JPH06109846A

JPH06109846A - 光学式距離計測装置

Info

Publication number: JPH06109846A
Application number: JP4262533A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Harada; 司原田; Kunihiko Matsumura; 邦彦松村
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1992-09-30
Filing date: 1992-09-30
Publication date: 1994-04-22
Anticipated expiration: 2017-02-04
Also published as: JP3253137B2

Abstract

(57)【要約】【目的】先行車等の測定対象物の存在方向を推定し、
その方向に光学系を自動操作して先行車等の測定対象物
を捕捉することを可能とする。【構成】横方向に配置した発光素子２及び複数個の受
光素子３，４の前方に集光レンズ５，６，７を配置し、
各受光素子３，４の受光エリア４３，４４は隣同士で一
部重なるように各々異なる範囲に設定し、発光素子５及
び受光素子３，４とその集光レンズ５，６，７との横方
向の相対位置を変位させて受光エリア４３，４４を偏向
させる機構１１及びその駆動モータ１２と、各受光素子
３，４についての距離計測値又は受光強度の大小関係の
組合わせに基づいて上記駆動モータ１２を制御する操作
制御部３３とを設け、常に受光エリア４３，４４の重な
り領域内に先行車等の反射体４０を捕捉するように操作
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、車両に搭載して車両の
進行方向に存在する先行車や障害物までの距離を測定す
るのに有用な光学式距離計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、車両の進行方向に存在する先行
車や障害物等を検出し、先行車や障害物等までの距離を
測定する光学式距離計測装置においては、センシング領
域を広げる必要がある。

【０００３】上記要請に対し、光学系の工夫で発光領域
を広げるのでは、発光パワー密度の低下により受光が難
くなることから、従来、細い発光ビームを広角度でスキ
ャニングする方式（ビームスキャン方式）が知られてい
る。しかし、このビームスキャン方式では、発光ビーム
の位置（方向）と受光情報を光速で処理する必要があ
り、信号処理系が大規模なものとなる。そこで、発光素
子を複数個備え、広角度の発光領域を得る方式（複数ビ
ーム方式）が検討されている。

【０００４】図９に複数ビーム方式の光学式距離計測装
置を示す（特開昭６１−２５９１８５号公報）。この装
置は、送光器５０内にレーザダイオード等から成る複数
の発光素子ａ，ｂ，ｃを設け、駆動回路５１で駆動され
る各発光素子ａ，ｂ，ｃからの光ビームＡ，Ｂ，Ｃを集
光レンズ５２を通して放射するようになっている。ま
た、受光器５３側においては、上記光ビームＡ，Ｂ，Ｃ
が先行車や障害物等の反射体５３で反射して来る光を、
集光レンズ５４を通して受光素子５５で受光し、その出
力信号を増幅回路５６を通して測距回路５７に送り、該
測距回路で、光の放射から受光までの伝播遅延時間を基
に反射体５３までの距離を測定する構成となっている。
この送光器５０の構成によれば、広い範囲内での測定が
行えると共に、集光レンズ系５２が発光素子ａ，ｂ，ｃ
に共通であるので、装置全体を小形化できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した複数
ビーム方式の場合、レーザダイオード等の発光素子を複
数個備えることが不可欠である。現状のレーザダイオー
ドの単価は受光素子に比べ非常に高価であり、複数個設
置することは量産品としてコスト高の装置となる。ま
た、受光素子が１つの場合、先行車両の存在する方向に
受光エリアを偏向させて効率よく先行車両を捕捉するこ
とが出来ない。

【０００６】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、単価の安い受光素子を複数用い、その受光エリアを
異ならせることにより先行車等の測定対象物の存在方向
を推定し、その方向に光学系を自動操作して測定対象物
を捕捉することができる光学式距離計測装置を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、発光素子と受光素子とを備え、発光素子
による光の放射から受光素子による受光までの伝播遅延
時間に基づいて先行車等の反射体までの距離を測定する
距離計測装置において、一つの発光素子と複数個の受光
素子とを横方向に配置すると共に、これら各素子の前方
に集光レンズを配置し、上記複数個の受光素子とその集
光レンズとの横方向の相対位置を変位させて各受光素子
の受光エリアを偏向させる機構と、該機構を上記受光素
子の受光エリアが反射体の方向を向くように操作する駆
動手段とを設けた構成のものである（請求項１）。

