JP7581864B2 - OBJECT DETECTION DEVICE, MOVING BODY, OBJECT DETECTION METHOD, AND PROGRAM - Google Patents
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Description
本願は、物体検出装置、移動体、物体検出方法及びプログラムに関する。 This application relates to an object detection device, a moving object, an object detection method, and a program.
従来、投光した光が物体により反射又は散乱された光を受光して、物体の有無又は物体までの距離の少なくとも一方を含む物体情報を検出する物体検出装置が知られている。 Conventionally, object detection devices are known that detect object information including at least one of the presence or absence of an object and the distance to the object by receiving light that is reflected or scattered by an object after projecting light.
また、物体検出装置から物体までの距離検出のダイナミックレンジを拡大するために、投光した光の物体による後方散乱光信号の強度が閾値法の閾値より上の場合には閾値法を用い、後方散乱光信号の強度が信号サンプリングのためのサンプリングユニットの飽和限界より下の場合には信号サンプリング法を用いる構成が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, in order to expand the dynamic range of distance detection from the object detection device to the object, a configuration has been disclosed in which the threshold method is used when the intensity of the backscattered light signal from the object of the projected light is above the threshold of the threshold method, and the signal sampling method is used when the intensity of the backscattered light signal is below the saturation limit of the sampling unit for signal sampling (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の装置では、サンプリングユニットの時間分解能に伴って物体の検出精度が低下する場合がある。 However, in the device of Patent Document 1, the accuracy of object detection may decrease depending on the time resolution of the sampling unit.
本発明は、物体の検出精度を高く確保することを課題とする。 The objective of the present invention is to ensure high object detection accuracy.
本発明の一態様に係る物体検出装置は、物体の有無又は物体までの距離の少なくとも一方を検出する物体検出装置であって、光を投光する投光部と、前記物体による前記光の反射光又は散乱光の少なくとも一方の受光信号を含む第1のアナログ信号を出力する受光部と、前記受光信号の時間幅を拡大させる拡大部と、前記拡大部が時間幅を拡大した前記受光信号を含む第2のアナログ信号を所定のサンプリング周波数でデジタル信号に変換する変換部と、前記デジタル信号に基づき取得される前記物体の有無又は前記物体までの距離の少なくとも一方を含む物体情報を出力する出力部と、を有する。 An object detection device according to one aspect of the present invention is an object detection device that detects at least one of the presence or absence of an object or the distance to the object, and includes a light-projecting unit that projects light, a light-receiving unit that outputs a first analog signal including a light-receiving signal of at least one of the reflected light or scattered light of the light by the object, an expansion unit that expands the time width of the light-receiving signal, a conversion unit that converts a second analog signal including the light-receiving signal whose time width has been expanded by the expansion unit into a digital signal at a predetermined sampling frequency, and an output unit that outputs object information including at least one of the presence or absence of the object or the distance to the object obtained based on the digital signal.
本発明によれば、物体の検出精度を高く確保できる。 The present invention ensures high object detection accuracy.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一の構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Below, a description of the embodiment of the invention will be given with reference to the drawings. In each drawing, the same components are given the same reference numerals, and duplicate explanations may be omitted.
また以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための物体検出装置を例示するものであって、本発明を以下に示す実施形態に限定するものではない。以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張している場合がある。 The embodiments shown below are illustrative of an object detection device for embodying the technical ideas of the present invention, and the present invention is not limited to the embodiments shown below. Unless otherwise specified, the dimensions, materials, shapes, relative positions, etc. of the components described below are intended as examples, and are not intended to limit the scope of the present invention. Furthermore, the sizes and positional relationships of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity of explanation.
実施形態に係る物体検出装置は、物体の有無又は物体までの距離の少なくとも一方を検出するものである。このような物体検出装置には、車両等の移動体に搭載されるLIDAR(Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging)装置等が挙げられる。 The object detection device according to the embodiment detects at least one of the presence or absence of an object and the distance to the object. Examples of such object detection devices include a LIDAR (Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging) device mounted on a moving object such as a vehicle.
ここで物体とは、物体検出装置で検出する物体である。例えば、車両等の移動体に搭載される装置では人や障害物など移動体の移動を妨げになる物体や、移動体を誘導する標識やガイド等が挙げられる。 The object here refers to an object that is detected by the object detection device. For example, in a device mounted on a moving object such as a vehicle, objects that hinder the movement of the moving object, such as people or obstacles, or signs or guides that guide the moving object, etc., can be included.
実施形態では、光を投光し、投光した光の物体による反射光又は散乱光の少なくとも一方の受光信号の時間幅を拡大させた後、受光信号を含むアナログ信号を所定のサンプリング周波数でデジタル信号に変換する。そして、デジタル信号に基づき取得される物体の有無又は物体までの距離の少なくとも一方を含む物体情報を出力する。なお、物体の有無とは、物体が物体検出装置の検出範囲内の有無を示す情報をいう。物体の距離とは、物体検出装置または物体検出装置が搭載される移動体等の基準位置からの距離に対応する情報をいう。 In the embodiment, light is projected, and the time width of at least one of the received light signals of the projected light reflected or scattered by an object is expanded, and then the analog signal including the received light signal is converted into a digital signal at a predetermined sampling frequency. Then, object information including at least one of the presence or absence of an object and the distance to the object obtained based on the digital signal is output. Note that the presence or absence of an object refers to information indicating whether or not an object is within the detection range of the object detection device. The distance of the object refers to information corresponding to the distance from a reference position of the object detection device or a moving body on which the object detection device is mounted.
なお、サンプリング周波数とは、アナログ信号をデジタル信号に変換する際に、アナログ信号をサンプリング(標本抽出)する周波数をいう。サンプリング周期は、サンプリング周波数の逆数であり、サンプリングする時間間隔に対応する。 The sampling frequency is the frequency at which an analog signal is sampled (sampled) when it is converted into a digital signal. The sampling period is the inverse of the sampling frequency and corresponds to the time interval at which the signals are sampled.
ここで、アナログ信号をデジタル信号に変換するADC(Analog Digital Converter)等のサンプリングユニットに時間分解能が低い低速のものを用いると、アナログ信号をデジタル信号に変換する際に、受光信号の時間幅に対してADCのサンプリング周期が相対的に長くなる。 If a low-speed sampling unit with low time resolution, such as an ADC (Analog Digital Converter) that converts analog signals to digital signals, is used, the sampling period of the ADC becomes relatively long compared to the time width of the received light signal when converting the analog signal to a digital signal.
その結果、受光信号に対応するデジタル信号のサンプリング数が少なくなり、デジタル信号の補間処理等を伴う、受光信号がピークとなる時刻の検出精度が低下し、物体情報の検出精度が低下する場合がある。 As a result, the number of samples of the digital signal corresponding to the received light signal decreases, and the detection accuracy of the time when the received light signal peaks, which involves interpolation processing of the digital signal, decreases, and the detection accuracy of object information may decrease.
実施形態では、受光信号の時間幅を拡大させることで、受光信号の時間幅に対してADC等によるサンプリング周期を相対的に短くする。これにより、受光信号に対応するデジタル信号のサンプリング数を増やし、デジタル信号の補間処理等を伴う、受光信号がピークとなる時刻の検出精度を上げる。そして、低速で低コストのADC等を使用しても、物体情報の検出精度を高く確保可能にする。 In the embodiment, the time width of the received light signal is expanded, thereby shortening the sampling period of the ADC or the like relative to the time width of the received light signal. This increases the number of samples of the digital signal corresponding to the received light signal, and improves the detection accuracy of the time when the received light signal peaks, which involves interpolation processing of the digital signal, or the like. This makes it possible to ensure high detection accuracy of object information even when using a slow, low-cost ADC or the like.
以下、自動車に搭載される物体検出装置を一例として、実施形態を説明する。 The following describes an embodiment using an object detection device installed in an automobile as an example.
[第1実施形態]
<物体検出装置100の構成例>
(全体構成例)
まず図1を参照して、第1実施形態に係る物体検出装置100の全体構成例を説明する。図1は、物体検出装置100の全体構成の一例を説明するブロック図である。
[First embodiment]
<Configuration example of
(Overall configuration example)
First, an example of the overall configuration of an
物体検出装置100は、自動車に搭載され、自動車の移動方向に対応するZ軸方向側に存在する物体200の有無又は物体までの距離の少なくとも一方を含む物体情報を検出する装置である。
The
図1に示すように、物体検出装置100は、投光部1と、受光部2と、TIA(Trans Impedance Amp)回路3と、LPF(Low Pass Filter)回路4と、ADC回路5と、CMP回路6と、信号処理回路7とを有する。各構成部は筐体内に固定され、物体検出装置100を構成している。但し、構成部のうちの一部を筐体の外部に配置してもよい。
As shown in FIG. 1, the
投光部1は、パルス状のレーザ光101を自動車の移動方向側に投光する。例えば投光部1は、光を発する発光部と、光を走査させる走査部等を有する。発光部は、LD(Laser Diode)、LED(Light Emitting Diode)又はレーザ等で構成される。走査部は、MEMS(Micro Electro Mechnical System)ミラー、ポリゴンミラー又はガルバノミラー等で構成される。
The light-projecting unit 1 projects a
但し、自動車の移動方向側に投光できれば投光部1の構成に特段の制限はなく、走査部を有さない構成であってもよいし、投光レンズ等を有する構成であってもよい。投光レンズを有すると、自動車の移動方向側における所望の領域に、より効率よく投光できる等の効果が得られる。投光する光も、レーザ光等のコヒーレント光に限定されるものではなく、インコヒーレント光であってもよい。 However, there are no particular limitations on the configuration of the light-projecting unit 1 as long as it can project light in the direction of movement of the vehicle, and it may be configured without a scanning unit, or may be configured with a projection lens, etc. Having a projection lens provides the advantage of being able to project light more efficiently onto a desired area in the direction of movement of the vehicle. The light to be projected is not limited to coherent light such as laser light, and may be incoherent light.
受光部2は、投光部1が投光したレーザ光101の物体200による反射光又は散乱光の少なくとも一方である戻り光102を受光し、この受光信号を含むアナログの電流信号を出力する。受光部2が出力するアナログ電流信号は、第1のアナログ信号の一例である。
The light receiving unit 2 receives return light 102, which is at least one of the reflected light and scattered light by the
受光部2は、戻り光102の光強度を電流又は電圧等の電気信号に光電変換する受光素子としてAPD(Avalanch Photo Diode)を含む。本実施形態では、一般的なAPDの使用方法と同様に、約150[V]乃至200[V]の逆バイアスを印加し、50乃至100倍の増倍率でAPDを使用している。
The light receiving unit 2 includes an APD (Avalanche Photo Diode) as a light receiving element that photoelectrically converts the light intensity of the
但し、受光素子はAPDに限定されるものではなく、PD(Photo Diode)、SiPM(Silicon Photomultiplier)又はガイガーモードAPDであるSPAD(Single Photo Avalanch Photo Diode)等であってもよい。 However, the light receiving element is not limited to an APD, but may be a PD (Photo Diode), a SiPM (Silicon Photomultiplier), or a SPAD (Single Photo Avalanch Photo Diode), which is a Geiger mode APD.
