JP7345706B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Description

本開示は、レーザレーダ装置に関する。

従来、道路上を走行している車両の速度を計測するために、二次元走査型のレーザレーダ装置が用いられる。二次元走査型のレーザレーダ装置は、車両の移動量及び移動時間を計測し、計測した移動量及び移動時間に基づいて、当該車両の速度を算出する。

特許文献１には、二次元走査型のレーザレーダ装置により車両を追尾しながらリアルタイムに車速を順次計測し、順次得られた車速を、車速計測時刻間の時間差で積分することにより車長を計測する速度計測装置が開示されている。

特開平１１－２３２５０号公報

上述のように、従来の技術では、車両の移動量及び移動時間を計測し、車両の速度を算出するためには、二次元走査型のレーザレーダ装置を用いる必要がある。しかし、一般的に、二次元走査型のレーザレーダ装置は、一次元走査型のレーザレーダ装置よりもコストが高いという問題がある。そこで、一次元走査型のレーザレーダ装置を用いて車両の速度を計測する方法が考えられるが、その場合、一次元走査型のレーザレーダ装置が少なくとも２台必要であるという問題がある。
本開示は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、１台の一次元走査型のレーザレーダ装置により車両の速度を計測することができる技術を提供する。

本開示に係るレーザレーダ装置は、道路上を走行する車両の速度を計測するレーザレーダ装置であって、レーザ光を用いて、道路上における走査方向が車両の進行方向に対して斜めになるように一次元走査を行うスキャナと、スキャナの一次元走査によって得られた受信信号に基づいて、車両の車頭を検出し、進行方向における車両の車頭の位置変化を算出するか、又は車両の車尾を検出し、進行方向における車両の車尾の位置変化を算出する位置変化算出部と、位置変化算出部が算出した位置変化に基づいて、車両の速度を計測する車速算出部と、を備えている。

本開示によれば、１台の一次元走査型のレーザレーダ装置により車両の速度を計測することができる。

実施の形態１に係るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係るレーザレーダ装置による車両速度計測方法を示すフローチャートである。 従来のレーザレーダ装置による一次元走査を示す図である。 実施の形態１に係るレーザレーダ装置による一次元走査を示す図である。 実施の形態１に係るレーザレーダ装置による道路上における座標変換を示す図である。 実施の形態１に係るレーザレーダ装置による道路の横断方向の走査幅を示す図である。 実施の形態２に係るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係るレーザレーダ装置による車両速度計測方法を示すフローチャートである。 図９Ａは、実施の形態１に係るレーザレーダ装置又は実施の形態２に係るレーザレーダ装置の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。図９Ｂは、実施の形態１に係るレーザレーダ装置又は実施の形態２に係るレーザレーダ装置の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。

以下、本開示をより詳細に説明するため、本開示を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００の構成を示すブロック図である。図１が示すように、レーザレーダ装置１００は、信号発生器１、レーザ光源２、送信光学部３、ミラー４、スキャナ５、受信光学部６、光検出器７、位置変化算出部２０、車速算出部１２、車長算出部１３、及びデータ保存部１４を備えている。位置変化算出部２０は、距離算出器８、三次元座標変換部９、道路上座標変換部１０、車頭／車尾検出部１１を備えている。なお、図示しないが、レーザレーダ装置１００は、センサ固定部１５により、車両が走行する道路を跨ぐ門柱、又は車両が走行する道路の脇に設置された柱に固定されているものとする。

信号発生器１は、レーザ光源２とスキャナ５とを同期させる基準トリガ信号を一定の周期で生成する装置である。より具体的には、信号発生器１は、基準トリガ信号として、レーザ変調信号をレーザ光源２に出力し、それに同期して、基準トリガ信号として、スキャナ５にスキャナ駆動信号を出力する。また、信号発生器１は、距離を計測する際に基準となる基準信号を距離算出器８に出力する。実施の形態１では、当該基準信号は、パルス信号又は強度変調信号である。

レーザ光源２は、送信光学部３にレーザ光を出力する。より具体的には、レーザ光源２は、信号発生器１から出力される変調信号に基づいて、レーザ光の元となる電流を変調することにより、レーザ光に変調をかけ、変調後のレーザ光を送信光学部３に出力する。なお、その際にＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）強度変調器等の外部変調器を用いてレーザ光の変調を行う構成を採用してもよい。例えば、レーザ光源２として、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等が用いられる。

送信光学部３は、レーザ光源２が出力したレーザ光を、所望のビーム径及び拡がり角に整形し、整形したレーザ光をミラー４に出射する。例えば、送信光学部３として、コリメートレンズ、又は集光レンズ等が用いられる。
ミラー４は、送信光学部３を通ったレーザ光を反射することにより、当該レーザ光をスキャナ５に照射する。

