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MyEnigma

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ロボット用センサとしてのレーダーの基礎知識

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はじめに

下記の記事で述べたように、

ロボット用センサの一つとしてレーダセンサが上げられます。

ロボットのための外界認識センサの基礎 - MY ENIGMA


レーダ(RADAR:Radio Detection And Rangin)

センサは、電波を照射し、

対象物体に反射した電波を受信することにより、

対象物体の位置(距離と角度)や相対速度を観測するセンサです。


取得できる情報に関しては、レーザセンサにかなり近いですが、

後述するようにレーザセンサには無い特徴も有しています。


この種のレーダセンサは、

主に自動車や農業・建設機械のロボット化における

センサとして広く使用されており、

それに特化したレーダセンサを車載レーダとも呼びます。


今回はこのロボット用のレーダセンサの基本的な原理と、

その特徴について説明したいと思います。

車載レーダの周波数帯

車載レーダが主に使用している周波数帯は

30GHz~300GHz(波長10mm~1mm)の

一般的にミリ波帯と言われている周波数帯です。

総務省 電波利用ホームページ | 周波数帯ごとの主な用途と電波の特徴


この帯域の電波は指向性が強いため、

その電波の反射を解析することにより、

対象物の距離と速度を検出することができるのです。

レーダによる受信電波の特徴

下記の式は、目標物体からの反射信号の

受信電力Prの計算式です。

ここで、Ptは送信電力

Grは受信アンテナ利得、

Gtは送信アンテナ利得、

λは電場波長、

Rは目標物体までの距離、

σはレーダ反射断面積、

Lrは降雨減衰、Laは大気減衰です。


この式を見ると分かる通り、

受信電力は波長の二乗に比例し、

対象物までの距離の4乗に反比例することがわかります。


従って受信電力だけを見れば、

波長が長いほうが遠距離の観測が可能になります。


FM-CW方式による距離・速度計測

一般的な車載レーダセンサは、

Frequency-Modulated Continuous-Wave (FM-CW)方式

という方式を使用していることが多いです。

Continuous-wave radar - Wikipedia, the free encyclopedia


FM-CWレーダは、下記の図*1のような周波数が

三角波の形をした電波を送信し、

送信波と受信波の波形の違いから

対象物体の距離と相対速度を検出することができます。


FM-CW形式では、送信電波と対象物から反射した送信波が混ざった

ビート信号という電波を受信し、そのビート信号の周波数を解析します。


三角波の中での周波数の増加時のビート信号の周波数をf_UB、

減少時のビート信号の周波数をf_DBとすると、

これらの周波数の値から対象物までの距離Rは、

下記の式で計算されます。

ここでc(299792458 m/s)は光速で既知の情報であり、

f_mは三角波の変調周波数、

Δfは三角波の変調幅で、

それぞれのレーダの既知パラメータとなるので、

計算可能になります。


同様に、対象物の相対速度は下記の式で計算されます。

ここで、f_oは中心周波数ですので、

これもレーダの既知パラメータです。


電子スキャン方式による物体の角度検出

前章の計算方法で、アンテナ方向に対する

対象物体の距離と相対速度が計算できますが、

このままでは一次元のセンサになってしまいます。


そこで一般的に2つの方法で

このレーダセンサをスキャンさせて

二次元のセンサにすることができます。


一つ目の方法は、

機械式スキャンという方法で、

レーダのアンテナを機械的に回して、

その時のアンテナの角度と先ほどの計算方法で、

対象物体の相対的位置[x,y]と相対速度[v]を計算できます。


しかし、この機械式スキャンは駆動部があるため、

センサのサイズが大きくなり、

また、振動などにも弱くなってしまいます。


そこで、現時点で車載レーダの一般的な方式として、

利用されているのが、電子スキャン方式です。


この電子スキャン方式は、

複数のアンテナを同じ方向に配置することで、

下記の図のように、

それぞれのアンテナの受信周波数の位相差を計算することで、

対象物体の角度を計算することができます。


この電子スキャン方式は駆動部が無いため、

サイズが小さく、振動に強くなります。

レーダセンサの特徴

他のセンサと比べて、

レーダセンサは下記の利点と欠点があると言われています。

利点
  • 検知距離が長い(ミリ波レーダの場合、最大観測距離100m以上が一般的)
  • 雨や埃、霧などの外界ノイズの影響を受けにくい
  • 対象物体の位置だけでなく、相対速度も同時に観測可能
  • 電子スキャン方式の場合、駆動部が無いため振動などに強い
  • 高性能なレーザセンサに比べると比較的安価
欠点
  • 高解像度の情報を得るのは難しい
  • 使用可能な周波数帯が国によって異なる。

ある国でしか使えないレーダセンサ(UWBなど)もあるようです。

超広帯域無線 - Wikipedia