路面状況推定装置及び方法
【課題】車両の挙動によりセンサから路面までの距離が変動しても正確な路面状況を推定できる路面状況推定装置を提供する。
【解決手段】発生器１０１は、電磁波パルス発生のタイミングを発生する。送信器１０２は、発生器１０１が発生したタイミングで電磁波パルスを発生する。受信器１０３は、計測対象Ｍで反射された電磁波パルスを受信する。波形検出部１０４は、発生器１０１から与えられるタイミングに基づいて反射波の波形を検出する。角度計測／設定部１０５は、送信器１０２及び受信器１０３を備えた送受信面からの境界面Ｂ１，Ｂ２の傾き角度θを計測する。反射境界面位置計測部１０６は、境界面Ｂ１の位置を計測する。波形特徴抽出部１０７は、検出波形と、角度θと、境界面Ｂ１の位置とに基づいて、波形特徴を抽出する。路面状況推定部１０８は、波形特徴に基づき路面状況を推定する。
【解決手段】発生器１０１は、電磁波パルス発生のタイミングを発生する。送信器１０２は、発生器１０１が発生したタイミングで電磁波パルスを発生する。受信器１０３は、計測対象Ｍで反射された電磁波パルスを受信する。波形検出部１０４は、発生器１０１から与えられるタイミングに基づいて反射波の波形を検出する。角度計測／設定部１０５は、送信器１０２及び受信器１０３を備えた送受信面からの境界面Ｂ１，Ｂ２の傾き角度θを計測する。反射境界面位置計測部１０６は、境界面Ｂ１の位置を計測する。波形特徴抽出部１０７は、検出波形と、角度θと、境界面Ｂ１の位置とに基づいて、波形特徴を抽出する。路面状況推定部１０８は、波形特徴に基づき路面状況を推定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を用いて路面状況を推定する路面状況推定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の適切な走行を支援するために、次世代の交通社会を担う高度交通システム（ＩＴＳ）が開発されている。高度交通システムにおいて、路側に設けた路面状況推定装置が路面状態を推定し、走行中の自動車へ路面状況を送信して、自動車の制動制御やトラクション制御、姿勢制御等に利用することが考えられている。このような従来の路面状況推定装置としては、路面上方に固定されたレーザレーダセンサにより路面を二次元走査して、測定点の情報として距離、反射強度を取得し、大気の混濁度を示す視程情報により反射強度を補正して、測定点毎に路面の状況を推定する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−８３０７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の路面状況推定装置を車載用のセンシングに適用しようとする場合、車両の挙動によりセンサから路面までの距離が変動するので、正確な路面状況を推定することができないという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題点を解決するために本発明は、路面に電磁波を送信し、路面に反射された電磁波を受信し、受信した電磁波の波形を検出し、路面と送信方向とのなす角度を計測する又は設定し、波形と前記角度とに基づいて波形の特徴を抽出し、波形の特徴に基づいて路面状況を推定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、車両挙動によりセンサから路面までの距離が変化しても、電磁波の送信方向と受信した反射波の特徴に基づいて路面状況を正確に推定することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係る路面状況推定装置の実施例１の構成を示すブロック図である。
【図２】電磁波をテラヘルツ波とした場合の実施例１の構成を示す構成図である。
【図３】電磁波をテラヘルツ波とした場合の実施例１の変形例の構成を示す構成図である。
【図４】図２、３における送信用光スイッチ４の詳細例を説明する斜視図である。
【図５】図２、３における受信用光スイッチ８の詳細例を説明する斜視図である。
【図６】実施例１における動作を説明するフローチャートである。
【図７】テラヘルツ送信器の指向特性例を示す図である。
【図８】反射面の種類と照射方向に対するテラヘルツ反射波の強度を示す図である。
【図９】実施例２の構成を示すブロック図である。
【図１０】実施例２における動作を説明するフローチャートである。
【図１１】実施例３の構成を示すブロック図である。
【図１２】実施例３における動作を説明するフローチャートである。
【図１３】路面状況とテラヘルツ波の反射波形の特徴との関係を示す図である。
【図１４】本発明の路面状況推定装置を搭載した車両の側面図である。
【図１５】テラヘルツ送信器及び受信器の車体への搭載位置例を示す平面図である。
【図１６】実施例４の構成を示すブロック図である。
【図１７】実施例４における動作を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、車載用の路面状況推定装置に好適な実施例であるが、路側に設置する定置用にも利用できることは明らかである。
【実施例１】
【０００９】
図１は、本発明に係る路面状況推定装置の実施例１の構成を示すブロック図である。図１において、路面状況推定装置１は、電磁波パルスの発生タイミングを発生する発生器１０１と、発生器１０１で発生されたタイミングで電磁波パルスを計測対象（路面）Ｍへ送信する送信器１０２と、計測対象Ｍで反射された電磁波を受信する受信器１０３と、受信器１０３で受信された電磁波から波形を再構成して検出する波形検出部１０４と、送信器１０２及び受信器１０３が設置された面（以下、送受信面と呼ぶ）に対して計測対象Ｍが傾いている角度θを計測または設定する角度計測／設定部１０５と、反射境界面位置を計測する反射境界面位置計測部１０６と、波形検出部１０４が検出した波形と角度θに基づいて波形の特徴を抽出する波形特徴抽出部１０７と、波形特徴抽出部１０７が抽出した特徴に基づいて路面状況を推定する路面状況推定部１０８とを備えている。
【００１０】
角度計測／設定部１０５は、カメラやレーザレーダ、加速度センサ等の車両に搭載した図示しないセンサの検出信号や、送受信面をチルト可能に車両に取り付けた図示しない取り付け具の設定角度の、いずれか一つ以上の組み合わせから、計測対象Ｍと送受信面とのなす角度θを計測する。角度計測／設定部１０５は、角度θの計測値を波形特徴抽出部１０７へ出力する。
【００１１】
反射境界面位置計測部１０６は、カメラやレーザレーダ、加速度センサ、既知のステージやセンサ設置条件のいずれか一つ以上の組み合わせから、計測対象Ｍと送受信面との距離を計測する。反射境界面位置計測部１０６は、計測した距離を波形特徴抽出部１０７へ出力する。
【００１２】
波形特徴抽出部１０７は、波形検出部１０４が検出した波形と角度θに基づいて波形の特徴を抽出する。路面状況推定部１０８は、波形特徴抽出部１０７が抽出した特徴に基づいて路面状況を推定する。
【００１３】
ここで送信器１０２が放射する電磁波パルスは、路面及び路面に積層される可能性がある水、氷、雪等により一部が反射される波長であればよい。路面に水たまりができたり、凍結したり、積雪した場合、路面は、境界面Ｂ１とＢ２を有することになる。電磁波パルスの波長として、テラヘルツ波（０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ、１ＴＨｚ＝１０12Ｈｚ）を用いるのが好ましい。テラヘルツ波は、電波と光との間に残された未開拓の電磁波であり、電波と光の双方の性質を有する。テラヘルツ波は、境界面Ｂ１で反射されるとともに、一部は内部に浸透して境界面Ｂ２で反射されるので、反射波形から道路表面が平滑か散乱性か、あるいは路面の積層状況及び積層物質を推定することができる。
【００１４】
図２は、電磁波をテラヘルツ波とした場合の実施例１の構成を示す構成図である。図２において、路面状況推定装置１は、１００ｆｓ（１ｆｓ＝１０-15 ｓ）程度のパルス幅のレーザ光を発生するフェムト秒パルスレーザ２と、フェムト秒パルスレーザ２が発生したパルス光を励起用パルス光１２と同期検波用パルス光１３に分割するハーフミラー３と、励起用パルス光１２をテラヘルツ波パルスに変換して放射する送信用光スイッチ４と、送信用光スイッチ４に印加電圧を与えるバイアス５と、ミラー６と、同期検波用パルス光１３を時間遅延走査するための可動構造を有するミラー７と、計測対象Ｍで反射されたテラヘルツ波を受信して同期検波用パルス光１３のタイミングで光電流に変換する受信用光スイッチ８と、光電流を増幅する電流アンプ９と、受信波形を再構成してテラヘルツ波の波形を検出する波形検出部１０と、波形検出部１０が検出した波形に基づいて路面状況を推定するマイクロコンピュータ１１とを備えている。
【００１５】
