JP7031137B2 - Laser scanning device - Google Patents
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Description
本発明は、車両に搭載されるレーザ走査装置に係り、例えば、赤外線レーザを用いたレーザ走査装置に関する。 The present invention relates to a laser scanning device mounted on a vehicle, and relates to, for example, a laser scanning device using an infrared laser.
車両の自動運転、又は車両の運転支援を行う機器が盛んに開発されている。また、車両などに搭載されるLIDAR(Light Detection and Ranging)が知られている。LIDARは、レーザ光(例えば、波長λ=905nm)を用いて車両前方のある範囲を走査し、この走査範囲にある検出物からの反射光を検出することによって、対象物の検出、及び車両から対象物までの距離を測定する。 Equipment for automatic driving of vehicles or driving support for vehicles is being actively developed. Further, LIDAR (Light Detection and Ranging) mounted on a vehicle or the like is known. LIDAR uses a laser beam (for example, wavelength λ = 905 nm) to scan a certain area in front of the vehicle, and detects the reflected light from the detected object in this scanning range to detect the object and from the vehicle. Measure the distance to the object.
LIDARとしては、いくつかの方式が提案されている。レーザ光を出射する複数の送信部を縦方向に配置し、全体を水平面で回転させて走査する方式(特許文献1)、レーザ入射角を変化させて垂直方向(縦方向)を走査し、ポリゴンミラーの回転で水平方向(横方向)を走査する方式(特許文献2)、及び2軸で独立に角度の変えられるMEMSミラーを用いる方式(特許文献3)などがある。これらメカニカルな手法以外にも、電気的に位相を変えることにより光の出射角度を変える方式(特許文献4、5)などがある。 As LIDAR, several methods have been proposed. A method of arranging a plurality of transmitters that emit laser light in the vertical direction and rotating the whole in a horizontal plane to scan (Patent Document 1), scanning in the vertical direction (vertical direction) by changing the laser incident angle, and polygons. There are a method of scanning in the horizontal direction (horizontal direction) by rotating the mirror (Patent Document 2), and a method of using a MEMS mirror whose angle can be changed independently on two axes (Patent Document 3). In addition to these mechanical methods, there are methods for changing the emission angle of light by electrically changing the phase (Patent Documents 4 and 5).
しかし、メカニカルな手法では、素早く走査範囲を変更したり、細かく走査するのが困難である。また、特許文献4、5では、光パワースプリッタ、光フェーズシフタ、光カプラなどが必要であり、構成部品が多く、構造が複雑になってしまう。
However, with the mechanical method, it is difficult to change the scanning range quickly or scan finely. Further, in
本発明は、走査点の密度を動的に変えることが可能であり、かつ信頼性を向上させることが可能なレーザ走査装置を提供する。 The present invention provides a laser scanning apparatus capable of dynamically changing the density of scanning points and improving reliability.
本発明の一態様に係るレーザ走査装置は、レーザ光によって被走査領域の走査を行うレーザ走査装置であって、前記レーザ光を一定の周期で出射するレーザ源と、前記レーザ源から出射した前記レーザ光を透過し、前記レーザ光の出射角を変える走査素子と、前記走査素子を制御する制御部とを具備する。前記制御部は、前記レーザ光により走査される前記被走査領域のサイズ及び前記被走査領域に対して前記レーザ光を送信する点の密度を変えるように前記走査素子を制御する。 The laser scanning device according to one aspect of the present invention is a laser scanning device that scans a region to be scanned by a laser beam, and is a laser source that emits the laser beam at a constant cycle and the laser source that emits the laser beam. It includes a scanning element that transmits laser light and changes the emission angle of the laser light, and a control unit that controls the scanning element. The control unit controls the scanning element so as to change the size of the scanned region scanned by the laser beam and the density of the points at which the laser beam is transmitted with respect to the scanned region.
本発明によれば、走査点の密度を動的に変えることが可能であり、かつ信頼性を向上させることが可能なレーザ走査装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a laser scanning apparatus capable of dynamically changing the density of scanning points and improving reliability.
以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, it should be noted that the drawings are schematic or conceptual, and the dimensions and ratios of each drawing are not necessarily the same as the actual ones. Further, even when the same part is represented between the drawings, the relationship and ratio of the dimensions of each other may be represented differently. In particular, some embodiments shown below exemplify devices and methods for embodying the technical idea of the present invention, and depending on the shape, structure, arrangement, etc. of the components, the technical idea of the present invention. Is not specified. In the following description, elements having the same function and configuration are designated by the same reference numerals, and duplicate explanations will be given only when necessary.
[1] 車載システム1の構成
まず、車両に搭載される車載システム1の全体構成について説明する。図1は、本発明の実施形態に係る車載システム1の構成を示すブロック図である。
[1] Configuration of the in-
車載システム1は、運転支援ECU(Electronic Control Unit)10、レーザ走査装置としてのLIDAR(Light Detection and Ranging、又はLaser Imaging Detection and Ranging)20、カメラ30、超音波レーダ31、ミリ波レーダ32、GNSS(Global Navigation Satellite System)受信部33、通信部34、車両ECU35、操舵装置36、駆動装置37、及び制動装置38などを備える。LIDAR20、カメラ30、超音波レーダ31、ミリ波レーダ32、及びGNSS受信部33はそれぞれ、センサと呼ぶ場合もある。
The in-
車両ECU35は、車両の走行を統括的に制御する装置である。車両ECU35は、1つ又は複数のプロセッサ(CPU(Central Processing Unit)、及び/又はMPU(Micro Processing Unit)を含む)、ROM(Read Only Memory)、及びRAM(Random Access Memory)などを含む周知のマイクロコンピュータである。車両ECU35は、ROMに記憶されているプログラムに基づいて、走行制御を実行する。車両ECU35は、操舵装置36、駆動装置37、及び制動装置38などを制御する。
The vehicle ECU 35 is a device that comprehensively controls the traveling of the vehicle. The vehicle ECU 35 is well known including one or more processors (including a CPU (Central Processing Unit) and / or an MPU (Micro Processing Unit)), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like. It is a microcomputer. The vehicle ECU 35 executes traveling control based on the program stored in the ROM. The vehicle ECU 35 controls the
操舵装置36は、車両ECU35の指令に基づいて、車両の進行方向を切り換える。
