JP7021598B2

JP7021598B2 - 地表勾配検出装置

Info

Publication number: JP7021598B2
Application number: JP2018079773A
Authority: JP
Inventors: 清史松尾
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-04-18
Filing date: 2018-04-18
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2038-04-18
Also published as: JP2019190837A

Description

本開示は、地表勾配検出装置に関する。

従来より、路面の勾配を検出する方法として、路面を撮像した画像から走行区分線を抽出し、抽出した走行区分線における屈曲点の前後の直線が成す角の角度から路面の勾配を検出する方法が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００５－３００２９４号公報

しかし、特許文献１に記載の技術を用いた場合、走行区分線がない場合や走行区分線が破損している場合において、地表の勾配を検出することができないという課題があった。このため、地表の勾配を検出する他の方法が望まれていた。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、地表勾配検出装置(10) が提供される。この地表勾配検出装置は、予め定められた指向角を有する光を、予め定められた俯角で照射する光源部(30)と、前記光が地表によって反射した反射光を受光する受光部(12)と、前記光源部と前記受光部とを制御する制御部(50)と、を備え、前記制御部は、前記指向角と、前記光源部により前記光を照射した期間と、前記受光部によって前記反射光の受光を開始した開始時間と、前記受光部によって前記反射光の受光を終了した終了時間とを用いて、前記光が照射された範囲における地表の勾配を算出する算出制御を行う。

この形態の地表勾配検出装置によれば、地表から反射した反射光の光路長の違いを用いて、光が照射された範囲における地表の勾配を算出できる。

第１実施形態に係る地表勾配検出装置の模式図である。地表勾配検出装置が車両に搭載されている様子を示す図である。地表の勾配の算出方法を説明する図である。登り勾配路の場合を示す図である。下り勾配路の場合を示す図である。距離ＯＡと距離ＯＢとを算出する方法を示す図である。光が照射される範囲を変えずに算出制御を複数回行う場合の一例を示すフローチャートである。複数回の投光を行う場合における各投光の照射範囲の例を示す図である。数回の投光を行う場合における各投光の照射範囲の例を示す図である。複数回の投光を行う場合における各投光の照射範囲の例を示す図である。複数の地表勾配検出装置１０を用いて地表の勾配を算出する場合を説明する図である。

Ａ．第１実施形態
図１に示すように、第１実施形態に係る地表勾配検出装置１０は、光源部３０と、受光部１２と、受光ＩＣ１４と、双曲面ミラー２０と、ポリゴンミラー２２と、筐体２６と、制御部５０と、を備える。地表勾配検出装置１０は、光源部３０から照射した光が測定対象物で反射し、受光部１２に戻るまでの飛行時間（ＴＯＦ：Time of Flight）に基づいて、測定対象物までの距離を測定する装置である。図２に示すように、地表勾配検出装置１０は、例えば、車両６０に搭載される。

光源部３０は、光を照射する部分である。照射された光を照射光Ｌｔとも呼ぶ。照射光Ｌｔは、後述するように地表に到達しても所定の大きさを保つ程度のビーム（光束）である。つまり、照射光Ｌｔは、予め定められた指向角を有する。ここで、指向角とは、照射光Ｌｔが広がる角度を示す。照射光Ｌｔの形状が問題となる場合には、「ビーム」と呼ぶことがある。指向角は、ビームが受光部１２により検出できる範囲の角度と解することができる。本実施形態の光源部３０は、光を収束させる集光レンズ３２と、光源としてのレーザーダイオード素子１８とを備える。レーザーダイオード素子１８は、照射光Ｌｔとして、所定のパルス幅及び周期で点滅を繰り返すパルスレーザ光を照射する。光源部３０から照射されるパルスレーザ光のビーム形状は、鉛直方向に縦長の形状であり、後述するポリゴンミラー２２により反射することにより地表では前後方向に縦長の形状となる。なお、光源として、例えば、固体レーザなどのレーザーダイオード素子以外の光源を用いてもよい。

