JP6723317B2 - レーザ距離測定装置 - Google Patents
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Description
物体に反射したレーザ光の反射光を受光し、受光信号を出力する受光部と、
前記レーザ光発生部がレーザ光を出射してから前記受光部が前記受光信号を出力するまでの時間である受光時間を時間分解能で測定する時間測定器と、
前記時間測定器による前記受光時間の測定結果に基づいて、物体までの距離である物体距離を算出する距離算出部と、を備え、
前記距離算出部は、検出情報に基づいて、前記物体距離の算出に用いる前記時間測定器の時間分解能を変化させ、
前記検出情報は、前記受光時間であり、
前記時間分解能が互いに異なり、前記時間分解能が大きいほど、最大測定時間が長い複数の前記時間測定器が設けられ、
前記距離算出部は、複数の前記時間測定器から、測定した前記受光時間が長いほど、前記時間分解能が大きい1つの前記時間測定器を選択し、
前記距離算出部は、選択された1つの前記時間測定器の前記受光時間の測定結果に基づいて、前記物体距離を算出するものである。
実施の形態1に係るレーザ距離測定装置10について図面を参照して説明する。図1は、レーザ距離測定装置10の概略構成を示すブロック図である。図2は、レーザ距離測定装置10の光学系の概略配置構成を示す模式図である。レーザ距離測定装置10は、LiDAR(Light Detection and Ranging)又はレーザレーダとも呼ばれる。レーザ距離測定装置10は、自車両に搭載され、自車両の前方にレーザ光L1を2次元走査して照射し、レーザ距離測定装置10(自車両)から自車両の前方に存在する物体までの距離を測定する。
レーザ光発生部11は、レーザ光L1を出射する。レーザ光発生部11は、レーザ光源111、及びレーザ光源駆動回路112を備えている。レーザ光源駆動回路112は、図8に示すように、パルス周期Tpでオンになるパルス状の出力信号(出射信号)を生成する。レーザ光源駆動回路112は、後述する送受光制御部16からの指令信号に基づいて、パルス状の出力信号を生成する。レーザ光源111は、レーザ光源駆動回路112から伝達された出力信号がオンになったときに、近赤外波長のレーザ光L1を発生し、走査機構12に向かって出射する。なお、レーザ光源111から出射されたレーザ光L1は、レーザ光源111と走査機構12との間に配置された集光ミラー133を透過する。
走査機構12は、レーザ光L1の照射角度を変化させる。本実施の形態では、走査機構12は、自車両の前方に照射するレーザ光L1の照射角度を、自車両の進行方向(照射中心線)に対して左右方向及び上下方向に変化させる。走査機構12は、可動ミラー121、及びミラー駆動回路122を備えている。図2に示すように、レーザ光源111から出射したレーザ光L1は、集光ミラー133を透過した後、可動ミラー121に反射し、筐体9に設けられた透過窓19を透過して、可動ミラー121の角度に応じた照射角度で自車両の前方に照射される。
受光部13は、自車両の前方の物体に反射したレーザ光の反射光L2を受光する。受光部13は、光検出器131、光検出器制御回路132、及び集光ミラー133を備えている。図2に示すように、自車両の前方にある物体40に反射した反射光L2は、透過窓19を透過し、可動ミラー121に反射した後、集光ミラー133に反射し、光検出器131に入射する。
レーザ距離測定装置10は、制御装置20を備えている。制御装置20は、走査制御部14、距離算出部15、及び送受光制御部16等の機能部を備えている。制御装置20の各機能は、制御装置20が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置20は、図6に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90とデータのやり取りをする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入出力する入出力装置92、レーザ距離測定装置10の外部の外部装置とデータ通信を行う外部通信装置93、及び時間測定器94等を備えている。
送受光制御部16は、レーザ光源駆動回路112に指令信号を伝達し、パルス周期Tpで、パルス幅を有するパルス状のレーザ光を出力させる。また、送受光制御部16は、光検出器制御回路132に指令信号を伝達し、光検出器131に受光信号を出力させる。
走査制御部14は、走査機構12を制御してレーザ光の照射角度を走査させる。本実施の形態では、走査制御部14は、自車両の進行方向に対する左右方向の照射角度範囲でレーザ光を走査させると共に、自車両の進行方向に対する上下方向の照射角度範囲でレーザ光L1を走査させる2次元走査を行う。
時間測定器94は、レーザ光発生部11がレーザ光L1を出射してから受光部13が受光信号を出力するまでの時間である受光時間Tctを、時間分解能Δtで測定する。時間測定器94には、レーザ光の出射信号と、受光信号とが入力され、レーザ光の出射信号が入力された時点から受光信号が入力された時点までの時間Tct(受光時間Tct)を測定し、受光時間Tctの測定結果を表す信号を出力する。出力信号は、演算処理装置90に入力される。本実施の形態では、時間測定器94は、後述する距離算出部15(演算処理装置90)から伝達された時間分解能Δtで、受光時間Tctを測定する。
距離算出部15は、時間測定器94が測定した受光時間Tctに基づいて、照射角度に存在する物体までの距離を算出する。