The
駆動装置37は、車両ECU35の指令に基づいて、車両の駆動力を生成する。例えば、車両がエンジン車両である場合、駆動装置37は、エンジン及びトランスミッション(図示せず)などを有する。車両が電気自動車である場合、駆動装置37は、走行モータ及びトランスミッション(図示せず)などを有する。
The
制動装置38は、車両ECU35の指令に基づいて、車両の制動力を生成する。
The
運転支援ECU10は、運転支援又は自動運転を統括的に制御する装置である。運転支援ECU10は、1つ又は複数のプロセッサ(CPU、及び/又はMPUを含む)、ROM、及びRAMなどを含む周知のマイクロコンピュータである。運転支援ECU10は、ROMに記憶されているプログラムに基づいて、運転支援制御を実行する。
The driving
運転支援ECU10には、それぞれ通信用バスを介して、LIDAR20、カメラ30、超音波レーダ31、ミリ波レーダ32、GNSS受信部33、及び通信部34が接続される。なお、図1では、簡略化のために、LIDAR20、カメラ30、超音波レーダ31、及びミリ波レーダ32をそれぞれ1個のみ図示している。しかし、LIDAR20、カメラ30、超音波レーダ31、及びミリ波レーダ32はそれぞれ、複数個設けられていてもよい。例えば、車両の前後左右に4個のLIDARが取り付けられ、4個のLIDARは、車両の前後左右を走査可能である。カメラ30、超音波レーダ31、及びミリ波レーダ32についても、LIDAR20の配置例と同様である。
The
LIDAR20は、車両の前側(例えば、フロントバンパー、又はフロントグリル)、車両の後ろ側(例えば、リアバンパー、又はリアグリル)、及び/又は、車両の側方(例えば、フロントバンパーの側方)に配置される。また、LIDAR20は、ルーフやボンネット等、車両の上部に配置されてもよい。
The
LIDAR20は、レーザ光(赤外線レーザ)を車両周辺の所定範囲に送信し、その反射光を受信する。そして、LIDAR20は、反射点(対象物)の存在、及び対象物までの距離を検出する。一例として、LIDAR20は、レーザ光を用いて、車両の前方の所定範囲を走査する。
The
カメラ(画像処理装置)30は、所定周期で車両周辺を撮像する。また、カメラ30は、周辺の車両や人などの対象物、及び、走行車線の特定に用いられる対象物(区画線、縁石、及び中央分離帯など)を検出する。カメラ30は、CCD(charge-coupled device)やCMOS(complementary metal oxide semiconductor)などの撮像素子を含む。
The camera (image processing device) 30 takes an image of the surroundings of the vehicle at a predetermined cycle. Further, the
超音波レーダ31は、超音波を用いて、車両周辺の対象物を検出する。ミリ波レーダ32は、ミリ波を用いて、車両周辺の対象物を検出する。
The
GNSS受信部33は、複数のGNSS(Global Positioning System)衛星から信号を受信し、自車両の位置を示す位置情報を取得する。位置情報には、例えば緯度及び経度が含まれる。なお、本実施形態では、GNSSを用いる構成を示したが、例えばGPSのように、GNSS以外の測位システムの受信機を用いる構成としてもよい。
The
通信部34は、ネットワークを介して、運転支援サーバや管理センタとの間で無線通信を行う。そして、通信部34は、運転支援サーバや管理センタから、様々な情報を取得する。
The
[1-1] 運転支援ECU10の構成
次に、運転支援ECU10の構成について説明する。図2は、運転支援ECU10の構成を示すブロック図である。
[1-1] Configuration of the driving
運転支援ECU10は、記憶部11、自車位置推定部12、対象物検出部13、センサ制御部14、走査制御部15、電圧制御部16、及び行動計画生成部17を備える。
The driving
記憶部11は、参照用3次元地図データ(3D地図データ)11Aを記憶する記憶領域を備える。また、記憶部11は、行動計画(走行計画)などを記憶する。
The
参照用3次元地図データ11Aは、道路の位置情報、道路形状の情報(カーブと直線部との種別、カーブの曲率、車線幅、及び路肩幅などを含む)、交差点及び分岐点の位置情報、施設の情報、信号機の情報、及び交通標識の情報などが含まれている。参照用3次元地図データ11Aは、自動車が走行可能な範囲について、3次元地図作成用である本システムとは別のLIDARによって、あらかじめ作成されているものである。参照用3次元地図データ11Aには、3次元地図作成時における車両の位置情報が含まれていてもよい。参照用3次元地図データ11Aは、記憶部11が備える不揮発性メモリに格納される。参照用3次元地図データ11Aは、通信部34を用いて、最新の情報に更新することが可能である。
The reference three-dimensional map data 11A includes road position information, road shape information (including the type of curve and straight line, curve curvature, lane width, road shoulder width, etc.), position information of intersections and branch points, and so on. Includes facility information, traffic light information, and traffic sign information. The reference three-dimensional map data 11A is created in advance by LIDAR, which is different from the system for creating a three-dimensional map, for the range in which the vehicle can travel. The reference three-dimensional map data 11A may include vehicle position information at the time of creating the three-dimensional map. The reference three-dimensional map data 11A is stored in the non-volatile memory included in the
センサ制御部14は、カメラ30、超音波レーダ31、ミリ波レーダ32、及びGNSS受信部33を含むセンサ群の動作を制御する。センサ制御部14は、センサ群によって検出された情報を用いて、対象物を認識及び特定する。
The
走査制御部15は、LIDAR20の走査動作を制御する。走査制御部15は、LIDAR20による走査領域(フレーム)のサイズを変える制御、及び走査領域を走査するための走査点(レーザ光が送信される点)の密度を変える制御などを実行する。
The
電圧制御部16は、LIDAR20を駆動する。具体的には、電圧制御部16は、LIDAR20に含まれる液晶素子22が所望の動作を実現できるように、各種電圧を液晶素子22に供給する。
The
自車位置推定部12は、各種センサによる情報に基づいて、自車の位置を推定する。対象物検出部13は、各種センサによる情報に基づいて、車両周囲の対象物を検出する。行動計画生成部17は、自車位置の推定結果、及び対象物の検知結果に基づいて、車両が走行するルートである行動計画を生成する。
The own vehicle
[1-2] LIDAR20の構成
次に、LIDAR20の構成について説明する。図3は、LIDAR20の構成を示すブロック図である。
[1-2] Configuration of
LIDAR20は、レーザ源21、走査素子としての液晶素子22、及び検出回路23を備える。LIDAR20の基本的な動作は、送信したレーザ光が対象物で反射して検出回路23に戻るまでの光の往復時間(TOF:Time of Flight)を計測する。
The
レーザ源21は、レーザ光を発生及び出射する。レーザ光としては、赤外線レーザ(例えば波長λ=905nm)が用いられる。
The
液晶素子22は、レーザ源21からの赤外線レーザを透過させるとともに、赤外線レーザを走査、すなわち赤外線レーザの出射角を時分割で変える。これにより、対象物の複数点に対して赤外線レーザを照射することができる。液晶素子22の具体的な構成については後述する。
The
検出回路23は、対象物によって反射された赤外線レーザを検出する。検出回路23は、例えば赤外線センサから構成される。その他、検出回路23として赤外線カメラを用いてもよい。
The
[1-3] 液晶素子22の構成
次に、LIDAR20に含まれる液晶素子22の構成について説明する。図4は、液晶素子22の平面図である。図5は、図4に示したA-A´線に沿った液晶素子22の断面図である。
[1-3] Configuration of
液晶素子22は、透過型の液晶パネルである。液晶素子22は、対向配置された基板40、41と、基板40、41間に挟持された液晶層42とを備える。基板40、41の各々は、透明基板(例えば、ガラス基板、又はプラスチック基板)から構成される。基板40は、レーザ源21に対向配置され、レーザ源21からのレーザ光は、基板40側から液晶層42に入射する。
The
液晶層42は、基板40、41間に充填される。具体的には、液晶層42は、基板40、41と、シール材43とによって包囲された領域内に封入される。シール材43は、例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、又は紫外線・熱併用型硬化樹脂等からなり、製造プロセスにおいて基板40又は基板41に塗布された後、紫外線照射、又は加熱等により硬化させられる。
The
液晶層42を構成する液晶材料は、基板40、41間に印加された電圧(電界)に応じて液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。本実施形態の液晶素子22は、ホモジニアスモードある。すなわち、液晶層42として正の誘電率異方性を有するポジ型(P型)のネマティック液晶が用いられ、液晶分子は、電圧(電界)を印加しない時には基板面に対して概略水平方向に配向する。ホモジニアスモードでは、電圧を印加しない時に液晶分子の長軸(ダイレクタ)が概略水平方向に配向し、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が垂直方向に向かって傾く。傾斜角の大きさは、印加される実効電圧に応じて変化する。液晶層の初期配向は、液晶層42を挟むようにして基板40、41にそれぞれ設けられた2つの配向膜(図示せず)によって制御される。
The liquid crystal material constituting the
なお、液晶モードとして、ネガ型(N型)のネマティック液晶を用いた垂直配向(VA:Vertical Alignment)モードを用いてもよい。VAモードでは、電界を印加しない時に液晶分子の長軸が概略垂直方向に配向し、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が水平方向に向かって傾く。 As the liquid crystal mode, a vertical alignment (VA: Vertical Alignment) mode using a negative type (N type) nematic liquid crystal may be used. In the VA mode, the major axis of the liquid crystal molecule is oriented substantially vertically when no electric field is applied, and the major axis of the liquid crystal molecule is tilted in the horizontal direction when a voltage is applied.
