JP2010518408A - 直進方向に対する横ずれを非接触的に求めるための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】確率論的表面構造を有する物体に対し他の物体が相対運動する際に直進方向に対する横ずれを非接触的に求めるための、とりわけ横すべり角を高解像度で求めるための方法及び装置の提供。
【解決手段】確率論的表面構造を有する物体に対し他の物体が相対的に運動する際に、感光性センサ（５）に該表面構造（３）を結像することにより、直進方向（２）に対する横ずれ（１５）を非接触的に求める方法において、前記表面構造（３）が、直進方向において互いに対し所定の距離で順次配置された少なくとも２つの同じセンサ要素（７，８）に結像されること、該センサ要素の長手方向は、前記直進方向（２）に対する横方向に空間解像度を有するよう延在すること、前記表面構造（３）に対応する空間周波数信号が前記センサ要素（７，８）によって生成されること、運動方向において第２のセンサ要素（８）の空間周波数信号が、第１のセンサ要素（７）の空間周波数信号に対し、少なくとも部分的に一致する同じ表面構造（３）がこれら２つのセンサ要素（７，８）上に結像されるよう時間的にずらされて読み出されること、前記第１及び第２のセンサ要素（７，８）の空間周波数信号が相関係数を求めるために互いに対し相関され、これから、空間解像度を有するセンサ要素（７，８）上において相関された空間周波数信号の互いに対する前記横ずれ（１５）の大きさが求められることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、確率論的表面構造を有する物体に対し他の物体が相対運動する際に、該表面構造を感光性センサに結像することにより、直進方向に対する横ずれを非接触的に求めるための方法および装置に関する。

通常、運動状態にある物体にセンサを固定し、このセンサによって、確率論的表面構造を有する別の物体に対する測定値を求めることができる。例えば、運動状態にある物体は車両とすることができ、走行路に対する車両の運動が求められる。このような場合、車両運動の直進走行からの逸れとしての横ずれが求められることがしばしばある。例えば車両が直進しておりかつ妨害作用が車両に及ぼされない間は、横ずれは検出されることはない。しかしながら、例えば直進運動する車両に横方向に作用する突風により車両が横方向にずれることがある。

本発明は、特に、運動の直進方向または目標方向からの逸れ（偏位）についての値（状態量）としての角度を求めるための方法および装置に関連する。とりわけ、本発明は、横すべり角（傾斜走行角、Schraeglaufwinkel）を測定するための方法および装置に関連する。

横すべり角は、軌条に拘束されない陸上車両の車両技術および車両開発では重要な特性値（状態量）である。例えばタイヤ開発では、これによって車両のタイヤのコーナリングフォース（横案内力）及び走行特性が導出される。

（車輪）横すべり角は、この場合、タイヤ（車輪）が向いている方向とタイヤ（車輪）が走行路上を実際に運動している（進んでいる）方向との間の角度として理解されるべきである。したがって、タイヤが大きな横すべり角を有する場合、所望の方向変化を生じさせるためには大きな操舵角（ハンドル切れ角）が必要になる。タイヤ構造の剛性が大きいほど、大抵は、横すべり角はより小さくかつ走行特性はより安全になるが、多くの場合、乗心地は損なわれる。

したがって、車両が単純に直進的に運動している間直進方向に向いているタイヤは０°の横すべり角を有し、また、例えばハイドロプレーニングのためにタイヤが直進方向に対し５°左方に向いているにも拘わらず車両が依然として直進的に運動している場合タイヤは５°の横すべり角を有する。

前輪と後輪の横すべり角を同時に測定することによって、いわゆるフロート角ないしヨー角（Schwimmwinkel：車体横すべり角）、すなわち運動方向に対する車両全体の回転（角度）を推定することができる。

DE 40 30 653 A1から、制動される車両の横すべり角を求めるための方法が知られている。この文献に記載された方法では、単純化された車両モデルから出発しかつ車輪速度、操舵角、ヨーイング速度（ヨーレート）、およびマスターブレーキシリンダー圧を測定値として使用することにより、横すべり角が推定値として求められる。したがって、この方法は、付加的に求められる測定値又は既知の測定値を多数必要とする。この方法は、横すべり角の測定ではなく、横すべり角の推定である。

DE 40 30 653 A1

本発明の課題は、確率論的表面構造を有する物体に対し他の物体が相対運動する際に、直進方向に対する横ずれを非接触的に求めるための、とりわけ横すべり角を高解像度（高分解能）で求めるための方法を提供することである。本発明のさらなる課題は、速度が小さい場合であっても横ずれを高精度で求めることが可能であると共に、コンパクトかつ軽量に構成され、故障し易い構造要素をほとんど備えず、かつ、横すべり角を求めるための測定結果を距離に依存することなく常時同じ精度で提供する装置を提供することである。