受光部2は、戻り光102を受光していないときには、受光信号を含まない低電流の状態(Lowレベル)のアナログ電流信号を出力し、戻り光102を受光したタイミングで受光信号を含むアナログ電流信号を出力する。
When the light receiving unit 2 is not receiving the
受光信号は、受光素子が光電変換した戻り光102の光強度に応じた電流信号である。より詳しくは、受光信号は、受光素子が戻り光102を受光することで、受光素子が出力する電圧信号がLowレベルから増加し、戻り光102が受光素子に入射している期間が経過した後に電流が減少し、元のLowレベルに戻るまでの期間内の信号である。受光素子が戻り光102を受光することで電流信号がLowレベルに対して増加を開始し、戻り光102の減少に伴って電流信号が減少し、やがて電流信号が元のLowレベルに戻るまでの期間が受光信号の時間幅に対応する。
The light receiving signal is a current signal corresponding to the light intensity of the
受光信号は、パルス状の電流波形信号になることが多いが、これに限定されるものではなく、戻り光102の状態に応じて様々な電圧波形の信号であってもよい。
The received light signal is often a pulsed current waveform signal, but is not limited to this and may be a signal with various voltage waveforms depending on the state of the
なお、受光部2は、レンズ、ミラー又はプリズム等の光学素子を含み、受光素子が光学素子で反射又は透過された戻り光102を受光するようにしてもよい。受光部2は、光学素子を含むことで、受光の光効率を上げたり、物体検出装置100を構成する各部の配置を容易にしたりすることができる。
The light receiving unit 2 may include an optical element such as a lens, a mirror, or a prism, and the light receiving element may receive the
TIA回路3は、受光部2が出力する電流信号を、後段(下流側)に設けられたADC回路5及びCMP回路6が処理できるように電圧信号に変換する電気回路である。TIA回路3が出力したアナログ電圧信号は、2方向に分岐され、一方はLPF回路4を介してADC回路5に入力され、他方はCMP回路6に入力される。
The
LPF回路4は、TIA回路3とADC回路5との間に設けられ、TIA回路3が出力するアナログ電圧信号に含まれる受光信号の時間幅を拡大させる拡大部の一例であり、またローパスフィルタの一例である。LPF回路4が出力するアナログ電圧信号は、第2のアナログ信号の一例である。LPF回路4を通過後のアナログ電圧信号に含まれる受光信号は、LPF回路4に入力する前に対して時間幅が長いものになる。
The
ADC回路5は、LPF回路4が出力するアナログ電圧信号を所定のサンプリング周波数でデジタル電圧信号に変換する電気回路であり、変換部の一例である。ADC回路5は、所定のサンプリング周波数で入力するアナログ電圧信号を標本化し、これを量子化することでデジタル電圧信号に変換する。
The
実施形態では、ADC回路5のサンプリング周波数は、例えば500[Msps;Mega sample per second)以下である。好ましくは200[Msps]以下である。これらは比較的低いサンプリング周波数であり、実施形態に係るADC回路5は低速のADCであるということができる。
In the embodiment, the sampling frequency of the
サンプリング周波数が低いほど、ADC回路5の時間分解能は低くなる。しかし、低速のADCは高速のADCと比較して安価であるため、低速のADC5を用いることで物体検出装置100はコストが低減されている。ADC回路5の電圧の分解能は、1ビットより大きければ特段の制限はないが、例えば8ビット乃至12ビットのものが好適である。
The lower the sampling frequency, the lower the time resolution of the
なお、ADC回路5は、1チップの部品だけでなく、ADCの機能とその他の機能を併せ持つ複合的なIC(Integrated Circuit)であってもよい。また、FPGA(Field Programmable Gate Array)の差動入力端子を複数利用してADC回路5を構成することもできる。
The
ADC回路5は、変換後のデジタル電圧信号を信号処理回路7に出力できる。
The
CMP回路6は、TIA回路3が出力するアナログ電圧信号を所定の閾値と比較してデジタル電圧信号に変換する比較部の一例である。CMP回路6は、2つの電圧を比較し、どちらが大きいかで出力が切り替わる素子であるコンパレータである。CMP回路6は、入力されるアナログ電圧信号の電圧を所定の閾値と比較し、閾値以上であるか否かを示す信号を出力するため、1ビットのADCと言うこともできる。CMP回路6の閾値は、誤検出を抑制するためにフロアノイズの3倍以上に設定すると好適である。なお、フロアノイズとは、CMP回路6自身が発生するノイズレベルを含むCMP回路6の入力部のノイズレベルをいう。
The
CMP回路6には、高速のコンパレータを用いることが好ましく、例えば、伝搬遅延が数[ns]程度のコンパレータが好ましい。また、FPGAの差動入力端子を複数利用してCMP回路6を構成することもできる。
It is preferable to use a high-speed comparator for the
CMP回路6は、入力したアナログ電圧信号の電圧が基準電圧より高いか低いかを示すデジタル電圧信号を信号処理回路7に出力できる。
The
信号処理回路7は、ADC回路5及びCMP回路6のそれぞれから入力するデジタル電圧信号に基づき、物体の有無又は物体までの距離の少なくとも一方を含む物体情報を取得し、取得された物体情報を外部装置に出力する電気回路である。この信号処理回路7の機能については、図6を参照して別途詳述する。
The
外部装置には、例えば、物体検出装置100が搭載された自動車が備えるエンジンECU(Electronic Control Unit)、表示装置、ブレーキECU又はステアリングECU等が挙げられる。これらの外部装置は物体検出装置100が検出する物体情報に基づいて自動車の制御や、運転者への情報表示などを行う。例えば、外部装置が表示装置の場合、物体検出装置100が検出した物体までの距離に基づいて表示装置の表示部に物体までの距離を表示する。また、外部装置がブレーキECUやステアリングECUの場合は、物体検出装置100が検出した物体の有無又は物体までの距離の少なくとも一方に基づいて、ブレーキを制御したりステアリングを制御したりする。但し、外部装置はこれらに限定されるものではなく、PC(Personal Computer)又は外部サーバ等であってもよい。
The external device may be, for example, an engine ECU (Electronic Control Unit), a display device, a brake ECU, or a steering ECU provided in an automobile equipped with the
ここで、物体検出装置100から物体までの距離が短い場合には、戻り光102の光強度の減衰等が小さいため、戻り光102の光強度に応じて受光信号の電圧は比較的高くなる。一方、物体検出装置100から物体までの距離が長くなると、戻り光102の光強度の減衰等が大きくなり、戻り光102の光強度に応じて受光信号の電圧は比較的低くなる。
Here, when the distance from the
受光信号の電圧が低い場合に、アナログ電圧信号をデジタル電圧信号に変換する際の電圧の分解能が低いと、デジタル電圧信号に基づく物体情報の検出精度が低下する。 When the voltage of the received light signal is low, if the voltage resolution is low when converting the analog voltage signal into a digital voltage signal, the accuracy of detecting object information based on the digital voltage signal decreases.
そのため、本実施形態では、物体検出装置100から物体までの距離が長く、受光信号の電圧がCMP回路6の閾値以下の場合には、CMP回路6と比較して電圧の分解能が高いADC回路5が出力するデジタル電圧信号を用いて物体情報を取得する。一方、物体検出装置100から物体までの距離が短く、受光信号の電圧がCMP回路6の閾値より高い場合には、ADC回路5と比較して電圧の分解能が低いCMP回路6が出力するデジタル電圧信号を用いて物体情報を取得する。
Therefore, in this embodiment, when the distance from the
受光信号の電圧に応じ、ADC回路5及びCMP回路6のそれぞれが出力するデジタル電圧信号を使い分けることで、物体検出装置100から物体までの距離が長い場合の検出精度を補償し、物体検出装置100の距離検出のダイナミックレンジを拡大している。
By selectively using the digital voltage signals output by the
また、本実施形態では、低速で安価なADC回路5を用いて物体検出装置100を低コスト化しているため、ADC回路5の時間分解能が低い。その結果、受光信号に対応するデジタル電圧信号のサンプリング数が少なくなり、ADC回路5が出力するデジタル電圧信号に基づく物体情報の検出精度が低くなる場合がある。
In addition, in this embodiment, the cost of the
そのため、本実施形態では、TIA回路3とADC回路5の間にLPF回路4を設け、LPF回路4により受光信号の時間幅を拡大させることで、受光信号に対応するデジタル信号のサンプリング数を増やす。これにより、ADC回路5が出力するデジタル電圧信号に基づく物体情報の検出精度を高く確保できるようにしている。
Therefore, in this embodiment, an
一方、CMP回路6は、価格によらず時間分解能が高いものが多い。そのため、TIA回路3とCMP回路6の間にはLPF回路4を設けず、TIA回路3が出力するアナログ電圧信号がCMP回路6にそのまま入力されるようになっている。
On the other hand,
なお、本実施形態では、アナログ電圧信号をデジタル電圧信号に変換し、デジタル電圧信号に基づき物体情報を取得する構成を例示するが、これに限定されるものではない。アナログ電流信号をデジタル電流信号に変換し、デジタル電流信号に基づき物体情報を取得する構成であってもよい。 In this embodiment, a configuration in which an analog voltage signal is converted into a digital voltage signal and object information is acquired based on the digital voltage signal is illustrated, but the present invention is not limited to this. A configuration in which an analog current signal is converted into a digital current signal and object information is acquired based on the digital current signal may also be used.
また本実施形態では、TIA回路3、LPF回路4、ADC回路5、CMP回路6及び信号処理回路7の機能を電気回路で実現する構成を例示するが、これに限定されるものではない。
In addition, in this embodiment, a configuration is shown in which the functions of the
例えばFPGA又はASIC(Application Specific Integrated Circuit)等の集積回路、或いはADCや他の機能を備えたIC(Integrated Circuit)で上記の機能の一部又は全部を実現してもよい。また、ROMからRAM上に展開されたプログラムをCPUが実行することで上記の機能の一部を実現することもできる。 For example, some or all of the above functions may be realized by an integrated circuit such as an FPGA or an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or an IC (Integrated Circuit) equipped with an ADC or other functions. Also, some of the above functions may be realized by the CPU executing a program expanded from ROM onto RAM.
