JP6980301B2

JP6980301B2 - 表面特性の特定

Info

Publication number: JP6980301B2
Application number: JP2019539239A
Authority: JP
Inventors: マッコールスタンレー，バイロン; タイラーコーニック，マシュー
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2021-12-15
Anticipated expiration: 2038-01-29
Also published as: US20180217231A1; WO2018140134A3; US20200355821A1; JP2020507750A; CN110462433A; US10746867B2; EP3574340A2; EP3574288A4; JP2022024024A; EP3574340B1; ES2928098T3; EP3574340A4; EP3574341A1; JP2024001209A; US10663579B2; WO2018140893A1; EP3574341B1; CN110520754B; CN118244264A; US20180217251A1

Description

関連出願
［０００１］この出願は、２０１７年１月２７日に出願された「ＬＧＰＲＣａｐａｂｉｌｉｔｙ」という名称の米国仮特許出願第６２／４５１，３１３号、および２０１７年７月７日に出願された「ＬｏｃａｌｉｚｉｎｇＧｒｏｕｎｄ−ＰｅｎｅｒａｔｉｎｇＲａｄａｒ」という名称の米国仮特許出願第６２／５２９，７４０号の早い出願日の利益を請求するものであり、これらはその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明における政府の権利
［０００２］本発明は、米国空軍により授与された契約番号ＦＡ８７２１−０５−Ｃ−０００２の下で政府の支援によりなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。

発明の分野
［０００３］本発明は、一般に、表面特性を特定するための方法およびシステムに関する。この方法およびシステムは、車両を制御するために使用され得る。

発明の背景
［０００４］車両の自律航法では、実世界の環境を感知したり、環境（道路など）の広範な事前知識を必要とする。実世界の環境は変化に富んでおり、詳細な事前のマップは路面状態などの航行条件の変化を考慮していない。したがって、表面特性の特定を実現する方法およびシステムが求められており、これは車両の自律航行を支援し得る。

［０００５］本技術の例示的な実施形態は、表面特性を特定する方法を含む。

［０００６］一実施形態では、表面特性を特定する方法は、表面貫通レーダー（ＳＰＲ）信号をＳＰＲシステムから表面に向けて送信するステップを含み得る。この方法はまた、ＳＰＲシステムで応答信号を受信するステップを含み得る。応答信号は、少なくとも部分的に、表面に関連付けられた表面領域からのＳＰＲ信号の反射を含み得る。この方法はさらに、応答信号の強度および位相のうちの少なくとも一方を測定するステップを含み得る。この方法はさらに、応答信号の強度および位相の少なくとも一方に少なくとも部分的に基づいて、表面の表面特性を特定するステップを含み得る。

［０００７］様々な実装例において、この方法は、応答信号、測定された応答信号の強度、測定された応答信号の位相、および特定された表面特性の少なくとも１つを、乗物の１以上の制御システムに送信するステップを含み得る。この方法はまた、応答信号、応答信号の測定強度、応答信号の測定位相、および特定された表面特性のうちの少なくとも１つに基づいて乗物を制御することを含み得る。表面特性の特定は、伝達関数と周波数応答の少なくとも一方に基づいてもよい。表面特性は、雪、氷、水、泥、泥水、砂、塩の少なくとも１つであり得る。

［０００８］様々な実装例において、表面特性の特定は、応答信号の測定された強度または位相を、複数の所定の表面特性に関連する信号応答の既知の強度または位相と相関させるステップを含み得る。表面特性の特定はまた、クリアな表面特性の既知の強度または位相と測定された応答信号の強度または位相の差、および降水状態の表面特性の既知の強度または位相と測定された応答信号の強度または位相の差の少なくとも一方を計算するステップを含み得る。表面特性の特定はさらに、応答信号の測定された強度または位相を、複数の事前定義された表面特性に関連付けられた信号応答の既知の強度または位相と相関させるステップと、クリアな表面特性の既知の強度または位相と応答信号の測定された強度または位相、および降水状態の表面特性の既知の強度または位相と応答信号の測定された強度または位相との差の少なくとも一方を計算するステップとを含み得る。

［０００９］様々な実装例において、応答信号の測定された強度は、電圧および電力のうちの少なくとも１つであり得る。ＳＰＲシステムは、乗物の下に配置された複数のＳＰＲアンテナおよびチャネルを含み得る。各チャネルは、少なくとも１つの送信素子と少なくとも１つの受信素子を含み得る。ＳＰＲシステムは、車両の位置特定用途にも使用することができる。表面特性の特定は、応答信号と、応答信号の測定された強度または位相、および別のセンサの出力のうちの１以上を使用するステップを含み得る。センサは、光学センサ、慣性航法システム（ＩＮＳ）、ＧＰＳ、音響航法および測距（ＳＯＮＡＲ）システム、ＬＩＤＡＲシステム、カメラ、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、ホイールスリップセンサ／エンコーダ、および補助レーダーシステムのうちの１以上に関連付けられる。