基板40の液晶層42側には、それぞれがY方向に延びる複数のセル電極44が設けられる。任意の数のセル電極群は、単位電極45を構成する。図4には、3個の単位電極45-1~45-3を例示しているが、実際には、さらに多くの単位電極45が設けられる。また、図4では、1つの単位電極45が10個のセル電極を備えているが、セル電極の数は、任意に設定可能である。単位電極45のX方向の長さは、これを構成するセル電極44の数を変更することで変えることができる。セル電極44は、透明電極から構成され、例えばITO(インジウム錫酸化物)が用いられる。
A plurality of
複数の単位電極45は、互いに電気的に分離されており、また、複数のセル電極44は、互いに電気的に分離されている。すなわち、セル電極44に対して個別に電圧制御が可能であり、また、単位電極45に対して個別に電圧制御が可能である。
The plurality of
基板41の液晶層42側には、それぞれがX方向に延びる複数のセル電極46が設けられる。任意の数のセル電極群は、単位電極47を構成する。図4には、3個の単位電極47-1~47-3を例示しているが、実際には、さらに多くの単位電極45が設けられる。単位電極47のY方向の長さは、これを構成するセル電極46の数を変更することで変えることができる。セル電極46は、透明電極から構成され、例えばITOが用いられる。
A plurality of
複数の単位電極47は、互いに電気的に分離されており、また、複数のセル電極46は、互いに電気的に分離されている。すなわち、セル電極46に対して個別に電圧制御が可能であり、また、単位電極47に対して個別に電圧制御が可能である。
The plurality of unit electrodes 47 are electrically separated from each other, and the plurality of
図4から理解されるように、液晶素子22は、パッシブマトリクス方式(単純マトリクス方式)であり、また、ドットマトリクス方式である。すなわち、液晶素子22は、ドットマトリクスのパターンを有する。液晶素子22は、1つのセル電極44と1つのセル電極46とが交差する1つのドット毎に、液晶配向を制御できる。
As can be understood from FIG. 4, the
単位電極45と単位電極47との1つの交差領域は、図4の例では概略正方形であり、この交差領域は、光の位相を制御する単位となる。単位電極45及び単位電極47の電圧制御は、運転支援ECU10に含まれる電圧制御部16によって行われる。
One intersection region between the
なお、液晶素子22として、LCOS(Liquid Crystal on Silicon)方式を用いた透過型液晶パネル(透過型LCOS)を用いてもよい。透過型LCOSを用いることで、電極を微細加工することが可能となり、より小型の液晶素子22を実現できる。透過型LCOSでは、シリコン基板(又は透明基板上に形成されたシリコン層)が用いられる。シリコン基板は、バンドギャップとの関係で、特定の波長以上の波長を有する光(赤外線を含む)を透過するため、LCOSを透過型液晶パネルとして使用することができる。LCOSを使用することにより、セル電極がより小さい液晶パネルとすることができるため、さらに小型化することが可能となる。また、液晶分子の移動度が高いため、レーザ光を高速で走査することが可能となる。
As the
(液晶素子22の動作)
次に、LIDAR20に含まれる液晶素子22の動作について説明する。図6は、液晶素子22の動作を説明する図である。レーザ源21からのレーザ光は、基板40側から液晶層42に入射する。液晶素子22の電圧制御は、運転支援ECU10に含まれる電圧制御部16によって実行される。以下の説明では、図6のX方向に走査する例について説明する。
(Operation of liquid crystal element 22)
Next, the operation of the
電圧制御部16は、基板40に設けられた単位電極45に含まれる全てのセル電極44、及び基板41に設けられた単位電極47に含まれる全てのセル電極46に0Vを印加する。この場合、図6に示すように、液晶層42の全領域にわたって、液晶分子は、概略水平方向に配向する。この時、液晶層42に屈折率の勾配は生じていない。よって、レーザ源21から入射したレーザ光は、屈折せずに液晶素子22を透過する。
The
図7は、液晶素子22によりレーザ光が屈折する動作を説明する図である。電圧制御部16は、1つの単位電極45に含まれる複数のセル電極44に、図7の左から右に向かって順に高くなる実効電圧を印加する。
FIG. 7 is a diagram illustrating an operation in which the laser beam is refracted by the
図8は、セル電極44に印加される実効電圧を説明する図である。図8の横軸は、1つの単位電極45に含まれる複数のセル電極44の番号に対応しており、図7の左から右に順に配置された例えば10個のセル電極を表している。図8の縦軸は、実効電圧(V)であり、セル電極44には交流電圧が印加される。
FIG. 8 is a diagram illustrating an effective voltage applied to the
勾配を有する複数の実効電圧を複数のセル電極44に印加すると、液晶層42に屈折率の勾配が形成される。すなわち、印加電圧が高くなるにつれて、液晶分子の水平方向に対する傾きが大きくなる。液晶層42の屈折率の勾配に起因して、液晶素子22を透過したレーザ光は、角度θで屈折する。
When a plurality of effective voltages having a gradient are applied to the plurality of
図9及び図10は、実効電圧を順に高くした場合におけるレーザ光が屈折する動作を説明する図である。単位電極45に印加する最大の実効電圧を高くするにつれて、水平方向に対する液晶分子の傾きが大きくなる。これにより、液晶層42の屈折率の勾配がより大きくなる。すなわち、実効電圧を変えることで、レーザ光の角度θを任意に変えることができる。
9 and 10 are diagrams illustrating the operation of refracting the laser beam when the effective voltage is increased in order. As the maximum effective voltage applied to the
次に、LIDAR20が出射するレーザ光の走査角θについて説明する。液晶層42の厚さdLC、単位電極45及び単位電極47の各々における走査方向の長さL、異常光の屈折率ne、正常光の屈折率no、水平方向に対する液晶分子の傾斜角αmax、係数A、Bとする。“Δn”は、液晶の屈折率異方性(複屈折性)であり、異常光の屈折率と正常光の屈折率との差である。“Δn*”は、見かけの複屈折性である。走査角θは、以下の式(1)~(3)で表される。
Next, the scanning angle θ of the laser beam emitted by the
αmax=90/(1+A・exp(-B・V)) ・・・(3) α max = 90 / (1 + A ・ exp (−B ・ V)) ・ ・ ・ (3)
図11は、液晶分子の傾斜角と実効電圧との関係の一例を示すグラフである。図11の縦軸は、水平方向に対する液晶分子の最大傾斜角αmax(度)であり、すなわち、1つの単位電極45(又は単位電極47)内で最大の実効電圧が印加された領域に存在する液晶分子の傾斜角である。図11の横軸は、実効電圧(V)である。 FIG. 11 is a graph showing an example of the relationship between the tilt angle of the liquid crystal molecule and the effective voltage. The vertical axis of FIG. 11 is the maximum tilt angle α max (degrees) of the liquid crystal molecule with respect to the horizontal direction, that is, exists in the region where the maximum effective voltage is applied in one unit electrode 45 (or unit electrode 47). The tilt angle of the liquid crystal molecule. The horizontal axis of FIG. 11 is the effective voltage (V).
図12は、走査角θと実効電圧との関係の一例を示すグラフである。図12の縦軸は、走査角θ(度)であり、図12の横軸は、実効電圧(V)である。図12の実効電圧は、単位電極45(又は単位電極47)に印加する最大の実効電圧、すなわち、勾配を有する複数の実効電圧のうち最大の実効電圧である。 FIG. 12 is a graph showing an example of the relationship between the scanning angle θ and the effective voltage. The vertical axis of FIG. 12 is the scanning angle θ (degrees), and the horizontal axis of FIG. 12 is the effective voltage (V). The effective voltage in FIG. 12 is the maximum effective voltage applied to the unit electrode 45 (or the unit electrode 47), that is, the maximum effective voltage among a plurality of effective voltages having a gradient.