ポリゴンミラー２２は、複数のミラー面を有する多角形ミラーであり、モータ２４により回転される。本実施形態のポリゴンミラー２２は、６個のミラー面を有する。ポリゴンミラー２２は、照射光Ｌｔを各ミラー面で反射することにより地表に向けて照射する。地表へ照射光Ｌｔを照射するために、照射光Ｌｔは、予め定められた俯角φを持って地表に向けて照射される。照射光Ｌｔが地表から反射した反射光の一部は、ポリゴンミラー２２まで到達する。ポリゴンミラー２２は、到達した反射光Ｌｒを各ミラー面によって反射させ、双曲面ミラー２０へ導く。

双曲面ミラー２０は、ポリゴンミラー２２によって導かれた反射光Ｌｒを集光し、受光ＩＣ１４の受光部１２に導き、受光部１２が反射光Ｌｒを受光する。

ポリゴンミラー２２の各ミラー面は、回転軸ＡＸに対してそれぞれ異なる角度に傾けられている。ポリゴンミラー２２は、回転軸ＡＸを中心として所定の回転速度で回転されるため、ポリゴンミラー２２の回転に伴って、照射光Ｌｔの仰角と反射光Ｌｒの俯角が変化する。この結果、光源部３０からの照射光Ｌｔは、水平方向の走査のみならず、異なる俯角での走査についても可能となる。なお、本実施形態では、ポリゴンミラー２２を用いるが、これに限られず、例えば、一面のミラーを用いてもよい。この場合、１回転ごとに回転軸ＡＸの角度を変えることにより、ポリゴンミラー２２のように照射光Ｌｔの仰角と反射光Ｌｒの俯角を変化させることができる。

筐体２６は、上記の各構成を支持する支持構造を有するとともに、制御基板２７を備える。制御基板２７には、制御部５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵやメモリを備えるコンピュータとして構成されており、光源部３０や受光部１２などを制御する。

制御部５０は、照射光Ｌｔの指向角と、光源部３０により光を照射した期間と、受光部１２によって反射光の受光を開始した開始時間と、反射光の受光を終了した終了時間とを用いて、光が照射された範囲における地表の勾配を算出する算出制御を行う。以下、この算出制御のメカニズムについて詳述する。

図３に示すように、照射光Ｌｔと地表とが成す角の角度をθとし、照射光Ｌｔの指向角をαとする。また、地表から地表勾配検出装置１０までの高さをｄとし、一つのビームに含まれる照射光Ｌｔのうち最も俯角が大きい光が地表に到達する点をＡ、一つのビームに含まれる照射光Ｌｔのうち最も俯角が小さい光が地表に到達する点をＢとし、地表勾配検出装置１０の照射光Ｌｔが照射される部分をＯとする。このとき、以下の式（１）、（２）が成り立つ。
ＯＡ・ｓiｎ（θ＋α／２）＝ｄ（１）
ＯＢ・ｓiｎ（θ－α／２）＝ｄ（２）

そして、式（１）、（２）からｄを消すことにより、以下の式（３）が導出される。
θ＝ｔａｎ^－１｛ＯＢｓｉｎα／（ＯＢｃｏｓα－ＯＡ）｝－α／２（３）

ここで、αは、装置ごとに決定される値（例えば、１°）である。また、ＯＡ及びＯＢは、地表勾配検出装置１０により後に詳述するとおり測定可能である。このため、制御部５０は、θを算出可能となる。具体的には、照射光Ｌｔの俯角をφとすると、光が照射された範囲における地表の勾配は、θ－φとなる。なお、図３は、地表の勾配がゼロのときの図であるため、φ＝θとなる。また、図４に示すように、登り勾配路の場合、地表の勾配θｓは正の値となり、図５に示すように、下り勾配路の場合、地表の勾配θｓは負の値となる。