［０００１０］一実施形態では、表面特性を特定するためのシステムは、少なくとも１つのＳＰＲ送信素子と少なくとも１つのＳＰＲ受信素子とを含む少なくとも１つのＳＰＲチャネルを含み得る。システムはさらに、少なくとも１つのＳＰＲ受信素子と通信するＳＰＲプロセッサを含み得る。ＳＰＲプロセッサは、ＳＰＲ受信素子からの応答信号の受信に応じて、ＳＰＲ受信素子で受信された応答信号の強度および位相の少なくとも一方を測定することができる。応答信号は、少なくとも部分的に、表面に関連付けられた表面領域からの送信されたＳＰＲ信号の反射を含み得る。ＳＰＲプロセッサは、応答信号の強度または位相に少なくとも部分的に基づいて、表面の表面特性を特定することができる。

［０００１１］様々な実装例において、ＳＰＲプロセッサは、応答信号、応答信号の測定強度、応答信号の測定位相、および特定された表面特性のうちの少なくとも１つを乗物の１以上の制御システムに送信するように構成され得る。

［０００１２］一実施形態では、表面特性を特定するためのＳＰＲシステムは、車両の下に配置可能なＳＰＲアンテナアレイを含み得る。このＳＰＲアンテナアレイは、複数のＳＰＲチャネルを形成し得る。各ＳＰＲチャネルはＳＰＲアンテナ対を含み、ＳＰＲアンテナ対の一方のＳＰＲアンテナはＳＰＲ送信アンテナであり、ＳＰＲアンテナ対の他方のＳＰＲアンテナはＳＰＲ受信アンテナである。このシステムはさらに、ＳＰＲ受信アンテナと通信するＳＰＲプロセッサを含み得る。このＳＰＲプロセッサは、ＳＰＲ受信アンテナで受信された応答信号の強度または位相を測定するように構成され得る。応答信号は、少なくとも部分的に、表面に関連付けられた表面領域からの送信されたＳＰＲ信号の反射を含み得る。ＳＰＲプロセッサはまた、応答信号の強度または位相に少なくとも部分的に基づいて、表面の１以上の表面特性を特定するように構成され得る。

［０００１３］様々な実装例において、第１のＳＰＲチャネルは、車両の前部運転席側タイヤの後ろに配置可能な第１のＳＰＲ送信アンテナと、車両の助手席側タイヤの方へ第１のＳＰＲ送信アンテナに実質的に平行に配置された第１のＳＰＲ受信アンテナとを含み得る。ＳＰＲアンテナアレイのＳＰＲアンテナ対は、互いに実質的に平行に配置可能であり、ＳＰＲアンテナアレイは、車両の前部運転席側タイヤの後ろから車両の助手席側タイヤに向かって延びるように配置可能であり得る。ＳＰＲアンテナは、車両の前部運転席側タイヤの後ろから車両の後部運転席側タイヤに向かって、車両の長さに沿って縦方向に配置可能であってもよい。

［００１０］本発明の上記およびさらなる利点は、添付の図面と併せて以下の説明を参照することにより、よりよく理解することができ、同様の数字は、様々な図の同様の構造要素および特徴を示している。明確のために、すべての要素がすべての図において符号付けされているわけではない。図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに本発明の原理を説明することに重点が置かれている。
［００１１］図１は、本開示による表面特性を特定する方法の実施形態のフローチャートである。［００１２］図２は、本開示によるＳＰＲシステムを装備した車両の側面図を示す。［００１３］図３は、本開示による、ＳＰＲシステムを装備した車両の正面図を示す。［００１４］図４は、本開示によるＳＰＲシステムを装備した車両の底面図を示す。［００１５］図５は、本開示による例示的なＳＰＲシステムを示す。［００１６］図６は、本開示による路面特性を示す例示的なプロットを示す。［００１７］図７も、本開示による路面特性を示す例示的なプロットを示す。［００１８］図８も、本開示による路面特性を示す例示的なプロットを示す。［００１９］図９も、本開示による路面特性を示す例示的なプロットを示す。

［００２０］以下で説明する様々な実施形態では、地面（ground）および表面（surface）に言及している。地面には、土壌、アスファルト層やコンクリート層、砂利、砂などの路面または舗道が含まれ、表面とは空気、配列物、流体、雪、雨、スラッジ、泥、または自由空間との界面であることが理解されよう。場合によっては、表面には、トンネル、坑道、および乗物が移動する他の通路を囲む面も含まれる。本書で使用される表面領域という用語は、表面上の状態または物質の層の深さを含む。例えば、表面領域には、道路上の雪の層の中、または地面および／または地面自体の一部の泥の層の中にあるものも含まれ得る。

［００２１］より一般的には、本明細書では、表面貫通レーダー（ＳＰＲ）および地面貫通レーダー（ＧＰＲ）に言及する。本書で用いられる場合、ＳＰＲは、表面下領域からデータを取得するように構成されたレーダーシステムを意味する。ＳＰＲは、壁面、天井、床面、またはトンネルや通路に沿った１以上の表面の背後にある表面下領域のデータを取得するように構成および方向付けすることができる。場合によっては、ＳＰＲは表面のデータも取得することができる。ＧＰＲシステムは、地下領域からデータを取得するように構成されたＳＰＲシステムの一種であり、地表のデータも取得できることが認識されよう。本書で使用される表面下領域とは、地表の下の地下領域など、表面の裏の領域をいう。あるいは、表面下領域は、壁や天井構造の内部および／または背後の領域など、構造物の表面の背後の領域であり得る。

