を「○」でプロットし、本当は雨以外である場合(一例として本当はキズである場合)を「×」でプロットしている。
図2から分かるように正規分布ND1と正規分布ND2とはその一部の領域Aにおいて重なることとなる。正規分布ND1における領域Aは、正規分布ND1において「雨らしさ」の高い領域である。正規分布ND2における領域Aは、正規分布ND2において「雨らしさ」の低い領域である。
また、本例では例えば正規分布ND1の平均値μ1と、正規分布ND2の平均値μ2との間の基準値Oから正規分布ND1における4σの範囲X内における「雨らしさ」を10段階で点数化し、それらを点数毎にヒストグラム化する。
すると、図3(a)に示すように、晴れの場合には点数が低い割合が高く、点数が高い割合が低くなる特徴がある。図3(b)に示すように、小雨の場合には点数が中間〜高い割合が晴れの場合と比べて高い傾向を示す特徴がある。図3(c)に示すように、雨の場合には点数が高い割合が小雨や晴れの場合と比べて高い傾向を示す特徴がある。なお、図3(a)〜(c)に示すヒストグラムは一例であって、全てがこのパターンに当てはまるわけではない。
上記のようにヒストグラム化し、それらは例えば複数フレーム分(本例ではt−9〜tの10フレーム)分用意し、多次元(本例では100次元)に分類することで「雨天でない」状態(正常範囲)か「雨である」状態(異常範囲)かの境界域であるウィンド表面状態判別式(閾値)を導くことが可能となる。つまり本例においては、「雨である」状態については直接的に学習していないため、学習に必要なデータ量を抑えることが可能となっている。
次に、制御回路21が行う処理について説明する。
図5に示すように、制御回路21の雨滴判定部22は、画像データを取得する(ステップS101)。ここでいう画像データとは、例えば、カメラ11によって撮像した現在の画像データである現在フレームと、現在の画像データの1つ前の画像データである第1フレームと、現在の画像データの2つ前(前記第1フレームの1つ前)の画像データである第3フレームとの複数フレームの画像データである。なお、各フレームは、カメラ11内のメモリに一旦蓄積された後にメモリから取得したり、カメラ11で撮像されて外部の記憶部23に記憶されたデータを取得するなど種々の方法が考えられる。
次いで、取得した画像データから画像特徴量を抽出する(ステップS102)。画像特徴量としては例えば画像内における輝度等の情報を抽出する。
次いで、雨滴判定部22は、取得した画像データから抽出された画像特徴量から雨滴を検出する(ステップS103)。このとき、各フレームにおいてはそれぞれ個別に雨滴を検出する。
次いで、雨滴判定部22は、各フレームにおいて雨滴の連続性を検出する(ステップS104)。ここで、雨滴は、一度付着したらその場に留まるか、風等によって若干動く程度である。即ち、取得した画像において、各フレーム毎の雨滴の位置的連続性と時間的連続性とを検出することで正しい雨滴を検出でき、雨滴の誤検出が抑えられている。
図4(a)には、模式的に3つのフレーム毎の雨滴A1,A2,A3を重ね合わせて示している。雨滴A1は、現在のフレーム内で前記ステップS103において雨滴と検出されたものである。雨滴A2は、1つ前のフレーム内で前記ステップS103において雨滴と検出されたものである。雨滴A3は、現在フレームから2つ前のフレーム内で前記ステップS103において雨滴と検出されたものである。
図4(b)には、図4(a)の雨滴A1,A2,A3を足し合わせた(合成)したものである。すなわち各フレーム毎の雨滴A1,A2,A3を足し合わせることで位置的連続性と時間的連続性とを検出することができる。図4(b)ではドットの濃い部分が位置的連続性が高い部分、即ち本当の雨滴である可能性が高いと推定される。
上述した検出方法を用いることで、図4(c)において実線で示した箇所を雨滴として検出する。なお、図4(c)においては現在のフレームのみで雨滴として検出した場合を2点鎖線で示しており、前述したように位置的連続性と時間的連続性に着目して雨滴を検出することで誤検出を抑えることができる。なお、このように位置的連続性と時間的連続性とに着目したものの一例としてカルマンフィルタが挙げられる。なお、ステップS104又はステップS103において雨滴(異物)の存在が認められない場合には処理を終了する。このような構成とすることで不要な演算等を実施しなくて済む。
