(57)【要約】      （修正有）【課題】高い精度で位置測定ができる、移動体ナビゲーション用レーザスキャナを提供する。【解決手段】レーザスキャナ１０は、受光信号に基づいてランドマークの検出の有無及びその方向を示す測定値を生成する評価ユニット３０を備え、前記評価ユニットは前記測定値から自己位置データ及びナビゲーションデータを算出する。また前記評価ユニットは、偏向ユニット１６の回転軸に対するスキャナの回転を測定するとともに前記測定値に対する該回転の影響を補正する補正ユニット３４を備える。前記補正ユニットは、前記偏向ユニットの回転軸と０度以外の角度を成す少なくとも一つの軸に対するスキャナの傾きの変化を、回転速度センサ３２のデータを用いて測定する。更に前記補正ユニットは直線的な速度及び加速度を検出するためのセンサ３３を備え、算出された追加の回転運動データ及び直線運動データによる前記測定値への影響を最終的に補正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体（１００）のナビゲーションのために視野（１８）からの反射を検出するためのレーザスキャナ（１０）であって、発射光線（１４）を射出するための発光器（１２）、前記発射光線（１４）を前記視野（１８）へ周期的に偏向させるための回転可能な偏向ユニット（１６）、前記視野（１８）内のランドマーク（１２０、１２２、１２４）により拡散反射された光線（２０）から受光信号を生成する受光器（２４）、ケーシング（４０）、該ケーシング（４０）に対する前記偏向ユニット（１６）の角度位置を測定するための角度測定ユニット（２８）、周囲に対する前記レーザスキャナ（１０）の回転運動を測定するための回転速度センサ（３２）、及び、前記受光信号に基づいて、少なくとも一つのランドマーク（１２０、１２２、１２４）の検出の有無及びその方向を示す測定値を生成し、該測定値から自己位置データ及びナビゲーションデータを算出する評価ユニット（３０）を備え、該評価ユニット（３０）は、前記回転速度センサ（３２）を用いて前記偏向ユニット（１６）の回転軸に対する前記レーザスキャナ（１０）の回転を測定するとともに前記測定値に対する該回転の影響を補正するように構成された補正ユニット（３４）を備え、該補正ユニット（３４）は、前記偏向ユニット（１６）の回転軸と０度以外の角度を成す少なくとも一つの軸に対する前記レーザスキャナの傾きの変化を、前記回転速度センサ（３２）のデータを用いて追加的に測定することが可能であり、また該補正ユニット（３４）は直線的な速度及び加速度を検出するための直線運動センサ（３３）を備えており、更に該補正ユニット（３４）はこれら追加の回転運動データ及び直線運動データによる前記測定値への影響を最終的に補正することを特徴とするレーザスキャナ（１０）。
【請求項２】
前記回転速度センサ及び前記運動センサが３軸ＭＥＭＳ慣性センサとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザスキャナ。
【請求項３】
前記自己位置データ及びナビゲーションデータが周期的に新たに算出されることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザスキャナ。
【請求項４】
前記自己位置データ及びナビゲーションデータが１周期を通じた平均化によって算出されることを特徴とする請求項３に記載のレーザスキャナ。
【請求項５】
前記評価ユニットが、前記測定値にカルマンフィルタを適用するとともに、前記回転速度センサ及び／又は前記運動センサのデータを該カルマンフィルタのパラメータ一式の動的な適応のために利用するように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザスキャナ。
【請求項６】
前記評価ユニットが、検知されたランドマークまでの距離を、前記発射光線の射出から前記拡散反射された光線の受光までの光通過時間に基づいて測定し、その結果、前記測定値にランドマークの距離及び方向が含まれるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザスキャナ。
【請求項７】