また、図1では、物体検出装置100が有する主な構成を示したが、物体検出装置100は図1に示した構成以外の構成を有してもよい。例えば受光部2の後段等にノイズをカットするためのフィルタを設けてもよい。
Although FIG. 1 shows the main components of the
また、TIA回路3とADC回路5の間、又はTIA回路3とCMP回路6の間の少なくとも一方に、インピーダンスマッチング又は電流駆動能力の少なくとも一方を向上させるためのバッファとして機能する電気素子を設けることもできる。
In addition, an electrical element that functions as a buffer to improve at least one of the impedance matching or current driving capability can be provided at least between the
(TIA回路3の構成例)
次に図2は、TIA回路3の構成の一例を説明する回路図である。図2に示すように、TIA回路3は、オペアンプOP1と、位相補償用コンデンサCf1と、帰還抵抗Rf1とを有する。
(Example of the configuration of the TIA circuit 3)
Fig. 2 is a circuit diagram illustrating an example of the configuration of the
TIA回路3は、オペアンプOP1の出力と反転入力端子の間に、位相補償用コンデンサCf1及び帰還抵抗Rf1を設けている。帰還抵抗Rf1は数kΩ乃至数10kΩの何れかの抵抗を含んでいる。位相補償用コンデンサCf1は、数pF乃至数10pFの何れかのコンデンサを含んでいる。
The
オペアンプOP1は、例えば数100[Msps]以上のGBW(Gain Band width product;利得帯域幅積)を有するオペアンプである。このようなオペアンプOP1を用いることで、物体検出装置100で要求される数[ns]の時間幅の受光信号を電流信号から電圧信号に変換できる。
The operational amplifier OP1 is an operational amplifier having a GBW (Gain Bandwidth Product) of, for example, several hundred [Msps] or more. By using such an operational amplifier OP1, a received light signal with a time width of several [ns] required by the
なお、TIA回路3は、オペアンプOP1に代えてASICを備えることもできる。
The
(LPF回路4の構成例)
次に図3は、LPF回路4の構成の一例を説明する回路図である。図3に示すように、LPF回路4は、抵抗R2とコンデンサC2を有するRCフィルタである。LPF回路4のカットオフ周波数(遮断周波数)Fc1は以下の式に従う。
Fc1=1/(2・π・r1・c1)
但し、πは円周率を表し、r1は抵抗値[Ω]を表し、c1は静電容量値[F]を表す。なお、カットオフ周波数とは、フィルタ回路において通過域と遷移域の境界となる周波数をいう。
(Example of the configuration of the LPF circuit 4)
3 is a circuit diagram illustrating an example of the configuration of the
Fc 1 = 1/(2・π・r 1・c 1 )
Here, π represents the circular constant, r1 represents the resistance value [Ω], and c1 represents the capacitance value [F]. The cutoff frequency refers to the frequency that is the boundary between the pass band and the transition band in a filter circuit.
LPF回路4のカットオフ周波数Fc1は、TIA回路3が出力するアナログ電圧信号に含まれる受光信号の時間幅に応じて適宜設定可能である。但し、カットオフ周波数Fc1は、受光信号の時間幅Tの逆数に対応する周波数の1/10から、受光信号の時間幅Tの逆数に対応する周波数の2倍までの範囲であることがより好ましい。つまり、以下の(1)式で表される条件を満足することがより好ましい。カットオフ周波数Fc1が(1)式の範囲より低くなると、受光信号の信号振幅(ピーク電圧)が低下してしまい、検出精度が低くなる不具合が生じる。また、カットオフ周波数Fc1が(1)式の範囲より高くなると、受光信号の時間幅Tを十分に拡大することができず、ADCのサンプリング数が不足するため、検出精度が低下する。
また以下の(2)式を満足すると、さらに好ましい。
(1)式の条件を満足すると、受光信号の時間幅Tを長くできるため、サンプリング周波数が低く時間分解能が低いADC回路5を用いても、物体情報の検出精度をより高く確保できる。また(2)式の条件を満足すると、物体情報の検出精度をさらに高く確保できる。
When the condition of formula (1) is satisfied, the time width T of the received light signal can be increased, so that even if an
また、ADC回路5に入力される受光信号の時間幅は、ADC回路5のサンプリング周波数の逆数の3倍以上であることが望ましい。このようにすることで、ADC回路5がアナログデジタル変換する際に、受光信号のサンプリング数を3個以上にできるため、サンプリングされた3点以上の値から最大値または極大値となる時間を求めることがでる。さらに、受光信号を3点以上でサンプリングすることができるので、信号処理回路7におけるデジタル電圧信号の補間処理やフィッティング処理を伴う物体情報の検出精度を高く確保できる。ADC回路5のサンプリング周波数は高い方が検出精度は高くなるが、ADC回路5のコストが高くなり、装置コストが高くなるという問題が生じる。サンプリング周波数はコストと要求される検出精度から選定することが好ましく、500[Msps]以下のものが検出精度と低コストを両立できる。
In addition, it is desirable that the time width of the light receiving signal input to the
なお、RCフィルタに代え、オペアンプを用いてLPF回路4を構成することもできる。
In addition, the
(全体構成の他の例)
次に図4を参照して、第1実施形態に係る物体検出装置の他の例について説明する。なお、既に説明した構成部と同一のものには同じ部品番号を付し、重複する説明を適宜省略する。
(Another example of the overall configuration)
Next, another example of the object detection device according to the first embodiment will be described with reference to Fig. 4. Note that the same components as those already described will be given the same part numbers, and duplicated descriptions will be omitted as appropriate.
図4は、第1実施形態に係る物体検出装置の他の例である物体検出装置100cの全体構成を説明するブロック図である。図4に示すように、物体検出装置100cは、TIA回路3と、ADC回路5の間にAMP回路4cを有する。
Figure 4 is a block diagram illustrating the overall configuration of an
物体検出装置100cは、AMP回路4cの周波数特性を下げせることで、TIA回路3が出力するアナログ電圧信号に含まれる受光信号の時間幅を拡大させる。つまり、AMP回路4cは図1におけるLPF回路4と同様に機能する。このAMP回路4cは、TIA回路3が出力するアナログ電圧信号に含まれる受光信号の時間幅を拡大させる拡大部の一例に対応する。
The
また、LPF回路4に代えてAMP回路4cを設けることで、物体検出装置100cによる距離検出のダイナミックレンジを拡大させる効果も得られる。
In addition, by providing an
なお、ADC回路5が出力するデジタル電圧信号を平均化処理することでノイズを低減できるため、ADC回路5には信号強度が低く、SNR(Signal to Noise Ratio)が低い信号を入力させ、CMP回路6にはSNRが高い信号を入力させる構成にするとより好適である。
In addition, since noise can be reduced by averaging the digital voltage signal output by the
(AMP回路4cの構成例)
図5は、AMP回路4cの構成の一例を説明する回路図である。図5に示すように、AMP回路4cは、オペアンプOP2と、位相補償用コンデンサCf2と、帰還抵抗Rf2と、抵抗Rsと、コンデンサCsとを有する。
(Example of the configuration of the
5 is a circuit diagram illustrating an example of the configuration of the
AMP回路4cは、オペアンプOP2の出力と反転入力端子の間に、位相補償用コンデンサCf2及び帰還抵抗Rf2を設けている。また位相補償用コンデンサCf2及び帰還抵抗Rf2とグランドGNDの間に抵抗RsとコンデンサCsを直列に接続している。
The
図5の構成によると、AMP回路4cによる信号増幅率Gaはおおよそ以下の式で算出できるため、以下の式を参照して信号増幅率Gaを設定できる。
Ga=1+(rf2/rs)
但し、rf2は帰還抵抗Rf2の抵抗値[Ω]を表し、rsは抵抗Rsの抵抗値[Ω]を表す。
According to the configuration of FIG. 5, the signal amplification factor Ga of the
Ga=1+(rf 2 /rs)
Here, rf2 represents the resistance value [Ω] of the feedback resistor Rf2 , and rs represents the resistance value [Ω] of the resistor Rs.
またカットオフ周波数Fc2は、おおよそ以下の式で算出できるため、以下の式を参照してカットオフ周波数Fc2を設定できる。
Fc2=1/(2・π・rf2・cf2)
但し、cf2は位相補償用コンデンサCf2の静電容量値[F]である。
Furthermore, the cutoff frequency Fc2 can be approximately calculated by the following formula, and therefore the cutoff frequency Fc2 can be set by referring to the following formula.
Fc 2 = 1/(2・π・rf 2・cf 2 )
Here, cf2 is the electrostatic capacitance value [F] of the phase compensation capacitor Cf2 .
例えば、抵抗値rsを50[Ω]とし、抵抗値rf2を200[Ω]とし、静電容量値cf2を10[pF]とすることができる。カットオフ周波数Fc2の好適な範囲は、上述したカットオフ周波数Fc1と同様である。 For example, the resistance value rs can be set to 50 [Ω], the resistance value rf2 can be set to 200 [Ω], and the capacitance value cf2 can be set to 10 [pF]. The preferable range of the cutoff frequency Fc2 is the same as that of the cutoff frequency Fc1 described above.