［００２２］簡単な概要では、本開示は、表面特性を特定するための方法およびシステムに関する。この方法は、ＳＰＲシステムから車両下の表面に向かって表面貫通レーダー（ＳＰＲ）信号を送信するステップを含み得る。この方法はまた、ＳＰＲシステムで応答信号を受信するステップを含み得る。応答信号は、少なくとも部分的に、表面に関連付けられた表面領域からのＳＰＲ信号の反射を含み得る。この方法はさらに、応答信号の強度または位相を測定するステップを含み得る。この方法はさらに、応答信号の強度または位相に少なくとも部分的に基づいて、表面の表面特性を特定するステップを含み得る。実装例では、ＳＰＲシステムは車両の位置特定用途にも使用することができる。

［００２３］ＳＰＲやＧＰＲを用いた乗物の位置特定方法およびシステムは、例えば、「表面貫通レーダーを用いた車両の位置特定方法およびシステム」という名称の米国特許出願第１５／８３０，３９８号と、米国特許第８，９４９，０２４号の「表面貫通レーダーを使用した車両位置特定」に記載されており、その開示は両方ともその全体が参照により本明細書に組み込まれる。さらに、地下領域における変化を検出および位置特定する方法およびシステムが、例えば、「モバイルコヒーレント変化検出地面貫通レーダー」という名称の米国特許第８，７８６，４８５号に記載されており、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。本書記載の方法およびシステムは、自律的な地上車両航行を容易にするという文脈で説明されるが、この方法およびシステムは他のタイプの航行に有用であり得る。自動車両航行の円滑化は、自動車や陸上を走行する他の形態の地上車両に限定されない。代わりに、本開示で説明される自律車両航行の促進のための技術および特徴は、水上、水中、地下、屋内、または飛行（および、例えば、系外探査）による航行に適用することができる。

［００２４］図１を参照すると、本開示にかかる表面特性の特定方法１００のフローチャートが示されている。図２を参照すると、本開示によるＳＰＲシステム２０２を装備した車両２００の側面図が示されている。本開示で説明するＳＰＲシステム２０２および他のＳＰＲシステムは、地面貫通レーダー操作を実行するように設計され、収集された表面下画像化のためのデータ、表面の情報またはデータ、すなわち、表面下領域と大気または局所環境との界面のデータも、ＳＰＲシステムによって収集することができる。ＳＰＲシステムが受信する最も強い戻り信号は、通常、表面によって引き起こされる反射に基づく。

［００２５］車両２００は自動車として示されているが、非限定的な例として、乗客または機器、センサおよび他の物体などの荷物を輸送するためのプラットフォームを含む、任意の移動式プラットフォームまたは構造であり得る。車両２００は、方向転換（すなわち、操縦）能力、加速および減速する能力を有し得る。図中の車両２００は、その制御可能な自由度が総自由度よりも小さいことから一般に非ホロノミックであると解されるが、全方向車輪を有する車両などのホロノミック車両も考えられる。他の実施形態では、車両２００は、その高さ（または地面からの距離）、ピッチ、ヨー、およびロールのうちの１つまたは複数を変更することができてもよい。車両２００は、ＳＰＲベースの航行システムを含み、自律モードで動作することができる。言い換えれば、車両２００の乗客の操作は制限されるか、または不要で、航行のために車両２００によって受信されるリモートコマンドが存在しない場合がある。一例として、操作の制限には、乗客による速度制御が含まれてもよいが、他の操作は自律的な制御下にあるものとする。

［００２６］一実施形態では、方法１００は、ＳＰＲシステム２０２から車両２００の下の面（例えば、表面２０６）に向かって地面貫通レーダー（ＳＰＲ）信号（例えば、信号２０４）を送信するステップ１０２を含み得る。ＳＰＲシステム２０２は、車両２０２の下側に固定されたアンテナアレイを含み得る。ＳＰＲアンテナアレイは、レーダー信号を送信および受信するための空間的に不変の送信および受信アンテナ要素の線形構成を含み得る。信号２０４は、ＳＰＲアンテナアレイの送信アンテナ素子のうちの１つによって送信され得る。他の実施形態では、ＳＰＲアンテナアレイは、車両２０２の他の場所に配置され（例えば、車両の前部に固定され）てもよいし、送信および受信アンテナ素子は直線的に配置されなくてもよい。ＳＰＲアンテナアレイは、地面２０６に名目上または実質的に平行であってもよく、進行方向に平行または垂直に延在してもよい。ＳＰＲ信号（例えば、信号２０４）は、送信アンテナ素子から車両２０２の下の路面２０６へ、および／またはそれを通って下向きに伝搬する。ＳＰＲ信号は、表面２０６から上方に後方散乱され、受信アンテナ素子によって検出され得る。

