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1 研究活動紹介 JARI Research Journal 次世代周辺環境認識技術の開発及び実証 - 第 3 報 :MEMS 走査式 3D レンジセンサのシステム構成絞込 - Development and Verification for Next Generation System of Surrounding Environment Recognition Technology -Third Report : System Architecture of MEMS Scanning 3D Range Sensor- 後呂考亮 *1 Kosuke USHIRO 中村英夫 *1 Hideo NAKAMURA 1. はじめに将来的に想定される自動運転システム ( レベル 3 以上 ) は, 周辺監視義務を含む運転主権を, 少なくとも通常時はシステムが有するため, 周辺環境認識において極めて高い認識性能と自然環境に対するロバスト性が求められる. 必要な認識性能とセンサ性能を仮導出した上で, センサの原理確認, 詳細設計, 試作および実証までを含めた研究を, 産官学が連携して取組むべき協調領域として経済産業省の平成 26 年度から平成 28 年度の委託事業 ( 平成 28 年度スマートモビリティシステム研究開発実証事業 / 革新的周辺環境認識技術の開発 ) 1),3),5) で実施した. 一般財団法人日本自動車研究所 (JARI) は中立, 公平な立場を活かし, 本事業の中核として研究を推進した. 本事業では,3Dイメージを得るための空間分解能において他種センサを凌駕する3Dレーザレンジセンサ (LIDAR) を研究対象とした.LIDAR に割付けた高い目標性能と事業性 ( 小型かつ安価 ) を両立する技術の目処付けを行うべく, 半導体製造プロセス技術によるMEMSミラー ( 二軸駆動 ) を用いたレーザ光走査方式を用いたLIDARの検討を進めた. 本稿では, 平成 28 年度に実施した要素技術毎の設計試作評価を通じて得られた成果, および明らかとなった課題の概要を紹介する. 2. 開発目標と基本システム構成 2. 1 センサ目標性能の導出平成 26 年度は, 自動運転車が一般道を走行中に, 前方に歩行者 ( 子供 ) が飛出すシーンを想定してセンサ認識系に期待される目標性能を仮置きした 1)2). 具体的には, 自動運転車が車速 60 km/hで *1 一般財団法人日本自動車研究所 ITS 研究部走行していても緩やかな制動 ( 減速度 2.5 m/s 2 程度 ) で余裕を持って衝突回避できるように, 目標とする歩行者認識距離を60 mとした. さらに LIDAR 用障害物認識アルゴリズムを仮定した上で, 必要なセンサ性能 ( 分解能, 周波数など ) を仮置きした. 平成 27 年度は,MEMSミラーや光学系の仕様及び限界性能の検討結果を受けて, 平成 26 年度に仮置きした目標性能である検出幅水平方位 ±60, 垂直方位 ±30 から, 水平方位 ±30, 垂直方位 ±10 に狭めることとした (Table 1). なお, 小型かつ安価なセンサを実現することを前提に, 複数センサを配置して, 水平方向は360 をカバーする方針とした 3),4). 検出対象物落下物自動車自転車歩行者カートレール電柱走行空間縁石目標機能 Table 1 目標性能使用環境移動物体と雨天道路構造物の分離 24 時間移動物体抽出と移動速度夜間方位抽出薄暮歩行者と横速度西日走行空間認識周波数 :20Hz 凡例 : 周辺環境認識技術の目標性能 ( 仮 ) 距離水平方位垂直方位範囲精度検出幅分解能検出幅分解能 2~60m 2% ±30 ( 複数組合わせにより360 をカバー ) 0.24 ± 一般道の代表的なシチュエーション検討に基づき導出 ( 現時点で最高水準の性能を有すLIDAR Velodyne 社 HDL-64eを基準に検討 ) 具体的な方策 (MEMS 等 ) の仕様及び限界性能検討の結果にもとづき一部緩める方向に修正 2. 2 基本システム構成外乱光の影響を抑制するためのシステム構成として, 平成 27 年度は受発光非同軸 /2MEMS 方式 (Fig.1 左側 ) を検討した. しかし, 入射角の指向情報を残したまま集光できるレンズ ( 後段の MEMSミラーで受光可能な集光レンズ ) のシミュレーションを実施したところ集光レンズがかなり大型になることが判明した. そこで,MEMSミラ - 1 -

