JP3700433B2 - 路面状態判別装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として自動車などに搭載されて道路の路面状態を監視するために使用される路面状態判別装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
路面状態の把握は、安全な道路交通を確保する上で重要である。すなわち、路面が乾燥、湿潤、凍結しているか、あるいは積雪があるか否かなどを判別し、その情報を道路管理センターを通じてドライバに確実に伝えることができれば、予め注意を喚起することができ、事故発生を未然に防ぐことができて都合がよい。
【０００３】
そのため、従来技術では、路側に路面状態を判別できるセンサを配置した路面状態判別装置が提供されている。
【０００４】
しかしながら、このように路側にセンサを配置した構成のものでは、道路の全長の内のわずかな箇所の情報しか得られないため、道路全体の路面状態を把握するのに不十分である。
【０００５】
そこで、本出願人は、道路パトロールカーなどに搭載して道路に沿って走行することで、連続的な路面状態を把握できるようにした路面状態判別装置を提供している(たとえば、ＯＭＲＯＮ ＴＥＣＨＮＩＣＳ Ｖol.３７ Ｎo.２(通巻１２２号) １９９７参照)。
【０００６】
この路面状態判別装置は、ＬＥＤからの光源からの光を路面に照射するとともに、その照射した光の路面からの反射光を空間フィルタを通してフォトダイオードのような受光素子で受光し、受光した光を波形解析装置を用いてＰＤ発散反射成分と正反射成分とに分離し、前者で対地速度を、後者で路面状態の判別を行うように構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、本出願人が提供した路面状態判別装置は、道路パトロールカーなどの自動車に搭載して連続的な路面状態を確実に判別することが可能であるため、道路全体の路面状態を把握するのに極めて有効である。
【０００８】
しかし、本出願人らが提供した路面状態判別装置は、空間フィルタや波形解析装置が必要であるため、装置全体が高価なものとなるという課題が残されていた。
【０００９】
そこで、本発明は、連続的な路面状態を把握できる路面状態判別装置において、路面状態を確実に判別できるという性能を損なうことなく、装置全体を一層安価なものにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明に係る路面状態判別装置は、次の構成を採用している。
【００１１】
すなわち、請求項１の発明では、路面に対して光の投受光を行う投受光部を有し、この投受光部は、路面に向けて非発散の光を照射するためのスポット光源と、このスポット光源の光照射による路面からの反射光を結像してスポット像として受光する画像センサとを含む一方、路面に対するスポット光源の光軸を路面の法線に一致するように配置し、前記画像センサの光軸を、路面からの反射光を路面の法線から所定の角度傾斜して配置してあるとともに、前記画像センサの検出出力に基づいて、前記結像されたスポット像の大きさを計測し、その計測値から路面状態を識別する識別手段を備えることを特徴としている。
【００１３】
請求項２記載の路面状態判別装置は、路面に対して光の投受光を行う投受光部を有し、この投受光部は、路面に向けて非発散の光を照射するためのスポット光源と、路面に向けて発散された光を照射するための発散光源と、前記スポット光源及び発散光源の光照射による路面からの反射光を共に結像してスポット像および発散像として受光する画像センサとを含む一方、前記スポット光源と発散光源を交互に点灯駆動する点灯駆動手段と、前記画センサの検出出力に基づいて、前記結像されたスポット像の大きさ、および前記結像された発散像に含まれる輝点数を共に計測し、それらの各計測値から路面状態を識別する識別手段とを備えることを特徴としている。
【００１４】
なお、請求項２記載の路面状態判別装置においては、スポット光源からの正反射光が画像センサに直接入射しないように、請求項３記載のように、前記スポット光源の光軸と前記画像センサの光軸とが路面の法線に対して互いに異なる角度となるように配置されていることを特徴とする前記スポット光源の光軸と前記画像センサの光軸とが路面の法線に対して互いに異なる角度となるように配置されていることが望ましい。
【００１５】
また、請求項２または請求項３記載の路面状態判別装置においては、路面状態の判別を一層確実なものとするために、請求項４記載のように、前記発散光源は複数設けられていることが望ましい。
【００１６】
請求項５記載の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の路面状態判別装置において、前記投受光部は、車両の車幅方向に沿って複数配置されていることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る路面状態判別装置の投受光部の構成図である。
【００１９】
この実施形態１の路面状態判別装置において、投受光部１1は、道路パトロールカーなどの車両の底部に取り付けられており、常に路面Ｆに対向するようになっている。
【００２０】
この投受光部１1は、ハウジング２内に、路面Ｆに光のスポットが形成されるように路面Ｆに向けて非発散の光を照射するためのスポット光源４と、このスポット光源４の光照射による路面Ｆからの反射光を結像してスポット像として受光する画像センサ６とが設けられている。
【００２１】
そして、上記のスポット光源４は、レーザダイオード（以下、ＬＤと表記する）１０と、このＬＤ１０からのレーザ光を平行な光に変換するコリメートレンズ１２とを備える。また、画像センサ６は、路面Ｆからの反射光を集光、結像する結像レンズ１２と、この結像レンズ１２で結像されて得られるスポット像を受光する固体撮像素子（以下、ＣＣＤと表記する）１４とを備える。
【００２２】
ここで、スポット光源４から照射される光が路面Ｆで正反射して直接に結像レンズ１２に入射した場合には、ＣＣＤ１４が飽和してスポット像を検出できなくなるので、それを防ぐために、この実施形態１では、スポット光源４の光軸と画像センサ６を構成する結像レンズ１２の光軸とが路面Ｆの法線に対して互いに異なる角度となるように配置されている。すなわち、この実施形態１では、スポット光源４の光軸は路面Ｆの法線に一致するように垂直に配置されているのに対して、結像レンズ１２の光軸は路面Ｆの法線から所定の角度θ(たとえばθ≧２０°)だけ傾斜して配置されている。
【００２３】
図２は本発明の路面状態判別装置において、ＣＣＤ１４からの出力信号を処理する信号処理部１８１の構成図である。
【００２４】
同図において、２０はＣＣＤ１４で光電変換して得られる検出出力を画像表示用の信号(ここではＮＴＳＣ方式の画像信号)に変換する画像信号変換部、２２は画像信号変換部２０の出力を増幅するアンプ回路、２４はアンプ回路２２の出力信号に含まれる高周波の雑音を除くためのローパスフィルタ、２６はローパスフィルタ２４を通った画像信号をサンプル・ホールドするサンプル・ホールド回路、２８はサンプル・ホールド回路２６の出力をデジタル化するＡ／Ｄコンバータ、３０はデジタル化された画像信号データについて路面状態を識別する識別手段としてのＣＰＵである。
【００２５】
また、３２は画像信号変換部２０で得られる画像信号に含まれる水平、垂直の各同期信号を分離する同期分離回路、３４は水平同期信号の周波数よりも十分に高い一定周波数のクロックを発生するクロック発生回路、３６は上記クロックをカウントするとともに、同期分離回路３２から水平同期信号が入力されるたびにそのカウント値がリセットされるカウンタである。
【００２６】
３８はアンプ回路２２から出力される画像信号を入力し、同期分離回路３２で分離された水平、垂直同期信号に基づいて１フィールド期間中に含まれる輝度レベルの最大値を検出する最大値検出回路、４０は最大値検出回路３８で輝度レベルの最大値が検出されたときのカウンタ３６のカウント値に基づいて、その輝度レベルの最大値が存在する水平走査ライン上の位置(つまり、水平走査ラインの走査開始点から輝度レベルの最大値が検出されるまでの時間)を設定する抽出位置設定回路、４２はカウンタ３６でカウントされるカウント値(これは水平走査ライン上の各位置を指定するのと等価)が抽出位置設定回路４０で先に設定された位置と一致した場合にサンプル・ホールド信号を出力する一致検出回路である。
【００２７】
次に、上記構成を備えた路面状態判別装置の路面状態の判別動作について説明する。
【００２８】
スポット光源４のＬＤ８からのレーザ光は、コリメートレンズ１０で平行な光となり、この光が路面Ｆに対して照射される。この場合、レーザ光の特性上、光は殆ど発散されることなく、路面Ｆに向けて照射されるために、路面Ｆには光のスポットが形成される。そして、路面Ｆからの反射光は、画像センサ６の結像レンズ１２で集光されてＣＣＤ１４上に円形のスポット像として結像される。
