JP6989766B2 - レーダー装置及び物標検出方法 - Google Patents

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Description

本発明は、周辺の物標（ターゲット）を検出するレーダー装置及び物標検出方法に関し、特に、特定の物標の種別を認識する技術に関する。
従来、情報通信技術を利用して道路交通上の問題解決を図る高度道路交通システム（ＩＴＳ：Intelligent Transport Systems）の開発が進められている。この分野では、例えば、センサーによって車両の周囲環境（例えば、周囲の車両や歩行者、障害物等）を検出し、検出結果に基づいて危険を回避又は軽減するための安全支援動作（例えば警告、ブレーキ制御等）を行う技術が実用化されている。
このセンサーの１つとして、波長が１～１０ｍｍ（周波数：３０～３００ＧＨｚ）のミリ波を使用するレーダー装置が知られている（いわゆるミリ波レーダー）。ミリ波レーダーは電波を使用するため、雨や霧などの悪天候下でも一定の感度を確保できるという利点がある。近年では、広帯域の７９ＧＨｚ帯（７７～８１ＧＨｚ）のミリ波を使用した高分解能のミリ波レーダーが実用化されている。
車載用のレーダー装置では、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated-Continuous Wave）方式が広く用いられている。ＦＭＣＷ方式では、周波数変調した連続波（ミリ波）を送信し、目標物体（以下、「物標」と称する）で反射してきた反射波を受信する。そして、送受信信号間での周波数差に基づいて、物標の位置（距離及び方位）や相対速度を検出する。
また、レーダー装置によって得られる情報を利用して、静止物の判定、レーダー装置の取付角度の検出、物標（例えば、先行車両）の移動方向の検出、又は物標の種別の判定などを行うことができる（例えば、特許文献１～５）。特許文献５には、カメラによる撮像画像とレーダー装置によって得られる情報を利用して、二輪車の判別を行うことが開示されている。
特許第４９９２３６７号公報 特開２０１４－１５３２５６号公報 特開２００９－２１１２１２号公報 特開２００７－１３９６５０号公報 特許第５９５９５８１号公報
しかしながら、レーダー装置単独では、物標の種別を高精度で認識することは困難であることから、従来の手法により二輪車の判別を行う場合、カメラの撮像画像を利用することが前提となっている。
本発明の目的は、レーダー装置単独で、特定の物標の種別（特に、二輪車）を高精度で認識できるレーダー装置及び物標検出方法を提供することである。
本発明の一態様に係るレーダー装置は、
送信信号に基づく送信波を物標に向けて送信する送信部と、
前記送信波が前記物標で反射して生じる反射波を受信して受信信号を生成する受信部と、
前記送信信号及び前記受信信号に基づいて物標に関する情報を取得する物標検出部と、を備え、
前記物標検出部は、
同一物標内の複数の検出点の相対速度を算出し、
前記相対速度の拡がり、及び、前記物標に関する情報から推定される前記物標の特徴に基づいて、前記物標の種別に応じて予め用意された相対速度の拡がりの基準形状と、算出された前記相対速度の拡がりの形状を比較することにより、前記物標の種別を判定し、
前記基準形状は、車長方向における前後輪に対応する位置にピークを有する形状であり、
前記物標の種別の判定は、前記物標が二輪車であるか否かの判定である、
ことを特徴とする。
本発明の一態様に係る物標検出方法は、
レーダー装置を用いて物標を検出する物標検出方法であって、
送信信号に基づく送信波を物標に向けて送信する第１工程と、
前記送信波が前記物標で反射して生じる反射波を受信して受信信号を生成する第２工程と、
前記送信信号及び前記受信信号に基づいて物標に関する情報を取得する第３工程と、を備え、
前記第３工程は、
同一物標内の複数の検出点の相対速度を算出し、
前記相対速度の拡がり、及び、前記物標に関する情報から推定される前記物標の特徴に基づいて、前記物標の種別に応じて予め用意された相対速度の拡がりの基準形状と、算出された前記相対速度の拡がりの形状を比較することにより、前記物標の種別を判定し、
前記基準形状は、車長方向における前後輪に対応する位置にピークを有する形状であり、
前記物標の種別の判定は、前記物標が二輪車であるか否かの判定である、
ことを特徴とする。
本発明によれば、レーダー装置単独で、特定の物標の種別を高精度で認識することができる。
