(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両運動パラメータを検出する光学的車両レーザ検出システムであって、
レーザデバイスであって、レーザビームが該レーザデバイスに対向して位置する基準面にレーザスポットを生成するように、少なくとも空間的に隔たっている３つのレーザビームを生成するレーザデバイスと、
前記基準面に対する前記レーザスポットを画像処理するためのレンズを備えた少なくとも１つのマトリクスセンサを有するカメラであって、前記基準面に対する前記レーザスポットが前記カメラの視野の中で見える範囲内で、前記カメラの光学軸及び前記レーザビームの方向はずれている、カメラと、
前記基準面から反射又は散乱された前記レーザビームの信号により、当該光学的車両レーザ検出システムの前記基準面に対する速度を検出するディテクタと、
前記カメラが取得した画像データにおける前記レーザスポットの位置を検出し、該レーザスポットの位置から当該光学的車両レーザ検出システムの向きを算出するデータ処理デバイスと
を有し、前記３つのレーザビームは前記レーザデバイスに対向して位置する前記基準面において３つのレーザスポットを形成し、前記レーザスポットの内のペア２つは前記基準面内の２つの異なる方向に沿って隔たっている、光学的車両レーザ検出システム。
【請求項２】
前記データ処理デバイスが、前記レーザスポット間の水平距離を判定し、該水平距離に基づいて、当該光学的車両レーザ検出システムの前記基準面に対する向きを判定する、請求項１記載の光学的車両レーザ検出システム。
【請求項３】
前記データ処理デバイスが、レーザスポットの位置により前記レーザデバイスから前記基準面までの距離、又は前記レーザスポットの相互間距離を計算する、請求項１又は２に記載の光学的車両レーザ検出システム。
【請求項４】
前記３つのレーザビームの内少なくとも２つが異なる角度で出力される、請求項１記載の光学的車両レーザ検出システム。
【請求項５】
前記ディテクタが、自己混合レーザ強度発振を検出する検出器と該発振の周波数又は周期を判定する回路とを有する、請求項１記載の光学的車両レーザ検出システム。
【請求項６】
前記レーザデバイスが３つのレーザダイオードを有し、該レーザダイオードの各々が前記３つのレーザビームの内の１つを生成する、請求項１記載の光学的車両レーザ検出システム。
【請求項７】
前記レーザデバイスが、３つの縦型空洞表面放出レーザダイオードを有する、請求項１記載の光学的車両レーザ検出システム。
【請求項８】
前記レーザデバイスに対して横方向にずれた位置にある別のレーザデバイスを更に有し、前記及び該別のレーザデバイスは進行方向に沿って隔たっておりかつ進行方向を横切る方向に沿っても隔たっている、請求項１記載の光学的車両レーザ検出システム。
【請求項９】
前記データ処理デバイスは、前記レーザデバイス及び別のレーザデバイスの前記基準面までの距離を判定し、該距離からロール角及びピッチ角を計算する、請求項１−８の何れか１項に記載の光学的車両レーザ検出システム。
【請求項１０】
前記データ処理デバイスは、前記車両のピッチ角及びロール角を計算し、該ピッチ角及びロール角に基づいて前記ディテクタで測定された速度を修正する、請求項１記載の光学的車両レーザ検出システム。
【請求項１１】
前記速度がＶ０＝ＭＲ−１Ｖを計算することで前記データ処理デバイスにより修正され、Ｖ０＝（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）は修正後の速度ベクトルであり、Ｖ＝（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）は測定された速度ベクトルであり、ＭＲ−１は以下の行列の逆行列であり、
【数１】
0005690329.tif 000008
θはロール角を示し、Ψはピッチ角を示し、φは前記レーザデバイスの進行方向と前記車両の進行方向との間のなす角である、請求項１−１０の何れか１項に記載の光学的車両レーザ検出システム。
【請求項１２】
前記データ処理デバイスが測定されたボディスリップ角βの値を次式に従って修正し、
【数２】
0005690329.tif 000009
β０は修正後のボディスリップ角を示す、請求項１−１１の何れか１項に記載の光学的車両レーザ検出システム。
