(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
等間隔で平行に進行する三つ以上のレーザービームを発生させるレーザー発生部と、
前記レーザービームにより目標物に形成される三つ以上のポイントの映像物を獲得するための映像部と、
前記映像物の隣接ポイント間のピクセルの数により、前記目標物に対する角度と距離を測定することで求められる位置を算出する制御部とを含み、
前記制御部は、前記隣接ポイント間のピクセルの数を検出し、そのピクセルの数が同一であるとき、前記方向に獲得したピクセルの数により、前記目標物と映像部間の実際距離を算出することを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】
前記レーザー発生部は、前記三つ以上のポイントが一直線上に位置するように設置されるレーザーポインタを含むことを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。
【請求項３】
前記レーザーポインタのなかで、真中のレーザーポインタにより形成されたポイントは前記位置測定装置の画面の中央位置に表示されることを特徴とする請求項２記載の位置測定装置。
【請求項４】
前記映像部はその焦点が前記レーザーポインタの指示方向と同一方向に設定されることを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。
【請求項５】
前記目標物と映像部間の実際の距離はつぎの式で表現されることを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。
【数１】
0003659957.tif 000003
式において、Ｌは前記映像部と前記目標物間の距離であり、ｘは映像物の隣接ポイント間のピクセルの数の和であり、ｋとｂは定数である。
【請求項６】
前記位置測定装置は、前記映像物をフィルタリングして前記ポイントの位置情報を検出するための映像物処理部をさらに含み、前記制御部は前記映像物処理部により検出された位置情報から前記相対位置を測定することを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。
【請求項７】
前記位置測定装置は、周辺目標物に対する相対位置を測定するため、移動ロボットに装着されることを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。
【請求項８】
等間隔で平行に進行する三つ以上のレーザービームを発生させる段階と、
前記レーザービームにより目標物に形成される三つ以上のポイントの映像物を獲得する段階と、
前記レーザービームと目標物間の角度について映像装置を前記目標物に対して垂直になるように回転することにより測定すると共に、前記映像物の隣接ポイント間のピクセルの数により、前記目標物と映像装置間の距離を算出する段階とを含んでなることを特徴とする位置測定方法。
【請求項９】
前記算出段階は、
前記隣接ポイント間のピクセルの数を検出する段階と、
前記ピクセルの数が同一であるとき、前記検出により獲得したピクセルの数により、前記目標物と映像装置間の距離を算出する段階とを含むことを特徴とする請求項８記載の位置測定方法。
【請求項１０】
前記目標物と映像装置間の距離はつぎの式で表現されることを特徴とする請求項９記載の位置測定方法。
【数２】
0003659957.tif 000004
式において、Ｌは前記映像部と前記目標物間の距離であり、ｘは映像物の隣接ポイント間のピクセルの数の和であり、ｋとｂは定数である。
【請求項１１】
前記算出段階は、前記映像物のフィルタリングにより前記ポイントの位置情報を検出することにより位置測定を実行するように行われることを特徴とする請求項８記載の位置測定方法。
【請求項１２】
第１及び第２レーザービームを発生させて目標物に発射する第１及び第２レーザーと、
前記第１及び第２レーザービームにより目標物に形成されるポイントの映像物を獲得する映像部と、
前記第１及び第２レーザービームの平均経路が前記目標物に対して垂直となるように前記映像部を回転させる回転補正部と、
前記映像物のポイント間のピクセルの数により、前記目標物に対する角度と距離を測定することで求められる位置を算出する制御部とを含み、
