CN1877362A - 车辆用测距装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题是：在来自车辆的反射波的波形图案与路面的反射波的波形图案近似的情况下，也能够防止发生先行车辆丢失。作为解决手段，激光雷达装置(车辆用测距装置)具有二维地扫描激光的扫描器(13)和控制电路(11)。控制电路(11)根据通过扫描得到的受光数据，判断距所检测出的物体的距离是否在预定范围内，在判断为在预定范围内时，在至少满足第1条件和第2条件时，设置在以后的扫描中也把该物体确定识别为车辆的车辆确定标志。第1条件是该物体在预定时间以上连续地被识别为先行车辆。第2条件是通过垂直方向上最上面的扫描或其附近的扫描所测量的距该物体的距离与距对应于该物体的先行车辆的测量距离之间的距离差在预定范围内。

Description

车辆用测距装置
技术领域
本发明涉及车辆用测距装置，通过二维地扫描激光等的电磁波，来识别存在于前方的物体是否是车辆，测量距该物体的距离，特别涉及防止在识别先行车辆的过程中把该先行车辆误判断为路面而漏过的装置。
背景技术
在利用激光等二维地扫描车辆前方，判断物体是否是车辆并测量距物体的距离的车辆用测距装置中，有可能把来自前方路面的反射波误判断为来自车辆的反射波。因此，以往，例如利用来自路面的反射波的距离方向波形图案与来自车辆的波形图案不同这一点，防止误判断(参照专利文献1)。并且，为了广泛防止物体的误判断，也提出了以下方案(专利文献2)，一边在垂直方向上对电磁波束进行偏置调整，一边使其移位到接收强度高的位置。并且，还提出了检测车辆的倾斜角并调整波束角度以使电磁波束与行驶路面平行的装置(专利文献3)，以及设置远距离范围用和近距离范围用的脉冲发送单元，通过使近距离范围用发送单元的发送方向略微偏向上侧，从而防止近距离反射波射到路面上再被接收的装置(专利文献4)等。
专利文献1日本特开2003-42757号公报
专利文献2日本特开2004-125739号公报
专利文献3日本特开平11-14746号公报
专利文献4日本特开平8-82679号公报
但是，在专利文献1公开的现有装置中，在检测到来自先行车辆的反射镜或车体的反射波时，由于来自路面的反射波的距离方向波形图案与来自车辆的波形图案差异很大，所以能够对两者进行判别，但是在因本车的加减速或路面的级差导致的本车的姿势变化使得激光的发光方向变化、先行车辆是不容易接收到车体反射波的大型车辆、以及先行车辆较脏等的情况下，来自车辆的波形图案与来自路面的波形图案近似，很难正确地识别它们，结果，存在漏过(以下称为丢失)先行车辆的问题。
图1～图3是用于说明发生这种状况的图。
图1表示没有先行车辆，从设于本车1前部的激光雷达2发射的激光3被路面4反射而被检测的情况。图2表示激光3不被先行车辆(卡车)5的反射镜6反射，而在车厢的后下部复杂地反射而被检测的情况。图3表示激光3不被先行车辆(卡车)5的反射镜6反射，而被从车厢上部到驾驶席后面的区域反射而被检测的情况。在图2、图3所示情况下，激光3不被反射镜6反射，所以反射光量低，反射波的波形图案在距离方向上扩散。因此，该部分的反射波的波形图案有时与路面的反射波的波形图案近似。
特别是在堵车时(低速时)的跟随行驶模式(Low Speed Following：LSF，低速跟随。参照非专利文献：http//www.hido.or.jp/ITS/TS/TSF/4_glossary.html)下上述问题更加严重。在LSF模式下，如果丢失了先行车辆，则成为模式取消状态，不进行之后的跟随。因此，如果由于反射波的波形图案与路面的反射波的波形图案近似而丢失了先行车辆，则存在以后不能进行先行车辆的跟随、不能进行与先行车辆的车间距控制等的问题。