【請求項１３】
前記レーザデバイスに対するパルスパワー供給部を更に有し、前記カメラは、２つのパルスの間の１パルス分の期間内に画像が取得されるように前記パルスパワー供給部に同期し、前記データ処理デバイスは２つのパルスの間の１パルス分の期間内に取得した前記画像を差し引く、請求項１記載の光学的車両レーザ検出システム。
【請求項１４】
請求項１記載の光学的車両レーザ検出システムを有する車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に速度やロール角のような車両運動特性を測定することに関連する。特に、本発明は車両の運動特性を光学的に測定することに関連する。
【背景技術】
【０００２】
速度や距離を測定するためにレーザによる自己混合干渉法(self-mixing  interference:  SMI)を利用できることが知られている(この点については非特許文献1参照)。フォトダイオードが一体化された縦型空洞表面放出レーザ(VCSEL)がSMI検出用途に特に適していることも知られている。しかしながら、自己混合センサを用いて速度を測定することに伴う一般的な問題は、道路に対するセンサの向きが測定に直接影響してしまうことである。例えばカーブでの遠心力によって生じる車体の傾き等に起因して、車両が道路に対して頻繁に向きを変える場合、測定誤差が導入されてしまう。従って、自己混合型対地速度センサの絶対的な測定精度は、車両運動特性(vehicle  dynamics)、すなわち車両のロール及びピッチの変動によって劣化してしまう。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】G.Giuliani,  M.Norgia,  S.Donati,  T.Bosch,“Laser  Diode  Self-mixing  Technique  for  Sensing  Applications”in  Journal  of  Pure  and  Applied  Optics,  6(2002),  page  283-294
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って本発明の課題は、光学的レーザによる車両運動の検出を改善することである。この課題は独立請求項に記載された発明により解決される。従属請求項には有利な形態及び改良例に関する発明が規定されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施形態による、車両運動パラメータを検出する光学的車両レーザ検出システムは、
レーザデバイスと、
画像処理デバイスと、
ディテクタと、
データ処理デバイスと
を有し、前記レーザデバイスは、レーザビームが該レーザデバイスに対向して位置する基準面にレーザスポットを生成するように少なくとも1つのレーザビームを生成し、
画像処理デバイスは、前記基準面に対する前記レーザスポットを画像処理するためのレンズを備えた少なくとも1つのマトリクスセンサを有し、前記基準面に対する前記レーザスポットが前記画像処理デバイスの視野の範囲内で見えるようにし、前記画像処理デバイスの光学軸及び前記レーザビームの方向は一致しておらず、
前記ディテクタは、前記基準面から反射又は散乱された前記レーザビームの信号により、当該光学的車両レーザ検出システムの前記基準面に対する速度を検出し、
前記データ処理デバイスは、前記画像処理デバイスが取得した画像データ内の前記レーザスポットの位置を検出し、該レーザスポットの位置から当該光学的車両レーザ検出システムの向きを算出する、光学的車両レーザ検出システムである。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】CCDカメラ及びCMOSカメラのスペクトル応答を示す図。
【図２】路面におけるレーザスポットの画像を示す図。
【図３】光学的車両レーザ検出システムの一例を示す図。
【図４】空間的に隔たった2つのレーザデバイスを使用する別の例を示す図。
【図５】レーザビームの向きを示す図。
