(57)【要約】【課題】測定光の反射を用いた走査型距離測定装置における測定対象物の誤認識の低下を実現する。【解決手段】本実施形態の走査型距離測定装置は、光学方式距離情報推定部１１２から得られる光学方式距離情報と超音波方式距離情報推定部１０６から得られる超音波方式距離情報とを比較し光学方式距離情報の信頼度を推定する信頼度推定部１２６と、超音波方式距離情報が所定の条件を満たすと判定された場合に、超音波送受信部１０５が測定対象とする所定の測定領域において得られた光学方式距離情報を、該信頼度に基づいて補正し補正後の光学方式距離情報を出力し、該信頼度を補正後の該光学方式距離情報に対応する信頼度へと更新する距離情報補正部１２７と、を備える。【選択図】図１
2018189494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光の測定方向角度を変えて走査しながら該測定光の反射光を受光することで、各測定方向角度における測定対象物までの距離を測定する走査型距離測定装置であって、
レーザを光源とする投光部と該光源の反射光を受光する受光部とを含む投受光部と、
該投受光部が接続された光学方式距離情報推定部と、
該投受光部が固定され回転駆動されるロータ部と、
該ロータ部に回転駆動力を与えるステータ部と、
該ステータ部が固定された静止体部と、
該静止体部に固定され前記ロータ部の回転位置を検出する回転位置検出部と、
該ロータ部に固定され超音波の送受信を行う超音波送受信部と、
該超音波送受信部から送信された該超音波と反射波との時間差に基づいて距離情報を推定する超音波方式距離情報推定部と、
該ロータ部と該ステータ部を組み合わせた回転機構によって測定方向を変えながら、該投光部と該超音波送受信部を制御する測定制御部と、
該光学方式距離情報推定部から得られる光学方式距離情報と該超音波方式距離情報推定部から得られる超音波方式距離情報とを比較し光学方式距離情報の信頼度を推定する信頼度推定部と、
超音波方式距離情報が所定の条件を満たすと判定された場合に、該超音波送受信部が測定対象とする所定の測定領域において得られた該光学方式距離情報を、該信頼度に基づいて補正し補正後の該光学方式距離情報を出力し、該信頼度を補正後の該光学方式距離情報に対応する信頼度へと更新する距離情報補正部と、
を備えることを特徴とする走査型距離測定装置。
【請求項２】
信頼度推定部は、該光学方式距離情報と超音波方式距離情報のうち、所定の時間ステップで得られた少なくとも１つの該光学方式距離情報と、所定の時間ステップで得られた少なくとも１つの超音波方式距離情報との差分に基づいて、該信頼度を推定すること、
を特徴とする請求項１に記載の走査型距離測定装置。
【請求項３】
信頼度推定部は、該光学方式距離情報と該超音波方式距離情報の差分がより大きくなると、該信頼度をより低い信頼度へと更新すること、
を特徴とする請求項１または２に記載の走査型距離測定装置。
【請求項４】
該投受光部が測定対象とする測定領域方向と、該超音波送受信部が測定対象とする測定領域方向は、ロータ部の回転により走査され、該投受光部と該超音波送受信部の配置方向の違いにより生ずる走査回転角度に対する距離情報の位相差を、該距離情報のシフトに基づいて補正すること
を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の走査型距離測定装置。
【請求項５】
複数の投受光部と少なくとも１つの超音波送受信部とを有し、
ロータ部に固定された複数の投受光部が、ロータ部の回転面から上下の範囲で、複数方向に走査し該測定対象物を３次元的に距離測定すること
を特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の走査型距離測定装置。
【請求項６】
複数の投受光部と少なくとも１つの超音波送受信部を有し、
複数の投受光部が該測定対象物における同一の領域を、重複して測定することで測定分解能を高めること、
を特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の走査型距離測定装置。
【請求項７】
ロータ部の回転中心の軸にスリップリングを更に設け、該スリップリングを介した電気信号の送受信に基づいて測定制御部が測定制御を行うこと、