図６に示すように、横軸は時間を示し、縦軸は、上から順に、光源部による発光量と、地表で反射した反射光の受光部１２による受光量と、受光部１２による総受光量とを示す。なお、図６において、内容の理解を容易にするために、地表での反射した位置が異なる反射光を異なる反射光として示し、反射光ごとの受光部１２への受光量を図６の中段に示した。しかし、実際に検出できるのは、図６の下段に示した受光部１２の総受光量のみである。

まず、時間ｔ１において光源部３０による光の照射が開始され、時間ｔ２において光源部３０による光の照射が終了する。この光は、地表で反射した後、時間ｔ３から時間ｔ５において受光部１２により受光される。具体的には、時間ｔ３は、受光部１２によって反射光Ｌｒの受光を開始した開始時間である。つまり、一つのビームに含まれる照射光Ｌｔのうち最も俯角の大きい光が地表の点Ａ（図３参照）において反射し、この反射光Ｌｒが時間ｔ３において受光部１２に受光され始める。そして、時間ｔ５は、受光部１２によって反射光Ｌｒの受光を終了した終了時間である。つまり、一つのビームに含まれる照射光Ｌｔのうち最も俯角の小さい光が地表の点Ｂ（図３参照）において反射し、この反射光Ｌｒが時間ｔ５において受光部１２に受光し終わる。

制御部５０は、光源部３０が発光を開始した時間ｔ１と、点Ａにおいて反射した反射光Ｌｒの受光部１２による受光が開始された時間ｔ３との時間差から距離ＯＡを算出する。

また、制御部５０は、時間ｔ５から光源部３０により光を照射した期間Ｐ（時間ｔ２－時間ｔ１）を差し引くことにより、点Ｂにおいて反射した反射光Ｌｒの受光部１２による受光が開始された時間ｔ４を算出する。そして、時間ｔ１と時間ｔ４との時間差から距離ＯＢを算出する。なお、受光部１２の受光が開始されてから、受光部１２の受光ＩＣ１４のアバランシエ降伏が始まることによって受光ＩＣ１４の出力電圧が立ち上がるまでには時差が生じる。このため、厳密には、制御部５０は、受光部１２による受光時間を用いるのではなく、受光ＩＣ１４の出力電圧が立ち上がった時間を用いる。

本実施形態によれば、照射光Ｌｔの指向角と、光源部３０により光を照射した期間と、受光部１２によって反射光Ｌｒの受光を開始した開始時間と、受光部１２によって反射光の受光を終了した終了時間とを用いて、光が照射された範囲における地表の勾配を算出できる。これにより、本実施形態では、地表が急勾配となっている部分を検出できるため、地表勾配検出装置１０を搭載する車両に、走行できないほどの急勾配があることを地表勾配検出装置１０の利用者に報知可能となる。

本実施形態では、制御部５０は、一度の算出制御により地表の勾配を算出している。しかし、これに限られず、制御部５０は、光が照射される範囲を変えて、算出制御を複数回行ってもよい。このようにすることにより、広範囲における地表の勾配を取得できる。

一方、制御部５０は、光が照射される範囲を変えずに算出制御を複数回行ってもよい。図７に示す処理は、予め定められた間隔を開けて繰り返し実行される。具体的には、制御部は、地表の勾配の算出制御を行った後（工程Ｓ１００）、工程Ｓ１００で得られた地表の勾配θｓ１が、それ以前に算出された地表の勾配の平均値θｖと誤差β以内か否かを判定する（工程Ｓ１１０）。なお、平均値θｖは、光が照射される範囲を同じとした場合における地表の勾配の平均値である。地表の勾配θｓ１が平均値θｖと誤差β以内である場合（工程Ｓ１１０：ＹＥＳ）、制御部５０は、地表の勾配θｓ１を正常値と判定し（工程Ｓ１２０）、θｓ１を平均値θｖの算出に用いる（工程Ｓ１３０）。一方、地表の勾配θｓ１が平均値θｖと誤差β以内でない場合（工程Ｓ１１０：ＮＯ）、制御部５０は、地表の勾配θｓ１を異常値と判定し（工程Ｓ１４０）、θｓ１を平均値θｖの算出に用いない（工程Ｓ１５０）。平均値θｖを地表の勾配の値とすることにより、地表の勾配を精度よく検出できる。