スキャナ５は、レーザ光を用いて、道路上における走査方向が車両の進行方向に対して斜めになるように一次元走査を行う。つまり、スキャナ５は、レーザ光を用いて、道路上における走査方向と車両の進行方向とのなす角が０度及び９０度以外の角度となるように一次元走査を行う。

より具体的には、実施の形態１では、スキャナ５は、信号発生器１が生成したスキャナ駆動信号に基づいて駆動し、ミラー４が反射したレーザ光を、道路又は道路を走行する車両に向かって照射する。また、スキャナ５は、道路又は道路を走行する車両によって反射されたレーザ光を、受信光学部６に向けて反射する。

スキャナ５は、一次元走査を行った際の走査角に関する角度情報を、位置変化算出部２０の三次元座標変換部９に出力する。例えば、スキャナ５として、ポリゴンスキャナ、ガルバノミラー、又はＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）スキャナ等が用いられる。

受信光学部６は、道路又は道路を走行する車両によって反射され、スキャナ５によって反射されたレーザ光を集光し、光検出器７に出力する。例えば、受信光学部６として、コリメートレンズ、又は集光レンズ等が用いられる。

光検出器７は、受信光学部６が出力したレーザ光を電気信号に変換することにより受信信号を取得する。光検出器７は、取得した受信信号を位置変化算出部２０に出力する。実施の形態１では、当該受信信号は、パルス信号又は強度変調信号である。例えば、光検出器７として、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）、又はＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）等が用いられる。例えば、ＰＤ又はＡＰＤの出力電流を電圧に変換する場合は、ＴＩＡ（Ｔｒａｎｓ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いる。

位置変化算出部２０は、スキャナ５の一次元走査によって得られた受信信号に基づいて、車両の車頭を検出し、車両の進行方向における車両の車頭の位置変化を算出するか、又は車両の車尾を検出し、車両の進行方向における車両の車尾の位置変化を算出する。より詳細には、実施の形態１では、位置変化算出部２０は、スキャナ５の一次元走査によって得られた受信信号に基づいて、車両の車頭及び車尾を検出する。位置変化算出部２０は、算出した位置変化を車速算出部１２及び車長算出部１３にそれぞれ出力する。

より詳細には、実施の形態１では、位置変化算出部２０の距離算出器８は、スキャナ５の一次元走査によって得られた受信信号に基づいて、車両までの距離を算出する。当該距離は、レーザレーダ装置１００から車両までの距離である。距離算出器８は、算出した距離を三次元座標変換部９に出力する。

さらに詳細には、実施の形態１では、距離算出器８は、光検出器７が出力した受信信号と信号発生器１が出力した基準信号との時間差又は位相差から、車両までの距離を算出する。さらに詳細には、実施の形態１では、距離算出器８は、光検出器７が出力したパルス信号と信号発生器１が生成したパルス信号との時間差から、車両までの距離を算出する。または、距離算出器８は、光検出器７が出力した強度変調信号と信号発生器１が生成した強度変調信号との位相差から、車両までの距離を算出する。

例えば、距離算出器８は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を実装している半導体集積回路、ワンチップマイコン、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等で構成される。

三次元座標変換部９は、スキャナ５による一次元走査の走査角、及び距離算出器８が算出した距離を、三次元座標に変換することにより三次元座標の点群データを生成する。なお、当該三次元座標では、レーザレーダ装置１００の位置を原点として、第１の座標軸及び第２の座標軸がそれぞれ道路上に沿った座標軸であり、第３の座標軸が鉛直方向に沿った座標軸である。当該点群データは、それぞれが三次元座標の位置を表す複数の点を示す。三次元座標変換部９は、生成した三次元座標の点群データを道路上座標変換部１０に出力する。

より詳細には、実施の形態１では、三次元座標変換部９は、スキャナ５が出力した角度情報が示す走査角、及び距離算出器８が出力した距離を、三次元座標に変換することにより三次元座標の点群データを生成する。例えば、三次元座標変換部９は、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、ワンチップマイコン、ＦＰＧＡ、又はＡＳＩＣ等で構成される。

道路上座標変換部１０は、三次元座標変換部９が生成した三次元座標の点群データを、車両の進行方向を第１の座標軸とし且つ道路の横断方向を第２の座標軸とした座標の点群データに変換する。つまり、道路上座標変換部１０は、道路上の座標を変換する。より詳細には、実施の形態１では、道路上座標変換部１０は、三次元座標変換部９が生成した三次元座標の第１の座標軸が車両の進行方向に沿った座標軸になり且つ三次元座標変換部９が生成した三次元座標の第２の座標軸が道路の横断方向に沿った座標軸になるように、三次元座標変換部９が生成した三次元座標を、鉛直方向に沿った第３の座標軸を回転軸として回転させる。道路上座標変換部１０は、変換した点群データを車頭／車尾検出部１１に出力する。例えば、道路上座標変換部１０は、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、ワンチップマイコン、ＦＰＧＡ、又はＡＳＩＣ等で構成される。

