(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の存在を検出するための装置であって、
プリント回路基板と、
前記プリント回路基板の中心部分に配設される少なくとも1つのレーダー送信アンテナと、
前記少なくとも1つのレーダー送信アンテナからレーダー信号を受信するように各々が構成される、前記プリント回路基板の周縁に配設される複数のレーダー受信アンテナと、
前記プリント回路基板上に配設されるワイヤレス充電器の第1の送信コイルと、
前記第1の送信コイルに隣接して配設される前記ワイヤレス充電器の第2の送信コイルとを含み、前記少なくとも1つのレーダー送信アンテナが、前記第1の送信コイルと前記第2の送信コイルの各々の角に隣接して、かつ前記第1の送信コイルと前記第2の送信コイルの間に配設される、装置。
【請求項２】
レーダー処理回路をさらに含む、請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記レーダー処理回路が、
前記少なくとも1つのレーダー送信アンテナおよび前記複数のレーダー受信アンテナを前記レーダー処理回路から切り離し、
前記レーダー処理回路に誘起されるクロストーク信号を決定し、
前記受信されたレーダー信号から前記クロストーク信号を差し引く
ことによって、前記少なくとも1つのレーダー送信アンテナと前記複数のレーダー受信アンテナとの間のクロストークを打ち消すように構成される、請求項2に記載の装置。
【請求項４】
前記レーダー処理回路が、
レーダー処理ユニットの送信アンテナポートが前記レーダー処理ユニットの受信アンテナポートに接続される間に、前記装置のインパルス応答を測定し、
前記測定されたインパルス応答の逆関数を有する等化フィルタを前記受信されたレーダー信号に適用する
ことによって、前記装置の前記インパルス応答を等化するように構成される、請求項2に記載の装置。
【請求項５】
時間差分検出であって、
前記受信されたレーダー信号をフィルタリングすることと、
前記フィルタリングされた受信されたレーダー信号が所定の閾値を超えるとき、前記物体の前記存在を決定することと
を行うように前記レーダー処理回路が構成される、時間差分検出と、
空間差分検出であって、前記複数のレーダー受信アンテナのサブセットのうちの少なくとも1つからの前記受信されたレーダー信号が所定の閾値を超え、かつ前記複数のレーダー受信アンテナの前記サブセットうちの少なくとも他の1つからの前記受信されたレーダー信号が前記所定の閾値を超えないとき、前記物体の前記存在を決定することを行うように前記レーダー処理回路が構成される、空間差分検出と
のうちの少なくとも1つを利用して前記物体の前記存在を検出するように前記レーダー処理回路が構成される、請求項2に記載の装置。
【請求項６】
物体の存在を検出するための装置を動作させるための方法であって、
プリント回路基板の中心部分に配設される少なくとも1つのレーダー送信アンテナからレーダー信号を送信するステップと、
前記プリント回路基板の周縁に配設される複数のレーダー受信アンテナの少なくともサブセットを利用して、前記レーダー信号を受信するステップと、
前記受信されたレーダー信号の少なくとも1つの特性に基づいて、レーダー処理回路を利用して前記物体の前記存在を決定するステップと、
前記物体の前記存在を前記決定したことに少なくとも一部基づいて、前記プリント回路基板上に配設されるワイヤレス充電器の第1の送信コイル、および前記第1の送信コイルに隣接して配設される前記ワイヤレス充電器の第2の送信コイルに電力を供給するステップとを含み、前記少なくとも1つのレーダー送信アンテナが前記第1の送信コイルと前記第2の送信コイルの各々の角に隣接して、かつ前記第1の送信コイルと前記第2の送信コイルの間に配設される、方法。
【請求項７】
前記少なくとも1つのレーダー送信アンテナと前記複数のレーダー受信アンテナとの間のクロストークを打ち消すステップをさらに含み、前記打ち消すステップが、
前記少なくとも1つのレーダー送信アンテナおよび前記複数のレーダー受信アンテナをレーダー処理回路から切り離すステップと、
前記レーダー処理回路に誘起されるクロストーク信号を決定するステップと、
前記受信されたレーダー信号から前記クロストーク信号を差し引くステップとを含む、請求項6に記載の方法。
【請求項８】
前記装置のインパルス応答を等化するステップをさらに含み、前記等化するステップが、
レーダー処理ユニットの送信アンテナポートが前記レーダー処理ユニットの受信アンテナポートに接続される間に、前記インパルス応答を測定するステップと、
前記測定されたインパルス応答の逆関数を有する等化フィルタを前記受信されたレーダー信号に適用するステップとを含む、請求項6に記載の方法。
【請求項９】
前記物体の前記存在を前記決定するステップが、
前記受信されたレーダー信号をフィルタリングするステップと、
前記フィルタリングされた受信されたレーダー信号が所定の閾値を超えるとき、前記物体の前記存在を決定するステップと
を含む、時間差分検出と、
前記複数のレーダー受信アンテナの前記サブセットのうちの少なくとも1つからの前記受信されたレーダー信号が所定の閾値を超え、かつ前記複数のレーダー受信アンテナの前記サブセットうちの少なくとも他の1つからの前記受信されたレーダー信号が前記所定の閾値を超えないとき、前記物体の前記存在を決定するステップを含む、空間差分検出と
のうちの少なくとも1つを含む、請求項6に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全般にワイヤレス電力伝送に関し、より詳細には、地上の充電ユニットから車両の充電ユニットへのワイヤレス電力伝送に関するデバイス、システム、および方法に関する。より詳細には、本開示は、レーダーに基づく技法を使用した、所定の空間における異質な物体の検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導電力伝送(IPT)システムは、エネルギーのワイヤレス伝送の一例を提供する。IPTでは、一次(または「送信機」)電力デバイスが、二次(または「受信機」)電力デバイスに電力を送信する。送信機電力デバイスおよび受信機電力デバイスの各々は、通常は電流搬送材料を含むシングルコイル構成またはマルチコイル構成の巻線である、誘導結合器を含む。一次インダクタを通る交流電流は、交流磁場を生成する。二次インダクタが一次インダクタに近接して配置されるとき、交流磁場はファラデーの法則に従って二次インダクタに起電力(EMF)を誘起し、それによって二次電力受信機デバイスに電力を伝送する。通常は、たとえば20kHzから150kHzの範囲の、超低周波(VLF)または低周波(LF)帯域の周波数が、車両充電の用途においてIPTのために使用される。
【０００３】
家庭の駐車空間と公共の駐車空間の両方における数キロワットの電力レベルでの車両への誘導電力伝送は、近くの人および機器の安全のために、特別な保護的対策を必要とし得る。そのような対策は、異質な物体が強い交流磁場に曝露された場合に過剰な渦電流および過熱に曝されるIPTシステムでは特に、IPTシステムの危険な空間における異質な物体の検出を含み得る。このことは特に、危険な空間が開放されており到達可能であるシステムに当てはまり得る。そのような対策はまた、生物、たとえば、人、人の四肢、または動物をそのような強い電磁場への曝露から保護するための、生物の検出を含み得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
IPTシステムの危険な空間は、電磁場のレベルがある危険なレベル超える空間として定義され得る。これらのレベルは、人に対する曝露の規制による限界、異質な金属物体における渦電流加熱効果によって決定される磁束密度の限界、または、特定の製品もしくは特定の使用事例に適用可能な規格によって規定されるような他の限界に基づき得る。したがって、所定の空間におけるレーダーに基づく物体の検出のためのシステム、方法、および装置が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
添付の特許請求の範囲内のシステム、方法、およびデバイスの様々な実装形態の各々は、いくつかの態様を有し、そのいずれの態様も、本明細書で説明される望ましい属性に単独では関与しない。本明細書では、添付の特許請求の範囲を限定することなく、いくつかの顕著な特徴が説明される。
【０００６】
本明細書において説明される主題の1つまたは複数の実装形態の詳細は、添付の図面および以下の説明に記載されている。他の特徴、態様および利点は、説明、図面および特許請求の範囲から明らかになるであろう。以下の図の相対的な寸法は、縮尺通りには描かれていないことがあることに留意されたい。
【０００７】
本開示の一態様は、物体の存在を検出するための装置を提供する。装置はプリント回路基板を含む。装置は、プリント回路基板の中心部分に配設される少なくとも1つのレーダー送信アンテナを含む。装置は、少なくとも1つのレーダー送信アンテナからレーダー信号を受信するように各々が構成される、プリント回路基板の周縁に配設される複数のレーダー受信アンテナを含む。装置は、プリント回路基板上に配設されるワイヤレス充電器の第1の送信コイルを含む。
【０００８】
本開示の別の態様は、物体の存在を検出するための装置を動作させるための方法のある実装形態を提供する。方法は、プリント回路基板の中心部分に配設される少なくとも1つのレーダー送信アンテナからレーダー信号を送信するステップを含む。方法は、プリント回路基板の周縁に配設される複数のレーダー受信アンテナの少なくともサブセットを利用して、レーダー信号を受信するステップを含む。方法は、受信されたレーダー信号の少なくとも1つの特性に基づいて、レーダー処理回路を利用して物体の存在を決定するステップを含む。方法は、物体の存在を決定したことに少なくとも一部基づいて、プリント回路基板上に配設されるワイヤレス充電器の第1の送信コイルに電力を供給するステップを含む。
【０００９】
本開示のさらに別の態様は、物体の存在を検出するための装置を提供する。装置は、ワイヤレスに充電可能な車両に取り付けられ、車両の動きの主な方向に車両が動くにつれて車両のワイヤレス電力受信機とワイヤレス充電器との間の空間へとレーダー信号を送信するように構成される、少なくとも1つのレーダーアンテナを含む。少なくとも1つのレーダーアンテナはさらに、レーダー信号を受信するように構成される。装置はさらに、受信されたレーダー信号の少なくとも1つの特性に基づいて空間における物体の存在を決定するように構成される、レーダー処理回路を含む。レーダー処理回路はさらに、物体の存在を決定したことに少なくとも一部基づいて、ワイヤレス充電器から電力を受け取るための指示を提供するように構成される。
【００１０】
本開示のさらに別の態様は、物体の存在を検出するための装置を動作させるための方法のある実装形態を提供する。方法は、プリント回路基板上にアレイ状に配置される複数のレーダーアンテナの少なくとも1つのアンテナからレーダー信号を送信するステップを含む。方法は、車両上の少なくとも1つのレーダーアンテナを利用して、車両の動きの主な方向に車両が動くにつれてレーダー信号を車両のワイヤレス電力受信機とワイヤレス充電器との間の空間へと送信するステップを含む。方法は、車両上の少なくとも1つのレーダーアンテナを利用して、レーダー信号を受信するステップを含む。方法は、受信されたレーダー信号の少なくとも1つの特性に基づいて、物体の存在を決定するステップを含む。方法は、物体の存在を決定したことに少なくとも一部基づいて、ワイヤレス充電器から電力を受け取るための指示を提供するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】例示的な実装形態による、電動車両を充電するための例示的なワイヤレス電力伝送システムの図である。
【図２】図1のワイヤレス電力伝送システムの例示的な中核的な構成要素の概略図である。
【図３】図1のワイヤレス電力伝送システムの例示的な中核的な構成要素および付随的な構成要素を示す別の機能ブロック図である。
【図４】例示的な実装形態による、異質な物体を検出するための複数の選択可能な送信アンテナと別々の複数の選択可能な受信アンテナとを有する例示的なレーダーシステムの概略図である。
【図５】例示的な実装形態による、異質な物体を検出するための送信アンテナと受信アンテナのいずれかとして構成可能な複数の選択可能なアンテナを有する別の例示的なレーダーシステムの概略図である。
【図６】例示的な実装形態による、異質な物体を検出するための、レーダー信号の送信と受信の両方を行うように構成可能な複数の選択可能なアンテナを有する別のレーダーシステムの概略図である。
【図７】例示的な実装形態による、異質な物体を検出するための、複数の選択可能な送信アンテナと別々の複数の選択可能な受信アンテナとを併置されるペアとして有する別のレーダーシステムの概略図である。
【図８】例示的な実装形態による、送信して受信するための別々のポートを有するレーダー検出器ユニットのブロック図である。
【図９】例示的な実装形態による、複数の送信ポートおよび複数の受信ポートを有するレーダー検出器ユニットのブロック図である。
【図１０】例示的な実装形態による、2ポートレーダー検出器ユニットをシングルポートレーダー検出器ユニットに変換するための方向性結合器を示す図である。
【図１１】例示的な実装形態による、2ポートレーダー検出器ユニットをシングルポートレーダー検出器ユニットに変換するためのサーキュレータを示す図である。
【図１２】例示的な実装形態による、2ポートレーダー検出器ユニットから仮想的なシングルポートレーダー検出器ユニットを形成するための送信アンテナおよび受信アンテナの併置されたペアを示す図である。
【図１３】例示的な実装形態による、平面シングルコイルIPT結合器(「円形」パッド)の中心に配設されるレーダー送信アンテナと、パッドの周縁に配設される複数のレーダーアンテナとの配置を示す図である。
【図１４】図13のレーダーアンテナの配置の側面図である。
【図１５】図13に示されるレーダーアンテナの配置を有するプリント回路基板を示す図である。
【図１６】図15のプリント回路基板の側面図である。
【図１７】例示的な実装形態による、平面シングルコイルIPT結合器(「円形」パッド)の上にアレイ状に配設される送信と受信の両方のための、ペアの送信レーダーアンテナおよび受信レーダーアンテナ、または単一のレーダーアンテナの配置を示す図である。
【図１８】図17のレーダーアンテナの配置の側面図である。
【図１９】図17に示されるレーダーアンテナの配置を有するプリント回路基板を示す図である。
【図２０】図19のプリント回路基板の側面図である。
【図２１】例示的な実装形態による、平面ダブルコイルIPT結合器(「ダブルD」パッド)の中心に配設されるレーダー送信アンテナと、パッドの周縁に配設される複数のレーダーアンテナとの配置を示す図である。
【図２２】図21のレーダーアンテナの配置の側面図である。
【図２３】図21に示されるレーダーアンテナの配置を有するプリント回路基板を示す図である。
【図２４】図23のプリント回路基板の側面図である。
【図２５】例示的な実装形態による、平面ダブルコイルIPT結合器(「ダブルD」パッド)の上にアレイ状に配設される送信と受信の両方のための、ペアの送信レーダーアンテナおよび受信レーダーアンテナ、または単一のレーダーアンテナの配置を示す図である。
【図２６】図25のレーダーアンテナの配置の側面図である。
【図２７】図25に示されるレーダーアンテナの配置を有するプリント回路基板を示す図である。
【図２８】図27のプリント回路基板の側面図である。
【図２９】例示的な実装形態による、伝播経路とレーダー送受信機の内部クロストークとを含む、レーダーシステム構成の線形システムモデルを示す図である。
【図３０】例示的な実装形態による、クロストークの打ち消しのモデルを示す図である。
【図３１】例示的な実装形態による、レーダー送受信機の内部クロストークを測定するためのレーダーシステム構成の線形システムモデルを示す図である。
【図３２】例示的な実装形態による、レーダー送受信機ユニットにおけるクロストーク測定のためのアンテナポートの終端の準備を示す図である。
【図３３】例示的な実装形態による、レーダーシステムのインパルス応答を測定するためのアンテナポートのバイパスの準備を示す図である。
【図３４】例示的な実装形態による、システムの応答を測定するためのレーダーシステム構成の線形システムモデルを示す図である。
【図３５】例示的な実装形態による、レーダーシステムのための離散周波数領域の後処理カスケードを示す図である。
【図３６】例示的な実装形態による、レーダーシステムのための離散時間領域の後処理カスケードを示す図である。
【図３７】例示的な実装形態による、システム較正のための参照レーダー応答の減算のモデルを示す図である。
【図３８】例示的な実装形態による、レーダーシステムにおけるレーダー応答の時間差分検出のための一次離散時間有限インパルス応答フィルタを示す図である。
【図３９】例示的な実装形態による、異質な物体の存在下での較正されたシステムのレーダー応答の例示的なレーダー画像を示す図である。
【図４０】例示的な実装形態による、車両が動いた後の較正されたシステムのレーダー応答の例示的なレーダー画像を示す図である。
【図４１】例示的な実装形態による、例示的なレーダーシステムのマルチパスのレーダーの伝播を示す図である。
【図４２】図41の第1の受信アンテナと関連付けられる送信伝播経路のための、理想化された分解されたレーダー応答を示す図である。
【図４３】図41の第2の受信アンテナと関連付けられる送信伝播経路のための、理想化された分解されたレーダー応答を示す図である。
【図４４】例示的な実施形態による、所定の空間におけるレーダーに基づく物体の検出のための例示的な方法のフローチャートである。
【図４５】例示的な実施形態による、所定の空間におけるレーダーに基づく物体の検出のための例示的な方法の別のフローチャートである。
【図４６】例示的な実施形態による、所定の空間におけるレーダーに基づく物体の検出のための例示的な方法の別のフローチャートである。
【図４７】例示的な実装形態による、車両側の展開可能な平面レーダーアンテナを示す図である。
【図４８】例示的な実装形態による、異質な物体を検出するためのレーダーアンテナの直線状のアレイを有する車両側のレーダーシステムの複数の連続的なビューを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面に示された様々な特徴は、縮尺通りに描かれていないことがある。したがって、明確にするために、様々な特徴の寸法は任意に拡大または縮小されていることがある。加えて、図面のいくつかは、所与のシステム、方法、またはデバイスの構成要素のすべてを図示していないことがある。最後に、同様の参照番号が、明細書および図面全体を通じて同様の特徴を表すために使用され得る。
【００１３】
添付の図面に関連して以下に記載される詳細な説明は、例示的な実装形態の説明であることが意図されており、本発明が実践され得る唯一の実施形態を表すことは意図されていない。この説明全体にわたって使用される「例示的」という用語は、「例、実例、または例示としての役割を果たす」ことを意味しており、必ずしも、他の例示的な実装形態よりも好ましいか、または有利なものと解釈されるべきではない。詳細な説明は、例示的な実装形態の完全な理解を与えるための具体的な詳細を含む。いくつかの例では、いくつかのデバイスはブロック図の形式で示されている。
【００１４】