并且，在专利文献2～4公开的装置中，在上述的特定状况下，同样很难正确识别车辆反射波和路面反射波，不能避免发生先行车辆的丢失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车辆用测距装置，即使在来自车辆的反射波的波形图案与路面的反射波的波形图案近似的情况下，也能够防止发生先行车辆的丢失。
本发明的车辆用测距装置二维地(在水平方向和垂直方向)扫描向前方射出的电磁波，同时根据其反射波测量距前方物体的距离，并且识别该物体是否是车辆。电磁波例如使用激光，利用光电二极管接受由激光二极管发射的激光的反射波，计量到受光为止的时间，由此测量距前方物体的距离。
本发明的车辆用测距装置利用以下结构，来确定识别物体是车辆。所说确定识别是指该物体在以后的扫描中也被确定地识别为车辆，无论以后将处于什么状态，原则上都不会被判断为路面。
第一，设置先行车辆判断单元，在每次的水平方向扫描中判断所识别出的车辆是否是在本车的行驶车道上行驶的先行车辆。所说先行车辆是指一辆以上的识别车辆中、在本车的行驶车道上的跟前行驶的唯一的一辆车辆。当在某个定时判断出所检测出的物体是先行车辆时，设定表示该物体是先行车辆的标志。
第二，设置范围判断单元，判断距前方物体的距离是否在预先设定的预定范围内。预先设定的预定范围是反射波有可能是来自路面的反射波的范围，例如从本车起前方20m的范围。
第三，设置车辆确定识别单元，在判断为前方物体在所述预定范围内的情况下，在满足第1条件和第2条件时，所述车辆确定识别单元在以后的扫描中也把该物体确定识别为车辆，其中所述第1条件是指该物体在预先设定的预定时间以上连续地被所述先行车辆判断单元判断为先行车辆，所述第2条件是指通过垂直方向上最上面的扫描或其附近的扫描所测量的距该物体的距离与距对应于该物体的先行车辆的测量距离之间的距离差在预定范围内。最上面的扫描的附近的扫描只要是位于垂直方向扫描的上方的扫描即可，例如指紧接在最上位扫描的下面的扫描。
在某个水平方向的扫描中，在通过车辆确定识别单元判断为满足上述至少二个条件时，在以后的扫描中也把该物体确定识别为车辆。通过在以后的扫描中也确定识别为车辆，该车辆在以后不会成为丢失状态。因此，从已确定识别的一辆以上的车辆中选择的先行车辆也不会成为丢失状态。
所述第1条件指在判断为前方物体在所述预定范围内时，该物体在预先设定的预定时间以上连续地被先行车辆判断单元判断为先行车辆。
如果该物体在前次扫描以前、在预定时间内被连续地判断为先行车辆，则即使在判断为该物体位于预定范围内时(来自该物体的反射波来自有可能被作为来自路面的反射波的范围时)，该物体被视为车辆的概率也大。
所述第2条件指在判断为前方物体在所述预定范围内时，通过垂直方向上最上面的扫描或其附近的扫描而测量的距该物体的距离与距对应于该物体的先行车辆的测量距离之间的距离差在预定范围内。
虽然在本次扫描中测量距对应于该物体的、前次扫描中的先行车辆的距离，但对距该先行车辆的测量距离、和通过垂直方向上最上面的扫描或其附近的扫描而测量的距该物体的测量距离进行比较，如果其差在预定范围内，则即使判断为该物体在预定范围内时(来自该物体的反射波是来自有可能被作为来自路面的反射波的范围时)，也能够判断出该物体可以以高概率被识别是车辆。简单地讲，只要能够在二维扫描中通过垂直方向的最上面的扫描或其附近的扫描捕捉到先行车辆，则其反射波不是来自路面的反射波而被视作来自车辆的反射波的概率大。
另外，如后述的实施方式所述，具体可以形成以下所示的结构。
即，在水平方向上扫描的波束由向第1方向扫描(为了方便，把该扫描称为正扫描)的主波束、和向相对于第1方向左右相反的第2方向的扫描(为了方便，把该扫描称为反扫描)的副波束构成，将其作为一帧，在垂直方向上进行扫描，
所述先行车辆判断单元、所述范围判断单元和所述车辆确定识别单元在各个帧中动作，
所述车辆确定识别单元在对第2条件进行判断时，判断前一帧的副波束是否是垂直方向上最上面或其附近的子波束，而且判断通过该副波束的扫描所测量的距该物体的距离与距对应于该物体的先行车辆的测量距离之间的距离差是否在预定范围内。