ーを用いたレーザ光走査を発光系のみとし, 受光系には新たに受光素子をアレイ状に配置した受発光非同軸 /1MEMS/ 受光素子アレイ方式 (Fig. 1 右側 ) へシステム構成を変更した. 集光レンズのシミュレーションを実施したところ集光レンズを小型に実現できる目処がついたので, 平成 28 年度はこのシステム構成をもとに, 必要な要素技術の設計試作評価を実施した. Fig.

1 右側 ) をベースに, 高性能レーザ光照射機構の試作評価,APDアレイの素子選定回路設計, 小型高性能集光レンズの設計, ミラー角度検出機構を組み込んだ小型 MEMSの試作など主要な要素課題の技術的な目処付けを実施した. 3.

レーザ光源を用いて目標発光性能 ( 広がり角, 出射ビーム径, ピーク発光パワー ) が確保できているかを評価した. その結果,LD の広がり角が仕様 ( 水平 0.3 mm, 垂直 0.2 mm) よりも縦長形状 ( 垂直方向の広がり角が大きい ) となった (Fig. 2).LD の広がり角が仕様値と実測値で乖離しており, この差が影響したものと考える.

2 ーを用いたレーザ光走査を発光系のみとし, 受光系には新たに受光素子をアレイ状に配置した受発光非同軸 /1MEMS/ 受光素子アレイ方式 (Fig. 1 右側 ) へシステム構成を変更した. 集光レンズのシミュレーションを実施したところ集光レンズを小型に実現できる目処がついたので, 平成 28 年度はこのシステム構成をもとに, 必要な要素技術の設計試作評価を実施した. Fig. 2 コリメート後のビーム形状 2MEMS 非同軸方式 1MEMS+ 受光素子アレイ方式 Fig. 1 MEMSミラーを用いた3Dレンジセンサのシステム構成 3. 平成 28 年度実施概要平成 28 年度は, 前述のシステム構成 (Fig. 1 右側 ) をベースに, 高性能レーザ光照射機構の試作評価,APDアレイの素子選定回路設計, 小型高性能集光レンズの設計, ミラー角度検出機構を組み込んだ小型 MEMSの試作など主要な要素課題の技術的な目処付けを実施した D レーザレンジセンサのシステム開発 (1) 高性能レーザ光照射機構の試作評価 60 m 先の歩行者検知に必要な検知距離, 分解能を両立可能とすべく, LD( レーザダイオード / 高出力の市販品 ) から照射されるレーザ光を整形するコリメータレンズを製作,LD とコリメータレンズを組合わせレーザ光照射機構を試作した. レーザ光源を用いて目標発光性能 ( 広がり角, 出射ビーム径, ピーク発光パワー ) が確保できているかを評価した. その結果,LD の広がり角が仕様 ( 水平 0.3 mm, 垂直 0.2 mm) よりも縦長形状 ( 垂直方向の広がり角が大きい ) となった (Fig. 2).LD の広がり角が仕様値と実測値で乖離しており, この差が影響したものと考える. この結果より, 必要な広がり角とビーム径を達成するにはより高精度なLD, あるいは水平垂直方向の広がり角を独立に補正可能な例えば2 枚構成のコリメータレンズなどが必要である事が分かった. (2) 小型かつ高性能な集光レンズの設計水平方向 60 (±30 ) で60 m 先の対象物を検知可能とするには, 対象物から反射して戻ってくる光パルスを高い信号雑音 (S/N) 比によって集光, 受光する必要がある. 受光パワー目標値をシミュレーションにより仮置きし,FOVレンズ( 集光レンズ ) を試作, 試作したレンズのスポット形状と光路の評価を行い, 入射角 0 ~30 の範囲それぞれにおいて受光パワーを確保できるかを確認した. その結果, 入射角 0 ~30 の範囲全てにおいて必要な受光パワー目標値を確保できることが分かった. この結果から, 目標性能を満たすシステムが実現できることが明らかとなった D レーザレンジセンサの MEMS マイクロミラーデバイス開発 (1) MEMS 制御性向上のための実振れ角検知方策検討平成 27 年度は,40 個の既存 MEMSミラーを共振周波数付近で,5 Hz 刻みで駆動させ,MEMSミラーの振れ角を評価したところ, 個々のミラーによって共振周波数 ( 振幅の頂点 ) にばらつきがみられた. また, 共振特性のQ 値 ( 半値幅法 ) が高く, 駆動周波数が共振周波数から十数 Hz 離れると MEMSミラー振れ角が急激に低下すること, また, 共振周波数から離れた周波数で駆動させると MEMSミラー動作に揺れ ( 歪み ) が出てくることも分かった. これらの結果より,MEMSミラーの振れ角を高い精度で制御するには, フィードフォワード制御では困難であり, 実振れ角情報を使っ - 2 -