［００２７］様々な実装例において、ＳＰＲ信号は、水や他の表面特性に対する感度に基づいて選択され得る周波数または周波数範囲を有し得る。周波数応答を分析して、ＳＰＲ信号に適した周波数を決定することができる。例えば、周波数の選択は、様々な表面特性（雪、氷、水、泥、泥水、砂、および／または塩）からの反射に関連するため、各周波数の応答に基づくことができる。特定の深度範囲または特徴種類、安定性、散乱レベル、および特徴サイズがデータで強調または非強調されるように、周波数を選択することができる。したがって、周波数の選択により、雪、氷、水、泥、泥水、砂、および／または塩などの表面特性を強調することができる。例えば、周波数が高いほど、水や雪からの減衰および／または反射が多くなり、表面貫通が少なくなる。周波数が高くなると、位相シフトがわずかに異なる場合がある。

［００２８］図５を参照すると、本開示による例示的なＳＰＲシステムが示されている。ＳＰＲシステム５００は、モバイルＳＰＲシステムであり、ＳＰＲアンテナアレイ５０２を含み得る。例えば、ＳＰＲアンテナアレイ５０２は、車両の下側に固定されてもよい。ＳＰＲアンテナアレイ５０２は、レーダー信号を送信および受信するための１以上の送信および受信アンテナ素子を含み得る。さらに、ＳＰＲアンテナアレイ５０２は、ＳＰＲアンテナアレイ５０２を制御し得るＳＰＲプロセッサ５０４と通信し得る。レーダートランシーバーが信号を送受信することができる。プロセッサは、汎用プロセッサ、ＧＰＵなどであり得る。例えば、ＳＰＲプロセッサ５０４は、ＳＰＲアンテナアレイ５０２またはその中の１以上の送信および受信アンテナ素子の送信動作を制御し得る。ＳＰＲプロセッサ５０４は、ＳＰＲアンテナアレイ５０２またはその中の１以上のアンテナ素子から戻りレーダー信号を受信し得る。図２のＳＰＲシステム２０２は、ＳＰＲシステム５００と同一、類似、またはその一実装例であり得る。

［００２９］この実装例では、ＳＰＲシステム５００はまた、車両の位置特定動作を実行するための１以上の構成要素を含み得る。例えば、ＳＰＲシステム５００は、上述の米国特許出願第１５／８３０，３９８号により詳細に説明されているように、位置合わせモジュール（registration module）、変換モジュール、ユーザインターフェース、および／または参照画像ソースを含み得る。このようにして、ＳＰＲシステムは、乗物（例えば、車両２００）の位置特定アプリケーションで使用することができる。ＳＰＲシステムは、他の用途や操作の中でも、トラクション制御、オートパイロット、および人間オペレータの警告にも使用することができる。

［００３０］図１に戻ると、方法１００は、ＳＰＲシステム２０２で応答信号を受信するステップ１０４を含み得る。応答信号は、少なくとも部分的に、車両２００の下の面２０６に関連付けられた表面領域からのＳＰＲ信号（例えば、信号２０４）の反射を含み得る。応答信号は、ＳＰＲシステム２０２のＳＰＲアンテナアレイの受信アンテナ素子の１つによって受信されてもよい。送信アンテナと受信アンテナは、同じタイプの素子、異なるスタイルの素子、または異なる場所に配置されてもよい。アンテナの種類や位置が異なると、結果のデータに影響を与える可能性があるため、マップとの互換性を考慮する必要がある。

［００３１］図３、４を参照すると、車両２００の正面図および底面図が示されている。ＳＰＲシステム２０２は、ＳＰＲアンテナアレイ２０８を含み得る。ＳＰＲアンテナアレイ２０８は、アンテナ素子ａ〜ｌを含み得る。このＳＰＲアンテナアレイ２０８は１２個のアンテナ素子ａ〜ｌを含むが、この構成は例示目的のみのために示され、ＳＰＲアンテナアレイ２０８は他の数のアンテナ素子または他の構成を含むことができる。アンテナ要素ａ〜ｌは、１１個のチャネル（例えば、チャネル１〜１１）を形成し得る。各チャネルには、送信素子と受信素子、または送受信対が含まれる。例えば、運転席側から助手席側まで車両を横切って配置されたＳＰＲアンテナアレイ２０８にわたって１２個の素子があり得る。一実装例では、送信素子と受信素子またはアンテナは、同じ場所に配置してもよく、同じ素子であってもよい。

［００３２］一実装例では、チャネル１は、車両２００の運転者側の前タイヤ２１０またはその近くに配置され得る。チャネル１１は、車両２００の乗客側の前タイヤ２１２またはその近くに配置され得る。アンテナのセット（アンテナａ、ｂなど）は、約２フィートの長さである。各アンテナは、車両２００の前タイヤと後タイヤの間に配置されてもよい。チャネルの１つのアンテナ（アンテナａなど）で送信され、１つのアンテナ（アンテナｂなど）で受信されてもよい。アンテナは棒状であってもよく、互いに５インチ離れていてもよい。例えば、アンテナａは、運転席側の前タイヤ２１０の隣にあり、アンテナｂは、助手席側の前タイヤ２１２に５インチ近くてもよい。さらなるアンテナｃ〜ｌが助手席側に向かって５インチ間隔で配置され、最後のアンテナ（ｌ）は助手席側の前タイヤ２１２の近くにくる。このように、本明細書で説明されるＳＰＲシステムは、車両の下に配置された複数のＳＰＲアンテナおよびチャネルを含むことができ、各チャネルは少なくとも１つの送信素子と少なくとも１つの受信素子を含み得る。