【００２９】
ここで、ＣＣＤ１４に結像されるスポット像は、路面Ｆの状態に応じて次のように変化する。
【００３０】
いま、路面Ｆが乾燥状態にある場合、光は路面Ｆの内部では殆ど散乱されず吸収されるため、ＣＣＤ１４上には表面反射による光のみが結像される。したがって、そのスポット像の大きさは、図３(a)−１に示すように、比較的小さくスポット光源４で発生される光ビームの直径と略同じ直径のものとなる。よって、図３(a)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布は、図３(a)−２に示すようになる。
【００３１】
また、路面Ｆに積雪がある場合、雪内部で光が散乱されて吸収が少なくなるため、ＣＣＤ１４上には表面反射された光だけでなく、内部散乱された光も同時に結像される。したがって、そのスポット像の大きさは、路面Ｆが乾燥している場合のスポット像の直径よりも大きな直径となる。特に、新雪の場合には雪の締まり具合(雪の密度)が小さいために、図３(b)−１のように、スポット像の大きさも大きい。また、圧雪の場合には、雪の締まり具合(雪の密度)が新雪よりも大きくなるために、図３(c)−１に示すように、スポット像の大きさは新雪の場合よりも小さくなる。よって、図３(b)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布は、図３(b)−２に示すようになり、図３(c)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布は、図３(c)−２に示すようになる。しかも、積雪があるときには、その積雪量の大小によってスポット光源の路面との距離が変化するため、三角測量の原理で、ＣＣＤに結像されるスポット像の位置が変化する。たとえば、積雪状態ではスポット像の中心位置が乾燥状態でスポット像の中心位置よりも下方に移動する(たとえば、図３(a)−１および図３(b)−１参照)。
【００３２】
さらに、路面Ｆが湿潤状態にある場合、水分による光の吸収、および散乱反射成分が減少することにより、ＣＣＤ上に結像されるスポット像の大きさは、図３(d)−１に示すように、路面が乾燥状態の場合と略同じであっても、スポット像の光量が少ない暗い像となる。よって、図３(d)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布は、図３(d)−２に示すようになる。
【００３３】
このような現象を考慮して、ＣＣＤ１４上に結像されたスポット像について、次のような処理が行われる。
【００３４】
上記のようにして路面状態に応じた特性を有するスポット像がＣＣＤ１４に結像されると、ＣＣＤ１４からは、そのスポット像を表す画像信号が出力され、この画像信号が図２に示す信号処理部１８1に取り込まれる。
【００３５】
ＣＣＤ１４で光電変換して得られる出力は、画像信号変換部２０でＮＴＳＣ方式の画像信号に変換された後、アンプ回路２２で増幅され、その出力がローパスフィルタ２４で高周波雑音を除かれた後、サンプル・ホールド回路２６に与えられる。
【００３６】
一方、カウンタ３６は、クロック発生回路３４からのクロックをカウントするとともに、同期分離回路３２から水平同期信号が入力されるたびにリセットされる。また、最大値検出回路３８は、アンプ回路２２から出力される画像信号を入力し、同期分離回路３２で分離された水平、垂直同期信号に基づいて１フィールド期間中に含まれる輝度レベルの最大値を検出する。
【００３７】
抽出位置設定回路４０は、最大値検出回路３８で輝度レベルの最大値が検出されたときのカウンタ３６のカウント値に基づいて、その輝度レベルの最大値が存在する水平走査ライン上の位置を設定する。つまり、各水平走査ラインの走査開始点から輝度レベルの最大値が検出されるまでの時間Ｔrを設定する。たとえば、図４には、路面Ｆに新雪がある場合にＣＣＤ１４上に結像されてたスポット像を示しているが、このとき、図中の左右方向が水平走査ラインと一致していて、左端を水平走査の始点として、Ｔrの時間の所にスポット像の輝度レベルの最大値が存在しているときには、そのＴrの時間が抽出位置設定回路４０に設定されることになる。
【００３８】
一致検出回路４２は、次の１フィールド期間において、カウンタ３６でカウントされるカウント値が抽出位置設定回路４０で先に設定された位置(時間Ｔr)と一致するごとに、サンプル・ホールド信号をサンプル・ホールド回路２６に対して出力する。
【００３９】
したがって、サンプル・ホールド回路２６の出力は、図５に示すように、図４のＡ−Ａ'線に沿って水平走査期間の周期でもってサンプリングして得られる輝度レベルの離散的な分布曲線となる。
【００４０】
このようにして、離散的な輝度レベルの分布曲線を示す信号が時系列的にサンプル・ホールド回路２６から出力され、これがＡ／Ｄコンバータ２８でデジタル化されてＣＰＵ３０に取り込まれる。
【００４１】
そこで、ＣＰＵ３０は、離散的に得られる輝度レベルの分布曲線(図５参照)を用いて、図６に示すフローチャートに沿って路面状態を判別する。
【００４２】
まず、輝度レベルの最大値Ｉpを求め(ステップ１)、その最大値Ｉpの位置Ｔpを決定する(ステップ２)。そして、輝度レベルの最大値Ｉpを示す位置Ｔpから、予め図示しないメモリに登録されているテーブルを参照して、投受光部１1と路面Ｆ間の距離を算出し(ステップ３)、その距離データをメモリに記憶する(ステップ４)。
【００４３】
ＣＰＵ３０は、上記の処理に並行して、輝度レベルの分布曲線からその最小値Ｉbを求め(ステップ５)、その最小値Ｉbから所定値だけ大きい値をしきい値Ｉshとして設定する(ステップ６)。そして、そのしきい値Ｉshにおける分布曲線の幅ΔＴをその路面状態でのスポット像のビーム直径として算出する(ステップ７)。
【００４４】
次に、予め、路面Ｆが乾燥状態にある場合に多点測定して得られるビーム直径の値を基準値として、この基準値と先に算出されたビーム直径とを、たとえば図７に示すようなテーブルを参照して比較する(ステップ８)。
【００４５】
この比較の結果、算出されたビーム直径が基準値と略一致するときには、路面は乾燥状態にあると判別する(ステップ９)。また、ビーム直径が基準値よりも十分に大きい場合には、新雪状態であると判別する(ステップ１０)。さらに、ビーム直径が基準値よりも大きいが、新雪ほどではないときには、圧雪〜アイスバーンの状態にあると判別し(ステップ１１)、図７のテーブルを参照してそのビーム直径の広がりに応じて圧雪の程度を分類する(ステップ１２)。そして、各判別結果をメモリに記憶する。
【００４６】
ＣＰＵ３０は、投受光部１1と路面Ｆ間の距離データを参照して、ステップ９〜ステップ１２で得られた各判別結果の妥当性をさらに検討した上で、最終的に判別された路面状態の情報を図外のセンタに送信する。
【００４７】
このように、この実施形態１では、ＣＣＤ１４上に結像されるスポット像の大きさから路面状態を判別するため、今までのような空間フィルタや波形解析装置は必要でなく、装置全体が安価になる。
【００４８】
(実施形態２)
図８は、本発明の実施形態２に係る路面状態判別装置の投受光部の構成図であり、図１に示した実施形態１と対応する部分には同一の符号を付す。
【００４９】
この実施形態２の投受光部１2の特徴は、実施形態１に示したスポット光源４に加えて、このスポット光源４の周辺に、路面Ｆに向けて発散された光を照射するための発散光源として、複数(ここでは２個)の発光ダイオード(以下、ＬＥＤと表記する)１６a，１６bが配置されていることである。
【００５０】
そして、この実施形態２の場合も、スポット光源４からの光が路面Ｆで正反射して直接に結像レンズ１２に入射しないように、スポット光源４の光軸と画像センサ６を構成する結像レンズ１２の光軸とが路面Ｆの法線に対して互いに異なる角度となるように配置されている。
【００５１】
その他の構成は、実施形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
【００５２】
図９は、本発明の実施形態２に係る路面状態判別装置の信号処理部の構成図であり、図２に示した実施形態１と対応する部分には同一の符号を付す。
【００５３】
この実施形態２の信号処理部１８2の特徴は、ＬＤ８を点灯する発光回路４４と、両ＬＥＤ１６a，１６bを点灯する発光回路４６とが設けられ、さらに、同期分離回路３２で得られる垂直同期信号に同期して(つまり１フィールドごとに)各発光回路４４，４６を時分割で交互に起動するタイミングパルスを出力するタイミングパルス発生部４８が設けられていることである。そして、上記の発光回路４４，４６およびタイミングパルス発生部４８によって特許請求の範囲における点灯駆動手段４３が構成されている。
【００５４】
その他の構成は、図２に示した実施形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明を省略する。
【００５５】