次いで、図5に示すように、雨滴判定部22は、検出された雨滴と記憶部23に記憶されたウィンド表面状態判別式とを比較して正常範囲内か否か判定する(ステップS105)。雨滴判定部22は、検出された雨滴と記憶部23に記憶されたウィンド表面状態判別式とを比較して正常範囲内と判定した場合(ステップS105:YES)、処理を終了する。その後、例えばステップS101から繰り返し処理を行う。
また、雨滴判定部22は、検出された雨滴と記憶部23に記憶されたウィンド表面状態判別式とを比較して正常範囲から逸脱したと判定した場合(ステップS105:NO)、取得した画像データ内における雨滴の付着率を算出する(ステップS106)。
次いで、雨滴判定部22は、通信部24,33を介してワイパ制御部32に雨滴の付着率と雨天である旨の情報を出力し(S107)、処理を終了する。その後例えばステップS101から繰り返し処理を行う。
すると、雨滴判定部22による雨滴の有無の判定並びに雨滴の付着率の情報に基づいて、ワイパモータMを駆動制御する。具体的には、本実施形態のワイパ制御部32は、例えば、雨滴判定部22にて判定された雨滴の量に応じたモード(低速モードや高速モードや間欠モード等)でワイパモータMを駆動させる。
本実施形態の作用を説明する。
例えば、車内に設けられたレバースイッチSWがオート位置に操作されていると、カメラ11によって車両Cの内部からフロントガラス2が定期的に撮像される。なお、図1では、カメラ11による撮像範囲(角度)を破線で図示している。そして、雨滴判定部22によって、撮像した画像データに基づいてフロントガラス2上に雨滴等が付着していると判定されると、ワイパ制御部32によってワイパモータMが駆動されて図示しないワイパによってフロントガラス2が払拭され、自動的に雨滴等が除去される。
本実施形態の効果を記載する。
(1)記憶部23に記憶された非雨天状態であるというウィンド表面状態判別式とフロントガラス2の外表面2aの状態である検出された雨滴とを対比して雨天状態であるか否かを判定する。つまり、非雨天状態というウィンド表面状態判別式(閾値)から逸脱した状態である場合に雨天状態と判定することが可能となるため、細かい雨天のデータを得る必要がなく効率よく雨天と判定することが可能となる。
(2)撮像範囲内におけるフロントガラス2上の雨滴の位置並びに時間的な連続性を検出する。ここで、フロントガラス2上に雨滴が付着した場合には、その場に留まるか風等により僅かに動く程度である。即ちフロントガラス2上の雨滴は通常時間の経過に伴う位置的な変化が少ないこととなる。そのため、前述した通りフロントガラス2上の異物の位置並びに時間的な連続性を検出することで雨滴の誤検出を抑えることができる。
(3)異物の付着率と雨天状態である旨の情報をワイパモータMを制御するワイパ制御部32に出力することで、異物の付着率に応じてワイパ制御部32においてワイパの動作モードを決定することができる。
なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では特に言及していないが、例えばフロントガラス2上におけるワイパ(ワイパブレード)の位置を検出し、検出されたワイパの位置がカメラ11の撮像範囲SH内に入らない状況下においてカメラ11による撮像を行う構成を採用してもよい。図7に示すように、撮像範囲SHはワイパの払拭範囲WHとその全て若しくは一部が重なるようになっている。なお、ワイパの位置は例えばワイパを駆動させるためのワイパモータMの出力軸の角度を検出することでワイパの位置を特定(推定)することができる。つまり、図6に示すように出力軸の角度を検出する角度検出部40を備え、それらの情報を角度情報出力部としての通信部33を介して雨滴検出装置の制御回路21に出力することで雨滴検出タイミングを制御することができる。これにより、撮像範囲SH内にワイパが見切れていない状況下の画像データを用いて適切に雨滴検出を行うことができる。
・上記実施形態では、異物の位置並びに時間的な連続性を検出する方法としてカルマンフィルタを採用したが、異物の位置並びに時間的な連続性を検出することができれば他の方法を用いてもよい。なお、上記実施形態では、撮像した映像の内で3フレーム分の映像から異物の位置並びに時間的な連続性を検出することとしたが、これに限らず、例えば4フレーム分以上の映像から異物の位置並びに時間的な連続性を検出するようにしてもよい。また、必ずしも連続するフレームを用いる必要はなく、例えば現在のフレームと2つ前のフレームと4つ前のフレームを用いて異物の位置並びに時間的な連続性を検出するようにしてもよい。