［００３３］図１を参照すると、方法１００はまた、応答信号の強度または位相を測定するステップ１０６を含み得る。応答信号の強度または位相は、ＳＰＲプロセッサ（ＳＰＲプロセッサ５０４など）および／または、電圧計や電流計などのＳＰＲシステムに含まれる１以上の他の機器によって測定することができる。ＳＰＲプロセッサは、１またはそれ以上のＳＰＲアンテナ素子から応答信号を受信し得る。応答信号の測定された強度または位相は、電圧および電力または電流の少なくとも１つであり得る。信号がアンテナで受信されると、強度と位相の情報を保存するように、信号は適応化、フィルタリング、および／またはサンプリングされる。

［００３４］方法１００はさらに、応答信号の強度または位相に少なくとも部分的に基づいて、乗物（例えば車両２００）の下の面（例えば表面２０６）の表面特性を特定するステップ１０８を含み得る。表面特性は、雪、氷、水、泥、泥水、砂、砂利、土、岩、破片、塩などの１以上であり得る。

［００３５］一実施例において、表面特性の特定は、伝達関数または周波数応答に基づいてもよい（１１４）。伝達関数は、２以上の周波数に対する応答の大きさ（強度）と位相を記録することで作成することができる。この応答は、表面領域の応答から分離して、既知の以前の経路（クリーンまたはそれ以外）、または特定の材料種類の応答と比較することができる。土壌の水分含有量が増加すると、地下応答のピーク周波数がシフトすることが示されている。

［００３６］表面特性の特定は、応答信号の測定された強度または位相を、複数の事前定義された表面特性（例えば、雪、氷、水、泥、泥水、砂、および塩）に関連する既知の強度または信号応答の位相と相関させるステップ１１６を含み得る。例えば、雪に関連する信号応答の既知の強度の範囲を、信号２０４に関連する応答信号の測定された強度または位相と相関させて、所与の時間の表面２０６の表面特性が雪であることを特定することができる。一実装例では、この相関動作１１６は、例えば雪または氷についての応答信号特性または範囲が既知であり、現在の応答信号が表面特性を特定するための事前情報と相関している場合、利用することができる。このようにして、表面特性をリアルタイムまたはほぼリアルタイムで特定することができ、これは車両のアクティブな駆動制御またはリアルタイム制御に役立ち得る。

［００３７］代替的または追加的に、表面特性の特定は、クリアな表面特性（例えば、道路上に降水または流体がない）の既知の強度または位相と、応答信号の測定された強度または位相との差を計算するステップ１１８を含み得る。クリアな表面特性の既知の強度は、ベースラインの数値または範囲とすることができる。既知の（または測定された）路面反射が与えられた場合、路面およびその周辺領域への応答を分離することにより、しきい値を設定して、反射が予想よりも高く路面状態の変化（例えば、雪）を示すことができる。雨の日に設定されたデータを使用して比較を行う場合は、逆の操作を実行することもできることに留意すべきである（例えば、乾燥、雨、雪など）。例えば、降水状態の表面特性（例えば、雨、氷、または雪の日）からのデータをベースラインとして用いて、乾燥または濡れた路面特性または状態を特定するための計算および相関を行うことができる。したがって、表面特性の特定は、代替的または追加的に、降水状態の表面特性の既知の強度または位相と応答信号の測定された強度または位相との差を計算するステップ１１８を含み得る。様々な実装例において、表面特性の特定は、上述の相関ステップ１１６と計算ステップ１１８の両方を含むことができ、これにより、状態の表面特性のより正確な特定が可能になる。

［００３８］一実装例では、一連のスイープを用いて、表面特性を特定するためのより正確なデータを取得することができる。１のスイープは、ＳＰＲアンテナアレイ全体の１セットの応答であり得る。さまざまな環境要因によりＳＰＲシステムの感度が高くなったり低くなったりする場合があり、そのような場合の表面特性や状態を正確に特定するには複数回のスイープが必要になる場合がある。一実装例では、１のスイープは１／１２６秒で実行することができる。８〜１０秒の複数回スイープにより、表面の特性や状態を特定するのに十分な応答を得ることができる。

［００３９］様々な実装例において、表面特性の特定は、応答信号自体、応答信号の測定された強度または位相、および／または別のセンサの出力、のうちの１以上を使用するステップ１１２を含み得る。別のセンサが、表面特性を特定するために使用できる情報またはデータを提供し、慣性航法システム（ＩＮＳ）、ＧＰＳ、音響航法および測距（ＳＯＮＡＲ）システム、ＬＩＤＡＲシステム、カメラ、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、車輪スリップセンサ／エンコーダ、および補助レーダーシステムに関連する光学センサまたは１つ以上の他のセンサを含むことができる。これらの他のセンサからのデータは補完的であるため、結果をＳＰＲシステムの結果と融合させると、より正確で堅牢な特定の表面状態の識別に利用することができる。