これらの事から,MEMSミラーチップ上に温度センサを設けた (Fig. 3). この温度をモニタすることで, 温度に依存するSlow 軸の振れ角の変動を補正させることが可能となる. ( 左 :27 年度, 右 :28 年度 ) Fig. 4 MEMSミラーパッケージ外観 3. 3 MEMS マイクロミラー反射角制御と TOF 測定技術の開発 3. 3. 1 受発光非同軸/1MEMS+ 受光素子アレイ方式の制御方法基本検討レーザ光を高精度にスキャンする上で必要な MEMS 振れ角の制御, 目標性能の分解能, 周波数に必要なレーザダイオード発光制御, 背景光の影響を受けずに対象物からの光を受光可能とする APD アレイの信号制御の 3 つを検討した.

3 たフィードバック制御が必須との結論が出された. そこで, 平成 28 年度は MEMS ミラーのフィードバック制御を可能とするための実振れ角検知方策をFast 軸 ( 共振駆動する水平方向 ),Slow 軸 ( リニア駆動する垂直方向 ) でそれぞれ検討した. Fast 軸振れ角は, 磁界中を電導体が移動することで発生する起電力によって推定可能であるため, 駆動用のコイルとは独立した起電力検出用コイルを新たに実装させた. Slow 軸振れ角は, 周囲環境 ( 特に磁石が発生させる磁力 ) の温度に依存することが分かっている. また,MEMSミラーチップの外側にあり, このミラーチップはパッケージを介して磁石に接着されている. これらの事から,MEMSミラーチップ上に温度センサを設けた (Fig. 3). この温度をモニタすることで, 温度に依存するSlow 軸の振れ角の変動を補正させることが可能となる. ( 左 :27 年度, 右 :28 年度 ) Fig. 4 MEMSミラーパッケージ外観 3. 3 MEMS マイクロミラー反射角制御と TOF 測定技術の開発受発光非同軸/1MEMS+ 受光素子アレイ方式の制御方法基本検討レーザ光を高精度にスキャンする上で必要な MEMS 振れ角の制御, 目標性能の分解能, 周波数に必要なレーザダイオード発光制御, 背景光の影響を受けずに対象物からの光を受光可能とする APD アレイの信号制御の 3 つを検討した. Fig. 3 センシングコイルと温度センサのイメージ (2) MEMS ミラーパッケージの小型化平成 27 年度試作したMEMSミラーパッケージは, 磁石とMEMSミラーチップを1つにまとめてパッケージングする方式を採用していたため, デバイスのサイズが大きくなっていた. そこで, 平成 28 年度はMEMSミラーチップと磁石, パッケージの分離,Slow 軸コイルの駆動電流を最適化, 磁石自体の小型化を実施した結果, パッケージサイズの小型化を実現できた (Fig. 4). (1) 高精度スキャンを実現する MEMS 振れ角制御 MEMSは, 個別の製造バラツキによる共振周波数 ( 設計値 1780 Hz) や温度特性のバラツキがあるため, あらかじめ個別の特性を測定し, 補正テーブルを作成, これを用いて補正制御する. MEMSの動作範囲左右 ±30 (250 dot), 上下 ±10.05 (134 Line) に対し, 左右 ±31.92 (266 dot), 上下 ±12 (160 Line) とするオーバスキャンを行うことで,MEMSミラーに入射するレーザ光の入射角の影響によるレーザスポットの位置ずれを補正する目処を机上で得た (Fig. 5). i ( 青 : 補正前 / 入射角ゼロ赤 : 補正前 / 入射角 30 緑 : 補正後 / 入射角 30 ) Fig. 5 レーザ光入射角の影響によるレーザスポットの位置ずれとオーバスキャンによる補正 - 3 -