・上記実施形態では、機械学習の1つの学習法である1−class SVM法を用いて学習することとしたが、例えばMT(マハラノビス・タグチ)法などの他の学習法を用いてもよい。
・上記実施形態では、カメラ11は、バックミラー4の車両前方側に配置されるように、ルーフパネル1に固定されるとしたが、他の位置に固定してもよい。例えば、フロントガラス2の内表面に固定するものとしてもよい。このような構成であってもカメラ11がバックミラー4の車両前方側に配置されることとなる。また、このような構成とすることで、例えば、ルーフパネル1に固定されるもの(上記実施形態参照)に比べて、ワーキングディスタンス(レンズ14からフロントガラス2の外表面2aまでの距離)を短くすることができ、被写界深度を小さく(浅く)することができる。よって、背景に焦点(ピント)が合ってしまうことを抑えることができ、ひいては誤検出を抑えることができる。
また、フロントガラス2の上端側に限らず、ダッシュボードの上面などのフロントガラス2の下端側にカメラ11を設ける構成を採用してもよい。
・上記実施形態では、ピント面Pmをその下端側ほど車室内側となるように構成したが、これに限らず、例えばピント面Pmを直線S3、つまりフロントガラス2の外表面2aに沿った構成としてもよい。
・上記実施形態では、カメラ11は、車両Cの内部からフロントガラス2を撮像するとしたが、リヤガラス等、他の車両ウィンドを撮像するようにしてもよい。
・上記実施形態では、撮像素子をCMOSセンサ13としたが、これに限定されず、例えばCCD(イメージ)センサ等の他の撮像素子に変更してもよい。
・上記実施形態では、雨滴判定部22による雨滴の有無の判定に基づいて、ワイパモータMを駆動制御するとしたが、判定の結果を他の用途に用いるようにしてもよい。
・上記実施形態では、カメラ11は、単純に外部に露出したレンズ14だけを備えたように記載したが、これに限定されず、筐体12の内部にもレンズを備えたカメラとしてもよく、それらのレンズ(主面)と撮像面13aとを傾けて、シャインプルーフの原理を利用するものであってもよい。
・上記実施形態並びに各変形例は適宜組み合わせてもよい。
2…フロントガラス(車両ウィンド)、2a…外表面(ウィンド面)、11…カメラ(ウィンド面検出センサ)、22…雨滴判定部(異物推定部)、23…記憶部、32…ワイパ制御部、40…角度検出部、C…車両、M…ワイパモータ、SH…撮像範囲。

Claims (5)

  1. 車両ウィンドを撮像して該車両ウィンドのウィンド面の情報を得るためのウィンド面検出センサと、前記車両ウィンドの表面の情報からウィンド面上の異物の存在を推定する異物推定部と、予め修習された非雨天時のウィンドの表面の状態から機械学習により導いた非雨天状態であるというウィンド表面状態判別式を記憶した記憶部と、を備えた制御部を有し、
    前記制御部は、前記異物推定部により前記ウィンド面における異物の存在が肯定された場合は、前記ウィンド面の状態と前記記憶部に記憶された前記ウィンド表面状態判別式とを対比して雨天状態であるか否かを判定することを特徴とする雨滴検出装置。
  2. 前記異物推定部は、前記ウィンド面検出センサの撮像範囲内における前記ウィンド面上の異物の位置並びに時間的な連続性を検出することを特徴とする請求項1に記載の雨滴検出装置。
  3. 前記制御部は、前記ウィンド面上における異物の付着率を算出し、該異物の付着率と前記雨天状態である旨の情報を、ワイパを駆動させるためのワイパモータを制御するワイパ制御部に出力することを特徴とする請求項1又は2に記載の雨滴検出装置。
  4. ワイパモータを制御するワイパ制御部を有し、
    前記ワイパ制御部は、請求項3に記載の雨滴検出装置の前記制御部から出力された前記異物の付着率と雨天状態である旨の情報に基づいて前記ワイパの作動を決定することを特徴とするワイパ制御装置。
  5. 前記ワイパモータの出力軸の角度を検出する角度検出部と、
    前記角度検出部によって検出された前記出力軸の角度の情報を前記雨滴検出装置の前記制御部に出力する角度情報出力部と、を備えたことを特徴とする請求項4に記載のワイパ制御装置。
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