【図６】光学的車両レーザ検出システムの別の例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明によれば、レーザダイオード(好ましくはVCSEL)を用いた画像処理システムが、車両の運動を分析するために使用される。簡易な形態の場合は1つのレーザビーム(好ましくは複数のレーザビーム)が基準面又は参照面(すなわち、路面)に向けられる。CCDやCMOSカメラのような画像処理マトリクスセンサを含む小型画像処理システムは、個々のレーザスポットの位置、間隔又は距離等を測定する。車両の積載状況、車両のピッチ角(pitch  angle)及びロール角(roll  angle)は、レーザスポットの位置や距離の変化を分析することで判明する。
【０００８】
レーザによる自己混合型対地速度センサ(laser  self-mixing  ground  speed  sensor)と組み合わせる場合、本発明によるマルチビームレーザスポット画像処理システムは、車両の対地測定速度の絶対精度を著しく改善することができる。対置速度測定における定誤差(systematic  error)を補正又は補償するために、レーザ画像処理システムから導出されるピッチ及びロール角が回転行列において使用される。
【０００９】
レーザによる自己混合型対地速度センサと組み合わせる場合、本発明によるマルチスポットレーザ画像処理システムは、車両の対地速度測定値の信頼性を向上させる。レーザの出力パワー、ビームの焦点合わせ精度(focus  quality)、センサの開口ウィンドウに対する汚れ、及び路面反射率は、道路に対するビームスポットのコントラスト比を監視することで継続的に分析される。(コントラスト比の)異常は、レーザの不具合、検出ビームの焦点外れ、センサに対する入力又は出力ウィンドウの著しい汚れ、又は極端に反射率が低い路面の存在等を示す。
【００１０】
近赤外VCSELの典型的な波長(例えば、0.86μm)は従来のCCDやCMOSカメラのスペクトル応答範囲内にあるので、マルチビームレーザ画像処理システムの検出素子として、低コストのCCD又はCMOSカメラを使用することが好ましい。
【００１１】
特に、一実施形態では、車両運動パラメータを検出する光学的車両レーザ検出システムが使用される。
【００１２】
当該システムはレーザデバイスを有し、レーザデバイスは、レーザビームがレーザダイオードに対向して位置する基準面にレーザスポットを生成するように少なくとも1つのレーザビームを生成する。
【００１３】
当該システムは画像処理デバイスを有し、画像処理デバイスは、基準面に対するレーザスポットを画像処理するためのレンズを備えた少なくとも1つのマトリクスセンサを有し、基準面に対するレーザスポットが画像処理デバイスの視野の範囲内で見えるようにし、光学軸、画像処理デバイスの視線方向及びレーザビームの方向の各々は一致していない。
【００１４】
当該システムはディテクタを有し、ディテクタは、基準面から反射した又は基準面により散乱されて戻ってきたレーザビームの信号により、光学的車両レーザ検出システムの基準面に対する速度を検出する。
【００１５】
当該システムはデータ処理装置を有し、データ処理装置は、画像処理デバイスが取得した画像データ内のレーザスポットの位置を検出し、そのスポットの位置から光学的車両レーザ検出システムの向きを算出する。
【００１６】
画像処理デバイスの視線方向又は光学軸とレーザビームの方向とは一致していないので、カメラで撮影された画像内のレーザスポットの位置は、レーザデバイスから基準面までの距離と、基準面に垂直な軸に対するレーザデバイスの角度(極角)との双方に依存する。この場合において、視線方向に対して或る角度以下でレーザビームを発射することが有利である。視線方向に対して平行ではあるが空間的に隔たっているレーザビームに比べると、視線方向に対するビームの角度は、レーザデバイスの縦向きの変位の関数として、画像内のレーザスポットのずれ(displacement)を大きくする。
【００１７】
1つより多い数(特に、少なくとも3つ)の空間的に隔たったレーザビームが使用される場合、向きの判定精度を顕著に改善できかつ測定の曖昧さを解消することができる。
【００１８】
従って本発明の好適実施例では、レーザデバイスは空間的に隔たっている3つのレーザビームを生成し、その3つのレーザビームは基準面において3つのレーザスポットを形成する。それらのスポットの内のペア2つは基準面において2つの異なる水平方向(lateral  direction)に沿って隔たっている。