(2) 目標の分解能, 周波数を実現するレーザダイオード発光制御 MEMS 制御部でミラー振れ角を検出し, これに連動して LD 発光のタイミングを調整する方式とした.

また,MEMS ミラーに入射するレーザ光の入射角の影響でレーザスポットの位置が期待する場所からずれ, 特にスキャン範囲の上側が狭く, 下側が広いことに対しても, 発光時間間隔を調整することで補正を行った.

6) が, オーバスキャンにより, 折り返し付近のレーザスポットを除外できることから, この部分のみで角度変更を行うステップ駆動が行える. これにより, リニア軸 ( 上下 ) 方向のレーザスポット間隔を均等化する目処を机上で得た (Fig. 7). Fig. 8 APD 受光選択制御構成 3.

6 直線制御時レーザスポットの分布 Fig. 9 基本 TOF 測定系構成 Fig. 7 ステップ駆動制御時レーザスポットの分布 (3) 対象物体からの反射光を受光する APD アレイの受光信号制御 MEMS 制御部でミラー振れ角を検出し, これに連動して受光 APDアレイの受光部位置を選択する方式とする.

4 (2) 目標の分解能, 周波数を実現するレーザダイオード発光制御 MEMS 制御部でミラー振れ角を検出し, これに連動して LD 発光のタイミングを調整する方式とした. 後述する左右方向のレーザスポット密度の均等化のために,MEMS の共振周波数に PLL( 位相同期回路 ) で同期したクロックを用いて, 発光時間間隔を調整した. また,MEMS ミラーに入射するレーザ光の入射角の影響でレーザスポットの位置が期待する場所からずれ, 特にスキャン範囲の上側が狭く, 下側が広いことに対しても, 発光時間間隔を調整することで補正を行った. 発光タイミング補正を行うことで, 共振軸 ( 左右 ) 方向のレーザスポット間隔を均等化する目処を机上で得た. リニア軸 ( 上下 ) 方向の制御は, 直線制御を行うと, ジグザグスキャンの影響と共振軸折り返し付近での発光間隔が極端に広いことから, 均等にならない (Fig. 6) が, オーバスキャンにより, 折り返し付近のレーザスポットを除外できることから, この部分のみで角度変更を行うステップ駆動が行える. これにより, リニア軸 ( 上下 ) 方向のレーザスポット間隔を均等化する目処を机上で得た (Fig. 7). Fig. 8 APD 受光選択制御構成 TOF 測距方式の検討 TOFの基本機能を検証する目的でレーザ光の空間放射の伝播遅延を, ファイバ長を変えて模擬する測定系を構築し, 高速 ADC 方式, コンパレータ+ピークホールド+ 低速 ADC 方式それぞれの機能を確認した (Fig. 9). Fig. 6 直線制御時レーザスポットの分布 Fig. 9 基本 TOF 測定系構成 Fig. 7 ステップ駆動制御時レーザスポットの分布 (3) 対象物体からの反射光を受光する APD アレイの受光信号制御 MEMS 制御部でミラー振れ角を検出し, これに連動して受光 APDアレイの受光部位置を選択する方式とする.LD 発光のタイミング制御と同期して選択位置を切り替える. レーザを発射した方向の光のみを選択するため, 余計な背景光 ( 外乱光 ) の影響を軽減できる (Fig. 8).APD アレイ受光制御の基本検討を行い受信制御の目途を机上で得た. (1) 高速 Analog Digital Converter(ADC) 方式取得した信号全てをAD 変換し, 高速メモリに保存し処理する方式である. マルチエコーなどの処理にも対応可能な一方で, 高速かつ大容量のメモリ, および高速の信号処理が必要となるため, 結果的に消費電力も大きく車載の量産品には向かないことを確認した. アナログ波形を, 高精度で取得できるので, 実空間での反射波の様子を把握するのに適することを確認した. 原理検討や実使用条件の測定に向くので, 測定 / 調整用のリファレンス機で採用すべき方式と言える