<信号処理回路7の機能構成例>
次に図6を参照して、信号処理回路7の機能構成について説明する。図6は、信号処理回路7の機能構成の一例を説明するブロック図である。図6に示すように、信号処理回路7は、補間部71と、取得部72と、出力部73とを有する。
<Example of functional configuration of
Next, the functional configuration of the
これらのうち、補間部71は、ADC回路5が変換したデジタル電圧信号を補間した補間データを取得部72に出力する。
Of these, the
例えば時刻t(n)のときにADC回路5が変換したデジタル電圧信号の電圧をV(n)とし、次の時刻t(t+1)のときにADC回路5が変換したデジタル電圧信号の電圧をV(n+1)とする。なお、nは整数(n=0、1、2、3・・・)である。時刻t(t+1)は、時刻t(n)からADC回路5のサンプリング周期Δsが経過した後の時刻である。
For example, let V(n) be the voltage of the digital voltage signal converted by the
補間部71は、例えば、時刻t(n)と時刻t(n+1)の間の時刻{t(n)+t(n+1)}/2における電圧{V(n)+V(n+1)}/2を算出することで補間データを取得できる。
The
なお、補間部71が行う補間は、内挿と外挿とを含む。また補間方法には、上記のようなデジタル電圧信号間の平均値を算出する方法の他にも、線形補間、ラグランジュ補間、スプライン補間等の各種の補間方法を適用できる。
The interpolation performed by the
取得部72は、受光信号のピーク電圧が閾値以上である場合には、CMP回路6が変換したデジタル電圧信号に基づいて物体情報を取得する。一方、受光信号のピーク電圧が閾値以上でない場合には、補間部71が出力する補間データに基づいて物体情報を取得する。
When the peak voltage of the light receiving signal is equal to or greater than the threshold, the
CMP回路6は、受光信号のピーク電圧が閾値以上である場合には、受光信号に対応するデジタル電圧信号を取得部72に出力し、受光信号のピーク電圧が閾値以上でない場合には、受光信号に対応するデジタル電圧信号を取得部72に出力しない。従って、取得部72は、CMP回路6が出力するデジタル電圧信号が受光信号に対応するデジタル信号を含むか否かを判定することで、受光信号のピーク電圧が閾値以上である否かを判定できる。
When the peak voltage of the received light signal is equal to or greater than the threshold, the
出力部73は、取得部72により取得された物体情報を外部装置に出力できる。
The
<信号処理回路7による処理例>
次に図7を参照して、信号処理回路7による処理について説明する。図7は、信号処理回路7による処理の一例を示すフローチャートである。図7は、ADC回路5及びCMP回路6のそれぞれが変換したデジタル電圧信号を信号処理回路7が入力した時点をトリガーにした処理を示している。
<Example of Processing by
Next, the processing by the
まず、ステップS71において、取得部72は、CMP回路6が出力するデジタル電圧信号が受光信号に対応するデジタル信号を含む否かを判定する。
First, in step S71, the
ステップS71で、含むと判定された場合には(ステップS71、Yes)、ステップS72において、補間部71は、ADC回路5が変換したデジタル電圧信号を補間した補間データを取得部72に出力する。
If it is determined in step S71 that the signal is included (step S71, Yes), in step S72, the
続いて、ステップS73において、取得部72は、補間部71から入力した補間データに基づいて物体情報を取得する。
Next, in step S73, the
一方、ステップS71で、含まないと判定された場合には(ステップS71、No)、ステップS74において、取得部72は、CMP回路6が変換したデジタル電圧信号に基づいて物体情報を取得する。
On the other hand, if it is determined in step S71 that the object does not include the digital voltage signal (step S71, No), in step S74, the
続いて、ステップS75において、出力部73は、取得部72により取得された物体情報を外部装置に出力する。
Next, in step S75, the
このようにして、信号処理回路7は、デジタル電圧信号に基づき取得される物体情報を出力することができる。
In this way, the
<物体検出装置100の作用例>
次に、図8乃至図11を参照して、物体検出装置100の作用について説明する。
<Example of Operation of
Next, the operation of the
(LPF回路4の作用例)
まず図8を参照して、LPF回路4の作用について説明する。図8は、LPF回路4の作用の一例を説明する図である。図8の横軸は時間[ns]を示し、縦軸は規格化されたアナログ電圧を示している。図8はアナログ電圧信号の波形に対応する4つのグラフを示している。なお、図8に示すグラフはシミュレーション結果を示すものである。
(Example of operation of LPF circuit 4)
First, the operation of the
アナログ電圧信号81は、LPF回路4のカットオフ周波数Fc1が50[MHz]のときのアナログ電圧信号である。アナログ電圧信号81において、パルス状の電圧信号がLowレベルから増加を開始し、Lowレベルに減少を終了するまでの期間は、受光信号の時間幅81pに対応する。
The
アナログ電圧信号82は、LPF回路4のカットオフ周波数Fc1が100[MHz]のときのアナログ電圧信号である。アナログ電圧信号82において、パルス状の電圧信号がLowレベルから増加を開始し、Lowレベルに減少を終了するまでの期間は、受光信号の時間幅82pに対応する。
The
アナログ電圧信号83は、LPF回路4のカットオフ周波数Fc1が200[MHz]のときのアナログ電圧信号である。アナログ電圧信号83において、パルス状の電圧信号がLowレベルから増加を開始し、Lowレベルに減少を終了するまでの期間は、受光信号の時間幅83pに対応する。
The
アナログ電圧信号84は、LPF回路4を通過しない場合のアナログ電圧信号である。アナログ電圧信号84において、パルス状の電圧信号がLowレベルから増加を開始し、Lowレベルに減少を終了するまでの期間は、受光信号の時間幅84pに対応する。
図8に示すように、受光信号の時間幅84pが最も短く、LPF回路4のカットオフ周波数Fc1の値が小さくなるにつれ、時間幅83p、82p及び81pの順に受光信号の時間幅が長くなっている。このように、LPF回路4は、カットオフ周波数Fc1に応じて受光信号の時間幅を拡大させることができる。
8, the
(ADC回路5によるサンプリング例)
次に図9を参照して、ADC回路5によるサンプリングについて説明する。図9は、ADC回路5によるサンプリングの一例を説明する図である。図9の横軸は時間[ns]を示し、縦軸は規格化されたデジタル電圧を示している。図9はデジタル電圧信号の波形に対応する4つのグラフを示している。なお、図9に示すグラフはシミュレーション結果を示すものである。
(Example of Sampling by ADC Circuit 5)
Next, sampling by the
デジタル電圧信号91は、LPF回路4のカットオフ周波数Fc1が50[MHz]のときに変換されたデジタル電圧信号である。デジタル電圧信号91において、パルス状の電圧信号がLowレベルから増加を開始し、Lowレベルに減少を終了するまでの期間は、デタル受光信号のデジタル時間幅91pに対応する。
The
デジタル電圧信号92は、LPF回路4のカットオフ周波数Fc1が100[MHz]のときに変換されたデジタル電圧信号である。デジタル電圧信号92において、パルス状の電圧信号がLowレベルから増加を開始し、Lowレベルに減少を終了するまでの期間は、デジタル受光信号のデジタル時間幅92pに対応する。
The
デジタル電圧信号93は、LPF回路4のカットオフ周波数Fc1が200[MHz]のときに変換されたデジタル電圧信号である。デジタル電圧信号93において、パルス状の電圧信号がLowレベルから増加を開始し、Lowレベルに減少を終了するまでの期間は、デジタル受光信号のデジタル時間幅93pに対応する。
The
デジタル電圧信号94は、LPF回路4を通過しない場合に変換されたデジタル電圧信号である。デジタル電圧信号94において、パルス状の電圧信号がLowレベルから増加を開始し、Lowレベルに減少を終了するまでの期間は、デジタル受光信号のデジタル時間幅94pに対応する。
The
図9に示すように、デジタル電圧信号94ではデジタル時間幅94pが短く、デジタル電圧信号のサンプリング数は5個である。これに対し、デジタル電圧信号93では、デジタル時間幅94pと比較してデジタル時間幅93pが長くなり、デジタル電圧信号のサンプリング数は9個に増えている。このように、LPF回路4のカットオフ周波数Fc1が小さくなるにつれ、受光信号の時間幅が長くなり、デンジタル電圧信号のサンプリング数が増加する。
9, in the
(信号処理回路7による補間処理例)
次に図10を参照して、信号処理回路7による補間処理について説明する。図10は、信号処理回路7による補間処理の一例を説明する図である。図10の横軸は時間[ns]を示し、縦軸は規格化されたデジタル電圧を示している。
(Example of Interpolation Processing by Signal Processing Circuit 7)
Next, the interpolation process by the
図10における白丸プロット105は、アナログ電圧信号から変換されたデジタル電圧信号を示している。なお、白丸プロット105は、複数の白丸プロットの総称表記である。隣接する白丸プロット105間の横軸に沿う間隔は、ADC回路5のサンプリング周期Δsに対応する。
The open circle plots 105 in FIG. 10 represent digital voltage signals converted from analog voltage signals. Note that the open circle plots 105 are a collective notation for multiple open circle plots. The distance along the horizontal axis between adjacent open circle plots 105 corresponds to the sampling period Δs of the
図10における黒丸プロット106は、デジタル電圧信号が補間されたデータを示している。なお、黒丸プロット106は、複数の黒丸プロットの総称表記である。隣接する白丸プロット105間が黒丸プロット106で補間されている。 The black circle plots 106 in FIG. 10 show data in which digital voltage signals have been interpolated. Note that the black circle plots 106 are a collective term for multiple black circle plots. The black circle plots 106 are used to interpolate between adjacent white circle plots 105.
白丸プロット105と黒丸プロット106を併せたデータ、或いは白丸プロット105と黒丸プロット106を近似した2次曲線等の数式が補間データの一例に対応する。
An example of interpolated data is the combination of the
信号処理回路7は、補間データにおける電圧がピークとなる時刻に基づき、物体情報を取得できる。さらに、信号処理回路7は、投光部1が光を投光した時刻と、補間データにおける電圧がピークとなる時刻との差分を求めることで、物体までの距離を算出することができ、物体情報として物体までの距離を得ることができる。物体までの距離は光の速さをcとし、投光部1が光を投光した時刻をt0、補間データにおける電圧がピークとなる時刻をt1の場合、物体までの距離Lは、L=c×(t1-t0)/2で求めることができる。
The
(信号処理回路7による処理に応じた信号例)
次に図11を参照して、信号処理回路7による処理に応じた信号について説明する。図11は、信号処理回路7による処理に応じた信号の一例を説明する図である。図11(a)はCMP回路6の出力を示す図、図11(b)はADC回路5の出力を示す図である。
(Example of signal according to processing by signal processing circuit 7)
Next, a signal corresponding to the processing by the
図11(a)のグラフ111における閾値Thは、CMP回路6がアナログ電圧信号112と比較する閾値である。アナログ電圧信号112における受光信号のピーク電圧は閾値Thより大きいため、グラフ113に示すように、CMP回路6は、受光信号に対応するデジタル信号を含むデジタル電圧信号114を信号処理回路7に出力する。信号処理回路7は、CMP回路6が出力するデジタル電圧信号114が受光信号を含むと判定する。そして、デジタル電圧信号114に含まれる受光信号がピークとなる時刻に基づき取得した物体情報を出力する。
The threshold value Th in
一方、図11(b)のグラフ115では、アナログ電圧信号116における受光信号のピーク電圧は閾値Thより小さいため、グラフ117に示すように、CMP回路6は、受光信号に対応するデジタル信号を含まないデジタル電圧信号を信号処理回路7に出力する。信号処理回路7は、CMP回路6が出力するデジタル電圧信号が受光信号を含まないと判定する。そして、グラフ118に示すADC回路5が出力するデジタル電圧信号119を補間し、補間データに含まれる受光信号がピークとなる時刻に基づき取得した物体情報を出力する。
On the other hand, in
ここで、図11に示すように、CMP回路6が変換したデジタル電圧信号114に含まれる受光信号の帯域幅は、ADC回路5がLPF回路4を通過した信号を変換したデジタル電圧信号119に含まれる受光信号の帯域幅より広い。なお、帯域幅は周波数の幅を意味する。
Here, as shown in FIG. 11, the bandwidth of the received light signal contained in the
また、ADC回路5が変換したデジタル電圧信号119に含まれる受光信号の時間幅tt2は、CMP回路6が変換したデジタル電圧信号114に含まれる受光信号の時間幅より広い。
Furthermore, the time width tt 2 of the light receiving signal contained in the
また、CMP回路6が変換したデジタル電圧信号114に含まれる受光信号の立下り時間幅td2は、ADC回路5が変換したデジタル電圧信号119に含まれる受光信号の立下り時間幅より短い。なお、立下り時間幅は、信号が低下を開始して低下を終了までの時間幅を意味する。
Moreover, the falling time width td2 of the light receiving signal included in the
一方で、ADC回路5のゲインをCMP回路6のゲインより大きくすると、物体検出装置100からの距離が長い位置に存在する物体200からの戻り光102の減衰を補償できる。これにより、物体検出装置100による距離検出のダイナミックレンジを拡大できるため、より好適である。なお、ゲインとは電気的な信号増幅率をいう。
On the other hand, if the gain of the
<物体検出装置100の作用効果>
次に、物体検出装置100の作用効果について説明する。
<Effects of the
Next, the effects of the
従来から、レーザ光等の光を投光し、投光した光の物体からの戻り光を受光して、投光時刻と受光時刻の時間差等から物体情報を検出する物体検出装置が知られている。投光される光には、パルス幅が数ns乃至数10nsのパルス光が用いられることが多い。そのため、戻り光を受光する受光部には、数ns乃至数10nsのパルス光の受光時刻を検出可能なADC又はコンパレータの使用が求められる。 Conventionally, object detection devices are known that project light such as laser light, receive light returned from an object, and detect object information from the time difference between the time the light is projected and the time it is received. The light projected is often pulsed light with a pulse width of several ns to several tens of ns. For this reason, the light receiving unit that receives the returned light is required to use an ADC or comparator that can detect the time when pulsed light of several ns to several tens of ns is received.