本発明の一実施の形態に係るレーダー装置の構成を示す図である。 信号処理部における物標検出処理の一例を示すフローチャートである。 物標の検出点を示す図である。 検出点の位置を示す図である。 速度ベクトルに基づいて補正した検出点の位置を示す図である。 検出点の相対速度を示す図である。 相対速度の拡がり（分布）を示す図である。 二輪車内の検出点の相対速度を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、本発明に係るレーダー装置として、車両に搭載される車載用のレーダー装置を例に挙げて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係るレーダー装置１の構成を示す図である。
レーダー装置１は、例えば７９ＧＨｚ帯のミリ波を利用するＦＭＣＷ方式のミリ波レーダーである。レーダー装置１は、例えば、車両の前バンパーや後バンパーに配置される。
レーダー装置１は、車両の周囲環境（例えば、周囲の車両や歩行者、障害物等）を検出し、周囲環境に関する情報を、例えば、車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）に出力する。ＥＣＵは、レーダー装置１から出力された周囲環境に関する情報に基づいて、例えば、危険を回避又は軽減するための運転支援動作を行う。周囲環境に関する情報は、物標の位置（距離及び方位）及び相対速度を含む。
図１に示すように、レーダー装置１は、送信部１０、受信部２０及び信号処理部３０等を備える。レーダー装置１には、送信部１０、受信部２０及び信号処理部３０が一枚の基板上に配置されたワンチップＩＣを適用できる。
送信部１０は、信号源１１、方向性結合器１２及び送信アンテナ１３を含む。送信部１０は、送信信号に基づく送信波を物標に向けて送信する。
信号源１１は、電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）の制御電圧に三角波の変調信号を加えることにより、周波数変調（ＦＭ：frequency modulation）された送信信号を生成する。
方向性結合器１２は、送信信号を送信アンテナ１３に出力するとともに、送信信号の一部をミキサー２２に分配する。
送信アンテナ１３は、送信信号を車両の周囲に送信波として放射する。送信波は物標に到達すると、物標の反射率に応じて反射する。
受信部２０は、受信アンテナ２１及びミキサー２２を含む。受信部２０は、送信波が物標で反射することにより生じる反射波を受信して受信信号を生成する。
受信アンテナ２１は、物標で反射してきた反射波を受信し、受信信号として出力する。
ミキサー２２は、受信アンテナ２１から出力された受信信号と、方向性結合器１２から出力された送信信号とを混合して、ビート信号を生成する。ミキサー２２は、受信信号及びビート信号を信号処理部３０に出力する。
信号処理部３０は、物標検出部３１を含む。物標検出部３１は、受信信号及びビート信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）等の処理を実行して周波数解析を行うことにより、物標に関する情報を検出する。物標検出部３１は、例えば、受信信号及びビート信号の周波数分布に基づいて、物標の存在を検出するとともに、検出された物標の位置（距離及び方位）及び相対速度を検出することができる。物標検出部３１で検出された物標に関する情報は、外部インターフェース（図示略）を介して、例えば、運転支援装置として機能する車両のＥＣＵに出力される。
近年では、レーダー装置の高分解能化が進んでおり、同一物標内の複数の検出点における特徴を個別に検出できるようになっている。本実施の形態において、レーダー装置１は、車両（自転車を含む）等の物標を検出する場合に、同一物標内に複数の検出点が含まれるような距離分解能及び方位分解能を有する。
図２は、信号処理部３０（物標検出部３１）における物標検出処理の一例を示すフローチャートである。図２に示す物標検出処理は、例えば、レーダー装置１の電源投入に伴い、信号処理部３０のＣＰＵが所定の物標検出プログラムを実行することにより開始される。
ここでは、図３に示すように、相対速度Ａで移動する物標Ｔの種別、具体的には物標Ｔが二輪車であるか否かを判定する場合について説明する。図３に示すように、レーダー装置１の観測範囲に車両等の物標Ｔが存在する場合、複数の検出点Ｐについて特徴が検出される。また、物標Ｔが二輪車である場合、速度成分を生じさせる回転体が物標内にあるため、物標内の検出点によって観測される相対速度に違いが生じる。本実施の形態では、検出点間の相対速度の違い（以下、「相対速度の拡がり」と称する）を利用して、物標Ｔが二輪車であるか否かを判定する。