【００１９】
特に、レーザビーム間の水平距離が判定され、光学的車両レーザ検出システムの基準面に対する方向がその水平距離に基づいて算出される。
【００２０】
一致していない2つの方向によるレーザスポットの空間的な隔たりは、それらの方向に沿うスポット相互間の距離の変化を測定可能にし、任意の方向における傾斜又はチルト(tilt)に関する情報を提供できるようにする。
【００２１】
自動車、自動二輪車、トラック又はバス等のような路上の車両の場合、有利なことに、路面を基準面として使用してよい。データ処理デバイスで判定される向きは、センサシステムが搭載されている車両のロール角及びピッチ角を含んでもよい。ロール角は、前の方向又は進行方向の回りの車両の回転角である。ピッチ角は、駆動方向(進行方向)に垂直な軸であって基準面(すなわち、路面)に平行な軸の回りの回転角である。
【００２２】
これらの角度を度数で算出することは必須でない。むしろ、これらの角度を表す数が計算されてもよい。従って角度ではなく、角度に等価なパラメータがデータ処理デバイスにより判定されてもよい。好ましくは、これらの角度又はそれに等価なパラメータの全てが、車両の運動に関する詳細な情報を提供するように決定される。更に、ヨー角(Yaw  angle)とも言及されるスリップ角(slip  angle)が判定されてもよい。この角度は、基準面(すなわち、路面)に垂直な軸の回りの回転角である。この角度は、自己混合発信周波数の測定値から決定される横速度(lateral  velocity)及び前進速度(forward  velocity)を比較することで導出可能である。
【００２３】
単独のレーザビームを使用する場合と同様に、基準面に垂直な面に関して或る角度以下で少なくとも1つのレーザビームが基準面に照射されるならば、レーザスポット同士の距離の変化は大きく改善される。従って3つのレーザビームの内少なくとも2つが、平行でないように異なる角度で放射されることは有利である。
【００２４】
基準面に対する速度を検出するためのいくつかの検出方法がある。例えば、飛行時間の測定値に基づいて検出されてもよい。しかしながら、自己混合レーザパワー発振の測定値(self-mixing  laser  power  oscillations)に基づいて検出することが好ましい。レーザ光の一部が、空洞に入る光学経路に沿って散乱又は反射される場合、空洞内で生成される光と反射された光とのコヒーレントな重ね合わせにより強い発振が引き起こされる。この原理を用いた特殊な高精度な測定は、ドップラ速度測定法(Doppler  velocimetry)を用いて実行できる。
【００２５】
この目的のため、1つのレーザビーム又は複数のレーザビーム中の少なくとも1つは、速度方向成分に沿った方向を有する。この条件は、基準面に垂直な角度を有する方向のビームを用いることで容易に満たされる。ドップラ効果は、反射されるレーザビームに時間変動位相シフトを与える。速度が一定であった場合、この位相シフトは周期的に変化するレーザ強度をもたらす結果となる。この振動の周波数は速度に直接的に比例する。従って本発明の改善例において、基準面に対する光学的車両レーザ検出システムの速度を検出するディテクタは、自己混合レーザ強度発振を検出する検出器と、発振の周波数又は周期を判定する回路とを有する。
【００２６】
レーザ強度はモニタフォトダイオードをディテクタとして使用することで測定されてもよい。レーザキャビティにかかる電圧又はレーザ電流の変化を測定することも可能である。
【００２７】
複数のビームは1つのレーザビームを分割することで生成されてもよい。しかしながら、ビーム毎に1つの3つのレーザダイオードを使用することが好ましい。特に、自己混合ドップラ速度測定を用いる際、運動成分を別々にすることが好ましい。自己混合ドップラ速度測定はビーム毎に独立に判定可能だからである。
【００２８】
更に、好ましいタイプのレーザダイオードは縦型空洞表面放出レーザダイオード(VCSEL)である。この種のレーザダイオードは、一般に、エッジ放出レーザダイオードと比較して優れたビーム特性を有するビームを生成する。更に、VCSELは、単独のレーザダイオードと比較して製造コストを大幅に増やすことなく、シングルチップ上のレーザダイオード配列として容易に生成できる。従って本発明の改善例において、レーザデバイスは3つのVCSELを備えたチップを有する。本発明による装置は複数のビームを使用するので、VCSELレーザダイオードの配列又はアレイ等がレーザデバイスに特に適している。