本明細書で開示される概念は、レーダーの原理および技法に基づき、所定の3次元空間において金属の異質な物体と非金属の異質な物体のいずれかまたは両方を検出するために使用され得る。基本的な原理および技法は主に、電磁波、たとえばマイクロ波の使用に適用される。しかしながら、そのような原理および技法は、何らかの修正および制約とともに、音波、たとえば超音波の使用にも適用され得る。簡潔にするために、すべての説明は、通常は1GHzを超える周波数におけるマイクロ波の使用に言及する。たとえば、いくつかの実装形態では、有用な周波数範囲は、1〜10GHz、12〜27GHz、および/または77〜81GHz、たとえば自動車向けの帯域であり得る。しかしながら、本出願はそのようには限定されず、上で言及された値よりも高い、それらの間にある、またはそれよりも低い電磁波もしくは電磁放射の周波数が追加で企図される。
【００１５】
本明細書で開示される基本的なレーダー方法は全般に、擬似ランダムシーケンスを送信するUltra-Wide-Band(UWB)技術を想定するが、それに限定されるものとして見なされるべきではない。それらの方法は、パルス、FMCW、擬似雑音波形(FSK、PSK)、マルチトーン信号を送信することに基づく技法のような、時間領域において十分な分解能を提供するための広帯域技術のいずれかとともに実施され得る。一部の方法はさらに、単純なCW信号を送信することのような、周波数(ドップラー)領域において十分な分解能を提供するための、狭帯域技術とともに機能し得る。
【００１６】
本明細書で開示される原理および技法は、少なくとも1つのレーダー送信機、たとえばレーダー送信アンテナと、少なくとも1つのレーダー受信機、たとえばレーダー受信機アンテナとを仮定する。しかしながら、そのような原理および技法は、そのように制限されるものとして見なされるべきではない。たとえば、そのような原理および技法は、たとえば、信号を変調すること、信号を遅延させること、もしくは信号を周波数シフトすることによって、再送信された信号を修正することができる、少なくとも1つのパッシブレーダー信号トランスポンダ、アクティブレーダー信号トランスポンダ、または信号レピータを利用することができる。
【００１７】
本明細書で開示されるレーダーに基づく異質物体検出(FOD)の方法および実装形態は、IPT充電システムへと完全に、好ましくはベースサブシステムへと、かつ具体的にはベースIPT結合器、すなわちベースパッドへと組み込まれると想定される。しかしながら、本明細書で開示される方法は、組み込まれない単独の解決法、すなわち個別の解決法にも適用され得る。本明細書で開示されるFODの組込みの概念および解決法は、ベースIPT結合器への組込みを仮定する。それらは、車両結合器への組込みにも適用され得る。
【００１８】
本明細書で開示される方法および実装形態は、ベースユニットに組み込まれる送信アンテナと受信アンテナの両方を仮定する。しかしながら、そのような方法および実装形態は、そのように制限されるものとして見なされるべきではない。「s21」と呼ばれることがある経路減衰を測定することに基づく方法は、ベース側のレーダー送信アンテナおよび車両側のレーダー受信アンテナ、または車両側のレーダー送信アンテナおよびベース側のレーダー受信アンテナを使用することができる。
【００１９】
パッシブレーダー信号トランスポンダまたはアクティブレーダー信号トランスポンダを使用する方法は、ベース側の一次送信アンテナおよび受信アンテナならびに車両側のトランスポンダ、または車両側の一次送信アンテナおよび受信アンテナならびにベース側のトランスポンダを使用することができる。
【００２０】
本明細書では具体的に述べられないが、FODシステムは、異質な物体の存在が決定された場合に電力伝送(充電)が低電力レベルにおいて停止されるか継続されるかのいずれかとなり得るように、ワイヤレス充電制御システムに接続されると仮定される。
【００２１】
FODの組込みの概念および解決法を開示する目的で本明細書で仮定されるIPT結合器は、例示的であり、限定するものとして見なされるべきではない。そのような例示的なIPT結合器は、たとえば柔らかいフェライト材料を含む銅リッツ線、フェライト構造によりたとえば作られるコイル構造、および、たとえばアルミニウムを含む導電性バックプレートから構成され得る。「円形」タイプの結合器および「ダブルコイル」または「ダブルD」タイプの結合器という、2つの主なタイプのIPT結合器が本明細書で考慮される。本開示では明示的に示されないが、レーダーに基づくFODは、何らかの修正とともに、他のタイプのIPT結合器、たとえば「バイポーラ」タイプまたは「ソレノイド」タイプの結合器へと組み込まれ得る。
【００２２】
加えて、説明および図面は、簡潔にするために単一の異質な物体を示す。しかしながら、本明細書で開示される方法および装置は、一般に、所定の空間内の2つ以上の物体が原因の異常な状態を検出する能力を有する。そのような物体は、限定はされないが、煙草の箱、コーラ缶、またはヨーグルトのカップを含む瓦礫およびゴミのような非生物の物体であり得るが、人の四肢、または限定はされないが猫、犬、もしくはモルモットを含む動物のような生物でもあり得る。
【００２３】
電力をワイヤレスに伝送することは、物理的な導体を使用せずに、電場、磁場、電磁場などと関連付けられる任意の形態のエネルギーを送信機から受信機に伝送する(たとえば、電力は、自由空間を通じて伝送され得る)ことを指し得る。電力伝送を実現するために、ワイヤレス場(たとえば、磁場)へと出力された電力は、「受信コイル」によって受信され、捕捉され、または結合され得る。
【００２４】
本明細書では、遠隔システムを説明するために電動車両が使用され、その一例は、その運動能力の一部として、充電可能なエネルギー蓄積デバイス(たとえば、1つまたは複数の再充電可能な電気化学セルまたは他のタイプのバッテリー)から導かれた電力を含む車両である。非限定的な例として、いくつかの電動車両は、電気モータ以外に、直接の運動のための、または車両のバッテリーを充電するための従来型の内燃機関を含むハイブリッド電動車両であり得る。他の電動車両は、電力からすべての運動能力を引き出すことができる。電動車両は自動車に限定されず、オートバイ、カート、スクーターなどを含み得る。限定ではなく例として、遠隔システムは本明細書において、電動車両(EV)の形態で説明される。さらに、充電可能なエネルギー蓄積デバイスを使用して少なくとも部分的に電力供給され得る他の遠隔システム(たとえば、パーソナルコンピューティングデバイスなどの電子デバイス)も企図される。
【００２５】
図1は、例示的な実装形態による、電動車両112を充電するための例示的なワイヤレス電力伝送システム100の図である。ワイヤレス電力伝送システム100は、電動車両112がベースワイヤレス充電システム102aの近くに駐車されている間の、電動車両112の充電を可能にする。2つの電動車両のための空間が、対応するベースワイヤレス充電システム102aおよび102bの上方に駐車されることになる駐車エリアの中に示されている。いくつかの実装形態では、ローカル配電センター130が、電力バックボーン132に接続され、電力リンク110を通じてベースワイヤレス充電システム102aに交流電流(AC)または直流(DC)電源を提供するように構成され得る。ベースワイヤレス充電システム102aはまた、電力をワイヤレスに伝送または受信するベースシステム誘導コイル104aを含む。電動車両112は、バッテリーユニット118、電動車両誘導コイル116、および電動車両ワイヤレス充電システム114を含み得る。電動車両誘導コイル116は、たとえば、ベースシステム誘導コイル104aによって生成される電磁場の領域を介して、ベースシステム誘導コイル104aと相互作用し得る。
【００２６】
いくつかの例示的な実装形態では、電動車両誘導コイル116は、電動車両誘導コイル116がベースシステム誘導コイル104aによって生成されるエネルギー場の中に位置するとき、電力を受信することができる。この場は、ベースシステム誘導コイル104aによって出力されるエネルギーが電動車両誘導コイル116によって捕捉され得る領域に対応する。たとえば、ベースシステム誘導コイル104aによって出力されるエネルギーは、電動車両112を充電または給電するのに十分なレベルにあり得る。いくつかの場合には、この場は、ベースシステム誘導コイル104aの「近接場」に対応し得る。近接場は、ベースシステム誘導コイル104aから遠くに電力を放射しない、ベースシステム誘導コイル104aの中の電流および電荷に起因する強い反応場がある、領域に対応し得る。いくつかの場合には、近接場は、以下でさらに説明されるように、ベースシステム誘導コイル104aの波長の約1/2π内にある(かつ電動車両誘導コイル116に対しては電動車両誘導コイル116の約1/2π内にある)領域に対応し得る。
【００２７】
ローカル配電センター130は、通信バックホール134を介して外部の電力源(たとえば、電力網)と、かつ通信リンク108を介してベースワイヤレス充電システム102aと通信するように構成され得る。
【００２８】
いくつかの実装形態では、電動車両誘導コイル116は、ベースシステム誘導コイル104aと揃えられ得るので、単に運転手が電動車両112をベースシステム誘導コイル104aに対して正しく配置することによって、近接場領域内に配設され得る。他の実装形態では、運転手は、電動車両112がワイヤレス電力伝送のための「スイート」スポットに適切に配置されているときを決定するために、視覚的なフィードバック、音声のフィードバック、またはそれらの組合せを与えられ得る。さらに他の実装形態では、電動車両112は、整列の誤差が許容可能な値に達するまで電動車両112を前後に(たとえば、ジグザグの動きで)動かすことができる、オートパイロットシステムによって配置され得る。これは、電動車両112が車両を調整するためのサーボ式ハンドル、超音波センサ、および知能を備えている限り、運転手の介入を伴うことなく、または運転手の最小限の介入を伴って、電動車両112によって自動的かつ自律的に実行され得る。さらに他の実装形態では、電動車両誘導コイル116、ベースシステム誘導コイル104a、またはそれらの組合せは、誘導コイル116および104aを互いに対してずらして移動させて、それらをより正確に配向し、それらの間のより効率的な結合を促進するための機能を有し得る。
【００２９】
ベースワイヤレス充電システム102aは、種々の位置に位置し得る。非限定的な例として、いくつかの適切な位置は、電動車両112の所有者の自宅の駐車エリア、従来型の石油ベースの給油所にならって作られた電動車両のワイヤレス充電のために確保された駐車エリア、ならびにショッピングセンターおよび職場などの他の位置にある駐車場を含む。
【００３０】
電動車両をワイヤレスに充電することは、多数の利点をもたらし得る。たとえば、充電が実質的に運転手の介入および操作を伴わずに自動的に実行され得るので、ユーザの利便性が向上する。また、露出した電気的接点および機械的な摩耗がなくなり得るので、ワイヤレス電力伝送システム100の信頼性が向上する。ケーブルおよびコネクタによる操作が必要とされなくてよく、屋外環境において蒸気および水に曝され得るケーブル、プラグ、またはソケットがなくなり得るので、安全性が向上する。また、目に見える、または手の届くソケット、ケーブル、およびプラグがなくなり得るので、電力の充電デバイスの損壊の可能性が減る。さらに、電動車両112は、電力網を安定化するための分散蓄電デバイスとして使用され得るので、Vehicle-to-Grid(V2G)動作のための車両の利用可能性を上げるために、docking-to-grid解決法が使用されることが可能である。
【００３１】
図1を参照して説明されるようなワイヤレス電力伝送システム100はまた、美観上の利点および障害にならないという利点をもたらし得る。たとえば、車両および/または歩行者の障害となり得る充電用の柱およびケーブルがなくなり得る。
【００３２】
vehicle-to-grid機能のさらなる説明として、ワイヤレス電力送受信機能は、ベースワイヤレス充電システム102aが電力を電動車両112に伝送し、たとえばエネルギー不足のときに電動車両112が電力をベースワイヤレス充電システム102aに伝送するように、相互的であるように構成され得る。この機能は、過大な需要または再生可能エネルギーの産生(たとえば、風力または太陽光)の不足により引き起こされるエネルギー不足の際に、電動車両が配電系統全体へ電力を供給することを可能にすることによって、配電網を安定化するのに有用であり得る。
【００３３】
図2は、図1のワイヤレス電力伝送システム100の例示的な中核的な構成要素の概略図である。図2に示されるように、ワイヤレス電力伝送システム200は、インダクタンスL1を有するベースシステム誘導コイル204を含むベースシステム送信回路206を含み得る。ワイヤレス電力伝送システム200はさらに、インダクタンスL2を有する電動車両誘導コイル216を含む電動車両受信回路222を含む。本明細書で説明される実装形態は、一次側と二次側の両方が共通の共振周波数に同調されている場合に、磁気的または電磁気的な近接場を介して一次側構造物(送信機)から二次側構造物(受信機)へとエネルギーを効率的に結合することが可能な、共振構造を形成する容量装荷型ワイヤループ(すなわち、多巻コイル)を使用することができる。このコイルは、電動車両誘導コイル216およびベースシステム誘導コイル204のために使用され得る。エネルギーを結合するための共振構造を使用することは、「磁気結合共振」、「電磁結合共振」、および/または「共振誘導」と呼ばれ得る。ワイヤレス電力伝送システム200の動作は、ベースワイヤレス充電システム202から電動車両112への電力伝送に基づいて説明されるが、それには限定されない。たとえば、上で論じられたように、電動車両112は、電力をベースワイヤレス充電システム102aに伝送することができる。
【００３４】
図2を参照すると、電源208(たとえば、ACまたはDC)が、電力PSDCをベースワイヤレス充電システム202に供給して、エネルギーを電動車両112に伝送する。ベースワイヤレス充電システム202は、ベース充電システム電力コンバータ236を含む。ベース充電システム電力コンバータ236は、標準的な商用AC電力から適切な電圧レベルのDC電力へと電力を変換するように構成されるAC/DCコンバータ、および、DC電力をワイヤレス高電力伝送に適した動作周波数の電力に変換するように構成されるDC/低周波(LF)コンバータのような、回路を含み得る。ベース充電システム電力コンバータ236は、電力P1をベースシステム誘導コイル204と直列のキャパシタC1を含むベースシステム送信回路206に供給して、所望の周波数で電磁場を放出する。キャパシタC1は、並列または直列のいずれかでベースシステム誘導コイル204に結合されてよく、または並列トポロジーまたは直列トポロジーの任意の組合せでいくつかの反応性要素から形成されてよい。キャパシタC1は、所望の周波数で共振するベースシステム誘導コイル204を伴う共振回路を形成するために設けられ得る。ベースシステム誘導コイル204は、電力P1を受信し、電動車両112を充電または給電するのに十分なレベルの電力をワイヤレスに送信する。たとえば、ベースシステム誘導コイル204によってワイヤレスに提供される電力レベルは、キロワット(kW)のオーダー(たとえば、1kWから110kWまで、またはそれ以上まで、またはそれ以下までのどこか)にあり得る。
【００３５】
ベースシステム誘導コイル204を含むベースシステム送信回路206および電動車両誘導コイル216を含む電動車両受信回路222は、実質的に同じ周波数に同調されてよく、ベースシステム誘導コイル204と電動車両誘導コイル116の1つによって送信される電磁場の近接場の中に配置され得る。この場合、ベースシステム誘導コイル204および電動車両誘導コイル116は、キャパシタC2と電動車両誘導コイル116とを含む電動車両受信回路222に電力が伝送され得るように、互いに結合されるようになり得る。キャパシタC2は、所望の周波数で共振する電動車両誘導コイル216とともに共振回路を形成するために設けられ得る。キャパシタC2は、並列または直列のいずれかで電気車両誘導コイル204に結合されてよく、または並列トポロジーまたは直列トポロジーの任意の組合せでいくつかの反応性要素から形成されてよい。要素k(d)は、コイルの離隔に起因する相互結合係数を表す。等価抵抗Req,1およびReq,2は、誘導コイル204および216ならびに反リアクタンスキャパシタC1およびC2に固有であり得る損失を表す。電動車両誘導コイル316およびキャパシタC2を含む電動車両受信回路222は、電力P2を受信し、電力P2を電動車両充電システム214の電動車両電力コンバータ238に提供する。
【００３６】
電動車両電力コンバータ238は、とりわけ、動作周波数の電力を、電動車両バッテリーユニット218の電圧レベルに一致した電圧レベルのDC電力へと戻す形で変換するように構成される、LF/DCコンバータを含み得る。電動車両電力コンバータ238は、電動車両バッテリーユニット218を充電するために、変換された電力PLDCを提供することができる。電源208、ベース充電システム電力コンバータ236、およびベースシステム誘導コイル204は固定され、上で論じられたような種々の位置に位置し得る。バッテリーユニット218、電動車両電力コンバータ238、および電動車両誘導コイル216は、電動車両112の一部またはバッテリーパック(図示せず)の一部である電動車両充電システム214に含まれ得る。電動車両充電システム214はまた、電動車両誘導コイル216を通じてベースワイヤレス充電システム202に電力をワイヤレスに提供して、電力を電力網に戻すように構成され得る。電動車両誘導コイル216およびベースシステム誘導コイル204の各々は、動作のモードに基づいて、送信誘導コイルまたは受信誘導コイルとして動作し得る。
【００３７】
示されないが、ワイヤレス電力伝送システム200は、電動車両バッテリーユニット218または電源208をワイヤレス電力伝送システム200から安全に切り離すための、負荷切断ユニット(LDU)を含み得る。たとえば、緊急事態またはシステム障害の場合、LDUは、負荷をワイヤレス電力伝送システム200から切断することをトリガされ得る。LDUは、バッテリーへの充電を管理するためのバッテリー管理システムに加えて設けられてよく、または、バッテリー管理システムの一部であってよい。
【００３８】
さらに、電動車両充電システム214は、電動車両誘導コイル216を電動車両電力コンバータ238に選択的に接続し、またはそれから切り離すための、スイッチング回路(図示せず)を含み得る。電動車両誘導コイル216を切り離すことは、充電を中断することができ、また、(送信機として動作する)ベースワイヤレス充電システム102aによって「見られる」ような「負荷」を調整することができ、このことは、ベースワイヤレス充電システム102aから(受信機として動作する)電動車両充電システム114を「隠す」ために使用され得る。送信機が負荷感知回路を含む場合、負荷の変化が検出され得る。したがって、ベースワイヤレス充電システム202のような送信機は、電動車両充電システム114のような受信機がベースシステム誘導コイル204の近接場に存在するときを決定するための機構を有し得る。
【００３９】
