(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を間欠的に発光するレーザ光発振源からのレーザ光を反射し、物体検出領域に対して前記反射レーザ光を二次元的に走査する半導体ガルバノミラーと、
水平方向に所定の間隔を設けて設置され、前記物体検出領域をそれぞれ撮像する２台のＣＣＤカメラと、
各ＣＣＤカメラで撮像された各レーザ光走査画像に基づいて、レーザ光走査画像が不連続状になった時のＣＣＤ上の不連続部分の直交座標値を算出して三次元座標系に変換して物体の形状及び位置を認識する光切断法認識処理を実行し、２つのレーザ光走査画像の差から物体の形状及び位置を認識するステレオ法認識処理を実行し、前記光切断法認識処理の認識結果と前記ステレオ法認識処理の認識結果が略一致した時に当該認識結果を物体の形状及び位置とする画像処理手段と、
前記半導体ガルバノミラーのぶれを検出するぶれ検出手段と、
該ぶれ検出手段の検出結果に基づいて前記画像処理手段の前記光切断法認識処理で算出した座標位置を補正する補正手段と、
を備えて構成したことを特徴とする物体検出装置。
【請求項２】
移動体に搭載することを特徴とする請求項１に記載の物体検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体の自動運転システム等に好適な小型、軽量で、耐振動性に優れた物体検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の物体検出装置としては、超音波の反射波を利用したものや光線を照射した画像における光線の不連続を検出して物体の存在を認識する方法、所謂、光切断法を利用したもの等がある。
しかし、超音波の場合は、５〜１０ｍ程度が限界で測定距離が短く、また、物体の形状を認識できない。
【０００３】
その点、光切断法では、遠距離の物体まで検出可能であり、形状の認識も可能である。
光切断法による物体検出の原理について説明すると、物体検出領域をレーザ光をスキャンすると共に、物体検出領域内の画像をカメラで取り込む。前方に物体が存在しなければ、取り込んだ画像内のレーザ光のスキャン線は連続した直線となる。物体が存在する場合には、物体とその背景の距離差からレーザ光のスキャン線が不連続となり、物体の存在を認識できる。更に、撮像装置の取付け角度と取付け位置、レーザ光の照射角度と照射位置等の位置関係が既知であれば、画像内におけるスキャン線のＸＹ直交座標値から三角測量の原理に基づいて物体までの距離を求めることができ、ＸＹ直交座標値を三次元円柱座標系に変換することで物体の形状も認識できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光切断法においては、レーザ光のスキャン走査は、一般的には重量のあるポリゴンミラーを利用し、これをモータを用いて回転駆動させている。また、振動等による光軸のずれを防止するには、支持機構の剛性を上げる必要があり支持機構も頑丈なものが必要となる。このため、レーザ光のスキャン機構を小型化するのが難しく、また、消費電力も多い。従って、小型化、軽量化、更には省電力化等の要求が強く、また、常時振動を受けるような、例えば、自動車等に搭載して障害物検出に利用することが難しかった。
【０００５】
本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、自動車等の移動体にも搭載可能な小型、軽量、且つ、耐振動性に優れた物体検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に記載の物体検出装置では、レーザ光を間欠的に発光するレーザ光発振源からのレーザ光を反射し、物体検出領域に対して前記反射レーザ光を二次元的に走査する半導体ガルバノミラーと、水平方向に所定の間隔を設けて設置され、前記物体検出領域をそれぞれ撮像する２台のＣＣＤカメラと、各ＣＣＤカメラで撮像された各レーザ光走査画像に基づいて、レーザ光走査画像が不連続状になった時のＣＣＤ上の不連続部分の直交座標値を算出して三次元座標系に変換して物体の形状及び位置を認識する光切断法認識処理を実行し、２つのレーザ光走査画像の差から物体の形状及び位置を認識するステレオ法認識処理を実行し、前記光切断法認識処理の認識結果と前記ステレオ法認識処理の認識結果が略一致した時に当該認識結果を物体の形状及び位置とする画像処理手段と、前記半導体ガルバノミラーのぶれを検出するぶれ検出手段と、該ぶれ検出手段の検出結果に基づいて前記画像処理手段の前記光切断法認識処理で算出した座標位置を補正する補正手段とを備えて構成した。