【００２９】
更に、有利なことに、近赤外放出レーザダイオード(すなわち、少なくとも800ナノメートルの波長で発光するレーザダイオード)を使用することが好ましい。0.86μm付近の波長の典型的な近赤外VCSELレーザ光は人間目にとって可視的であるが、それでも、スペクトル応答範囲が1μmに達する従来のCCD及びCMOSカメラによって容易に検出できる。ビームが路面に向いている場合、個々のレーザスポットは、強い周囲光が存在していたとしても強いコントラストと共に容易に画像処理できる。従って本発明の改善例では、レーザデバイスは800及び1000ナノメートルの範囲内の波長を有するレーザビームを生成する。
【００３０】
速度センサ又は速度を検出するディテクタと組み合わせる場合、車両の対地速度測定値の精度及び信頼性の双方が大幅に改善される。車両のピッチ角及びロール角が本発明によるマルチスポットレーザ画像処理システムにより判明している場合、車両運動に起因する速度センサの定誤差はそれに応じて補正可能である。
【００３１】
従って本発明の改善例において、データ処理デバイスは、ピッチ角、及びロール角を計算し、そのピッチ角及びロール角に基づいてディテクタで測定された速度を補正(修正又は補償)する。
【００３２】
前進速度及び横速度の比較によってスリップ角が判定されてもよく、スリップ角は判定されたロール角及びピッチ角に基づいて修正できる。
【００３３】
レーザビームが角度を伴っていると、取得した画像内のスポットの絶対的な位置だけでなくそれら相互間の距離も、レーザデバイスと基準面との間の距離に応じて変化する。この場合、レーザデバイスから基準面に至るまでの距離は、スポット同士の隔たり又は相互間の距離から、データ処理デバイスにより算出可能である。スポットの位置も変化すると、路面に至るまでの距離はレーザスポットの位置から判定される。
【００３４】
更に、個々のVCSEL焦点のコントラスト比の変化を監視することで、レーザダイオードの故障、センサの開口ウィンドウの汚れ、検出ビームの焦点外れ及び低反射率路面の存在等が判明する。
【００３５】
光学的車両レーザ検出システムが、第1のレーザデバイスに対して横にずれている第2の又は別のレーザデバイスを有する場合、システムの精度は更に顕著に改善される。例えば車両の進行方向のような特定の方向があった場合において、複数のレーザデバイスがその進行方向に沿って及び進行方向を横切る方向に沿って隔たっていることは非常に有利である。どのレーザデバイスにも個別の画像センサ又はカメラが備わっており、それらのカメラが基準面の近くにあることが好ましい。レーザデバイスから基準面に至るまでの距離の測定は特に敏感である。ロール角及びピッチ角の双方が算出される場合において、レーザデバイスから基準面までの距離が変化すると、これらの角度は、測定された距離からデータ処理デバイスによって計算できる。
【００３６】
概して、複数のレーザは、記録される画像の中でレーザスポットの位置を鮮明に検出できる程度に十分なコントラストをもたらす強度を有する。そのコントラストは周囲光又は背景光を抑制することで更に改善できる。一実施形態において、レーザ光を放つ狭いバンドパスフィルタがマトリクスセンサの上流に設けられ、背景光を遮断することが好ましい。フィルタの最大送信特性はレーザ波長と同一又は類似する波長にあわせて選択される。
【００３７】
更なる別の代替的な又は追加的な実施形態によれば、レーザダイオードはパルスモードで動作し(例えば、方形波を生成し)、時間的に同期した画像により、レーザスポットのコントラスト比を更に改善する。特に、レーザデバイスに関するパルス電力供給は、レーザビームをパルス化する。画像処理デバイスはパルス電力供給に同期し、2つのパルスの間の1パルスの期間内に画像が取得される。背景信号を抑制するため、データ処理デバイスはその画像を単に差し引くことができる。
【００３８】