［００４０］ここで図６を参照すると、本書で説明する技術と特徴を用いて特定した路面特性と状態を示すプロット例が示されている。上下のプロットは、２つの異なる路面状態のケースを示す。プロット６０２は、雪のない乾いた路面または舗装を示す。プロット６０２の上から下に、ＳＰＲアンテナアレイのチャネル１〜１１からの応答が示されている（すなわち、左側に２、４、６、８、１０の間隔でマークされている）。信号強度の測定値が取得され、車両全体で左から右に表示されている。下軸（すなわち、２０００〜１６０００ポイントとマークされている）は時間を表し、これは車両が移動した距離に変換される。プロット６０２は、道路の最上層（すなわち、表面）からの応答強度を示す。信号強度の測定値は、実際に測定される電圧に変換することができる。プロット６０２の明暗は、路面の最上部からの反射強度がの大きさを示す。表示された測定値は、道路の最上部から出る信号応答の強度（電圧または電力など）を表す。プロットは、ＳＰＲアンテナアレイを搭載した車両が、一定の時間、一定の距離にわたって運転された場合に、反射信号強度がどのように見えるかを示している。

［００４１］表面の信号反射データは、１秒間に１２６回記録される。各ポイントは、１１チャンネルすべてにわたる１回のスイープまたは１セットの測定値を表す。したがって、約１６０００ポイントが示されている。１２６で割ると、各プロットの大まかな期間を計算することができる。状況によっては、ＳＰＲアンテナアレイからのデータ収集が制限される。例えば、車両の十分な動きがない場合、データが記録されず、サンプルは１／１２６秒よりも長い期間になり得る。例えば、車両が静止している場合、データは記録されなくてもよい。

［００４２］プロット６０２、６０４の右側には、０、２、４、６の×１０^５のスケールが示されている。これは、電力に比例する強度の尺度である。スケール内の色を、例えばプロット６０２内の色に合わせると、１×１０^５のオーダーの低い場合の応答信号強度を見ることができる。これは、プロット６０２がクリアな路面状態のデータを表しているためである。プロット６０４は雪道の路面状態からのデータを表しており、応答信号強度が６×１０^５近くで比較的高く、２×１０^５や４×１０^５近くにいくつかの測定値があることがわかる。プロット６０２では、１２０００の時点の範囲で、路面で反射異常値が検出されたことがわかる。これは、水または金属の道路構造がある地域であった可能性がある。

［００４３］このようにして、表面特性データを測定し、車両制御システムに渡して自動車両制御に使用することができる。雨、雪などを認識するための様々なしきい値を使用して、提供された表面状態データを処理することができる。状況によっては、車両制御システムは生のＳＰＲアンテナデータを受信してもよい。表面特性の特定に使用されるこの基礎となるデータは、位置特定用途に用いられるデータと同じか類似であり得る。

［００４４］図７は、データが地面を貫通するときの側部断面を示す。深度軸の上部は、道路の表面である。濡れた路面が上のプロットに示され、乾いた路面が下のプロットに示されている。応答強度の増加が、色または暗さの変化によって示されている。

［００４５］図８は、１１チャネルにわたるアレイのデータと深度対幅の前部断面を示す。雪や濡れた路面の反射が、上のプロットの上部に示されている。クリアな状況が下のプロットに示されている。

［００４６］図９は、雪や降水がある路面（上）とない路面（下）を示す。

［００４７］一実装例では、方法１００は、応答信号、応答信号の測定された強度または位相、および特定された表面特性（例えば、雪、氷、水、泥、泥水、砂、および塩）を乗物（例えば車両２００）の１以上の制御システム（例えば車両制御システム５０６）に送信するステップ１１０を含み得る。車両制御システムはＳＰＲプロセッサ（例えば、ＳＰＲプロセッサ５０４）と通信しているので、応答信号、応答信号の測定された強度または位相、および／または特定された表面特性は、有線接続を介して、または無線で車両制御システムに送信することができる。方法１００はまた、応答信号、応答信号の測定された強度または位相、および特定された表面特性に基づいて、車両（例えば、車両２００）を制御するステップ１１２を含み得る。車両の制御は、例えば、車両制御システム５０６または車両２００と統合された１以上の他の制御システムまたはアルゴリズムによって実行することができる。

［００４８］車両制御システムは、他のシステムや変形例の中でも特に、自律車両制御装置または状態を警告されている人間または牽引制御システムであり得ることに留意されたい。自律走行車両制御装置または人間は、例えば、状況の警告を受け取った場合に滑りやすい状況でトラクションを失わないように、より慎重に運転することができる（例えば、広くまたはゆっくりと回転するなど）。