また、光が照射される範囲を変えて複数回の算出制御を行う場合、制御部５０は、一の算出制御において光が照射される範囲の一部を他の算出制御において光が照射される範囲と重複させることが好ましい。このようにすることにより、重複する範囲における地表の勾配の精度が向上する。

複数回の算出制御を行う場合、図８に示すように、縦長の照射範囲Ｔ１となるような投光と、横長の照射範囲Ｔ２となるような投光とをそれぞれ複数回行うことにより、地表の勾配を網羅的に算出することができる。また、図９に示すように、照射範囲Ｔ３の端部が他の投光の際の照射範囲と重なり合うように行ってもよい。本実施形態のようにポリゴンミラー２２を用いることにより、図９のような照射範囲の設定を実現可能である。また、図１０に示すように、照射範囲Ｔ４の端点が他の投光の際の照射範囲と重なりあうように行ってもよい。例えば、ポリゴンミラー２２の代わりにＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical Systems)ミラーを用いることにより、図１０のような照射範囲の設定を実現できる。

Ｂ．他の実施形態
上述の実施形態では、一つの地表勾配検出装置１０を用いて地表の勾配を算出している。しかし、これに限られない。図１１に示すように、複数の地表勾配検出装置１０を用いて地表の勾配を算出してもよい。このようにすることにより、地表の勾配を精度よく算出できる。

上述の実施形態では、光が照射される範囲は一定としたが、これに限られない。例えば、集光レンズ３２の位置を変化させるアクチュエータを用いたり、焦点距離が異なる複数の集光レンズ３２を用いることにより、光が照射される範囲の形状や大きさを変えてもよい。例えば、地表の勾配の変化が激しい領域については、光が照射される範囲を小さくすることにより、地表の勾配を精度よく算出できる。

上述の実施形態では、一度の投光の照射範囲を矩形にしたが、これに限られず、例えば、円状とすることができる。

上述の実施形態では、投光における光軸と受光における光軸とが一致する同軸型の光学系を採用している。しかし、これに限られず、投光における光軸と受光における光軸とが異なる異軸型の光学系を用いてもよい。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する本実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

ＡＸ回転軸、Ｌｒ反射光、Ｌｔ照射光、１０地表勾配検出装置、１２受光部、１４受光ＩＣ、１８レーザーダイオード素子、２０双曲面ミラー、２２ポリゴンミラー、２４モータ、２６筐体、２７制御基板、３０光源部、３２集光レンズ、５０制御部、６０車両、

Claims

地表勾配検出装置(10)であって、
予め定められた指向角を有する光を、予め定められた俯角で照射する光源部(30)と、
前記光が地表によって反射した反射光を受光する受光部(12)と、
前記光源部と前記受光部とを制御する制御部(50)と、を備え、
前記制御部は、前記指向角と、前記光源部により前記光を照射した期間と、前記受光部によって前記反射光の受光を開始した開始時間と、前記受光部によって前記反射光の受光を終了した終了時間とを用いて、前記光が照射された範囲における地表の勾配を算出する算出制御を行う、地表勾配検出装置。
請求項１に記載の地表勾配検出装置であって、
前記制御部は、前記光が照射される範囲を変えて前記算出制御を複数回行う、地表勾配検出装置。
請求項２に記載の地表勾配検出装置であって、
前記制御部は、一の算出制御において光が照射される範囲の一部を他の算出制御において光が照射される範囲と重複させる、地表勾配検出装置。