前記評価ユニットが、前記回転速度センサ及び前記運動センサの運動データのみに基づいて既知の位置を追跡することができるように構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザスキャナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車や輸送機械等（以下、移動体と呼ぶ）のナビゲーションに用いられるレーザスキャナに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザスキャナにおいては、レーザから発射された光線が偏向ユニットの作用によって周期的に視野（監視領域）を掃くように走査する。この光線は視野の中にある物体により拡散反射され、その反射光がレーザスキャナ内で評価される。偏向ユニットの角度位置から物体の角度位置が推定され、更に光の通過時間と光の速度から、レーザスキャナから物体までの距離が推定される。光の通過時間を測定する方法として、位相に基づく方法（位相法）とパルスに基づく方法（パルス法）という、二つの基本的な原理が知られている。位相法では、発射光が変調され、該発射光に対する受信光の位相のずれが評価される。パルス法の場合、レーザスキャナは、ある特定の光パルスが射出されてから該光パルスが再び受光されるまでの所要時間を測定する。こうして得られた角度及び距離のデータから、視野における物体の場所を二次元極座標で把握することができる。既知の物体（例えば明確に定まったランドマーク）の場所を確定すれば、その場所に基づいてレーザスキャナの現在位置を計算することが可能であり、更にそのデータを用いて、該レーザスキャナを装備した移動体等のナビゲーションを行うことができる。
【０００３】
レーザスキャナの視野に３つ以上のランドマークがあれば、個々のランドマークまでの距離を測定しなくても、それらの角度の測定値のみに基づいてナビゲーションを行うことができる。
【０００４】
正確なナビゲーションには厳密に規定された角度分解能が必要である。特に、移動体に取り付けられるレーザスキャナの場合、とりわけレーザスキャナの回転運動が重要となる。このような回転運動は、例えば、その場で旋回して実際の運動方向からどの方向にでも動くことができるような特殊な車輪構造を有する全方向駆動型の運搬装置において生じる。この場合、偏向ユニットの回転運動により決まる所定の角度分解能と外部の回転運動とが重なり合う。スキャンによる（３６０度にわたる）記録は時間的に広がっているため、スキャナが空間内で動きながら取得した測定データには画像の歪みが含まれる。このスキャンデータを測定技術的な目的に用いる場合、いわゆる「歪み」は望ましくない誤りを意味する。
【０００５】
特許文献１に、発光器、発射光を周期的に偏向させるための回転可能な偏向ユニット、受光器、ケーシング、前記偏向ユニットの角度位置を検出するための角度測定ユニット、及び、受光信号に基づいて反射マークの位置を算出することによりナビゲーションを可能にする評価ユニットを備える移動体ナビゲーション用レーザスキャナが開示されている。
【０００６】
特許文献２は、ナビゲーション用レーザスキャナではなく安全技術用のレーザスキャナ開示するものであるが、そこには、偏向ユニットと同一の回転軸を有する回転運動を補正することができる方法の一例が記載されている。その方法では、当該回転運動が回転速度センサによって検出され、評価の際に二つの回転運動の重なりが考慮される。
【０００７】
しかし、移動体のナビゲーションの場合、偏向ユニットの回転軸を中心とする回転運動だけでなく、多様な運動が生じる。特に、そのなかには（制動や始動による）直線方向の急激な加速もあり、それが位置測定の精度に影響する可能性がある。つまり、ある角度範囲において偏向ユニットの回転運動に直線的な運動又は加速が重畳されると、測定に影響が出る。
【０００８】
ランドマークの位置の測定に誤りがあると、測定された位置の精度が低くなり、極端な場合、実際の位置を確定できずに見落としてしまう可能性がある。特に、移動体の動力学的な運動の際、回転速度が高かったり、急激な加速又は減速が行われたりすると問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】DE 20 2010 007 088 U1