を特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の走査型距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型距離測定装置に係り、詳しくは測定対象物の誤認識の低下等を実現する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定光の測定方向角度を変えて走査しながら測定光の反射光を受光することで、各放射方向角度における測定対象物までの距離を推定する走査型距離測定装置が知られている。（特許文献１参照）
【０００３】
ミラー光学系を回転および陽動させることでレーザ光を３次元的に走査し、３次元的な距離を測定する走査型距離測定装置が知られている。（特許文献２参照）
【０００４】
これら測定光の反射を用いた走査型距離測定装置はコンパクトで精度が高いことから、自律移動ロボットをはじめ、無人搬送車、自動運転車等に活用されており、ＳＬＡＭ（Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍａｐｐｉｎｇ）による地図生成や障害物の回避制御、衝突防止制御等に欠かすことのできない測定装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２２１３３６
【特許文献２】特開２０１１−１８０１０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、測定光の反射を用いた従来の走査型距離測定装置では、物体の検出に際し、以下の欠点がある。
【０００７】
透明ガラスや透明樹脂をはじめとする透明材料体までの距離を測定する場合には、光が透過してしまうため、正しい距離測定を行うことができない。例えば、透明材料体を隔てた先に、光を反射する物体が配置されている場合には、物体からの反射光が透明材料体を透過し走査型距離測定装置で検出されるため、手前には透明材料体があるにも関わらず、その距離を誤認してしまう欠点がある。
【０００８】
一方、ガラス鏡や鏡面化された金属表面をはじめとする光を鏡面で反射する鏡面反射体までの距離を測定する場合には、投光光が鏡面反射され、反射先に物体があればその再反射光が同じ光路を再経由し走査型距離測定装置に戻ってくる。つまり鏡面反射によって光路長が変わり、手前には鏡面反射体があるにも関わらず、その距離を誤認してしまう欠点がある。
【０００９】
以上の欠点は、走査型距離測定装置で検出される測定方向角度と距離に基づき、ＳＬＡＭによる地図生成を行う場合、誤った地図が生成されてしまう問題を生ずる。例えば、地図に基づいて移動する自律移動ロボットでは、自己位置推定の誤りや行動計画の誤りを生じてしまう。
【００１０】
このようなことから、走査型距離測定装置と周囲環境の組み合わせによって発生する測定誤差の低下を図ることが望ましい。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みたものであり、
測定光の反射を用いた走査型距離測定装における測定対象物の誤認識の低下を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施形態に係る走査型距離測定装置は、以下のような構成を備える。すなわち、
測定光の測定方向角度を変えて走査しながら該測定光の反射光を受光することで、各測定方向角度における測定対象物までの距離を測定する走査型距離測定装置であって、
レーザを光源とする投光部と該光源の反射光を受光する受光部とを含む投受光部と、
該投受光部が接続された光学方式距離情報推定部と、
該投受光部が固定され回転駆動されるロータ部と、
該ロータ部に回転駆動力を与えるステータ部と、
該ステータ部が固定された静止体部と、
該静止体部に固定され前記ロータ部の回転位置を検出する回転位置検出部と、
該ロータ部に固定され超音波の送受信を行う超音波送受信部と、
該超音波送受信部から送信された該超音波と反射波との時間差に基づいて距離情報を推定する超音波方式距離情報推定部と、
該ロータ部と該ステータ部を組み合わせた回転機構によって測定方向を変えながら、該投光部と該超音波送受信部を制御する測定制御部と、
該光学方式距離情報推定部から得られる光学方式距離情報と該超音波方式距離情報推定部から得られる超音波方式距離情報とを比較し光学方式距離情報の信頼度を推定する信頼度推定部と、