図２のステップＳ１０１において、信号処理部３０（物標検出部３１）は、受信部２０から出力された受信信号及びビート信号を受信する。
ステップＳ１０２において、信号処理部３０は、検出点Ｐの位置（距離及び方位）を算出する。検出点Ｐの距離及び方位は、ビート信号及び受信信号の周波数解析により求めることができる。
ステップＳ１０３において、信号処理部３０は、検出点Ｐごとに相対速度を算出する。なお、ステップＳ１０２及びステップＳ１０３における検出点Ｐの位置及び相対速度の演算には、従来のレーダー装置による公知の方法を適用することができるので、詳細な説明は省略する。
ステップＳ１０４において、信号処理部３０は、同一物標内の検出点Ｐを特定する。例えば、検出点Ｐの特徴が所定の範囲内にある一群の検出点Ｐを、同一物標内の検出点であるとみなすことができる。なお、検出点Ｐの特徴とは、検出点Ｐの位置及び相対速度を含む概念である。
ステップＳ１０５において、信号処理部３０は、検出点Ｐの特徴に基づいて、相対速度の拡がり（分布）を算出する。
具体的には、同一物標内の検出点Ｐを、検出点Ｐの特徴（位置）に基づいてクラスタリングし、ＸＹ座標上にプロットする（図４参照）。図４において、物標Ｔの固有ベクトルを演算し、クラスタの傾きを求める。そして、クラスタの傾きが０となるように全点を回転させる（図５参照）。回転後のＸ方向は物標Ｔの車長を示し、Ｙ方向は物標Ｔの車幅を示すことになる。
次いで、横軸を回転後のＸ座標、縦軸を検出点Ｐの相対速度として、プロットする（図６参照）。そして、横軸方向を複数の区間に分割し、それぞれの区間における相対速度の拡がりを求める。レーダー装置１において、図５に示すような特徴が得られた場合、相対速度の拡がりの形状は、図７に示す形状となる。
図２のステップＳ１０６において、信号処理部３０は、物標Ｔの種別を判定する。具体的には、ステップＳ１０５で得られた相対速度の拡がりの形状と、物標Ｔの種別に応じて予め用意された相対速度の拡がりの基準形状とを比較することにより、物標Ｔの種別を判定する。
図８に示すように、物標Ｔが二輪車である場合、前後輪が回転しているため、前後輪の上部における検出点の相対速度は、理論的には物標Ｔの相対速度の２倍になる。一方、前後輪の下部（接地点）における検出点の相対速度は、理論的には０となる。また、フレーム等の前後輪以外の部分における検出点の相対速度は、物標Ｔの相対速度と同等となる。したがって、車長方向において、前後輪に対応する位置では、相対速度の拡がりが大きくなり、フレーム等の前後輪以外の部分に対応する位置では、相対速度の拡がりが小さくなる（図６参照）。
これより、車長方向における前後輪に対応する位置にピークを有する基準形状を参照することにより、物標Ｔが二輪車であるか否かを判定することができる。基準形状は、二輪車の大きさやタイプに応じて複数用意されてもよい。この場合、検出点を２次元平面にプロットした形状から物標の特徴（車輪径、車輪間隔など）を推定することにより、最適な基準形状を選択することができる。
このように、レーダー装置１は、送信信号に基づく送信波を物標Ｔに向けて送信する送信部１０と、送信波が物標Ｔで反射して生じる反射波を受信して受信信号を生成する受信部２０と、送信信号及び受信信号に基づいて物標Ｔに関する情報を取得する物標検出部３１（信号処理部３０）と、を備える。物標検出部３１は、同一物標内の複数の検出点Ｐの相対速度を算出し、相対速度の拡がりに基づいて、物標の種別を判定する。
また、レーダー装置１における物標検出方法は、送信信号に基づく送信波を物標Ｔに向けて送信する第１工程と、送信波が物標Ｔで反射して生じる反射波を受信して受信信号を生成する第２工程と、送信信号及び受信信号に基づいて物標Ｔに関する情報を取得する第３工程と、を備える。第３工程は、同一物標内の複数の検出点Ｐの相対速度を算出し、相対速度の拡がりに基づいて、物標の種別を判定する。
レーダー装置１によれば、レーダー装置１単独で、特定の物標Ｔの種別、具体的には物標Ｔが二輪車であるか否かを高精度で認識することができる。
一例として、レーダー装置１で得られた物標Ｔの種別は、物標Ｔの位置及び相対速度とともに、周囲環境に関する情報として、車両の運転支援装置（ＥＣＵ）に出力される。運転支援装置は、周囲環境に関する情報に基づいて、危険を回避又は軽減するための運転支援動作を行う。
ここで、運転支援動作は、車両のブレーキ動作を制御して、車両を自動的に減速又は停止させる動作、ハンドル動作を制御して、車両の走行方向を自動的に変更する動作、搭乗者又は外部に対して警告（例えば、音声及び／又は情報表示による警告）を行う動作を含む。