【特許文献２】DE 10 2011 053 212 B3
【特許文献３】EP 2 237 064 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上のような技術背景から成された本発明の課題は、任意の回転運動及び直線運動の影響下において高い精度で位置測定ができるレーザスキャナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、請求項１に記載の特徴を有するレーザスキャナにより解決される。
【００１２】
本発明に係るレーザスキャナは、移動体のナビゲーションに用いられるものであって、自身の視野から到来する反射を検出する。そのために、該レーザスキャナは、発射光線を射出するための発光器、前記発射光線を前記視野へ周期的に偏向させるための回転可能な偏向ユニット、前記視野内のランドマークにより拡散反射された光線から受光信号を生成する受光器、ケーシング、該ケーシングに対する前記偏向ユニットの角度位置を測定するための角度測定ユニット、周囲に対する前記レーザスキャナの回転運動を測定するための回転速度センサ、及び、前記受光信号に基づいて、少なくとも一つのランドマークの検出の有無及びその方向を示す測定値を生成する評価ユニットを備える。該評価ユニットは前記測定値から自己位置データ及びナビゲーションデータを算出するものであって、前記偏向ユニットの回転軸に対する前記レーザスキャナの回転を測定するとともに前記測定値に対する該回転の影響を補正するように構成された補正ユニットを備える。本発明においては、該補正ユニットが、前記偏向ユニットの回転軸と０度以外の角度を成す少なくとも一つの軸に対する前記レーザスキャナの傾きの変化を、前記回転速度センサのデータを用いて追加的に測定するように構成されている。更に該補正ユニットは、直線的な速度及び加速度を検出するための直線運動センサを備えており、こうして算出された追加の回転運動データ及び直線運動データによる前記測定値への影響を最終的に補正する。
【００１３】
これにより、偏向ユニットの回転軸と一致する回転軸を有する回転運動だけでなく、どのような回転でも検出することができる。また、直線的な加速度及び速度も検出され、考慮される。例えば、直線的な運動が偏向ユニットの回転に対して接線方向に生じると、その運動も測定データに影響を与える。これは移動体では実際によくあることである。なぜなら、偏向ユニットの回転軸は基本的に鉛直であるのに対し、直線的な運動は水平方向に生じるからである。
【００１４】
こうして、移動体の動力学的な運動を自動的に検出及び補正し、従って当該運動に対して明らかに従来より広い許容範囲を有する、コンパクトなナビゲーションセンサが得られる。
【００１５】
前記回転速度センサ及び前記運動センサは３軸ＭＥＭＳ慣性センサとして構成されていることが好ましい。ＭＥＭＳ慣性センサは、例えば自動車製造の分野で知られており、非常に安価に入手可能であり、本レーザスキャナにうまく組み込むことができる。
【００１６】
本発明の発展形態においては、前記自己位置データ及びナビゲーションデータが周期的に新たに算出され、好ましくは１周期を通じた平均化によって算出される。これにより、回転運動及び直線的な運動が継続的に考慮されること、そして、最新のデータを用いて、それだけ高い精度でナビゲーションが実行されることが保証される。
【００１７】
本発明の発展形態においては、前記評価ユニットが、前記測定値にカルマンフィルタを適用するとともに、前記回転速度センサ及び／又は前記運動センサのデータを該カルマンフィルタのパラメータ一式の動的な適応のために利用するように構成されている。
【００１８】
前記評価ユニットは、前記発射光線の射出から前記拡散反射された光線の受光までの光通過時間に基づいてランドマークまでの距離を測定し、その結果、前記測定値にランドマークの距離及び方向が含まれるように構成されることが好ましい。このようにすると、レーザスキャナが距離測定機能を有するものとなり、各測定値に方向と距離、従って完全な２次元極座標が含まれることになる。これにより、位置測定がより正確に行われ、それ故ナビゲーションもより正確に行われる。
【００１９】