【０００７】
かかる構成では、半導体ガルバノミラーを回動駆動して、レーザ光発振源からのレーザ光を物体検出領域に対して二次元的に走査すると共に、２台のＣＣＤカメラで、レーザ光が走査される物体検出領域の画像を取り込む。画像処理手段は、取り込んだ画像におけるレーザ光の走査画像が不連続状であれば、物体有りと判断する。そして、画像から不連続のレーザ光走査線の直交座標値を算出する。この際に、ぶれ検出手段によって、レーザ光を走査する際の半導体ガルバノミラーの振動等に起因するぶれを検出し、補正手段によって、振れ検出手段からの検出値に基づいて算出された直交座標値を補正する。画像処理手段は、直交座標の補正値を三次元座標系に変換し、光切断法認識処理により物体の形状及び位置を認識する。また、画像処理手段は、２つのレーザ光の走査画像の差から物体の形状及び位置を認識するステレオ法認識処理により物体の形状及び位置を認識する。そして、両認識処理結果が略一致すればその認識結果を物体の形状及び位置と判断する。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明では、移動体に搭載することを特徴とする。
かかる物体検出装置を移動体に搭載することで、移動体周囲の障害物を精度良く検出できる。また、小型、軽量であるため、移動体への搭載が容易である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る物体検出装置の実施形態を示す概略ブロック構成図である。
図１において、ＣＣＤカメラ１，１１を、水平方向に所定の間隔を設けて設置し、恰も人間が両目で見る場合のように２台のＣＣＤカメラ１，１１で物体の検出領域を撮影する。ＣＣＤカメラ１，１１で取り込んだ画像情報は、ディジタル画像信号として画像信号入出力部２を介して画像処理部３に入力される。画像処理部３では、後述する光切断法による物体の形状及び位置を認識するための画像処理が行われる。また、画像処理部３は、光切断法による物体検出処理と同時に、２台のカメラで異なる方向からの画像を取り込み、その差から物体の形状及び位置を認識する、従来公知の所謂ステレオ法による物体検出処理を行う。また、画像処理部３による画像処理後、画像入出力部２を介して処理画像がモニタ４で表示される。レーザ光発振源であるレーザ光発振器５は、レーザ駆動部６により間欠的にレーザ光を発振するよう駆動制御される。半導体ガルバノミラー２００は、ガルバノミラー駆動制御部７によって所定の周期で回動駆動され、レーザ光発振器５からのレーザ光を反射して物体検出領域内を二次元的に走査する。コントローラ８は、画像入出力部２、画像処理部３、レーザ駆動部６及びガルバノミラー駆動制御部７の駆動及びそのタイミングを制御すると共に、画像処理部３からの画像処理データに基づいて物体の形状及び位置を決定するため各種演算を実行し、物体の形状及び位置を決定する。
【００１０】
前記半導体ガルバノミラー２００は、後述するように、振動等に起因するミラーのぶれ（変位角）を検出するぶれ検出手段としての機能を有し、検出したぶれの情報をコントローラ８にフィードバックする。コントローラ８は、半導体ガルバノミラー２００からのぶれ値に基づいて画像処理部３からの画像処理データ（後述する直交座標値）を補正する。ここで、画像処理部３とコントローラ８とで画像処理手段を構成している。また、コントローラ８は、補正手段の機能も有する。
【００１１】
次に、半導体ガルバノミラーの具体的構成について説明する。
半導体ガルバノミラー２００は、半導体製造技術を用いて製造する。この半導体ガルバノミラー２００は、本出願人により特開平７−１７５００５号公報及び特開平７−２１８８５７号公報等により先に提案されたものであり、上記各公報に詳細に説明されているので、ここでは簡単に説明する。
【００１２】
図２に、本実施形態に適用する半導体ガルバノミラーの一例の分解斜視図を示す。