上記の課題は、冒頭に述べたタイプの方法の視点においては、請求項１の特徴部の特徴によって解決され、冒頭に述べたタイプの装置の視点においては、請求項９の特徴部の特徴によって解決される。

有利な形態は、各従属請求項の特徴から明らかとなる。

本発明の方法および装置は、確率論的表面構造を有する物体に対し他の物体が相対運動する際の、予め定められた直進方向に対する横ずれが、光学系の像面（画像面）に存在する感光性センサに該表面構造が結像されることによって求められることを特徴とする。感光性センサは、直進方向において互いに対し所定の（所与の）間隔で順次配置された少なくとも２つの同じセンサ要素から形成される。

同様に上記２つのセンサ要素に後置される更なるセンサ要素によって、横ずれを求める際の精度を高めることができる。センサ要素の長手方向は、直進方向に対して横方向に延在しかつ横方向に空間解像度を有するよう延在する（その長手伸長方向に関し空間解像度を有する）と共に、該表面構造に対応し電子回路ユニットにより読み出される空間周波数信号を生成する。運動方向における第２の（運動方向に見て２番目の）センサ要素の空間周波数信号は、第１の（１番目の）センサ要素の空間周波数信号に対し、これら２つのセンサ要素に少なくとも部分的に一致する同じ表面構造が結像されるように（同じ表面構造が少なくとも部分的に一致して結像されるように）時間的にずらされて読み出される。相関係数を求めるために、計算ユニットにおいて、第１のセンサ要素の空間周波数信号と第２のセンサ要素の空間周波数信号が互いに相関される。空間解像度を有するセンサ要素上で互いに相関された空間周波数信号の横ずれの大きさ（値）は、計算ユニットで生成される相関係数によって求められる。もちろん、少なくとも２つの離散的なセンサ要素、すなわち別個のセンサ要素の代わりに、特別な例えば直進方向に対し横方向に空間解像度を有する長手伸長部を備える（長手伸長方向に空間解像度を有する）と共に走行方向において順次（連続的に）担体（基板）上に配される複数のセンサ要素を有するフォトダイオードチップを使用することも可能である。この場合、個々のセンサ要素間の距離は、高精度で再現可能であり、したがって、個別素子から形成（構築）する場合のように測定技術的に大掛かりな態様で求めること、場合によっては更に、較正を行うことは要しない。

有利な一態様では、付加的に、運動速度が求められ、該運動速度に依存して、第１のセンサ要素の読み出しと第２のセンサ要素の読み出しとの間の時間差（時間遅延ないし時間ずれ）が決定される（求められる）。直進方向、すなわちセンサ要素の長手伸長部（長手伸長方向）に対して垂直な方向における運動速度ｖがより正確に求められるほど、最適な時間差（時間遅延）ｔが、第１のセンサ要素と第２のセンサ要素との間の所与の間隔ｓ_ａの関数としてより正確に決定されることができる（ｔ＝ｓａ／ｖ）。

精度を改善するための更なる可能性（手段）は、ｎ個の第２のセンサ要素の幾つかをｎ×ｔの時間差（時間遅延）で順次読み出し、このようにして求められた第２の空間周波数信号をすべて夫々（１つの）第１の空間周波数信号と相関させ、これから（その結果から）、空間解像度を有するセンサ要素上での横ずれを求めるために最適な相関係数を計算する。理想的な相関係数としては、例えば、最大値としての数値１が想定されるが、この場合、最適の相関係数は定義に応じてできるだけ数値１に近づくべきである。

本発明の更なる一実施形態では、運動速度によって求められる時間差（時間遅延）に対し、（１つの）第２のセンサ要素が複数回読み出される（１つの）時間領域が定義される。次いで、第２の空間周波数信号がすべて夫々（１つの）第１の空間周波数信号と相関され、これから（その結果から）、平均相関係数が計算される。このようにして、とりわけ相対速度が小さい領域では、場合により発生する不正確性が、運動速度を求める際に補償され、相関係数を求める際により高い精度を達成することができる。

空間解像度を有するセンサ要素として、直進方向に対し平行に配向され縞幅（ないしピッチ）ｂを有する複数の縞状の（縞状に配置された）フォトダイオード素子（ｎ_ｉ）を備えるフォトダイオード列が選択されれば、相関係数の計算を実行する際、計算の手間を特に少なくすることができる。この場合、相関係数（ｒ（ｉ））は以下の式に応じて求められる：