(2) コンパレータ + ピークホールド + 低速 ADC 方式本方式はコンパレータと TDC(Time to Digiral Converter) で時間計測を行い, ピークホールドの値を用い, 低速の AD 変換で受光レベルを測定するものである.

マルチエコーや外来ノイズの影響等コンパレータの閾値設定だけでは回避しきれない問題は,Time Gain Controlや, 複数コンパレータ + ピークホールド搭載により改善できると考えられる. 3.

目標性能とサンプリング周期から, 各フレームに対する歩行者検出等の処理時間が50 ms 以内となることを目標とした. した時間 ( 処理の内訳含 ) をFig. 11~13に示す. 平均としてはおおよそ目標とする50 msで処理が行われているが,100 ms 程度の処理時間が発生しているフレームもある. 計算速度を安定して50 ms 以内に抑えるための改良を行う必要がある. Fig.

5 (2) コンパレータ + ピークホールド + 低速 ADC 方式本方式はコンパレータと TDC(Time to Digiral Converter) で時間計測を行い, ピークホールドの値を用い, 低速の AD 変換で受光レベルを測定するものである. 単発パルスに対しては, コンパレータの閾値の設定を適当に設定すれば, 高速 AD 変換方式と同等の結果を得られること, 大容量メモリ不要で AD 変換が低速で可能なため消費電力が低く, 車載に向くことを確認した. さらに, 計時に Time to Voltage 変換を使用すれば, より低消費電力化が可能なことを確認した. マルチエコーや外来ノイズの影響等コンパレータの閾値設定だけでは回避しきれない問題は,Time Gain Controlや, 複数コンパレータ + ピークホールド搭載により改善できると考えられるセンサ評価用障害物認識技術の開発 (1) リアルタイム検証向け情報処理システムの構築平成 27 年度までに開発した歩行者検出, 路面除去, クラスタリング, 重畳処理, および縁石検出を統合して車載し, リアルタイムでの検証が可能な情報処理システム (Fig. 10) の開発を行った. 目標性能とサンプリング周期から, 各フレームに対する歩行者検出等の処理時間が50 ms 以内となることを目標とした. した時間 ( 処理の内訳含 ) をFig. 11~13に示す. 平均としてはおおよそ目標とする50 msで処理が行われているが,100 ms 程度の処理時間が発生しているフレームもある. 計算速度を安定して50 ms 以内に抑えるための改良を行う必要がある. Fig m 以下の距離データ処理時間 Fig ~40 m の距離データ処理時間 Fig ~60 m の距離データ処理時間情報処理システムの完全なリアルタイム処理実現に向けては, 点群が多く取得される ( 高さのある構造物に囲まれるような路面 ) 場面や, クラスタリングにより多くの歩行者候補領域が現れた場合での処理の切り捨て等を実装する必要がある. Fig. 10 基本 TOF 測定系構成具体的には, 各モジュールの高速化処理, および並列計算環境の整備を実施し,LIDAR のデータを道路環境にてリアルタイムに処理するシステムの動作確認実験を行った. 各モジュールの高速化, 並列演算化を実現した結果, 歩行者検出, 畳処理については, おおよそリアルタイム処理が可能となった. その一例とし歩行者検出の認識処理に要 4. まとめ将来的に想定する自動運転車 ( レベル 3 以上 ) に必要な車載センサ, 特に LIDAR に求められる高い目標性能と事業性 ( 小型かつ安価 ) を両立する要素技術の目処付けを完了した. 今後はこれらの要素技術を組み合わせて,LIDAR システムとしての評価を行うことが必要と考えられる D レーザレンジセンサのシステム開発 (1) 高性能レーザ光照射機構の試作評価試作したLDの広がり角が仕様よりも縦長形状 ( 垂直方向の広がり角が大きい ) となった. 必要な広がり角, ビーム径を達成するには, より高精度なLDあるいは水平垂直方向の広がり角を独立 - 5 -

