身近な自然と科学

電波と単眼で距離を測る方法の考察

今では軽自動車にまで付いていることが多い自動ブレーキシステムですが、機械に完全な物は無いとは解ってい ても２０１７年時点では有った方が良いぐらいの感じですね。
目の前の障害物には停まれるようになっても自動運転のブレーキの最大の難問は、道端で立ち止まっている歩行者だと思います。 道路を渡ろうとする寸前なのか、車が途切れるのを待って渡ろうとしているのか、ただ立ち止まっているだけなのか・・・ 等々これらの判断を瞬時とは言いませんが、１秒以内に判断しないと。 道路端の人影を認知する度に徐行にしていたら渋滞だらけになってしまうでしょう。
話はそれますが、自動運転は今まで運転車の責任だったものを開発製造会社に移すもので、 もっと言えば、加害者となった人の苦悩のほとんどを賠償金というお金で解決するものです。 今でも、人命＝お金　でしか解決できないのが事実ですが、自動車の自動運転はこれを更に推し進めるものになるかも知れません。

さて、自動ブレーキのメカニズムの中で最も重要なのは進行方向にある障害物との距離の計測です。
実用化されている距離計測は

  1. レーザー
  2. 単眼式カメラ
  3. 双眼式カメラ
  4. マイクロ波レーダー
があります。

レーザーとマイクロ波レーダーは基本的には同じです。 レーザーとマイクロ波は波長の違いだけで同じ電磁波(電波)です。 電磁波で距離を測るときには電磁波が障害物に当たって戻ってくるまでの時間から距離を測りますが、 その方法には２種類があります。
一つ目は、電磁波を一瞬だけ送信し、戻ってくるまでの時間を計ります。

電磁波は１秒間に約３０万ｋｍ進みますから、電波を送信して１秒後に戻ってきたら、 その電波は約３０万ｋｍの道程を旅して戻ってきたことになり、 往復ですから半分の１５万ｋｍ先の物に当たって反射して戻ってきたとなります。
夜など静かな時に外で拍手をして音を立ててみると、少し遅れて反射した音が聞こえることがありますが同じです。
この方法は、気象や海上航空レーダーで採用されています。
利点は電波を送信する時間が一瞬なので高出力で電波を出しても送信機器が小さくて済む事です。
欠点は近距離が測り辛いことで、自動ブレーキに使った場合は、 前方１０ｍの物体に当たって反射して戻ってくる時間は僅か6.666E-8秒です。
障害物に反射して戻ってくる電波やレーザーの強度と障害物(自動車)との距離を統計処理し、強度だけで障害物までの距離を推測する方法なら簡単ですが、 接近警報を鳴らすぐらいで確実に障害物があると判断したときにブレーキを作動させてもぶつかります。
送受デバイスが安いレーザーを使い、マイコンで反射して戻って来たレーザーの強度から距離を推測させるのが一番簡単で安く仕上がります。 で、自動ブレーキが作動しないことがありますと御まじないを書いておけば解決です

１つ目の方法では電波の送信は一瞬でしたが、 電波の周波数を周期的に変化させながら送信し続けます。 すると、物体に当たって反射して戻ってきた電波と、今送信器を出た電波とでは周波数(位相)が異なることになります。 例えば１千分の１秒後には周波数を(基準周波数＋１０００Ｈｚ)まで直線的に増加させて電波を出したとします(周波数変調します)。
電波が１０ｍ前方の障害物に当たって反射して戻って来るまでの時間は、6.666E-8秒
電波が戻って来たときに送信される電波の周波数は、6.666E-8 / 1E-3 * 1000 = 0.06666
この瞬間に送信される電波と、１０ｍ先の物体で反射して戻ってきた電波の周波数の差は、０.０６６６Ｈｚになります。

この方法は時間を計らないので簡単ですが、メートル単位の計測となると、１つ目の方法と同じく大変です。
マイクロ波やレーザーを使う方式は、誤差を少なくしようと思うと安価な自動車には付けられない価格になりそうです。

次に単眼式カメラで距離を測る方法ですが、これはオートフォーカスカメラと同じです。 ピントを合わせするためにはレンズ全体を前後させるか、レンズを構成している一部のレンズを前後させる必要がありますが、 そのレンズの移動量から対象物までの距離を割り出します。で、問題のピントが合っているかどうかは、画像のコントラストの大きさで検出します。
それには画像信号の周波数の高い部分だけ取り出します。ピントが合っている場合は対象物の輪郭が現れるので画像認識で対象物の種類が予測できます。 下写真の左はピントが合っている画像で、右はピントが合っていない画像です。
画像のコントラストによって距離を計測する説明図
闇夜の烏のたとえでは無いですが、障害物がはっきりしていないと認識できないのでぶつかります。 ずいぶん前になりますが、市販の撮影用カメラを改造して追突防止装置を自作された方をテレビで拝見しました。 接近したら警報が鳴るシステムぐらいなら自作できますね。

双眼式カメラの場合は左右のカメラで撮った画像からそれぞれ対象物の輪郭を取り、 その輪郭の横方向の位置の違いから距離を検出します。
左眼を閉じてみた対象物に位置と右眼を閉じてみた対象物の位置に違いで理解できると思います。⇒ デュアルカメラで距離を測る方法
飛び出しなど、横から人や車が突然現れたときには、単眼より双眼の方がピントを合わせる時間が必要ないだけでも有利です。
しかし、単眼カメラ式と同じで闇夜のカラスならぶつかります。人が運転していても逆光や霧では見難いのですから当然です