例えばトンネル内の走行中など、特定の状況においては、レーザスキャナがランドマークを全く「見る」ことができない可能性がある。そこで、本発明の発展形態においては、前記評価ユニットが、回転速度センサ及び運動センサの運動データのみに基づいて既知の位置を追跡するように構成される。この形態では、トンネル内の走行中にはそれらのデータのみに基づいてナビゲーションが行われる。
【００２０】
以上のように、本発明によれば、妨害因子の影響を受けにくく、信頼性の高い測定値を出力する自動ナビゲーション用レーザスキャナが得られる。
【００２１】
以下、本発明について、更なる特徴及び利点をも考慮しつつ、模範的な実施形態に基づき、添付の図面を参照ながら詳しく説明する。図面の内容は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】レーザスキャナの概略断面図。
【図２】図１のレーザスキャナを取り付けた移動体の上面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は本発明に係るレーザスキャナ１０の概略断面図である。発光器１２（例えばレーザ）により生成された、個々の光パルスを有する光線１４が、光偏向ユニット１６ａ〜ｂを介して監視領域（視野）１８へ向けて偏向され、そこに物体が存在すれば、光線はその物体により拡散反射される。拡散反射光２０は再びレーザスキャナ１０に戻り、そこで偏向ユニット１６ｂを経由し、受光光学系２２により受光器２４（例えばフォトダイオード）に投射され、検出される。
【００２４】
光偏向ユニット１６ｂは基本的に、モータ２６により連続的に回転駆動される回転鏡として構成される。各時点における光偏向ユニット１６ｂの角度位置はエンコーダ２８を通じて検出される。エンコーダ２８は、例えばコード板２８ａと、それを走査するフォーク状光遮断機２８ｂとを含む。この構成により、発光器１２により生成された光線１４は、回転運動により形成される監視領域１８を掃くように走査する。監視領域１８から受光器２４に届いた反射光の信号２０が受信されると、エンコーダ２８によって検出される偏向ユニット１６ｂの角度位置から監視領域１８内における物体の角度位置を推定することができる。
【００２５】
回転鏡の代わりに、例えば、特許文献３に開示されているように、発光器と受光器（そして場合によっては鏡）が組み込まれた完全な回転ユニットを設けることも可能である。
【００２６】
加えて、個々のレーザ光パルスが射出されてから、監視領域１８内の物体により反射された後、受光されるまでの所要時間が算出される。この光通過時間と光の速度から、レーザスキャナ１０から物体までの距離が推定される。この評価は評価ユニット３０において行われる。そのために評価ユニット３０は、発光器１２、受光器２４、モータ２６及びエンコーダ２８と接続されている。こうして求められた角度及び距離を通じて、監視領域１８内の全ての物体の２次元極座標が利用可能となる。
【００２７】
本発明に係るレーザスキャナは無人の移動体の自動ナビゲーションに利用可能であるため、本実施例ではランドマークが関心の対象となる。以下の説明では「物体」及び「ランドマーク」という二つの概念を同義として用いる。ナビゲーションは、移動体に取り付けられたレーザスキャナが、その視野の中で認識されたランドマークに基づいて、自身の現在位置及び向きを確定し、これらのデータを、自身の現在位置データ及びナビゲーションデータとして、出力３８を通じて移動体の制御ユニットに与える、という方法で実行される。移動体の制御ユニットはそれらのデータから加速、減速及びステアリング角を計算する。
【００２８】
後で図２を参照して詳述するように、レーザスキャナ１０の角度分解能はそれ自身の動き（例えばそれ自身の旋回）及び直線的な運動（つまり速度と加速度又は減速度）に左右されることがある。そこで、レーザスキャナ１０には、回転速度センサ３２と、直線的な運動を検出する運動センサ３３とが設けられている。回転速度センサ３２及び運動センサ３３は３軸ＭＥＭＳ慣性センサとして構成され、ケーシング４０に固定されている。回転速度センサ３２はあらゆる方向の回転軸を中心とするレーザスキャナ１０の回転を監視し、その回転方向及び回転速度に関する情報を出力する。これらの情報は、レーザスキャナ１０の角度分解能の変化を算定し、補正するために、補正ユニット３４において更に処理される。