フェムト秒パルスレーザ２は、例えば、チタン添加サファイアレーザ（Ｔｉ：Ａｌ2Ｏ3）を用いると、パルス幅１２〜１００ｆｓ，パルス繰り返し周波数１０〜８０ＭＨｚ，出力５００ｍＷ〜２Ｗが得られる。また、フェムト秒パルスレーザ２として、ファイバーレーザを用いると、パルス幅５０２〜１００ｆｓ，パルス繰り返し周波数１０〜５０ＭＨｚ，出力３０〜３００ｍＷが得られる。
【００１６】
フェムト秒パルスレーザ２が発生するパルス光の波長は、フェムト秒光パルスをテラヘルツ波に変換する半導体基板（例えば、ＧａＡｓ）のバンドギャップ（ＧａＡｓの場合、Ｅｇ＝１．４２ｅＶ）に相当する光の波長以下であり、図４を参照して後述するＬＴ−ＧａＡｓ基板にフォトキャリアを励起することができる波長である。
【００１７】
図４は、送信用光スイッチ４の詳細例を説明する斜視図である。送信用光スイッチ４は、励起用パルス光１２を収束させるレーザ収束レンズ３１と、発生したテラヘルツ波パルスを収束させるシリコンレンズ３２と、低温成長させたＧａＡｓ基板であるＬＴ−ＧａＡｓ基板３３と、アンテナ給電線を兼ねる一対の電極３４，３５とを備えている。電極３４，３５との間のギャップの幅ｄは、例えば５μｍ〜１０μｍであり、微少ダイポールアンテナとして作用する。電極３４，３５間にバイアス電圧Ｖｂ（ＤＣ〜１０ｋＨｚ，２０Ｖ程度）を供給するバイアス５が接続されている。この電極３４，３５のギャップへ励起用パルス光１２を照射すると、ＧａＡｓの光電効果によりフォトキャリアが生成され、さらに印加電圧によってフォトキャリアが加速されるため、瞬時電流が流れる。この電流の時間微分に比例した電磁波（ＥTHz(t)∝∂Ｊ／∂ｔ）が電極３４，３５にテラヘルツ波パルスとして発生し、シリコンレンズ３２により放射される。ＬＴ−ＧａＡｓ基板３３の条件は、キャリア寿命が数ｐｓｅｃであることが好ましい。
【００１８】
図５は、受信用光スイッチ８の詳細例を説明する斜視図である。受信用光スイッチ８は、送信用光スイッチ４と基本的に同じ構造のものを用いる。送信用光スイッチとの相違は、電極３４，３５間にバイアス５を接続する代わりに、電流計３６が接続されていることである。実際には、電流計３６ではなくて、図２に示したように電流アンプ９が接続されている。受信用光スイッチ８は、低温成長させたＧａＡｓ基板であるＬＴ−ＧａＡｓ基板３３上の電極３４，３５は微少ダイポールアンテナとして作用するので、シリコンレンズ３２で収束されたテラヘルツ波とレーザ収束レンズ３１で収束された同期検波用パルス光１３を受けることで、テラヘルツ波を電極３４，３５の間からなる微少ダイポールアンテナとして作用させ、アンテナに生じる光電流に変換し、テラヘルツ波パルスを受信する。この電流波形を検出するために同期検波を行う。
【００１９】
ここで同期検波の原理を説明する。同期検波用パルス光１３のパルス幅が例えば３００fsecのとき、すなわちタイムゲートは３００fsecより短い時間（３０fsec程度の分解能）で同期検波をすることができる。テラヘルツ波パルス幅をたとえば１０００fsecと設定した場合、図２のミラー７を少しずつ移動させることによりタイムゲートを少しずつ遅延させてサンプリングする。こうしてサンプリングした各サンプル点をつなげることにより、テラヘルツ波パルスの波形を観測することができる。この技術は、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＤＳ）と呼ばれている。
【００２０】
次に、実際の動作を二つのステップに分けて説明する。まず、同期検波の為に、テラヘルツ波の伝播光路長と同期検波用の光路長を等しくする。つまり、ハーフミラー３によりフェムト秒光パルスを二分割させた地点から、送信用光スイッチ４を経て、計測対象Ｍへの往復距離を加算したものがテラヘルツ波の伝播光路長である。同期検波用光路は、ハーフミラー３によりフェムト秒パルスを二分割させた地点から、ミラー６，ミラー７を経て受信用光スイッチ８に入射する光路長である。ミラー７の位置を調整して、テラヘルツ波の伝播光路長と同期検波用光路長を等しくする。
【００２１】
次いで、テラヘルツ波パルスを観測するため、同期検波用走査器であるミラー７の位置を移動させることで、上記の遅延時間を走査する。３０fsec程度の分解能を出すため、一ステップあたり１０μmの光路変位動作をさせる。変位量の最大は、必要なパルス波形の取得時間によって定まり、例えば１００psec間の波形をサンプリングしたい場合は光速に基づき、変位量の最大値を３０mmと定める。
【００２２】
最後に、一ステップあたりの変位量と光速に基づきサンプリング点間の間隔時間を定め、サンプリング点ごとの振幅に基づき、テラヘルツ波反射波形を検出する。この部分が図２の波形検出部１０である。
【００２３】
次に、テラヘルツ波パルスの反射を用いた路面状況推定を説明する。図２に示すように、計測対象Ｍは、物質Ｍ２（例えばコンクリート）の表面に、物質Ｍ１（例えば氷または雪）の層が形成されたものが存在するとする。この計測対象Ｍに、テラヘルツ波パルスを照射すると、テラヘルツ波の一部は、空気と物質Ｍ１との境界である境界面Ｂ１で反射され、残りは物質Ｍ１の内部へ進入する。物質Ｍ１の内部へ進入したテラヘルツ波パルスは、物質Ｍ１で吸収されながら物質Ｍ１と物質Ｍ２との境界である境界面Ｂ２に達して一部が反射され、残りが物質Ｍ２に吸収される。
【００２４】
従って、波形検出部１０の出力には、境界面Ｂ１による反射の波形２１と、境界面Ｂ２による反射の波形２２とが得られる。実際には、多重反射により、波形２２の後にも振幅の小さい波形が続くが、これらを無視してもかまわない。波形２１と波形２２との時間差Δｔは、物質Ｍ１の厚さをＤ，その屈折率をｎg ，光速をｃとすれば、次の式となる。
【００２５】
Δｔ＝（１／ｃ）×２ｎg ×Ｄ
尚、厚さＤが０の場合、言い換えれば、計測対象Ｍが積層状態でない場合には、Δｔは０となり、波形２１と波形２２との時間差は無くなり、反射波形の種類は１つしか検出されないことは明らかである。従って、反射波形の種類の数に基づいて、路面状態が積層状態か非積層状態かを判別することができるとともに、反射波形のΔｔにより路面舗装の上に形成された積層の厚さＤを測定することができる。
【００２６】
図１と図２との対応は以下の通りである。発生器１０１及び送信器１０２が送信用光スイッチ４、受信器１０３が受信用光スイッチ８及び電流アンプ９，波形検出部１０４が波形検出部１０にそれぞれ対応する。また図１の角度計測/設定部１０５と反射境界面位置計測部１０６と波形特徴抽出部１０７と路面状況推定部１０８とは、図２のマイクロコンピュータ１１により実現されている。このため、マイクロコンピュータ１１には、カメラやレーザレーダ、加速度センサ、既知のステージやセンサ設置条件のいずれか一つ以上の組み合わせから、計測対象Ｍと送受信面とのなす角度θを計測するプログラムと、カメラやレーザレーダ、加速度センサ、既知のステージやセンサ設置条件のいずれか一つ以上の組み合わせから、計測対象Ｍと送受信器との距離を計測するプログラムと、波形検出部１０が検出した波形と角度θに基づいて波形の特徴を抽出するプログラムと、抽出した波形の特徴に基づいて路面状況を推定するプログラムとを備えている。
【００２７】
図３は、電磁波をテラヘルツ波とした場合の実施例１の変形例の構成を示す構成図である。図２のハーフミラー３，ミラー６，及びミラー７に代えて、同期検波用パルス光１３を発生するフェムト秒パルスレーザ１５と、フェムト秒パルスレーザ２とフェムト秒パルスレーザ１５との間の互いに異なるパルス発生繰返周期の差が一定なるように制御するタイミング制御部１４とを設けている。
【００２８】
図２の構成では、ミラー７を移動することにより、同期検波用パルス光１３の時間遅延走査を行っていたが、図３の変形例では、フェムト秒パルスレーザ２が発生する励起用パルス光１２に対して、フェムト秒パルスレーザ１５が発生する同期検波用パルス光１３のタイミングを順次ずらす時間遅延走査を電子制御により行っている。このため、路面状況推定装置１の内部で同期検波用パルス光１３を遅延させるための可変光路長が不要となり、路面状況推定装置１を小型化して車両搭載性を向上させることができる。
【００２９】
図６は、実施例１における路面状況推定装置１の動作を説明するフローチャートである。まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、所定の周期で繰り返し発生器１０１でフェムト秒パルス光を発生させ、送信器１０２でテラヘルツ波パルスを計測対象Ｍへ送出する。次いでＳ１２で、発生器１０１が発生したタイミングに基づいて受信器１０３が計測対象Ｍからの反射テラヘルツ波パルスを受信する。そして波形検出部１０４が受信波形を再構成して検出する。
【００３０】
次いでＳ１４において、角度計測／設定部１０５が、受信波形に基づいて境界面の角度を計測、または送信器１０２及び受信器１０３の車体に対する角度を設定することにより、境界面Ｂ１，Ｂ２の送受信器設定面に対する角度を測定する。また反射境界面位置計測部１０６が境界面Ｂ１，Ｂ２の位置を計測する。