図２において、半導体ガルバノミラー２００は、シリコン基板２０１に外側可動板２０４Ａがトーションバー２０５Ａによって基板上下方向に揺動可能に軸支され、この外側可動板２０４Ａの内側に、内側可動板２０４Ｂが前記トーションバー２０５Ａと軸方向が直交するトーションバー２０５Ｂによって基板上下方向に揺動可能に軸支されている。外側可動板２０４Ａは、枠状に形成され、その上面にシリコン基板２０１上面に形成した一対の外側電極端子２０９Ａ，２０９Ａにトーションバー２０５Ａの一方の部分を介して電気的に接続する平面コイル２０６Ａ（図では模式的に１本線で示す）が絶縁層で被覆されて設けられている。また、内側可動板２０４Ｂは、平板状に形成され、その上面にはシリコン基板２０１に形成された一対の内側電極端子２０９Ｂ，２０９Ｂにトーションバー２０５Ｂの一方から外側可動板２０４Ａ部分を通り、トーションバー２０５Ａの他方側を介して電気的に接続する平面コイル２０６Ｂ（図では模式的に１本線で示す）が絶縁層で被覆されて設けられている。平面コイル２０６Ｂで囲まれた内側可動板２０４Ｂの中央部には、ミラー２０８が形成されている。
【００１３】
シリコン基板２０１の上下面には、それぞれ例えばホウケイ酸ガラス等からなる上側及び下側ガラス基板２０２，２０３が陽極接合されている。上側ガラス基板２０２は、平板部の中央に角状の開口部２０２Ａを有し、可動板上方部分が開放された形状である。下側ガラス基板２０３は、平板部の中央に角状の溝部２０３Ａを有し、平面コイル２０６Ａ，２０６Ｂとの相互インダクタンスに基づいて外側可動板２０４Ａ，２０４Ｂの変位を検出するための検出コイル２１４Ａ，２１４Ｂを、各トーションバー２０５Ａ，２０５Ｂに対してそれぞれ対称に有している。上側及び下側ガラス基板２０２，２０３とシリコン基板２０１とで３層構造とし、両可動板２０４Ａ，２０４Ｂの揺動空間を確保するようにしている。
【００１４】
上側及び下側ガラス基板２０２，２０３には、２個づつ対となったそれぞれ８個づつ永久磁石２１０Ａ〜２１３Ａと２１０Ｂ〜２１３Ｂが図示のように配置されている。上側ガラス基板２０２の互いに向き合う永久磁石２１０Ａ，２１１Ａは、下側ガラス基板２０３の永久磁石２１０Ｂ，２１１Ｂとで外側可動板駆動用の磁界を発生させる。また、上側ガラス基板２０２の互いに向き合う永久磁石２１２Ａと２１３Ａは、下側ガラス基板２０３の永久磁石２１２Ｂ，２１３Ｂとで内側可動板駆動用の磁界を発生させる。
【００１５】
次に、半導体ガルバノミラー２００の動作原理について簡単に説明する。
例えば、電極端子２０９Ａ，２０９Ａの一方を＋極、他方を−極として平面コイル２０６Ａに電流を流す。外側可動板２０４Ａの両側では、永久磁石２１０Ａと２１０Ｂ、永久磁石２１１Ａと２１１Ｂによって、外側可動板２０４Ａの平面に沿って平面コイル２０６Ａを横切るような方向に磁界が形成される。この磁界中の平面コイル２０６Ａに電流が流れると、平面コイル２０６Ａの電流密度と磁束密度に応じて外側可動板２０４Ａの両端に、電流・磁束密度・力のフレミングの左手の法則に従った方向に力が作用し、外側可動板２０４Ａが回動する。外側可動板２０４Ａが回動するとトーションバー２０５Ａが捩じられ、これによつて発生するトーションバー２０５Ａのばね反力と外側可動板２０４Ａに作用する電磁力とが釣り合う位置まで外側可動板２０４Ａは回動する。
【００１６】
この時の、外側可動板２０４Ａの変位角は平面コイル２０６Ａに流れる電流に比例する。従って、平面コイル２０６Ａに流す電流を制御することにより、外側可動板２０４Ａ、即ちミラー２０８の変位角を制御することができる。そして、予め平面コイルに流す電流量と可動板の変位角との関係を求めておけば、電流量を制御することでミラー２０８を所望の変位角位置にセットすることができる。
【００１７】
内側可動板２０４Ｂは、外側可動板２０４Ａと同様の動作原理によってトーションバー２０５Ｂを軸として回動し、平面コイル２０６Ｂに流す電流量の制御によってその変位角を制御できる。
このように外側及び内側可動板２０４Ａ，２０４Ｂをそれぞれ回動制御することで、ミラー２０８によるレーザ光の反射方向を可変制御できる。そして、例えば、内側可動板２０４Ｂを回動させてレーザ光を横方向に走査し、外側可動板２０４Ａを回動させてレーザ光を縦方向に走査することで，物体検出領域を二次元的に走査することができる。
【００１８】