図11及び図12では、例えば、液晶層42の厚さdLC=30μm、単位電極45の長さL=30μm、異常光の屈折率ne=1.592、正常光の屈折率no=1.415、係数A=863、係数B=0.24としている。例えば、1つの単位電極が10本のセル電極で構成されているとすると、1本のセル電極の幅は概略2.5μm、2本のセル電極間の距離は概略0.5μmである。この例の場合、実効電圧を15V~40に変化させると、走査角を0度~10度に変化させることができる。
In FIGS. 11 and 12, for example, the thickness of the
なお、図11及び図12は、基板41に垂直方向(すなわち、液晶素子22内を屈折しないで進んだ光の進行方向)に対して一方の側に走査する走査角を示している。実際には、基板41に垂直方向に対して両側に走査することが可能であり、この場合の走査角は2θとなる。基板41に垂直方向に対して他方の側に走査する場合は、実効電圧の傾斜を図8の逆、すなわち、図8の左から右に順に実効電圧が高くなるようにすれば、レーザ光を図7の逆側(右側)に走査することができる。
11 and 12 show scanning angles for scanning to one side in a direction perpendicular to the substrate 41 (that is, a traveling direction of light that has traveled without refraction in the liquid crystal element 22). Actually, it is possible to scan on both sides in the direction perpendicular to the
また、Y方向に沿った一次元で走査する場合は、Y方向に沿って屈折率の勾配を形成すればよい。すなわち、1つの単位電極47に含まれる複数のセル電極46に、勾配を有する複数の実効電圧を印加する。また、二次元で走査する場合は、X方向及びY方向のそれぞれにおいて、屈折率の勾配を形成すればよい。
Further, when scanning in one dimension along the Y direction, a gradient of the refractive index may be formed along the Y direction. That is, a plurality of effective voltages having a gradient are applied to the plurality of
[2] 車載システム1の動作
上記のように構成された車載システム1の動作について説明する。
[2] Operation of the in-
まず、対象物を検知する動作について説明する。図13は、運転支援ECU10による対象物を検知する動作を説明するフローチャートである。
First, the operation of detecting an object will be described. FIG. 13 is a flowchart illustrating an operation of detecting an object by the driving
カメラ30は、所定周期ごとに、車両周辺のうち所定領域を撮像する(ステップS100)。カメラ30による撮像データは、運転支援ECU10に送られる。
The
続いて、超音波レーダ31は、超音波を用いて、所定周期ごとに、車両周辺のうち所定の走査範囲を走査する(ステップS101)。また、ミリ波レーダ32は、ミリ波を用いて、所定周期ごとに、車両周辺のうち所定の走査範囲を走査する(ステップS101)。超音波レーダ31及びミリ波レーダ32による測定データは、運転支援ECU10に送られる。
Subsequently, the
続いて、LIDAR20は、レーザ光を用いて、所定周期ごとに、車両周辺のうち所定の走査範囲を走査する(ステップS102)。LIDAR20による測定データは、運転支援ECU10に送られる。
Subsequently, the
なお、ステップS100~S102の順序は任意であり、例えば、LIDAR20、超音波レーダ31、ミリ波レーダ32、及びカメラ30は、並行して測定動作を行ってもよい。また、前述したように、複数のLIDAR20が車両に取り付けられ、複数のLIDAR20が測定動作を行う。超音波レーダ31、ミリ波レーダ32、及びカメラ30についても同様である。
The order of steps S100 to S102 is arbitrary, and for example, the
続いて、対象物検出部13は、カメラ30による撮像データと、超音波レーダ31及びミリ波レーダ32による測定データと、LIDAR20による測定データとを用いて、例えば車両前方の対象物(人や障害物を含む)を検知したか否かを判定する(ステップS103)。具体的には、対象物検出部13は、カメラ30により時間差で撮像された2つ以上のデータを比較し、比較結果としての差分情報を判定することで、対象物を検知する。また、カメラ30により撮像されたデータから、公知のパターン認識技術や形状マッチング技術等を用いて対象物を検知するようにしてもよい。超音波レーダ31及びミリ波レーダ32による測定データを用いることにより、車両から対象物までの距離および方向を検出することができる。LIDAR20による測定データを用いることにより、車両周囲における対象物の立体形状を検出することができる。
Subsequently, the
ステップS103において対象物を検出しなかった場合、ステップS106に移行する。 If the object is not detected in step S103, the process proceeds to step S106.
ステップS103において対象物を検出した場合、対象物検出部13は、LIDAR20による走査範囲を限定し、走査可能な範囲のうち一部を詳細に走査する必要があるか否かを判定する(ステップS104)。S103において例えば車両前方に人を検出した場合、人の人数や歩いている向きなどを認識する必要があるため、詳細な走査が必要であると判定する。一方、S103において車両周囲に人や他の車両が検出されなかった場合、特定の対象物に注目する必要がないため、詳細な走査が必要でないと判定する。
When an object is detected in step S103, the
ステップS104において詳細な走査が必要でないと判定された場合、ステップS106に移行する。 If it is determined in step S104 that detailed scanning is not necessary, the process proceeds to step S106.
ステップS104において詳細な走査が必要であると判定された場合、対象物検出部13は、どの領域に走査範囲を限定するのかを特定し、LIDAR20に対して走査範囲を変更する指示を送信する(ステップS105)。LIDAR20に対する指示の送信が完了すると、ステップS106に移行する。
When it is determined in step S104 that detailed scanning is necessary, the
続いて、行動計画生成部17は、車両のルートを決定し、行動計画を立てる(ステップS106)。対象物の検出動作において検出された対象物についての情報から、対象物を回避しながら進行方向へ進むために最適なルートを計算する。最適なルートとは、通常であれば自動車の機構にかかる負荷が小さく、運転者にも肉体的負担が小さいルートである。しかし、対象物を検知した結果、事故等の危険が予想される場合には、急加速、急減速あるいは急転回といった行動が必要となるルートを選択してもよい。立てられた行動計画は、車両ECU35に送られる。車両ECU35は、ステップS106で立てた行動計画に従って走行するため、操舵装置36、駆動装置37、および制動装置38等の走行に必要な機構を制御する。
Subsequently, the action
その後、ステップS100に戻り、運転支援ECU10は、対象物の検出動作を繰り返す。
After that, the process returns to step S100, and the driving
次に、自車位置を推定する動作について説明する。図14は、運転支援ECU10による自車位置を推定する動作を説明するフローチャートである。
Next, the operation of estimating the position of the own vehicle will be described. FIG. 14 is a flowchart illustrating an operation of estimating the position of the own vehicle by the driving
GNSS受信部33は、所定周期ごとに、GNSS衛星から位置情報を受信する(ステップS110)。GNSS受信部33により受信された位置情報は、運転支援ECU10に送られる。運転支援ECU10は、位置情報を用いて、大まかな自車位置を推定する。このときに受信する位置情報は、数メートルから十数メートル程度の誤差を含んでいてもよい。トンネル内やビルの間など、GNSS衛星から位置情報を受信できない場所を走行している場合には、位置情報を受信せずに次のステップに進んでも構わない。また、ジャイロセンサや加速度センサを用いることにより、自車の向きについての情報を取得することができ、自車位置を推定する精度を向上させることができる。
The
続いて、LIDAR20は、レーザ光を用いて、車両周辺のうち所定の走査範囲を走査する(ステップS111)。LIDAR20による測定データは、運転支援ECU10に送られる。
Subsequently, the
続いて、自車位置推定部12は、ステップS111の測定データを用いて、3次元地図データを作成する(ステップS112)。続いて、自車位置推定部12は、記憶部11から参照用3次元地図データ11Aを読み出す(ステップS113)。
Subsequently, the own vehicle
続いて、自車位置推定部12は、ステップS112で作成した3次元地図データと、ステップS113で読み出した参照用3次元地図データ11Aとを比較する(ステップS114)。続いて、自車位置推定部12は、ステップS114の比較結果(例えばマッチング結果)に基づいて、自車位置を推定する(ステップS115)。2つの3次元地図のマッチング方法は、一般的なマッチング方法を適用できる。また、公知のSLAM(Simultaneous Localization And Mapping)を用いて、自車位置を推定してもよい。また、参照用3次元地図データ11Aに含まれる地図作成時における車両の位置情報を利用することにより、3次元地図内におけるより詳細な自車位置を推定することができる。
Subsequently, the own vehicle
続いて、対象物検出部13は、ステップS114の比較結果に基づいて、対象物を検知したか否かを判定する(ステップS116)。すなわち、対象物検出部13は、2つの3次元地図データのうち一致していない領域を対象物であると判定する。なお、ステップS116の判定は行わずに、次のステップS117に進んでも構わない。
Subsequently, the
ステップS116において対象物を検出しなかった場合、ステップS119に移行する。 If the object is not detected in step S116, the process proceeds to step S119.
ステップS116において対象物を検出した場合、対象物検出部13は、LIDAR20による走査範囲を限定し、走査可能な範囲のうち一部を詳細に走査する必要があるか否かを判定する(ステップS117)。
When an object is detected in step S116, the
ステップS117において詳細な走査が必要でないと判定された場合、ステップS119に移行する。 If it is determined in step S117 that detailed scanning is not necessary, the process proceeds to step S119.
ステップS117において詳細な走査が必要であると判定された場合、対象物検出部13は、どの領域に走査範囲を限定するのかを特定し、LIDAR20に対して走査範囲を変更する指示を送信する(ステップS118)。LIDAR20に対する指示の送信が完了すると、ステップS119に移行する。
When it is determined in step S117 that detailed scanning is necessary, the
続いて、行動計画生成部17は、車両のルートを決定し、行動計画を立てる(ステップS119)。対象物の検出動作において検出された対象物についての情報から、対象物を回避しながら進行方向へ進むために最適なルートを計算する。立てられた行動計画は、車両ECU35に送られる。車両ECU35は、ステップS119で立てた行動計画に従って走行するため、操舵装置36、駆動装置37、および制動装置38等の走行に必要な機構を制御する。
Subsequently, the action
その後、ステップS110に戻り、運転支援ECU10は、自車位置推定動作を繰り返す。
After that, the process returns to step S110, and the driving
上述の対象物の検出動作におけるステップS106と、自車位置推定動作におけるステップS119とは、検出動作における判定結果と、自車位置推定動作における判定結果とを同時に処理して並行して行われてもよい。この場合は、立てられる行動計画は2つではなく、1つのみとなる。 Step S106 in the above-mentioned object detection operation and step S119 in the own vehicle position estimation operation are performed in parallel by simultaneously processing the determination result in the detection operation and the determination result in the own vehicle position estimation operation. May be good. In this case, only one action plan can be made, not two.