如上所述，当通过车辆确定识别单元判断为至少满足两个条件时，由于该物体被视为车辆的概率极大，所以在以后的扫描中也把其确定识别为车辆，由此可以防止成为丢失状态。
在本发明中，为了进一步提高上述确定识别的可靠度，还可以叠加该物体是移动物体、而且通过先行车辆判断单元判断为该物体是先行车辆作为第3条件。
并且，在本发明的另一个实施方式中，在判断为所述物体位于所述预定范围外时，所述车辆确定识别单元在以后的扫描中也把该物体确定识别为车辆。即，把过去在远方发现的物体视为车辆也不会有问题，所以确定识别为车辆。由此，具有可以防止先行车辆成为丢失状态的优点，以及由于不进行对该物体的路面判断、所以处理变得简单的优点。
根据本发明，即使在来自车辆的波形图案与来自路面的波形图案近似时，也不会漏过(丢失)先行车辆。因此，即使在来自先行车辆的反射状态和路面状态等较差的环境下，也能够进行先行车辆的可靠跟随，特别是在LSF模式下能够确保不会发生丢失的稳定的先行车辆的跟随。
附图说明
图1表示从激光雷达发射的激光被路面反射而被检测的状态。
图2表示激光不被先行车辆(卡车)的反射镜反射，而被车厢的后下部反射而被检测的状态。
图3表示激光不被先行车辆(卡车)的反射镜反射，而被从车厢上部到驾驶座后面的区域反射而被检测的状态。
图4是本发明的实施方式的激光雷达装置(车辆用测距装置)的方框图。
图5是表示支撑扫描器的投光镜头和受光镜头的部分的结构图。
图6是表示通过扫描器驱动的投光镜头和受光镜头的光路的图。
图7是说明水平方向和垂直方向的扫描的图。
图8是表示正扫描和反扫描的处理步骤的图。
图9是表示计量数据处理的具体步骤的流程图。
图10是表示计量数据处理的具体步骤的流程图。
图11是表示计量数据处理的具体步骤的流程图。
图12是说明本车道度的图。
图13是表示进行路面判断的方法的图。
图14是表示实测数据的图。
具体实施方式
图4是本发明的实施方式的激光雷达装置(车辆用测距装置)的方框图。
LD(Laser Diode，激光二极管)驱动电路10根据由控制电路11生成的驱动信号，控制LD 12的发光。扫描器13根据控制电路11的控制，使由LD 12产生的激光在预定的扫描范围内扫描。从扫描器13射出的激光通过投光镜头向本车1的行驶方向(前方)射出。垂直扫描位置检测装置14和水平扫描位置检测装置15分别检测扫描器13的激光在水平方向和垂直方向上的扫描位置，并输出给控制电路11。
LD 12射出的激光被作为检测对象的前方物体(例如车辆或路面)反射而返回的反射光，通过受光镜头被会聚，被PD(Photo Diode，光电二极管)16接收，向受光电路17输出与其受光等级对应的信号。受光电路17将所输入的反射光的信号电平数值化，输出给控制电路11。控制电路11与从垂直扫描位置检测装置14和水平扫描位置检测装置15输入的扫描位置对应地将所输入的数值(受光等级)存储在存储器18中。在存储器18中，除此之外还存储着光轴偏移校正量等，并且在识别出所检测到的物体是车辆时，分配了用于确定该物体是车辆的车辆确定标志。控制电路11上连接着车速传感器19、陀螺仪20，车速传感器19检测本车的车速，陀螺仪20用于检测本车的偏航速度(yaw rate)(向水平方向转向时的掉头速度)。
控制电路11根据存储在存储器18中的受光等级，校正光轴(扫描范围的垂直方向的中心位置)，并且根据从射出激光起到接收到其反射光为止的时间，测量物体(先行车辆等)和本车之间的距离。并且，进行所检测出的物体是否是车辆的确定判别和是否是路面的路面判断，还从已确定判别的车辆中识别先行车辆。所说先行车辆指在本车行驶的车道前方行驶的紧接在前方的车辆(一辆)。
图5表示支撑扫描器13的投光镜头和受光镜头的部分的结构。