前記制御部は、前記隣接ポイント間のピクセルの数を検出し、そのピクセルの数が同一であるとき、前記方向に獲得したピクセルの数により、前記目標物と映像部間の実際距離を算出することを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置測定に関し、より詳しくは周辺構造物に対する移動物体の相対的な位置測定に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、精密な距離測定のため、従来には電子素子を用いる超音波測定器あるいはレーザーの反射波を用いる距離測定器などが商品化され使用されている。
【０００３】
このうち、超音波距離測定器は、電子誘導現象、圧電現象などを用いるもので、主要素として送波器と受波器とからなる。送波器から超音波を発射すると、測定対象物体にぶつかり、反射され戻ってくる超音波を受波器で受信する。この際、超音波の速度と、送信から受信までの時間とから、対象物までの距離を求めることができる。送信から受信までの時間の測定は、フリップフロップにより、つぎのように具現することができる。すなわち、送波器から超音波を発射するとき、フリップフロップをセットさせ、受波器が反射された超音波を検知したとき、フリップフロップをリセットさせると、超音波が発射されてから復帰するまでの時間を幅とするパルスが作られる。このパルスから時間が得られる。しかし、このような超音波距離測定器は、屈曲面での乱反射により、測定値の正確度がかなり低下する。そのうえ、騒音環境に脆弱であり、実時間の精密な距離測定が困難である。
【０００４】
レーザー距離測定器は、反射波の位相変化を用いるタイプ、パルスを用いるタイプ、三角法による反射波の受光タイプなど、いろいろがある。パルスを用いる方法は、目標物に向けて干渉性光である単一パルス又は一連のパルスを放出する。この光は、数ｋｍの距離を進行してもパルスの直径がおよそ１ｍにすぎないほどに、ほとんど分散されない。光が目標物に到達すると四方に分散されるが、一部のエネルギーは再びレーザー距離測定器に戻って感知される。レーザー距離測定器は、パルスが反射されてから復帰する時間を測定して標的の距離を決定する。
【０００５】
三角法を用いるレーザー距離測定方法は、レーザービームを発射し、物体から反射された反射光をレーザー受光センサーで検出し、このレーザー発射角を検出し、三角法により物体までの距離を測定する方法であった。しかし、三角法を用いるレーザー距離測定方法は、レーザー出力が大きくなければならなく、受光センサーの感度が優れていなければならなく、受光センサーの回路構成が非常に複雑になるため、製品の価格上昇の原因となる。また、これを取り扱う時にも深い注意を必要とするため、実用的でない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は前記従来の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、安価の装備をもって比較的高い精密度で距離及び角度の測定ができる、レーザーを用いる位置測定装置及び方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、等間隔で平行に進行する三つ以上のレーザービームを発生させるレーザー発生部と、前記レーザービームにより目標物に形成される三つ以上のポイントの映像物を獲得するための映像部と、前記映像物の隣接ポイント間のピクセルの数により、前記目標物に対する位置を算出する制御部とを含む位置測定装置を提供する。
【０００８】
また、本発明は、等間隔で平行に進行する三つ以上のレーザービームを発生させる段階と、前記レーザービームにより目標物に形成される三つ以上のポイントの映像物を獲得する段階と、前記映像物の隣接ポイント間のピクセルの数により、前記前記レーザービームと目標物間の角度と、映像装置間の距離を算出する段階とを含んでなる位置測定方法を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるレーザーを用いる位置測定装置及び方法の好ましい実施例を図１Ａないし図４に基づいて説明する。
【００１０】
図１Ａは本発明による、レーザーを用いる位置測定装置の平面図である。図１Ａに示すように、本発明によるレーザー位置測定装置１０２は、三つのレーザーポインタ１０４と、一つのＣＣＤカメラ１０６とを備える。三つのレーザーポインタ１０４は等間隔で設置され、相互平行したレーザー三つのレーザービームを発生させる。ＣＣＤカメラ１０６は、三つのレーザービームにより表面（図示せず）に形成される三つのポイントを撮影して映像物を得るためのものである。ＣＣＤカメラ１０６は、三つのレーザーポインタのなかで中央のものによるポイントが画面（図示せず）の真中に位置するように設置する。ＣＣＤカメラ１０６の解像度は本発明による位置測定装置の角度及び距離測定の精密度を決定する要素の一つであるが、所望の精密度によってＣＣＤカメラの解像度を選択する。