[2-1] LIDAR20の基本動作
次に、LIDAR20の基本動作について説明する。図15は、LIDAR20の基本動作を説明する概略図である。なお、図15では、LIDAR20が車両2の前方を走査する態様を一例として示している。
[2-1] Basic operation of
LIDAR20に含まれるレーザ源21及び液晶素子22は、角度θの範囲でレーザ光を送信する。検出回路23は、対象物によって反射されたレーザ光を検出する。想定する対象物までの距離L、距離Lにおける走査範囲Rとする。例えば、角度θ=10度、距離L=10mである場合は、走査範囲R=1.7mであり、角度θ=10度、距離L=50mである場合は、走査範囲R=8.7mである。角度θ、距離L、及び走査範囲Rは、LIDAR20に求められる仕様に応じて任意に設計可能である。
The
図16は、LIDAR20によるレーザ光の波形を説明する図である。図16の上側が送信の波形、下側が受信の波形である。図16の横軸が時間であり、図16の縦軸が強度(光強度)である。
FIG. 16 is a diagram illustrating a waveform of a laser beam generated by
レーザ源21は、パルス信号からなるレーザ光を出射する。すなわち、レーザ源21は、時分割でレーザ光を出射する。LIDAR20は、パルス信号としてレーザ光を送信する。パルス信号の周期P、パルス幅Wとする。1つのパルスを送信してから、このパルスが対象物で反射されたパルスを受信するまでの時間である遅れ量Δ、光の速度Cとする。遅れ量Δは、“Δ=2L/C”で算出される。
The
例えば、パルス幅W=10nsec、周期P=10μsec(すなわち、周波数f=100kHz)であるものとする。遅れ量Δ=67nsecの場合、距離L=10mが算出される。 For example, it is assumed that the pulse width W = 10 nsec and the period P = 10 μsec (that is, the frequency f = 100 kHz). When the delay amount Δ = 67 nsec, the distance L = 10 m is calculated.
このような動作により、対象物が検出でき、また、対象物までの距離が算出できる。 By such an operation, the object can be detected and the distance to the object can be calculated.
[2-2] LIDAR20の走査領域制御動作
次に、LIDAR20の走査領域制御動作について説明する。本実施形態では、LIDAR20は、状況に応じて、走査領域のサイズ、及び走査領域の位置を変化させることができる。図17乃至図21は、LIDAR20による走査領域制御動作を説明する模式図である。LIDAR20の走査領域は、運転支援ECU10に含まれる走査制御部15によって制御される。
[2-2] Scan area control operation of
図17は、LIDAR20から距離Lにおける走査領域AR1を走査する動作を説明する図である。走査領域AR1のサイズが、最大の走査領域であるものとする。図17の丸は、LIDAR20が送信するレーザ光の走査点SP(図16の1つのパルスに相当する)を表している。図16に示すように、LIDAR20がレーザ光を送信する周期は、予め決まっている。1つの走査領域AR1に対応する1つのフレームは、所定数の走査点SPによって走査される。
FIG. 17 is a diagram illustrating an operation of scanning the scanning region AR1 at a distance L from the
図17に示すように、簡略化のために、1つのフレームは、12個の走査点SPで走査されるものとするが、実際には、1つのフレームを取得するために、より多くの走査点が用いられる。走査方向は、図17の破線で示すように、例えば、垂直方向である。すなわち、左から右に向かって、複数の列を垂直方向に順に走査する。そして、時分割で、複数のフレームが順次取得される。 As shown in FIG. 17, for the sake of brevity, one frame is assumed to be scanned at 12 scan points SP, but in reality, more scans are made to obtain one frame. Points are used. The scanning direction is, for example, the vertical direction as shown by the broken line in FIG. That is, a plurality of columns are scanned in order in the vertical direction from left to right. Then, a plurality of frames are sequentially acquired by time division.
図18は、走査領域AR1より狭い走査領域AR2を走査する動作を説明する図である。図18は、例えば、走査領域AR1のうちある狭い領域に人物がいることが検出された場合、その人物を中心とした狭い領域に絞って、走査することを想定している。走査領域AR2における走査点SPの数は、走査領域AR1における走査点SPの数と同じである。LIDAR20がレーザ光を送信する周期は変化しないので、走査領域AR1を走査するのに要する時間と走査領域AR2を走査するのに要する時間は同じである。このように、走査領域のサイズを変更することが可能である。また、走査点SPの密度を高くすることができる。これにより、走査領域AR2に対して、走査領域AR1を走査するのと同じ時間の間でより精度の高い情報を取得することができ、検出された走査対象物の形状をより詳細に取得することができる。
FIG. 18 is a diagram illustrating an operation of scanning a scanning area AR2 narrower than the scanning area AR1. FIG. 18 assumes, for example, that when it is detected that a person is present in a narrow area of the scanning area AR1, scanning is performed by focusing on the narrow area centered on the person. The number of scanning points SP in the scanning area AR2 is the same as the number of scanning points SP in the scanning area AR1. Since the cycle in which the
図19は、走査点SPの密度を変えて走査領域AR1を走査する動作を説明する図である。LIDAR20は、走査領域AR1を図17の例より少ない走査点、例えば6点の走査点で走査する。走査点SPの密度を下げて走査することで、同じ範囲をより高速に走査することができ、人物等の走査範囲外から入ってくる走査対象物を発見しやすくなる。
FIG. 19 is a diagram illustrating an operation of scanning the scanning region AR1 by changing the density of the scanning points SP. The
図20は、走査点SPの密度を変えて走査領域AR3を走査する動作を説明する図である。走査領域AR3は、走査領域AR1より狭い。また、走査領域AR3における走査点SPの数は、走査領域AR1における走査点SPの数より少ない。図20では、走査領域AR3のフレームを取得する時間は、走査領域AR1のフレームを取得する時間より短い。図20の例では、走査領域AR3の走査点が2個であるものとすると、走査領域AR1を1フレーム分取得する時間は、走査領域AR3を6フレーム分取得する時間に等しい。このように、走査領域AR1より狭い走査領域AR3を、粗くかつより高速に走査することが可能となり、例えば、動く走査対象物の動きを検出する場合等には有効である。 FIG. 20 is a diagram illustrating an operation of scanning the scanning region AR3 by changing the density of the scanning points SP. The scanning area AR3 is narrower than the scanning area AR1. Further, the number of scanning points SP in the scanning area AR3 is smaller than the number of scanning points SP in the scanning area AR1. In FIG. 20, the time for acquiring the frame in the scanning area AR3 is shorter than the time for acquiring the frame in the scanning area AR1. In the example of FIG. 20, assuming that the scanning area AR3 has two scanning points, the time for acquiring the scanning area AR1 for one frame is equal to the time for acquiring the scanning area AR3 for six frames. As described above, the scanning region AR3 narrower than the scanning region AR1 can be scanned coarsely and at a higher speed, which is effective for detecting the movement of a moving scanning object, for example.
図21は、互いに離れた走査領域AR4、AR5を走査する動作を説明する図である。走査領域AR4は、走査領域AR1より狭い。また、走査領域AR4を走査するための走査点SPの数は、走査領域AR1を走査するための走査点SPの数より少ない。同様に、走査領域AR5は、走査領域AR1より狭い。また、走査領域AR5を走査するための走査点SPの数は、走査領域AR1を走査するための走査点SPの数より少ない。走査領域AR4と走査領域AR5とは、空間的に離れている。 FIG. 21 is a diagram illustrating an operation of scanning the scanning regions AR4 and AR5 which are separated from each other. The scanning area AR4 is narrower than the scanning area AR1. Further, the number of scanning points SP for scanning the scanning area AR4 is smaller than the number of scanning points SP for scanning the scanning area AR1. Similarly, the scan area AR5 is narrower than the scan area AR1. Further, the number of scanning points SP for scanning the scanning area AR5 is smaller than the number of scanning points SP for scanning the scanning area AR1. The scanning area AR4 and the scanning area AR5 are spatially separated from each other.