【００３１】
次いでＳ１６において、波形特徴抽出部１０７が、境界面の角度と検出波形に応じて、反射波形の特徴を抽出し、抽出した特徴により路面状況を推定する。具体的には、反射面の種類と送受信面と反射面との角度により、例えば図８に示すように反射面の種類を６種類に分類する。この分類は、反射面が散乱面であるか平滑面であるかの２分類と、反射面と送受信面が並行で正反射か、５゜の斜め入射か、１０゜の斜め入射かの３分類があり、２×３＝６通りの分類に対して、反射波の強度をグラフ表示したものが図８である。
【００３２】
反射面が散乱面の場合には、正反射、５゜斜め入射、１０゜斜め入射のいずれも反射波の振幅は、ほぼ同等で変化がない。しかし、平滑面の場合には、正反射が最も反射強度が高く、反射面と送受信面との角度が大きくなるほど反射波の強度は低下する。したがって、送信器１０２及び受信器１０３を備える送受信面の角度を車体鉛直下方（０゜）と、鉛直下方から５゜傾けた角度と、鉛直下方から１０゜傾けた角度との３種類の角度を角度計測／設定部１０５により設定可能とする。そして、０゜、５゜、１０゜の各角度におけるテラヘルツ波の反射強度を測定することにより、路面が散乱面か平滑面かを推定することができる。
【００３３】
また、図７に示すような、送信用光スイッチ４または送信器１０２が送信するテラヘルツ波の指向特性と、既知の大気の伝播減衰に基づき、波形検出部１０４が出力する反射波振幅値を増減する補正を行うことにより、より高精度に特徴量を抽出することができる。即ち、テラヘルツ波の送信アンテナである送信用光スイッチ４または送信器１０２のアンテナ面と垂直方向、図７でいえば、正反射方向、車体に装備した送信器１０２の鉛直下方方向の放射強度を１．０とすれば、放射角度に応じて放射強度が減衰する。同様に斜め方向から受信器１０３へ入射する反射波に対して、受信器１０３の感度も低下する。このため、予め測定した放射強度分布により、５゜斜め入射時と、１０゜斜め入射時の受信強度を補正する。
【００３４】
また、鉛直下方の正反射面からの反射に比べて、斜め方向からの反射は、送信器１０２から受信器１０３に戻る経路の長さが（１／cosθ）倍となり、この長さが増えた分だけ、空気による電磁波吸収が増加して減衰するので、この分も補正する。
【００３５】
以上説明した実施例１によれば、車両挙動によりセンサから路面までの距離が変化しても、電磁波の送信方向と受信した反射波の特徴に基づいて路面状況を正確に推定することができるという効果がある。
【００３６】
また実施例１によれば、電磁波としてテラヘルツ波パルスを使用しているので、路面が積雪や凍結による積層状態であっても正確に路面状況を推定することができるという効果がある。
【００３７】
また実施例１によれば、路面に電磁波を照射する角度を変えて反射波の強度を測定することにより、路面が平滑面か散乱面かを推定することができるという効果がある。
【実施例２】
【００３８】
図９は、本発明に係る路面状況推定装置の実施例２の構成を示すブロック図である。本実施例では、実施例１の構成に、反射波形補正部１０９が追加されている。その他の構成は、図１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００３９】
反射波形補正部１０９は、波形特徴抽出部１０７が抽出した波形の特徴に基づいて、反射波形を補正する構成要素である。
【００４０】
次に、図１０のフローチャートを参照して、本実施例の動作を説明する。Ｓ１０〜Ｓ１６は、図６の実施例１と同様である。次に、図１０に基づいて、実施例１と異なる部分を説明する。Ｓ１８において、反射波形補正部１０９は、波形特徴抽出部１０７が抽出した反射波形の特徴に基づいて、反射波形を補正する。具体的には、正反射である場合は、反射波形は送信波形と類似性が高いため、複数波形の合成は送信波形をモデルにしたマッチングにより時刻を合わせて反射波の補正を行う。また、散乱面での反射である場合は、反射波形は送信波形と類似性が低く、複数時間組み合わせると散乱波形が復元されにくいため、送受信面を正反射、５゜斜め、１０゜斜めとした３通りの送受信面の角度設定の違いで送受信した結果から、反射面が散乱体であることを識別し、積算による反射率の算出を行う。
【００４１】
以上説明した実施例２によれば、車両挙動によりセンサから路面までの距離が変化しても、電磁波の送信方向と受信した反射波の特徴に基づいて路面状況を正確に推定することができるという効果がある。
【００４２】
また実施例２によれば、電磁波としてテラヘルツ波パルスを使用しているので、路面が積雪や凍結による積層状態であっても正確に路面状況を推定することができるという効果がある。
【００４３】
また実施例２によれば、路面に電磁波を照射する角度を変えて反射波の強度を測定することにより、路面が平滑面か散乱面かを推定することができるという効果がある。
【００４４】
さらに実施例２によれば、反射波形の特徴に基づいて反射波形を補正しているので、更に正確に路面状況を推定することができる。
【実施例３】
【００４５】
図１１は、本発明に係る路面状況推定装置の実施例３の構成を示すブロック図である。本実施例は、実施例１の構成に、車両運動量算出部１１０と、散乱算出部１１１とが追加されている。その他の構成は、図１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００４６】
車両運動量算出部１１０は、角度計測／設定部１０５と反射境界面位置計測部１０６に接続され、車速や３軸加速度、操舵、加減速操作等に基づいて、車両のピッチング、ローリング、ヨーイングを計算する。
【００４７】
散乱算出部１１１は、波形検出部１０４、角度計測／設定部１０５、反射境界面位置計測部１０６及び路面状況推定部１０８に接続されている。そして、散乱算出部１１１は、計測又は設定した送受信面の角度、反射面の位置、及び反射波形から、反射波の散乱度合いを算出する。
【００４８】
次に、図１２のフローチャートを参照して、実施例３の動作を説明する。Ｓ１０〜Ｓ１２の動作は、実施例１と同様である。Ｓ２０において、車両運動量算出部１１０は、車両のピッチング、ローリング、ヨーイングを算出し、角度計測／設定部１０５は、路面と送受信面との路面鉛直方向と送信面鉛直方向との角度差を計測または設定し、反射境界面位置計測部１０６は、送受信面と路面との距離を計測し、得られた反射波の反射角度情報として、散乱算出部１１１へ送出する。
【００４９】
次いでＳ２２において、散乱算出部１１１は、波形検出部１０４が検出した受信波形と角度情報から散乱の度合いを計算する。なお、このとき計算に過去の反射波及び角度を用いるとより高精度に判別できる。また、テラヘルツＴＤＳ方式であるので、境界面Ｂ１及びＢ２がある場合には、路面の積層情報を個々に判別すると、より高精度に検出できる。
【００５０】
次いでＳ２４において、路面状況推定部１０８は、図１３に示すように、予め記憶した複数の路面状態モデルを参照して、計測対象物Ｍで反射された反射波の散乱度合い及び反射波形の種類の数に応じて、路面状況を推定する。
【００５１】
図１３において、路面状況が基準となる乾燥路面である場合には、散乱面であり、散乱度合いは、最も大きく（散乱度１）、非積層面であり、反射波形は、図２，３の波形２１のみが検出され、波形２２は検出されないので、波形種類の数は１である。
【００５２】
路面状況がペイント式白線の場合、平滑面であり、散乱度合いは２番目に大きく（散乱度２）、非積層面であり、反射波形は、図２，３の波形２１のみが検出され、波形２２は検出されないので、波形種類の数は１である。
【００５３】
路面状況が溶融式白線の場合、平滑面であり、散乱度合いは２番目に小さく（散乱度３）、非積層面であり、反射波形は、図２，３の波形２１のみが検出され、波形２２は検出されないので、波形種類の数は１である。
【００５４】
路面状況が湿潤の場合、平滑面であり、散乱度合いは最も小さく（散乱度４）、非積層面であり、反射波形は、図２，３の波形２１のみが検出され、波形２２は検出されないので、波形種類の数は１である。
【００５５】
路面状況が積雪の場合、散乱面であり、散乱度合いは最も大きく（散乱度１）、積層面であり、反射波形は、図２，３の波形２１及び波形２２が検出され、波形種類の数は２である。
【００５６】
路面状況が凍結の場合、散乱面であり、散乱度合いは２番目に大きく（散乱度２）、積層面であり、反射波形は、図２，３の波形２１及び波形２２が検出され、波形種類の数は２である。
【００５７】
図１４は、本発明の路面状況推定装置を搭載した車両の側面図である。サイドミラーの位置に車体の鉛直下方に向けて送信器１０２及び受信器１０３が設置されている。そして、路面の凹凸による車両運動が送信器１０２及び受信器１０３を設けた送受信面と路面との傾きθが形成される様子を示している。
【００５８】