【０００８】本発明においては、上記複数個の受光素子
とその集光レンズの横方向の相対位置の変位に同期して
上記発光素子を変位させる手段を設け、計測対象の方向
に発光エリアと受光エリアが向くようにすることができ
る（請求項２）。

【０００９】また、上記複数個の受光素子の受光エリア
を隣同士で一部重なるように各々異なる範囲に設定する
と共に、各受光素子についての距離計測値の大小関係の
組合わせに基づいて、又は、各受光素子についての受光
強度の大小関係の組合わせに基づいて、上記駆動手段を
制御する制御手段を設け、常に受光エリアの重なり領域
内に上記反射体を捕捉するようにすることができる（請
求項３，４）。

【００１０】

【作用】図４に示すように、受光素子の受光エリアとそ
の方向（受光角θ１，θ２）は、集光レンズ６と受光素
子３の位置関係により定まる。受光レンズ６又は受光素
子３を相対的に横方向にずらすことにより、受光エリア
の方向を偏向させることができる。発光素子についても
基本的に同じことがいえる。

【００１１】各受光素子の受光エリア・発光エリアを偏
向させる機構が、レンズ又は発光・受光素子の相対位置
を横にずらすだけのものでよいため、その構造は極めて
簡単であり、設置スペースが削減でき、振動にも強いシ
ステムが構成できる。

【００１２】また、複数個の受光素子を用いているた
め、先行車の存在する概略方向の認識ができ、請求項
３，４の構成では、この判断を各受光素子についての距
離計測値の大小関係の組合わせに基づいて、又は、各受
光素子についての受光強度の大小関係の組合わせに基づ
いて決定することができ、常に受光エリアの重なり領域
内に上記反射体を捕捉することができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を図示の一実施例に基づいて説
明する。

【００１４】図１に光学式距離計測装置のシステム構成
を示す。本実施例の場合、この距離計測装置は車両に搭
載されるものとする。

【００１５】図１において、距離計測装置は、レーザー
レーダヘッド１，時間計測ユニット２０，信号処理ユニ
ット３０の３部分に分れている。

【００１６】レーザーレーダヘッド１は、ＬＤ（レーザ
ーダイオード）から成る１つの発光素子２と、ＰＤ（ピ
ンフォトダイオード）から成る２つの受光素子３，４と
を有し、発光素子２の前側には発光用レンズ（集光レン
ズ）５が配置され、各受光素子３，４の前側にはそれぞ
れ格子状のメカニカルフィルタ８を備えた受光用レンズ
（集光レンズ）６，７が配置されている。尚、９はＬＤ
の駆動回路、１０は受光回路である。

【００１７】時間計測ユニット２０は、ＬＤの駆動回路
に対するスタートパルスを発生するパルス発生部２１
と、該スタートパルスにより計時を開始し受光回路１０
からのストップパルスで計時を終了する時間計測部２２
と、電源部２３とを有する。また、信号処理ユニット３
０は、時間計測部２２で得られた時間データを基に距離
を算出する距離計側部３１と、その結果を表示する表示
部３２とを備えている。

【００１８】更に、上記レーザーレーダヘッド１は、受
光用レンズ６，７及びメカニカルフィルタ８を受光素子
３，４に対し相対的に横に変位させ、これにより受光素
子３，４の受光エリア４３，４４を、例えば図２（Ａ）
から図２（Ｂ）の如く偏向させるためのサーボ機構１１
を備えている。

【００１９】また信号処理ユニット３０は、先行車の反
射体４０を、常に図２（Ｂ）の如く２つの受光素子３，
４の受光エリア４３，４４の重なり領域内に捕捉するよ
うにサーボ機構１１を制御する制御手段として、サーボ
機構１１の駆動モータ１２に対し適切な指令を与えるサ
ーボ操作部３３を備えている。このサーボ操作部３３
は、具体的には、距離計側部３１で計測される受光素子
３，４毎の計測値の大小関係の組合わせから、サーボ機
構１１に対し、その駆動モータ１２の回転の有無及び回
転方向についての指令を与える。尚、サーボ機構１１の
現在変位量は駆動モータ１２と連動するポテンショメー
タ１３により検出されるようになっている。