【００１１】
図１Ｂは本発明によるレーザーを用いる位置測定装置を示すブロック図である。同図に示すように、制御部１５２は、レーザーポインタ１０４を制御してレーザービームを発生させ、ＣＣＤカメラ１０６を制御して、レーザービームにより表面（図示せず）に形成されたポイントの映像物を獲得する。ＣＣＤカメラ１０６により獲得した映像物データは記憶部１５８に記憶され、このデータは制御部１５２が角度及び距離を算出するために用いられる。映像物処理部１６０は、ＣＣＤカメラ１０６により獲得した映像物をフィルタリングして、レーザービームにより形成されたポイントの位置情報のみを抽出するようにする。
【００１２】
図２Ａは本発明によるレーザーを用いる位置測定装置の角度測定概念を示す図である。同図に示すように、本発明による位置測定装置１０２から発生したレーザービームと壁面１０８の法線間の角度をωとする場合、ω＝０であると、レーザービームは壁面１０８の法線に対して垂直である。一方、ω≠０であると、レーザービームが壁面１０８の法線に対して所定の角度をなす。したがって、ω≠０であるとき、ω＝０となるように位置測定装置１０２を回転させると、その回転角が角度ωと同一の値を有するので、これにより角度ωを求めることができる。位置測定装置１０２を回転させてω＝０となるようにする原理を図２Ｂに基づいて説明するとつぎのようである。
【００１３】
図２Ｂ及び図２Ｃは、本発明によるレーザーを用いる位置測定装置が角度測定のために獲得した映像物を示す図である。図２Ｂは、ω≠０であるとき、ＣＣＤカメラ１０６により獲得した映像物を示す。図２Ｂから分かるように、三つのレーザービームが壁面１０８の法線に対して垂直でないため、レーザービームにより生成された三つのポイント間の距離が相違する。すなわち、中央のポイントを基準とすると、左側のポインタより右側のポインタが近いため、図２Ｂの映像物には、ａ′がａ″より大きく現れる。図２Ｂの映像物において、距離ａ′とａ″は映像物のピクセルの数から求めた値である。
【００１４】
図２Ｂの状態で、本発明による位置測定装置１０２を回転させながら、ａ′＝ａ″となるようにすると、壁面１０８とレーザービームが垂直となるようにすることができる。図２Ｃは、ａ′＝ａ″となるように、位置測定装置１０２を回転させることで、壁面１０８に対してレーザービームが垂直となるようにした状態で獲得した映像物を示す。壁面１０８に対してレーザービームが垂直となると、壁面１０８と本発明による位置測定装置１０２間の距離を測定する。
【００１５】
図３Ａは本発明によるレーザーを用いる位置測定装置の距離測定概念を示す図である。図３Ａに示すように、レーザービームを壁面１０８に対して垂直に発射し、ＣＣＤカメラ１０６で獲得した映像物での三つのポイント間の距離を算出して、壁面１０８とＣＣＤカメラ１０６間の実際の距離を得る。このような本発明による位置測定装置の距離測定原理を図３Ｂ及び図３Ｃに基づいて説明するとつぎのようである。
【００１６】
図３Ｂ及び図３Ｃは、本発明によるレーザーを用いる位置測定装置において、距離測定のために獲得した映像物を示す図である。図３Ｂは近距離映像物を示し、図３Ｃは遠距離映像物を示す。図３Ｂの近距離映像物と図３Ｃの遠距離映像物を比較すると、図３Ｂの近距離映像物の距離ａ′が図３Ｃの遠距離映像物の距離ａ′より大きいことが分かる。この距離ａ′は映像物のピクセルの数から求められるが、単位ピクセル当たり実際距離から、つぎの式（１）により実際距離を獲得することができる。
【数３】
0003659957.tif 000002
【００１７】
式（１）において、ＬはＣＣＤカメラ１０６と壁面１０８間の距離であり、ｘは映像物のポイント間の距離ａ′＋ａ″（又は映像物のポイント間のピクセル数の和）であり、ｋとｂは定数である。定数ｋとｂは、単位ピクセル当たり実際距離を求めるため、２回以上の実験によるデータから求められる値である。
【００１８】
式（１）から分かるように、壁面１０８とＣＣＤカメラ１０６間の距離Ｌは映像物のポイント間の距離ａ′＋ａ″に反比例する。すなわち、映像物での距離ａ′に相当するピクセルの数が少ないほど、ＣＣＤカメラ１０６と壁面１０８間の距離は大きい。逆に、映像物での距離ａ′に相当するピクセルの数が多いほど、ＣＣＤカメラ１０６と壁面１０８間の距離は小さい。