図21の例では、走査領域AR4における走査点SPの数は、走査領域AR5における走査点SPの数と同じである。走査領域AR4、AR5の走査点SPの合計は、図17における走査領域AR1の走査点SPの数と同じである。すなわち、走査領域AR1を走査する時間は、走査領域AR4、AR5を走査する時間と同じである。このように、1つのフレーム(走査領域AR1)のうち互いに離れた走査領域AR4、AR5を走査することが可能であるので、同時に2つ以上の走査対象物について詳細に走査することができる。なお、3つ以上の領域に分割して走査することも可能である。 In the example of FIG. 21, the number of scanning points SP in the scanning area AR4 is the same as the number of scanning points SP in the scanning area AR5. The total number of scanning points SP in the scanning areas AR4 and AR5 is the same as the number of scanning points SP in the scanning area AR1 in FIG. That is, the time for scanning the scanning area AR1 is the same as the time for scanning the scanning areas AR4 and AR5. In this way, since it is possible to scan the scanning regions AR4 and AR5 which are separated from each other in one frame (scanning region AR1), it is possible to scan two or more scanning objects in detail at the same time. It is also possible to scan by dividing into three or more areas.
[2-3] 第1実施例に係る走査動作
次に、第1実施例に係る走査動作について説明する。第1実施例は、車両が走行している周囲の状況に応じて、LIDAR20の走査領域を変えるようにしている。例えば、高速道路を走行しているときは路面を詳細に走査し、市内では車両前方を詳細に走査するように、走査領域を変えるようにしている。図22は、第1実施例に係る走査動作を説明するフローチャートである。
[2-3] Scanning operation according to the first embodiment Next, the scanning operation according to the first embodiment will be described. In the first embodiment, the scanning area of the
走査制御部15は、LIDAR20を用いて、走査対象の全領域を走査する(ステップS200)。走査対象の全領域は、図17の走査領域AR1に対応する。
The
続いて、走査制御部15は、GNSS受信部33を用いて、GNSS情報(位置情報)を取得する(ステップS201)。
Subsequently, the
続いて、走査制御部15は、ステップS201による位置情報を用いて、車両が高速道路を走行しているか否かを判定する(ステップS202)。ステップS202において高速道路を走行していると判定された場合、走査制御部15は、LIDAR20を用いて、走査対象の下側領域を走査する(ステップS203)。これにより、走査領域を狭くすることができるため、走査点の密度をより高くして下側領域のみを詳細に走査することができる。その後、例えば所定時間が経過後、ステップS200からの動作が繰り返される。
Subsequently, the
図23は、走査対象の下側領域ALを走査する様子を説明する図である。図23において、高速道路を走行している場合、走査対象の上側領域は空であることが多い。この場合、走査対象の上側領域にレーザ光を送信しても反射されず、走査に無駄が生じている。よって、走査対象の下側領域ALを高密度で走査することで、対象物の検出精度を向上させる。 FIG. 23 is a diagram illustrating a state of scanning the lower region AL of the scanning target. In FIG. 23, when traveling on a highway, the upper region to be scanned is often empty. In this case, even if the laser beam is transmitted to the upper region of the scanning target, it is not reflected, resulting in waste in scanning. Therefore, by scanning the lower region AL of the scanning target at a high density, the detection accuracy of the target object is improved.
一方、ステップS202において高速道路を走行していない(市内を走行している)と判定された場合、走査制御部15は、LIDAR20を用いて、走査対象の上側領域を走査する(ステップS204)。これにより、走査点の密度をより高くして上側領域を走査することができる。
On the other hand, when it is determined in step S202 that the vehicle is not traveling on the expressway (traveling in the city), the
図24は、走査対象の上側領域AUを走査する様子を説明する図である。図24において、市内では、車両からより遠くの対象物を早く検出することを想定している。 FIG. 24 is a diagram illustrating a state of scanning the upper region AU to be scanned. In FIG. 24, it is assumed that an object farther from the vehicle is detected earlier in the city.
続いて、走査制御部15は、カメラ30を用いて、例えば車両前方の撮像データを取得する(ステップS205)。続いて、走査制御部15は、ステップS205による撮像データを用いて、撮像領域内に人物がいるか否かを判定する(ステップS206)。
Subsequently, the
ステップS206において人物がいると判定された場合、走査制御部15は、LIDAR20を用いて、人物がいる領域を走査する(ステップS207)。その後、例えば所定時間が経過後、ステップS200からの動作が繰り返される。
When it is determined in step S206 that a person is present, the
図25は、車両から近い人物がいる領域(人物領域)AH1、AH2を走査する様子を説明する図である。図25において、車両の近くに人物がいる場合でも、カメラ30の撮像データを用いることで、車両の近くにいる人物を検出することができる。
FIG. 25 is a diagram illustrating how the areas (personal areas) AH1 and AH2 in which a person close to the vehicle is present are scanned. In FIG. 25, even when a person is near the vehicle, the person near the vehicle can be detected by using the image pickup data of the
一方、ステップS206において人物がいないと判定された場合、走査制御部15は、例えば所定時間が経過後、ステップS200からの動作を繰り返す。
On the other hand, when it is determined in step S206 that there is no person, the
[2-4] 第2実施例に係る走査動作
次に、第2実施例に係る走査動作について説明する。第2実施例は、走査の結果、LIDAR20が上り坂を検出した場合に、走査領域を変えるようにしている。図26は、第2実施例に係る走査動作を説明するフローチャートである。
[2-4] Scanning operation according to the second embodiment Next, the scanning operation according to the second embodiment will be described. In the second embodiment, when the
図27は、通常時(車両2がおおよそ平坦な道路を走行している場合)における走査範囲を説明する模式図である。簡略化のため、LIDAR20は、垂直方向に走査するものとする。車両2の進行方向(LIDAR20の水平方向)を中心に、角度-θ0から角度+θ0までが走査範囲であるものとする。角度-θ0から角度を小さくしながら順番に走査していった場合、N番目の走査を行ったときの角度が角度θNである。
FIG. 27 is a schematic diagram illustrating a scanning range in a normal time (when the
走査制御部15は、変数N=0に設定する(ステップS300)。続いて、走査制御部15は、変数N=Mであるか否かを判定する(ステップS301)。“M”は、予め決められた最大値であり、1以上の整数である。
The
ステップS301において変数Nが最大値Mに達していない場合、走査制御部15は、LIDAR20を用いて、角度θNでレーザ光を送信する(ステップS302)。図28は、LIDAR20による走査の一例を説明する図である。角度θは、θ0が最大で、θMに向かって小さくなる。角度θ0、θ1、θ3で3回の走査を行うものとすると、“θ0>θ1>θ3”である。
When the variable N has not reached the maximum value M in step S301, the
続いて、走査制御部15は、角度θNに対応した距離lNを測定する(ステップS303)。距離lNは、角度θNに沿った距離である。具体的には、ステップS302でレーザ光を送信してから、対象物で反射されたレーザ光を受信するまでの遅れ量Δを用いて、対象物までの距離lNを測定する。図28には、角度θ0における距離l0、角度θ1における距離l1、角度θ3における距離l2を示している。
Subsequently, the
続いて、走査制御部15は、“lN-1sinθN-1>lNsinθN”であるか否かを判定する(ステップS304)。ステップS304の条件を満たさない場合(S304=No)、走査制御部15は、通常通り、“-θ0<θ<+θ0”の範囲で走査を実行する。図28では、“l0sinθ0=l1sinθ1=l2sinθ2”となる。すなわち、車両2が走行している道路が概略平坦であることが認識できる。実際には、“lNsinθN”で得られる数値には、多少の誤差が存在するため、誤差が所定値以内である場合に、“l0sinθ0=l1sinθ1=l2sinθ2”であると判定する。
Subsequently, the
続いて、走査制御部15は、変数N=N+1に設定する(ステップS306)。続いて、走査制御部15は、ステップS301に戻り、N=Mになるまで、角度θを変えて走査を繰り返す。
Subsequently, the
一方、ステップS304の条件を満たす場合(S304=Yes)、走査制御部15は、走査範囲を“-θN<θ<2θ0-θN”に変更する(ステップS307)。ステップS307の演算についても、前述した誤差が考慮される。
On the other hand, when the condition of step S304 is satisfied (S304 = Yes), the
図29は、LIDAR20による走査の一例を説明する図である。図29では、“l0sinθ0=l1sinθ1>l2sinθ2”となる。すなわち、車両2の前方に上り坂があることが検出できる。この場合、図30に示すように、走査範囲を“-θ2<θ<2θ0-θ2”に変更して、LIDAR20による走査が実行される。
FIG. 29 is a diagram illustrating an example of scanning by
なお、第2実施例の変形例として、水平方向に走査するようにすれば、車両2がトンネル内を走行している場合に、トンネルのカーブに応じて走査領域を変化させることができる。
As a modification of the second embodiment, if the
[2-5] 第3実施例に係る走査動作
次に、第3実施例に係る走査動作について説明する。第3実施例は、実際の走査(本走査)の前に判定走査を実行し、この判定走査の結果に応じて、本走査を実行するようにしている。図31は、第3実施例に係る走査動作を説明するフローチャートである。図32は、第3実施例に係る走査領域を説明する図である。
[2-5] Scanning operation according to the third embodiment Next, the scanning operation according to the third embodiment will be described. In the third embodiment, the determination scan is executed before the actual scan (main scan), and the main scan is executed according to the result of the determination scan. FIG. 31 is a flowchart illustrating the scanning operation according to the third embodiment. FIG. 32 is a diagram illustrating a scanning region according to the third embodiment.