また、ミラー２０８の変位角を制御する際に、平面コイル２０６Ａに、駆動電流に重畳して駆動電流周波数に比べて高周波数の変位角検出用電流を流す。すると、この検出用電流に基づいて、平面コイル２０６Ａと下側ガラス基板２０３に設けた検出コイル２１４Ａ，２１４Ｂとの間の相互インダクタンスによる誘導電圧がそれぞれの検出コイル２１４Ａ，２１４Ｂに発生する。検出コイル２１４Ａ，２１４Ｂに発生する各誘導電圧は、外側可動板２０４Ａが水平位置にある時には、各検出コイル２１４Ａ，２１４Ｂと対応する平面コイル２０６Ａとの距離が等しくその差は零である。外側可動板２０４Ａが電磁力によってトーションバー２０５Ａ回りに回動すると、一方の検出コイル２１４Ａ（２１４Ｂ）では接近して相互インダクタンスの増加により誘導電圧は増大し、他方の検出コイル２１４Ｂ（２１４Ａ）では離間して相互インダクタンスの減少により誘導電圧は低下する。従って、両検出コイル２１４Ａ，２１４Ｂに発生する誘導電圧は、可動板の変位角に応じて変化し、この誘導電圧を検出することで、可動板、即ち、ミラー２０８の変位角を検出できる。そして、例えば、ブリッジ回路等を用いて両検出コイル２１４Ａ，２１４Ｂに発生する誘導電圧差を差動増幅器を介してコントローラ８にフィードバックする。予め前記誘導電圧差とミラーの変位角との関係データを記憶させておけば、フィードバックされた誘導電圧差の値からミラーの変位角を知ることができ、その時のミラー変位角の設定値とのずれを検出できる。
【００１９】
次に、本実施形態の物体検出装置の動作を説明する。
コントローラ８によりレーザ駆動部６を駆動制御し、レーザ光発振器５から半導体ガルバノミラー２００にレーザ光を間欠的に照射する。半導体ガルバノミラー２００は、コントローラ８からの指令によりガルバノミラー駆動制御部７により内側可動板２０４Ｂと外側可動板２０４Ｂが回動駆動制御され、入射するレーザ光を、図３の矢印ａで示すように物体検出領域内を横方向に走査し、更に図３の矢印ｂで示すように上下方向に走査して物体検出領域を二次元的に走査する。
【００２０】
ＣＣＤカメラ１は、レーザ光の発振に同期したタイミングで物体検出領域の画像を順次取り込み、ＣＣＤカメラ１からのディジタル画像信号は、画像信号入出力部２を介して画像処理部３に伝送される。画像処理部３からの画像情報に基づいてモニタ４に取り込まれた映像が表示される。
そして、例えば図３のように、物体検出領域内に物体Ａ、Ｂが存在し、レーザ光が図中実線で示すように物体Ａ、Ｂに照射していると、ＣＣＤカメラ１で取り込まれた画像は、図４に示すように背景と物体Ａ、Ｂとの距離差によりレーザ光の走査線は不連続な線になる。この画像から光切断法により物体の位置及び形状を認識するための画像処理を行い、処理データをコントローラ８に入力する。ＣＣＤカメラ１１からのディジタル画像信号についてもＣＣＤカメラ１の場合と同様の処理を行う。
【００２１】
画像処理部３では、各ＣＣＤカメラ１，１１で取り込んだ各画像に対して、例えば、従来公知の光切断法において行う画像処理と同様にして物体のレーザ光照射点の座標値の算出処理が行われる。
光切断法は従来公知であり、ここでは、図５及び図６に基づいて簡単に説明する。
図５及び図６において、レーザの照射方向をＸ軸、高さ方向をＹ軸、走査方向（横方向）をＺ軸とする。ＣＣＤカメラ１の焦点位置をＦ、地上に対する、レーザ光の照射角とカメラ１の傾斜角をそれぞれをα、β、レーザ光の走査角をθとする。また、１ＡをＣＣＤカメラのＣＣＤ面と仮定する。
【００２２】
傾斜角βは、カメラの取付け角度で決まる。レーザ光の照射角αは、レーザ光発振器５からのレーザ光照射方向と半導体ガルバノミラー２００の変位角とから決まり、レーザ光照射方向は固定されるので半導体ガルバノミラー２００の変位角αから定めることができる。
図５において、Ｘ−Ｙ平面の物体におけるレーザ光照射点Ｍを求める。これは、レーザ光線の直線式Ｙ１と焦点Ｆと照射点Ｍを結ぶ直線式Ｙ２の交点を求めればよい。直線式Ｙ１は、レーザ光線の射出点Ｎは既知であり、レーザ光の照射角αから求めることができる。直線式Ｙ２は、ＣＣＤ面１Ａ上に映ったレーザ光の照射点の座標値と焦点Ｆの座標値から求めることができ、ＣＣＤ面１Ａ上の座標値はＣＣＤの上下方向の画素数とカメラの傾斜角βから求めることができる。これにより、直線式Ｙ１、Ｙ２を知ることができ、両直線の交点を演算することでレーザ光照射点Ｍが求められる。