上で説明されたように、動作において、車両またはバッテリーへのエネルギー伝送を仮定すると、ベースシステム誘導コイル204がエネルギー伝送を提供するための場を生成するように、入力電力が電源208から提供される。電動車両誘導コイル216は、放射された場に結合し、電動車両112による蓄積または消費のための出力電力を生成する。上で説明されたように、いくつかの実装形態では、ベースシステム誘導コイル204および電動車両誘導コイル116は、電動車両誘導コイル116の共振周波数とベースシステム誘導コイル204の共振周波数が非常に近いときのように、または実質的に同じであるときのように、相互共振の関係に従って構成される。ベースワイヤレス充電システム202と電動車両充電システム214との間の送信損失は、電動車両誘導コイル216がベースシステム誘導コイル204の近接場に位置しているときは最小限である。
【００４０】
述べられたように、効率的なエネルギー伝送は、エネルギーの大半を電磁波で非近接場に伝播するのではなく、送信側誘導コイルの近接場におけるエネルギーの大部分を受信側誘導コイルに結合することによって、発生する。近接場の中にあるとき、送信誘導コイルと受信誘導コイルとの間にある結合モードが確立され得る。この近接場結合が発生し得る、誘導コイルの周りの領域は、本明細書では近接場結合モード領域と呼ばれる。
【００４１】
示されないが、ベース充電システム電力コンバータ236および電動車両電力コンバータ238はともに、発振器と、電力増幅器のような駆動回路と、フィルタと、ワイヤレス電力誘導コイルとの効率的な結合のための整合回路とを含み得る。発振器は、調整信号に応答して調整され得る所望の周波数を生成するように構成され得る。発振器信号は、制御信号に応答した増幅量で電力増幅器によって増幅され得る。フィルタおよび整合回路は、高調波および他の不要な周波数を除去し、電力変換モジュールのインピーダンスをワイヤレス電力誘導コイルに整合するために含まれ得る。電力コンバータ236および238はまた、バッテリーを充電するのに適切な電力出力を生成するための、整流器およびスイッチング回路を含み得る。
【００４２】
開示される実装形態全体で説明されるような電動車両誘導コイル216およびベースシステム誘導コイル204は、「ループ」アンテナ、より具体的には多巻ループアンテナと呼ばれることがあり、またはそれとして構成され得る。誘導コイル204および216はまた、「磁気」アンテナと本明細書では呼ばれることがあり、またはそれとして構成され得る。「コイル」という用語は、別の「コイル」に結合するためのエネルギーをワイヤレスに出力または受信することができる構成要素を指すことが意図される。コイルは、電力をワイヤレスに出力または受信するように構成されるタイプの「アンテナ」とも呼ばれ得る。本明細書で使用される場合、コイル204および216は、電力をワイヤレスに出力し、ワイヤレスに受信し、かつ/またはワイヤレスに中継するように構成される、あるタイプの「電力伝送構成要素」の例である。ループ(たとえば、多巻ループ)アンテナは、空芯、またはフェライトコアのような物理的コアを含むように構成され得る。空芯ループアンテナは、コア領域内への他の構成要素の配置を可能にし得る。強磁性材料または強磁性材料を含む物理的コアアンテナは、より強い電磁場の展開および結合の改善を可能にし得る。
【００４３】
上で論じられたように、送信機と受信機との間のエネルギーの効率的な伝送は、送信機と受信機との間の整合した共振またはほぼ整合した共振の間に発生する。しかしながら、送信機と受信機との間の共振が整合していないときでも、エネルギーはより低い効率で伝送され得る。エネルギーの伝送は、送信側誘導コイルからのエネルギーを自由空間へと伝播するのではなく、送信側誘導コイルの近接場からのエネルギーを、この近接場が確立される領域内に(たとえば、所定の周波数範囲の共振周波数内に、または近接場領域から所定の距離内に)存在する受信側誘導コイルに結合することによって発生する。
【００４４】
共振周波数は、上で説明されたような誘導コイル(たとえば、ベースシステム誘導コイル204)を含む送信回路のインダクタンスおよびキャパシタンスに基づき得る。図2に示されるように、インダクタンスは一般に誘導コイルのインダクタンスであり得るが、キャパシタンスは、所望の共振周波数において共振構造を作成するために、誘導コイルに追加され得る。非限定的な例として、図2に示されるように、電磁場を生成する共振回路(たとえば、ベースシステム送信回路206)を作成するために、キャパシタが誘導コイルと直列に追加され得る。したがって、より直径の大きな誘導コイルでは、共振を引き起こすために必要とされる容量の値は、コイルの直径またはインダクタンスが増大するにつれて低下し得る。インダクタンスはまた、誘導コイルの巻数に依存し得る。さらに、誘導コイルの直径が増加するにつれて、近距離場の効率的なエネルギー伝達面積が増加し得る。他の共振回路が可能である。別の非限定的な例として、キャパシタは、誘導コイル(たとえば、並列共振回路)の2つの端子間に並列に配置され得る。さらに、誘導コイルは、誘導コイルの共振を改善するために高い品質(Q)値を有するように設計され得る。たとえば、Q値は300以上であり得る。
【００４５】
上で説明されたように、いくつかの実装形態によれば、互いの近接場の中にある2つの誘導コイルの間で電力を結合することが開示される。上で説明されたように、近接場は、電磁場が存在するが電磁場が誘導コイルから遠くに伝播または放射し得ない、誘導コイルの周りの領域に対応し得る。近接場結合モード領域は、誘導コイルの物理的容積の近く、通常は波長のごく一部の範囲内にある、容積に対応し得る。いくつかの実装形態によれば、実際の実装形態での近接磁場の振幅は電気タイプのアンテナ(たとえば、小型ダイポール)の近接電場と比較して磁気タイプのコイルではより高い傾向があるので、単巻ループアンテナおよび多巻ループアンテナのような電磁誘導コイルが、送信と受信の両方のために使用される。これは、ペアの間の潜在的により密な結合を可能にする。さらに、「電気」アンテナ(たとえば、ダイポールおよびモノポール)または磁気アンテナと電気アンテナの組合せが使用され得る。
【００４６】
図3は、図1のワイヤレス電力伝送システム300の例示的な中核的な構成要素および付随的な構成要素を示す別の機能ブロック図である。ワイヤレス電力伝送システム300は、通信リンク376と、案内リンク366と、ベースシステム誘導コイル304および電動車両誘導コイル316のための整列システム352、354とを示す。図2を参照して上で説明されたように、電動車両112へのエネルギーの流れを仮定すると、図3において、ベース充電システム電力インターフェース354は、AC電源またはDC電源126のような電源から充電システム電力コンバータ336に電力を提供するように構成され得る。ベース充電システム電力コンバータ336は、ベース充電システム電力インターフェース354からAC電力またはDC電力を受信して、共振周波数で、またはその近くで、ベースシステム誘導コイル304を励振することができる。近接場結合モード領域にあるとき、電動車両誘導コイル316は、近接場結合モード領域からエネルギーを受け取り、共振周波数で、またはその近くで発振することができる。電動車両電力コンバータ338は、電動車両誘導コイル316からの発振信号を、電動車両電力インターフェースを介してバッテリーを充電するのに適した電力信号に変換する。
【００４７】
ベースワイヤレス充電システム302はベース充電システムコントローラ342を含み、電動車両充電システム314は電動車両コントローラ344を含む。ベース充電システムコントローラ342は、たとえば、コンピュータ、配電センター、またはスマート電力網のような他のシステム(図示せず)へのベース充電システム通信インターフェース162を含み得る。電動車両コントローラ344は、たとえば、車両の車中コンピュータ、他のバッテリー充電コントローラ、車両内の他の電子システム、および遠隔電子システムのような、他のシステム(図示せず)への電動車両通信インターフェースを含み得る。
【００４８】
ベース充電システムコントローラ342および電動車両コントローラ344は、別々の通信チャネルを伴う特定の用途のためのサブシステムまたはモジュールを含み得る。これらの通信チャネルは、別々の物理チャネルまたは別々の論理チャネルであってよい。非限定的な例として、ベース充電整列システム352は、通信リンク376を通じて電動車両整列システム354と通信して、自律的に、またはオペレータの支援により、ベースシステム誘導コイル304および電動車両誘導コイル316をより厳密に整列するための、フィードバック機構を提供することができる。同様に、ベース充電案内システム362は、案内リンクを通じて電動車両案内システム364と通信して、ベースシステム誘導コイル304および電動車両誘導コイル316を整列する際にオペレータを案内するためのフィードバック機構を提供することができる。加えて、ベースワイヤレス充電システム302と電動車両充電システム314との間で他の情報を通信するための、ベース充電システム372および電動車両通信システム374によってサポートされる別々の汎用通信リンク(たとえば、チャネル)があってよい。この情報は、電動車両の特性、バッテリーの特性、充電状態、および、ベースワイヤレス充電システム302と電動車両充電システム314の両方の電力能力についての情報、同様に、電動車両112のメンテナンスデータおよび診断データを含み得る。これらの通信チャネルは、たとえば、Bluetooth（登録商標）、zigbee、セルラーなどのような、別々の物理通信チャネルであり得る。
【００４９】
電動車両コントローラ344はまた、電動車両の主要バッテリーの充電および放電を管理するバッテリー管理システム(BMS)(図示せず)と、マイクロ波または超音波レーダーの原理に基づく駐車支援システムと、半自動の駐車動作を実行するように構成されるブレーキシステムと、より高い駐車精度を提供できる大部分が自動化された駐車「park by wire」によって支援するように構成されるハンドルサーボシステムとを含み得るので、ベースワイヤレス充電システム102aと電動車両充電システム114のいずれにおいても機械的な水平方向の誘導コイル整列の必要性が減る。さらに、電動車両コントローラ344は、電動車両112の電子機器と通信するように構成され得る。たとえば、電動車両コントローラ344は、視覚的出力デバイス(たとえば、ダッシュボードのディスプレイ)、音響/オーディオ出力デバイス(たとえば、ブザー、スピーカー)、機械的入力デバイス(たとえば、キーボード、タッチスクリーン、および、ジョイスティック、トラックボールのようなポインティングデバイスなど)、およびオーディオ入力デバイス(たとえば、電子音声認識を伴うマイクロフォン)と通信するように構成され得る。
【００５０】
さらに、ワイヤレス電力伝送システム300は、検出およびセンサシステムを含み得る。たとえば、ワイヤレス電力伝送システム300は、運転手または車両を充電スポットへと適切に案内するためのシステムとともに使用するためのセンサ、要求される離隔/結合を伴って誘導コイルを相互に整列するためのセンサ、電動車両誘導コイル316が結合を実現するために特定の高さおよび/または位置へと移動するのを妨げ得る物体を検出するためのセンサ、および、信頼性のある、損傷を伴わない、かつ安全な、システムの動作を実行するためにシステムとともに使用するための安全センサを含み得る。たとえば、安全センサは、安全範囲を超えてワイヤレス電力誘導コイル104a、116に近づく動物または子供の存在の検出、加熱され得る(誘導加熱)ベースシステム誘導コイル304の近くの金属物体の検出、およびベースシステム誘導コイル304上の白熱を発する物体などの危険な事象の検出のための、センサを含み得る。
【００５１】
ワイヤレス電力伝送システム300はまた、有線接続を介したプラグイン充電をサポートし得る。有線充電ポートは、電動車両112への、または電動車両112からの電力の伝送の前に、2つの異なる充電器の出力を統合し得る。スイッチング回路が、ワイヤレス充電と有線充電ポートを介した充電との両方をサポートするために必要とされるような機能を提供することができる。
【００５２】
ベースワイヤレス充電システム302と電動車両充電システム314との間で通信するために、ワイヤレス電力伝送システム300は、帯域内シグナリングとRFデータモデム(たとえば、免許されていない帯域における無線を通じたイーサネット（登録商標）)の両方を使用し得る。帯域外通信は、車両のユーザ/所有者への付加価値サービスの配分のために十分な帯域幅を提供することができる。ワイヤレス電力搬送波の低深度の振幅変調または位相変調が、最小限のインターフェースを伴う帯域内シグナリングシステムとして機能し得る。
【００５３】
加えて、一部の通信は、特定の通信アンテナを使用することなく、ワイヤレス電力リンクを介して実行され得る。たとえば、ワイヤレス電力誘導コイル304および316はまた、ワイヤレス通信送信機として動作するように構成され得る。したがって、ベースワイヤレス充電システム302のいくつかの実装形態は、ワイヤレス電力経路上でのキーイングタイプのプロトコルを可能にするためのコントローラ(図示せず)を含み得る。あらかじめ定められたプロトコルによりあらかじめ定められた間隔で送信電力レベルをキーイングすることによって(振幅シフトキーイング)、受信機は送信機からのシリアル通信を検出することができる。ベース充電システム電力コンバータ336は、ベースシステム誘導コイル304によって生成される近接場の近傍における動作中の電動車両受信機の存在または不在を検出するための負荷感知回路(図示せず)を含み得る。例として、負荷感知回路は、電力増幅器への電流の流れを監視し、この電流の流れは、ベースシステム誘導コイル104aによって生成される近接場の近傍での動作中の受信機の存在または不在の影響を受ける。電力増幅器上の負荷の変化の検出が、エネルギーを送信するための発振器を有効にするかどうか、動作中の受信機と通信するかどうか、またはそれらの組合せを決定する際に使用するために、ベース充電システムコントローラ342によって監視され得る。
【００５４】
ワイヤレスの大電力伝送を可能にするために、いくつかの実装形態は、10〜150kHzの範囲の周波数で電力を伝送するように構成され得る。この低周波結合は、ソリッドステートデバイスを使用して実現され得る高度に効率的な電力変換を可能にし得る。加えて、他の帯域と比較して、無線システムとの共存問題が少なくなり得る。
【００５５】
誘導充電に関して、エネルギー伝送レート(電力レベル)、動作周波数、一次磁気構造および二次磁気構造のサイズおよび設計、ならびにそれらの間の距離に応じて、いくつかの位置でのエアギャップにおける磁束密度は0.5mTを上回ることがあり、数ミリテスラに達することもある。ある量の高導電性の材料(たとえば、金属)を含む物体が一次構造と二次構造との間の空間に挿入された場合、この物体に渦電流が生成され(レンツの法則)、それが電力の散逸およびその後の加熱効果をもたらすことがある。この誘導加熱効果は、磁束密度、交番磁場の周波数、物体の導電性構造のサイズ、形状、向き、および導電率に依存する。物体は、十分に長い時間にわたって磁場に曝されると、いくつかの面で危険と考えられ得る温度まで加熱することがある。1つの危険性として、物体が可燃材料を含んでいる場合、または物体がそのような材料、たとえば薄い金属化箔を含む煙草の箱と直接接触している場合に、自己発火があり得る。別の危険性として、そのような熱い物体、たとえば硬貨または鍵を拾い得る人の手に火傷を負わせることがあり得る。別の危険性として、一次構造または二次構造のプラスチック筐体の損傷、たとえば物体がプラスチックに溶けることがあり得る。
【００５６】
実質的に非導電性であり得る強磁性材料を含むが顕著なヒステリシス効果を示す物体において、またはヒステリシスと渦電流損の両方を生成する材料においては、温度上昇も予想され得る。したがって、そのような物体を検出することは、対応する有害な結果を回避するために有益である。ワイヤレス電力を提供するためのシステムの中に物体検出システムが組み込まれている場合、有害な物体を検出したことに応答して、システムは、有害な物体を除去するための対策が取られ得るまで、電力レベルを下げ、または停止することができる。
【００５７】
家庭内または公的なゾーンにおける電気車両の充電のような、誘導電力伝送のいくつかの適用例では、人々および機器の安全のために、危険な温度まで加熱する可能性のある異質な物体を検出できることは必須であり得る。これは、危険な空間が開放されていて到達可能であるために、異質な物体がこの空間に偶然入り込み得る、または意図的に置かれ得る(たとえば、妨害行為の場合)システムでは特に当てはまり得る。
【００５８】
本明細書で説明される実装形態は、所定の空間に位置し得る危険な異質な物体を自動的に検出することを対象とする。その上、所定の3次元空間において異質な物体を検出するためのマイクロ波の使用には、いくつかの利点がある。光学的な方法および赤外線による方法とは対照的に、マイクロ波センサは、水、汚損、および機械的衝撃から保護されるように、プラスチック筐体の背後に、たとえば、ベースパッドの筐体の背後に装着され得る。したがって、そのようなマイクロ波センサは、機械的保護および自動清掃のための特別な対策を必要としないことがある。これは、誘導性感知方法についても当てはまり得る。しかしながら、より低いMHz周波数範囲における周波数で通常は行われる誘導性感知は、GHz範囲の周波数を使用した方法とは対照的に、IPTによって生成されるような電磁場からの干渉をより受けやすいと一般に考えられ得る。その上、マイクロ波感知の感度は、感度が感知ループからの距離とともに急速に低下する純粋な誘導性の方法と比較すると、より均一であると考えられる。レーダーに基づく方法は、金属の物体と非金属の物体を区別することが不可能であり得るが、非生物の物体と生物の両方を検出する能力を有する。
【００５９】
図4は、例示的な実装形態による、異質な物体を検出するための複数の選択可能な送信アンテナと別々の複数の選択可能な受信アンテナとを有する例示的なレーダーシステムの概略図400である。そのようなシステムは、送信タイプ(s21)レーダー検出システムであると考えられ得る。システムは、送信のためのマイクロ波ポート(たとえば、TX OUT)と受信のためのマイクロ波ポート(たとえば、RX IN)を別々に有する、レーダー検出ユニット422を含み得る。システムは加えて、スイッチングマトリックス410を介してレーダー検出器ユニット422の送信ポートに接続されるように各々が選択可能である、複数のレーダー送信アンテナ402、404、406、および408(集合的に送信アンテナ402〜408)を含み得る。同様に、システムは加えて、スイッチングマトリックス420を介してレーダー検出器ユニット422の受信ポートに接続されるように各々が選択可能である、複数のレーダー受信アンテナ412、414、416、および418(集合的に受信アンテナ412〜418)を含み得る。1つの例示的な実装形態では、1つだけの送信アンテナおよび1つの受信アンテナが、一度にレーダー検出器ユニット422に接続され得る。レーダー送信アンテナ402〜408は、ベースパッド424の表面の下に、かつ互いに空間的に十分離隔される位置に搭載され得る。物体が存在しない場合、たとえば、車両または異質な物体が存在しない場合、レーダー送信アンテナ402〜408のいずれかによって送信される信号は、図4に示されるように、直接の経路だけを介してレーダー受信アンテナ412〜418のいずれかによって受信され得る。車両が存在する場合、送信される信号は、車両426の表面、たとえば車両パッドまたは車両のアンダーボディでの反射を介しても受信され得る。異質な物体の存在は、送信される信号の1つまたは複数の反射経路を増やすことがあり、直接の経路および/もしくは車両の反射経路いずれかを隠し、または部分的に隠すこともある。したがって、追加の伝播経路の出現および/または既存の伝播経路の変化は、異質な物体の存在を示し得る。
【００６０】