また、物体までの距離検出のダイナミックレンジを拡大するために、投光した光の物体による後方散乱光信号の強度が閾値法の閾値より上の場合にはコンパレータを用いた閾値法を行い、後方散乱光信号の強度が信号サンプリングのためのADC等のサンプリングユニットの飽和限界より下の場合にはADCを用いた信号サンプリング法を行う構成が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, in order to expand the dynamic range of distance detection to an object, a configuration has been disclosed in which a threshold method using a comparator is performed when the intensity of the backscattered light signal from the object of the projected light is above the threshold of the threshold method, and a signal sampling method using an ADC is performed when the intensity of the backscattered light signal is below the saturation limit of a sampling unit such as an ADC for signal sampling (see, for example, Patent Document 1).
しかし、特許文献1の構成では、低速のADCを用いると時間分解能が不足するため、物体情報の検出精度を高く確保できない場合がある。その結果、低速のADCを用いて物体検出装置を低コスト化することができない場合がある。 However, in the configuration of Patent Document 1, when a low-speed ADC is used, the time resolution is insufficient, and it may not be possible to ensure high detection accuracy of object information. As a result, it may not be possible to reduce the cost of the object detection device by using a low-speed ADC.
具体的には、ADCに時間分解能が低い低速のものを用いると、アナログ信号をデジタル信号に変換する際に、受光信号の時間幅に対してADCのサンプリング周期Δsが相対的に長くなる。その結果、受光信号に対応するデジタル信号のサンプリング数が少なくなり、デジタル信号の補間処理等を伴う受光信号がピークとなる時刻の検出精度が低下して、物体情報の検出精度が低下する。 Specifically, if a slow ADC with low time resolution is used, the sampling period Δs of the ADC becomes relatively long compared to the time width of the received light signal when converting the analog signal to a digital signal. As a result, the number of samples of the digital signal corresponding to the received light signal decreases, and the detection accuracy of the time when the received light signal peaks, which involves interpolation processing of the digital signal, decreases, and the detection accuracy of the object information decreases.
例えば、サンプリング周波数が1[Gsps]で時間分解能が1[ns]の高速のADCを用いると、時間分解の1[ns]で光が光速(=3×108[m/s])で往復距離の1/2が距離の検出分解能となり、距離の検出分解能は15[cm]になるのに対し、サンプリング周波数が200[Msps]で時間分解能が5[ns]の低速のADCを用いると、検出分解能は75[cm]になる。検出分解能が低くなる結果、高速のADCを用いた場合と比較して、物体情報の検出精度が低下する。 For example, when a high-speed ADC with a sampling frequency of 1 Gsps and a time resolution of 1 ns is used, the distance detection resolution is 1/2 the round trip distance when light travels at the speed of light (=3×10 8 m/s) at a time resolution of 1 ns, resulting in a distance detection resolution of 15 cm, whereas when a low-speed ADC with a sampling frequency of 200 Msps and a time resolution of 5 ns is used, the detection resolution is 75 cm. As a result of the lower detection resolution, the detection accuracy of object information is reduced compared to when a high-speed ADC is used.
検出精度を上げるために、時間をずらして光を複数回投光した際の戻り光を利用する方法も考えられるが、この場合には物体情報の検出レート(検出周波数)が低くなる。 To improve detection accuracy, it is possible to use the reflected light from multiple light projections at different times, but this would result in a lower detection rate (detection frequency) for object information.
また、従来の低速のADCを使用した物体検出装置では、アップサンプリング処理が重く演算速度が遅くなるため、物体情報の検出精度を向上させるための複雑なアルゴリズムを適用できず、検出精度が低下する。 In addition, in object detection devices that use conventional low-speed ADCs, the upsampling process is heavy and the calculation speed is slow, making it impossible to apply complex algorithms to improve the detection accuracy of object information, resulting in reduced detection accuracy.
一方、物体情報の検出精度を上げるために高速のADCを用いると、物体検出装置のコストが大幅に増大する。 On the other hand, using a high-speed ADC to improve the accuracy of detecting object information significantly increases the cost of the object detection device.
本実施形態では、投光したレーザ光101(光)の物体200からの戻り光102を受光した受光信号の時間幅を拡大させる。そして、受光信号を含むアナログ電圧信号(アナログ信号)を所定のサンプリング周波数でデジタル電圧信号(デジタル信号)に変換し、デジタル電圧信号に基づき取得される物体200の物体情報を出力する。
In this embodiment, the time width of the received light signal that receives the return light 102 from the
受光信号の時間幅を拡大させることで、受光信号の時間幅に対してADC回路5(変換部)のサンプリング周期Δsが相対的に短くなる。これにより、受光信号に対応するデジタル電圧信号のサンプリング数が増え、デジタル電圧信号の補間処理等を伴う、受光信号がピークとなる時刻の検出精度が上がる。その結果、低速で低コストのADC回路5を使用しても、物体情報の検出精度を高く確保することができる。
By expanding the time width of the received light signal, the sampling period Δs of the ADC circuit 5 (conversion unit) becomes shorter relative to the time width of the received light signal. This increases the number of samples of the digital voltage signal corresponding to the received light signal, and improves the detection accuracy of the time when the received light signal reaches its peak, which involves interpolation processing of the digital voltage signal, etc. As a result, even if a low-speed, low-
本実施形態に係る物体検出装置100が使用するADC回路5のサンプリング周波数は、例えば500[Msps]以下である。この場合には、サンプリング周波数に基づく距離の検出分解能は30[cm]になるが、本実施形態のLPF回路4と信号処理回路7との適用により、サンプリング周波数が500[Msps]のADC回路5であっても、サンプリング周波数が1[Gsps]を用いた場合の距離の検出分解能である15[cm]と同等に向上させることができる。
The sampling frequency of the
またADC回路5のサンプリング周波数を200[Msps]以下にすることもできる。この場合には、距離の検出分解能は75[cm]になるが、本実施形態のLPF回路4と信号処理回路7との適用により、上記と同様にサンプリング周波数が200[Msps]のADC回路5であっても、15[cm]と同等の距離の検出分解能に向上させることができる。
例えば、ADCのサンプリング周波数を200[Msps]とし、受光信号の時間幅を6ns、LPF回路4のカットオフ周波数を30~50[MHz]とすることで、検出分解能を向上することができる。
The sampling frequency of the
For example, the detection resolution can be improved by setting the sampling frequency of the ADC to 200 [Msps], the time width of the light receiving signal to 6 ns, and the cutoff frequency of the
また本実施形態では、デジタル電圧信号を補間した補間データを出力する補間部71を有し、補間データに基づき取得された物体情報を出力する。これによりデジタル電圧信号に含まれる受光信号がピークとなる時刻の検出精度を上げることができ、物体情報の検出精度をより高く確保することができる。
In addition, this embodiment has an
また本実施形態では、LPF回路4(拡大部)のカットオフ周波数は、受光信号の時間幅の逆数に対応する周波数の1/10以上である。或いはLPF回路4を通過後の受光信号の時間幅は、ADC回路5のサンプリング周波数の逆数の3倍以下である。これらの条件を満足することで、低速で低コストのADC回路5を使用しても、物体情報の検出精度を高く確保することができる。
In addition, in this embodiment, the cutoff frequency of the LPF circuit 4 (enlargement section) is 1/10 or more of the frequency corresponding to the reciprocal of the time width of the received light signal. Alternatively, the time width of the received light signal after passing through the
また本実施形態では、アナログ電圧信号を閾値Th(所定の閾値)と比較してデジタル電圧信号に変換するCMP回路6(比較部)を有する。受光信号のピーク電圧が閾値Th以上である場合には、CMP回路6が変換したデジタル電圧信号に基づき取得される物体情報を出力する。一方、受光信号のピーク電圧が閾値Th以上でない場合には、出力部73は、ADC回路5が変換したデジタル電圧信号に基づき取得される物体情報を出力する。
This embodiment also has a CMP circuit 6 (comparison unit) that compares the analog voltage signal with a threshold value Th (predetermined threshold value) and converts it into a digital voltage signal. When the peak voltage of the received light signal is equal to or greater than the threshold value Th, the
これにより、物体検出装置100からの距離が長く、戻り光102の光強度が低くなる場合にもADC回路5による高い電圧分解能での物体情報の検出を可能とし、物体検出装置100の距離検出のダイナミックレンジを拡大することができる。
This enables the
また本実施形態では、CMP回路6が変換する受光信号の帯域幅は、ADC回路5が変換する受光信号の帯域幅より狭い。またADC回路5が変換する受光信号の時間幅tt2は、CMP回路6が変換する受光信号の時間幅より広い。或いはCMP回路6が変換する受光信号の立下り時間幅は、前記変換部が変換する前記受光信号の立下り時間幅td2より短い。
In this embodiment, the bandwidth of the received light signal converted by the
これらにより、ADC回路5が変換した受光信号に対応するデジタル電圧信号のサンプリング数を増やし、デジタル電圧信号の補間処理等を伴う、受光信号がピークとなる時刻の検出精度を上げることができる。そして、低速で低コストのADC回路5を使用しても、物体情報の検出精度を高く確保することができる。
This increases the number of samples of the digital voltage signal corresponding to the received light signal converted by the
また本実施形態において、ADC回路5のゲインをCMP回路6のゲインより大きくすることで、物体検出装置100から遠い位置に存在する物体200からの戻り光102の減衰を補償でき、物体検出装置100による距離検出のダイナミックレンジを拡大できる。
In addition, in this embodiment, by making the gain of the
ここで、TIA回路3が出力するアナログ電圧信号がLPF回路4を通過すると、LPF回路4のカットオフ周波数と同等又はそれ以下の周波数成分に対応する受光信号のピーク電圧が低下し、物体情報の検出精度に影響する場合がある。
Here, when the analog voltage signal output by the
本実施形態では、カットオフ周波数が十分に高い受光信号をCMP回路6で変換し、変換されたデジタル電圧信号に基づき物体情報を取得する。そのため、LPF回路4の通過による受光信号のピーク電圧低下の影響を受けずに物体情報を取得できる。
In this embodiment, the received light signal, which has a sufficiently high cutoff frequency, is converted by the
[第2実施形態]
次に、第2実施形態に係る物体検出装置100aについて説明する。なお、既に説明した構成部と同一のものには同じ部品番号を付し、重複する説明を適宜省略する。この点は以降に示す実施形態においても同様である。
[Second embodiment]
Next, an
本実施形態では、CMP回路6(比較部)による比較結果に基づき、アナログ電圧信号(アナログ信号)に含まれる受光信号が閾値Th以上である対象期間の情報を取得する。そしてADC回路5(変換部)がこの対象期間内に変換したデジタル電圧信号(デジタル信号)に基づき取得される物体情報を出力する。 In this embodiment, based on the comparison result by the CMP circuit 6 (comparison unit), information on the target period during which the light receiving signal included in the analog voltage signal (analog signal) is equal to or greater than the threshold value Th is obtained. Then, the ADC circuit 5 (conversion unit) outputs object information obtained based on the digital voltage signal (digital signal) converted during this target period.