本発明による車両運動パラメータを検出する光学的車両レーザ検出システムは、空間的に離れた3つのレーザビームを路面に放つレーザデバイスに基づいており、水平方向に(横向きに)隔たった3つのレーザスポットが路面に形成される。マトリクスセンサを備えた画像処理デバイスはそのレーザスポットを画像処理する。車両の速度はドップラ誘導自己混合レーザ強度発振(Doppler  induced  self-mixing  laser  intensity  oscillations)により判定される。レーザ検出システムはデータ処理デバイスを更に有し、データ処理デバイスは、画像処理されたレーザスポット同士の間の水平距離を算出し、路面に対する光学的車両レーザ検出システムの向き、又は路面に対する車両の向き等を判定する。
【００３９】
800及び1000ナノメートルの間の赤外スペクトル領域の波長を放出するVCSELは、レーザデバイスとして特に好ましい。自己混合対地速度センサのVCSELレーザは、この例の場合人間の目にとって可視的であるが、それでも、図1に示すように従来のCCD又はCMOSカメラで容易に画像処理できる。破線はCMOSセンサのスペクトル応答を示し、実線はCCDセンサのスペクトル応答を示す。図1に示されているように、近赤外VCSELの典型的な波長(例えば、0.86μmであり、これは縦の破線で示されている)は、CCD及びCMOSセンサ双方のスペクトル応答の範囲内にある。
【００４０】
一例として、レーザデバイスの全てのVCSELが約0.02の開口数(numerical  aperture)で路面に焦点を結んでおり、路面におけるVCSEL焦点の半径が約26μmであると仮定する。典型的なVCSELからの僅か1mWの光パワーでも、路面において4.7MW/m2ものパワー密度をもたらすことができる。これに対して、太陽からの最大照射は全体で僅か1kW/m2に過ぎない。従って強い周囲光が存在していたとしても、VCSEL焦点の輝度は周辺光より少なくとも3桁大きな値になる。従ってVCSEL焦点は低コストのCCDやCMOSカメラでさえも非常に高いコントラストで図2に示すように確認でき、図2は低コストのマトリクスカメラで撮影された路面の3つのレーザスポット10、11、12の画像を示す。
【００４１】
図3は、光学的車両レーザ検出システム1の第1形態を示す。レーザデバイス3は路面2から距離Ｚの位置にある車両に搭載されている。レーザデバイスは空間的に横に隔たった3つのレーザビーム30、31、32を放つ。これらのレーザビームは平行でないように出力され、ビーム30、31の間、及びビーム31、32の間の双方に或る角度が形成されている。レーザデバイスが路面2に対して傾いた場合又は方向Ｚに沿って縦向きにずれた場合、これらの角度に起因して、画像処理されるスポットの位置だけでなくそれら相互間の距離も変化する。
【００４２】
更に、これらのレーザビームは平行でない角度で路面に当たっているので、路面に沿う横向き方向の運動に起因して生じるドップラ位相シフトが反射光に導入され、レーザダイオードのレーザ強度が算出され、自己混合発振を減算し、それにより車両速度を判定する。
【００４３】
カメラ4はレーザビーム30、31、32の近辺に設けられ、路面2におけるレーザスポットがカメラの視野40の中にあるようにする。
【００４４】
例えば、車両が前進方向又は進行方向13に対して傾いた場合、ビーム31及び32の間の距離ΔYが変化する。この方向の回りの回転角はロール角θと言及される。一方、方向13に垂直な軸であって路面2に平行な軸14の回りの車両の傾きは、レーザビーム30及び31のスポットの位置及びそれらの間の水平距離を変化させる。この軸14の回りの回転角はピッチ角と言及される。
【００４５】
レーザデバイスから路面2までの距離が減少する場合、全てのスポットの相互間距離も減少し、逆に、レーザデバイスから路面2までの距離が増加する場合、全てのスポットの相互間距離も増加する。従って路面までの距離はレーザスポット同士の相互間距離ΔX及びΔYから算出できる。
【００４６】
図4には、光学的車両レーザ検出システムの別の例が示されている。この実施形態において、第1のレーザデバイス3及び第2のレーザデバイス5が使用され、それらは車両における2つの異なる場所に横にずらして配置されている。別々のカメラ4、6がレーザデバイス3、5の各々に設けられている。特に、レーザデバイス3、5は、進行方向13に対して距離bだけ離れており、軸14に沿う方向に距離aだけ離れている。
【００４７】