車頭／車尾検出部１１は、道路上座標変換部１０が変換した点群データに基づいて、車両の車頭を検出し、車両の進行方向における車両の車頭の位置変化を算出するか、又は車両の車尾を検出し、車両の進行方向における車両の車尾の位置変化を算出する。車頭／車尾検出部１１は、算出した位置変化を車速算出部１２に出力する。

より詳細には、実施の形態１では、車頭／車尾検出部１１は、道路上座標変換部１０が変換した点群データに基づいて、第１の時刻における車両の車頭の位置と、第２の時刻における当該車両の車頭の位置とを検出する。また、車頭／車尾検出部１１は、検出した第１の時刻における車両の車頭の位置と第２の時刻における当該車両の車頭の位置とに基づいて、車両の進行方向における車両の車頭の位置変化を算出する。車頭／車尾検出部１１は、当該第１の時刻及び当該第２の時刻の時間差を車速算出部１２及び車長算出部１３にそれぞれ出力する。

さらに詳細には、実施の形態１では、車頭／車尾検出部１１は、道路上座標変換部１０が変換した点群データに基づいて、道路上を基準とした高さが所定の高さ閾値以上である物体を、任意の数フレーム分、検知した場合、当該車両が侵入してきたと判断し、当該物体の最先頭部を車頭と判断する。一方、車頭／車尾検出部１１は、道路上座標変換部１０が変換した点群データに基づいて、道路上を基準とした高さが所定の高さ閾値未満である物体を、任意の数フレーム分、検知した場合、車両が通過し終わったと判断し、当該物体の最後部を車尾と判断する。車頭／車尾検出部１１は、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、ワンチップマイコン、ＦＰＧＡ、又はＡＳＩＣ等で構成される。

車速算出部１２は、位置変化算出部２０が算出した位置変化に基づいて、車両の速度を計測する。より詳細には、実施の形態１では、車速算出部１２は、車頭／車尾検出部１１が算出した位置変化、並びに上述の第１の時刻及び第２の時刻の時間差に基づいて、車両の速度を計測する。例えば、車速算出部１２は、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、ワンチップマイコン、ＦＰＧＡ、又はＡＳＩＣ等で構成される。

車長算出部１３は、位置変化算出部２０が車両の車頭を検出した時刻と、位置変化算出部２０が車両の車尾を検出した時刻と、車速算出部１２が算出した車速と、に基づいて、車両の車長を算出する。より詳細には、実施の形態１では、車長算出部１３は、車頭／車尾検出部１１が車両の車頭を検出した時刻と、車頭／車尾検出部１１が車両の車尾を検出した時刻と、車速算出部１２が算出した車速と、に基づいて、車両の車長を算出する。つまり、車長算出部１３は、車速算出部１２が算出した車速と、車頭通過時間及び車尾通過時間の差から車長を算出する。車長算出部１３は、算出した車長をデータ保存部１４に出力する。例えば、車長算出部１３は、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、ワンチップマイコン、ＦＰＧＡ、又はＡＳＩＣ等で構成される。

データ保存部１４は、車速算出部１２が算出した速度を、道路上を走行する車両毎に保存する。より具体的には、実施の形態１では、データ保存部１４は、車両がレーザレーダ装置１００の下を通過した順に、車速算出部１２が算出した速度のデータ及び車長算出部１３が算出した車長のデータを保存する。例えば、データ保存部１４は、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、ワンチップマイコン、ＦＰＧＡ、又はＡＳＩＣ等で構成される。

以下で、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００の動作について図面を参照して説明する。図２は、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００による車両速度計測方法を示すフローチャートである。

まず、レーザレーダ装置１００が車両までの距離を算出するまでの過程について説明する。レーザレーダ装置１００は、上述のように、センサ固定部１５により、車両が走行する道路を跨ぐ門柱、車両が走行する道路の脇に設置された柱に固定されている。より詳細には、レーザレーダ装置１００は、スキャナ５によって道路上における走査方向が車両の進行方向に対して斜めになる一次元走査を行うことができる当該門柱の部分又は当該柱の部分に設置されている。

レーザ光源２は、信号発生器１から出力される変調信号に基づいて、変調されたレーザ光を生成し、生成したレーザ光を送信光学部３に出力する。
送信光学部３は、レーザ光源２が出力したレーザ光を、所望のビーム径及び拡がり角に整形し、整形したレーザ光をミラー４に出射する。
ミラー４は、送信光学部３を通ったレーザ光を反射することにより、当該レーザ光をスキャナ５に照射する。