【００２０】上記受光エリア４３，４４を偏向させる機
構の原理は次の通りである。即ち、図４（ａ）の如く受
光素子３，４の位置が光軸から右側に在る場合には、そ
の受光角θ１がメカニカルフィルタ８の受光角θの左側
領域に向いている。しかし、図４（ｂ）の如く、受光素
子３，４の位置が光軸から左側に移ると、その受光角θ
２はメカニカルフィルタ８の受光角θの右側領域に向
く。この関係はメカニカルフィルタ８が無い場合にも成
り立つものである。従って、受光用レンズ６，７及びメ
カニカルフィルタ８と受光素子３，４のいずれかを相対
的に横に変位させると受光エリア４３，４４を偏向させ
ることができる。

【００２１】ちなみに、メカニカルフィルタ８の受光角
θは、メカニカルフィルタ８の長さをＬ₀とし、格子ス
リット幅をａとしたとき、θ＝２ｔａｎ^-1（ａ／Ｌ₀）
で与えられる。また、受光素子３，４の受光角θ１，θ
２は、レンズの焦点距離をＳ，受光素子径をｘとしたと
き、θ１＝θ２＝ｔａｎ^-1（ｘ／Ｓ）で与えられる。そ
して、受光中心軸広り角αは、受光用レンズピッチをＬ
１，受光素子ピッチをＬ２としたとき、α＝２ｔａｎ^-1
｛（Ｌ１−Ｌ２）／２Ｓ）｝で与えられる。

【００２２】本実施例では、受光用レンズ６，７及びメ
カニカルフィルタ８を横移動させることで、受光素子
３，４の受光エリアを変える構成となっている。即ち、
図５及び図６において、発光用レンズ５，受光用レンズ
６及び受光用レンズ７はこの順序で枠体１４内に横並び
に配置され、且つ、スライダ１７（図７）により枠体１
４に対し横移動可能に支持されている。発光用レンズ５
及び受光用レンズ６間にはカム１５が設けてあり、該カ
ムは駆動モータ１２で回転変位されるようになってい
る。また、発光用レンズ５及び受光用レンズ７と枠体１
１間には弾性体１６が設けてある。この結果、発光用レ
ンズ５及び受光用レンズ６，７並びにメカニカルフィル
タ８は、カム１５を駆動モータ１２で回転変位させるこ
とにより、発光素子２及び受光素子３，４に対し相対的
に変位できることとなる。従って、このカム１５は、駆
動モータ１２と共に、上記の機構１１を受光素子の受光
エリア４３，４４が反射体４０の方向を向くように操作
する駆動手段を構成する。

【００２３】ここで、発光用レンズ５までも横移動させ
るようにしたのは、上記受光素子の場合と同様に発光用
レンズ５の光軸に対してＬＤの光軸を若干ずらせること
により、投射方向を可変できるからである。但し、受光
と発光では焦点距離や素子−レンズ間距離が異なるた
め、同じ横移動量にすると発光・受光方向の移動量が異
なる不具合が発生する。従って各々の光学的移動量が同
じになるように、各々のレンスの移動量は、図８の如
く、駆動用モータ１２の回転角に対し異なったレンズ移
動量になるよう、カム１５により駆動させる。図８に示
す例の場合、カム１５は、受光用レンズ６，７よりも発
光用レンズ５の方が僅かしか変位しない関係の外輪形成
とされる。

【００２４】次に上記構成の作用について説明する。

【００２５】図１において、時間計測ユニット２０のパ
スル発生部２１からレーザーレーダヘッド１のＬＤ駆動
回路９にスタートパルスが出力される。ＬＤ駆動回路９
は、このスタートパルスのトリガーにより発光素子２た
るＬＤを駆動し、レーザーパルスを発生させる。また、
上記スタートパルスは時間計測部２２に与えられ、時間
計測部２２の計時を開始する。先行車の反射体４０（図
２）で反射したレーザパルスは、受光素子３，４の一方
又は両方により受光され、電流を発生し、受光回路１０
で増幅された後、ストップパルスを時間計測部２２に出
力する。時間計測部２２ではパルス発生部２１からのス
タートパルスと、受光回路１０からのストップパルスと
の間の時間間隔を計測し、時間データとして距離計側部
３１に出力する。距離計側部３１では時間データから先
行車との距離を演算し、距離データとして車両の制御ユ
ニット（ＡＳＣＥＣＵ）へ出力する。