図5は、例示的な実装形態による、異質な物体を検出するための送信アンテナと受信アンテナのいずれかとして構成可能な複数の選択可能なアンテナを有する別の例示的なレーダーシステムの概略図500である。このシステムの変形も、送信タイプ(s21)レーダー検出システムと見なされ得る。このシステムは、図4に関して前に説明されたものとは異なるレーダーアンテナアレイの仕組みおよび異なるスイッチマトリックスの仕組みを含み得る。システムは、レーダー検出器ユニット522、スイッチマトリックス520、ならびに複数のレーダーアンテナ512、514、516、および518(集合的に512〜518)を含み得る。複数のレーダーアンテナ512〜518の各々は、レーダー送信アンテナまたはレーダー受信アンテナとして機能することができ、各々が、レーダー検出器ユニット522の送信ポートと受信ポートのいずれかに接続されるように選択可能である。いくつかの実装形態では、レーダー信号を送信するための第1のレーダーアンテナおよびレーダー信号を受信するための第2のレーダーアンテナという、複数のレーダーアンテナ512〜518のうちの2つだけが一度に使用され得る。示されるように、レーダー送信アンテナ(たとえば、レーダーアンテナ512)として構成されるアンテナから送信されるレーダー信号は、ベースパッド表面524と車両表面526との間の直接の経路および1つまたは複数の反射経路の一方または両方を介して、レーダー受信アンテナ(たとえば、レーダーアンテナ516)として構成される別のアンテナによって受信され得る。レーダーアンテナ512〜518の1つがスイッチングマトリックス520を介してレーダー検出器ユニット522の送信ポートに接続されるとき、それはレーダー送信アンテナとして構成され得る。同様に、レーダーアンテナ512〜518の1つがスイッチングマトリックス520を介してレーダー検出器ユニット522の受信ポートに接続されるとき、それはレーダー受信アンテナとして構成され得る。
【００６１】
図6は、例示的な実装形態による、異質な物体を検出するための、レーダー信号の送信と受信の両方を行うように構成可能な複数の選択可能なアンテナを有する別のレーダーシステムの概略図600である。そのようなシステムは、反射タイプ(s11)レーダーシステムとしても知られていることがある。システムは、レーダー信号の送信と受信の両方のための単一のマイクロ波ポートのみを有するレーダー検出器ユニット622、スイッチマトリックス620、ならびに複数のレーダーアンテナ612、614、616、および618(集合的に612〜618)を含み得る。いくつかの実装形態では、各レーダーアンテナ612〜618は、スイッチマトリックス620を介して単一のマイクロ波ポートに接続されるように選択可能であり得る。そのような実装形態では、レーダーアンテナ612〜618の1つだけが、一度に単一のマイクロ波ポートに接続され得る。接続されるレーダーアンテナによって送信されるレーダー信号は、同じレーダーアンテナによっても受信される。したがって、レーダーアンテナ612〜618の各々は、レーダー信号が送信される第1の時間においてはレーダー送信アンテナとして構成されてよく、そして、送信されたレーダー信号が異質な物体628と車両626の表面のいずれかによって反射された後でアンテナにおいて受信される第2の時間においてはレーダー受信アンテナとして構成されてよい。
【００６２】
示されないが、図6に示されるシステムのいくつかの実装形態では、s11タイプのレーダーに基づくシステムは、各アンテナ要素のための専用のレーダー検出器ユニットを含み得る。そのような実装形態では、スイッチは必要ではないことがあり、事実上アンテナフィーダー線がないことがある。そのような場合、レーダー検出器ユニットは、アンテナ要素の近くに位置し得る。一度に動作するレーダー検出器ユニットの数は、システムがそのもとで信頼性をもって動作できる信号対雑音比に応じて、1つまたは複数であり得る。
【００６３】
図7は、例示的な実装形態による、異質な物体を検出するための、複数の選択可能な送信アンテナと別々の複数の選択可能な受信アンテナとを併置されるペアとして有する別のレーダーシステムの概略図700である。たとえば、システムは、併置されたレーダー送信アンテナ702、704、706、および708(集合的に702〜708)とレーダー受信アンテナ712、714、716、および718(集合的に712〜718)の複数のペア、スイッチマトリックス720、ならびに、マイクロ波送信ポートおよびマイクロ波受信ポートを有するレーダー検出器ユニット722を含み得る。レーダー送信アンテナとレーダー受信アンテナのペアは併置され得るが、信号は必ずしもレーダー送信アンテナから送信されないことがあり、併置されているレーダー受信アンテナによって受信されないことがある。たとえば、示されるように、レーダー信号は、レーダー送信アンテナ702によって送信され、異質な物体728および車両726の表面の一方または両方によって反射され、レーダー受信アンテナ714および/またはレーダー受信アンテナ716によって受信され得るが、別のレーダー信号は、レーダー送信アンテナ704によって送信され、同様にレーダー受信アンテナ716によって受信され得る。このシステムは、図4〜図7のシステムのうちで、アレイ要素を構成する際の最高の柔軟性を送信アンテナと受信アンテナのいずれかに提供することができる。
【００６４】
図8は、例示的な実装形態による、送信して受信するための別々のポートを有するレーダー検出器ユニットのブロック図800である。レーダー検出器ユニットは、たとえば、図4、図5、または図7のいずれかのレーダー検出器ユニット422、522、722であり得る。レーダー検出器ユニットは、擬似雑音(PN)コードを含む擬似ランダムシーケンスを決定するためのマイクロコントローラ802を含んでよく、レーダー検出器ユニットの送信岐路と受信岐路の両方にこのPNコードを通信するように構成されてよい。送信分岐は、変調器808に接続されたPNコード生成器804を含んでよく、変調器808は、ローカル発振器812から共通のローカル発振器信号を受信し、変調されたPNコードを増幅器810に伝える。増幅器810の出力は、レーダー検出器ユニットの送信ポートに接続され得る。
【００６５】
受信分岐は、レーダー検出器の受信ポートからレーダー信号を受信し、復調器814に増幅された受信されたレーダー信号を出力するように構成される、前置増幅器816を含んでよく、復調器814は、ダウンコンバータまたは直交ミキサと呼ばれることもあり、ローカル発振器812から同位相および直交位相(0°および90°)の共通のローカル発振器信号を受信し、同位相および直交位相の復調されたレーダー信号(IおよびQ)を相関器806に出力することができ、相関器806は、コントローラ802からPNコードを受信することができる。受信された信号の位相同期の相関関係を確実にするために、送信分岐と受信分岐の両方が、共通のローカル発振器信号を利用することができる。相関器806は、相関付けられた同位相および直交位相の復調されたレーダー信号(IおよびQ)をそれぞれのアナログデジタルコンバータ(A/D)818に伝えるように構成され得る。各A/D818は、マイクロコントローラ802と通信していてよいデジタル後処理器820に接続され得る。ユーザインターフェースにおいて、レーダー検出器ユニットは、送信ポートと受信ポートの間のチャネルの複素(同相成分および直交成分)レーダー応答を提供することができる。
【００６６】
マイクロ波の経路における挿入損失を減らすために、図9に示されるように、ベースバンドにおける復調の後でアンテナの選択が実行されてよく、これは、複数の送信ポートと複数の受信ポートを伴うレーダー検出器ユニットをもたらす。図9は、例示的な実装形態による、複数の送信ポートおよび複数の受信ポートを有するレーダー検出器ユニットのブロック図900である。図9のレーダー検出器ユニットの動作は、以下で説明されるような少数の例外を除き、図8の2ポートレーダー検出器ユニットに関して前に説明されたものと実質的に同じであり得る。したがって、マイクロコントローラ902、PNコード生成器904、相関器906、A/Dコンバータ918、デジタル後処理器920、およびローカル発振器912の各々が、図8のマイクロコントローラ802、PNコード生成器804、相関器806、A/Dコンバータ818、デジタル後処理器820、およびローカル発振器812の各々に関して上で説明されたものと実質的に同じように動作することができる。しかしながら、図9のレーダー検出器ユニットは、図8のように1つずつの送信経路と受信経路ではなく、N個の送信経路およびN個の受信経路を含む。したがって、送信経路内で、図9のレーダー検出器ユニットは、スイッチマトリックス924を介してPNコード生成器904に接続されるように各々構成される、並列なN個の変調器908を含み得る。図9のレーダー検出器ユニットは、N個の変調器908のそれぞれ1つから入力を各々受け取る、N個の増幅器910を追加で含む。同様に、N個の受信経路内で、図9のレーダー検出器ユニットは、レーダー検出器ユニットのそれぞれの受信ポートから信号を受信するように各々構成され、N個の復調器914のそれぞれ1つに増幅された受信されたレーダー信号を出力するように構成される、並列なN個の前置増幅器912を含み得る。N個の復調器926の各々の同位相出力および直交位相出力は、スイッチマトリックス926を介して相関器906に接続されるように構成され得る。
【００６７】
すべてのN個の変調器908およびN個の復調器914に対する共通のローカル発振器912は、0°および90°のローカル発振器信号を生成するように構成され、このローカル発振器信号は、電力分配器922のそれぞれの出力を介してN個の変調器908およびN個の変調器914の各々に分配され、電力分配器922は、ローカル発振器912に接続された同位相入力および直交位相入力を有する。
【００６８】
十分な処理利得をもたらす長さを有する異なるPNシーケンスを使用することで、同時に動作する複数の独立のレーダー検出器ユニットの使用が可能になり得る。したがって、複数のレーダーチャンネルが同時に監視されることが可能であり、このことは単位時間当たりに取得され得るレーダー応答の数を増やす。
【００６９】
図8の2ポートレーダー検出器ユニット、または代替的に図9の2Nポートレーダー検出器ユニットは、それぞれ図10および図11に関して説明されたように、1つまたはN個の方向性結合器または1つまたはN個のサーキュレータをそれぞれ利用することによって、シングルポートユニットとして構成され得る。
【００７０】
図10は、例示的な実装形態による、2ポートレーダー検出器ユニットをシングルポートレーダー検出器ユニットに変換するための方向性結合器1000を示す。方向性結合器1000は、終端端子、送信端子、受信端子、および複合送信/受信端子を有する、従来の方向性結合器であり得る。方向性検出器1000は、約3dBの挿入損失に対応する、約3dBの結合を有し得る。図8の2ポートのレーダー検出器ユニット822の送信ポートと受信ポート、または、図9の2Nポートレーダー検出器ユニット922のN個の送信ポートと受信ポートの対応する1つを、それぞれ方向性結合器1000の送信ポートおよび受信ポートに接続することによって、図8の2ポートレーダー検出器ユニット822、または図9の2Nポートレーダー検出器ユニット922のN個の送信ポートおよび受信ポートの1つが、たとえば図6に示されるように、それぞれ1つまたはN個のシングルポートレーダー検出器ユニットに変換され得る。
【００７１】
図11は、例示的な実装形態による、2ポートレーダー検出器ユニットをシングルポートレーダー検出器ユニットに変換するためのサーキュレータ1100を示す。サーキュレータ1100は、送信ポート、受信ポート、および複合送信/受信ポートを含み得る。サーキュレータ1100の任意のポートに入るRFまたはマイクロ波信号は、矢印によって定義される回転方向だけに次のポートへ送信される。たとえば、送信ポートに入力される信号は、受信ポートではなく複合送信/受信ポートに送信され、複合送信/受信ポートに入力される信号は、送信ポートではなく受信ポートに送信される。このようにして、図8の2ポートレーダー検出器ユニット822の送信ポートおよび受信ポートをそれぞれ図11のサーキュレータ1100の送信ポートおよび受信ポートに接続することによって、図8の2ポートレーダー検出器ユニット822は、たとえば図6に示されるように、シングルポートレーダー検出器ユニットに変換され得る。
【００７２】
図12は、例示的な実装形態による、2ポートレーダー検出器ユニットから仮想的なシングルポートレーダー検出器ユニットを形成するための送信アンテナおよび受信アンテナの併置されたペアを示す。併置されたペア1200は、何らかの最小限の空間的な離隔を伴う、受信アンテナ1202および送信アンテナ1204を含み得る。
【００７３】
図13、図14、図17、図18、図21、図22、図25、および図26は、いくつかの例示的な実装形態によるアンテナの配置および統合の概念の様々な変形を示す。図15、図16、図19、図20、図23、図24、図27、および図28は、それぞれ、図13、図14、図17、図18、図21、図22、図25、および図26と関連付けられるプリント回路基板(PCB、プリント配線基板PWBとしても知られている)の変形を示す。これらの変形は、様々なホストIPT結合器タイプおよび/または他の設計もしくは最適化基準によって与えられるような、空間の制約に起因し得る。ホストIPT結合器の各々は、以下でより詳細に説明されるように、導電性バックプレート上に配設されるフェライト構造上に配設されるコイル構造から構成されると仮定される。
【００７４】
図13は、例示的な実装形態による、平面シングルコイルIPT結合器(「円形」パッド)の中心に配設されるレーダー送信アンテナと、パッドの周縁に配設される複数のレーダーアンテナとの配置1300を示す。配置1300は、図4、図5、または図7のいずれにも関して前に説明されたように、送信タイプ(s21)レーダーシステムに対応し得る。配置1300は、導電性バックプレート1302、導電性バックプレート1302上に配設されたフェライト層1304、およびフェライト層1304上に配設されたワイヤレス電力を送信するためのコイル1306を含み得る。配置1300は加えて、導電性バックプレート1302とフェライト層1304との間に配設されたPCB1312を含み得る。PCB1312は、PCB1312の中心に位置する単一のレーダー送信アンテナ1310を含んでよく、PCB1312は、磁束密度が比較的低くなり、かつフェライト層1304の一部分が性能を大きく損なうことなく薄くなり得るような、または省略され得るような場所に送信アンテナ1310が配置されるように、配置または配設され得る。PCB1312は加えて、フェライト層1304が延在しないが導電性バックプレート1302が下部に延在するベースパッドおよび/またはPCB1312の周縁エリア、たとえば周縁に配設される複数の受信アンテナ1308を含み得る。配置1300は、レーダー送信アンテナ1310とレーダー受信アンテナ1308の各々との間の経路長の変動を最小にし得る。この配置は加えて、パッドエリアを実質的に完全にカバーし、さらに、危険な空間中のすべての位置において適度な感度を提供することができる。
【００７５】
小さい異質な物体は、その異質な物質がレーダー送信アンテナ1310とレーダー受信アンテナ1308の1つとの間の低次フレネルゾーン(たとえば、n≦3)の中に位置する場合にだけ、レーダー送信アンテナ1310とレーダー受信アンテナ1308のいずれかとの間の送信に顕著に影響を与え得ることに留意されたい。たとえば、異質な物体が、レーダー送信アンテナ1310およびレーダー受信アンテナ1308の1つと交差する架空の直線(レーダー送信アンテナ1310とレーダー受信アンテナ1308の各々との間の点線として示される)から垂直方向に離れすぎている場合、異質な物体はレーダー受信アンテナ1308によって検出可能ではないことがある。しかしながら、異質な物体がレーダー送信アンテナ1310および近くのレーダー受信アンテナ1308の低次フレネルゾーン内にまだある場合、異質な物体はまだ近くのレーダー受信アンテナによって検出され得る。
【００７６】
より完全な理解のために、フレネルゾーンは、アンテナの放射パターンにおける体積を定義する、理論的には無限の数の同心の楕円体の1つである。第1の、または最も内側のフレネルゾーンの断面は円形であり、送信アンテナと受信アンテナの間の任意の点におけるその円の半径は、次の式に従って決定され得る。
【００７７】
【数１】
0006469125.tif 000002
【００７８】
ここで、Fnは任意の点pにおけるメートル単位のn番目のフレネルゾーンの半径であり、d1はメートル単位の一端までの点pの距離であり、d2はメートル単位の他端までの点pの距離であり、λはメートル単位の送信される信号の波長である。したがって、検出可能性が最大であるエリアは、レーダー送信アンテナとそれぞれのレーダー受信アンテナとの間の中間点にある。
【００７９】
レーダー送信アンテナ1310の上のパッドの中心に位置する物体は、すべてのレーダー受信アンテナ1308におけるすべてのレーダーチャネルに影響を与え得る。ある使用事例では、およびいくつかの検出方式では、これは以下でさらに詳細に説明されるように不利であると考えられ得る。したがって、いくつかの実装形態(図示されず)では、ベースパッドおよび/またはPCB1312の中心に2つ以上のレーダー送信アンテナ(たとえば、4個のレーダー送信アンテナ)を置き、レーダー受信アンテナの異なるグループをレーダー送信アンテナの各々に割り当てることが有利であり得る。
【００８０】
図14は、図13のレーダーアンテナの配置1300の側面図1400を示す。図14に示されるように、レーダー検出器ユニット(たとえば、レーダーボックス)1402は、厚みが減らされた、または0であるフェライト層1304の部分において、PCB1312の実質的に中心に、かつ表側に配設され得る。これは、有利なことに、ベースパッド組立体のより小型な構築と寸法の低減とを可能にし得る。
【００８１】
図15は、図13に示されるレーダーアンテナの配置を有するプリント回路基板1500を示す。PCB1312は、図13に関して前に説明された配置の、レーダー送信アンテナ1310および複数のレーダー受信アンテナ1308を含み得る。PCB1312は、アンテナ1308/1310、複数のアンテナフィーダー線1502、およびレーダー検出器ユニット1402の支持体として機能し得る。レーダー検出器ユニット1402は、スイッチ、電力分配器、増幅器、変調器、復調器、さらには、図8〜図12に関して前に説明されたようなアナログおよびデジタルプロセッサのような、すべての能動回路を組み込み得る。
【００８２】
レーダー送信/受信アンテナ1308/1310は、全方位の方位角放射パターンおよび90°の仰角において最小の放射を示す、単純な垂直方向の4分の1波長モノポールアンテナであり得る。レーダー受信アンテナ1310では、レーダー送信アンテナ1310へ向かう何らかの指向性が、検出感度を上げるのに有利であり得る。PCB1312にプリントされ得るアンテナ構造、たとえば、スロットアンテナ、「Vivaldi」アンテナ、または八木アンテナ様多素子アンテナも採用され得る。レーダーシステムの比帯域に応じて、コニカル多素子アンテナまたは対数周期多素子アンテナまたはフラクタルアンテナのような、広帯域アンテナも使用され得る。レーダー解決法がより指向性の高いアンテナを必要とする場合、複数のアンテナからなるフェーズドアレイが使用され得る。フェーズドアレイは、PCB上にプリントされてよく、たとえばパッチアンテナのアレイであり得る。組み込まれない(個別の)解決法では、ホーンアンテナ、ヘリックスアンテナ、またはフレネルレンズのような他の構造も適用され得る。