次に、上記構成を備えた路面状態判別装置の路面状態の判別動作について説明する。
【００５６】
スポット光源４に基づいてＣＣＤ１４上に結像されるスポット像は、実施形態１で説明したのと同様に、路面状態に応じて変化する。
【００５７】
一方、各ＬＥＤ１６a，１６bから発生される光は、ＬＤ８の場合と異なり、発散して路面Ｆに照射される。そして、この発散光の路面Ｆからの反射光は、画像センサ６の結像レンズ１２で集光されてＣＣＤ１４上に発散像として結像される。
【００５８】
図１０には、路面Ｆが乾燥状態にあるときのＣＣＤ１４上に結像されるスポット像と発散像とを示している。同図(e)−１はスポット像を、同図(e)−２は同図(e)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布を示す。また、同図(f)−１は発散像を、同図(f)−２は同図(f)−１のＢ−Ｂ'線に沿う光強度分布を示す。
【００５９】
路面Ｆが乾燥状態にあるとき、そのスポット像(同図(e)−１)とその光強度の分布(同図(e)−２)は、先に図３(a)−１，図３(a)−２として示した場合と同じである。また、ＬＥＤ１６a，１６bからの発散光は、路面Ｆの内部で吸収され、また、反射光も路面Ｆの凹凸に応じてあらゆる角度に散乱されるため、ＣＣＤ１４上にも同様に発散された反射光が結像される。したがって、その発散像(図１０(f)−１)は、スポット状にならず均等にぼやけ、かつ、光強度も比較的弱いものとなる。よって、その光強度分布(図１０(f)−２)は、極めてなだらかな曲線となる。
【００６０】
図１１には、路面Ｆに積雪(ここでは圧雪)がある場合のＣＣＤ１４上に結像されるスポット像と発散像を示している。同図(g)−１はスポット像を、同図(g)−２は同図(g)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布を示す。また、同図(h)−１は発散像を、同図(h)−２は同図(h)−１のＢ−Ｂ'線に沿う光強度分布を示す。
【００６１】
路面Ｆに圧雪がある場合、そのスポット像(同図(g)−１)とその光強度の分布(同図(g)−２)は、先に図３(c)−１，図３(c)−２として示した場合と同じである。また、ＬＥＤ１６a，１６bからの発散光は、雪内部で散乱されて吸収が少なくなり、また、あらゆる角度に散乱されるため、ＣＣＤ１４上にも同様に発散された反射光が結像される。したがって、その発散像(図１１(h)−１)は、スポット状にならず均等にぼやけ、かつ、光強度は乾燥状態の場合よりも大きくなる。よって、その光強度分布(図１１(h)−２)は、山形の曲線となる。
【００６２】
図１２には、路面Ｆが湿潤状態にあるときのＣＣＤ１４上に結像されるスポット像と発散像を示している。同図(i)−１はスポット像を、同図(i)−２は同図(i)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布を示す。また、同図(j)−１は発散像を、同図(j)−２は同図(j)−１のＢ−Ｂ'線に沿う光強度分布を示す。
【００６３】
路面Ｆが湿潤状態にあるとき、そのスポット像(同図(i)−１)とその光強度の分布(同図(i)−２)は、先に図３(d)−１，図３(d)−２として示した場合と同じである。また、この湿潤状態のときには、路面Ｆの凹凸の上に水膜が形成されて凹凸に合わせて強くなる箇所とそうでない箇所とができるため、ＣＣＤ１４上に結像された発散像(図１２(j)−１)は、多数の輝点が生じる。よって、その光強度分布(図１２(j)−２)は、多数のピークが存在する曲線となる。
【００６４】
図１３には、路面Ｆが冠水状態にあるときのＣＣＤ１４上に結像されるスポット像と発散像を示している。同図(k)−１はスポット像を、同図(k)−２は同図(k)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布を示す。また、同図(j)−１は発散像を、同図(j)−２は同図(j)−１のＢ−Ｂ'線に沿う光強度分布を示す。
【００６５】
路面Ｆが冠水状態にあるとき、そのスポット像(同図(h)−１)とその光強度の分布(同図(h)−２)は、図１２(i)−１，(i)−２として示した場合と略同じである。しかし、この冠水状態のときには、路面Ｆが水膜で完全に覆われて表面が平坦(つまり鏡面状態)になるため、ＣＣＤ１４上に結像された発散像(図１３(l)−１)は、各々のＬＥＤ１６a，１６bの像がそのまま映ることになる。よって、その光強度分布(図１３(l)−２)は、ＬＥＤ１６a，１６bの数に対応した数(ここでは２つ)のピークが存在する曲線となる。
【００６６】
このような現象を考慮して、この実施形態２では、次のような判別処理が行われる。
【００６７】
まず、図９に示す信号処理部１８2において、タイミングパルス発生部４８は、同期分離回路３２で得られる垂直同期信号に同期して(つまり１フィールドごとに)、各発光回路４４，４６を交互に起動するタイミングパルスを出力する。このタイミングパルスが各発光回路４４，４６に与えられることにより、図１４(a)，(b)に示すように、各発光回路４４，４６がＬＤ８とＬＥＤ１６a，１６bを交互に点灯する。
【００６８】
そして、ＬＤ８の点灯により路面状態に応じた特性を有するスポット像が、また、ＬＥＤ１６a，１６bの点灯により路面状態に応じた特性を有する発散像がそれぞれ交互にＣＣＤ１４に結像される。その結果、画像信号変換部２０からは、図１４(c)に示すように、そのスポット像と発散像を表す画像信号が時分割で出力される。
【００６９】
これらの画像信号がサンプル・ホールド回路２６でサンプル・ホールドされるまでの動作は、実施形態１の場合と基本的に同じである。したがって、サンプル・ホールド回路２６の出力は、スポット像に関しては、たとえば、図１０(e)−２，図１１(g)−２，図１２(i)−２，図１３(k)−２に示したような、水平走査期間の周期でもってサンプリングして得られる輝度レベルの離散的な分布曲線を示す信号となる。また、発散像に関しては、たとえば、図１０(f)−２，図１１(h)−２，図１２(j)−２，図１３(l)−２に示したような、水平走査期間の周期でもってサンプリングして得られる輝度レベルの離散的な分布曲線を示す信号となる。
【００７０】
このようにして、スポット像と発散像についてそれぞれ離散的な輝度レベルの分布曲線を示す信号が時分割で時系列的にサンプル・ホールド回路２６から出力され、これがＡ／Ｄコンバータ２８でデジタル化されてＣＰＵ３０に取り込まれる。
【００７１】
そこで、ＣＰＵ３０は、このスポット像と発散像に関する輝度レベルの分布曲線のデータを用いて、図１５に示すフローチャートに沿って路面状態を判別する。
【００７２】
ＣＰＵ３０は、まず、データを取り込むと(ステップ２０)、そのデータがＬＤ８の光照射に基づくスポット像に関する輝度レベルの分布曲線のデータであるか否かを調べ(ステップ２１)、それに該当するならば、輝度レベルの最大値Ｉpを求めて、その最大値Ｉpの位置Ｔpを決定する(ステップ２２)。そして、輝度レベルの最大値Ｉpを示す位置Ｔpから、予め図示しないメモリに登録されているテーブルを参照して、投受光部１1と路面Ｆ間の距離を算出し(ステップ２３)、その距離データをメモリに記憶する(ステップ２４)。
【００７３】
また、ステップ２１において、ＬＤ８の光照射に基づくスポット像に関する輝度レベルの分布曲線のデータでないと判断されたときには、ＬＥＤ１６a，１６bの光照射に基づく発散像に関する輝度レベルの分布曲線のデータであるから、そのデータに基づいて路面状態を判別する(ステップ２５)。
【００７４】
このステップ２５の処理内容について、図１６に示すフローチャートを参照してさらに詳しく説明する。
【００７５】
まず、ＬＥＤ１６a，１６bの光照射に基づく発散像に関する輝度レベルの分布曲線のデータによって、その分布曲線に含まれる各輝度レベルの極大値(以下、輝点という)を検出する(ステップ３０)。そして、それらの輝点の数を計測し(ステップ３１)、この輝点数を予め設定された基準値と比較する(ステップ３２)。
【００７６】
ここで、輝点の数が２つ以上あるときには、図１２(j)−２に示したような分布曲線であり、したがって、路面は湿潤状態あるいは湿潤状態で凍結しいると考えられる(ステップ３３)。そこで、次に、図示しない温度センサの検出出力を参照して、路面温度を計測し(ステップ３４)、零度以上ならば湿潤状態と判別し(ステップ３５)、また、零度以下ならば湿潤状態で凍結していると判別する(ステップ３６)。
【００７７】
また、輝点の数が２つだけあるときには、図１３(l)−２に示したような分布曲線であり、したがって、路面は冠水状態あるいは冠水状態で凍結していると考えられる(ステップ３７)。そこで、次に、図示しない温度センサの検出出力を参照して、路面温度を計測し、零度以上ならば冠水状態と判別し(ステップ３９)、零度以下ならば冠水状態で凍結していると判別する(ステップ３６)。
【００７８】