［００４９］車両の制御には、車両の速度、加速度、向き、角速度および／または角加速度の制御が含まれ、車両は、１以上の車両航行コマンドを介して継続的に制御され、車両をトリップ経路に沿った所望の位置に維持するか、または本開示に記載の技術および特徴を使用して特定された表面特性または表面状態に部分的に基づいて、車両または車両内の乗客の安全性を維持することができる。車両の制御はまた、トラクション制御システムに情報を提供したり、トラクション制御システムを支援したりすることも含まれる。車両の制御には、個々のホイールトルクまたはトラクション制御を含んでもよく、人間のドライバーに警告を発し、その結果として動作してもよい（例えば、回転速度の変更など）。いくつかの実装例では、車両の位置データは、車両を誘導または制御するために、ＳＰＲシステムおよび／または１以上の他のセンサまたはナビゲーションシステムによって提供される表面特性データと組み合わせて使用してもよい。そのようなセンサやナビゲーションシステムには、例として、慣性航法システム（ＩＮＳ）、ＧＰＳ、音響航法および測距（ＳＯＮＡＲ）システム、ＬＩＤＡＲシステム、カメラ、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）および補助レーダーシステムが含まれる。

［００５０］一実装例において、自律車両航行システムによって生成されるコマンドは、本書記載の表面特性または状態データを使用して車両経路の変更に影響を与え、車両軌道とトリップ経路との差を低減または最小化し得る。例えば、車両の速度をトリップ経路の区画に沿って変更して、安全な動作を維持し、速度制限（例えば、路面状態に影響される可能性がある）に対応し、トリップ経路を通り抜けるための所望の完了時間を達成することができる。

［００５１］一実装例では、ステアリング、方向、速度、ポーズ、加速／減速を、本書で説明する表面特性または状態データに基づいて、車両またはその乗客の安全を維持するように制御することができる。例えば、車両制御システムは、ステアリングおよび速度制御を達成するために、車両内の電気的、機械的、および空気圧的装置を含むか、それらと協働してもよい。様々なタイプの推進および制御機構を有する他の実施形態では、車両制御システムはまた、１以上の油圧、タービン、プロペラ、制御面、形状変化、および化学システムまたは装置を含むか、それらと協働し得る。

［００５２］このようにして、本開示に記載される技術および特徴を使用して、様々な表面状態（例えば、雪、氷、水、泥、泥水、砂、および塩）に対して調整されたリアルタイムまたはほぼリアルタイムの制御を達成することができる。路面状況が悪い状況下で、車両または車両の乗客の安全性を最大化するために、自律車両航行または制御システムまたはマニュアル運転システム（例えば、本書記載の表面特性の特定方法およびシステムで支援された）のリアルタイムまたはほぼリアルタイムの制御を実現することができる。

［００５３］一実装例において、本書記載の表面特性を特定する方法およびシステムは、複数の車両から表面情報を収集し、同じ表面に向かって移動する後続の車両を制御するためにその事前情報を使用するように用いられてもよい。この特徴は、車両間通信、車両と設備間の通信、または表面状態情報を中央の表面状態または自律車両制御ネットワークに送信し、制御したい車両に戻すことによって実現することができる。

［００５４］一実装例では、位置特定用途の場合、地表ベースのレーダー信号応答を使用して、再舗装が生じたマップのバージョン間の違いを判断することができる。例えば、道路が舗装されたり再舗装されたりした場合、以前の地面が除去されて、新しいアスファルトが適用される。古いアスファルトと新しいアスファルトには密度などの違いがあり、レーダー信号の反射が異なる場合がある。地表ベースのレーダー信号応答を他のセンサデータ（例えば、光学センサから）と組み合わせて、より堅牢なデータセットを取得してもよい。他のセンサは路面状態の異なる特性を測定し得るため、様々なセンサからのデータを組み合わせることにより、路面特性を特定する正確で堅牢な方法を実現することができる。

［００５５］特定の実施形態を参照して本発明を示し説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく形態および詳細の様々な変更を行うことができることを当業者は理解すべきである。