これにより、受光信号がピークになる時刻を検出するための処理負荷を低減し、また処理時間を短縮可能にする。 This reduces the processing load required to detect the time when the received light signal peaks, and also shortens the processing time.
<信号処理回路7aの機能構成例>
物体検出装置100aが備える信号処理回路7aの機能構成について説明する。図12は、信号処理回路7aの機能構成の一例を説明するブロック図である。図12に示すように、信号処理回路7aは、期間取得部74と、補間部71aとを有する。
<Example of functional configuration of
The functional configuration of the
期間取得部74は、CMP回路6による比較結果に基づき、TIA回路3(図1参照)が出力するアナログ電圧信号に含まれる受光信号が閾値Th以上である対象期間の情報を取得する。
Based on the comparison result by the
補間部71aは、期間取得部74が取得した対象期間内に、ADC回路5がアナログ電圧信号を変換したデジタル電圧信号を用いて補間処理を行い、取得部72に補間データを出力する。取得部72はこの補間データに基づき取得した物体情報を、出力部73を介して外部装置に出力する。
The
<信号処理回路7aによる処理例>
次に図13を参照して、信号処理回路7aによる処理について説明する。図13は、信号処理回路7aによる処理の一例を示すフローチャートである。図13は、ADC回路5及びCMP回路6のそれぞれが変換したデジタル電圧信号を信号処理回路7aが入力した時点をトリガーにした処理を示している。
<Example of processing by
Next, the processing by the
まず、ステップS131において、期間取得部74は、CMP回路6が出力するデジタル電圧信号が受光信号に対応するデジタル信号を含む否かを判定する。
First, in step S131, the
ステップS131で、含むと判定された場合には(ステップS131、Yes)、ステップS132において、期間取得部74は、CMP回路6による比較結果に基づき、TIA回路3が出力するアナログ電圧信号に含まれる受光信号が閾値Th以上である対象期間の情報を取得する。
If it is determined in step S131 that it does (step S131, Yes), in step S132, the
続いて、ステップS133において、補間部71aは、期間取得部74が取得した対象期間内にADC回路5がアナログ電圧信号を変換したデジタル電圧信号を用いて補間処理を行い、取得部72に補間データを出力する。
Next, in step S133, the
一方、ステップS131で、含まないと判定された場合には(ステップS131、No)、ステップS134において、補間部71aは、ADC回路5がアナログ電圧信号を変換した全てのデジタル電圧信号を用いて補間処理を行い、取得部72に補間データを出力する。
On the other hand, if it is determined in step S131 that the signal does not include the digital voltage signals (step S131, No), in step S134, the
続いて、ステップS135において、取得部72は、補間部71aから入力した補間データに基づいて物体情報を取得する。
Next, in step S135, the
続いて、ステップS136において、出力部73は、取得部72により取得された物体情報を外部装置に出力する。
Next, in step S136, the
このようにして、信号処理回路7aは、デジタル電圧信号に基づき取得される物体情報を出力することができる。
In this way, the
(信号処理回路7aによる処理に応じた信号例)
次に図14を参照して、信号処理回路7aによる処理に応じた信号について説明する。図14は、信号処理回路7aによる処理に応じた信号の一例を説明する図である。図14は、TIA回路3が出力するアナログ電圧信号における受光信号のピーク電圧が閾値Th以上である場合を例示している。
(Example of signal processed by
Next, a signal corresponding to the processing by the
図14のグラフ141における閾値Thは、CMP回路6がアナログ電圧信号142と比較する閾値である。グラフ143は、CMP回路6がアナログ電圧信号142と閾値Thを比較した結果として出力するデジタル電圧信号144を示している。
The threshold value Th in
グラフ143に示すように、CMP回路6は、アナログ電圧信号142が閾値Th以上となる対象期間Toの情報を含むデジタル電圧信号144を出力する。期間取得部74は、CMP回路6による比較結果であるデジタル電圧信号144に基づき、対象期間Toの情報を取得できる。
As shown in
グラフ145は、TIA回路3が出力し、LPF回路4を通過後にADC回路5に入力するアナログ電圧信号146を示している。補間部71aは、ADC回路5がアナログ電圧信号146を変換したデジタル電圧信号のうち、対象期間Toに対応するデジタル電圧信号のみを用いて補間処理を行う。つまり補間部71aは、対象期間外の期間Tnoに対応するデジタル電圧信号に対しては補間処理を行わない。
このようにして、信号処理回路7aは、対象期間To内でADC回路5が変換したデジタル電圧信号を補間し、補間データに基づき物体情報を取得できる。
In this way, the
<物体検出装置100aの作用効果>
以上説明したように、本実施形態では、CMP回路6(比較部)による比較結果に基づき、アナログ電圧信号142(アナログ信号)に含まれる受光信号が閾値Th以上である対象期間Toの情報を取得する。そしてADC回路5(変換部)がこの対象期間To内に変換したデジタル電圧信号(デジタル信号)に基づき取得される物体情報を出力する。
<Functions and Effects of
As described above, in this embodiment, information on the target period To during which the light receiving signal included in the analog voltage signal 142 (analog signal) is equal to or greater than the threshold value Th is obtained based on the comparison result by the CMP circuit 6 (comparison unit). Then, the ADC circuit 5 (conversion unit) outputs object information obtained based on the digital voltage signal (digital signal) converted during this target period To.
補間処理を行うデジタル電圧信号を対象期間To内に限定することで、補間処理を行うデータ数を減少させることができる。これにより、受光信号がピークになる時刻を検出するための処理負荷を低減し、また処理時間を短縮することができる。また、大きい処理負荷に対応可能な高価な演算器を用いる場合と比較して、物体検出装置100aのコストを低減できる。
By limiting the digital voltage signal on which the interpolation process is performed to within the target period To, the amount of data on which the interpolation process is performed can be reduced. This reduces the processing load for detecting the time when the light receiving signal reaches its peak, and also shortens the processing time. In addition, the cost of the
なお、上記以外の効果は、第1実施形態で説明したものと同様である。 Note that effects other than those described above are the same as those described in the first embodiment.
[第3実施形態]
次に、第3実施形態に係る物体検出装置100bについて説明する。
[Third embodiment]
Next, an
ここで、物体検出装置の検出対象となる物体の存在の仕方によっては、複数の物体からの戻り光102が重なり、TIA回路3(図1参照)が出力するアナログ電圧信号に複数の受光信号が重なって含まれる場合がある。例えば複数の極大値電圧を有する受光信号がアナログ電圧信号に含まれる。 Here, depending on how the object to be detected by the object detection device is present, the return light 102 from multiple objects may overlap, and multiple overlapping light receiving signals may be included in the analog voltage signal output by the TIA circuit 3 (see FIG. 1). For example, a light receiving signal having multiple maximum voltage values may be included in the analog voltage signal.
この場合には、複数の極大値電圧にそれぞれ対応して取得される複数の時刻ごとに、物体情報を検出することが好ましい。 In this case, it is preferable to detect object information at each of a number of times acquired corresponding to a number of local maximum voltages.
しかし、ADC回路5が変換したデジタル電圧信号を例えば2次関数で近似すると、1つのピーク電圧に対応する時刻に基づく物体情報しか検出できない。また、複数の極大値電圧が重なった結果のピーク電圧に対応する時刻に基づき、物体情報が検出されるため、正確な物体情報が得られなくなる。
However, if the digital voltage signal converted by the
本実施形態では、CMP回路6(比較部)による比較結果に基づき、アナログ電圧信号(アナログ信号)に含まれる受光信号が所定期間内に閾値Th以上になった回数の情報を取得する。そして、ADC回路5(変換部)が変換したデジタル電圧信号(デジタル信号)の補間処理方法を回数に応じて決定する。 In this embodiment, based on the comparison result by the CMP circuit 6 (comparison unit), information is obtained on the number of times that the light receiving signal included in the analog voltage signal (analog signal) becomes equal to or greater than the threshold value Th within a predetermined period. Then, the interpolation processing method for the digital voltage signal (digital signal) converted by the ADC circuit 5 (conversion unit) is determined according to the number of times.