さらに、輝点の数が１つのときには、図１０(f)−２や図１１(h)−２にに示したような分布曲線であり、したがって、路面は乾燥状態あるいは積雪状態(新雪、圧雪)にあると考えられる(ステップ４０)。しかし、図１６のフローチャートの処理だけでは路面状態を確定することができない。
【００７９】
その場合には、図１５のステップ２６で路面状態の判別ができないことになるので、引き続いて、ＬＤ８からの光照射で得られるスポット像に関する輝度レベルの分布曲線を用いて路面状態の判別処理を行う(ステップ２７)。
【００８０】
このステップ２７における路面状態の判別処理の内容は、図６に示したステップ１、ステップ５〜ステップ１２と全く同じである。したがって、ここでは詳しい説明は省略する。
【００８１】
このように、この実施形態２では、路面の乾燥状態、積雪状態のみならず、湿潤状態や冠水状態、さらにその凍結の有無をも判別できる。つまり、実施形態１の場合よりも、路面状態を一層細かく判別できるため、多様な路面状態を把握するのに極めて有効である。
【００８２】
さらに、次のような変形例も考えられる。
【００８３】
▲１▼ 実施形態１，２では、スポット像あるいは発散像の１ライン上の輝度レベルの分布曲線のデータだけで路面状態を判別するようにしているが、これに限定されるものではなく、スポット像あるいは発散像について、複数のライン上の輝度レベルの分布曲線を求めて判別するようにすることもできる。このようにすれば、判別結果の信頼性が一層高まることになる。
【００８４】
▲２▼ 実施形態２では、冠水状態を含めた様々な路面状態を確実に判別できるように、スポット光源４に対して複数の発散光源１６a，１６bを設けているが、単一の発散光源を設けた構成とすることも可能である。さらに、スポット光源４を省略し、複数の発散光源１６a，１６bのみで発散像の輝点数を検出して路面状態を判別する構成とすることも可能である。
【００８５】
▲３▼ 実施形態１，２の路面状態判別装置においては、道路パトロールカーなどの車両の底部に単一の投受光部１1または１2を取り付けた場合について説明したが、図１７に示すように、複数(この例では３個)の投受光部１i，１j，１kを車両の底部の車幅方向に沿って配置してもよい。そして、各投受光部１i，１j，１kの画像センサで得られる信号を同期信号発生部５０からの同期信号(たとえばＮＴＳＣ方式の同期信号)に同期して時分割で信号処理回路１８に取り込み、それぞれの投受光部１a，１b，１cで得られるスポット像や発散像のデータに基づいて路面状態を判別する。
【００８６】
たとえば、図１８に示すように、３個の投受光部１i，１j，１kは、車両走行に伴って路面Ｆに対してＬi，Ｌj，Ｌkの３つのライン上に沿って走査されるので、このときＡ地点，Ｂ地点，Ｃ地点，…というように順次路面状態が判別される。
【００８７】
そして、各々の投受光部１i，１j，１kに基づいて判別された結果を、図１９あるいは図２０に示すようにメモリに記憶する。その際、路面Ｆが乾燥状態にあるときの投受光部１i，１j，１kと路面Ｆとの距離を基準値０として、路面Ｆとの距離の変位量も路面状態の判別結果に対応付けて記憶する。なお、距離の変位量は、図６のステップ２〜ステップ４、あるいは図１５のステップ２２〜２４の処理結果に基づいて算出される。
【００８８】
このようにすれば、道路の走行方向の路面状態のみならず、道路の幅方向に沿った路面状態も分かるようになるため、図１９に示す例では、除雪や融雪剤の散布のための定量的なデータとして活用することができる。また、図２０に示す例では、道路に積雪がなくても道路のわだちや陥没などの凹凸の有無を調べることができるため、道路の補修のための定量的なデータとして活用することができる。▲４▼ さらに、図１７に示すように、路面状態の判別の際に、車輪回転速度センサ５２の検出出力に基づく走行速度情報や、ＧＰＳ５４に基づく走行位置情報も同時に信号処理回路１８に取り込むようにしてもよい。そして、これらの情報から現在の車両走行位置を求めて路面状態の判別結果と併せて道路管理センターに情報を送信することにより、道路管理センタでは、図２１に示すような道路の路面状態を示す道路管理マップを作成することができる。
【００８９】
そして、この道路管理マップによって、局所的な路面状態を把握できるので、凍結防止剤の散布指令、除雪作業指令といったように、的確な道路対策を指示することができる。
【００９０】
【発明の効果】
本発明によれば、次の効果を奏する。
【００９１】
（１）請求項１または２記載の発明では、画像センサ上に結像されるスポット像や発散像の大きさから路面状態を判別するため、今までのような空間フィルタや波形解析装置は必要でなく、簡単な構成で路面状態の判別を行うことができ、安価な装置を提供することができる。
【００９２】
（２）特に、請求項２記載の発明では、路面の湿潤状態の判別を行うことができる。
【００９４】
（３）請求項３記載の発明では、請求項２記載の発明の効果に加えて、画像センサの検出出力が飽和して必要な情報が得られないといった不都合を回避することができる。
【００９５】
（４）請求項４記載の発明では、請求項２あるいは請求項３記載の発明の効果に加えて、路面の冠水状態の判別を行うことができる。
【００９６】
（５）請求項５記載の発明では、請求項１ないし請求項４記載の効果に加えて、道路の走行方向に沿う路面状態のみならず、道路の幅方向に沿った路面状態（たとえば、道路の凹凸など）の判別もできるため、さらに一層多様な路面状態の把握が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１における路面状態判別装置の投受光部の構成図
【図２】本発明の実施形態１における路面状態判別装置の信号処理部の構成図
【図３】本発明の実施形態１において画像センサ上に結像されるスポット像の路面状態に応じた特性を示す説明図
【図４】本発明の実施形態１において画像センサ上に結像されるスポット像の画像信号に対する処理内容の説明図
【図５】図４のＡ−Ａ'に沿った輝度レベルの分布を示す図
【図６】図２の信号処理部のＣＰＵの路面状態判別動作を説明するためのフローチャート
【図７】本発明の実施形態１において路面状態判別のために用いるテーブルの説明図
【図８】本発明の実施形態２における路面状態判別装置の投受光部の構成図
【図９】本発明の実施形態２における路面状態判別装置の信号処理部の構成図
【図１０】本発明の実施形態２において路面が乾燥状態にあるときに画像センサ上に結像される発散像の特性を示す説明図
【図１１】本発明の実施形態２において路面に積雪(圧雪)がある場合の画像センサ上に結像される発散像の特性を示す説明図
【図１２】本発明の実施形態２において路面が湿潤状態にあるときに画像センサ上に結像される発散像の特性を示す説明図
【図１３】本発明の実施形態２において路面が冠水状態にあるときに画像センサ上に結像される発散像の特性を示す説明図
【図１４】本発明の実施形態２における発散光源の駆動タイミング、およびこれによって画像センサで得られる画像信号を示すタイミングチャート
【図１５】図９の信号処理部のＣＰＵの路面状態判別動作を説明するためのフローチャート
【図１６】図１５のＣＰＵの動作の内、特に発散像に基づく路面状態判別の動作説明の詳細を示すフローチャート
【図１７】車両の底部の車幅方向に沿って複数の投受光部を配置して路面状態判別装置を構成した場合の構成図
【図１８】図１７の構成の路面状態判別装置によって路面状態を判別する状況を示す説明図
【図１９】図１７の構成の路面状態判別装置によって路面の積雪状態を判別した結果を示す説明図
【図２０】図１７の構成の路面状態判別装置によって路面乾燥状態を判別した結果を示す説明図
【図２１】図１７の構成の路面状態判別装置から送信される情報に基づいて道路管理センターで作成される道路管理マップの一例を示す図
【符号の説明】
１1，１2…投受光部、４…スポット光源、６…画像センサ、８…ＬＤ(スポット光源)、１４…ＣＣＤ、１６a，１６b…ＬＥＤ(発散光源)、１８1，１８2…信号処理部、３０…ＣＰＵ(識別手段)、４３…点灯駆動手段。
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として自動車などに搭載されて道路の路面状態を監視するために使用される路面状態判別装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
路面状態の把握は、安全な道路交通を確保する上で重要である。すなわち、路面が乾燥、湿潤、凍結しているか、あるいは積雪があるか否かなどを判別し、その情報を道路管理センターを通じてドライバに確実に伝えることができれば、予め注意を喚起することができ、事故発生を未然に防ぐことができて都合がよい。
【０００３】
そのため、従来技術では、路側に路面状態を判別できるセンサを配置した路面状態判別装置が提供されている。
【０００４】
しかしながら、このように路側にセンサを配置した構成のものでは、道路の全長の内のわずかな箇所の情報しか得られないため、道路全体の路面状態を把握するのに不十分である。