6 に補正可能な, 例えば 2 枚構成のコリメータレンズなどが必要である事が分かった. (2) 小型かつ高性能な集光レンズの設計集光レンズを試作, 試作したレンズのスポット形状, 光路評価の結果より, 目標性能を満たす集光系が実現できる目処を得た D レーザレンジセンサの MEMS マイクロミラーデバイス開発 (1) MEMS 制御性向上のための実振れ角検知方策検討 Fast 軸 ( 共振駆動する水平方向 ) は,MEMS ミラーチップ上に駆動用のコイルとは独立した起電力検出用コイルを,Slow 軸 ( リニア駆動する垂直方向 ) は,MEMS ミラーチップ上に温度センサを実装することで, それぞれ個体バラツキや温度変化に依存した振れ角の変動を補正させることが可能であることが分かった. 境の整備を実施し,LIDAR のデータを道路環境にてリアルタイムに処理するシステムの動作確認実験を行った. その結果, およそリアルタイム処理が可能となった. 今後, 計算速度を安定して目標周期 (50 ms) 以内に抑えるための改良が必要である. 参考文献 1) 平成 26 年度次世代高度運転支援システム研究開発実証プロジェクト成果報告書, 一般財団法人日本自動車研究所, 第 2 章 (2015) 2) JARI Resarch Journal, 研究活動紹介次世代周辺環境認識技術の開発及び実証 (2015,09) 3) 平成 27 年度次世代高度運転支援システム研究開発実証プロジェクト成果報告書, 一般財団法人日本自動車研究所, 第 2 編 (2016) 4) JARI Resarch Journal, 研究活動紹介次世代周辺環境認識技術の開発及び実証 (2016,09) 5) 平成 28 年度スマートモビリティシステム研究開発実証プロジェクト成果報告書, 一般財団法人日本自動車研究所 (2017) (2) MEMS ミラーパッケージの小型化 MEMS ミラーチップと磁石のパッケージを分離すること, Slow 軸コイルの駆動電流を最適化による磁石自体の大きさ削減で全体サイズの小型化を図ることができた MEMS マイクロミラー反射角制御と TOF 測定技術の開発 (1) 受発光非同軸/1MEMS+ 受光素子アレイ方式の制御方法基本検討 MEMS 振れ角制御,LD 発光制御,APD アレイ受光制御の基本検討を行い, 主な制御課題の目途を机上で得た. (2) TOF 測距方式の検討高速 ADC 方式, コンパレータ+ピークホールド+ 低速 ADC 方式それぞれの機能を評価装置で確認するとともに, それぞれの特徴を明らかにしたセンサ評価用障害物認識技術の開発 (1) リアルタイム検証向け情報処理システムの構築各モジュールの高速化処理, および並列計算環 - 6 -

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PDF用自動車研究テンプレート研究活動紹介 JARI Research Journal 20160901 次世代周辺環境認識技術の開発及び実証 - 第 2 報 :MEMS 走査式 3D レンジセンサの要素開発 - Development and Verification for Next Generation System of Surrounding Environment Recognition Technology -Second