【００２６】ここで、受光素子が反射光を受光しないと
きは、距離計側部３１における該当する受光素子系統で
の距離計測値が「最大」となり、距離データは“先行車
がない”旨の信号として取り扱われる。しかし、何がし
かの距離計測値がある場合は“先行車あり”と判断さ
れ、その旨の信号ととして取り扱われる。

【００２７】次に、光学系の操作との関連について説明
する。

【００２８】図２（Ａ）は左側の受光素子４の受光エリ
ア４４内にだけ先行車の反射体４０が位置する場合を、
また図２（Ｂ）は左右両方の受光素子３，４の受光エリ
ア４３，４４内に反射体４０が位置する場合を示してい
る。

【００２９】説明の便宜上、最初は先行車の反射体４０
が、図２（Ａ）の如く、受光素子４の受光エリア４４内
にのみ位置するものとする。この場合、先行車の反射体
４０からの反射光は受光素子４のみにより受光され、受
光素子３，４の出力状態は図３（Ａ）の如くになる。こ
のとき、距離計側部３１における距離計測値は、受光素
子３について「距離最大」、受光素子４について「距離
小」の関係となる。信号処理ユニット３０のサーボ制御
部３３は、上記距離計測値の信号の大小関係から、先行
車は左方向にあると推定し、サーボ機構１１に対しレン
ズ系の「左移動指令」を与える。これにより、駆動モー
タ１２が正回転し、レンズ系５，６，７，８が受光素子
３，４に対し相対的に左方向に移動し、受光エリア４
３，４４が左に移動して行く。先行車の反射体４０が、
図２（Ｂ）の如く受光エリア４３，４４の重なり領域内
に入ると、受光素子３，４の出力状態は図３（Ｂ）の如
くになり、距離計測値は受光素子３，４のいずれについ
ても「距離小」の関係となる。ここで、サーボ制御部３
３は「左移動指令」を停止する。

【００３０】上記とは逆に、反射光が受光素子３のみに
より受光された場合には、距離計測値は受光素子３につ
いて「距離小」、受光素子４について「距離最大」の関
係となり、サーボ制御部３３は先行車が右方向にあると
判断し、サーボ機構１１に対しレンズ系の「右移動指
令」を与える。これにより、駆動モータ１２が逆回転
し、レンズ系５，６，７，８が受光素子３，４に対し相
対的に右方向に移動する。先行車の反射体４０が、受光
エリア４３，４４の重なり領域内に入ると、距離計測値
は受光素子３，４についていずれも「距離小」の関係と
なり、その時点でサーボ制御部３３は「右移動指令」を
停止する。尚、距離計測値が受光素子３，４についてい
ずれも「距離最大」の場合、サーボ制御部３３はサーボ
機構１１に対し何の指示も与えない。

【００３１】このように、２つの受光素子３，４の系統
について、共に何がしかの距離計測値がある状態、即ち
上記「距離小」が得られるまで受光系６，７，８を横に
変位させることにより、常に先行車をレーザレータヘッ
ド１の光学系の真正面で捕捉することができる。従っ
て、むやみに発光視野を広げることなく、また、広範囲
なスキャニングをして不必要なデータ処理を行うことも
なく、距離計測エリアを広げることが可能となる。

【００３２】尚、光学系の自動操作手段としては、光学
系全体をターンテーブル上で回転させる方法も考えられ
るが、回転物が大きすぎて回転駆動源（モータ等）を含
めると設置スペースが大となり、また車の振動に影響さ
れやすい等の問題がある。しかし、上記構成によれば、
レンズ又は発光・受光素子の相対位置をずらすだけで良
いため、簡単な構造、設置スペース削減、振動にも強い
システムが構成できる。

【００３３】上記実施例では、距離計測値の大小関係か
らサーボ機構１１に対する指示を与えたが、２つの受光
素子の受光信号レベル差を計測して、その信号を基に比
例回転制御を行うこともできる。この場合、サーボ操作
部３３の代わりに、時間計測部２２で観測される２つの
受光素子３，４の受光強度の大小関係の組合わせに基づ
いて、常に受光エリア４３，４４の重なり領域内に反射
体４０を捕捉するように上記駆動モータ１２を制御する
制御手段を設けることになる。

【００３４】また上記実施例では、水平方向の捕捉をな
す場合について説明したが、実際には道路状況により上
下方向の捕捉も必要となるので、上下方向に受光エリア
の異なる受光素子を更に１つ設置することが実際的であ
る。この場合、必要に応じ、レンズの光軸を傾けて上下
方向にレンズ角度を振らせることもできる。