走査制御部15は、本走査に先立って、判定走査を実行する。図31のステップS400~S403が判定走査に対応する。走査制御部15は、LIDAR20を用いて、走査対象の全領域にレーザ光を送信する(ステップS400)。
The
続いて、検出回路23は、対象物によって反射されたレーザ光を受信する(ステップS401)。続いて、走査制御部15は、LIDAR20から走査データを取得する(ステップS402)。続いて、走査制御部15は、所定回数Xになるまで、走査動作を繰り返す(ステップS403)。これにより、X個のフレームが取得される。Xは、1以上の整数である。
Subsequently, the
図32は、車両が高速道路を走行中に、走査動作を行う様子を一例として示している。判定走査において、レーザ光は、走査対象の全領域に送信される。図32では、レーザ光が送信される領域(送信領域)を破線で囲んで示している。空からはレーザ光が反射されず、おおよそ空以外の領域(受信領域)からレーザ光が受信される。 FIG. 32 shows, as an example, a state in which a vehicle performs a scanning operation while traveling on a highway. In the determination scan, the laser beam is transmitted to the entire region to be scanned. In FIG. 32, a region (transmission region) in which the laser beam is transmitted is shown by being surrounded by a broken line. The laser beam is not reflected from the sky, and the laser beam is received from a region other than the sky (reception region).
走査制御部15は、判定走査の後に、本走査を実行する。図31のステップS404~S408が本走査に対応する。すなわち、走査制御部15は、ステップS402で取得した走査データ(複数のフレーム)を用いて、走査領域を判定する(ステップS404)。具体的には、ステップS402で取得した複数のフレームに共通して受信されたレーザ光がない領域(未受信領域)である第1領域を判定する。そして、走査対象の全領域から未受信領域を除いた領域である第2領域を新たに走査領域として判定する。本走査における走査領域は、レーザ光が受信された領域と同じかそれより少し大きい領域に設定することが望ましい。
The
続いて、走査制御部15は、LIDAR20を用いて、ステップS404で判定された走査領域(走査対象の一部の領域)にレーザ光を送信する(ステップS405)。
Subsequently, the
続いて、検出回路23は、対象物によって反射されたレーザ光を受信する(ステップS406)。続いて、走査制御部15は、LIDAR20から走査データを取得する(ステップS407)。続いて、走査制御部15は、所定回数Yになるまで、走査動作を繰り返す(ステップS408)。これにより、Y個のフレームが取得される。Yは、1以上の整数である。
Subsequently, the
図32に示した本走査において、送信領域は、走査対象の全領域のうち一部の領域に絞られている。 In the main scan shown in FIG. 32, the transmission area is narrowed down to a part of the entire area to be scanned.
[3] 本発明の効果
以上詳述したように本実施形態では、車載システム1に含まれるレーザ走査装置は、レーザ光を出射するレーザ源21と、レーザ源21からのレーザ光を透過し、このレーザ光の方向を変える液晶素子(走査素子)22と、対象物によって反射されたレーザ光を検出する検出回路23と、液晶素子22を制御する走査制御部15とを備える。そして、走査制御部15は、レーザ光により走査する領域のサイズを変えるようにしている。
[3] Effect of the Present Invention As described in detail above, in the present embodiment, the laser scanning device included in the in-
従って、本実施形態によれば、車両が走行する場所の状況に応じて、必要な領域に集中して走査することができるため、対象物の検出、及び測距をより速く行うことができる。また、狭められ走査領域を走査するための走査点(測定点)の密度を高くすることができるため、高精度の走査データを取得することができる。これにより、運転者又は運転支援システムが危機を回避しやすくなる。 Therefore, according to the present embodiment, it is possible to concentrate the scanning on a necessary area according to the situation of the place where the vehicle travels, so that the detection of the object and the distance measurement can be performed faster. Further, since the density of the scanning points (measurement points) for scanning the narrowed scanning area can be increased, highly accurate scanning data can be acquired. This makes it easier for the driver or driver assistance system to avoid a crisis.
また、本実施形態のLIDAR20は、走査点の密度を動的に変えることで、ある時は広い範囲を粗く観測し、別の時は狭い範囲を集中的に観測できる。LIDAR20を機械的な部品で構成すると、走査点の密度を動的に変えることが難しい。しかし、本実施形態では、機械的な構成部品がない液晶素子22を用いてLIDAR20を構成しているので、例えば、高速道路では解像度を低くしつつ遠方までを観測し、低速で走行する市内では近くを高解像度で観測するといった使い分けが可能になる。
Further, the
また、本実施形態のLIDAR20は、機械的な構成部品がなく、かつ機械的な可動部がないため、信頼性を向上できる。さらに、LIDAR20は、小型化が可能である。
Further, the
なお、上記各実施形態では、レーザ走査装置が扱うレーザ光として赤外線レーザを用いている。しかし、これに限定されず、本実施形態にかかるレーザ走査装置は、赤外線以外の光にも適用可能である。 In each of the above embodiments, an infrared laser is used as the laser light handled by the laser scanning device. However, the present invention is not limited to this, and the laser scanning apparatus according to the present embodiment can be applied to light other than infrared rays.
また、上記実施形態では、液晶素子22に単純マトリクス方式を適用しているが、他の電極構造を用いてもよい。例えば、第1基板に複数のドットに対応しかつ互いに電気的に分離された複数の第1電極を形成し、第1基板に対向する第2基板に平面状の1つの共通電極を形成する。そして、TFT(Thin Film Transistor)などで構成される複数のスイッチング素子を用いて複数の第1電極を駆動するようにしてもよい。
Further, in the above embodiment, the simple matrix method is applied to the
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be variously modified at the implementation stage without departing from the gist thereof. In addition, each embodiment may be carried out in combination as appropriate, in which case the combined effect can be obtained. Further, the above-described embodiment includes various inventions, and various inventions can be extracted by a combination selected from a plurality of disclosed constituent requirements. For example, even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements shown in the embodiment, if the problem can be solved and the effect is obtained, the configuration in which the constituent elements are deleted can be extracted as an invention.
1…車載システム、10…運転支援ECU、20…LIDAR、21…レーザ源、22…液晶素子、23…検出回路、30…カメラ、31…超音波レーダ、32…ミリ波レーダ、33…GNSS受信部、34…通信部、35…車両ECU、36…操舵装置、37…駆動装置、38…制動装置、40,41…基板、42…液晶層、43…シール材、44,46…セル電極、45,47…単位電極 1 ... In-vehicle system, 10 ... Driving support ECU, 20 ... LIDAR, 21 ... Laser source, 22 ... Liquid crystal element, 23 ... Detection circuit, 30 ... Camera, 31 ... Ultrasonic radar, 32 ... Millimeter wave radar, 33 ... GNSS reception Unit, 34 ... Communication unit, 35 ... Vehicle ECU, 36 ... Steering device, 37 ... Drive device, 38 ... Braking device, 40, 41 ... Board, 42 ... Liquid crystal layer, 43 ... Sealing material, 44, 46 ... Cell electrode, 45, 47 ... Unit electrode
Claims (10)
前記レーザ光を一定の周期で出射する1つのレーザ源と、
前記レーザ源から出射した前記レーザ光を透過し、前記レーザ光の出射角を変える走査素子と、
前記走査素子を制御する制御部と
を具備し、
前記制御部は、前記レーザ光により走査される走査領域のサイズ及び前記走査領域に対して前記レーザ光を送信する点の密度を変えるように前記走査素子を制御し、
前記走査素子は、液晶素子であり、
前記液晶素子は、
対向配置された第1基板と第2基板と、
前記第1基板及び第2基板の間に挟持された液晶層と、
前記第1基板の液晶層側に設けられ、それぞれが第1方向に延びる複数の第1電極と、
前記第2基板の液晶層側に設けられ、それぞれが前記第1方向に直交する第2方向に延びる複数の第2電極とを含み、
前記制御部は、前記複数の第1電極及び前記複数の第2電極の電圧を制御することにより、二次元で走査する
レーザ走査装置。 A laser scanning device that scans using laser light.