例えば2つの極大値電圧を有する受光信号がアナログ電圧信号に含まれる場合には、ADC回路5が変換したデジタル電圧信号を4次関数で近似する方法を補間処理方法として決定する。そして、補間データを用いて、2つの極大値電圧にそれぞれ対応して取得される複数の時刻ごとに物体情報を検出する。
For example, when the analog voltage signal contains a light receiving signal having two maximum voltage values, the method of approximating the digital voltage signal converted by the
これにより、複数の物体200からの戻り光102が重なり、TIA回路3が出力するアナログ電圧信号に複数の受光信号が重なって含まれる場合にも、正確に物体情報を検出可能にする。
This makes it possible to accurately detect object information even when the return light 102 from
<信号処理回路7bの機能構成例>
物体検出装置100bが備える信号処理回路7bの機能構成について説明する。図15は、信号処理回路7bの機能構成の一例を説明するブロック図である。図15に示すように、信号処理回路7bは、回数取得部75と、決定部76と、補間部71bとを有する。
<Example of functional configuration of
The functional configuration of the
回数取得部75は、CMP回路6による比較結果に基づき、TIA回路3が出力するアナログ電圧信号に含まれる受光信号が所定期間内に閾値Th以上になった回数の情報を取得する。
The
決定部76は、回数取得部75が取得した回数の情報に応じて補間部71bによる補間処理方法を決定する。
The
補間部71bは、決定部76が決定した補間処理方法を用いて、ADC回路5が変換したアナログ電圧信号を補間し、取得部72に補間データを出力する。
The
取得部72は、補間部71bから入力した補間データに基づき取得される物体情報を、出力部73を介して外部装置に出力する。
The
<信号処理回路7bによる処理例>
次に図16を参照して、信号処理回路7bによる処理について説明する。図16は、信号処理回路7bによる処理の一例を示すフローチャートである。図16は、ADC回路5及びCMP回路6のそれぞれが変換したデジタル電圧信号を信号処理回路7bが入力した時点をトリガーにした処理を示している。
<Example of processing by
Next, the processing by the
まず、ステップS161において、回数取得部75は、CMP回路6が出力するデジタル電圧信号が受光信号に対応するデジタル信号を含む否かを判定する。
First, in step S161, the
ステップS161で、含むと判定された場合には(ステップS161、Yes)、ステップS162において、回数取得部75は、CMP回路6による比較結果に基づき、TIA回路3が出力するアナログ電圧信号に含まれる受光信号が所定期間内に閾値Th以上になった回数の情報を取得する。
If it is determined in step S161 that it does (step S161, Yes), in step S162, the
続いて、ステップS163において、決定部76は、回数取得部75が取得した回数が2回以上であるか否かを判定する。
Next, in step S163, the
ステップS163で、2回以上であると判定された場合には(ステップS163、Yes)、決定部76は第2の補間処理方法に決定する。その後、ステップS164において、補間部71bは、ADC回路5がアナログ電圧信号を変換したデジタル電圧信号を第2の補間処理方法で補間し、取得部72に補間データを出力する。第2の補間処理方法は、例えばデジタル電圧信号を4次以上の偶数次関数で近似する方法等である。
If it is determined in step S163 that the number of times is two or more (Yes in step S163), the
一方、ステップS163で、2回以上でないと判定された場合には(ステップS163、No)、決定部76は第1の補間処理方法に決定する。その後、ステップS165において、補間部71bは、ADC回路5がアナログ電圧信号を変換したデジタル電圧信号を第1の補間処理方法で補間し、取得部72に補間データを出力する。第1の補間処理方法は、例えばデジタル電圧信号を2次関数で近似する方法等である。
On the other hand, if it is determined in step S163 that the number of times is not two or more (step S163, No), the
続いて、ステップS166において、取得部72は、補間部71bから入力した補間データに基づいて物体情報を取得する。
Next, in step S166, the
続いて、ステップS167において、出力部73は、取得部72により取得された物体情報を外部装置に出力する。
Next, in step S167, the
このようにして、信号処理回路7bは、デジタル電圧信号に基づき取得される物体情報を出力することができる。
In this way, the
(信号処理回路7bによる処理に応じた信号例)
次に図17を参照して、信号処理回路7bによる処理に応じた信号について説明する。図17は、信号処理回路7bによる処理に応じた信号の一例を説明する図である。図17は、TIA回路3が出力するアナログ電圧信号における受光信号のピーク電圧が閾値Th以上である場合を例示している。
(Example of signal according to processing by
Next, a signal corresponding to the processing by the
図17のグラフ171における閾値Thは、CMP回路6がアナログ電圧信号172と比較する閾値である。グラフ173は、CMP回路6がアナログ電圧信号172と閾値Thを比較した結果として出力するデジタル電圧信号174を示している。
The threshold value Th in graph 171 of FIG. 17 is the threshold value that the
グラフ173に示すように、CMP回路6は、アナログ電圧信号172が所定期間Tp内に閾値Th以上になった回数の情報を含むデジタル電圧信号174を出力する。図17に示す例では、アナログ電圧信号172は所定期間Tp内に2回閾値Th以上になっているため、デジタル電圧信号174は2つのパルス状の電圧信号を含んでいる。なお、所定期間Tpは、投光部1(図1参照)がレーザ光101を投光する周期等に応じて予め定められた期間である。
As shown in
回数取得部75は、CMP回路6による比較結果であるデジタル電圧信号174に基づき、2回という回数の情報を取得できる。決定部76は、回数取得部75が取得した2回の回数情報に基づき、補間処理方法として4次関数で近似する方法を決定する。
The
グラフ175は、TIA回路3が出力し、LPF回路4を通過後にADC回路5に入力するアナログ電圧信号176を示している。補間部71bは、ADC回路5がアナログ電圧信号176を変換したデジタル電圧信号を4次関数で近似する補間処理を行う。
補間部71bは、4次関数以外でも、ADC回路5に入力されるアナログ信号の波形に合わせて、任意の関数を用いることができる。ADC回路5に入力するアナログ電圧信号176は、時間及び振幅の異なる2つのアナログ信号を足し合わせたものと考えることができる。ここで、単一の物体からの受光信号に基づきADC回路5に入力されるアナログ信号は、第2実施形態で示したように、図14のグラフ145のような信号となる。図17のグラフ175の二つの物体からの受光信号に基づきADC回路5に入力されるアナログ電圧信号176は、二つの物体からの受光信号それぞれを加算したアナログ信号である。
The
距離0の物体からの受光信号によるアナログ電圧信号を関数f(t)で近似する場合(tは投光した時刻からの経過時間)、二つの物体からの受光信号によるアナログ電圧信号は関数g(t)=Af(t-τ1)+Bf(t-τ2)で表すことができる。ここで、τ1、τ2はCMP回路6が出力する2つのパルス状の電圧信号の立ち上がり時刻をそれぞれτ1及びτ2であり、A,Bは2つの物体のそれぞれの反射率や距離により投光した光の強度が低下した比率に対応する量である。 When approximating the analog voltage signal resulting from the light reception signal from an object at a distance of 0 with a function f(t) (t is the time elapsed since the light was projected), the analog voltage signal resulting from the light reception signals from two objects can be expressed as a function g(t) = Af(t - τ 1 ) + Bf(t - τ 2 ), where τ 1 and τ 2 are the rise times of the two pulse-like voltage signals output by the CMP circuit 6, respectively, and A and B are amounts corresponding to the ratio at which the intensity of the projected light is reduced due to the reflectance and distance of each of the two objects.
関数f(t)は、ADC回路5に入力するアナログ電圧信号や、LPF回路4の周波数特性等によって選ぶことができ、例えばガウス関数、放物線関数、サイン関数や、これらの関数を加算・乗算した関数等を用いることができる。さらには、冪級数やフーリエ級数等を用いることで、より正確に近似することができるため、有効である。
The function f(t) can be selected based on the analog voltage signal input to the
補間部71bは、ADC回路5が出力するデジタル電圧信号(図17、グラフ175の白丸に対応)を、関数g(t)に近似する。近似は、最小二乗法等の公知の演算手法を用いることができる。その際に、補間部71bは、CMP回路6で検出したτ1及びτ2を近似の計算の初期値として用いることで、近似計算の処理速度を向上できる。
The
補間部71bは、近似計算によって得られた関数g(t)に基づいて、補間処理を行う。補間部71bは、アナログ電圧信号176に含まれる二つの極大値177と178を含む補間データを取得部72に出力できる。なお、極大値を算出する方法として、関数に近似する手法を述べたが、より簡易的にピーク電圧を検出する方法として、重心計算等で代用することもできる。
The
取得部72は、2つの極大値電圧のそれぞれに対応する時刻に基づいて2つの物体情報を取得できる。
The
このようにして、信号処理回路7bは、ADC回路5が変換した、複数の極大値電圧を含むデジタル電圧信号を補間し、補間データに基づき物体情報を取得できる。
<物体検出装置100bの作用効果>
In this manner, the
<Functions and Effects of
以上説明したように、本実施形態では、CMP回路6(比較部)による比較結果に基づき、アナログ電圧信号(アナログ信号)に含まれる受光信号が所定期間内に閾値Th以上になった回数の情報を取得する。そして、この回数に応じて、ADC回路5(変換部)が変換したデジタル電圧信号(デジタル信号)の補間処理方法を決定する。 As described above, in this embodiment, based on the comparison result by the CMP circuit 6 (comparison unit), information is obtained on the number of times that the light receiving signal included in the analog voltage signal (analog signal) becomes equal to or greater than the threshold value Th within a predetermined period. Then, depending on this number, an interpolation processing method for the digital voltage signal (digital signal) converted by the ADC circuit 5 (conversion unit) is determined.
例えば2つの極大値電圧を有する受光信号がアナログ電圧信号に含まれる場合には、ADC回路5が変換したデジタル電圧信号を4次関数で近似する補間処理方法に決定し、2つの極大値電圧にそれぞれ対応して取得される複数の時刻ごとに物体情報を検出する。
For example, when the analog voltage signal contains a light receiving signal having two maximum voltage values, the
これにより、複数の物体200からの戻り光102が重なり、TIA回路3が出力するアナログ電圧信号に複数の受光信号が重なって含まれる場合にも、正確に物体情報を検出することができる。
This makes it possible to accurately detect object information even when the return light 102 from
なお、これ以外の効果は、上述した実施形態と同様である。 Other effects are the same as those of the above-mentioned embodiment.
[第4実施形態]
次に、第4実施形態に係る移動体について説明する。ここで、移動体とは移動可能な物体をいう。
[Fourth embodiment]
Next, a description will be given of a moving body according to the fourth embodiment. Here, the moving body refers to an object that can move.
図18は、物体検出装置100を備える移動体400の構成の一例を示す図である。移動体400は、荷物を目的地に無人搬送する無人搬送車である。なお、図18において、Z軸方向は移動体400の移動方向を示し、X軸方向はZ軸と直交する平面内での所定方向を示し、Y軸方向はZ軸と直交する平面内でX軸と直交する方向を示す。
Figure 18 is a diagram showing an example of the configuration of a moving
物体検出装置100は、移動体400の前部(Z軸正方向側)に取り付けられ、移動体400のZ軸正方向側の物体情報を取得する。物体検出装置100の出力によって、移動体400のZ軸正方向側の障害物等の物体情報を検出できる。
The
次に図19は、移動体400のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図19に示すように、移動体400は、物体検出装置100と、表示装置30と、位置制御装置40と、メモリ50と、音声・警報発生装置60とを有する。これらは、信号やデータの伝送が可能なバス70を介して電気的に接続している。
Next, FIG. 19 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of a moving
本実施形態では、物体検出装置100と、表示装置30と、位置制御装置40と、メモリ50と、音声・警報発生装置60とによって、走行管理装置401が構成されている。走行管理装置401は、移動体400に搭載されている。また、走行管理装置401は、移動体400のメインコントローラ80と電気的に接続している。
In this embodiment, the
表示装置30は、物体検出装置100が取得した物体情報や移動体400に関わる各種設定情報等を表示するLCD(Liquid Crystal Display)等のディスプレイである。位置制御装置40は、物体検出装置100が取得した物体情報に基づき、移動体400の位置を制御するCPU等の演算装置である。音声・警報発生装置60は、物体検出装置100が取得した物体情報から、障害物の回避の可否を判定し、回避不可と判断された場合に周囲の人員に通知するスピーカー等の装置である。
The
このようにして、物体検出装置100を有する移動体を提供することができる。なお、これ以外の効果は、上述した実施形態で説明したものと同様である。
In this way, a moving body having the
また、物体検出装置100が搭載される移動体は無人搬送車に限定されるものではない。例えば移動体は、自動車、車両、電車、汽車又はフォークリフト等の陸上を移動可能な陸上移動体を含み、飛行機、気球又はドローン等の空中を移動可能な空中移動体を含み、船、船舶、汽船又はボート等の水上を移動可能な水上移動体を含む。また、移動体だけでなく、スマートフォンやタブレット等の情報端末に物体検出装置100を搭載することも可能である。
Movements on which the
以上、実施形態を説明してきたが、本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。 Although the embodiments have been described above, the present invention is not limited to the specifically disclosed embodiments above, and various modifications and variations are possible without departing from the scope of the claims.