【００８３】
レーダーの動作周波数に応じて、送信損失を最小にするための、PCB1312の基板材料に対する特別な要件があり得る。代替的に、PCB1312は、標準的なガラス繊維強化プラスチック、たとえばFR4から作られ得るが、フィーダー線1502のために局所的に埋め込まれた低損失の基板材料を有し得る。フィーダー線1502について、ストリップライン、マイクロストリップライン、コプラナーライン、スロットラインなどのような、既知のマイクロ波送信ライン技法のいずれかが適用され得る。上部のグラウンド面と下部のグラウンド面に挟まれる金属の平らなストリップを使用するストリップラインが特に有用であると考えられることがあり、それは、EM場がPCB1312の上および下にあり得る材料によって影響されないからである。
【００８４】
図16は、図15のプリント回路基板1312の側面図1600を示す。示されるように、レーダー検出器ユニット1402は、厚みが低減された、または0であるフェライト層1304の部分において、PCB1312の実質的に中心に、かつ表側に配設される。
【００８５】
図17は、例示的な実装形態による、平面シングルコイルIPT結合器(「円形」パッド)の上にアレイ状に配設される送信と受信の両方のための、ペアの送信レーダーアンテナおよび受信レーダーアンテナ、または単一のレーダーアンテナの配置1700を示す。図13において説明されたように、配置1700は、導電性バックプレート1702、導電性バックプレート1702上に配設されたフェライト層1704、およびフェライト層1704上に配設されたコイル1706を含み得る。配置1700は加えて、コイル1706の上に配設されたPCB1712を含み得る。PCB1712は、レーダーアンテナ1708のアレイを含み得る。アレイの各アンテナ1708は、図6に関して前に説明されたように、送信と受信の両方のために単一のアンテナを含んでよく、または代替的に、図7に関して前に説明されたように、送信のための第1のアンテナおよび受信のための第2のアンテナというアンテナのペアを含んでよい。アンテナ1708は、IPTパッドおよび/またはPCB1712のエリアにわたって規則的なパターンで置かれ得る。s21タイプのレーダーでは、アンテナは、たとえばアレイ中の隣接する要素のペアの間の送信経路が最短になるように構成され得る。
【００８６】
図18は、図17のレーダーアンテナの配置1700の側面図1800を示す。図18に示されるように、レーダー検出器ユニット1802は、厚みが低減された、または0であるフェライト層1704の部分において、PCB1712の実質的に中心に、かつ裏側に配設され得る。これは、有利なことに、ベースパッド組立体のより小型な構築と寸法の低減とを可能にし得る。
【００８７】
図19は、図17に示されるレーダーアンテナの配置を有するプリント回路基板1712を示す。PCB1712は、図17に関して前に説明された配置の、レーダーアンテナ1708のアレイを含む。PCB1712は、アンテナ1708、複数のアンテナフィーダー線1902、およびレーダー検出器ユニット1802の支持体として機能し得る。レーダー検出器ユニット1802は、磁束密度が比較的低くフェライトが大きく性能を損なうことなく省略され得る、PCB1802の中心に、かつ裏側に搭載されてよい。レーダー検出器ユニット1802は、図8〜図12に関して前に説明されたように、すべての能動回路を組み込み得る。
【００８８】
レーダーアンテナ1708は、PCB1712にプリントされ得る。適切なアンテナタイプの例は、半波長ダイポール、バイトライアングル(2Dバイコニカル)アンテナ、パッチアンテナ、スロットアンテナ、または、高い仰角において利得が最大であり十分な帯域幅を有する同様の放射構造物を含み得る。構築に関して、PCB1712は、図15のPCB1312と実質的に同じであり得る。PCB1712はさらに、ちょうど図15に関して説明されたように、フィーダー線1902のための局所的に埋め込まれた低損失の基板材料を含み得る。
【００８９】
図20は、図19のプリント回路基板1712の側面図2000を示す。示されるように、レーダー検出器ユニット1802は、PCB1712の実質的に中心に、かつ裏側に配設される。
【００９０】
図21は、例示的な実装形態による、平面ダブルコイルIPT結合器(「ダブルD」パッド)の中心に配設されるレーダー送信アンテナと、パッドの周縁に配設される複数のレーダーアンテナとの配置2100を示す。配置2100は、図4、図5、または図7のいずれにも関して説明されたような、送信タイプ(s21)レーダーシステムに適し得る。配置2100は、導電性バックプレート2102、導電性バックプレート2102上に配設されたフェライト層2104、ならびにフェライト層2104上に配設されたワイヤレス電力を送信するための第1のコイル2106および第2のコイル2116を含み得る。配置2100は加えて、導電性バックプレート2102とフェライト層2104との間に配設されたPCB2112を含み得る。PCB2112は、第1のコイル2106および第2のコイル2116の丸まった角の近くの、かつその上部の2つの使用されていない空間に配設された、第1のレーダー送信アンテナ2110および第2のレーダー送信アンテナ2114を含み得る。したがって、第1および第2のレーダー送信アンテナ2110/2114は、PCB2112の実質的に中心部分に位置し得る。これらの位置では、磁束密度は比較的低く、大きく性能を損なうことなくフェライト層2104の部分が切断され得る。このアンテナの配置および構成は、パッドエリアをよくカバーし、危険な空間中のすべての位置において十分な感度を提供することができる。代替的に、第1および第2のレーダー送信アンテナ2110/2114は、図13に示されたものと同様に、第1および第2のコイル2106/2116(図示されず)の中心と一致するPCB2112上の位置に配設され得る。PCB2112は加えて、フェライト層2104が延在しないが導電性バックプレート2102が下部に延在するベースパッドおよび/またはPCB2112の周縁エリア、たとえば周縁に配設される複数の受信アンテナ2108を含み得る。
【００９１】
図22は、図21のレーダーアンテナの配置2100の側面図2200を示す。図22に示されるように、レーダー検出器ユニット2202は、PCB2112の表側に、かつ、2つのIPTコイル2106/2116の丸まった角によって形成される空間へと、および厚みが減らされた、または0であるフェライト層2104の部分へと嵌合するような位置に、配設され得る。これは、有利なことに、ベースパッド組立体のより小型な構築と寸法の低減とを可能にし得る。
【００９２】
図23は、図21に示されるレーダーアンテナの配置2100を有するプリント回路基板2112を示す。PCB2112は、レーダー送信アンテナ2110および2114と、複数のレーダー受信アンテナ2108とを含み得る。PCB2112は、アンテナ2108/2110/2114、複数のアンテナフィーダー線2302、およびレーダー検出器ユニット2202の支持体として機能し得る。レーダー検出器ユニット2202は、図8〜図12に関して前に説明されたように、すべての能動回路を組み込み得る。
【００９３】
PCB2112は、標準的なガラス繊維強化プラスチック、たとえばFR4から作られ得るが、フィーダー線2302のために局所的に埋め込まれた低損失の基板材料を有し得る。フィーダー線2302について、ストリップライン、マイクロストリップライン、コプラナーライン、スロットラインなどのような、既知のマイクロ波送信ライン技法のいずれかが適用され得る。上部のグラウンド面と下部のグラウンド面に挟まれる金属のフラットストリップを使用するストリップラインが特に有用であると考えられることがあり、それは、EM場がPCB2112の上および下にあり得る材料によって影響されないからである。
【００９４】
図24は、図23のプリント回路基板2112の側面図2400を示す。示されるように、レーダー検出器ユニット2202は、厚みが低減された、または0であるフェライト層2104の部分において、PCB2112の実質的に中心に、かつ表側に配設される。
【００９５】
図25は、例示的な実装形態による、平面ダブルコイルIPT結合器(「ダブルD」パッド)の上にアレイ状に配設される送信と受信の両方のための、ペアの送信レーダーアンテナおよび受信レーダーアンテナ、または単一のレーダーアンテナの配置2500を示す。配置2500は、導電性バックプレート2502、導電性バックプレート2502上に配設されたフェライト層2504、ならびにフェライト層2504上に配設された第1のコイル2506および第2のコイル2514を含み得る。配置2500は加えて、第1および第2のコイル2506/2514の上に配設されたPCB2512を含み得る。PCB2512は、レーダーアンテナのアレイを含み得る。アレイの各素子2508は、図6に関して前に説明されたように、送信と受信の両方のために単一のアンテナを含んでよく、または代替的に、図7に関して前に説明されたように、送信のための第1のアンテナおよび受信のための第2のアンテナというアンテナのペアを含んでよい。アンテナアレイ素子2508は、IPTパッドおよび/またはPCB2512のエリアにわたって規則的なパターンで置かれ得る。s21タイプのレーダーでは、アンテナは、たとえばアレイ中の隣接する要素のペアの間の送信経路が最短になるように構成され得る。
【００９６】
図26は、図25のレーダーアンテナの配置2500の側面図2600を示す。図26に示されるように、レーダー検出器ユニット2602は、厚みが低減された、または0であるフェライト層2504の部分において、実質的にPCB2512の裏側に、特別に形成され配設され得る。これは、有利なことに、ベースパッド組立体のより小型な構築と寸法の低減とを可能にし得る。
【００９７】
図27は、図25に示されるレーダーアンテナの配置2500を有するプリント回路基板2512を示す。PCB2512は、レーダーアンテナ2508のアレイを含む。PCB2700は、アンテナ2508、複数のアンテナフィーダー線2702、およびレーダー検出器ユニット2602の支持体として機能し得る。レーダー検出器ユニット2602は、磁束密度が比較的低くフェライトが大きく性能を損なうことなく省略され得る、PCB2512の裏側に搭載されてよい。レーダー検出器ユニット2602は、図8〜図12に関して前に説明されたように、すべての能動回路を組み込み得る。
【００９８】
レーダーアンテナ2508は、PCB2512にプリントされ得る。構築に関して、PCB2512は、図15のPCB1312と実質的に同じであり得る。PCB2512はさらに、ちょうど図15に関して説明されたように、フィーダー線2702のための局所的に埋め込まれた低損失の基板材料を含み得る。
【００９９】
図28は、図27のプリント回路基板2512の側面図2800を示す。示されるように、レーダー検出器ユニット2602は、実質的にPCB2512の裏側に配設される。
【０１００】
アンテナポートのペアの間で見られるような伝播チャネルは相対であると考えられ得るので、図4、図5、図7、および図13〜図28に関して、レーダー送信アンテナとして示されるアンテナは、レーダー受信アンテナとして構成されてよく、またその逆であってもよい。
【０１０１】
誤警告の確率が指定される水準である場合の検出確率によって定義され得る検出信頼性は、システムの複雑さ、たとえばレーダーチャネルの数によりある程度制御され得る。アンテナの数が多いほど、より多数のレーダーチャネルが形成されることが可能であり、検出信頼性は一般により高くなる。s21ベースのレーダーシステムに対する適切なアンテナの数は16であり得るが、s11ベースのシステムではその数は30であり得る。
【０１０２】
図29は、例示的な実装形態による、伝播経路とレーダー送受信機の内部クロストークとを含む、レーダーシステム構成の線形システムモデル2900を示す。システムモデル2900では、すべての説明される信号および応答が複素ベースバンド表現として見なされるべきであり、すべての離散時間サンプルが複素数として見なされるべきである。システムモデル2900は、図8と図9のいずれかまたは両方に関して前に説明されたような、変調器の、増幅器段の、および送信機における任意の線形信号歪み効果のインパルス応答を含む、レーダー送信機インパルス応答hTX(t)を表すボックス2902に入力される、ディラックパルスであると仮定され得る入力送信パルスs(t)を示す。このモデルは次いで、3つの別々のボックス2904、2906、および2908へと分岐し得る。ボックス2904は、少なくとも1つの異質な物体の存在による信号伝播の変化を表す、異質な物体のインパルス応答hobj(t)を表し得る。ボックス2906は、異質な物体を含まないが送信アンテナおよび受信アンテナさらにはアンテナフィーダー線によって引き起こされる線形歪み効果を含む、レーダーシステムの感度によって与えられるような範囲の中の任意の構造物において反射され回折される波と、直接の表面波とを含み得る、すべての伝播経路を表す、環境のインパルス応答henv(t)を表し得る。ボックス2908は、レーダー検出器ユニットの内部の送信経路信号と受信経路信号のクロストークを表す、クロストークのインパルス応答hxtalk(t)を表し得る。ボックス2904、2906、および2908の各々の応答は、加算器2914において加算され、次いでボックス2910に渡されてよく、ボックス2910は、図8および図9に関して前に説明されたような、入力フィルタ、前置増幅器、復調器、相関器、および受信機における任意の線形信号歪み効果のインパルス応答を含む、受信機のインパルス応答hRX(t)を表し得る。ボックス2910の出力は加算器2916に入力されてよく、加算器2916において、出力は、任意の熱雑音の影響および場合によっては何らかの位相雑音の影響も含む追加の雑音成分n(t)と加算されて、モデル化された受信レーダー応答r(t)が出力される。受信されたレーダー信号r(t)はサンプラー2912に入力されてよく、サンプラー2912は受信レーダー応答r(t)の離散時間の表現を出力し、ここでr(n)はシーケンス中のn番目のサンプルを示し、数字nは特定のレーダー適用例に対する関心のある時間間隔をカバーする範囲の中にある。
【０１０３】
モデル2900は、原理的に、図4、図5、および図7のいずれにも示されるような送信タイプ(s21)システムと、図6に示されるような反射タイプ(s11)レーダーシステムと、本明細書で定義されるような単純なパルスレーダーとのいずれにも適用され得る。さらに、モデル2900は、任意の擬似雑音シーケンス、または、受信機において相関付けられるときにパルスへと変換される任意の他の信号を送信する、レーダーシステムに適用され得る。すべてのこれらのレーダーシステムは、理想的な送信パルスと何らかの線形歪み(パルス形成)関数とを使用してモデル化され得る。システムがPNシーケンスレーダーシステムである場合、送信機のインパルス応答2902および受信機のインパルス応答2910は、それぞれ、PNコード変調器のインパルス形成および線形歪み効果ならびに相関器の線形歪み効果も含むものと見なされる。
【０１０４】
図30は、例示的な実装形態による、クロストークの打ち消しのモデル3000を示す。異質な物体の影響を最大にし、それによって検出性能を向上させるために、図29のサンプラー2912からのシーケンスr(n)の出力がさらに処理され得る。いくつかの実装形態では、測定されたクロストーク
【０１０５】
【数２】
0006469125.tif 000003
【０１０６】
が、信号処理の第1のステップにおいて、加算器3002においてシーケンスr(n)から差し引かれる。サンプルr(n)から差し引かれる測定されたクロストーク
【０１０７】
【数３】
0006469125.tif 000004
【０１０８】
は、連続的に受信されたシーケンスrxtalk(n)のフィルタリングされた/平均化されたバージョンであると見なされ得る。通常のシステム動作/構成において得られる時間シーケンスは、r'(n)と示される。
【０１０９】
図31は、例示的な実装形態による、レーダー送受信機の内部クロストークを測定するためのレーダーシステム構成の線形システムモデル3100を示す。示されるように、モデル3100は、異質な物体hobj(t)のインパルス応答を表すボックス2904、および環境のインパルス応答henv(t)を表すボックス2906を除き、モデル2900に示されるすべてのボックスを含む。
【０１１０】
図32は、例示的な実装形態による、レーダー送受信機ユニットにおけるクロストーク測定のためのアンテナポートの終端の準備3200を示す。レーダー検出器ユニット3202の内部クロストークは、送信ポートおよび受信ポートからそれぞれ送信アンテナおよび受信アンテナを外し、スイッチが開放されているときにたとえば50オームの抵抗3204および3206によって終端された吸収スイッチを使用することによって、測定され得る。
【０１１１】
信号処理の第2のステップにおいて、レーダーシステムの全体のインパルス応答は、等化フィルタheq(n)を使用して等化され得る。時間領域におけるパルスの先鋭化に対応する、全体的なレーダーの周波数応答を等化または平坦化することは、より高い時間/距離の分解能をもたらし得る。より高い時間/距離の分解能は、望まれないレーダーエコー経路を区別し、異質な物体の検出システムの感度を上げるのに有利であり得る。レーダー送受信機のシステム周波数応答が理論的な変調スペクトルから予想されるものよりも強いロールオフを示す場合、および、受信信号対雑音比(SNR)が十分高い場合、等化が特に有用であり得る。
【０１１２】
この第2のステップのために、いわゆるシステムインパルス応答hsys(n)という第2の測定結果が必要とされる。図33は、例示的な実装形態による、レーダーシステムのインパルス応答を測定するためのアンテナポートのバイパスの準備3300を示す。システムインパルス応答は、減衰器3304/3306を介してレーダー検出器ユニット3302の送信アンテナポートを受信アンテナポートに直接接続することによって、測定され得る。アンテナポートが減衰器3304/3306を介して互いに接続されると、送信経路と受信経路の間のクロストークが差し引かれることが可能であり、連続的に受信されるrsys(n)のシーケンスがフィルタリング/平均化されて、純粋なシステムインパルス応答が取得され得る。
【０１１３】
図34は、例示的な実装形態による、システムの応答を測定するためのレーダーシステム構成の線形システムモデル3400を示す。モデル3400は、減衰器3304/3306のインパルス応答を表すボックス3402によって置き換えられる、異質な物体のインパルス応答hobj(t)を表すボックス2904および環境のインパルス応答henv(t)のインパルス応答を表すボックス2906を除き、図29のモデル2900の実質的にすべての構成要素を含んでよく、置き換えられる理由は、ボックス3402が今では全体の環境のインパルス応答を表すからである。送信経路と受信経路との間のクロストークの減算を示すために、モデル3400は加えて、出力における離散時間システム応答rsys(n)を提供する、図30に関して前に説明された加算ステップを含む。図34の出力rsys(n)は、図30に関して前に説明された出力r'(n)に対応し得る。
【０１１４】