スキャナ５は、信号発生器１が生成したスキャナ駆動信号に基づいて駆動し、上述の角度情報を三次元座標変換部９に出力する。その際に、スキャナ５は、レーザ光を用いて、道路上における走査方向が車両の進行方向に対して斜めになるように一次元走査を行う。

図３は、従来のレーザレーダ装置による一次元走査を示す図である。図４は、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００による一次元走査を示す図である。図３及び図４は、それぞれ、走行する車両から見た一次元走査を示す図であり、図３及び図４における複数の点線は、それぞれ、１回のスキャンを示す。図４において、上の図が、第１の時刻において車両の車頭を捉えた一次元走査を示す図であり、下の図が、その後の第２の時刻において車両の車頭を捉えた一次元走査を示す図である。図３が示すように、従来のレーザレーダ装置は、レーザ光を用いて、道路上における走査方向が車両の進行方向に対して垂直になるように一次元走査を行う。一方で、図４が示すように、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、スキャナ５によって、道路上における走査方向が車両の進行方向に対して斜めになるように一次元走査を行う。

スキャナ５は、道路又は道路を走行する車両によって反射されたレーザ光を、受信光学部６に向けて反射する。
受信光学部６は、道路又は道路を走行する車両によって反射され、スキャナ５によって反射されたレーザ光を集光し、光検出器７に出力する。
光検出器７は、受信光学部６が出力したレーザ光を電気信号に変換することにより受信信号を取得する。

距離算出器８は、光検出器７が出力した受信信号と信号発生器１が出力した基準信号との時間差から、車両までの距離を算出する。距離算出器８は、算出した距離を三次元座標変換部９に出力する。

信号発生器１がパルス信号を生成した場合は、光速をｃ［ｍ／ｓ］とし、時間差をΔｔ_ｄ［ｓ］とすると、距離ｚ［ｍ］は、下記の式（１）で表される。
ｚ＝（ｃ×Δｔ_ｄ）／２ （１）
信号発生器１は、強度変調信号を生成し、距離算出器８は、光検出器７が出力した受信信号と信号発生器１が出力した基準信号との位相差から距離を算出してもよい。

以下で、図２が示す各ステップについて説明する。三次元座標変換部９は、スキャナ５が出力した角度情報が示す走査角、及び距離算出器８が出力した距離を、三次元座標に変換することにより三次元座標の点群データを生成する（ステップＳＴ１）。三次元座標変換部９は、生成した三次元座標の点群データを道路上座標変換部１０に出力する。

道路上座標変換部１０は、三次元座標変換部９が生成した三次元座標の点群データを、車両の進行方向を第１の座標軸とし且つ道路の横断方向を第２の座標軸とした座標の点群データに変換する（ステップＳＴ２）。その際、道路上座標変換部１０は、以下の式（２）及び式（３）に従って、三次元座標変換部９が生成した三次元座標の点群データを、車両の進行方向を第１の座標軸とし且つ道路の横断方向を第２の座標軸とした座標の点群データに変換する。
ｘ_１＝Ｌ_０×ｃｏｓθ_ｓ （２）
ｙ_１＝Ｌ_０×ｓｉｎθ_ｓ （３）
式（２）及び式（３）におけるθ_ｓ［ｒａｄ］は、道路上における走査方向と車両の進行方向とのなす角である。式（２）及び式（３）におけるＬ_０は、レーザレーダ装置１００の道路上の対応する位置から、三次元座標変換部９が生成した三次元座標の点群データの道路上の位置までの距離を示す。式（２）におけるｘ_１は、変換後の道路上のｘ座標である。式（３）におけるｙ_１は、変換後の道路上のｙ座標である。

図５は、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００による道路上における座標変換を示す図である。図６は、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００による道路の横断方向の走査幅を示す図である。図５が示すように、道路上座標変換部１０によって変換された座標では、レーザレーダ装置１００が設置されたセンサ設置位置を原点とし、車両の進行方向をｘ座標とし、道路の横断方向をｙ座標とし、センサ設置位置から道路に向かって垂直な方向をｚ座標とする。この場合、式（２）及び式（３）におけるθ_ｓ［ｒａｄ］は、図５が示す車両の進行方向（ｘ軸）と走査方向（レーザ光の軌跡）のなす角に相当する。

車頭／車尾検出部１１は、道路上座標変換部１０が変換した点群データに基づいて、車頭を検知したか否かを判定する（ステップＳＴ３）。その際、車頭／車尾検出部１１は、道路上座標変換部１０が変換した点群データに基づいて、道路上を基準とした高さが所定の高さ閾値以上である物体を、任意の数フレーム分、検知した場合、当該車両が侵入してきたと判断し、当該物体の最先頭部を車頭と判断する。

車頭／車尾検出部１１が車頭を検知したと判定した場合（ステップＳＴ３のＹＥＳ）、レーザレーダ装置１００は、ステップＳＴ４の処理に進む。車頭／車尾検出部１１が車頭を検知しなかったと判定した場合（ステップＳＴ４のＮＯ）、レーザレーダ装置１００は、ステップＳＴ１の処理に戻る。