なお、物体検出装置100により投光される光は、レーザ光に限定されるものではなく、指向性を有さない光であってもよい。またレーダー等の波長の長い電磁波等を用いることもできる。
The light projected by the
また、実施形態は物体検出方法を含む。例えば、物体検出方法は、物体の有無又は物体までの距離の少なくとも一方を検出する物体検出装置による物体検出方法であって、光を投光する工程と、前記物体による前記光の反射光又は散乱光の少なくとも一方の受光信号を含むアナログ信号を出力する工程と、前記受光信号の時間幅を拡大させる工程と、前記アナログ信号を所定のサンプリング周波数でデジタル信号に変換する工程と、前記デジタル信号に基づき取得される前記物体の有無又は前記物体までの距離の少なくとも一方を含む物体情報を出力する工程と、を行う。このような物体検出方法により上述した物体検出装置と同様の効果を得ることができる。 The embodiment also includes an object detection method. For example, the object detection method is an object detection method using an object detection device that detects at least one of the presence or absence of an object and the distance to the object, and includes the steps of projecting light, outputting an analog signal including a light reception signal of at least one of the reflected light or scattered light of the light by the object, expanding the time width of the light reception signal, converting the analog signal into a digital signal at a predetermined sampling frequency, and outputting object information including at least one of the presence or absence of the object and the distance to the object obtained based on the digital signal. Such an object detection method can achieve the same effect as the object detection device described above.
また、実施形態はプログラムを含む。例えば、プログラムは、物体の有無又は物体までの距離の少なくとも一方を検出する物体検出装置で動作するプログラムであって、光を投光し、前記物体による前記光の反射光又は散乱光の少なくとも一方の受光信号を含むアナログ信号を出力し、前記受光信号の時間幅を拡大させ、前記アナログ信号を所定のサンプリング周波数でデジタル信号に変換し、前記デジタル信号に基づき取得される前記物体の有無又は前記物体までの距離の少なくとも一方を含む物体情報を出力する処理をコンピュータに実行させる。このようなプログラムにより上述した物体検出装置と同様の効果を得ることができる。 The embodiment also includes a program. For example, the program is a program that operates in an object detection device that detects at least one of the presence or absence of an object and the distance to the object, and causes a computer to execute a process of projecting light, outputting an analog signal including a light reception signal of at least one of the reflected light or scattered light of the light by the object, expanding the time width of the light reception signal, converting the analog signal into a digital signal at a predetermined sampling frequency, and outputting object information including at least one of the presence or absence of the object and the distance to the object obtained based on the digital signal. Such a program can provide the same effect as the object detection device described above.
なお、プログラムは、物体検出装置で動作するものだけでなく、物体検出装置が搭載された移動体で動作するものも含む。 The programs include not only those that run on an object detection device, but also those that run on a moving body equipped with an object detection device.
実施形態の説明で用いた序数、数量等の数字は、全て本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、構成要素間の接続関係は、本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係をこれに限定するものではない。 The ordinal numbers, quantities, and other numbers used in the description of the embodiments are all provided as examples to specifically explain the technology of the present invention, and the present invention is not limited to the exemplified numbers. In addition, the connections between the components are provided as examples to specifically explain the technology of the present invention, and do not limit the connections that realize the functions of the present invention.
また、機能ブロック図におけるブロックの分割は一例であり、複数のブロックを一つのブロックとして実現する、一つのブロックを複数に分割する、及び/又は、一部の機能を他のブロックに移してもよい。また、類似する機能を有する複数のブロックの機能を単一のハードウェア又はソフトウェアが並列又は時分割に処理してもよい。 The division of blocks in the functional block diagram is just one example, and multiple blocks may be realized as one block, one block may be divided into multiple blocks, and/or some functions may be transferred to other blocks. Furthermore, the functions of multiple blocks having similar functions may be processed in parallel or in a time-shared manner by a single piece of hardware or software.
1 投光部
2 受光部
3 TIA回路
4 LPF回路(拡大部の一例、ローパスフィルタの一例)
4c AMP回路(拡大部の一例)
5 ADC回路(変換部の一例)
6 CMP回路(比較部の一例)
7 信号処理回路
71 補間部
72 取得部
73 出力部
74 期間取得部
75 回数取得部
76 決定部
81p、82p、83p、84p 受光信号の時間幅(時間幅の一例)
100 物体検出装置
101 レーザ光
102 戻り光
200 物体
Δs サンプリング周期
T 受光信号の時間幅
td2 ADC回路が変換した受光信号の時間幅
tt2 ADC回路が変換した受光信号の立下り時間幅
Th 閾値
To 対象期間
Tp 所定期間
400 移動体
1 Light-emitting unit 2 Light-receiving
4c AMP circuit (an example of an enlarged section)
5. ADC circuit (an example of a conversion unit)
6 CMP circuit (an example of a comparison unit)
7
100
Claims (15)
光を投光する投光部と、
前記物体による前記光の反射光又は散乱光の少なくとも一方の受光信号を含む第1のアナログ信号を出力する受光部と、
前記受光信号の時間幅を拡大させる拡大部と、
前記拡大部が時間幅を拡大した前記受光信号を含む第2のアナログ信号を所定のサンプリング周波数でデジタル信号に変換する変換部と、
前記デジタル信号に基づき取得される前記物体の有無又は前記物体までの距離の少なくとも一方を含む物体情報を出力する出力部と、を有する物体検出装置。 An object detection device that detects at least one of the presence or absence of an object and the distance to the object,
a light projection unit that projects light;
a light receiving unit that outputs a first analog signal including a light receiving signal of at least one of reflected light and scattered light of the light by the object;
an expansion unit that expands a time width of the received light signal;
a conversion unit that converts a second analog signal including the light receiving signal whose time width has been expanded by the expansion unit into a digital signal at a predetermined sampling frequency;
and an output unit that outputs object information including at least one of the presence or absence of the object and the distance to the object obtained based on the digital signal.
前記出力部は、前記補間データに基づき取得された前記物体情報を出力する請求項1に記載の物体検出装置。 an interpolation unit that outputs interpolated data obtained by interpolating the digital signal;
The object detection device according to claim 1 , wherein the output unit outputs the object information acquired based on the interpolated data.
前記カットオフ周波数は、前記受光信号の時間幅の逆数に対応する周波数の2倍以下である請求項1又は2に記載の物体検出装置。 the expansion unit has a low-pass filter having a predetermined cutoff frequency;
3. The object detection device according to claim 1, wherein the cutoff frequency is equal to or lower than twice the frequency corresponding to the reciprocal of the time width of the received light signal.
前記ローパスフィルタを通過後の前記受光信号の時間幅は、前記サンプリング周波数の逆数の3倍以上である請求項1乃至3の何れか1項に記載の物体検出装置。 the expansion unit has a low-pass filter having a predetermined cutoff frequency;
4. The object detection device according to claim 1, wherein a time width of the received light signal after passing through the low-pass filter is three times or more the reciprocal of the sampling frequency.
前記出力部は、前記受光信号のピークが前記閾値以上である場合には、前記比較部が変換したデジタル信号に基づき取得される前記物体情報を出力し、前記ピークが前記閾値以上でない場合には、前記変換部が変換したデジタル信号に基づき取得される前記物体情報を出力する請求項1乃至4の何れか1項に記載の物体検出装置。 a comparison unit that compares the first analog signal with a predetermined threshold and converts it into a digital signal;
5. The object detection device according to any one of claims 1 to 4, wherein the output unit outputs the object information obtained based on the digital signal converted by the comparison unit when the peak of the received light signal is greater than or equal to the threshold, and outputs the object information obtained based on the digital signal converted by the conversion unit when the peak is not greater than or equal to the threshold.
前記比較部による比較結果に基づき、前記受光信号が前記閾値以上である対象期間の情報を取得する期間取得部と、を有し、
前記出力部は、前記変換部が前記対象期間内に変換したデジタル信号に基づき取得される前記物体情報を出力する請求項1乃至4の何れか1項に記載の物体検出装置。 a comparison unit that compares the first analog signal with a predetermined threshold and converts it into a digital signal;
a period acquisition unit that acquires information on a target period during which the light receiving signal is equal to or greater than the threshold value based on a comparison result by the comparison unit,
The object detection device according to claim 1 , wherein the output unit outputs the object information acquired based on the digital signal converted by the conversion unit during the target period.
前記比較部による比較結果に基づき、所定期間内に前記受光信号が前記閾値以上になった回数の情報を取得する回数取得部と、
前記変換部が変換したデジタル信号を補間した補間データを出力する補間部と、
前記回数に応じて前記補間部による補間処理方法を決定する決定部と、を有し、
前記出力部は、前記補間データに基づき取得された前記物体情報を出力する請求項1乃至4の何れか1項に記載の物体検出装置。 a comparison unit that compares the first analog signal with a predetermined threshold and converts it into a digital signal;
a count acquiring unit that acquires information on the number of times that the light receiving signal becomes equal to or greater than the threshold within a predetermined period based on a comparison result by the comparing unit;
an interpolation unit that outputs interpolated data obtained by interpolating the digital signal converted by the conversion unit;
a determination unit that determines an interpolation processing method to be performed by the interpolation unit in accordance with the number of times;
The object detection device according to claim 1 , wherein the output unit outputs the object information acquired based on the interpolated data.
光を投光する工程と、
前記物体による前記光の反射光又は散乱光の少なくとも一方の受光信号を含む第1のアナログ信号を出力する工程と、
前記受光信号の時間幅を拡大させる工程と、
前記拡大させる工程が拡大した前記受光信号を含む第2のアナログ信号を所定のサンプリング周波数でデジタル信号に変換する工程と、
前記デジタル信号に基づき取得される前記物体の有無又は前記物体までの距離の少なくとも一方を含む物体情報を出力する工程と、を行う物体検出方法。 An object detection method using an object detection device that detects at least one of the presence or absence of an object and the distance to the object, the object detection device comprising:
projecting light;
outputting a first analog signal including a light receiving signal of at least one of reflected light and scattered light of the light by the object;
Expanding a time width of the received light signal;
converting a second analog signal including the light receiving signal expanded in the expanding step into a digital signal at a predetermined sampling frequency;
and outputting object information including at least one of the presence or absence of the object and the distance to the object, which is obtained based on the digital signal.
光を投光し、
前記物体による前記光の反射光又は散乱光の少なくとも一方の受光信号を含む第1のアナログ信号を出力し、
前記受光信号の時間幅を拡大させ、
前記拡大させる工程が拡大した前記受光信号を含む第2のアナログ信号を所定のサンプリング周波数でデジタル信号に変換し、
前記デジタル信号に基づき取得される前記物体の有無又は物体までの距離の少なくとも一方を含む物体情報を出力する処理をコンピュータに実行させるプログラム。 A program that operates on an object detection device that detects at least one of the presence or absence of an object and the distance to the object,
Scattering light,
outputting a first analog signal including a light receiving signal of at least one of reflected light and scattered light of the light by the object;
Expanding the time width of the received light signal;
a step of converting a second analog signal including the expanded light receiving signal into a digital signal at a predetermined sampling frequency;
A program that causes a computer to execute a process of outputting object information including at least one of the presence or absence of the object and the distance to the object, which is obtained based on the digital signal.
前記補間データに基づき取得される前記物体情報を出力する請求項14に記載のプログラム。 Outputting interpolated data obtained by interpolating the digital signal;
The program according to claim 14 , further comprising: outputting the object information obtained based on the interpolated data.
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