このシステム応答rsys(n)が決定されると、システム応答の逆関数を利用する等化フィルタが、システム応答を打ち消すために利用され得る。入力r'(n)と出力r''(n)とを伴うこの等化フィルタは、離散フーリエ変換(DFT)されたバージョンを使用することによって、離散周波数領域において最良に表現され得る。
【０１１５】
式2: R'(k) = F{r'(n)}かつ式3: R''(k) = F{r''(n)}であり、
ここでF{・}は離散フーリエ変換(DFT)を示し、kは周波数シーケンスのk番目のサンプルである。
【０１１６】
式4の測定された複素システム周波数応答の逆関数が、式5によって示されるように、等化フィルタHeq(k)として使用される。
【０１１７】
【数４】
0006469125.tif 000005
【０１１８】
等化フィルタの出力は、離散周波数領域において次のように表され得る。
【０１１９】
【数５】
0006469125.tif 000006
【０１２０】
第3のステップにおいて、等化フィルタの出力は、受信され等化されたレーダー応答r''(n)における雑音/誤差による変動を低減するためにフィルタリングされ得る。たとえばフィルタ出力シーケンスr''(n)における二乗平均誤差を最小化する、「最適な」雑音フィルタが、よく知られている推定理論を使用して見出され得る。
【０１２１】
【数６】
0006469125.tif 000007
【０１２２】
ここで、S(k) = F{s(n)} = F{δ(n)}であり、S(k)*はS(k)の共役複素数であり、
【０１２３】
【数７】
0006469125.tif 000008
【０１２４】
は単位サンプルシーケンスであり、
【０１２５】
【数８】
0006469125.tif 000009
【０１２６】
はフィルタ主力雑音処理のスペクトル密度の推定値ΦN',(k) = E{N'(k)N'(k)*}であり、ここでN'(k)は等化器の後の雑音処理の実現を示し、E{・}は予測値を示す。
【０１２７】
最適な雑音フィルタのために上の式7を調査することによって、フィルタHopt(k)は、信号対雑音比(SNR)が高い場合には受信されたレーダー信号の周波数応答を自動的に広げるが、SNRが低い場合には周波数応答を狭めることが、認識され得る。低SNRの条件では、等化フィルタHopt(k)の効果は、より小さな雑音誤差のために時間分解能を犠牲にすることになり得る。実際には、低SNRの条件では、
【０１２８】
【数９】
0006469125.tif 000010
【０１２９】
およびHopt(k)のフィルタカスケードが、雑音低減フィルタとして機能し得る。
【０１３０】
【数１０】
0006469125.tif 000011
【０１３１】
のための雑音推定器は、図8および/または図9に示されるレーダー検出器ユニットのデジタル処理機能の一部であり得る。
【０１３２】
第4のステップにおいて、受信され等化され雑音フィルタリングされたレーダー応答は、時間/周波数処理によって引き起こされるインパルス応答におけるサイドローブを抑制するために、窓関数HWIN(k)を使用して追加でフィルタリングされ得る。しかしながら、窓関数の適用は、時間分解能の低下を引き起こす。周波数領域における適切な窓関数は、ロールオフ部分および平坦部分を有し得る。ロールオフ部分は、たとえば、二乗余弦関数によって定義され得る。ロールオフ係数、たとえば、ロールオフ部分と平坦部分との分担率が、特定の適用例において必要とされ適切であるものとして選ばれ得るパラメータである。
【０１３３】
フィルタリング関数のカスケードは、好ましくは、図36に示されるような時間領域の表現に対応する、図35に示されるようなフィルタ関数の周波数領域の表現を使用して、デジタル信号プロセッサ上で実装され得る。図35は、例示的な実装形態による、レーダーシステムのための離散周波数領域の後処理カスケード3500を示す。図36は、例示的な実装形態による、レーダーシステムのための離散時間領域の後処理カスケード3600を示す。周波数領域において、畳み込み演算(*)は、サンプルごとの単純な複素乗算に対応する。周波数領域の処理は、受信されたレーダー応答r'(n)がまず、高速フーリエ変換(FFT)を使用して離散周波数領域へと変換されることを必要とする。フィルタリング動作の後で、シーケンスは、逆FFTによって変換されて、等化され、雑音フィルタリングされ、窓関数が適用された時間応答が得られ得る。
【０１３４】
【数１１】
0006469125.tif 000012
【０１３５】
比較的小さい異質な物体が、レーダークラッターとも呼ばれる強い信号反射を伴う環境において検出されることになる場合、異質な物体の検出システムは、環境からの強いエコーが中和されることを必要とする。この手順は、「較正」、「学習」、または「クラッター打ち消し」と呼ばれ得る。較正は、異質な物体が存在しない場合の参照レーダー応答rref(n)を測定して記憶し、各々の受信されたレーダー応答から参照応答を差し引くことによって、実行され得る。図29の線形システムモデル2900を参照すると、この参照応答rref(n)は、環境の真のインパルス応答henv(n)の雑音のあるフィルタリングされたバージョン、すなわちhenv(t)の離散時間バージョンと等価である。
【０１３６】
図37は、例示的な実装形態による、システム較正のための参照レーダー応答の減算のモデルを示す。図37では、較正は、等化、雑音フィルタリング、および窓関数適用の後で、時間シーケンス
【０１３７】
【数１２】
0006469125.tif 000013
【０１３８】
に対して実行され、これは、加算器3702において、記憶されている参照rref(n)を
【０１３９】
【数１３】
0006469125.tif 000014
【０１４０】
から差し引くことによって行われ、求めている真のレーダー応答Δr(n)をもたらす。異質な物体がなく、完全に較正されているシステムでは、Δr(n)はすべてのnに対して実質的に0である。したがって、検出空間内に置かれた十分に大きな物体は、0ではないレーダー応答Δr(n)を引き起こす。
【０１４１】
いくつかの他の例示的な実装形態では、検出は、絶対的な大きさ
【０１４２】
【数１４】
0006469125.tif 000015
【０１４３】
に基づき、複素サンプル
【０１４４】
【数１５】
0006469125.tif 000016
【０１４５】
には基づかずに実行される。絶対的な大きさを利用することで、レーダー送信機とレーダー受信機との間の位相コヒーレンスに対する要件がなくなり、送信ユニットと受信ユニットが異なる位置にある解決法と、相互の位相同期を伴わずに動作することとが可能になる。絶対的な大きさを検出することはまた、以下でより詳細に述べられるように、レーダー環境を変更することによるあらゆる擾乱の影響を減らすために意図的に選ばれ得る。そして較正は、絶対的な大きさ
【０１４６】
【数１６】
0006469125.tif 000017
【０１４７】
に基づき、複素サンプル
【０１４８】
【数１７】
0006469125.tif 000018
【０１４９】
には基づかずに実行され得る。
【０１５０】
複数のアンテナを使用するシステムは、Δriによって示され得る複数のレーダー応答を提供することができ、i = 1...Mである。インデックスiは、異なる空間位置において受信および/または送信されるレーダー応答を指定するので、空間インデックスと呼ばれる。これらのM個の応答は、図4〜図7および図13〜図28のいずれにも関して前に説明されたように、送信タイプ(s21)レーダーもしくは反射タイプ(s11)レーダーによって、または、適切なアンテナの配置および構成のいずれかを両方使用することによって、取得されていることがある。一般に、これらのレーダー応答は、異質な物体によって異なるように影響を受ける。
【０１５１】
等化され、フィルタリングされ、「きれいにされた」レーダー応答Δri(n)に基づいて物体を検出することに対する、いくつかの手法が存在する。1つのそのような手法は、単純な閾値検出を使用して、異質な物体の存在を決定する。i = 1...Mである、取得された応答Δri(n)のセットのいずれかの少なくとも1つのサンプルが、決定された閾値を超える大きさ|Δri(n)|を有する場合、システムは、物体が存在するという決定を行うことができる。決定された閾値を超えるサンプルがない場合、物体が存在しないという決定が行われ得る。
【０１５２】
決定された閾値は、固定された値、または閾値の評価を通じて得られる可変の値であり得る。閾値は、すべての0≦n≦N-1に対して定数値であってよく、ここでNはシーケンスの長さであり、または閾値は、nの関数である可変の値であってよい。閾値は、統計的評価を通じて、たとえばベイズ規則を使用して、ネイマン-ピアソン検定の検出確率と誤検出確率のトレードオフを使用して、雑音変動を推定することによって、ヒストグラムからパーセンタイルを計算することによって、離散関数Δri,j(n)のモーメント、たとえば第1のモーメント(重心)および第2のモーメント(応答の広がりの尺度)を計算することによって、1つまたは複数の連続的に受信されたレーダー応答Δri,j(n)から導出されてよく、ここでjは時間インデックスを示す。
【０１５３】
加えて、時間ゲーティングが適用されてよく、これは、限られた関係のある時間間隔N1≦n≦N2のサンプルΔri,j(n)だけが、物体の検出のために、判断のプロセスにおいて考慮されることを意味する。さらに別の手法では、時間間隔N1≦n≦N2の中のレーダー応答Δri,j(n)のピーク値の場所が、判断のプロセスの間に考慮され得る。
【０１５４】
さらに別の手法では、連続的に取得されるレーダー応答Δri,j(n)の時間的な変化に基づいて、物体が検出され得る。図38は、例示的な実装形態による、レーダーシステムにおけるレーダー応答の時間差分検出のための一次離散時間有限インパルス応答フィルタ3800を示す。図38に示されるように、時間差分検出は、遅延要素3804を使用して負に重み付けられた(-b1)単一サンプル遅延応答を加算器3802にフィードバックすることによって、j = 1, 2, ...であるΔri,j(n)の時間列の関連のある部分の離散時間「ハイパス」フィルタリングにより実現され得る。IIRフィルタは、複数の遅延要素(たとえば、シフトレジスタ)を使用した高次のものであり得る。ハイパスフィルタリングは、システムを頻繁に再較正することと等価であると見なされ得る。時間差分検出を使用すると、物体は、検出空間に入った後の限られた期間の間だけ「見える」。応答が検出システムの雑音フロアの下に完全に沈むまで、応答は、フィルタ係数a0およびb1によって決定されるフィルタの時定数に応じた速さで減衰する。しかしながら、物体が検出空間から除去されると、物体は再び見えるようになり得る。この方法は、較正の誤差にほとんど影響されないことがあり、較正の必要性を完全になくすことさえある。
【０１５５】
さらに別の手法では、物体は、時間jにおいて同時に取得された、i = i..Mであるレーダー応答Δri,j(n)のセットにおける差分に基づいて検出され得る。例示的な実装形態では、システムは、セットΔri,j(n)が、閾値を超える少なくとも1つの応答と、閾値を超えない少なくとも1つの応答とを含む場合、異質な物体の存在を決定する。セットΔri,j(n)の中のすべての値が閾値を超える場合、環境の変化(たとえば、擾乱)が決定され、異質な物体は存在しないと見なされる。この判断の方法、または同様の判断の方法は、空間差分検出の手法として分類され得る。
【０１５６】
上の検出手法はまた、環境の変化に対する最大の安定性が要求される、空間差分と時間差分を併用する検出を形成するために組み合わされ得る。たとえば、取得レートが十分に高いとすると、物体の検出はドップラー周波数領域に拡大され得る。そのような手法は、動いている物体と動いていない物体とを区別するのに有用であり得る。例示的な方法では、連続的に取得されるレーダー応答のシーケンスは、離散ドップラー領域へと変換される。これは、式9〜12に従って、各時間遅延nに対して、かつ「ND個の連続的なサンプルΔri,j(n)のブロックにわたって、個々にスライディングDFTまたは移動DFTを使用して実現され得る。
【０１５７】
【数１８】
0006469125.tif 000019
【０１５８】
各レーダーチャネルiに対して時間jごとに更新されるサンプルΔRi,j(k,n)の得られる2次元のセットは、移動散乱関数と呼ばれ得る。散乱関数は、時間遅延ゲーティングとドップラーシフトゲーティングの少なくとも1つを使用して動いている物体と動いていない物体を区別することによって、時間遅延領域とドップラーシフト領域の少なくとも1つにおける物体の検出を選択的に可能にする。さらに、i = 1..Mとして、時間遅延領域とドップラーシフト領域の1つにおけるゲーティングされた散乱関数ΔRi,j(k,n)のピーク値、さらには同時に取得されたΔRi,j(k,n)の違いが、判断のプロセスにおいて考慮され得る。
【０１５９】
要求される計算能力を下げるために、ND個のレーダー応答が取得された後でDFTがブロックごとに一度だけ実行され得る。代替的に、DFTは、再帰(無限応答)アルゴリズム、たとえばGoerzelアルゴリズムを使用して、移動DFTとして実装され得る。
【０１６０】
別の実装形態では、デジタルローパスフィルタおよびデジタルハイパスフィルタは、移動している物体からの応答と移動していない物体からの応答を区別するために使用され得る。さらに別の実装形態では、2つの連続的に取得されるレーダー応答の対応するサンプル間の位相差が、動いている物体からの応答と動いていない物体からの応答を区別するために計算される。雑音を減らすために、追加の時間平均が利用され得る。
【０１６１】
さらに別の実装形態では、単純なCWレーダー信号が利用され、ドップラーシフト領域だけにおいて検出が実行される。しかしながら、そのような実装形態は、静止している物体を検出できないことがある。マルチパス伝播環境では、動いている異質な物体から受信されるようなドップラーシフト領域におけるレーダー応答は、様々な伝播経路が一般にドップラー効果によって異なるように影響を受けるので、分散または散乱させられ得る。
【０１６２】
レーダー応答は、たとえば、パターン認識、グラフィカルユーザインタフェース、システムの機能の監視または実演の目的で、特性パターンが「見える」ようになるように、レーダー画像において表され得る。
【０１６３】
K個のTXアンテナと、各TXアンテナに対してM個のRXアンテナ(したがってM個のレーダーチャネル)とを有する、s21タイプのレーダーに基づく本発明の例示的な実装形態によるシステムでは、レーダー画像は、図39および図40に示されるように、極座標(スパイダー)図上に放射状にレーダー応答をマッピングすることによって取得され得る。図39は、例示的な実装形態による、異質な物体の存在下での較正されたシステムのレーダー応答の例示的なレーダー画像3900を示す。図40は、例示的な実装形態による、車両が動いた後の較正されたシステムのレーダー応答の例示的なレーダー画像4000を示す。図39と図40の両方において、離散時間遅延nが、各図の中心からの距離ρとして放射状にマッピングされ、各レーダーチャネルiが、物理的に隣接するレーダー受信アンテナに好ましくは物理的に対応する離散的な角度θi、隣の角度θi-1およびθi+1において異なる放射方向にマッピングされ、ここで各角度は、各プロットの中心から放射状に延びる点線によって示され得る。サンプル|Δri,j(n)|の強度はz方向にマッピングされ、これは、2Dの黒と白のプロット、2Dまたは3Dの擬似カラーのプロット、2Dまたは3Dの輪郭線のプロットなどによって表示され得る。2D補間関数が、離散的な点ではなく滑らかな外観を表示するために使用され得る。好ましくは、レーダー画像は、複数のレーダーチャネルに属する各レーダー送信アンテナに対して個々に生成される。
【０１６４】
M個のレーダー送信/受信アンテナまたは併置されたレーダー送信アンテナおよびレーダー受信アンテナを有するs-11タイプのレーダーに基づく本発明の例示的な実装形態によるシステムでは、仮想的な4Dレーダー画像が生成され得る。これは、レーダー応答を直交座標系の中の点の列と関連付けることによって実現されてよく、点(x,y)はアンテナの物理的な位置を表し、サンプル|Δri,j(n)|の離散的な時間および強度はそれぞれ、u軸およびv軸にマッピングされる。4D画像は、選択された時間遅延インスタンスnに対する一連の2Dの擬似カラープロットを生成する画像をスライスすることによって、視覚化され得る。
【０１６５】
上で説明されたような時間遅延領域およびドップラー領域における検出に基づく本発明の例示的な実装形態によるシステムでは、散乱関数が、2Dの黒と白のプロット、2Dまたは3Dの擬似カラーのプロット、2Dまたは3Dの輪郭線のプロットなどによる、適切な補間または平滑化関数を使用して表示され得る。2D補間関数が、離散的な点ではなく滑らかな外観を実現するために使用され得る。好ましくは、散乱図が各レーダーチャネルに対して個々に生成される。
【０１６６】
異質な物体の検出システムがドップラー領域における検出のみに基づく場合、レーダー画像は、図39および図40に関して前に説明されたような極座標(スパイダー)図上に放射状にドップラー応答(ドップラースペクトル)をマッピングすることによって取得され得る。
【０１６７】
レーダー画像はまた、時間遅延領域において、ドップラー領域において、または両方の領域において、連続的に取得されるレーダー応答から作成され得る。これえらの画像は、レーダー画像、たとえば動いている画像の時間的なシーケンスと見なされ得る。
【０１６８】
車両の存在下では、直接の表面経路の他に、s21タイプのシステムの異なる受信機から得られるようなレーダー応答は通常、車両のアンダーボディ構造または車両パッドにおいて反射される伝播経路(波のモード)から発生する、遅延したより強い成分を示す。一部の遅延した成分は、マルチホップ経路をも介して、受信アンテナに到達することがある。これらは、車両構造およびベースパッド表面で交互に反射する波である。
【０１６９】
図41は、例示的な実装形態による、例示的なレーダーシステム4100のマルチパスのレーダーの伝播を示す。マルチパスの伝播シナリオは、図4、図5、図7、図13〜図16、および図21〜図24のいずれにも関して前に説明されたように、中央のレーダー送信アンテナと、ベースパッドの周縁に沿って置かれた複数のレーダー受信アンテナとを有する、s21タイプのレーダーシステムに対応し得る。明確にするために、主要な伝播経路のみが示されており、1〜8と標識された円によって示されるように標識されている。レーダー受信アンテナ4112および4114の各々において取得される可能性があるような、関連する分解されたレーダー応答がそれぞれ、図42および図43に表示されている。これらの応答は、定性的な例にすぎず、定量的には正しくないと見なされるべきである。
【０１７０】
シナリオ4100は、表面4124と、レーダー送信アンテナ4102と、少なくとも第1のレーダー受信アンテナ4112および第2のレーダー受信アンテナ4114とを有する、ベースパッドを含み得る。車両の表面または車両パッド4126、監視されるべき危険な空間内の異質な物体4128、ならびに、レーダー送信アンテナ4102によって送信され第1のレーダー受信アンテナ4112および第2のレーダー受信アンテナ4114の一方または両方によって受信されるレーダー信号の8個の例示的な伝播経路も示されている。伝播経路1は、レーダー送信アンテナ4102と第1のレーダー受信アンテナ4112との間の直接の経路に対応し得る。伝播経路2は、車両表面4126での単一の反射を含む、レーダー送信アンテナ4102と第1のレーダー受信アンテナ4112との間の伝播経路に対応し得る。伝播経路3は、車両表面4126とベースパッド表面4124の両方での複数の反射を含む、レーダー送信アンテナ4102と第1のレーダー受信アンテナ4112との間の伝播経路に対応し得る。伝播経路4は、異質な物体4128での反射を含む、レーダー送信アンテナ4102と第1のレーダー受信アンテナ4112との間の伝播経路に対応し得る。伝播経路5は、異質な物体4128と車両表面4126の両方での複数の反射を含む、レーダー送信アンテナ4102と第1のレーダー受信アンテナ4112との間の伝播経路に対応し得る。