Claims

乗物の操縦を制御するための方法であって、
表面貫通レーダー（ＳＰＲ）信号を前記乗物のＳＰＲシステムから表面に向けて送信するステップと、
前記ＳＰＲシステムで、前記表面に関連する表面領域からのＳＰＲ信号の反射と、表面下領域からのＳＰＲ信号の反射とを含む応答信号を受信するステップと、
前記応答信号の強度と位相の少なくとも一方を測定するステップと、
前記応答信号の強度および位相の少なくとも一方に少なくとも部分的に基づいて、前記表面の表面特性および前記乗物の位置特定データを特定するステップと、
前記表面特性および位置特定データに基づいて、前記乗物の操縦を制御するステップと
を含むことを特徴とする方法。
前記応答信号、前記応答信号の測定強度、前記応答信号の測定位相、特定された表面特性、および特定された位置特定データのうちの少なくとも１つを前記乗物の１つまたはそれ以上の制御システムに送信するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記応答信号、前記応答信号の測定強度、前記応答信号の測定位相、特定された表面特性、および特定された位置特定データのうちの少なくとも１つに基づいて前記乗物を制御するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記表面特性の特定は、伝達関数および周波数応答のうちの少なくとも１つに基づく、請求項１に記載の方法。
前記表面特性が、雪、氷、水、泥、泥水、砂、および塩のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の方法。
前記表面特性の特定は、前記応答信号の測定された強度または位相を、複数の所定の表面特性に関連する信号応答の既知の強度または位相と相関させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
前記表面特性の特定は、
クリアな表面特性の既知の強度または位相と前記応答信号の測定された強度または位相との間の差と、
降水状態における表面特性の既知の強度または位相と、応答信号の測定された強度との差と、
のうちの少なくとも１つを計算するステップを含む、請求項１に記載の方法。。
前記表面特性の特定は、
前記応答信号の測定された強度または位相を、複数の所定の表面特性に関連する信号応答の既知の強度または位相と相関させるステップと、
クリアな表面特性の既知の強度または位相と前記応答信号の測定された強度との差、および、降水状態の表面特性の既知の強度または位相と前記応答信号の測定された強度との差のうちの少なくとも１つを計算するステップと、を含む請求項１に記載の方法。
前記応答信号の測定された強度は、電圧および電力のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の方法。
前記ＳＰＲシステムは、前記乗物の下に配置された複数のＳＰＲアンテナおよびチャネルを備え、各チャネルは少なくとも１つの送信素子および少なくとも１つの受信素子を備える、請求項１に記載の方法。
前記表面特性および／または位置特定データの特定は、前記応答信号と、前記応答信号の測定された強度または位相と、別のセンサの出力とのうちの少なくとも１つを使用することを含む、請求項１に記載の方法。
前記センサは、光学センサ、慣性航法システム（ＩＮＳ）、ＧＰＳ、音響航法および測距（ＳＯＮＡＲ）システム、ＬＩＤＡＲシステム、カメラ、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、ホイールスリップセンサ／エンコーダ、および補助レーダーシステムのうちの１またはそれ以上に関連付けられる、請求項１１に記載の方法。。
乗物の操縦を制御するためのシステムであって、
少なくとも１つのＳＰＲ送信素子と少なくとも１つのＳＰＲ受信素子とを備える少なくとも１つのＳＰＲチャネルと、
前記少なくとも１つのＳＰＲ受信素子と通信するＳＰＲプロセッサであって、前記ＳＰＲ受信素子からの応答信号の受信に応答して、
前記ＳＰＲ受信素子で受信される、表面に関連する表面領域からの、送信されたＳＰＲ信号の反射と、表面下領域からの、送信されたＳＰＲ信号の反射とを含む前記応答信号の強度および位相の少なくとも一方を測定し、
前記応答信号の強度または位相に少なくとも部分的に基づいて、前記表面の表面特性および前記乗物の位置特定データを特定する、ＳＰＲプロセッサと、
前記ＳＰＲプロセッサと通信する乗物制御システムであって、前記表面特性および前記位置特定データに基づいて前記乗物の操縦を制御する乗物制御システムとを備えることを特徴とするシステム。
前記ＳＰＲプロセッサは、前記応答信号、前記応答信号の測定強度、前記応答信号の測定位相、特定された表面特性、および特定された位置特定データのうちの少なくとも１つを前記乗物の１以上の制御システムに送信するように構成される、請求項１３に記載のシステム。
表面特性および乗物の位置特定データを特定するためのＳＰＲシステムにおいて、
前記乗物の下に配置可能なＳＰＲアンテナアレイであって、当該ＳＰＲアンテナアレイは複数のＳＰＲチャネルを形成し、各ＳＰＲチャネルはＳＰＲアンテナ対を含み、ＳＰＲアンテナ対の一方のＳＰＲアンテナはＳＰＲ送信アンテナで、ＳＰＲアンテナペアの他方のＳＰＲアンテナはＳＰＲ受信アンテナである、ＳＰＲアンテナアレイと、
前記ＳＰＲ受信アンテナと通信するＳＰＲプロセッサであって、
前記ＳＰＲ受信アンテナで受信される、表面に関連する表面領域からの、送信されたＳＰＲ信号の反射と、表面下領域からの、送信されたＳＰＲ信号の反射とを含む応答信号の強度または位相を測定し、
前記応答信号の強度または位相に少なくとも部分的に基づいて、前記表面の１またはそれ以上の表面特性および前記乗物の位置特定データを特定する、ＳＰＲプロセッサと、
を備えることを特徴とするＳＰＲシステム。
第１のＳＰＲチャネルが、前記乗物の運転席側タイヤの後ろに配置可能な第１のＳＰＲ送信アンテナと、前記乗物の助手席側タイヤに向かって前記第１のＳＰＲ送信アンテナに実質的に平行に配置可能な第１のＳＰＲ受信アンテナとを含む、請求項１５に記載のＳＰＲシステム。
前記ＳＰＲアンテナアレイのＳＰＲアンテナ対は、互いに実質的に平行に配置可能であり、前記ＳＰＲアンテナアレイは、前記乗物の前部運転者側タイヤの後ろから前部助手席側タイヤに向かって延びるように配置可能である、請求項１５に記載のＳＰＲシステム。
前記ＳＰＲアンテナは、前記乗物の前部運転席側タイヤの後方から前記乗物の後部運転席側タイヤに向かって前記乗物の長さに沿って縦方向に配置可能である、請求項１５に記載のＳＰＲシステム。