図11は、レーザ光が出射してから反射光を受光し、時間計測するまでの時間測定器94のカウンタ処理、及びデータ処理の流れを説明するタイムチャートである。図11の最上段のタイムチャートは、レーザ光源駆動回路112からレーザ光源111への出力信号(以下、出射信号と称す)の時間波形を示している。図11の上から2段目のタイムチャートは、光検出器131が出力した受光信号の時間波形を示している。図11の上から3段目のタイムチャートは、時間測定器94のカウント間隔を示している。図11の最下段のタイムチャートは、カウンタのデータ処理が可能な時間帯を示している。
tct=2×L/c0 ・・・(1)
よって、受光時間tctは、物体の距離Lに依存する。レーザ光の強度及び反射光の受光感度等から定まる、レーザ距離測定装置10が測定可能な最大の測定距離をLmとすると、それに対応する測定可能な最大の受光時間Tct1mは、次式で与えられる。
Tct1m=2×Lm/c0 ・・・(2)
2×Lm/c0からtctを差し引いた時間をt2とする(t2=2×Lm/c0−tct)。計測した受光時間Tctの転送に必要な時間t3は、受光時間Tctのビット数をNとし、信号演算及び処理時間を含めた1秒当たりの転送ビット数をBとすると、次式で与えられる。
t3=N/B ・・・(3)
M=1/(Tct+t2+t3) ・・・(4)
ここで、Tct+t2=2×Lm/c0である。カウンタ値のビット数Nは、次式で与えられる。ここで、RoundUP1(A)は、Aの小数点以下を切り上げる処理を行う関数である。
N=RoundUP1(log2(2×Lm/c0/Δt))
・・・(5)
よって、計測した受光時間Tctの転送に必要な最小限の時間t3は、次式で与えられる。
t3=RoundUP1(log2(2×Lm/c0/Δt))/B
・・・(6)
よって、単位時間当りの測定回数の最大値Mは、次式で与えられる。
M=1/{Tct+t2
+RoundUP1(log2(2×Lm/c0/Δt))/B}
・・・(7)
図12は、レーザ光の照射角度を左から右に走査した場合の各照射角度200と、各照射角度200において、レーザ光が物体に当った箇所を黒丸201で示した図である。図12の例では、物体40の後方に遠方背景物41がある。
そこで、距離算出部15は、検出情報としての受光時間Tctに基づいて、物体距離の算出に用いる時間測定器94の時間分解能Δtを変化させるように構成されている。距離算出部15は、測定した受光時間Tctが長くなるに従って、時間分解能Δtを大きくする。なお、測定した受光時間Tctの代わりに、受光時間Tctと比例関係になる、測定距離が用いられてもよい。
図16のフローチャートを用いて処理を説明する。処理を開始すると、ステップS01で、走査制御部14は、走査機構12を制御してレーザ光の照射角度を走査させる。そして、ステップS02で、送受光制御部16は、レーザ光源駆動回路112に指令信号を伝達し、パルス周期Tpのパルス状のレーザ光を発光させる。ステップS03で、時間測定器94は、レーザ光源駆動回路112からレーザ光源111への出力信号が閾値を超えると、カウンタ値のカウントアップを開始する。ステップS04で、受光部13は、反射光を受光すると受光信号を出力する。ステップS05で、時間測定器94は、受光部13が出力した受光信号が閾値を超えると、カウントアップを停止する。
次に、実施の形態2に係るレーザ距離測定装置10について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係るレーザ距離測定装置10の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、距離算出部15の時間分解能Δtの変化方法が実施の形態1と異なる。
図18のフローチャートを用いて処理を説明する。処理を開始すると、ステップS21で、走査制御部14は、走査機構12を制御してレーザ光の照射角度を走査させる。そして、ステップS22で、距離算出部15は、前回のフレームで判定された、対応する照射角度の時間分解能の設定情報を記憶装置91から読み出す。そして、ステップS23で、距離算出部15は、読み出した設定情報に対応する時間分解能Δtを時間測定器94に伝達する。
次に、実施の形態3に係るレーザ距離測定装置10について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係るレーザ距離測定装置10の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、距離算出部15の時間分解能Δtの変化方法が実施の形態1と異なる。
Δt=(Tct+ΔTmg)/(2N) ・・・(8)
Δt=Km×Tct/(2N) ・・・(9)
次に、実施の形態4に係るレーザ距離測定装置10について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係るレーザ距離測定装置10の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、複数の時間測定器94が設けられている点が実施の形態1と異なる。
次に、実施の形態5に係るレーザ距離測定装置10について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係るレーザ距離測定装置10の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、複数の時間測定器94が設けられている点が実施の形態1と異なる。