本実施例では、図１１の角度計測／設定部１０５は、車両運動量算出部１１０が算出した車両のピッチングまたはローリングにより、図１４の角度θを得ることができる。
【００５９】
図１５は、図１１の送信器１０２及び受信器１０３の車体５０への搭載位置を示す平面図である。搭載位置としては、左サイドミラーの位置５１，車体前部の位置５２，５３，５４，５５，５６，右サイドミラーの位置５７，車体後部５８，５９の位置が可能である。４１〜４４は検知エリアの例である。
【００６０】
以上説明した実施例３によれば、車両挙動によりセンサから路面までの距離が変化しても、電磁波の送信方向と受信した反射波の特徴に基づいて路面状況を正確に推定することができるという効果がある。
【００６１】
また実施例３によれば、電磁波としてテラヘルツ波パルスを使用しているので、路面が積雪や凍結による積層状態であっても正確に路面状況を推定することができるという効果がある。
【００６２】
また実施例３によれば、路面に電磁波を照射する角度を変えて反射波の強度を測定することにより、路面が平滑面か散乱面かを推定することができるという効果がある。
【００６３】
さらに実施例３によれば、反射波の散乱度を算出し、予め記憶した路面状況毎の散乱度及び波形種類の数とを照合して、路面状況を正確に推定することができるという効果がある。
【実施例４】
【００６４】
図１６は、本発明に係る路面状況推定装置の実施例４の構成を示すブロック図である。本実施例は、実施例３の構成に、波形補正部１１２と、補正パラメータ算出部１１３と、レンズ１１４と、方向調整手段１１５とが追加されている。その他の構成は、図１１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００６５】
波形補正部１１２は、波形特徴抽出部１０７が抽出した反射波形の特徴に基づいて、送信器１０２が送信するテラヘルツ波のビーム径、ビーム送信方向、及び発生器１０１ａから受信器１０３に至る遅延光路１１５の遅延時間を補正パラメータ算出部１１３へ指示する。
【００６６】
補正パラメータ算出部１１３は、波形補正部１１２から指示されたテラヘルツ波パルスのビーム径、ビーム送信方向、及び遅延光路１１５の遅延時間と、車両運動量算出部１１０からの車体のピッチング量及びローリング量に応じて、テラヘルツ波パルスのビーム径、ビーム送信方向、及び同期検波用の遅延光路１１５の長さを変更する。
【００６７】
レンズ１１４は、補正パラメータ算出部１１３の出力にしたがって、レンズ位置もしくは屈折率を変化させ、テラヘルツ波パルスビーム径を調整する。このレンズ１１４は、送信用光スイッチ４の詳細を説明した図４におけるシリコンレンズ３２と同一のものであっても良いし、シリコンレンズ３２に加えて、さらにレンズ１１４を備えることもできる。レンズ１１４は、レンズ位置を調節する図示しないレンズ位置調節器または屈折率調節器が設けられ、送信器１０２から放射されたテラヘルツ波パルスビームが路面の位置に形成するビーム径の大きさを調節する。
【００６８】
なお、このレンズ１１４は光学的に平行光に近いビーム径を設定すればよく、凸レンズでなくてもいくつかのレンズを組み合わせてもよい。また可視光と同じ屈折率のレンズ材料を用いることで、可視カメラを組み合わせてもよい。
【００６９】
方向調整器１１５は、補正パラメータ算出部１１３の出力にしたがって、送信波パルスの送信方向を２次元または３次元に調整する装置である。例えば多角形回転ミラー（ポリゴンミラー）のような形状であれば、高速でパルスの方位走査が可能である。また、送受信アンテナを動かしてメカニカルに方向を調整する方法であっても、方向に応じた位相差を伴うビーム走査を行うアンテナ技術で代用してもよい。
【００７０】
次に図１７のフローチャートを参照して、本実施例の動作を説明する。Ｓ１０〜Ｓ２４までは、実施例３と同様である。Ｓ２６において、波形補正部１１２は、波形特徴抽出部１０７が抽出した反射波形の特徴量について、予め記憶した図１３に示したような路面状況毎の波形特徴との類似度若しくは路面の反射率を高精度に算出し、更に散乱度を算出するための検知領域の設定を行う。具体的には、もし車両運動の影響で反射強度が十分えられなかった場合は、図示しない時系列データ及び角度情報の蓄積に基づいて、正反射方向にパルス送信方向を調整するように方向調整器１１５へ指示する。
【００７１】
また、図示しない天候計測やロードノイズ計測等によって、例えば白線と路面の差異が見えにくいと判定し、散乱度の差異をより高感度にする必要がある場合は、ビーム径を絞り、微小な凹凸でも散乱を観測できるようにする。図示しないロードノイズ計測等の手段に応じて、白線と路面の差異が見えやすいと判定した場合はビーム径を広げ、より広い範囲を観測する。
【００７２】
加えて、例えば車両の積載荷重のバランスが悪い場合や極端に凹凸が大きく車両のピッチングの影響が長い周期にわたる場合等で、路面と送受信面の距離が大きく変化する場合は、遅延光路１１５で観測領域や観測中心距離を変更する。尚、遅延光路１１５を用いずに、本願発明者による「特開２００７−２９２７０１号公報；波形観測方法と波形観測装置」に示す発生器のパルス列を時間で変化する手法をとってもよい。
【００７３】
以上説明した実施例４によれば、車両挙動によりセンサから路面までの距離が変化しても、電磁波の送信方向と受信した反射波の特徴に基づいて路面状況を正確に推定することができるという効果がある。
【００７４】
また実施例４によれば、電磁波としてテラヘルツ波パルスを使用しているので、路面が積雪や凍結による積層状態であっても正確に路面状況を推定することができるという効果がある。
【００７５】
また実施例４によれば、路面に電磁波を照射する角度を変えて反射波の強度を測定することにより、路面が平滑面か散乱面かを推定することができるという効果がある。
【００７６】
また実施例４によれば、反射波の散乱度を算出し、予め記憶した路面状況毎の散乱度及び波形種類の数とを照合して、路面状況を正確に推定することができるという効果がある。
【００７７】
さらに実施例４によれば、テラヘルツ波のビーム径、ビーム送信方向、及び同期検波用の遅延光路長を路面の反射状況に応じて補正することができるので、車両の積荷バランスや路面の凹凸が極端に悪い場合であっても正確に路面状況を推定することができるという効果がある。
【符号の説明】
【００７８】
１ 路面状況推定装置
１０１ 発生器
１０２ 送信器
１０３ 受信器
１０４ 波形検出部
１０５ 角度計測／設定部
１０６ 反射境界面位置計測部
１０７ 波形特徴抽出部
１０８ 路面状況推定部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を用いて路面状況を推定する路面状況推定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の適切な走行を支援するために、次世代の交通社会を担う高度交通システム（ＩＴＳ）が開発されている。高度交通システムにおいて、路側に設けた路面状況推定装置が路面状態を推定し、走行中の自動車へ路面状況を送信して、自動車の制動制御やトラクション制御、姿勢制御等に利用することが考えられている。このような従来の路面状況推定装置としては、路面上方に固定されたレーザレーダセンサにより路面を二次元走査して、測定点の情報として距離、反射強度を取得し、大気の混濁度を示す視程情報により反射強度を補正して、測定点毎に路面の状況を推定する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−８３０７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の路面状況推定装置を車載用のセンシングに適用しようとする場合、車両の挙動によりセンサから路面までの距離が変動するので、正確な路面状況を推定することができないという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題点を解決するために本発明は、路面に電磁波を送信し、路面に反射された電磁波を受信し、受信した電磁波の波形を検出し、路面と送信方向とのなす角度を計測する又は設定し、波形と前記角度とに基づいて波形の特徴を抽出し、波形の特徴に基づいて路面状況を推定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、車両挙動によりセンサから路面までの距離が変化しても、電磁波の送信方向と受信した反射波の特徴に基づいて路面状況を正確に推定することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係る路面状況推定装置の実施例１の構成を示すブロック図である。
【図２】電磁波をテラヘルツ波とした場合の実施例１の構成を示す構成図である。
【図３】電磁波をテラヘルツ波とした場合の実施例１の変形例の構成を示す構成図である。
【図４】図２、３における送信用光スイッチ４の詳細例を説明する斜視図である。