来自控制电路11的控制信号被输入到驱动电路30。驱动电路30根据所输入的控制信号，向水平方向驱动用线圈31和垂直方向驱动用线圈32提供驱动电流。水平方向驱动用线圈31和垂直方向驱动用线圈32分别使一体地支撑投光镜头35和受光镜头36的支撑部件(未图示)在水平方向或垂直方向上移动。支撑部件被水平方向板簧33和垂直方向板簧34分别支撑成可在水平方向上或垂直方向上自由移动。因此，支撑部件(投光镜头35和受光镜头36)借助于驱动电流，移动到水平方向驱动用线圈31中产生的力和水平方向板簧33中产生的反作用力相平衡的水平方向位置处静止，同时移动到垂直方向驱动用线圈32中产生的力和垂直方向板簧34中产生的反作用力相平衡的位置处静止。另外，各个镜头的位置由未图示的传感器来检测，并把该传感器的输出输入给驱动电路30，由此构成伺服机构。
这样，投光镜头35和受光镜头36可以移动到水平方向和垂直方向两个方向的预定位置。
图6表示由扫描器13驱动的投光镜头35和受光镜头36的光路。投光镜头35设在LD 12的前面，受光镜头36设在PD 16的前面。
从LD 12射出的激光向投光镜头35的中心方向偏振。在投光镜头35的位置位于中心时，激光沿着图6中的实线所示的光路向正面射出。所射出的激光被前方物体(例如车辆)反射，沿着图6中的实线所示的光路入射到受光镜头36上，并被PD 16接收到。
并且，在投光镜头35被扫描器13向图中的上方向移动时，激光沿着图6中的虚线所示的光路向图中的上方向射出。并且，所射出的激光被图中上方向的物体反射，并沿着图6中的虚线所示的光路入射到受光镜头36上，并被PD 16接收到。
这样，扫描器13使投光镜头35和受光镜头36一体地移动到水平方向的预定位置，从而在水平方向上扫描激光。同样，扫描器13使投光镜头35和受光镜头36一体地在垂直方向上移动，从而在垂直方向上扫描激光。
图7是说明水平方向和垂直方向的扫描的图。
在本装置中，水平方向的扫描由3帧构成，各个帧由向右方向的扫描和向左方向的扫描构成。此处，为了方便把向右方向的扫描称为正扫描，把向左方向的扫描称为反扫描。并且，把进行正扫描的波束称为主波束，把进行反扫描的波束称为副波束。各个帧的正扫描的垂直方向位置相同，但是各个帧的反扫描的垂直方向位置被设定为上、中、下，分别为反扫描(上)、反扫描(中)和反扫描(下)。对于各扫描时间，在本装置中将正扫描和反扫描都设定为50msec。由一次正扫描和一次反扫描构成1帧，在反扫描的受光量大于正扫描的受光量时，利用上述结构使光轴偏向受光量大的方向。通过反复进行该动作，可以使光轴追随于能够获得更大的受光量的方向。
图8表示正扫描和反扫描的处理步骤。
如图所示，通过反复进行正扫描→反扫描(下)→正扫描→反扫描
(中)→正扫描→反扫描(上)→正扫描→反扫描(下)→……，连续进行水平方向和垂直方向的扫描(二维扫描)。
把一次正扫描和一次反扫描的组作为1帧，重复进行3帧扫描。在各帧中执行的计量数据处理包括车辆确定处理、先行车辆判断处理和路面判断处理。在车辆确定处理中，当物体一旦被识别为车辆时，对该物体设置车辆确定标志，以后把该物体确定识别为车辆。具体将在后面叙述，在路面判断处理中，对没有被设置车辆确定标志的物体，判断其是否是路面。并且，在先行车辆判断处理中，从没有被判断为路面的物体中判断哪个是先行车辆。
以下，参照图9～图11说明计量数据处理的具体步骤。
图9表示计量数据处理的整体处理步骤。
当通过任意帧的正扫描而得到的计量数据被取入存储器18中时，在ST1中，在存储器18的特定区域中分配针对新检测物体的车辆确定标志的区域(车辆确定标志的初始化)。在ST2～ST4中，对所有检测物体分别判断是否已设置车辆确定标志，对未设置状态的物体进行ST3的车辆确定处理。对已设置的物体，视作该物体已被确定识别为车辆，并跳过ST3。当结束了对所有检测物体的上述处理时，在ST5中进入先行车辆判断处理，当确定了先行车辆时，结束对通过该帧的正扫描得到的计量数据的处理。
图10表示车辆确定处理的步骤。