車頭／車尾検出部１１は、車頭の位置変化ΔＬ［ｍ］を算出する（ステップＳＴ４）。車頭／車尾検出部１１が第１の時刻ｔ_１［ｓ］に取得した車頭の点群データの位置をＬ_１［ｍ］、第２の時刻ｔ_２［ｓ］に取得した車頭の点群データの位置をＬ_２［ｍ］とすると、車頭の位置変化ΔＬ［ｍ］は、以下の式（４）で表せる。
ΔＬ＝Ｌ_２－Ｌ_１ （４）

車頭／車尾検出部１１は、以下の式（５）に従って、車頭の時間変化Δｔ［ｓ］を算出する（ステップＳＴ５）。
Δｔ＝ｔ_２－ｔ_１ （５）

レーザレーダ装置１００のフレームレートをＦ［Ｈｚ］とし、１スキャンで取得する点群データの総数をＮとし、Nのうちのｎ_１番目の点群データが１回目に車頭を捉えたものとし（図４の上の図を参照）、スキャン開始からのオフセット時間をｔ_ｏ１［ｓ］とすると、式（５）における第１の時刻ｔ_１［ｓ］は、以下の式（６）で表される。
ｔ_１＝（１／Ｆ）×（ｎ_１／Ｎ）＋ｔ_ｏ１ （６）

同様に、Ｎのうちのｎ_２番目の点群データが２回目に車頭を捉えたものとし（図４の下の図を参照）、スキャン開始からのオフセット時間をｔ_ｏ２［ｓ］とすると、第２の時刻ｔ_２［ｓ］は、以下の式（７）で表される。
ｔ_２＝（１／Ｆ）×（ｎ_２／Ｎ）＋ｔ_ｏ２ （７）

車速算出部１２は、車速算出部１２は、車頭／車尾検出部１１が算出した位置変化、並びに第１の時刻及び第２の時刻の時間差に基づいて、車両の速度を計測する（ステップＳＴ６）。車両の速度ｖ_ｃ［ｋｍ／ｈ］は、車頭又は車尾の位置変化をΔＬ［ｍ］、第１の時刻及び第２の時刻の時間差をΔｔ［ｓ］とすると、以下の式（８）で表される。
ｖ_ｃ＝（ΔＬ／Δｔ）×３．６ （８）

車頭／車尾検出部１１は、道路上座標変換部１０が変換した点群データに基づいて、車尾を検知したか否かを判定する（ステップＳＴ７）。その際、車頭／車尾検出部１１は、道路上座標変換部１０が変換した点群データに基づいて、道路上を基準とした高さが所定の高さ閾値未満である物体を、任意の数フレーム分、検知した場合、当該車両が通過し終わったと判断し、当該物体の最後部を車尾と判断する。

車頭／車尾検出部１１が車尾を検知したと判定した場合（ステップＳＴ７のＹＥＳ）、レーザレーダ装置１００は、ステップＳＴ８の処理に進む。車頭／車尾検出部１１が車尾を検知しなかったと判定した場合（ステップＳＴ８のＮＯ）、レーザレーダ装置１００は、道路上座標変換部１０が変換した点群データを再度取得し、ステップＳＴ７の処理を再度行う。

車頭／車尾検出部１１は、車両の車頭を検出した時刻と車両の車尾を検出した時刻との時間差である車両の通過時間Δｔ_ｃを算出する（ステップＳＴ８）。車頭検出時刻をｔ_ｓ［ｓ］、車尾検出時刻をｔ_ｅ［ｓ］とすると、車両の通過時間Δｔ_ｃ［ｓ］は、以下の式（９）で表される。
Δｔ_ｃ＝ｔ_ｅ－ｔ_ｓ （９）

車長算出部１３は、車速算出部１２が算出した車両の速度と、車頭／車尾検出部１１が算出した車両の通過時間とに基づいて、車長を算出する（ステップＳＴ９）。車長Ｌ_ｃ［ｍ］は、上述の車両の速度ｖ_ｃ及び上述の車両の通過時間Δｔ_ｃ［ｓ］に基づいて、以下の式（１０）によって表される。
Ｌ_ｃ＝ｖ_ｃ×Δｔ_ｃ （１０）

データ保存部１４は、車両がレーザレーダ装置１００の下を通過した順に、車速算出部１２が算出した速度のデータ、及び車長算出部１３が算出した車長のデータを保存する（ステップＳＴ１０）。

レーザレーダ装置１００は、車両の速度及び車長のデータ取得を終了するか否かを判定する（ステップＳＴ１１）。レーザレーダ装置１００は、データ取得を継続する場合（ステップＳＴ１１のＮＯ）、ステップＳＴ１の処理に戻り、データ取得を終了する場合（ステップＳＴ１１のＹＥＳ）、処理を終了する（ＳＴ１１）。