車両においては、周囲環境に関する情報に基づいて、運転支援動作が行われるので、自車の安全性はもちろん、他車及び歩行者の安全性も格段に向上する。本実施の形態では、車両の周囲を二輪車が走行していることを把握できるので、例えば、車両の運転者に注意喚起を促すこともできる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、相対速度の拡がりに加えて、相対速度の拡がりの形状から推定される物標Ｔの特徴（二輪車の車輪間隔など）やレーダー装置１で検出された物標Ｔの特徴（相対速度など）を考慮して、物標の種別を判定することが好ましい。これにより、物標Ｔの種別の判定制度が向上し、自転車と自動二輪車とを判別することも可能となる。
さらには、自転車の場合は前後輪間にペダルが配置されており、この部分にもペダルの回転による速度成分が生じるのに対して、自動二輪車の場合はペダルがない。したがって、相対速度の拡がりの自転車用の基準形状と自動二輪車用の基準形状とを異なる形状とし、自転車と自動二輪車とを判別できるようにしてもよい。具体的には、自転車用の基準形状は、前後輪に対応するピークの間に、ペダルに対応するピークを有するものとなる。
また例えば、レーダー装置１は、パルス方式、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）等、ＦＭＣＷ方式以外の方式を適用したものであってもよい。
また、本発明に係るレーダー装置１は、車両の他、鉄道車両、船舶、飛行機等の輸送機器、又は道路に設置される路側機に搭載することができる。輸送機器には、その他のレーダー装置（例えば７６ＧＨｚミリ波レーダー）やステレオカメラ等のセンサーを組み合わせて搭載してもよい。複数のセンサーを搭載することにより、輸送機器の周囲環境をさらに的確に把握することができる。
また、物標検出部３１によって実行される物標Ｔの種別を判定する処理（図２のステップＳ１０５、Ｓ１０６）は、車両のＥＣＵに物標検出プログラムを実行させることにより、実現してもよい。すなわち、本発明の物標検出方法は、レーダー装置だけでなく、レーダー装置からの出力を利用するＥＣＵ等の外部装置に適用することもできる。この場合、既設のレーダー装置を有効利用することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ レーダー装置
１０ 送信部
１１ 信号源
１２ 方向性結合器
１３ 送信アンテナ
２０ 受信部
２１ 受信アンテナ
２２ ミキサー
３０ 信号処理部
３１ 物標検出部

Claims (2)

  1. 送信信号に基づく送信波を物標に向けて送信する送信部と、
    前記送信波が前記物標で反射して生じる反射波を受信して受信信号を生成する受信部と、
    前記送信信号及び前記受信信号に基づいて物標に関する情報を取得する物標検出部と、を備え、
    前記物標検出部は、
    同一物標内の複数の検出点の相対速度を算出し、
    前記相対速度の拡がり、及び、前記物標に関する情報から推定される前記物標の特徴に基づいて、前記物標の種別に応じて予め用意された相対速度の拡がりの基準形状と、算出された前記相対速度の拡がりの形状を比較することにより、前記物標の種別を判定し、
    前記基準形状は、車長方向における前後輪に対応する位置にピークを有する形状であり、
    前記物標の種別の判定は、前記物標が二輪車であるか否かの判定である、
    ことを特徴とするレーダー装置。
  2. レーダー装置を用いて物標を検出する物標検出方法であって、
    送信信号に基づく送信波を物標に向けて送信する第１工程と、
    前記送信波が前記物標で反射して生じる反射波を受信して受信信号を生成する第２工程と、
    前記送信信号及び前記受信信号に基づいて物標に関する情報を取得する第３工程と、を備え、
    前記第３工程は、
    同一物標内の複数の検出点の相対速度を算出し、
    前記相対速度の拡がり、及び、前記物標に関する情報から推定される前記物標の特徴に基づいて、前記物標の種別に応じて予め用意された相対速度の拡がりの基準形状と、算出された前記相対速度の拡がりの形状を比較することにより、前記物標の種別を判定し、
    前記基準形状は、車長方向における前後輪に対応する位置にピークを有する形状であり、
    前記物標の種別の判定は、前記物標が二輪車であるか否かの判定である、
    物標検出方法。
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