このようにして、相関係数の関数が最大値（ＭＡＸ［ｒ（ｉ）］)を有する指数値ｉ_ｍａｘを求めることによって、横ずれを求めることができる。この場合、横ずれｓ_ｂの値は、縞状の（縞状配置の）フォトダイオード素子の既知の縞ピッチｂと指数値ｉ_ｍａｘの積からとりわけ簡単に計算すことができる。

本発明の更なる一実施形態では、角度αは、直進方向で読み出されるセンサ要素間の距離ｓ_ａと、横ずれｓ_ｂの値の間の幾何学的関係から、α＝arctan ｓ_ｂ／ｓ_ａによって計算される。

フォトダイオード列により生成される空間周波数信号の信号品質の改善は、センサ要素の照明時間を、表面構造に対するセンサの運動速度に適合することによって達成される。この場合、照明時間は、フォトダイオード信号がセンサ要素において生成される、すなわち積分される時間として理解される。空間周波数信号の平滑化（鈍化）に対抗する（阻止ないし抑制する）ために、速度が大きい場合はより短い照明時間が選択されるべきであるが、他方、速度が小さい場合は、照明時間はより長くてもよい。十分な光エネルギをセンサ要素で得るために、とりわけ速度が大きくかつフォトダイオード列に対する照明時間が短い場合、結像されるべき表面構造は照明装置によって付加的に照明されると有利である。

本発明のとくに有利な一実施形態では、第１のセンサ要素の読み出しと第２のセンサ要素の読み出しとの間の時間差（時間遅延）は、光学系の結像尺度（倍率）を考慮して、表面構造の運動方向において互いに重なる（一致する）部分がセンサ要素に結像されるように選択される。従って、センサ要素相互間の距離ｓ_ａが予め定められておりかつ光学系の結像尺度（倍率）がＡの場合、時間差（時間遅延）ｔは、距離ｓ_ａと、結像尺度Ａ及び速度ｖの積との間の商として形成されることができる（ｔ＝ｓ_ａ／（Ａ×ｖ）)。

時間差（時間遅延）がより正確に求められるほど、相関係数もより良好に求められることができる。逸れ（ずれ）は一定の範囲内であれば許容可能であるが、第１のセンサ要素に結像される表面構造の部分が、第２のフォトダイオード素子（複数）の１つの上で最大でもフォトダイオード素子（ピクセル）の高さ［Hoehe］の値（縦の寸法）の分しかずらされていないようにすべきである。なぜなら、そうでなければ、相関は最早信頼性を以て実行することができないからである。このようにして、求められた両方の空間周波数信号が相互に相関可能であることが保証される。

センサ装置と結像されるべき表面構造との間の距離変化による光学系の結像尺度（倍率）の変化を回避するために、光学系は本発明に応じ表面構造のテレセントリックな結像に適するよう構成される。このようにして、大きな作動距離領域を実現することができる。光学系の結像尺度（倍率）を目標を定めて変化することにより、センサシステムは、とりわけ縞状の（縞状配置の）フォトダイオード素子の幾何学的形状（ピクセル間距離及びピクセル幅）及び確率論的表面構造の種々異なる状態に適合することができ、その結果、良好に評価可能な空間周波数信号が得られる。

本発明に応じて付加的に距離センサを設けると、結像尺度（倍率）が変化することを考慮して、例えばテレセントリックな作動距離範囲を越えた場合、その際引き起こされる結像尺度（倍率）の変化を考慮しかつ作動距離範囲を拡大することができる。尤も、この方法では、光学系のテレセントリックな特性を省略し（不要とし）、測定された距離に基づいて、結像尺度の距離に依存する既知の変化を考慮することもできる。テレセントリック光学系を使用する場合、ホール絞り（ピンホール絞り）が使用されるので、光エネルギが失われることが多い。しかしながら、このエネルギが信号生成のために必要とされるならば、距離センサを使用することにより、表面構造をテレセントリックに結像するための光学系を省略する（不要とする）ことができる。このように形成されたセンサは、同様に、ほぼ距離に依存しない測定結果を提供することができる。

本発明の装置の更なる一実施形態では、直進方向における、すなわちセンサ要素の長手伸長方向に対し垂直方向において相対速度を求めるための速度センサが付加的に設けられる。センサ要素の長手伸長方向に対し垂直な方向に即ち運動角に依存しないでセンサの速度の絶対値を生成するとりわけ非接触的に作動する速度センサは、第１のセンサ要素の読み出しと第２のセンサ要素の読み出しとの間の最適な時間差（時間遅延）を求めるために適している。