【図５】図２、３における受信用光スイッチ８の詳細例を説明する斜視図である。
【図６】実施例１における動作を説明するフローチャートである。
【図７】テラヘルツ送信器の指向特性例を示す図である。
【図８】反射面の種類と照射方向に対するテラヘルツ反射波の強度を示す図である。
【図９】実施例２の構成を示すブロック図である。
【図１０】実施例２における動作を説明するフローチャートである。
【図１１】実施例３の構成を示すブロック図である。
【図１２】実施例３における動作を説明するフローチャートである。
【図１３】路面状況とテラヘルツ波の反射波形の特徴との関係を示す図である。
【図１４】本発明の路面状況推定装置を搭載した車両の側面図である。
【図１５】テラヘルツ送信器及び受信器の車体への搭載位置例を示す平面図である。
【図１６】実施例４の構成を示すブロック図である。
【図１７】実施例４における動作を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、車載用の路面状況推定装置に好適な実施例であるが、路側に設置する定置用にも利用できることは明らかである。
【実施例１】
【０００９】
図１は、本発明に係る路面状況推定装置の実施例１の構成を示すブロック図である。図１において、路面状況推定装置１は、電磁波パルスの発生タイミングを発生する発生器１０１と、発生器１０１で発生されたタイミングで電磁波パルスを計測対象（路面）Ｍへ送信する送信器１０２と、計測対象Ｍで反射された電磁波を受信する受信器１０３と、受信器１０３で受信された電磁波から波形を再構成して検出する波形検出部１０４と、送信器１０２及び受信器１０３が設置された面（以下、送受信面と呼ぶ）に対して計測対象Ｍが傾いている角度θを計測または設定する角度計測／設定部１０５と、反射境界面位置を計測する反射境界面位置計測部１０６と、波形検出部１０４が検出した波形と角度θに基づいて波形の特徴を抽出する波形特徴抽出部１０７と、波形特徴抽出部１０７が抽出した特徴に基づいて路面状況を推定する路面状況推定部１０８とを備えている。
【００１０】
角度計測／設定部１０５は、カメラやレーザレーダ、加速度センサ等の車両に搭載した図示しないセンサの検出信号や、送受信面をチルト可能に車両に取り付けた図示しない取り付け具の設定角度の、いずれか一つ以上の組み合わせから、計測対象Ｍと送受信面とのなす角度θを計測する。角度計測／設定部１０５は、角度θの計測値を波形特徴抽出部１０７へ出力する。
【００１１】
反射境界面位置計測部１０６は、カメラやレーザレーダ、加速度センサ、既知のステージやセンサ設置条件のいずれか一つ以上の組み合わせから、計測対象Ｍと送受信面との距離を計測する。反射境界面位置計測部１０６は、計測した距離を波形特徴抽出部１０７へ出力する。
【００１２】
波形特徴抽出部１０７は、波形検出部１０４が検出した波形と角度θに基づいて波形の特徴を抽出する。路面状況推定部１０８は、波形特徴抽出部１０７が抽出した特徴に基づいて路面状況を推定する。
【００１３】
ここで送信器１０２が放射する電磁波パルスは、路面及び路面に積層される可能性がある水、氷、雪等により一部が反射される波長であればよい。路面に水たまりができたり、凍結したり、積雪した場合、路面は、境界面Ｂ１とＢ２を有することになる。電磁波パルスの波長として、テラヘルツ波（０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ、１ＴＨｚ＝１０12Ｈｚ）を用いるのが好ましい。テラヘルツ波は、電波と光との間に残された未開拓の電磁波であり、電波と光の双方の性質を有する。テラヘルツ波は、境界面Ｂ１で反射されるとともに、一部は内部に浸透して境界面Ｂ２で反射されるので、反射波形から道路表面が平滑か散乱性か、あるいは路面の積層状況及び積層物質を推定することができる。
【００１４】
図２は、電磁波をテラヘルツ波とした場合の実施例１の構成を示す構成図である。図２において、路面状況推定装置１は、１００ｆｓ（１ｆｓ＝１０-15 ｓ）程度のパルス幅のレーザ光を発生するフェムト秒パルスレーザ２と、フェムト秒パルスレーザ２が発生したパルス光を励起用パルス光１２と同期検波用パルス光１３に分割するハーフミラー３と、励起用パルス光１２をテラヘルツ波パルスに変換して放射する送信用光スイッチ４と、送信用光スイッチ４に印加電圧を与えるバイアス５と、ミラー６と、同期検波用パルス光１３を時間遅延走査するための可動構造を有するミラー７と、計測対象Ｍで反射されたテラヘルツ波を受信して同期検波用パルス光１３のタイミングで光電流に変換する受信用光スイッチ８と、光電流を増幅する電流アンプ９と、受信波形を再構成してテラヘルツ波の波形を検出する波形検出部１０と、波形検出部１０が検出した波形に基づいて路面状況を推定するマイクロコンピュータ１１とを備えている。
【００１５】
フェムト秒パルスレーザ２は、例えば、チタン添加サファイアレーザ（Ｔｉ：Ａｌ2Ｏ3）を用いると、パルス幅１２〜１００ｆｓ，パルス繰り返し周波数１０〜８０ＭＨｚ，出力５００ｍＷ〜２Ｗが得られる。また、フェムト秒パルスレーザ２として、ファイバーレーザを用いると、パルス幅５０２〜１００ｆｓ，パルス繰り返し周波数１０〜５０ＭＨｚ，出力３０〜３００ｍＷが得られる。
【００１６】
フェムト秒パルスレーザ２が発生するパルス光の波長は、フェムト秒光パルスをテラヘルツ波に変換する半導体基板（例えば、ＧａＡｓ）のバンドギャップ（ＧａＡｓの場合、Ｅｇ＝１．４２ｅＶ）に相当する光の波長以下であり、図４を参照して後述するＬＴ−ＧａＡｓ基板にフォトキャリアを励起することができる波長である。
【００１７】
図４は、送信用光スイッチ４の詳細例を説明する斜視図である。送信用光スイッチ４は、励起用パルス光１２を収束させるレーザ収束レンズ３１と、発生したテラヘルツ波パルスを収束させるシリコンレンズ３２と、低温成長させたＧａＡｓ基板であるＬＴ−ＧａＡｓ基板３３と、アンテナ給電線を兼ねる一対の電極３４，３５とを備えている。電極３４，３５との間のギャップの幅ｄは、例えば５μｍ〜１０μｍであり、微少ダイポールアンテナとして作用する。電極３４，３５間にバイアス電圧Ｖｂ（ＤＣ〜１０ｋＨｚ，２０Ｖ程度）を供給するバイアス５が接続されている。この電極３４，３５のギャップへ励起用パルス光１２を照射すると、ＧａＡｓの光電効果によりフォトキャリアが生成され、さらに印加電圧によってフォトキャリアが加速されるため、瞬時電流が流れる。この電流の時間微分に比例した電磁波（ＥTHz(t)∝∂Ｊ／∂ｔ）が電極３４，３５にテラヘルツ波パルスとして発生し、シリコンレンズ３２により放射される。ＬＴ−ＧａＡｓ基板３３の条件は、キャリア寿命が数ｐｓｅｃであることが好ましい。
【００１８】
図５は、受信用光スイッチ８の詳細例を説明する斜視図である。受信用光スイッチ８は、送信用光スイッチ４と基本的に同じ構造のものを用いる。送信用光スイッチとの相違は、電極３４，３５間にバイアス５を接続する代わりに、電流計３６が接続されていることである。実際には、電流計３６ではなくて、図２に示したように電流アンプ９が接続されている。受信用光スイッチ８は、低温成長させたＧａＡｓ基板であるＬＴ−ＧａＡｓ基板３３上の電極３４，３５は微少ダイポールアンテナとして作用するので、シリコンレンズ３２で収束されたテラヘルツ波とレーザ収束レンズ３１で収束された同期検波用パルス光１３を受けることで、テラヘルツ波を電極３４，３５の間からなる微少ダイポールアンテナとして作用させ、アンテナに生じる光電流に変換し、テラヘルツ波パルスを受信する。この電流波形を検出するために同期検波を行う。
【００１９】
ここで同期検波の原理を説明する。同期検波用パルス光１３のパルス幅が例えば３００fsecのとき、すなわちタイムゲートは３００fsecより短い時間（３０fsec程度の分解能）で同期検波をすることができる。テラヘルツ波パルス幅をたとえば１０００fsecと設定した場合、図２のミラー７を少しずつ移動させることによりタイムゲートを少しずつ遅延させてサンプリングする。こうしてサンプリングした各サンプル点をつなげることにより、テラヘルツ波パルスの波形を観測することができる。この技術は、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＤＳ）と呼ばれている。
【００２０】
次に、実際の動作を二つのステップに分けて説明する。まず、同期検波の為に、テラヘルツ波の伝播光路長と同期検波用の光路長を等しくする。つまり、ハーフミラー３によりフェムト秒光パルスを二分割させた地点から、送信用光スイッチ４を経て、計測対象Ｍへの往復距離を加算したものがテラヘルツ波の伝播光路長である。同期検波用光路は、ハーフミラー３によりフェムト秒パルスを二分割させた地点から、ミラー６，ミラー７を経て受信用光スイッチ８に入射する光路長である。ミラー７の位置を調整して、テラヘルツ波の伝播光路長と同期検波用光路長を等しくする。