次に、実施の形態6に係るレーザ距離測定装置10について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係るレーザ距離測定装置10の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、時間測定器94の構成が実施の形態1と異なる。
V=Vc×e(−t/(R×C)) ・・・(10)
ここで、Rは負荷の抵抗であり、Cは、コンデンサの静電容量である。したがって、R、Cが既知である時、レーザ光の出射をトリガに負荷を接続し、コンデンサの端子電圧VをA/D変換器によりA/D変換し、取得することで、受光時間Tctが求まる。
次に、実施の形態7に係るレーザ距離測定装置10について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係るレーザ距離測定装置10の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、検出情報が、レーザ距離測定装置10が搭載された車両の速度である点が実施の形態1と異なる。
次に、実施の形態8に係るレーザ距離測定装置10について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係るレーザ距離測定装置10の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、検出情報が、レーザ距離測定装置10が搭載された車両の加速度である点が実施の形態1と異なる。
次に、実施の形態9に係るレーザ距離測定装置10について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係るレーザ距離測定装置10の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、検出情報が、車両の傾きである点が実施の形態1と異なる。
次に、実施の形態10に係るレーザ距離測定装置10について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係るレーザ距離測定装置10の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、検出情報が、受光時間の時間変化である点が実施の形態1と異なる。
最後に、本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
Claims (6)
- レーザ光を出射するレーザ光発生部と、
物体に反射したレーザ光の反射光を受光し、受光信号を出力する受光部と、
前記レーザ光発生部がレーザ光を出射してから前記受光部が前記受光信号を出力するまでの時間である受光時間を時間分解能で測定する時間測定器と、
前記時間測定器による前記受光時間の測定結果に基づいて、物体までの距離である物体距離を算出する距離算出部と、を備え、
前記距離算出部は、検出情報に基づいて、前記物体距離の算出に用いる前記時間測定器の時間分解能を変化させ、
前記検出情報は、前記受光時間であり、
前記時間分解能が互いに異なり、前記時間分解能が大きいほど、最大測定時間が長い複数の前記時間測定器が設けられ、
前記距離算出部は、複数の前記時間測定器から、測定した前記受光時間が長いほど、前記時間分解能が大きい1つの前記時間測定器を選択し、
前記距離算出部は、選択された1つの前記時間測定器の前記受光時間の測定結果に基づいて、前記物体距離を算出するレーザ距離測定装置。 - レーザ光を出射するレーザ光発生部と、
物体に反射したレーザ光の反射光を受光し、受光信号を出力する受光部と、
前記レーザ光発生部がレーザ光を出射してから前記受光部が前記受光信号を出力するまでの時間である受光時間を時間分解能で測定する時間測定器と、
前記時間測定器による前記受光時間の測定結果に基づいて、物体までの距離である物体距離を算出する距離算出部と、を備え、
前記距離算出部は、検出情報に基づいて、前記物体距離の算出に用いる前記時間測定器の時間分解能を変化させ、
前記検出情報は、前記受光時間であり、
前記時間分解能が互いに異なり、前記時間分解能が大きいほど、最大測定時間が長い複数の前記時間測定器が設けられ、
前記距離算出部は、複数の前記時間測定器が測定した複数の前記受光時間の測定結果から、測定した前記受光時間が長いほど前記時間分解能が大きい1つの前記時間測定器により測定された前記受光時間の測定結果を選択し、
前記距離算出部は、選択された1つの前記受光時間の測定結果に基づいて、前記物体距離を算出するレーザ距離測定装置。 - 前記距離算出部は、直前に測定した前記受光時間に基づいて、今回の測定において選択する前記時間測定器の前記時間分解能を変化させる請求項1に記載のレーザ距離測定装置。
- 前記レーザ光の照射角度を変化させる走査機構と、
前記走査機構を制御して前記レーザ光の照射角度を周期的に走査させる走査制御部と、を更に備え、
前記距離算出部は、今回の測定の照射角度に対応する前回の走査周期の照射角度で測定した受光時間に基づいて、今回の測定において選択する前記時間測定器の前記時間分解能を変化させる請求項1に記載のレーザ距離測定装置。 - 前記時間測定器は、カウンタ方式であり、時間領域の信号をデジタル値に変換するタイムデジタルコンバータである請求項1から4のいずれか一項に記載のレーザ距離測定装置。
- 複数の前記時間測定器は、前記受光時間の測定結果を表すデータ量が互いに同じである請求項1から5のいずれか一項に記載のレーザ距離測定装置。
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