本発明の装置の特に単純な一実施形態では、センサ要素は、直進方向に対し平行な縞状の（縞状に配置された）複数のフォトダイオード素子（ピクセル）を備える２つのフォトダイオード列から構成されることができ、かつ、空間周波数信号が驚くほどに高い品質を有することが明らかとなった。このようにして、標準化されたフォトダイオード列によってコンパクトに構成されかつ妥当な価格で製造可能なセンサを実現することができる。

例えば夫々凡そ１２μｍの幅ｂを有しかつ２５０μｍのピクセル高さ（ピクセルの縦方向寸法）を有する５１２ピクセルを備えるダイオード列は、上述のセンサ装置への使用に適している。この場合、驚くことには、第２のダイオード列のわずか１００ピクセル上に表面構造の像（画像）が重なれば、それだけで十分な相関が実行可能であることが明らかになった。２つのダイオード列の空間周波数信号の相関度（相関可能性）は、求めることが可能な最大の横ずれ（横ずれの最大値）を定める。このことは、角度ないし横すべり角の計算及び解像（分解）精度に関し、解像度（分解能）がセンサ要素間の距離ｓ_ａに依存することを意味する。ダイオード列相互間の距離が大きいほど、分解能はより大きくなるが、求めることが可能な最大の角度はより小さくなる。より長いダイオード列を使用することによって、求めることが可能な最大の角度を大きくすることができる。使用可能なダイオード列の最大の長さは、結像光学系の画像野によって制限される。

第１のセンサ要素の読み出しと第２のセンサ要素の読み出しとの間の最適の時間差は、速度と光学系の結像尺度（倍率）に依存しており、速度が大きい場合には一層より小さくなるため、ダイオード列の読み出し周波数は、時間差にダイナミックに適合できる必要があり、或いは、あり得る最短の時間差（最大速度）の間においてもなおダイオード列を完全に読み出すことができるほどに大きく選択される必要がある。

本発明の装置の一実施例が図面に模式的に示されており、以下、図面を用いて詳細に説明する。

センサ装置を単純化して示した斜視図。 センサ要素（複数）の幾何学的配置。

図１は、簡略化して示したセンサ装置１の斜視図である。確率論的表面を有する物体に対する直進方向２における運動が矢印によって示されている。結像されるべき表面構造３の領域が、象徴的にレンズで示されている光学系４によってセンサ構成体５に結像される。照明装置６によって、結像されるべき表面構造３の領域が斜めに照明されることにより、コントラストを改善するための一種の暗視野照明が達成される。センサ構成体５は、第１のフォトダイオード列７と、これに対して離隔された第２のフォトダイオード列８から構成される。フォトダイオード列７，８は、その長手伸長方向に、縞状の（縞状ないし帯状に配置された）ｎ個のピクセル９を有する。フォトダイオード列７，８の制御された読み出しのために、電子回路ユニット１０が設けられている。電子回路ユニット１０は、模式的に示された速度センサ１１の信号と、任意的に設けられる距離センサ１２の信号も処理する。電子回路ユニット１０により処理された信号は、相関のために計算ユニット１６に供給される。センサ装置１全体は、図示しないケーシング内に配置されている。

図２は、相互間に距離ａを有するフォトダイオード列７，８の幾何学的配置を示す。直進方向は矢印２により示されている。第１のダイオード列７上には点１３が示されているが、この点は、点１４として、第２のフォトダイオード列８上における空間周波数信号の横ずれ１５を明示している。間隔ａと、ピクセル幅ｂと横ずれのピクセル数との積によって得られる横ずれ１５との間の幾何学的関係によって、横すべり角αを求めることができる。

１ センサ装置
２ 直進方向
３ 結像されるべき表面構造の領域
４ 光学系
５ センサ構成体
６ 照明装置
７ 第１のフォトダイオード列
８ 第２のフォトダイオード列
９ ピクセル
１０ 電子回路ユニット
１１ 速度センサ
１２ 距離センサ
１３ 第１の点
１４ 第２の点
１５ 横ずれ
１６ 計算ユニット
ａ 距離
ｂ ピクセル幅
α 横すべり角（傾斜走行角）

Claims (14)