【００３５】

【発明の効果】以上述べた通り本発明によれば、次のよ
うな優れた効果が得られる。

【００３６】１）請求項１の構成では、受光素子を複数
個設置しているので、先行車等の測定対象物の位置推定
が行える。この受光素子は発光素子に比べ安価であるの
で、装置が安価に構成できる。また、その受光レンズと
受光素子の相対位置を横にずらすだけで受光エリアが偏
向され、先行車等の測定対象物を受光エリア内に捕捉で
きる。この機構は構造が簡単で、設置スペースも取ら
ず、振動にも強い計測装置が構成できる。しかも、この
捕捉制御は簡単な自動制御系で済み、システムを安価に
提供できるようになる。

【００３７】２）請求項２の構成では、各受光素子の受
光エリアに同期して発光素子の発光エリアが偏向させる
ので、より確実かつ有効に先行車等の測定対象物を受光
エリア内に捕捉できる。

【００３８】３）請求項３，４の構成によれば、先行車
の存在する概略方向の認識は、各受光素子についての距
離計測値の大小関係の組合わせに基づいて、又は、各受
光素子についての受光強度の大小関係の組合わせに基づ
いて決定することができ、常に、受光エリアの重なり領
域内に、先行車等の測定対象物を捕捉するようにするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のシステム構成を示すブロッ
ク図である。

【図２】図１における受光レンズと受光素子の相対位置
と受光エリアの向きとの関係を示す説明図である。

【図３】図２における発光素子と受光素子の発光・受光
動作を示すタイミング図である。

【図４】受光レンズと受光素子の相対位置の横移動によ
り受光エリアを偏向する原理の説明に供する図である。

【図５】発光・受光レンズと発光・受光素子を相対的に
横移動させる機構を示す正面図である。

【図６】図５の機構の平面図である。

【図７】図６のスライド部分を示す側面図である。

【図８】駆動モータの回転角度と発光・受光レンズの横
移動量の関係を例示した説明図である。

【図９】従来の光学式距離計測装置を示す図である。

【符号の説明】

１レーザーレーダヘッド２発光素子（レーザーダイオード）３，４受光素子（ピンフォトダイオード）５発光用レンズ（集光レンズ）６，７受光用レンズ（集光レンズ）８メカニカルフィルタ９ＬＤの駆動回路１０受光回路１１サーボ機構１２駆動モータ１３ポテンショメータ１４枠体１５カム１６弾性体１７スライダ２０時間計測ユニット２１パルス発生部２２時間計測部３０信号処理ユニット３１距離計側部３３サーボ操作部４０先行車の反射体４３，４４受光エリア

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光素子と受光素子とを備え、発光素子
による光の放射から受光素子による受光までの伝播遅延
時間に基づいて先行車等の反射体までの距離を測定する
距離計測装置において、一つの発光素子と複数個の受光
素子とを横方向に配置すると共に、これら各素子の前方
に集光レンズを配置し、上記複数個の受光素子とその集
光レンズとの横方向の相対位置を変位させて各受光素子
の受光エリアを偏向させる機構と、該機構を上記受光素
子の受光エリアが反射体の方向を向くように操作する駆
動手段とを設けたことを特徴とする光学式距離計測装
置。
【請求項２】上記複数個の受光素子とその集光レンズ
の横方向の相対位置の変位に同期して上記発光素子を変
位させる手段を設け、計測対象の方向に発光エリアと受
光エリアが向くようにしたことを特徴とする請求項１記
載の光学式距離計測装置。
【請求項３】上記複数個の受光素子の受光エリアを隣
同士で一部重なるように各々異なる範囲に設定すると共
に、各受光素子についての距離計測値の大小関係の組合
わせに基づいて、常に受光エリアの重なり領域内に上記
反射体を捕捉するように上記駆動手段を制御する制御手
段を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の光学
式距離計測装置。
【請求項４】上記複数個の受光素子の受光エリアを隣
同士で一部重なるように各々異なる範囲に設定すると共
に、各受光素子についての受光強度の大小関係の組合わ
せに基づいて、常に受光エリアの重なり領域内に上記反
射体を捕捉するように上記駆動手段を制御する制御手段
を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の光学式
距離計測装置。