【０００５】
そこで、本出願人は、道路パトロールカーなどに搭載して道路に沿って走行することで、連続的な路面状態を把握できるようにした路面状態判別装置を提供している(たとえば、ＯＭＲＯＮ ＴＥＣＨＮＩＣＳ Ｖol.３７ Ｎo.２(通巻１２２号) １９９７参照)。
【０００６】
この路面状態判別装置は、ＬＥＤからの光源からの光を路面に照射するとともに、その照射した光の路面からの反射光を空間フィルタを通してフォトダイオードのような受光素子で受光し、受光した光を波形解析装置を用いてＰＤ発散反射成分と正反射成分とに分離し、前者で対地速度を、後者で路面状態の判別を行うように構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、本出願人が提供した路面状態判別装置は、道路パトロールカーなどの自動車に搭載して連続的な路面状態を確実に判別することが可能であるため、道路全体の路面状態を把握するのに極めて有効である。
【０００８】
しかし、本出願人らが提供した路面状態判別装置は、空間フィルタや波形解析装置が必要であるため、装置全体が高価なものとなるという課題が残されていた。
【０００９】
そこで、本発明は、連続的な路面状態を把握できる路面状態判別装置において、路面状態を確実に判別できるという性能を損なうことなく、装置全体を一層安価なものにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明に係る路面状態判別装置は、次の構成を採用している。
【００１１】
すなわち、請求項１の発明では、路面に対して光の投受光を行う投受光部を有し、この投受光部は、路面に向けて非発散の光を照射するためのスポット光源と、このスポット光源の光照射による路面からの反射光を結像してスポット像として受光する画像センサとを含む一方、路面に対するスポット光源の光軸を路面の法線に一致するように配置し、前記画像センサの光軸を、路面からの反射光を路面の法線から所定の角度傾斜して配置してあるとともに、前記画像センサの検出出力に基づいて、前記結像されたスポット像の大きさを計測し、その計測値から路面状態を識別する識別手段を備えることを特徴としている。
【００１３】
請求項２記載の路面状態判別装置は、路面に対して光の投受光を行う投受光部を有し、この投受光部は、路面に向けて非発散の光を照射するためのスポット光源と、路面に向けて発散された光を照射するための発散光源と、前記スポット光源及び発散光源の光照射による路面からの反射光を共に結像してスポット像および発散像として受光する画像センサとを含む一方、前記スポット光源と発散光源を交互に点灯駆動する点灯駆動手段と、前記画センサの検出出力に基づいて、前記結像されたスポット像の大きさ、および前記結像された発散像に含まれる輝点数を共に計測し、それらの各計測値から路面状態を識別する識別手段とを備えることを特徴としている。
【００１４】
なお、請求項２記載の路面状態判別装置においては、スポット光源からの正反射光が画像センサに直接入射しないように、請求項３記載のように、前記スポット光源の光軸と前記画像センサの光軸とが路面の法線に対して互いに異なる角度となるように配置されていることを特徴とする前記スポット光源の光軸と前記画像センサの光軸とが路面の法線に対して互いに異なる角度となるように配置されていることが望ましい。
【００１５】
また、請求項２または請求項３記載の路面状態判別装置においては、路面状態の判別を一層確実なものとするために、請求項４記載のように、前記発散光源は複数設けられていることが望ましい。
【００１６】
請求項５記載の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の路面状態判別装置において、前記投受光部は、車両の車幅方向に沿って複数配置されていることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る路面状態判別装置の投受光部の構成図である。
【００１９】
この実施形態１の路面状態判別装置において、投受光部１1は、道路パトロールカーなどの車両の底部に取り付けられており、常に路面Ｆに対向するようになっている。
【００２０】
この投受光部１1は、ハウジング２内に、路面Ｆに光のスポットが形成されるように路面Ｆに向けて非発散の光を照射するためのスポット光源４と、このスポット光源４の光照射による路面Ｆからの反射光を結像してスポット像として受光する画像センサ６とが設けられている。
【００２１】
そして、上記のスポット光源４は、レーザダイオード（以下、ＬＤと表記する）１０と、このＬＤ１０からのレーザ光を平行な光に変換するコリメートレンズ１２とを備える。また、画像センサ６は、路面Ｆからの反射光を集光、結像する結像レンズ１２と、この結像レンズ１２で結像されて得られるスポット像を受光する固体撮像素子（以下、ＣＣＤと表記する）１４とを備える。
【００２２】
ここで、スポット光源４から照射される光が路面Ｆで正反射して直接に結像レンズ１２に入射した場合には、ＣＣＤ１４が飽和してスポット像を検出できなくなるので、それを防ぐために、この実施形態１では、スポット光源４の光軸と画像センサ６を構成する結像レンズ１２の光軸とが路面Ｆの法線に対して互いに異なる角度となるように配置されている。すなわち、この実施形態１では、スポット光源４の光軸は路面Ｆの法線に一致するように垂直に配置されているのに対して、結像レンズ１２の光軸は路面Ｆの法線から所定の角度θ(たとえばθ≧２０°)だけ傾斜して配置されている。
【００２３】
図２は本発明の路面状態判別装置において、ＣＣＤ１４からの出力信号を処理する信号処理部１８１の構成図である。
【００２４】
同図において、２０はＣＣＤ１４で光電変換して得られる検出出力を画像表示用の信号(ここではＮＴＳＣ方式の画像信号)に変換する画像信号変換部、２２は画像信号変換部２０の出力を増幅するアンプ回路、２４はアンプ回路２２の出力信号に含まれる高周波の雑音を除くためのローパスフィルタ、２６はローパスフィルタ２４を通った画像信号をサンプル・ホールドするサンプル・ホールド回路、２８はサンプル・ホールド回路２６の出力をデジタル化するＡ／Ｄコンバータ、３０はデジタル化された画像信号データについて路面状態を識別する識別手段としてのＣＰＵである。
【００２５】
また、３２は画像信号変換部２０で得られる画像信号に含まれる水平、垂直の各同期信号を分離する同期分離回路、３４は水平同期信号の周波数よりも十分に高い一定周波数のクロックを発生するクロック発生回路、３６は上記クロックをカウントするとともに、同期分離回路３２から水平同期信号が入力されるたびにそのカウント値がリセットされるカウンタである。
【００２６】
３８はアンプ回路２２から出力される画像信号を入力し、同期分離回路３２で分離された水平、垂直同期信号に基づいて１フィールド期間中に含まれる輝度レベルの最大値を検出する最大値検出回路、４０は最大値検出回路３８で輝度レベルの最大値が検出されたときのカウンタ３６のカウント値に基づいて、その輝度レベルの最大値が存在する水平走査ライン上の位置(つまり、水平走査ラインの走査開始点から輝度レベルの最大値が検出されるまでの時間)を設定する抽出位置設定回路、４２はカウンタ３６でカウントされるカウント値(これは水平走査ライン上の各位置を指定するのと等価)が抽出位置設定回路４０で先に設定された位置と一致した場合にサンプル・ホールド信号を出力する一致検出回路である。
【００２７】
次に、上記構成を備えた路面状態判別装置の路面状態の判別動作について説明する。
【００２８】
スポット光源４のＬＤ８からのレーザ光は、コリメートレンズ１０で平行な光となり、この光が路面Ｆに対して照射される。この場合、レーザ光の特性上、光は殆ど発散されることなく、路面Ｆに向けて照射されるために、路面Ｆには光のスポットが形成される。そして、路面Ｆからの反射光は、画像センサ６の結像レンズ１２で集光されてＣＣＤ１４上に円形のスポット像として結像される。
【００２９】
ここで、ＣＣＤ１４に結像されるスポット像は、路面Ｆの状態に応じて次のように変化する。
【００３０】
いま、路面Ｆが乾燥状態にある場合、光は路面Ｆの内部では殆ど散乱されず吸収されるため、ＣＣＤ１４上には表面反射による光のみが結像される。したがって、そのスポット像の大きさは、図３(a)−１に示すように、比較的小さくスポット光源４で発生される光ビームの直径と略同じ直径のものとなる。よって、図３(a)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布は、図３(a)−２に示すようになる。
【００３１】