以上で説明したように、実施の形態１によれば、道路上における走査方向が車両の進行方向に対して斜めになるように一次元走査を行うため、点群データが車両の進行方向に広がる。これにより、単一のレーザレーダ装置１００による一次元走査によって、車頭又は車尾の位置変化を計測し、車両の速度を計測することが可能である。また、車両の進行方向の距離分解能は、観測点ピッチで決まり、最高検知速度に合わせてレーザレーダ装置１００の設置角度を調整することにより、さらに高い距離分解能での計測が可能となる。

図３が示すように、車両の進行方向に対して道路上における走査方向が垂直の場合、進行方向の距離分解能は、レーザレーダ装置のフレームレート、及び車両の速度に依存する。進行方向の分解能Δｘ_１は、レーザレーダ装置のフレームレートをＦ［Ｈｚ］とすると、以下の式（１１）で表される。
Δｘ_１＝（ｖ_ｃ／３．６）×（１／Ｆ） （１１）

一方、図４が示すように、車両の進行方向に対して道路上における走査方向が斜めになる場合、進行方向の距離分解能は、レーザレーダ装置１００の水平角度分解能及び傾き角に依存する。道路上を基準としたレーザレーダ装置１００の設置高さをｈ［ｍ］とし、レーザレーダ装置１００の水平角度分解能をΔθ_ｈ［ｒａｄ］とし、車両の進行方向と道路上における走査方向とのなす角をθ_ｓ［ｒａｄ］とすると、進行方向の分解能Δｘ_２は、以下の式（１２）で表される。
Δｘ_２＝ｈ×ｔａｎΔθ_ｈ×ｃｏｓθ_ｓ （１２）

以上のように、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００は、道路上を走行する車両の速度を計測するレーザレーダ装置１００であって、レーザ光を用いて、道路上における走査方向が車両の進行方向に対して斜めになるように一次元走査を行うスキャナ５と、スキャナ５の一次元走査によって得られた受信信号に基づいて、車両の車頭を検出し、進行方向における車両の車頭の位置変化を算出するか、又は車両の車尾を検出し、進行方向における車両の車尾の位置変化を算出する位置変化算出部２０と、位置変化算出部２０が算出した位置変化に基づいて、車両の速度を計測する車速算出部１２と、を備えている。

上記の構成によれば、道路上における走査方向が車両の進行方向に対して斜めになるように一次元走査を行うため、進行方向における車両の車頭又は車尾の位置変化を計測することができ、車両の速度を計測することができる。つまり、１台の一次元走査型のレーザレーダ装置により車両の速度を計測することができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、道路上における走査方向を変更する構成について説明する。
以下で、実施の形態２について図面を参照して説明する。なお、実施の形態１で説明した構成と同様の機能を有する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
図７は、実施の形態２に係るレーザレーダ装置１０１の構成を示すブロック図である。図７が示すように、レーザレーダ装置１０１は、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００の構成に加えて、センサ回転判定部１６、及びセンサ回転部１７をさらに備えている。
実施の形態２に係る構成では、センサ回転判定部１６及びセンサ回転部１７により、車両の進行方向と道路上における走査方向とのなす角を変更できる点が実施の形態１に係る構成と異なる。

センサ回転判定部１６は、データ保存部１４に保存された速度が所定の速度以上であるか否かを判定する。より詳細には、実施の形態１では、センサ回転判定部１６は、データ保存部１４に保存された車両の速度に基づいて、レーザレーダ装置１０１を回転させることにより車両の進行方向の距離分解能を向上させるか否かを判定する。センサ回転判定部１６は、レーザレーダ装置１０１を回転させると判定した場合には、センサ回転部１７がレーザレーダ装置１０１を回転させるように制御する。例えば、センサ回転判定部１６は、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、ワンチップマイコン、ＦＰＧＡ、又はＡＳＩＣ等で構成される。

センサ回転部１７は、センサ回転判定部１６の判定結果に基づき、レーザレーダ装置１０１を回転させる回転動作を行う。より詳細には、センサ回転部１７は、センサ回転判定部１６によって、データ保存部１４に保存された速度が所定の速度以上であると判定された場合、スキャナ５による道路上における走査方向と車両の進行方向とのなす角が大きくなるように、レーザレーダ装置１０１を回転させる。なお、ここにおけるスキャナ５による道路上における走査方向と車両の進行方向とのなす角は、レーザレーダ装置１０１の回転前も回転後も鋭角である。例えば、センサ回転部１７として、モーター等が用いられる。