レーザビーム30及び31並びに50及び51の間のVCSEL焦点間距離ΔXは、レーザデバイス3、5の路面2に対する各自の高さに比例する：
【００４８】
【数１】
0005690329.tif 000002
ここで、Z0及びΔX0は静的な場合(荷物を積んでいない車両)におけるVCSELの搭載位置の高さ、及びその場合の路面におけるVCSEL焦点間距離をそれぞれ示す。車両が運動している場合における実際のレーザスポット間距離はΔX1’及びΔX2’として示される。ピッチ/ロール及び/又は負荷(積載時)によるレーザデバイス3、5の高さの変動は、ΔZ1、ΔZ2として示される。全長4.5mで車体の高さが15cm(Z0)である典型的な車両を考察すると、1度のピッチ角は、4cmの高さの変化ΔZを招き、ΔXを相対的に26％変化させる。従って、例えば僅か10k画素のような20000画素未満の最も安価なCCDやCMOSカメラでさえこの種の多くの用途に十分である。
【００４９】
図6には別の実施形態が示されており、車両の高さの変化ΔZの変化が、CMOS又はCCDカメラ4により撮影されたレーザスポット位置から導出される。
【００５０】
レーザビームは、路面に垂直な方向に対して平行でない角度で路面に当たる。これは、高さの変化ΔZに依存してレーザスポット12の位置が変化することを引き起こし、次式の関係が成り立つ：
【００５１】
【数２】
0005690329.tif 000003
この場合において、ΔY0はレーザ対地速度センサ3とカメラシステム4との間の距離を示す。ΔYはレーザスポット12とカメラ4の光学中心軸41との間の距離を示す。説明の簡明化のため、荷物を搭載していない静止状態の車両のセンサ3からのレーザビームが、路面に焦点を結んでおり、カメラ4の光学中心軸と交差している。従って車両の運動パラメータは1つのレーザビームを監視することで取得できる。レーザビームがx成分を有する場合にも本発明は適用可能である。
【００５２】
当然に、相互間距離を測定することに加えて又はその代わりにレーザスポット位置の変化を監視することは、図3及び図4に示されるマルチビームデバイスに適用することもできる。更に、レーザビーム30とカメラ4の光学軸が一致してはいないが平行であった場合でさえ、位置の変化(ずれ又はシフト)を監視できる。これは、カメラの倍率(magnification  factor)が距離に依存することに起因する。
【００５３】
図4に示すような2つのレーザデバイス3、5を用いる例の場合、車両のピッチ角(ψ)及びロール角(θ)は、異なる場所にあるレーザデバイスのVCSEL搭載高度の相違又は変化(ΔZ)から導出可能である：
【００５４】
【数３】
0005690329.tif 000004
このように、車両の運動を特徴付ける際に慣性センサ又は角度センサを用いる代わりに、マルチビームレーザ画像処理システムは、車両のピッチ/ロールの動き及び積載状況を監視する効果的な代替手段を提供する。特に、レーザ対地速度センサと組み合わせると、車両の対地速度及びスリップ角度の測定に関する精度及び信頼性が顕著に向上し、この点については以下において更に説明する。対地速度及びスリップ角度の測定の精度を向上させるため、データ処理デバイスは、上述したようにピッチ角及びロール角を計算し、その計算したピッチ角及びロール角に基づいてディテクタが測定した速度(すなわち、速度ベクトルの値)を補正する。
【００５５】
車両の対地速度又は速度ベクトルV0=(Vx,Vy,Vz)はドップラ周波数ベクトル(f1,f2,f3)から導出され、これは例えばVCSEL各々に一体化されているフォトダイオードにより測定される。周波数f1,f2,f3は、レーザ強度各々の自己混合発振の周波数である。周波数f1,f2,f3と速度Vx,Vy,Vz(すなわち、速度ベクトルのカーテシアン座標成分)との関係は次式で与えられる：
【００５６】
【数４】
0005690329.tif 000005
この行列方程式において、角度θ1,θ2,θ3は路面に垂直な方向に対して測定された3つのレーザビームなす角度(極角)を示す。角度φ1,φ2,φ3は進行方向13に垂直な方向14に対して測定されたビームの方位角を示す。あるレーザビーム(すなわち、ビーム30)に関し、進行方向13及び方向14に対するこれらの向きは図5に示されている。
【００５７】