在ST10中，进行距处理对象的检测物体(以下有时简称为物体)的距离是否在预先设定的预定范围内的判断。该范围是该物体有可能是路面的范围，例如被设定为20m以内或5～20m。也可以根据车速而改变该范围。在本装置中，把该范围称为路面判断实施距离范围。另外，由于激光无法射到车辆跟前的路面上，所以路面判断实施距离范围把从车辆跟前稍稍向前方偏离的位置作为开始点。
在ST10中，如果物体不在上述范围内，则可以判断为该物体不是路面而是车辆，转入ST19，设置分配给该物体的车辆确定标志。如果物体在上述范围内，由于物体也许是路面，所以进行从ST11开始的车辆识别处理。
从ST11开始，对用于识别物体是车辆的多个条件进行判断。以下，说明各个条件。
(ST11)本车车速是否超过5[km/h]？
如果本车处于停止状态，则有可能通过从ST12开始的处理而误识别为车辆，所以要防止该情况。在本装置中，根据车速传感器19(参照图4)的输出，通过判断车速是否超过5[km/h]来判断是否处于停止状态。
(ST12)是否是移动物体？
根据本车车速、物体与本车的相对速度，求出物体的对地速度，其中物体与本车的相对速度是根据前一个帧中的测量距离及本帧中的测量距离之差而求出的，如果该对地速度小于等于特定值则不是车辆，否则是车辆的概率较大。
(ST13)是否已判断为先行车辆？
如果物体在前一个帧中没有被判断为先行车辆，则是车辆的可能性小。
(ST14)判断为先行车辆的时间是否已持续了10秒以上？
如果在前一帧之前的多个帧中、在一定时间以上(在本装置中为10秒以上)连续地判断为先行车辆，则物体是车辆的概率大。
(ST15)本车道度是否大于等于75度？
所说本车道度意味着物体中心偏离本车道中心的程度，把物体中心位于本车道中心的情况设为100。图12是说明本车道度的图，在该图中，先行车辆位于本车道中心，所以先行车辆(物体)的本车道度是100。由于该值需要估计前方的道路形状，所以为了进行该估计而使用陀螺仪20(参照图4)的输出。本车道度的值小时(在本装置中为小于等于75度)，有可能把物体误识别为车辆，所以设为大于等于特定值的值(大于等于75度)。
前方的道路形状可以通过根据由摄像机拍摄的前方图像进行图像处理来求出，也可以通过导航求出前方的道路形状。
(ST16)与物体的相对速度是否在-30[km/h]～+30[km/h]的范围内？
如果与先行车辆的速度差大，则有可能把车辆以外的物体误识别为车辆，所以把该速度差设为小于等于特定值(-30[km/h]～+30[km/h])。
(ST17)前一帧中的反扫描是否是反扫描(上)？
即，判断在图8中本次处理的帧的正扫描是否是正扫描P？在后面的步骤ST18中，根据反扫描(上)的获取数据进行距离测量，但如果用于距离测量的受光量是在反扫描(上)中得到的，则是车辆的概率大。
(ST18)通过反扫描(上)得到的距取得物体的测量距离和与其对应的先行车辆的距离之差是否在-5m～+5m的范围内？
如果上述距离差在预定范围内(在本装置中为-5m～+5m的范围内)，则物体是车辆的概率大。
如果全部满足以上各个条件，则认为把物体视作车辆也没有问题，所以转入ST19，对该物体设置车辆确定标志。
在上述ST10～ST18中，本装置至少需要的条件是ST14(第1条件)和ST18(第2条件)，可以只利用这些条件来进行是否是车辆的识别。并且，除此之外，优选增加条件ST12和ST13(第3条件)，并且如本装置这样，可以利用条件ST10～ST18来保证车辆的确定识别。
图11表示先行车辆判断处理的步骤。
在ST20中，根据偏航速度来估计前方的道路形状。偏航速度(掉头速度)是根据陀螺仪20的输出来测量的。可以根据该偏航速度来估计前方的道路形状。在ST21中，测量物体的本车道度，根据该值判断物体是否位于所估计的道路的本车道内(参照图12)。
在ST22中，在物体位于所估计的道路内时，判断是否已对该物体设置了车辆确定标志，如果已经设置，则把该物体(车辆)追加到先行车辆候选列表中，如果处于未设置状态，则在ST23中，通过未图示的其它任务即路面判断任务，判断是否已进行了物体的路面判断。