【０１７１】
伝播経路6は、レーダー送信アンテナ4102と第2のレーダー受信アンテナ4114との間の直接の伝播経路に対応し得る。伝播経路7は、車両表面4126での単一の反射を含む、レーダー送信アンテナ4102と第2のレーダー受信アンテナ4114との間の伝播経路に対応し得る。そして伝播経路8は、車両表面4126とベースパッド表面4124の両方での複数の反射を含む、レーダー送信アンテナ4102と第2のレーダー受信アンテナ4114との間の伝播経路に対応し得る。図42に示される8個の伝播経路は例示的であり網羅的ではないことに留意されたい。
【０１７２】
前に説明されたように、図42は、図41の第1の受信アンテナ4112と関連付けられる送信伝播経路のための、理想化された分解されたレーダー応答4200を示す。示されるように、図41の伝播経路1〜5は、図41の第1の受信アンテナ4112と関連付けられる。図43は、図41の第2の受信アンテナ4114と関連付けられる送信伝播経路のための、理想化された分解されたレーダー応答4300を示す。示されるように、図41の伝播経路6〜8は、図41の第2の受信アンテナ4114と関連付けられる。
【０１７３】
単一のレーダー送信アンテナおよび複数のレーダー受信アンテナを使用するシステムでは、送信アンテナから離れた場所に位置する異質な物体は主に、物体に最も近い受信アンテナのレーダー応答に影響する。しかしながら、物体が送信アンテナの近くに位置する場合、物体は一般に、物体の断面、形状、および方向に応じて、すべての受信アンテナの応答に影響する。
【０１７４】
レーダーに基づく手法を含む3次元空間におけるFODに対する大半の手法の1つの主要な課題は、車両の動きである。導電性充電ベースの上に駐車された車両を、絶対に静止していると見なすことはできない。人または他の荷物が車両に入ること、または車両から出ること、さらには、風力、降雪、タイヤの空気圧の変化などが、レーダーアンテナを組み込み得るベースユニットの場所に対する、車両のアンダーボディ構造の、散発的なまたは頻繁な、小さなまたは大きな動きを引き起こし得る。そのような動きは、図29に関して前に説明されたように、環境のレーダー応答henv(t)の変化であると考えられ得る。そのような変化は、以前の較正を一時的または永久的に無効にし得る。そのような変化に対するレーダーに基づくFOD方法の感受性は、レーダーシステムに使用される周波数または波長、および、異質な物体に対するシステムの全般的な感度に依存し得る。波長が短いほど、車両の動きに対するシステムの感受性は大きくなり得る。
【０１７５】
しかしながら、車両のシャーシの動きは、同様の方式で、かつ同時に、すべてのレーダーチャネルに影響を与える可能性が高い。そのような仮定は、図4、図5、および図7に示されるようなs21タイプのレーダーシステムと、さらには図6に示されるようなs11タイプのレーダーシステムとの両方に対して有効であり得る。この特性は、動いている車両からの擾乱の影響を軽減し、物体と望ましくない環境による影響とを区別するために使用され得る。
【０１７６】
車両のシャーシの動きはまた、車両内に設置されている加速度計を使用して検出され得る。加速度計からの信号は、動いている車両による擾乱の影響を軽減するために、レーダー応答と相関付けられ得る。そのようなシステムは、動いている異質な物体と動いている車両のシャーシとを区別するために、車両内の少なくとも1つの加速度計からの信号を、レーダー応答の時間列と相関付けることができる。相関が定められた閾値を超える場合、検出は車両の動きによって引き起こされているものとして見なされる。
【０１７７】
レーダーに基づく方法の別の課題は、レーダーシステムを組み込むベースユニットの表面上の雪、氷、または水であり得る。これらの環境による要因も、較正を無効にすることがあり経時的に変化することがあるレーダー応答の変化を引き起こし得る。時間差分検出、たとえば、十分に短い時定数を有するハイパスフィルタリングを使用したシステムは、車両の遅い動きに対処することは可能であり得るが、たとえば車両の揺れによって生成されるような突然の変化には対処できないことがある。しかしながら、上で説明されたような時間差分検出と空間差分検出の両方に基づくシステムは、遅い動き、さらには散発的な速い動きに対処することが可能であり得る。
【０１７８】
上の課題は、インテリジェントに考案されたアンテナ配置および洗練されたパターン認識アルゴリズムを使用して満たされ得る。異質な物体、さらにはレーダー環境に対する変化または擾乱は、レーダー応答において特性パターンを示し得る。そのような特性パターンは、たとえば時間遅延領域において、ドップラー領域において、両方の領域において、または動いているレーダー画像の時間シーケンスとして、上で開示された方法に従って生成されるレーダー画像において見出され得る。
【０１７９】
例示的な実装形態によるシステムは、異質な物体と擾乱を区別するためにパターン認識を使用し得る。パターン認識アルゴリズムは、時間遅延領域およびドップラー領域の少なくとも1つにおける特性パターンについて訓練され得る。パターン認識アルゴリズムはまた、レーダー画像の時間シーケンスにおける特性パターンに基づいて訓練され得る。
【０１８０】
本発明の例示的な実装形態による別のシステムは、適応パターン認識を使用し、このことはたとえば、車両の存在または不在に応じてシステムが異なる検出方式および判断基準を適用することを意味する。例示的なシステムは、車両が不在の場合には空間差分検出方式を主に利用し得るが、車両が存在する場合には時間差分検出と空間差分検出の両方を使用する。
【０１８１】
本発明の例示的な実装形態によるさらに別のシステムは、時間遅延応答(遅延スペクトル)における特性パターンについて訓練される。異なる受信機の場所において測定されるような遅延スペクトルの何らかの特性および相互関係、さらにはそれらの時間的な展開が、動いている物体からの応答と、レーダー環境によるクラッターとを区別するのを助け得る。レーダークラッターは、図40に示されるようにより均一な広がりをもつ画像を生成し得るが、物体は、図39に例示的に示されるようにより集中的なパターンを生成する。そのような特性は、たとえば図17、図21、または図24に示されるように、異なる位置に配置された少なくとも2つのTXアンテナを伴うアンテナ構成では明瞭になり得る。
【０１８２】
例示的な実装形態では、システムは、異質な物体とレーダークラッターとを区別するために、レーダー画像中の時間遅延の第1のモーメント(重心)と第2のモーメント(広がりを表す)の少なくとも1つを計算することができる。レーダー画像は、上で説明されたような画像化方法の1つによって取得され得る。別の例示的な実装形態は、レーダー応答において取得される時間遅延データに基づく三角測量法、たとえばtime of arrival(TOA)を使用する。
【０１８３】
本発明の例示的な実装形態による第4のシステムは、単純なCWレーダーシステムを使用し、ドップラー領域におけるパターン認識を使用する。異なる受信機の場所において測定されるようなドップラースペクトルの何らかの特性および相互関係、さらにはそれらの時間的な展開が、動いている異質な物体からの応答と、レーダークラッターとを区別するのを助け得る。例示的な実装形態では、システムは、レーダー画像中のドップラーの第1のモーメント(重心)と第2のモーメント(広がりを表す)の少なくとも1つを計算することができる。レーダー画像は、上で説明されたような画像化方法の1つによって取得され得る。
【０１８４】
別の例示的な実装形態は、危険な空間の内側の物体を決定し、この空間の外側に位置する動いている物体および/または車両のシャーシの動きを区別するために、ドップラースペクトルにおいて得られるドップラーデータに基づく三角測量法、たとえばfrequency of arrival(FOA)技法を使用する。
【０１８５】
本発明の例示的な実装形態による別のシステムは、適切に考案されたアンテナ配置およびアルゴリズムを使用し、これらは一緒に、マイクロ波保護ゾーンまたは危険な空間の周りの「カーテン」のように機能する。このゾーン内を通過する検出可能なサイズのあらゆる物体が、検出される可能性がある。
【０１８６】
例示的な実装形態によるさらに別のシステムは、展開可能なアンテナまたは展開可能なアンテナシステムを使用する。図47は、例示的な実装形態による、車両側の展開可能な平面レーダーアンテナ4722を示す。単一のアンテナ4722として示されるが、本出願は、単一のアンテナ4722が複数のアンテナを含むような配置を企図する。アンテナ4722は、充電ベースパッド4724の上に車両が駐車したときに展開され得る。この展開可能なアンテナ4722は、図47に示されるように車両に搭載されていてよく、または、代替的には充電ベースパッド4724の一部であってよい。車両に搭載されており使用されていない場合、アンテナ4722は、車両のアンダーボディ4726のくぼみ4728にしまわれ得る。使用のために、たとえば電力伝送が有効にされる前に、1つまたは複数のアンテナ4722は、展開され、危険な空間を監視するのに適した高さまで下げられ得る。アンテナシステムは、平面フェーズドアレイ、(TXおよびRXのための)ホーンアンテナのペアの1つ、または、十分な指向性を提供する任意のアンテナタイプの1つであり得る。
【０１８７】
レーダーに基づく異質な物体の検出に対する別の手法は、少なくとも1つの指向性TX/RXアンテナと、危険な空間を監視するための走査技法とを使用する。危険な空間を走査するために、少なくとも1つのレーダーアンテナのビームが、電気的または機械的に操作され得る。
【０１８８】
レーダー走査に基づく例示的な実装形態によるさらに別のシステムでは、危険な空間は、平面(2D)フェーズドアレイである少なくとも1つのアンテナを使用して監視され得る。そのようなアンテナは、ベース充電サブシステムの一部であってよく、または代替的に、車両側に配設されてよい。アンテナは、空間を監視するのに適切な位置に配設されたスタンドアロンの(組み込まれていない)ユニットであってよい。車両側に配設されており使用されていない場合、アンテナは、図47に示されるような方式で、車両のアンダーボディのくぼみにしまわれていてよく、使用のために展開されてよい。
【０１８９】
レーダー走査に基づく例示的な実装形態によるさらに別のシステムでは、危険な空間は、機械的に動く、たとえば回転または揺動する少なくとも1つのアンテナを使用して監視され得る。アンテナは、単一のTX/RXホーンアンテナ、またはTXおよびRXのためのホーンアンテナのペアを含み得る。車両側に搭載される場合、ホーンアンテナは、使用されていないとき、車両のアンダーボディのくぼみにしまわれていてよく、使用のために、たとえば電力伝送が有効にされる前に展開されてよい。
【０１９０】
レーダー走査に基づく異質な物体の検出のためのさらなるシステムでは、危険な空間は、TX/RXレーダーアンテナの直線状の(1次元の)アレイを使用して走査され得る。図48は、例示的な実装形態による、異質な物体4828を検出するためのレーダーアンテナの直線状のアレイ4810を有する車両側のレーダーシステムの複数の連続的なビュー4800〜4803を示す。1つだけのアンテナが見えているが、アレイ4810は、車両の動きの主な方向と垂直な、図48に入る方向および図48から出ていく方向に沿った1次元アレイに配置される、複数のアンテナを有し得る。アレイ4810は、危険な空間の少なくとも幅(図示されず)の、アレイ4810の方向の幅(または長さ)を有し得る。アンテナアレイ4810は、車両4826の底の、かつ車両の動きの主な方向において車両充電パッドの前または後ろの、適切な位置に搭載され得る(動きの方向の矢印の方向への、車両パッドの左側へのオフセットとして示される)。動きのこの主な方向は、車両に対して前進の方向と後退の方向のいずれかの、車両の回っていないタイヤの方向と平行であり得る。そのような配置は、車両が充電ベースパッド4824に接近するにつれて、直線状のアレイ4810が最初に危険な空間の上を動き、これによって、車両が充電のための「スイートスポット」の上で停止したときに、危険な空間がすでに完全に走査されていることを確実にする。たとえば、連続的なビュー4800、4801、4802、および4803の各々に示される位置において取られる、連続的に取得されるレーダー応答は、リアルタイムの車両の位置データとともに、危険な空間の3Dレーダートポグラフィック画像を生成するために、後処理され得る。異質な物体4828が次いで、トポグラフィック画像に基づいて、パターン認識技法を使用して検出され得る。後処理は、合成開口レーダー(SAR)技法の1つを含み得る。
【０１９１】
車両が動いている間のレーダー走査はまた、運転の方向に垂直な方向へとビームを導き偏向させる電子ビームを使用して実現され得る。この方法は、危険な空間の少なくとも幅の長さにわたって延び得る図48に関して上で説明された直線状のアレイよりも物理的に短い、アンテナシステム(たとえば、フェーズドアレイ)とともに機能し得る。
【０１９２】
位置データは、車両の速度センサ(たとえば、車輪の速度センサ)から、車両内の加速度計から、または、上で説明されたような案内および整列のために使用されるような測位システムから取得され得る。
【０１９３】
車両が動いている間のレーダー走査は、車両が「スイート」スポットに駐車したときに、危険な空間が「空いている」(異質な物体がない)かどうかを決定するために使用され得る。本明細書で説明される別の検出方法の1つは、たとえば充電のために車両が駐車されている間の危険な空間の監視のために適用され得る。
【０１９４】
レーダー走査は、たとえば道路に埋め込まれているワイヤレス充電インフラストラクチャを使用して車両が動いている間に充電されるシステム(動的充電または準動的充電)において、道路上の異質な物体を検出するための解決法でもあり得る。異質な物体の検出は、車両がゆっくり動いている、または一時的に停止している場合の準動的充電において、特に重要であると考えられる。車両の速度が十分に高い場合、異質な物体が強い磁場に曝される時間長は十分短くなり得るので、物体は危険な温度を上回って加熱しないであろう。これは、車両の長さよりも短く、車両が電源セクションの上にある期間だけ有効にされ得る、多数の道路埋込み型IPT結合器セクションを使用する動的システムにおいて、特に当てはまり得る。
【０１９５】
例示的な実装形態によるさらなるシステムは、氷および雪についての上で言及された問題を避けるために、ベースユニットと車両ユニットの少なくとも1つの霜取りまたは加熱を使用することができる。
【０１９６】
例示的な実装形態によるさらに別のシステムは、レーダー環境からの、たとえば車両からの影響を減らすために、車両パッドの筐体に、および/または取り囲んでいる車両のアンダーボディ構造に、マイクロ波吸収性の材料および/または表面を使用することができ、これは検出の信頼性を改善することができる。
【０１９７】
アクティブな表面、たとえばメタマテリアルが、既知の方式でレーダー環境からの応答を修正するために使用され得る。これらのアクティブな表面は、反射された信号を変調し、位相シフトし、かつ/または周波数シフトするように、電気的に制御可能であり得る。例示的な実装形態によるシステムは、異質な物体とレーダークラッターを区別するためにアクティブな表面を使用する。
【０１９８】
本発明の例示的な実装形態による別のシステムは、車両によって再送信される信号をマークするために、1つまたは複数の個別のパッシブトランスポンダもしくはアクティブトランスポンダ、またはタグを使用する。再送信される信号は、受信された信号の変調された、時間シフトされた、位相シフトされた、および周波数シフトされたバージョンの少なくとも1つであり得る。これらの再送信される信号のシグネチャは、異質な物体によって影響を受ける応答と環境からの応答を区別するための、少なくとも部分的な基礎として機能し得る。
【０１９９】
例示的な実装形態によるさらなるシステムは、異質な物体を振るための、または振動させるための手段を利用し得る。動いている物体または振動している物体は、異質な物体とレーダークラッターとを区別するのに有用であり得るドップラースペクトルの特性パターンを生成し得る。金属の物体では、そのような手段はパルス化された磁場であり得る。パルス化された磁場は、ベースIPT結合器コイルによって、たとえば、IPT電源の周期的なオン-オフのスイッチングを利用して主電流を変調することによって、または、電源周波数の2倍(たとえば、100Hz、120Hz)の正弦半波の変調を生み出すフィルタリングされていないDC電源からIPTシステムを動作させることによって、生成され得る。この効果は、金属の物体に誘起される渦電流によって説明され得る。誘起された渦電流は、レンツの法則に従って、主コイルと物体との間に磁気力(ローレンツ力)を引き起こす。f0で動作するIPTシステムでは、これらの力は、不変の力と、磁場のレベルおよび勾配に応じた強度を伴う2倍の周波数2f0の交流の力へと分解され得る。f0における主要な場が、たとえば200Hz未満の非常に低い周波数によって振幅変調される場合、「不変の」成分が物体のわずかな振動を生み出すことがあり、ここで振動の振幅は物体のサイズおよび体積に大きく依存する。
【０２００】
上で開示された方法および手段は、組み合わせて、かつ/または相補的に使用され得る。これらはまた、本明細書で特別に言及または開示されない他の検出方法と組み合わせて、またはそれと相補的に使用され得る。
【０２０１】
本発明の例示的な実装形態による別のシステムは、誘導感知方法とマイクロ波レーダー方法の組合せの1つを相補的に使用する。たとえば、そのようなシステムは、誘導センサが組み込まれている表面上に、またはその近くに位置する金属の物体を検出するための誘導感知と、誘導感知によってカバーされない相補的な空間中の任意の異質な物体を検出するためのマイクロ波レーダーとを使用し得る。別の実装形態は、車両が存在しないとき、より大きな3次元空間中の金属の物体を検出するためにより感度の高い誘導による方法を使用し得るが、車両が存在するとき(たとえば、ベースユニットの上に駐車されているとき)、上で説明されたようなマイクロ波レーダー方法と組み合わせて、誘導感知が表面の近くの物体のために使用され得る。
【０２０２】
レーダーに基づくFODのいくつかの構成要素および機能はまた、車両の案内および整列の目的で、車両の測位のために相乗的に使用され得る。例示的な実装形態によるシステムは、FODおよび測位のために少なくとも1つのレーダーシステムの構成要素を相乗的に使用する。この構成要素は、レーダー送信機、レーダー受信機、およびレーダートランスポンダの少なくとも1つであり得る。レーダートランスポンダは、アクティブトランスポンダとパッシブトランスポンダの1つであってよく、車両の一部であるか、ベース充電ユニットの一部であるかのいずれかであってよい。測位は、time-of-arrival(TOA)三角測量法とfrequency-of-arrival(FOA)三角測量法の少なくとも1つに基づき得る。
【０２０３】