【００１９】
図４は本発明によるレーザーを用いる位置測定装置の位置測定方法を示すフローチャートである。同図に示すように、本発明によるレーザーを用いる位置測定装置により位置を測定するためには、まず、レーザーポインタ１０４をターンオンしてレーザービームを発生させる（Ｓ４０２）。ＣＣＤカメラ１０６により、壁面１０８に形成された三つのポインタの映像物を獲得する（Ｓ４０４）。獲得した映像物に対してフィルタリングを行って三つのレーザーポイントの位置情報のみを抽出する（Ｓ４０６）。三つのポイント間のピクセル数を検出し（Ｓ４０８）、距離ａ′とａ″を比較する（Ｓ４１０）。もし、ａ′＝ａ″であると、前述したような式（１）により実際距離Ｌを算出し、レーザーポインタ１０４をターンオフさせる。逆に、ａ′≠ａ″であると、角度調整によりａ′＝ａ″の条件が満たされるようにし（Ｓ４１２）、実際距離が算出されるａ′＝ａ″のときまで、ａ′とａ″の比較段階（Ｓ４１０）を繰り返す（Ｓ４１４）。
【００２０】
このような本発明による位置測定装置は、産業分野又は家庭内で用いられる移動ロボットに適用され、移動ロボットが周辺環境（構造物、家具、機械装置など）に対する相対位置を測定することができる。図５は本発明によるレーザーを用いる位置測定装置を採用した移動ロボットの実施例を示す図である。同図に示すように、移動ロボット５００にレーザーポインタ１０４とＣＣＤカメラ１０６を装着し、壁面１０８などに対する移動ロボット５００の相対的位置を測定するようにすると、家庭や産業分野での移動ロボットの位置制御が可能である。また、自動車などの車両の衝突防止システムにも応用することができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるレーザーを用いる位置測定装置は、壁面のような目標物に対する相対的な角度及び距離の測定により、目標物に対する相対的位置を把握することができる。このため、構造が簡単で価格の低廉なレーザーポインタ及びＣＣＤカメラを用いるため、取扱いが簡便で経済的である。また、位置測定アルゴリズムが簡単であるので、システムの負荷を軽減し、負荷減少により、位置測定時間が短縮して実時間位置測定を可能にする。さらに、レーザーポイントを撮影した映像物をフィルタリングしてポイントの位置を把握するので、本発明による位置測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  本発明によるレーザーを用いる位置測定装置の平面図である。
【図１Ｂ】  本発明によるレーザーを用いる位置測定装置のブロック図である。
【図２Ａ】  本発明によるレーザーを用いる位置測定装置の角度測定の概念を示す図である。
【図２Ｂ】  本発明による位置測定装置から発生したレーザービームと壁面の法線間の角度が０でないとき、ＣＣＤカメラにより獲得した映像物を示す図である。
【図２Ｃ】  本発明による位置測定装置を回転させて、レーザービームと壁面の法線間の角度が０となるようにした状態でＣＣＤカメラにより獲得した映像物を示す図である。
【図３Ａ】  本発明によるレーザーを用いる位置測定装置の距離測定の概念を示す図である。
【図３Ｂ】  本発明によるレーザーを用いる位置測定装置により獲得した近距離映像物を示す図である。
【図３Ｃ】  本発明によるレーザーを用いる位置測定装置により獲得した遠距離映像物を示す図である。
【図４】  本発明によるレーザーを用いる位置測定装置の位置測定方法を示すフローチャートである。
【図５】  本発明によるレーザーを用いる位置測定装置を採用した移動ロボットの実施例を示す図である。
【符号の説明】
１０２  レーザー位置測定装置
１０４  レーザーポインタ
１０６  ＣＣＤカメラ
１０８  壁面
５００  移動ロボット
１５２  制御部
【図１Ａ】
0003659957.tif 000005
【図１Ｂ】
0003659957.tif 000006
【図２Ａ】
0003659957.tif 000007
【図２Ｂ】
0003659957.tif 000008
【図２Ｃ】
0003659957.tif 000009
【図３Ａ】
0003659957.tif 000010
【図３Ｂ】
0003659957.tif 000011
【図３Ｃ】
0003659957.tif 000012
【図４】
0003659957.tif 000013
【図５】
0003659957.tif 000014