【００２１】
次いで、テラヘルツ波パルスを観測するため、同期検波用走査器であるミラー７の位置を移動させることで、上記の遅延時間を走査する。３０fsec程度の分解能を出すため、一ステップあたり１０μmの光路変位動作をさせる。変位量の最大は、必要なパルス波形の取得時間によって定まり、例えば１００psec間の波形をサンプリングしたい場合は光速に基づき、変位量の最大値を３０mmと定める。
【００２２】
最後に、一ステップあたりの変位量と光速に基づきサンプリング点間の間隔時間を定め、サンプリング点ごとの振幅に基づき、テラヘルツ波反射波形を検出する。この部分が図２の波形検出部１０である。
【００２３】
次に、テラヘルツ波パルスの反射を用いた路面状況推定を説明する。図２に示すように、計測対象Ｍは、物質Ｍ２（例えばコンクリート）の表面に、物質Ｍ１（例えば氷または雪）の層が形成されたものが存在するとする。この計測対象Ｍに、テラヘルツ波パルスを照射すると、テラヘルツ波の一部は、空気と物質Ｍ１との境界である境界面Ｂ１で反射され、残りは物質Ｍ１の内部へ進入する。物質Ｍ１の内部へ進入したテラヘルツ波パルスは、物質Ｍ１で吸収されながら物質Ｍ１と物質Ｍ２との境界である境界面Ｂ２に達して一部が反射され、残りが物質Ｍ２に吸収される。
【００２４】
従って、波形検出部１０の出力には、境界面Ｂ１による反射の波形２１と、境界面Ｂ２による反射の波形２２とが得られる。実際には、多重反射により、波形２２の後にも振幅の小さい波形が続くが、これらを無視してもかまわない。波形２１と波形２２との時間差Δｔは、物質Ｍ１の厚さをＤ，その屈折率をｎg ，光速をｃとすれば、次の式となる。
【００２５】
Δｔ＝（１／ｃ）×２ｎg ×Ｄ
尚、厚さＤが０の場合、言い換えれば、計測対象Ｍが積層状態でない場合には、Δｔは０となり、波形２１と波形２２との時間差は無くなり、反射波形の種類は１つしか検出されないことは明らかである。従って、反射波形の種類の数に基づいて、路面状態が積層状態か非積層状態かを判別することができるとともに、反射波形のΔｔにより路面舗装の上に形成された積層の厚さＤを測定することができる。
【００２６】
図１と図２との対応は以下の通りである。発生器１０１及び送信器１０２が送信用光スイッチ４、受信器１０３が受信用光スイッチ８及び電流アンプ９，波形検出部１０４が波形検出部１０にそれぞれ対応する。また図１の角度計測/設定部１０５と反射境界面位置計測部１０６と波形特徴抽出部１０７と路面状況推定部１０８とは、図２のマイクロコンピュータ１１により実現されている。このため、マイクロコンピュータ１１には、カメラやレーザレーダ、加速度センサ、既知のステージやセンサ設置条件のいずれか一つ以上の組み合わせから、計測対象Ｍと送受信面とのなす角度θを計測するプログラムと、カメラやレーザレーダ、加速度センサ、既知のステージやセンサ設置条件のいずれか一つ以上の組み合わせから、計測対象Ｍと送受信器との距離を計測するプログラムと、波形検出部１０が検出した波形と角度θに基づいて波形の特徴を抽出するプログラムと、抽出した波形の特徴に基づいて路面状況を推定するプログラムとを備えている。
【００２７】
図３は、電磁波をテラヘルツ波とした場合の実施例１の変形例の構成を示す構成図である。図２のハーフミラー３，ミラー６，及びミラー７に代えて、同期検波用パルス光１３を発生するフェムト秒パルスレーザ１５と、フェムト秒パルスレーザ２とフェムト秒パルスレーザ１５との間の互いに異なるパルス発生繰返周期の差が一定なるように制御するタイミング制御部１４とを設けている。
【００２８】
図２の構成では、ミラー７を移動することにより、同期検波用パルス光１３の時間遅延走査を行っていたが、図３の変形例では、フェムト秒パルスレーザ２が発生する励起用パルス光１２に対して、フェムト秒パルスレーザ１５が発生する同期検波用パルス光１３のタイミングを順次ずらす時間遅延走査を電子制御により行っている。このため、路面状況推定装置１の内部で同期検波用パルス光１３を遅延させるための可変光路長が不要となり、路面状況推定装置１を小型化して車両搭載性を向上させることができる。
【００２９】
図６は、実施例１における路面状況推定装置１の動作を説明するフローチャートである。まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、所定の周期で繰り返し発生器１０１でフェムト秒パルス光を発生させ、送信器１０２でテラヘルツ波パルスを計測対象Ｍへ送出する。次いでＳ１２で、発生器１０１が発生したタイミングに基づいて受信器１０３が計測対象Ｍからの反射テラヘルツ波パルスを受信する。そして波形検出部１０４が受信波形を再構成して検出する。
【００３０】
次いでＳ１４において、角度計測／設定部１０５が、受信波形に基づいて境界面の角度を計測、または送信器１０２及び受信器１０３の車体に対する角度を設定することにより、境界面Ｂ１，Ｂ２の送受信器設定面に対する角度を測定する。また反射境界面位置計測部１０６が境界面Ｂ１，Ｂ２の位置を計測する。
【００３１】
次いでＳ１６において、波形特徴抽出部１０７が、境界面の角度と検出波形に応じて、反射波形の特徴を抽出し、抽出した特徴により路面状況を推定する。具体的には、反射面の種類と送受信面と反射面との角度により、例えば図８に示すように反射面の種類を６種類に分類する。この分類は、反射面が散乱面であるか平滑面であるかの２分類と、反射面と送受信面が並行で正反射か、５゜の斜め入射か、１０゜の斜め入射かの３分類があり、２×３＝６通りの分類に対して、反射波の強度をグラフ表示したものが図８である。
【００３２】
反射面が散乱面の場合には、正反射、５゜斜め入射、１０゜斜め入射のいずれも反射波の振幅は、ほぼ同等で変化がない。しかし、平滑面の場合には、正反射が最も反射強度が高く、反射面と送受信面との角度が大きくなるほど反射波の強度は低下する。したがって、送信器１０２及び受信器１０３を備える送受信面の角度を車体鉛直下方（０゜）と、鉛直下方から５゜傾けた角度と、鉛直下方から１０゜傾けた角度との３種類の角度を角度計測／設定部１０５により設定可能とする。そして、０゜、５゜、１０゜の各角度におけるテラヘルツ波の反射強度を測定することにより、路面が散乱面か平滑面かを推定することができる。
【００３３】
また、図７に示すような、送信用光スイッチ４または送信器１０２が送信するテラヘルツ波の指向特性と、既知の大気の伝播減衰に基づき、波形検出部１０４が出力する反射波振幅値を増減する補正を行うことにより、より高精度に特徴量を抽出することができる。即ち、テラヘルツ波の送信アンテナである送信用光スイッチ４または送信器１０２のアンテナ面と垂直方向、図７でいえば、正反射方向、車体に装備した送信器１０２の鉛直下方方向の放射強度を１．０とすれば、放射角度に応じて放射強度が減衰する。同様に斜め方向から受信器１０３へ入射する反射波に対して、受信器１０３の感度も低下する。このため、予め測定した放射強度分布により、５゜斜め入射時と、１０゜斜め入射時の受信強度を補正する。
【００３４】
また、鉛直下方の正反射面からの反射に比べて、斜め方向からの反射は、送信器１０２から受信器１０３に戻る経路の長さが（１／cosθ）倍となり、この長さが増えた分だけ、空気による電磁波吸収が増加して減衰するので、この分も補正する。
【００３５】
以上説明した実施例１によれば、車両挙動によりセンサから路面までの距離が変化しても、電磁波の送信方向と受信した反射波の特徴に基づいて路面状況を正確に推定することができるという効果がある。
【００３６】
また実施例１によれば、電磁波としてテラヘルツ波パルスを使用しているので、路面が積雪や凍結による積層状態であっても正確に路面状況を推定することができるという効果がある。
【００３７】
また実施例１によれば、路面に電磁波を照射する角度を変えて反射波の強度を測定することにより、路面が平滑面か散乱面かを推定することができるという効果がある。
【実施例２】
【００３８】
図９は、本発明に係る路面状況推定装置の実施例２の構成を示すブロック図である。本実施例では、実施例１の構成に、反射波形補正部１０９が追加されている。その他の構成は、図１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００３９】
反射波形補正部１０９は、波形特徴抽出部１０７が抽出した波形の特徴に基づいて、反射波形を補正する構成要素である。
【００４０】
次に、図１０のフローチャートを参照して、本実施例の動作を説明する。Ｓ１０〜Ｓ１６は、図６の実施例１と同様である。次に、図１０に基づいて、実施例１と異なる部分を説明する。Ｓ１８において、反射波形補正部１０９は、波形特徴抽出部１０７が抽出した反射波形の特徴に基づいて、反射波形を補正する。具体的には、正反射である場合は、反射波形は送信波形と類似性が高いため、複数波形の合成は送信波形をモデルにしたマッチングにより時刻を合わせて反射波の補正を行う。また、散乱面での反射である場合は、反射波形は送信波形と類似性が低く、複数時間組み合わせると散乱波形が復元されにくいため、送受信面を正反射、５゜斜め、１０゜斜めとした３通りの送受信面の角度設定の違いで送受信した結果から、反射面が散乱体であることを識別し、積算による反射率の算出を行う。