また、路面Ｆに積雪がある場合、雪内部で光が散乱されて吸収が少なくなるため、ＣＣＤ１４上には表面反射された光だけでなく、内部散乱された光も同時に結像される。したがって、そのスポット像の大きさは、路面Ｆが乾燥している場合のスポット像の直径よりも大きな直径となる。特に、新雪の場合には雪の締まり具合(雪の密度)が小さいために、図３(b)−１のように、スポット像の大きさも大きい。また、圧雪の場合には、雪の締まり具合(雪の密度)が新雪よりも大きくなるために、図３(c)−１に示すように、スポット像の大きさは新雪の場合よりも小さくなる。よって、図３(b)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布は、図３(b)−２に示すようになり、図３(c)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布は、図３(c)−２に示すようになる。しかも、積雪があるときには、その積雪量の大小によってスポット光源の路面との距離が変化するため、三角測量の原理で、ＣＣＤに結像されるスポット像の位置が変化する。たとえば、積雪状態ではスポット像の中心位置が乾燥状態でスポット像の中心位置よりも下方に移動する(たとえば、図３(a)−１および図３(b)−１参照)。
【００３２】
さらに、路面Ｆが湿潤状態にある場合、水分による光の吸収、および散乱反射成分が減少することにより、ＣＣＤ上に結像されるスポット像の大きさは、図３(d)−１に示すように、路面が乾燥状態の場合と略同じであっても、スポット像の光量が少ない暗い像となる。よって、図３(d)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布は、図３(d)−２に示すようになる。
【００３３】
このような現象を考慮して、ＣＣＤ１４上に結像されたスポット像について、次のような処理が行われる。
【００３４】
上記のようにして路面状態に応じた特性を有するスポット像がＣＣＤ１４に結像されると、ＣＣＤ１４からは、そのスポット像を表す画像信号が出力され、この画像信号が図２に示す信号処理部１８1に取り込まれる。
【００３５】
ＣＣＤ１４で光電変換して得られる出力は、画像信号変換部２０でＮＴＳＣ方式の画像信号に変換された後、アンプ回路２２で増幅され、その出力がローパスフィルタ２４で高周波雑音を除かれた後、サンプル・ホールド回路２６に与えられる。
【００３６】
一方、カウンタ３６は、クロック発生回路３４からのクロックをカウントするとともに、同期分離回路３２から水平同期信号が入力されるたびにリセットされる。また、最大値検出回路３８は、アンプ回路２２から出力される画像信号を入力し、同期分離回路３２で分離された水平、垂直同期信号に基づいて１フィールド期間中に含まれる輝度レベルの最大値を検出する。
【００３７】
抽出位置設定回路４０は、最大値検出回路３８で輝度レベルの最大値が検出されたときのカウンタ３６のカウント値に基づいて、その輝度レベルの最大値が存在する水平走査ライン上の位置を設定する。つまり、各水平走査ラインの走査開始点から輝度レベルの最大値が検出されるまでの時間Ｔrを設定する。たとえば、図４には、路面Ｆに新雪がある場合にＣＣＤ１４上に結像されてたスポット像を示しているが、このとき、図中の左右方向が水平走査ラインと一致していて、左端を水平走査の始点として、Ｔrの時間の所にスポット像の輝度レベルの最大値が存在しているときには、そのＴrの時間が抽出位置設定回路４０に設定されることになる。
【００３８】
一致検出回路４２は、次の１フィールド期間において、カウンタ３６でカウントされるカウント値が抽出位置設定回路４０で先に設定された位置(時間Ｔr)と一致するごとに、サンプル・ホールド信号をサンプル・ホールド回路２６に対して出力する。
【００３９】
したがって、サンプル・ホールド回路２６の出力は、図５に示すように、図４のＡ−Ａ'線に沿って水平走査期間の周期でもってサンプリングして得られる輝度レベルの離散的な分布曲線となる。
【００４０】
このようにして、離散的な輝度レベルの分布曲線を示す信号が時系列的にサンプル・ホールド回路２６から出力され、これがＡ／Ｄコンバータ２８でデジタル化されてＣＰＵ３０に取り込まれる。
【００４１】
そこで、ＣＰＵ３０は、離散的に得られる輝度レベルの分布曲線(図５参照)を用いて、図６に示すフローチャートに沿って路面状態を判別する。
【００４２】
まず、輝度レベルの最大値Ｉpを求め(ステップ１)、その最大値Ｉpの位置Ｔpを決定する(ステップ２)。そして、輝度レベルの最大値Ｉpを示す位置Ｔpから、予め図示しないメモリに登録されているテーブルを参照して、投受光部１1と路面Ｆ間の距離を算出し(ステップ３)、その距離データをメモリに記憶する(ステップ４)。
【００４３】
ＣＰＵ３０は、上記の処理に並行して、輝度レベルの分布曲線からその最小値Ｉbを求め(ステップ５)、その最小値Ｉbから所定値だけ大きい値をしきい値Ｉshとして設定する(ステップ６)。そして、そのしきい値Ｉshにおける分布曲線の幅ΔＴをその路面状態でのスポット像のビーム直径として算出する(ステップ７)。
【００４４】
次に、予め、路面Ｆが乾燥状態にある場合に多点測定して得られるビーム直径の値を基準値として、この基準値と先に算出されたビーム直径とを、たとえば図７に示すようなテーブルを参照して比較する(ステップ８)。
【００４５】
この比較の結果、算出されたビーム直径が基準値と略一致するときには、路面は乾燥状態にあると判別する(ステップ９)。また、ビーム直径が基準値よりも十分に大きい場合には、新雪状態であると判別する(ステップ１０)。さらに、ビーム直径が基準値よりも大きいが、新雪ほどではないときには、圧雪〜アイスバーンの状態にあると判別し(ステップ１１)、図７のテーブルを参照してそのビーム直径の広がりに応じて圧雪の程度を分類する(ステップ１２)。そして、各判別結果をメモリに記憶する。
【００４６】
ＣＰＵ３０は、投受光部１1と路面Ｆ間の距離データを参照して、ステップ９〜ステップ１２で得られた各判別結果の妥当性をさらに検討した上で、最終的に判別された路面状態の情報を図外のセンタに送信する。
【００４７】
このように、この実施形態１では、ＣＣＤ１４上に結像されるスポット像の大きさから路面状態を判別するため、今までのような空間フィルタや波形解析装置は必要でなく、装置全体が安価になる。
【００４８】
(実施形態２)
図８は、本発明の実施形態２に係る路面状態判別装置の投受光部の構成図であり、図１に示した実施形態１と対応する部分には同一の符号を付す。
【００４９】
この実施形態２の投受光部１2の特徴は、実施形態１に示したスポット光源４に加えて、このスポット光源４の周辺に、路面Ｆに向けて発散された光を照射するための発散光源として、複数(ここでは２個)の発光ダイオード(以下、ＬＥＤと表記する)１６a，１６bが配置されていることである。
【００５０】
そして、この実施形態２の場合も、スポット光源４からの光が路面Ｆで正反射して直接に結像レンズ１２に入射しないように、スポット光源４の光軸と画像センサ６を構成する結像レンズ１２の光軸とが路面Ｆの法線に対して互いに異なる角度となるように配置されている。
【００５１】
その他の構成は、実施形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
【００５２】
図９は、本発明の実施形態２に係る路面状態判別装置の信号処理部の構成図であり、図２に示した実施形態１と対応する部分には同一の符号を付す。
【００５３】
この実施形態２の信号処理部１８2の特徴は、ＬＤ８を点灯する発光回路４４と、両ＬＥＤ１６a，１６bを点灯する発光回路４６とが設けられ、さらに、同期分離回路３２で得られる垂直同期信号に同期して(つまり１フィールドごとに)各発光回路４４，４６を時分割で交互に起動するタイミングパルスを出力するタイミングパルス発生部４８が設けられていることである。そして、上記の発光回路４４，４６およびタイミングパルス発生部４８によって特許請求の範囲における点灯駆動手段４３が構成されている。
【００５４】
その他の構成は、図２に示した実施形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明を省略する。
【００５５】
次に、上記構成を備えた路面状態判別装置の路面状態の判別動作について説明する。
【００５６】
スポット光源４に基づいてＣＣＤ１４上に結像されるスポット像は、実施形態１で説明したのと同様に、路面状態に応じて変化する。
【００５７】
一方、各ＬＥＤ１６a，１６bから発生される光は、ＬＤ８の場合と異なり、発散して路面Ｆに照射される。そして、この発散光の路面Ｆからの反射光は、画像センサ６の結像レンズ１２で集光されてＣＣＤ１４上に発散像として結像される。
【００５８】
図１０には、路面Ｆが乾燥状態にあるときのＣＣＤ１４上に結像されるスポット像と発散像とを示している。同図(e)−１はスポット像を、同図(e)−２は同図(e)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布を示す。また、同図(f)−１は発散像を、同図(f)−２は同図(f)−１のＢ−Ｂ'線に沿う光強度分布を示す。
【００５９】