図44は、例示的な実施形態による、所定の空間におけるレーダーに基づく物体の検出のための例示的な方法のフローチャート4400である。図44において説明されるステップおよび動作は、図29〜図43のいずれにも関してさらに論じられたような、図4、図5、図7、図8〜図16、および図21〜図24に示される回路、デバイス、または配置のいずれにおいても実装されてよく、またはそれらによって実行されてよい。ブロック4402は、プリント回路基板の中心部分に配設される少なくとも1つのレーダー送信アンテナからレーダー信号を送信するステップを含み得る。ブロック4404は、プリント回路基板の周縁に配設される複数のレーダー受信アンテナの少なくともサブセットを利用して、レーダー信号を受信するステップを含み得る。ブロック4406は、受信されたレーダー信号の少なくとも1つの特性に基づいて、レーダー処理回路を利用して物体の存在を決定するステップを含み得る。たとえば、一実装形態では、レーダー処理回路は、図8と図9のいずれかに関して前に説明されたような回路であり得る。ブロック4408は、物体の存在を決定したことに少なくとも一部基づいて、プリント回路基板上に配設されるワイヤレス充電器の第1の送信コイルに電力を供給するステップを含み得る。
【０２０４】
図45は、例示的な実施形態による、所定の空間におけるレーダーに基づく物体の検出のための例示的な方法の別のフローチャート4500である。図45において説明されるステップおよび動作は、図29〜図43のいずれにも関してさらに論じられたような、図6、図8〜図12、図17〜図20、および図25〜図28に示される回路、デバイス、または配置のいずれにおいても実装されてよく、またはそれらによって実行されてよい。ブロック4502は、プリント回路基板上にアレイ状に並べられる複数のレーダーアンテナの少なくとも1つのアンテナからレーダー信号を送信するステップを含み得る。ブロック4504は、複数のレーダーアンテナの少なくとも1つのアンテナからレーダー信号を送信するステップを含み得る。ブロック4506は、受信されたレーダー信号の少なくとも1つの特性に基づいて、レーダー処理回路を利用して物体の存在を決定するステップを含み得る。たとえば、一実装形態では、レーダー処理回路は、図8と図9のいずれかに関して前に説明されたような回路であり得る。ブロック4508は、物体の存在を決定したことに少なくとも一部基づいて、プリント回路基板上に配設されるワイヤレス充電器の第1の送信コイルに電力を供給するかどうかを決定するステップを含み得る。
【０２０５】
図46は、例示的な実施形態による、所定の空間におけるレーダーに基づく物体の検出のための例示的な方法の別のフローチャート4600である。図46において説明されるステップおよび動作は、図8〜図12、図47、および図48に示される回路、デバイス、または配置のいずれにおいても実装されてよく、またはそれらによって実行されてよい。ブロック4602は、車両上の少なくとも1つのレーダーアンテナを利用して、車両の動きの主な方向に車両が動くにつれてレーダー信号を車両のワイヤレス電力受信機とワイヤレス充電器との間の空間へと送信するステップを含み得る。ブロック4604は、少なくとも1つのレーダーアンテナを利用して、レーダー信号を受信するステップを含み得る。ブロック4606は、レーダー信号の少なくとも1つの特性に基づいて、レーダー処理回路を利用して物体の存在を決定するステップを含み得る。たとえば、一実装形態では、レーダー処理回路は、図8と図9のいずれかに関して前に説明されたような回路であり得る。ブロック4608は、物体の存在を決定したことに少なくとも一部基づいて、ワイヤレス充電器から電力を受け取るための指示を提供するステップを含み得る。
【０２０６】
上で説明された方法の様々な動作は、様々なハードウェア構成要素および/もしくはソフトウェア構成要素、回路、ならびに/またはモジュールのような、動作を実行することが可能な任意の適切な手段によって実行され得る。一般に、図に示される任意の動作は、動作を実行することが可能な対応する機能的手段によって実行され得る。
【０２０７】
様々な異なる技術および技法のいずれかを使用して、情報および信号が表され得る。たとえば、上記の説明全体にわたって言及され得るデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、記号、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁場もしくは磁性粒子、光場もしくは光学粒子、またはそれらの任意の組合せによって表され得る。
【０２０８】
本明細書で開示される実施形態に関して説明される様々な例示的な論理ブロック、モジュール、回路、および方法ステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、またはその両方の組合せとして実装され得る。ハードウェアとソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、種々の例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップが、上では全般にその機能に関して説明されてきた。そのような機能が、ハードウェアとして実装されるか、ソフトウェアとして実装されるかは、具体的な適用例およびシステム全体に課される設計制約によって決まる。説明された機能は、具体的な適用例ごとに様々な方法で実装され得るが、そのような実装上の決定は、本発明の実施形態の範囲からの逸脱を生じさせると解釈されるべきではない。
【０２０９】
本明細書において開示される実装形態に関して説明された種々の例示的なブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)もしくは他のプログラマブル論理デバイス、個別ゲートもしくはトランジスタロジック、個別ハードウェア構成要素、または、本明細書において説明される機能を実行するように設計されたそれらの任意の組合せを用いて、実装または実行され得る。汎用ハードウェアプロセッサはマイクロプロセッサであり得るが、代替形態では、ハードウェアプロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械であり得る。ハードウェアプロセッサは、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえばDSPとマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと連結した1つもしくは複数のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実装され得る。
【０２１０】
本明細書で開示される実施形態に関して説明される方法および機能のステップは、直接ハードウェアで具現化されても、ハードウェアプロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールで具現化されても、またはその2つの組合せで具現化されてもよい。ソフトウェアで実装される場合、機能は、1つまたは複数の命令またはコードとして有形の非一時的コンピュータ可読媒体上に記憶されるか、または送信され得る。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、リードオンリーメモリ(ROM)、電気的プログラマブルROM(EPROM)、電気的消去可能プログラマブルROM(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、CD-ROM、または当技術分野において既知の任意の形の記憶媒体内に存在し得る。記憶媒体は、ハードウェアプロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、かつ記憶媒体に情報を書き込むことができるように、ハードウェアプロセッサに結合される。代替形態では、記憶媒体はハードウェアプロセッサと一体であり得る。ディスク(disk)およびディスク(disc)は、本明細書で使用される場合、コンパクトディスク(「CD」)、レーザーディスク（登録商標）、光ディスク、デジタル多用途ディスク(「DVD」)、フロッピーディスク、およびブルーレイディスクを含み、ディスク(disk)は通常、磁気的にデータを再生する一方、ディスク(disc)は、レーザーを用いてデータを光学的に再生する。上記のものの組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。ハードウェアプロセッサおよび記憶媒体は、ASIC中に存在し得る。ASICは、ユーザ端末中に存在し得る。代替形態では、ハードウェアプロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末中の個別の構成要素として存在し得る。
【０２１１】
本開示を要約する目的で、いくつかの態様、利点、および新規の特徴が本明細書で説明されてきた。任意の特定の実装形態に従って、そのような利点の必ずしもすべてが実現され得るとは限らないことを理解されたい。したがって、本明細書で教示されるような1つの利点または利点の群を、本明細書で教示または示唆された他の利点を必ずしも実現することなく実現または最適化する方式で、本発明が具現化されてよく、または実行されてよい。
【０２１２】
上で説明された実装形態の様々な修正が容易に明らかになり、本明細書において規定される一般原理は、本出願の趣旨または範囲を逸脱することなく他の実装形態に適用され得る。したがって、本出願は、本明細書において示される実装形態に限定されることは意図されず、本明細書において開示された原理および新規の特徴に一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
【符号の説明】
【０２１３】
100  ワイヤレス電力伝送システム
102a  ベースワイヤレス充電システム
102b  ベースワイヤレス充電システム
104a  ベースシステム誘導コイル
108  通信リンク
110  電力リンク
112  電動車両
114  電動車両ワイヤレス充電システム
116  電動車両誘導コイル
118  バッテリーユニット
130  ローカル配電センター
132  電力バックボーン
134  通信バックホール
200  ワイヤレス電力伝送システム
202  ベースワイヤレス充電システム
204  ベースシステム誘導コイル
206  ベースシステム送信回路
208  電源
214  電動車両充電システム
216  電動車両誘導コイル
218  電動車両バッテリーユニット
222  電動車両受信回路
236  ベース充電システム電力コンバータ
238  電動車両電力コンバータ
300  電力伝送システム
302  ベースワイヤレス充電システム
304  ベースシステム誘導コイル
314  電動車両充電システム
316  電動車両誘導コイル
336  ベース充電システム電力コンバータ
338  電動車両電力コンバータ
342  ベース充電システムコントローラ
344  電動車両コントローラ
352  ベース充電整列システム
354  電動車両整列システム
354  ベース充電システム電力インターフェース
362  ベース充電案内システム
364  電動車両案内システム
366  案内リンク
372  ベース充電通信システム
374  電動車両通信システム
376  通信リンク
400  概略図
402  レーダー送信アンテナ
404  レーダー送信アンテナ
406  レーダー送信アンテナ
408  レーダー送信アンテナ
410  スイッチマトリックス
412  レーダー受信アンテナ
414  レーダー受信アンテナ
416  レーダー受信アンテナ
418  レーダー受信アンテナ
420  スイッチマトリックス
422  レーダー検出器ユニット
424  ベースパッド
426  車両
428  異質な物体
500  概略図
512  レーダーアンテナ
514  レーダーアンテナ
516  レーダーアンテナ
518  レーダーアンテナ
520  スイッチマトリックス
522  レーダー検出器ユニット
524  ベースパッド表面
526  車両表面
528  異質な物体
600  概略図
612  レーダーアンテナ
614  レーダーアンテナ
616  レーダーアンテナ
618  レーダーアンテナ
620  スイッチマトリックス
622  レーダー検出器ユニット
624  ベースパッド
626  車両
628  異質な物体
700  概略図
702  レーダー送信アンテナ
704  レーダー送信アンテナ
706  レーダー送信アンテナ
708  レーダー送信アンテナ
712  レーダー受信アンテナ
714  レーダー受信アンテナ
716  レーダー受信アンテナ
718  レーダー受信アンテナ
720  スイッチマトリックス
722  レーダー検出器ユニット
724  ベースパッド
726  車両
728  異質な物体
800  ブロック図
802  マイクロコントローラ
804  PNコード生成器
806  相関器
808  変調器
810  増幅器
812  ローカル発振器
814  復調器
816  前置増幅器
818  アナログデジタルコンバータ
820  デジタル後処理器
900  ブロック図
902  マイクロコントローラ
904  PNコード生成器
906  相関器
908  変調器
910  増幅器
912  ローカル発振器
914  復調器
918  A/Dコンバータ
920  デジタル後処理器
922  電力分配器
924  スイッチマトリックス
926  復調器
1000  方向性結合器
1100  サーキュレータ
1200  併置されたペア
1202  受信アンテナ
1204  送信アンテナ
1300  配置
1302  導電性バックプレート
1304  フェライト層
1306  コイル
1308  レーダー受信アンテナ
1310  レーダー送信アンテナ
1312  PCB
1400  側面図
1402  レーダーボックス
1500  プリント回路基板
1502  アンテナフィーダー線
1600  側面図
1700  配置
1702  導電性バックプレート
1704  フェライト層
1706  コイル
1708  レーダーアンテナ
1712  PCB
1800  側面図
1802  レーダー検出器ユニット
1902  アンテナフィーダー線
2000  側面図
2100  配置
2102  導電性バックプレート
2104  フェライト層
2106  コイル
2108  受信アンテナ
2110  第1のレーダー送信アンテナ
2112  PCB
2114  第2のレーダー送信アンテナ
2116  第2のコイル
2200  側面図
2202  レーダー検出器ユニット
2302  アンテナフィーダー線
2400  側面図
2500  配置
2502  導電性バックプレート
2504  フェライト層
2506  コイル
2508  アンテナアレイ素子
2512  PCB
2514  第2のコイル
2600  側面図
2602  レーダー検出器ユニット
2702  アンテナフィーダー線
2800  側面図
2900  線形システムモデル
2902  ボックス
2904  ボックス
2906  ボックス
2908  ボックス
2910  ボックス
2912  サンプラー
2914  加算器
2916  加算器
3000  モデル
3002  加算器
3100  線形システムモデル
3200  アンテナポート終端構成
3202  レーダー検出器ユニット
3204  抵抗
3206  抵抗
3300  アンテナポートバイパス構成
3302  レーダー検出器ユニット
3304  減衰器
3306  減衰器
3400  線形システムモデル
3402  ボックス
3500  後処理カスケード
3600  後処理カスケード
3702  加算器
3800  一次離散時間有限インパルス応答フィルタ
3802  加算器
3804  遅延要素
3900  レーダー画像
4000  レーダー画像
4100  レーダーシステム
4102  送信アンテナ
4112  受信アンテナ
4114  受信アンテナ
4124  ベースパッド表面
4126  車両表面
4128  異質な物体
4200  レーダー応答
4300  レーダー応答
4400  方法
4500  方法
4600  方法
4722  平面レーダーアンテナ
4724  充電ベースパッド
4726  車両のアンダーボディ
4728  異質な物体
4728  くぼみ
4800  ビュー
4801  ビュー
4802  ビュー
4803  ビュー
4810  アレイ
4824  充電ベースパッド
4826  車両
4828  異質な物体
【図１】
0006469125.tif 000020
【図２】
0006469125.tif 000021
【図３】
0006469125.tif 000022
【図４】
0006469125.tif 000023
【図５】
0006469125.tif 000024
【図６】
0006469125.tif 000025
【図７】
0006469125.tif 000026
【図８】
0006469125.tif 000027
【図９】
0006469125.tif 000028
【図１０】
0006469125.tif 000029
【図１１】
0006469125.tif 000030
【図１２】
0006469125.tif 000031
【図１３】
0006469125.tif 000032
【図１４】
0006469125.tif 000033
【図１５】
0006469125.tif 000034
【図１６】
0006469125.tif 000035
【図１７】
0006469125.tif 000036
【図１８】
0006469125.tif 000037
【図１９】
0006469125.tif 000038
【図２０】
0006469125.tif 000039
【図２１】
0006469125.tif 000040
【図２２】
0006469125.tif 000041
【図２３】
0006469125.tif 000042
【図２４】
0006469125.tif 000043
【図２５】
0006469125.tif 000044
【図２６】
0006469125.tif 000045
【図２７】
0006469125.tif 000046
【図２８】
0006469125.tif 000047
【図２９】
0006469125.tif 000048
【図３０】
0006469125.tif 000049
【図３１】
0006469125.tif 000050
【図３２】
0006469125.tif 000051
【図３３】
0006469125.tif 000052
【図３４】
0006469125.tif 000053
【図３５】
0006469125.tif 000054
【図３６】
0006469125.tif 000055
【図３７】
0006469125.tif 000056
【図３８】
0006469125.tif 000057
【図３９】
0006469125.tif 000058
【図４０】
0006469125.tif 000059
【図４１】
0006469125.tif 000060
【図４２】
0006469125.tif 000061
【図４３】
0006469125.tif 000062
【図４４】
0006469125.tif 000063
【図４５】
0006469125.tif 000064
【図４６】
0006469125.tif 000065
【図４７】
0006469125.tif 000066
【図４８】
0006469125.tif 000067