图13表示进行路面判断的方法。
图13表示把横轴设为距离、把纵轴设为受光量的距离方向波形图案。标号A表示根据路面数据得到的路面波形图案，标号B表示根据先行车辆数据得到的车辆波形图案。根据该图可知，路面波形图案A和车辆波形图案B差异很大。即，路面波形图案A具有受光量相对较小、但波形在距离方向上扩展的特征，车辆波形图案B具有与其相反的特征。因此，通过抽取这些特征量，根据受光信号进行路面判断。通过另一个任务与图10的车辆确定处理并行地进行该路面判断，当判断为路面时，对该物体设置路面判断标志。
在ST23中，在对车辆确定标志为未设置状态的物体判断为路面时(被设置了路面判断标志)，对该物体不进行任何处理，但在没有被判断为路面时(未被设置路面判断标志)，即使车辆确定标志为未设置状态也有可能是车辆，所以在ST24，把该物体追加到先行车辆候选列表中。在ST25，如果对所有物体结束了处理，则转入ST26，从先行车辆候选列表中把位于最近距离的物体识别(判断)为先行车辆，并设置先行车辆判断标志。
图14表示通过上述的计量数据处理把先行车辆(卡车)确定识别为车辆的实测数据。
在图中，“相关”意味着先行车辆。如图所示，在时间为1.5s～2.2s、2.6s～3.6s、6.6s～7.2s的各个范围内，通过路面判断任务，先行车辆(卡车)被判断为路面，但由于在0.2s时设置了车辆确定标志，所以即使在设置了上述路面判断标志的状态下，也无视该路面判断标志，而维持先行车辆(相关)判断标志的设置状态。
这样，可以可靠地防止在跟随先行车辆的过程中把先行车辆判断为路面而成为丢失状态。特别是在执行LSF模式时，如果处于先行车辆丢失状态，则该模式被取消，所以通过采用本装置这样的结构，可以将上述问题防患于未然。

Claims (4)

1.一种车辆用测距装置，在水平方向和垂直方向上扫描向前方射出的电磁波，同时根据其反射波测量距前方物体的距离，并且识别该物体是否是车辆，其特征在于，具备：
先行车辆判断单元，其判断所识别出的车辆是否是在本车的行驶车道上行驶的先行车辆；
范围判断单元，其判断距前方物体的距离是否在预先设定的预定范围内；以及
车辆确定识别单元，在判断为前方物体在所述预定范围内的情况下，在满足第1条件和第2条件时，所述车辆确定识别单元在以后的扫描中也把该物体确定识别为车辆，其中所述第1条件是指该物体在预先设定的预定时间以上连续地被所述先行车辆判断单元判断为先行车辆，所述第2条件是指通过垂直方向上最上面的扫描或其附近的扫描所测量的距该物体的距离与距对应于该物体的先行车辆的测量距离之间的距离差在预定范围内。
2.根据权利要求1所述的车辆用测距装置，其特征在于，所述车辆确定识别单元在除了所述第1、第2条件之外、还满足第3条件时，在以后的扫描中也把该物体确定识别为车辆，其中所述第3条件是指所述物体被判断为是移动物体、而且通过先行车辆判断单元判断为该物体是先行车辆。
3.根据权利要求1或2所述的车辆用测距装置，其特征在于，在判断为所述物体位于所述预定范围外时，所述车辆确定识别单元在以后的扫描中也把该物体确定识别为车辆。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的车辆用测距装置，其特征在于，
在水平方向上扫描的波束由向第1方向扫描的主波束、和向相对于第1方向左右相反的第2方向扫描的副波束构成，将其作为一帧，在垂直方向上进行扫描，
所述先行车辆判断单元、所述范围判断单元和所述车辆确定识别单元在各个帧中动作，
所述车辆确定识别单元在对第2条件进行判断时，判断前一帧的副波束是否是垂直方向上最上面或其附近的副波束，而且判断通过该副波束的扫描所测量的距该物体的距离与距对应于该物体的先行车辆的测量距离之间的距离差是否在预定范围内。
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