【００４１】
以上説明した実施例２によれば、車両挙動によりセンサから路面までの距離が変化しても、電磁波の送信方向と受信した反射波の特徴に基づいて路面状況を正確に推定することができるという効果がある。
【００４２】
また実施例２によれば、電磁波としてテラヘルツ波パルスを使用しているので、路面が積雪や凍結による積層状態であっても正確に路面状況を推定することができるという効果がある。
【００４３】
また実施例２によれば、路面に電磁波を照射する角度を変えて反射波の強度を測定することにより、路面が平滑面か散乱面かを推定することができるという効果がある。
【００４４】
さらに実施例２によれば、反射波形の特徴に基づいて反射波形を補正しているので、更に正確に路面状況を推定することができる。
【実施例３】
【００４５】
図１１は、本発明に係る路面状況推定装置の実施例３の構成を示すブロック図である。本実施例は、実施例１の構成に、車両運動量算出部１１０と、散乱算出部１１１とが追加されている。その他の構成は、図１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００４６】
車両運動量算出部１１０は、角度計測／設定部１０５と反射境界面位置計測部１０６に接続され、車速や３軸加速度、操舵、加減速操作等に基づいて、車両のピッチング、ローリング、ヨーイングを計算する。
【００４７】
散乱算出部１１１は、波形検出部１０４、角度計測／設定部１０５、反射境界面位置計測部１０６及び路面状況推定部１０８に接続されている。そして、散乱算出部１１１は、計測又は設定した送受信面の角度、反射面の位置、及び反射波形から、反射波の散乱度合いを算出する。
【００４８】
次に、図１２のフローチャートを参照して、実施例３の動作を説明する。Ｓ１０〜Ｓ１２の動作は、実施例１と同様である。Ｓ２０において、車両運動量算出部１１０は、車両のピッチング、ローリング、ヨーイングを算出し、角度計測／設定部１０５は、路面と送受信面との路面鉛直方向と送信面鉛直方向との角度差を計測または設定し、反射境界面位置計測部１０６は、送受信面と路面との距離を計測し、得られた反射波の反射角度情報として、散乱算出部１１１へ送出する。
【００４９】
次いでＳ２２において、散乱算出部１１１は、波形検出部１０４が検出した受信波形と角度情報から散乱の度合いを計算する。なお、このとき計算に過去の反射波及び角度を用いるとより高精度に判別できる。また、テラヘルツＴＤＳ方式であるので、境界面Ｂ１及びＢ２がある場合には、路面の積層情報を個々に判別すると、より高精度に検出できる。
【００５０】
次いでＳ２４において、路面状況推定部１０８は、図１３に示すように、予め記憶した複数の路面状態モデルを参照して、計測対象物Ｍで反射された反射波の散乱度合い及び反射波形の種類の数に応じて、路面状況を推定する。
【００５１】
図１３において、路面状況が基準となる乾燥路面である場合には、散乱面であり、散乱度合いは、最も大きく（散乱度１）、非積層面であり、反射波形は、図２，３の波形２１のみが検出され、波形２２は検出されないので、波形種類の数は１である。
【００５２】
路面状況がペイント式白線の場合、平滑面であり、散乱度合いは２番目に大きく（散乱度２）、非積層面であり、反射波形は、図２，３の波形２１のみが検出され、波形２２は検出されないので、波形種類の数は１である。
【００５３】
路面状況が溶融式白線の場合、平滑面であり、散乱度合いは２番目に小さく（散乱度３）、非積層面であり、反射波形は、図２，３の波形２１のみが検出され、波形２２は検出されないので、波形種類の数は１である。
【００５４】
路面状況が湿潤の場合、平滑面であり、散乱度合いは最も小さく（散乱度４）、非積層面であり、反射波形は、図２，３の波形２１のみが検出され、波形２２は検出されないので、波形種類の数は１である。
【００５５】
路面状況が積雪の場合、散乱面であり、散乱度合いは最も大きく（散乱度１）、積層面であり、反射波形は、図２，３の波形２１及び波形２２が検出され、波形種類の数は２である。
【００５６】
路面状況が凍結の場合、散乱面であり、散乱度合いは２番目に大きく（散乱度２）、積層面であり、反射波形は、図２，３の波形２１及び波形２２が検出され、波形種類の数は２である。
【００５７】
図１４は、本発明の路面状況推定装置を搭載した車両の側面図である。サイドミラーの位置に車体の鉛直下方に向けて送信器１０２及び受信器１０３が設置されている。そして、路面の凹凸による車両運動が送信器１０２及び受信器１０３を設けた送受信面と路面との傾きθが形成される様子を示している。
【００５８】
本実施例では、図１１の角度計測／設定部１０５は、車両運動量算出部１１０が算出した車両のピッチングまたはローリングにより、図１４の角度θを得ることができる。
【００５９】
図１５は、図１１の送信器１０２及び受信器１０３の車体５０への搭載位置を示す平面図である。搭載位置としては、左サイドミラーの位置５１，車体前部の位置５２，５３，５４，５５，５６，右サイドミラーの位置５７，車体後部５８，５９の位置が可能である。４１〜４４は検知エリアの例である。
【００６０】
以上説明した実施例３によれば、車両挙動によりセンサから路面までの距離が変化しても、電磁波の送信方向と受信した反射波の特徴に基づいて路面状況を正確に推定することができるという効果がある。
【００６１】
また実施例３によれば、電磁波としてテラヘルツ波パルスを使用しているので、路面が積雪や凍結による積層状態であっても正確に路面状況を推定することができるという効果がある。
【００６２】
また実施例３によれば、路面に電磁波を照射する角度を変えて反射波の強度を測定することにより、路面が平滑面か散乱面かを推定することができるという効果がある。
【００６３】
さらに実施例３によれば、反射波の散乱度を算出し、予め記憶した路面状況毎の散乱度及び波形種類の数とを照合して、路面状況を正確に推定することができるという効果がある。
【実施例４】
【００６４】
図１６は、本発明に係る路面状況推定装置の実施例４の構成を示すブロック図である。本実施例は、実施例３の構成に、波形補正部１１２と、補正パラメータ算出部１１３と、レンズ１１４と、方向調整手段１１５とが追加されている。その他の構成は、図１１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００６５】
波形補正部１１２は、波形特徴抽出部１０７が抽出した反射波形の特徴に基づいて、送信器１０２が送信するテラヘルツ波のビーム径、ビーム送信方向、及び発生器１０１ａから受信器１０３に至る遅延光路１１５の遅延時間を補正パラメータ算出部１１３へ指示する。
【００６６】
補正パラメータ算出部１１３は、波形補正部１１２から指示されたテラヘルツ波パルスのビーム径、ビーム送信方向、及び遅延光路１１５の遅延時間と、車両運動量算出部１１０からの車体のピッチング量及びローリング量に応じて、テラヘルツ波パルスのビーム径、ビーム送信方向、及び同期検波用の遅延光路１１５の長さを変更する。
【００６７】
レンズ１１４は、補正パラメータ算出部１１３の出力にしたがって、レンズ位置もしくは屈折率を変化させ、テラヘルツ波パルスビーム径を調整する。このレンズ１１４は、送信用光スイッチ４の詳細を説明した図４におけるシリコンレンズ３２と同一のものであっても良いし、シリコンレンズ３２に加えて、さらにレンズ１１４を備えることもできる。レンズ１１４は、レンズ位置を調節する図示しないレンズ位置調節器または屈折率調節器が設けられ、送信器１０２から放射されたテラヘルツ波パルスビームが路面の位置に形成するビーム径の大きさを調節する。
【００６８】
なお、このレンズ１１４は光学的に平行光に近いビーム径を設定すればよく、凸レンズでなくてもいくつかのレンズを組み合わせてもよい。また可視光と同じ屈折率のレンズ材料を用いることで、可視カメラを組み合わせてもよい。
【００６９】
方向調整器１１５は、補正パラメータ算出部１１３の出力にしたがって、送信波パルスの送信方向を２次元または３次元に調整する装置である。例えば多角形回転ミラー（ポリゴンミラー）のような形状であれば、高速でパルスの方位走査が可能である。また、送受信アンテナを動かしてメカニカルに方向を調整する方法であっても、方向に応じた位相差を伴うビーム走査を行うアンテナ技術で代用してもよい。
【００７０】