以下で、実施の形態２に係るレーザレーダ装置１０１の動作について図面を参照して説明する。図８は、実施の形態２に係るレーザレーダ装置１０１による車両速度計測方法を示すフローチャートである。なお、実施の形態２に係るレーザレーダ装置１０１による車両速度計測方法は、ステップＳＴ１２及びステップＳＴ１３以外、実施の形態１に係るレーザレーダ装置１００による車両速度計測方法と同様である。従って、実施の形態１で説明したステップＳＴ１からステップＳＴ１１までの各ステップについては、その詳細な説明を省略する。

図８が示すように、ステップＳＴ１０の次のステップとして、センサ回転判定部１６は、データ保存部１４に保存された車両の速度が所定の速度以上であるか否か判定する（ステップＳＴ１２）。

センサ回転判定部１６は、データ保存部１４に保存された速度が所定の速度以上であると判定した場合（ステップＳＴ１２のＹＥＳ）、センサ回転部１７がレーザレーダ装置１０１を回転させるように制御する制御信号をセンサ回転部１７に出力する（ステップＳＴ１３）。また、ステップＳＴ１３において、センサ回転部１７は、センサ回転判定部１６が出力した制御信号に基づいて、スキャナ５による道路上における走査方向と車両の進行方向とのなす角が大きくなるように、レーザレーダ装置１０１を回転させる。なお、予めユーザーがセンサ回転部１７による回転の回転角を複数設定しておく。

センサ回転判定部１６が、データ保存部１４に保存された速度が所定の速度未満であると判定した場合（ステップＳＴ１２のＮＯ）、レーザレーダ装置１０１は、ステップＳＴ１１の処理に進む。

上記の構成によれば、所定の速度以上で走行する車両が存在する場合は、スキャナ５による道路上における走査方向と車両の進行方向とのなす角を大きくすることによって、一度に取得できる車頭又は車尾に関する点群データの数を増やす。ただしその場合は、道路上における横断方向のスキャン幅が狭くなる。そこで、センサ回転判定部１６は、以下で説明する式（１４）に従い、道路の幅に応じて、スキャナ５による道路上における走査方向と車両の進行方向とのなす角を設定してもよい。

従来のレーザレーダ装置が、道路上における走査方向が車両の進行方向に対して垂直になるように一次元走査を行った場合、図６が示すように、レーザレーダ装置による道路上における横断方向のスキャン幅ｗ_ｒ［ｍ］は、レーザレーダ装置による横断方向の走査角全角をθ_ｈ［ｒａｄ］とすると、以下の式（１３）で表される。
ｗ_ｒ＝２ｈ×ｔａｎ（θ_ｈ／２） （１３）

実施の形態２に係るレーザレーダ装置１０１のスキャナ５によって、道路上における走査方向が車両の進行方向に対して斜めになるように一次元走査を行った場合、図５が示すように、レーザレーダ装置１０１のスキャナ５による道路上における横断方向のスキャン幅ｗ_ｒｈ［ｍ］（レーザレーダ装置１０１のスキャナ５による道路上における走査範囲の、道路の横断面に対する射影の幅）は、以下の式（１４）で表される。
ｗ_ｒｈ＝ｗ_ｒ×ｓｉｎθ_ｓ （１４）

レーザレーダ装置１０１のスキャナ５による車両の進行方向のスキャン幅ｗ_ｒｖ［ｍ］（レーザレーダ装置１０１のスキャナ５による道路上における走査範囲の、道路の縦断面に対する射影の幅）は、以下の式（１５）で表される。
ｗ_ｒｖ＝ｗ_ｒ×ｃｏｓθ_ｓ （１５）

以上で説明したように、実施の形態２によれば、スキャナ５による道路上における走査方向と車両の進行方向とのなす角を設定変更でき、この角度を大きくすることによって、レーザレーダ装置１０１による進行方向の距離分解能を向上させることが可能となる。

レーザレーダ装置１００又はレーザレーダ装置１０１における、位置変化算出部２０の距離算出器８、三次元座標変換部９、道路上座標変換部１０及び車頭／車尾検出部１１、車速算出部１２、車長算出部１３並びにセンサ回転判定部１６の各機能は、処理回路により実現される。すなわち、レーザレーダ装置１００又はレーザレーダ装置１０１は、図２又は図８に示した各ステップの処理を実行するための処理回路を備える。この処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であってもよい。

図９Ａは、レーザレーダ装置１００又はレーザレーダ装置１０１の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。図９Ｂは、レーザレーダ装置１００又はレーザレーダ装置１０１の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。

上記処理回路が図９Ａに示す専用のハードウェアの処理回路１１０である場合、処理回路１１０は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）又はこれらを組み合わせたものが該当する。

レーザレーダ装置１００又はレーザレーダ装置１０１における、位置変化算出部２０の距離算出器８、三次元座標変換部９、道路上座標変換部１０及び車頭／車尾検出部１１、車速算出部１２、車長算出部１３並びにセンサ回転判定部１６の各機能を別々の処理回路で実現してもよいし、これらの機能をまとめて１つの処理回路で実現してもよい。