【００２９】
以上の機能部は全てケーシング４０の内部に配置されている。ケーシング４０は光の出入口となる領域に前面ガラス４２を備えている。なお、別の形態として、補正ユニット３４を有する評価ユニット３０の機能の全て又は一部を、より上位の制御部において実装することも可能である。
【００３０】
図２は、レーザスキャナ１０を用いたナビゲーションが実行される移動体１００の概略上面図である。同図には更に、レーザスキャナ１０がその周辺に存在するランドマーク１２０、１２２及び１２４を探索するために射出する個々の走査光１０４も概略的に描かれている。図を見ると、本来なら一定の角度（例えば０．５度）であるはずの走査光１０４の角度間隔が移動体１００の運動により乱れていることが分かる。このような乱れは、移動体１００自身の旋回に伴って走行方向が矢印１０６のように変わることによって生じ得るものであり、その結果、光偏向ユニット１６ｂが一定の回転速度で連続的に回転しているにも関わらず、走査光１０４ａと１０４ｂの成す角度は所定の角度より大きくなっている。現在位置の確定の際、このように実際の角度と一致していない測定値が入り込むと、得られる現在位置は不正確なものとなる。そのため、ナビゲーションが誤りを含むものになる可能性がある。
【００３１】
そこで、補正ユニット３４は、回転速度センサ３２の回転情報及び向き情報を利用して、レーザスキャナ１０自身の運動が該スキャナにより得られたナビゲーションデータを損なっていないかどうかを判定し、スキャナ自身の正しい現在位置データ及びナビゲーションデータを計算し、測定値に対するスキャナ自身の運動の影響を補正する。
【００３２】
直線的な運動の影響についても同様のことが言える。例えば、移動体１００が符号１１０の方向に走行しているときに矢印１０８のような減速（制動）が行われると、走査光１０４ｃと１０４ｄの間の角度の測定値が実際の角度と異なるものになる。
【００３３】
この場合、補正ユニット３４において、偏向ユニット１６ａ〜ｂの角度位置及び重畳された方向変化（この変化は回転速度から分かる）と、また他方では周囲に対するレーザスキャナ１０の直線的な位置の変動とを一緒に差し引きすることにより、空間における移動体１００の実際の現在位置及び周囲に対する移動体１００の向きが算定される。
【００３４】
本発明に係るナビゲーション用レーザスキャナは、周囲の視界が良好でランドマークが問題なく見えるようにするために、しばしば移動体の最も高い位置に配置される。その場合、例えば商品取り出し用車両やフォークリフトのような移動体では、典型的にはレーザスキャナが地面から２．５メートル程度の高さに位置することになるため、地面の凹凸や持ち上げ用フォークへの荷重の変化によって、車両内の基準点に対するレーザスキャナの位置が数ミリほど変化してしまうという問題がある。車両内の基準点に対するこのような位置の変化は、慣性センサ３２及び３３を用いて傾き又は傾きの変化を測定することにより、予めレーザスキャナに保存されている車両の幾何形状に関するパラメータに基づいて補正することができる。
【００３５】
また、持ち上げ用フォークにレーザスキャナが取り付けられる場合、フォークに積み荷が載せられることによりそのフォークが傾き、その結果レーザスキャナの実際の位置とその時点で記憶されている位置との間に違いが生じると、前述と同様の問題が起きる。しかし、地面に対する持ち上げ用フォークの最新の高さをレーザスキャナが車両から周期的に受け取るようにすれば、補正ユニットは、前記のような位置の違いを考慮して、持ち上げ用フォークの実際の位置に関する情報を補正することにより、積み荷の正しい引き渡し位置（例えばパレットの位置）を確定することができる。
【００３６】
更なる発展形態として、センサを水平に取り付けるための「電子的な気泡管水準器」を設けることにより、最初の取り付け時に支柱上でセンサの正しい水平位置を見つけ出し、更に稼働中にその位置を点検するようにしてもよい。
【図１】
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【図２】
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