1. 確率論的表面構造を有する物体に対し他の物体が相対的に運動する際に、感光性センサ（５）に該表面構造（３）を結像することにより、直進方向（２）に対する横ずれ（１５）を非接触的に求める方法であって、
   ・ 前記表面構造（３）が、直進方向において互いに対し所定の距離で順次配置された少なくとも２つの同じセンサ要素（７，８）に結像されること、該センサ要素の長手方向は、前記直進方向（２）に対する横方向に空間解像度を有するよう延在すること、
   ・ 前記表面構造（３）に対応する空間周波数信号が前記センサ要素（７，８）によって生成されること、
   ・ 運動方向において第２のセンサ要素（８）の空間周波数信号が、第１のセンサ要素（７）の空間周波数信号に対し、少なくとも部分的に一致する同じ表面構造（３）がこれら２つのセンサ要素（７，８）上に結像されるよう時間的にずらされて読み出されること、
   ・ 前記第１及び第２のセンサ要素（７，８）の空間周波数信号が相関係数を求めるために互いに対し相関され、これから、空間解像度を有する該第１、第２のセンサ要素（７，８）上において相関された空間周波数信号の互いに対する前記横ずれ（１５）の大きさが求められること
   を特徴とする方法。
2. 更に、相対運動速度が求められ、該相対運動速度に依存して前記第１のセンサ要素（７）の読み出しと前記第２のセンサ要素（８）の読み出しとの間の時間差が求められること
   を特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記時間差に対し複数の前記第２のセンサ要素（８）が順次読み出され、第２の空間周波数信号がすべて夫々前記第１の空間周波数信号と相関され、これから、最適な相関係数が計算されること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記時間差に対し１つの時間領域が定義され、この時間領域において１つの第２のセンサ要素（８）が複数回読み出され、第２の空間周波数信号がすべて夫々前記第１の空間周波数信号と相関され、これから、平均相関係数が計算されること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
5. 空間解像性のセンサ要素として、前記直進方向（２）に対し平行な縞状に配置された複数のフォトダイオード素子（ｎ_ｉ）を有するフォトダイオード列（７，８）が選択され、
   相関係数（ｒ（ｉ））が以下の式：
   

   

   に応じて求められること
   を特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
6. 直進方向（２）において前記読み出されたセンサ要素（７，８）間の距離（ａ）と前記横ずれ（１５）との間の幾何学的関係から、１つの角度（α）が計算されること
   を特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記センサ要素（７，８）の照明時間は前記速度に適合されること
   を特徴とする請求項２に記載の方法。
8. 前記第１のセンサ要素（７）の読み出しと前記第２のセンサ要素（８）の読み出しとの間の時間差が、結像倍率を考慮して、前記第１のセンサ要素（７）上に結像される前記表面構造の部分が前記第２のフォトダイオード素子（８）の１つの上で最大でも１つのフォトダイオード素子（ピクセル）（９）の高さ値の分しかずれないように選択されこと
   を特徴とする請求項２〜５の何れか一項に記載の方法。
9. 確率論的表面構造を有する物体に対し他の物体が相対的に運動する際に、感光性センサ（５）に該表面構造（３）を結像することにより、直進方向（２）に対する横ずれ（１５）を非接触的に求める装置であって、
   ・ 前記表面構造（３）を結像するための光学系（４）が設けられていること、
   ・ 前記光学系（４）の像面に、直進方向（２）において互いに対し所与の距離（ａ）で少なくとも２つの同じセンサ要素（７，８）が順次配置されており、該センサ要素の長手方向は、前記直進方向（２）に対する横方向に空間解像度を有するよう延在すること、
   ・ 前記センサ要素（７，８）の空間解像度を有する信号を制御して読み出すための電子回路ユニット（１０）が設けられていること、及び
   ・ 前記センサ要素（７，８）から読み出された信号を相関させるためのかつ前記センサ要素（７，８）上における前記表面構造（３）の画像のずれを計算するための計算ユニット（１６）が設けられていること
   を特徴とする装置。
10. 前記光学系（４）は、前記表面構造（３）をテレセントリックに結像するよう構成されていること
    を特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 更に、距離センサ（１２）が設けられていること
    を特徴とする請求項９に記載の装置。
12. 更に、直進方向（２）での相対速度を検出するための速度センサ（１１）が設けられていること
    を特徴とする請求項１０又は１１に記載の装置。
13. センサ要素として、前記直進方向（２）に対し平行な縞状に配置された複数のフォトダイオード素子（ピクセル）（９）を備える少なくとも２つのフォトダイオード列（７，８）が設けられていること
    を特徴とする請求項９に記載の装置。
14. 前記結像されるべき表面構造（３）を照明するための照明装置（６）が設けられていること
    を特徴とする請求項９〜１３の何れか一項に記載の装置。

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