上記処理回路が図９Ｂに示すプロセッサ１１１である場合、レーザレーダ装置１００又はレーザレーダ装置１０１における、位置変化算出部２０の距離算出器８、三次元座標変換部９、道路上座標変換部１０及び車頭／車尾検出部１１、車速算出部１２、車長算出部１３並びにセンサ回転判定部１６の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現される。
なお、ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして記述されてメモリ１１２に記憶される。

プロセッサ１１１は、メモリ１１２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、レーザレーダ装置１００又はレーザレーダ装置１０１における、位置変化算出部２０の距離算出器８、三次元座標変換部９、道路上座標変換部１０及び車頭／車尾検出部１１、車速算出部１２、車長算出部１３並びにセンサ回転判定部１６の各機能を実現する。すなわち、レーザレーダ装置１００又はレーザレーダ装置１０１は、これらの各機能がプロセッサ１１１によって実行されるときに、図２又は図８に示した各ステップの処理が結果的に実行されるプログラムを記憶するためのメモリ１１２を備える。

これらのプログラムは、レーザレーダ装置１００又はレーザレーダ装置１０１における、位置変化算出部２０の距離算出器８、三次元座標変換部９、道路上座標変換部１０及び車頭／車尾検出部１１、車速算出部１２、車長算出部１３並びにセンサ回転判定部１６の各手順又は方法をコンピュータに実行させる。メモリ１１２は、コンピュータを、レーザレーダ装置１００又はレーザレーダ装置１０１における、位置変化算出部２０の距離算出器８、三次元座標変換部９、道路上座標変換部１０及び車頭／車尾検出部１１、車速算出部１２、車長算出部１３並びにセンサ回転判定部１６として機能させるためのプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。

プロセッサ１１１には、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、処理装置、演算装置、プロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、またはＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などが該当する。

メモリ１１２には、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ－ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、ハードディスク、フレキシブルディスク等の磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）などが該当する。

レーザレーダ装置１００又はレーザレーダ装置１０１における、位置変化算出部２０の距離算出器８、三次元座標変換部９、道路上座標変換部１０及び車頭／車尾検出部１１、車速算出部１２、車長算出部１３並びにセンサ回転判定部１６の各機能について一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェア又はファームウェアで実現してもよい。

例えば、位置変化算出部２０の距離算出器８、三次元座標変換部９、道路上座標変換部１０及び車頭／車尾検出部１１の機能は、専用のハードウェアとしての処理回路で機能を実現する。車速算出部１２、車長算出部１３並びにセンサ回転判定部１６については、プロセッサ１１１がメモリ１１２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより機能を実現してもよい。
このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はこれらの組み合わせにより上記機能のそれぞれを実現することができる。
なお、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

本開示に係るレーザレーダ装置は、１台の一次元走査型のレーザレーダ装置により車両の速度を計測することができるため、車両の速度を計測する技術に利用可能である。

１ 信号発生器、２ レーザ光源、３ 送信光学部、４ ミラー、５ スキャナ、６ 受信光学部、７ 光検出器、８ 距離算出器、９ 三次元座標変換部、１０ 道路上座標変換部、１１ 車頭／車尾検出部、１２ 車速算出部、１３ 車長算出部、１４ データ保存部、１５ センサ固定部、１６ センサ回転判定部、１７ センサ回転部、２０ 位置変化算出部、１００，１０１ レーザレーダ装置、１１０ 処理回路、１１１ プロセッサ、１１２ メモリ。

Claims (1)

1. 道路上を走行する車両の速度を計測するレーザレーダ装置であって、
   レーザ光を用いて、前記道路上における走査方向が前記車両の進行方向に対して斜めになるように一次元走査を行うスキャナと、
   前記スキャナの前記一次元走査によって得られた受信信号に基づいて、前記車両の車頭を検出し、前記進行方向における前記車両の車頭の位置変化を算出するか、又は前記車両の車尾を検出し、前記進行方向における前記車両の車尾の位置変化を算出する位置変化算出部と、
   前記位置変化算出部が算出した位置変化に基づいて、前記車両の速度を計測する車速算出部と、
   前記車速算出部が算出した速度を、前記道路上を走行する車両毎に保存するデータ保存部と、
   前記データ保存部に保存された速度が所定の速度以上であるか否かを判定するセンサ回転判定部と、
   前記センサ回転判定部によって、前記データ保存部に保存された速度が所定の速度以上であると判定された場合、前記スキャナの前記走査方向と前記車両の進行方向とのなす角が大きくなるように、前記レーザレーダ装置を回転させるセンサ回転部と、
   を備えていることを特徴とする、レーザレーダ装置。

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