【００２３】
次に、図６において、Ｘ−Ｚ平面の物体におけるレーザ光照射点Ｍを求める。これは、レーザ光線の直線式Ｙ３と焦点Ｆと照射点Ｍを結ぶ直線式Ｙ４の交点を求めればよい。直線式Ｙ３は、レーザ光線の走査角θと図５で求めた照射点ＭのＸ座標値から求めることができる。直線式Ｙ４は、ＣＣＤ面１Ａ上に映ったレーザ光の照射点の座標値と焦点Ｆの座標値から求めることができ、ＣＣＤ面１Ａ上の座標値はＣＣＤの左右方向の画素数で決まる。これにより、直線式Ｙ３、Ｙ４を知ることができ、両直線の交点を演算することでＸ−Ｚ平面におけるレーザ光照射点Ｍの座標値が求められる。
【００２４】
これら算出した座標値データをコントローラ８に入力する。コントローラ８では、入力された座標値データを三次元座標系に変換し、三次元座標情報から物体の実際の形状及び位置を決定する。この際、半導体ガルバノミラー２００が振動等によりぶれると、レーザ光が図３に点線で示すようにぶれる。このため、半導体ガルバノミラー２００のぶれ検出機能により、このぶれ量を検出してコントローラ８にフィードバックする。コントローラ８は、このフィードバック情報に基づいて画像処理部３からの直交座標値を補正した後、三次元座標系に変換し、三次元座標情報から物体の実際の形状及び位置を決定する。
ＣＣＤカメラ１１で取り込んだ画像についても同様にして物体の形状及び位置を決定する。そして、両方の物体検出処理結果を合成して最終的な物体の形状及び位置を決定する。また、光切断法による物体検出処理と同時に、２台のＣＣＤカメラ１，１１で取り込んだ異なる方向からの画像の差から物体の形状及び位置を認識する、従来公知の所謂ステレオ法による物体検出処理を行う。更に、光切断法から得られた物体情報とステレオ法から得られた物体情報を比較し、両者の認識結果の一致／不一致を判定し、略一致した時に最終的な物体の形状及び位置を決定する。
【００２５】
そして、例えば、この物体検出装置を自動車に搭載して障害物検出装置に適用する場合、認識した障害物を回避する必要があった時に、コントローラ８から出力される障害物認識情報により、障害物の回避動作が自動的に行われるような制御システムを構成するとよい。
かかる構成によれば、物体の形状及び位置が認識でき、高精度で物体検出が行えるだけでなく、半導体ガルバノミラー２００を用いてレーザ光を走査するので、従来のポリゴンミラーを用いる場合に比べて、レーザ光の走査機構を格段に小型化、軽量化でき、消費電力も大幅に低減できる。また、振動等に起因するレーザ光線のぶれを補正できる。従って、自動車等に搭載して障害物検出装置として適用するのに好適である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、半導体製造技術を用いて製造される半導体ガルバノミラーを用いてレーザ光を走査するので、レーザ光の走査機構を格段に、小型化、軽量化でき、電力消費も大幅に低減できる。また、レーザ光のぶれを検出して座標位置を補正するので、物体の形状及び位置を精度良く検出できる。
【００３０】
請求項２に記載のように、振動の影響を受け易い移動体等に搭載した場合、振動の影響等による誤検出を低減でき、移動体周囲の障害物検出に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の物体検出装置の一実施形態の概略構成ブロック図
【図２】半導体ガルバノミラーの説明図
【図３】レーザ光の走査動作図
【図４】物体が存在する場合の画面上でのレーザ光走査線の状態を示す図
【図５】本実施形態の光切断法による座標値算出の説明図
【図６】本実施形態の光切断法による座標値算出の説明図
【符号の説明】
１，１１    ＣＣＤカメラ
３    画像処理部
５    レーザ光発振器
６    レーザ駆動部
７    ガルバノミラー駆動制御部
８    コントローラ
２００    半導体ガルバノミラー
【図１】
0003790048.tif 000002
【図２】
0003790048.tif 000003
【図３】
0003790048.tif 000004
【図４】
0003790048.tif 000005
【図５】
0003790048.tif 000006
【図６】
0003790048.tif 000007