車両が運動している場合、測定された速度ベクトルV=(Vx,Vy,Vz)は回転行列MRにより修正され、以下の数式に従って真の車両対地速度V0=(Vx,Vy,Vz)を導出する：
V0=MR-1V、MRは以下の行列を示す：
【００５８】
【数５】
0005690329.tif 000006
すなわち修正されたベクトルV0を得るために、測定されたベクトルに行列MRの逆行列が乗算される。上記の数式において、θはロール角を示し、ψはピッチ角を示す。φはレーザデバイスの基準方向(例えば、進行方向)と車両の進行方向との間のなす角である。この角度はレーザデバイスの搭載位置の不正確さ等に起因して生じる。
【００５９】
角度φは較正手順、校正手順又はキャリブレーション手順において決定されてもよい。特に、複数のビームが使用される場合において、レーザダイオード各自の自己混合信号から水平方向又は横向きの速度判定がなされる場合、角度φは、車両が真っ直ぐに進んでいる場合における残りの横向き速度成分から導出されてもよい。この場合、角度φはφ=arctan(Vx/Vy)という関係から算出することが可能であり、ここでVyは進行方向速度であり、Vxは横向きの加速度がない運動状態における横向き速度を示す。
【００６０】
対地速度とは別に、車両のボディスリップ角(body  slip  angle)は車両の運動制御に関して重要な別のパラメータである。車両のボディスリップ角の測定値(β)及び真の値(β0)の間の関係は、以下の数式に従ってデータ処理デバイスにより近似できる：
【００６１】
【数６】
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この場合においても再びθはロール角を示し、Ψはピッチ角を示す。φはレーザデバイスの基準方向(例えば、進行方向)と車両の進行方向との間のなす角である。VZ0及びVy0は修正された縦方向速度及び進行方向速度を示す。これらの速度は上記の行列方程式に従って修正されてもよい。ボディスリップ角は車両の実際の進行方向(前進している方向)と縦軸との間のなす角度である。この角度はβ=arctan(Vx/Vy)という関係に従って角度φと同様に測定することが可能であり、ここでVyは進行方向速度であり、Vxは横向き速度を示す。ただし、角度φとは異なり、ボディスリップ角は典型的には横向き加速度がある場合(例えば、旋回している間)に生じるが、角度φはレーザデバイス及び車両の縦軸の不整合に起因して生じる。従って本発明の改善例において、例えば進行方向速度と横向き速度との比較により測定されるボディスリップ角は、上記の数式を用いて修正される。
【００６２】
マルチスポットレーザ画像処理システムによりピッチ及びロール角が判明すると、SMI対地速度センサの定誤差が回転行列MRにより修正できる。従って対地速度及びスリップ角の絶対測定精度を大幅に向上させることができる。
【００６３】
制度の改善だけでなく、光学的車両レーザ検出システムは対地速度センサの信頼性も改善できる。個々のVCSELの出力パワー、検出ビーム各々の焦点精度、及び路面の反射特性は、VCSEL各々による輝度又はコントラスト比を監視することで継続的に分析される。
【００６４】
コントラスト比が通常よりも減少したことは、VCSELの不具合、センサビームの焦点外れ、センサの開口ウィンドウの著しい汚れ又は路面の反射特性が非常に低いこと等を示す。有利なことに、そのような事象又は状況の早期発見は、車両安定制御に使用されたり、過酷な環境にさらされる光学センサ(例えば、SMI対地速度センサ)にとって特に有利である。
【００６５】
従来の慣性又は角度センサを必要とせずに、VCSELマルチビームレーザスポット画像処理システムは、車両のロール角、ピッチ角及び積載状況を測定又は検出することができる。本システムは車両の運動制御、ヘッドランプの自動レベリング(leveling)及びアドバンストサスペンションシステム等にも使用可能である。特に、マルチビーム自己混合対地速度センサと組み合わせると、車両の対地速度及びスリップ角の測定に関する精度及び信頼性の双方を顕著に改善することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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