路面Ｆが乾燥状態にあるとき、そのスポット像(同図(e)−１)とその光強度の分布(同図(e)−２)は、先に図３(a)−１，図３(a)−２として示した場合と同じである。また、ＬＥＤ１６a，１６bからの発散光は、路面Ｆの内部で吸収され、また、反射光も路面Ｆの凹凸に応じてあらゆる角度に散乱されるため、ＣＣＤ１４上にも同様に発散された反射光が結像される。したがって、その発散像(図１０(f)−１)は、スポット状にならず均等にぼやけ、かつ、光強度も比較的弱いものとなる。よって、その光強度分布(図１０(f)−２)は、極めてなだらかな曲線となる。
【００６０】
図１１には、路面Ｆに積雪(ここでは圧雪)がある場合のＣＣＤ１４上に結像されるスポット像と発散像を示している。同図(g)−１はスポット像を、同図(g)−２は同図(g)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布を示す。また、同図(h)−１は発散像を、同図(h)−２は同図(h)−１のＢ−Ｂ'線に沿う光強度分布を示す。
【００６１】
路面Ｆに圧雪がある場合、そのスポット像(同図(g)−１)とその光強度の分布(同図(g)−２)は、先に図３(c)−１，図３(c)−２として示した場合と同じである。また、ＬＥＤ１６a，１６bからの発散光は、雪内部で散乱されて吸収が少なくなり、また、あらゆる角度に散乱されるため、ＣＣＤ１４上にも同様に発散された反射光が結像される。したがって、その発散像(図１１(h)−１)は、スポット状にならず均等にぼやけ、かつ、光強度は乾燥状態の場合よりも大きくなる。よって、その光強度分布(図１１(h)−２)は、山形の曲線となる。
【００６２】
図１２には、路面Ｆが湿潤状態にあるときのＣＣＤ１４上に結像されるスポット像と発散像を示している。同図(i)−１はスポット像を、同図(i)−２は同図(i)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布を示す。また、同図(j)−１は発散像を、同図(j)−２は同図(j)−１のＢ−Ｂ'線に沿う光強度分布を示す。
【００６３】
路面Ｆが湿潤状態にあるとき、そのスポット像(同図(i)−１)とその光強度の分布(同図(i)−２)は、先に図３(d)−１，図３(d)−２として示した場合と同じである。また、この湿潤状態のときには、路面Ｆの凹凸の上に水膜が形成されて凹凸に合わせて強くなる箇所とそうでない箇所とができるため、ＣＣＤ１４上に結像された発散像(図１２(j)−１)は、多数の輝点が生じる。よって、その光強度分布(図１２(j)−２)は、多数のピークが存在する曲線となる。
【００６４】
図１３には、路面Ｆが冠水状態にあるときのＣＣＤ１４上に結像されるスポット像と発散像を示している。同図(k)−１はスポット像を、同図(k)−２は同図(k)−１のＡ−Ａ'線に沿う光強度分布を示す。また、同図(j)−１は発散像を、同図(j)−２は同図(j)−１のＢ−Ｂ'線に沿う光強度分布を示す。
【００６５】
路面Ｆが冠水状態にあるとき、そのスポット像(同図(h)−１)とその光強度の分布(同図(h)−２)は、図１２(i)−１，(i)−２として示した場合と略同じである。しかし、この冠水状態のときには、路面Ｆが水膜で完全に覆われて表面が平坦(つまり鏡面状態)になるため、ＣＣＤ１４上に結像された発散像(図１３(l)−１)は、各々のＬＥＤ１６a，１６bの像がそのまま映ることになる。よって、その光強度分布(図１３(l)−２)は、ＬＥＤ１６a，１６bの数に対応した数(ここでは２つ)のピークが存在する曲線となる。
【００６６】
このような現象を考慮して、この実施形態２では、次のような判別処理が行われる。
【００６７】
まず、図９に示す信号処理部１８2において、タイミングパルス発生部４８は、同期分離回路３２で得られる垂直同期信号に同期して(つまり１フィールドごとに)、各発光回路４４，４６を交互に起動するタイミングパルスを出力する。このタイミングパルスが各発光回路４４，４６に与えられることにより、図１４(a)，(b)に示すように、各発光回路４４，４６がＬＤ８とＬＥＤ１６a，１６bを交互に点灯する。
【００６８】
そして、ＬＤ８の点灯により路面状態に応じた特性を有するスポット像が、また、ＬＥＤ１６a，１６bの点灯により路面状態に応じた特性を有する発散像がそれぞれ交互にＣＣＤ１４に結像される。その結果、画像信号変換部２０からは、図１４(c)に示すように、そのスポット像と発散像を表す画像信号が時分割で出力される。
【００６９】
これらの画像信号がサンプル・ホールド回路２６でサンプル・ホールドされるまでの動作は、実施形態１の場合と基本的に同じである。したがって、サンプル・ホールド回路２６の出力は、スポット像に関しては、たとえば、図１０(e)−２，図１１(g)−２，図１２(i)−２，図１３(k)−２に示したような、水平走査期間の周期でもってサンプリングして得られる輝度レベルの離散的な分布曲線を示す信号となる。また、発散像に関しては、たとえば、図１０(f)−２，図１１(h)−２，図１２(j)−２，図１３(l)−２に示したような、水平走査期間の周期でもってサンプリングして得られる輝度レベルの離散的な分布曲線を示す信号となる。
【００７０】
このようにして、スポット像と発散像についてそれぞれ離散的な輝度レベルの分布曲線を示す信号が時分割で時系列的にサンプル・ホールド回路２６から出力され、これがＡ／Ｄコンバータ２８でデジタル化されてＣＰＵ３０に取り込まれる。
【００７１】
そこで、ＣＰＵ３０は、このスポット像と発散像に関する輝度レベルの分布曲線のデータを用いて、図１５に示すフローチャートに沿って路面状態を判別する。
【００７２】
ＣＰＵ３０は、まず、データを取り込むと(ステップ２０)、そのデータがＬＤ８の光照射に基づくスポット像に関する輝度レベルの分布曲線のデータであるか否かを調べ(ステップ２１)、それに該当するならば、輝度レベルの最大値Ｉpを求めて、その最大値Ｉpの位置Ｔpを決定する(ステップ２２)。そして、輝度レベルの最大値Ｉpを示す位置Ｔpから、予め図示しないメモリに登録されているテーブルを参照して、投受光部１1と路面Ｆ間の距離を算出し(ステップ２３)、その距離データをメモリに記憶する(ステップ２４)。
【００７３】
また、ステップ２１において、ＬＤ８の光照射に基づくスポット像に関する輝度レベルの分布曲線のデータでないと判断されたときには、ＬＥＤ１６a，１６bの光照射に基づく発散像に関する輝度レベルの分布曲線のデータであるから、そのデータに基づいて路面状態を判別する(ステップ２５)。
【００７４】
このステップ２５の処理内容について、図１６に示すフローチャートを参照してさらに詳しく説明する。
【００７５】
まず、ＬＥＤ１６a，１６bの光照射に基づく発散像に関する輝度レベルの分布曲線のデータによって、その分布曲線に含まれる各輝度レベルの極大値(以下、輝点という)を検出する(ステップ３０)。そして、それらの輝点の数を計測し(ステップ３１)、この輝点数を予め設定された基準値と比較する(ステップ３２)。
【００７６】
ここで、輝点の数が２つ以上あるときには、図１２(j)−２に示したような分布曲線であり、したがって、路面は湿潤状態あるいは湿潤状態で凍結しいると考えられる(ステップ３３)。そこで、次に、図示しない温度センサの検出出力を参照して、路面温度を計測し(ステップ３４)、零度以上ならば湿潤状態と判別し(ステップ３５)、また、零度以下ならば湿潤状態で凍結していると判別する(ステップ３６)。
【００７７】
また、輝点の数が２つだけあるときには、図１３(l)−２に示したような分布曲線であり、したがって、路面は冠水状態あるいは冠水状態で凍結していると考えられる(ステップ３７)。そこで、次に、図示しない温度センサの検出出力を参照して、路面温度を計測し、零度以上ならば冠水状態と判別し(ステップ３９)、零度以下ならば冠水状態で凍結していると判別する(ステップ３６)。
【００７８】
さらに、輝点の数が１つのときには、図１０(f)−２や図１１(h)−２にに示したような分布曲線であり、したがって、路面は乾燥状態あるいは積雪状態(新雪、圧雪)にあると考えられる(ステップ４０)。しかし、図１６のフローチャートの処理だけでは路面状態を確定することができない。
【００７９】
その場合には、図１５のステップ２６で路面状態の判別ができないことになるので、引き続いて、ＬＤ８からの光照射で得られるスポット像に関する輝度レベルの分布曲線を用いて路面状態の判別処理を行う(ステップ２７)。
【００８０】
このステップ２７における路面状態の判別処理の内容は、図６に示したステップ１、ステップ５〜ステップ１２と全く同じである。したがって、ここでは詳しい説明は省略する。
【００８１】
このように、この実施形態２では、路面の乾燥状態、積雪状態のみならず、湿潤状態や冠水状態、さらにその凍結の有無をも判別できる。つまり、実施形態１の場合よりも、路面状態を一層細かく判別できるため、多様な路面状態を把握するのに極めて有効である。
【００８２】