One laser source that emits the laser light at a constant cycle,
A scanning element that transmits the laser light emitted from the laser source and changes the emission angle of the laser light.
It is provided with a control unit that controls the scanning element.
The control unit controls the scanning element so as to change the size of the scanning region scanned by the laser beam and the density of the points at which the laser beam is transmitted with respect to the scanning region.
The scanning element is a liquid crystal element and is a liquid crystal element.
The liquid crystal element is
The first board and the second board arranged to face each other,
A liquid crystal layer sandwiched between the first substrate and the second substrate,
A plurality of first electrodes provided on the liquid crystal layer side of the first substrate and each extending in the first direction,
A plurality of second electrodes provided on the liquid crystal layer side of the second substrate and each extending in a second direction orthogonal to the first direction are included.
The control unit scans in two dimensions by controlling the voltages of the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes.
Laser scanning device.
請求項1に記載のレーザ走査装置。 The control unit controls the scanning element so as to scan a first region and a second region separated from each other in the largest scanning range that can be scanned, and for two or more objects during one cycle of scanning operation . The laser scanning apparatus according to claim 1.
前記制御部は、前記センサからの情報に基づいて、前記走査領域のサイズ及び前記走査領域に対して前記レーザ光を送信する点の密度を決定する
請求項1又は2に記載のレーザ走査装置。 It is equipped with a sensor that acquires information around the vehicle.
The laser scanning apparatus according to claim 1 or 2, wherein the control unit determines the size of the scanning region and the density of points at which the laser beam is transmitted to the scanning region based on the information from the sensor.
前記制御部は、
第1走査動作と、第2走査動作とを所定回ずつ順に実行し、
前記第1走査動作において、第3領域を走査対象とし、
前記第2走査動作において、前記第3領域からレーザ光が受信されない領域を除いた第4領域を走査対象とする
請求項1から3のいずれかに記載のレーザ走査装置。 Further equipped with a detection circuit for receiving the laser beam reflected by the object,
The control unit
The first scanning operation and the second scanning operation are executed in order by a predetermined time,
In the first scanning operation, the third region is set as the scanning target.
The laser scanning apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein in the second scanning operation, a fourth region excluding a region in which laser light is not received from the third region is a scanning target.
前記制御部は、
前記検出回路による複数の検出結果を用いて、走査範囲に含まれる道路の傾斜を算出し、
前記道路の傾斜に応じて、走査範囲を変える
請求項1から3のいずれかに記載のレーザ走査装置。 It is further equipped with a detection circuit that receives the laser beam reflected by the object and detects the distance to the object.
The control unit
Using a plurality of detection results by the detection circuit, the slope of the road included in the scanning range is calculated.
The laser scanning apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the scanning range is changed according to the slope of the road.
前記レーザ光を一定の周期で出射する1つのレーザ源と、
前記レーザ源から出射した前記レーザ光を透過し、前記レーザ光の出射角を変える走査素子と、
前記走査素子を制御する制御部と
を具備し、
前記制御部は、前記レーザ光により走査される走査領域のサイズ及び前記走査領域に対して前記レーザ光を送信する点の密度を変えるように前記走査素子を制御し、
前記走査素子は、液晶素子であり、
前記制御部は、
複数の走査点を用いて第1領域を走査する第1動作と、
前記第1動作よりも走査点の密度を高くして、前記第1領域のうち前記第1領域よりサイズが小さい第2領域を走査する第2動作と、
前記第1動作よりも走査点の密度を低くして、前記第1領域を走査する第3動作と、
前記第1動作よりも走査点の密度を低くして、前記第1領域のうち前記第1領域よりサイズが小さい第3領域を走査する第4動作と、
前記第1領域のうち、それぞれが前記第1領域よりサイズが小さくかつ互いに離れた第4領域及び第5領域を走査する第5動作と
のうちから選択して実行可能であり、
前記液晶素子は、
対向配置された第1基板と第2基板と、
前記第1基板及び第2基板の間に挟持された液晶層と、
前記第1基板の液晶層側に設けられ、それぞれが第1方向に延びる複数の第1電極と、
前記第2基板の液晶層側に設けられ、それぞれが前記第1方向に直交する第2方向に延びる複数の第2電極とを含み、
前記制御部は、前記複数の第1電極及び前記複数の第2電極の電圧を制御することにより、二次元で走査する
レーザ走査装置。 A laser scanning device that scans using laser light.
One laser source that emits the laser light at a constant cycle,
A scanning element that transmits the laser light emitted from the laser source and changes the emission angle of the laser light.
It is provided with a control unit that controls the scanning element.
The control unit controls the scanning element so as to change the size of the scanning region scanned by the laser beam and the density of the points at which the laser beam is transmitted with respect to the scanning region.
The scanning element is a liquid crystal element and is a liquid crystal element.
The control unit
The first operation of scanning the first region using a plurality of scanning points, and
A second operation in which the density of scanning points is made higher than that of the first operation and the second region of the first region, which is smaller in size than the first region, is scanned.
A third operation of scanning the first region with a lower density of scanning points than the first operation,
A fourth operation in which the density of scanning points is made lower than that of the first operation and a third region of the first region, which is smaller in size than the first region, is scanned.
Among the first regions, the fifth operation of scanning the fourth region and the fifth region, each of which is smaller in size than the first region and is separated from each other , can be selected and executed.
The liquid crystal element is
The first board and the second board arranged to face each other,
A liquid crystal layer sandwiched between the first substrate and the second substrate,
A plurality of first electrodes provided on the liquid crystal layer side of the first substrate and each extending in the first direction,
A plurality of second electrodes provided on the liquid crystal layer side of the second substrate and each extending in a second direction orthogonal to the first direction are included.
The control unit scans in two dimensions by controlling the voltages of the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes.
Laser scanning device.
前記制御部は、前記センサからの情報に基づいて、前記走査領域のサイズ及び前記走査領域における走査点の密度を決定する
請求項6に記載のレーザ走査装置。 It is equipped with a sensor that acquires information around the vehicle.
The laser scanning apparatus according to claim 6, wherein the control unit determines the size of the scanning region and the density of scanning points in the scanning region based on the information from the sensor.
前記制御部は、前記第1動作において取得した走査データを用いて対象物が検出された場合に、前記第2動作から前記第5動作のうち少なくとも1つの動作を実行する
請求項6又は7に記載のレーザ走査装置。 It is further equipped with a detection unit that detects an object using the scanning data acquired by scanning.
According to claim 6 or 7, the control unit executes at least one of the fifth operations from the second operation when an object is detected using the scanning data acquired in the first operation. The laser scanning device according to the description.
前記制御部は、
第6動作と、第7動作とを所定回ずつ順に実行し、
前記第6動作において、第6領域を走査対象とし、
前記第7動作において、前記第6領域からレーザ光が受信されない領域を除いた第7領域を走査対象とする
請求項6から8のいずれかに記載のレーザ走査装置。 Further equipped with a detection circuit for receiving the laser beam reflected by the object,
The control unit
The sixth operation and the seventh operation are executed in order by a predetermined time,
In the sixth operation, the sixth region is set as the scanning target.
The laser scanning apparatus according to any one of claims 6 to 8, wherein in the seventh operation, a seventh region excluding a region in which laser light is not received from the sixth region is targeted for scanning.
前記制御部は、
前記検出回路による複数の検出結果を用いて、走査範囲に含まれる道路の傾斜を算出し、
前記道路の傾斜に応じて、走査範囲を変える
請求項6から8のいずれかに記載のレーザ走査装置。 It is further equipped with a detection circuit that receives the laser beam reflected by the object and detects the distance to the object.
The control unit
Using a plurality of detection results by the detection circuit, the slope of the road included in the scanning range is calculated.
The laser scanning apparatus according to any one of claims 6 to 8, wherein the scanning range is changed according to the slope of the road.
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