次に図１７のフローチャートを参照して、本実施例の動作を説明する。Ｓ１０〜Ｓ２４までは、実施例３と同様である。Ｓ２６において、波形補正部１１２は、波形特徴抽出部１０７が抽出した反射波形の特徴量について、予め記憶した図１３に示したような路面状況毎の波形特徴との類似度若しくは路面の反射率を高精度に算出し、更に散乱度を算出するための検知領域の設定を行う。具体的には、もし車両運動の影響で反射強度が十分えられなかった場合は、図示しない時系列データ及び角度情報の蓄積に基づいて、正反射方向にパルス送信方向を調整するように方向調整器１１５へ指示する。
【００７１】
また、図示しない天候計測やロードノイズ計測等によって、例えば白線と路面の差異が見えにくいと判定し、散乱度の差異をより高感度にする必要がある場合は、ビーム径を絞り、微小な凹凸でも散乱を観測できるようにする。図示しないロードノイズ計測等の手段に応じて、白線と路面の差異が見えやすいと判定した場合はビーム径を広げ、より広い範囲を観測する。
【００７２】
加えて、例えば車両の積載荷重のバランスが悪い場合や極端に凹凸が大きく車両のピッチングの影響が長い周期にわたる場合等で、路面と送受信面の距離が大きく変化する場合は、遅延光路１１５で観測領域や観測中心距離を変更する。尚、遅延光路１１５を用いずに、本願発明者による「特開２００７−２９２７０１号公報；波形観測方法と波形観測装置」に示す発生器のパルス列を時間で変化する手法をとってもよい。
【００７３】
以上説明した実施例４によれば、車両挙動によりセンサから路面までの距離が変化しても、電磁波の送信方向と受信した反射波の特徴に基づいて路面状況を正確に推定することができるという効果がある。
【００７４】
また実施例４によれば、電磁波としてテラヘルツ波パルスを使用しているので、路面が積雪や凍結による積層状態であっても正確に路面状況を推定することができるという効果がある。
【００７５】
また実施例４によれば、路面に電磁波を照射する角度を変えて反射波の強度を測定することにより、路面が平滑面か散乱面かを推定することができるという効果がある。
【００７６】
また実施例４によれば、反射波の散乱度を算出し、予め記憶した路面状況毎の散乱度及び波形種類の数とを照合して、路面状況を正確に推定することができるという効果がある。
【００７７】
さらに実施例４によれば、テラヘルツ波のビーム径、ビーム送信方向、及び同期検波用の遅延光路長を路面の反射状況に応じて補正することができるので、車両の積荷バランスや路面の凹凸が極端に悪い場合であっても正確に路面状況を推定することができるという効果がある。
【符号の説明】
【００７８】
１ 路面状況推定装置
１０１ 発生器
１０２ 送信器
１０３ 受信器
１０４ 波形検出部
１０５ 角度計測／設定部
１０６ 反射境界面位置計測部
１０７ 波形特徴抽出部
１０８ 路面状況推定部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を発生する電磁波発生手段と、
路面に電磁波を送信する送信手段と、
路面に反射された電磁波を受信する受信手段と、
受信された電磁波の波形を検出する波形検出手段と、
前記路面と前記送信手段とのなす角度を計測する又は設定する角度計測／設定手段と、
前記波形検出手段が検出した前記波形と前記角度計測／設定手段が計測または設定した前記角度に基づいて、前記波形の特徴を抽出する波形特徴抽出手段と、
前記波形の特徴に基づいて、路面状況を推定する路面状況推定手段と、
を備えたことを特徴とする路面状況推定装置。
【請求項２】
前記波形特徴抽出手段は、前記波形の強度を波形の特徴として抽出し、
前記路面状況推定手段は、前記角度と前記波形の強度に基づいて、前記路面状況を推定することを特徴とする請求項１に記載の路面状況推定装置。
【請求項３】
前記波形特徴抽出部が抽出した前記波形の特徴に基づいて、路面で反射された波形の補正を行う反射波形補正手段を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の路面状況推定装置。
【請求項４】
前記波形特徴抽出手段は、更に前記波形の種類の数を波形の特徴として抽出し、
前記路面状況推定手段は、前記波形の種類の数に基づいて、前記路面状況を推定することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の路面状況推定装置。
【請求項５】
前記波形検出手段が検出した前記波形の散乱度合いを計算する散乱算出部を更に備え、
前記路面状況推定手段は、前記波形の散乱度合いに基づいて、前記路面状況を推定することを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか１項に記載の路面状況推定装置。
【請求項６】
前記路面状況推定手段は、前記波形の種類の数及び前記波形の散乱度合いに基づいて、前記路面状況が、凍結、積雪、湿潤、乾燥の何れであるか、あるいは路面の白線部であるか否かを推定することを特徴とする請求項５に記載の路面状況推定装置。
【請求項７】
前記電磁波は、０．１ＴＨｚ以上１０ＴＨｚ以下のテラヘルツ帯域のパルス波であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の路面状況推定装置。
【請求項８】
電磁波を路面に送信し路面に反射された電磁波を受信して路面状況を推定する路面状況推定方法において、
受信した電磁波の波形を検出し、
前記路面と電磁波送信方向とのなす角度を計測又は設定し、
検出した前記波形と計測または設定した前記角度とに基づいて、前記波形の特徴を抽出し、
抽出した波形の特徴に基づいて、路面状況を推定することを特徴とする路面状況推定方法。
【請求項１】
電磁波を発生する電磁波発生手段と、
路面に電磁波を送信する送信手段と、
路面に反射された電磁波を受信する受信手段と、
受信された電磁波の波形を検出する波形検出手段と、
前記路面と前記送信手段とのなす角度を計測する又は設定する角度計測／設定手段と、
前記波形検出手段が検出した前記波形と前記角度計測／設定手段が計測または設定した前記角度に基づいて、前記波形の特徴を抽出する波形特徴抽出手段と、
前記波形の特徴に基づいて、路面状況を推定する路面状況推定手段と、
を備えたことを特徴とする路面状況推定装置。
【請求項２】
前記波形特徴抽出手段は、前記波形の強度を波形の特徴として抽出し、
前記路面状況推定手段は、前記角度と前記波形の強度に基づいて、前記路面状況を推定することを特徴とする請求項１に記載の路面状況推定装置。
【請求項３】
前記波形特徴抽出部が抽出した前記波形の特徴に基づいて、路面で反射された波形の補正を行う反射波形補正手段を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の路面状況推定装置。
【請求項４】
前記波形特徴抽出手段は、更に前記波形の種類の数を波形の特徴として抽出し、
前記路面状況推定手段は、前記波形の種類の数に基づいて、前記路面状況を推定することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の路面状況推定装置。
【請求項５】
前記波形検出手段が検出した前記波形の散乱度合いを計算する散乱算出部を更に備え、
前記路面状況推定手段は、前記波形の散乱度合いに基づいて、前記路面状況を推定することを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか１項に記載の路面状況推定装置。
【請求項６】
前記路面状況推定手段は、前記波形の種類の数及び前記波形の散乱度合いに基づいて、前記路面状況が、凍結、積雪、湿潤、乾燥の何れであるか、あるいは路面の白線部であるか否かを推定することを特徴とする請求項５に記載の路面状況推定装置。
【請求項７】
前記電磁波は、０．１ＴＨｚ以上１０ＴＨｚ以下のテラヘルツ帯域のパルス波であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の路面状況推定装置。
【請求項８】
電磁波を路面に送信し路面に反射された電磁波を受信して路面状況を推定する路面状況推定方法において、
受信した電磁波の波形を検出し、
前記路面と電磁波送信方向とのなす角度を計測又は設定し、
検出した前記波形と計測または設定した前記角度とに基づいて、前記波形の特徴を抽出し、
抽出した波形の特徴に基づいて、路面状況を推定することを特徴とする路面状況推定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−２１０３２４（Ｐ２０１０−２１０３２４Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４９６８（Ｐ２００９−５４９６８）
【出願日】平成２１年３月９日（２００９．３．９）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月９日（２００９．３．９）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
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