さらに、次のような変形例も考えられる。
【００８３】
▲１▼ 実施形態１，２では、スポット像あるいは発散像の１ライン上の輝度レベルの分布曲線のデータだけで路面状態を判別するようにしているが、これに限定されるものではなく、スポット像あるいは発散像について、複数のライン上の輝度レベルの分布曲線を求めて判別するようにすることもできる。このようにすれば、判別結果の信頼性が一層高まることになる。
【００８４】
▲２▼ 実施形態２では、冠水状態を含めた様々な路面状態を確実に判別できるように、スポット光源４に対して複数の発散光源１６a，１６bを設けているが、単一の発散光源を設けた構成とすることも可能である。さらに、スポット光源４を省略し、複数の発散光源１６a，１６bのみで発散像の輝点数を検出して路面状態を判別する構成とすることも可能である。
【００８５】
▲３▼ 実施形態１，２の路面状態判別装置においては、道路パトロールカーなどの車両の底部に単一の投受光部１1または１2を取り付けた場合について説明したが、図１７に示すように、複数(この例では３個)の投受光部１i，１j，１kを車両の底部の車幅方向に沿って配置してもよい。そして、各投受光部１i，１j，１kの画像センサで得られる信号を同期信号発生部５０からの同期信号(たとえばＮＴＳＣ方式の同期信号)に同期して時分割で信号処理回路１８に取り込み、それぞれの投受光部１a，１b，１cで得られるスポット像や発散像のデータに基づいて路面状態を判別する。
【００８６】
たとえば、図１８に示すように、３個の投受光部１i，１j，１kは、車両走行に伴って路面Ｆに対してＬi，Ｌj，Ｌkの３つのライン上に沿って走査されるので、このときＡ地点，Ｂ地点，Ｃ地点，…というように順次路面状態が判別される。
【００８７】
そして、各々の投受光部１i，１j，１kに基づいて判別された結果を、図１９あるいは図２０に示すようにメモリに記憶する。その際、路面Ｆが乾燥状態にあるときの投受光部１i，１j，１kと路面Ｆとの距離を基準値０として、路面Ｆとの距離の変位量も路面状態の判別結果に対応付けて記憶する。なお、距離の変位量は、図６のステップ２〜ステップ４、あるいは図１５のステップ２２〜２４の処理結果に基づいて算出される。
【００８８】
このようにすれば、道路の走行方向の路面状態のみならず、道路の幅方向に沿った路面状態も分かるようになるため、図１９に示す例では、除雪や融雪剤の散布のための定量的なデータとして活用することができる。また、図２０に示す例では、道路に積雪がなくても道路のわだちや陥没などの凹凸の有無を調べることができるため、道路の補修のための定量的なデータとして活用することができる。▲４▼ さらに、図１７に示すように、路面状態の判別の際に、車輪回転速度センサ５２の検出出力に基づく走行速度情報や、ＧＰＳ５４に基づく走行位置情報も同時に信号処理回路１８に取り込むようにしてもよい。そして、これらの情報から現在の車両走行位置を求めて路面状態の判別結果と併せて道路管理センターに情報を送信することにより、道路管理センタでは、図２１に示すような道路の路面状態を示す道路管理マップを作成することができる。
【００８９】
そして、この道路管理マップによって、局所的な路面状態を把握できるので、凍結防止剤の散布指令、除雪作業指令といったように、的確な道路対策を指示することができる。
【００９０】
【発明の効果】
本発明によれば、次の効果を奏する。
【００９１】
（１）請求項１または２記載の発明では、画像センサ上に結像されるスポット像や発散像の大きさから路面状態を判別するため、今までのような空間フィルタや波形解析装置は必要でなく、簡単な構成で路面状態の判別を行うことができ、安価な装置を提供することができる。
【００９２】
（２）特に、請求項２記載の発明では、路面の湿潤状態の判別を行うことができる。
【００９４】
（３）請求項３記載の発明では、請求項２記載の発明の効果に加えて、画像センサの検出出力が飽和して必要な情報が得られないといった不都合を回避することができる。
【００９５】
（４）請求項４記載の発明では、請求項２あるいは請求項３記載の発明の効果に加えて、路面の冠水状態の判別を行うことができる。
【００９６】
（５）請求項５記載の発明では、請求項１ないし請求項４記載の効果に加えて、道路の走行方向に沿う路面状態のみならず、道路の幅方向に沿った路面状態（たとえば、道路の凹凸など）の判別もできるため、さらに一層多様な路面状態の把握が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１における路面状態判別装置の投受光部の構成図
【図２】本発明の実施形態１における路面状態判別装置の信号処理部の構成図
【図３】本発明の実施形態１において画像センサ上に結像されるスポット像の路面状態に応じた特性を示す説明図
【図４】本発明の実施形態１において画像センサ上に結像されるスポット像の画像信号に対する処理内容の説明図
【図５】図４のＡ−Ａ'に沿った輝度レベルの分布を示す図
【図６】図２の信号処理部のＣＰＵの路面状態判別動作を説明するためのフローチャート
【図７】本発明の実施形態１において路面状態判別のために用いるテーブルの説明図
【図８】本発明の実施形態２における路面状態判別装置の投受光部の構成図
【図９】本発明の実施形態２における路面状態判別装置の信号処理部の構成図
【図１０】本発明の実施形態２において路面が乾燥状態にあるときに画像センサ上に結像される発散像の特性を示す説明図
【図１１】本発明の実施形態２において路面に積雪(圧雪)がある場合の画像センサ上に結像される発散像の特性を示す説明図
【図１２】本発明の実施形態２において路面が湿潤状態にあるときに画像センサ上に結像される発散像の特性を示す説明図
【図１３】本発明の実施形態２において路面が冠水状態にあるときに画像センサ上に結像される発散像の特性を示す説明図
【図１４】本発明の実施形態２における発散光源の駆動タイミング、およびこれによって画像センサで得られる画像信号を示すタイミングチャート
【図１５】図９の信号処理部のＣＰＵの路面状態判別動作を説明するためのフローチャート
【図１６】図１５のＣＰＵの動作の内、特に発散像に基づく路面状態判別の動作説明の詳細を示すフローチャート
【図１７】車両の底部の車幅方向に沿って複数の投受光部を配置して路面状態判別装置を構成した場合の構成図
【図１８】図１７の構成の路面状態判別装置によって路面状態を判別する状況を示す説明図
【図１９】図１７の構成の路面状態判別装置によって路面の積雪状態を判別した結果を示す説明図
【図２０】図１７の構成の路面状態判別装置によって路面乾燥状態を判別した結果を示す説明図
【図２１】図１７の構成の路面状態判別装置から送信される情報に基づいて道路管理センターで作成される道路管理マップの一例を示す図
【符号の説明】
１1，１2…投受光部、４…スポット光源、６…画像センサ、８…ＬＤ(スポット光源)、１４…ＣＣＤ、１６a，１６b…ＬＥＤ(発散光源)、１８1，１８2…信号処理部、３０…ＣＰＵ(識別手段)、４３…点灯駆動手段。
Claims (5)
- 路面に対して光の投受光を行う投受光部を有し、この投受光部は、路面に向けて非発散の光を照射するためのスポット光源と、このスポット光源の光照射による路面からの反射光を結像してスポット像として受光する画像センサとを含む一方、
路面に対するスポット光源の光軸を路面の法線に一致するように配置し、前記画像センサの光軸を、路面からの反射光を路面の法線から所定の角度傾斜して配置してあるとともに、
前記画像センサの検出出力に基づいて、前記結像されたスポット像の大きさを計測し、その計測値から路面状態を識別する識別手段を備えることを特徴とする路面状態判別装置。 - 路面に対して光の投受光を行う投受光部を有し、この投受光部は、路面に向けて非発散の光を照射するためのスポット光源と、路面に向けて発散された光を照射するための発散光源と、前記スポット光源及び発散光源の光照射による路面からの反射光を共に結像してスポット像および発散像として受光する画像センサとを含む一方、
前記スポット光源と発散光源を交互に点灯駆動する点灯駆動手段と、前記画センサの検出出力に基づいて、前記結像されたスポット像の大きさ、および前記結像された発散像に含まれる輝点数を共に計測し、それらの各計測値から路面状態を識別する識別手段とを備えることを特徴とする路面状態判別装置。 - 請求項２記載の路面状態判別装置において、
前記スポット光源の光軸と前記画像センサの光軸とが路面の法線に対して互いに異なる角度となるように配置されていることを特徴とする路面状態判別装置。 - 請求項２または請求項３記載の路面状態判別装置において、
前記発散光源は複数設けられていることを特徴とする路面状態判別装置。 - 請求項１ないし４のいずれかに記載の路面状態判別装置において、
前記投受光部は、車両の車幅方向に沿って複数配置されていることを特徴とする路面状態判別装置。
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