超音波方式距離情報が所定の条件を満たすと判定された場合に、該超音波送受信部が測定対象とする所定の測定領域において得られた該光学方式距離情報を、該信頼度に基づいて補正し補正後の該光学方式距離情報を出力し、該信頼度を補正後の該光学方式距離情報に対応する信頼度へと更新する距離情報補正部と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の各実施形態によれば、光学方式距離検出器を搭載した走査型距離測定装置における測定対象物の誤認識の低下を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】走査型距離測定装置の側面と測定対象物とを示す図である。
【図２】走査型距離測定装置の上面と測定対象物とを示す図である。
【図３】走査型距離測定装置におけるローカル座標とワールド座標との関係を示す図である。
【図４】検出器の配置が１８０°異なる場合の走査型距離測定装置の上面と測定対象物とを示す図である。
【図５】ロータ回転速度制御の処理ステップを示す図である。
【図６】ロータ回転速度制御の処理ステップを示す図である。
【図７】検出器の配置が１８０°異なる場合に得られる距離情報の位相差の補正について示す図である。
【図８】超音波方式での距離測定結果を示す図である。
【図９】光学方式での距離測定結果を示す図である。
【図１０】シフト補正された光学方式距離情報と超音波方式距離情報を示す図である。
【図１１】光学方式距離情報と信頼度とを示す図である。
【図１２】補正を必要とする光学方式距離情報のフィルタリング処理結果を示す図である。
【図１３】補正を実施した光学方式距離情報と信頼度とを示す図である。
【図１４】補正処理によって得られた光学方式距離情報を室内の上面図に描画した結果を示す図である。
【図１５】光学方式距離情報と信頼度の補正処理ステップについて示す図である
【図１６】３次元の光学方式距離検出器を搭載した走査型距離測定装置について示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の説明にあたり、はじめに、実施形態において用いられる座標の定義について、図３を照らしながら説明する。
【００１６】
図３は、走査型距離測定装置におけるローカル座標とワールド座標との関係を示す図である。図３（ａ）は走査型距離測定装置を上面から見た際の座標の定義であり、図３（ｂ）は走査型距離測定装置を側面から見た際の座標の定義である。
【００１７】
座標軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は走査型距離測定装置を中心とした「ワールド座標」を示し、座標軸（ｘ，ｙ，ｚ）は走査型距離測定装置の回転するロータ部１１８に固定された「デバイス座標（ロータ部）」を示し、座標軸（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）は走査型距離測定装置の静止体１２１に固定された「デバイス座標（静止体部）」を示すものである。
【００１８】
走査型距離測定装置の中心軸を反時計間周りする方向を正の回転方向と定義する。角度の単位は、度、ラジアンのいずれでも良い。そこで、θはワールド座標に固定された角度、ψはデバイス座標（ロータ部）に固定された角度、ψｓはデバイス座標（静止体部）に固定された角度であり、いずれも水平面上もしくは回転平面上の角度と定義する。この平面に対し垂直な方向は、φ、λ、λｓで定義される。φはワールド座標に固定された角度、λはデバイス座標（ロータ部）に固定された角度、λｓはデバイス座標（静止体部）に固定された角度である。このような角度定義のもと、距離測定の結果を３次元な座標系で扱ったり、距離検出器の構成によっては２次元平面に射影し、２次元平面に限定して扱ったりすることができる。とりわけ、ψはロータ部に配置された検出器の方向角度を、ψｓは検出器の回転走査角度を、λは水平面に対する回転走査する平面の角度を、それぞれ定義するために用いられる。
【００１９】
１０１は走査型距離測定装置の測定対象物であり、１１６ａは光学方式の距離測定方向を意味している。走査型距離測定装置の中心は、回転駆動される１１８ロータ部の回転中心軸と定義する。走査型距離測定装置では、ロータ部の回転軸を中心とし、予め定義された「デバイス座標」において、測定対象物までの相対角度と、測定対象物までの相対距離とを検出することができる。図３では「デバイス座標（ロータ部）」と「デバイス座標（静止体部）」の座標系を、光学方式の距離測定方向と定義したが、これは一実施形態であり、座標軸は各実施形態に応じてユーザが任意に定義できるものとする。ワールド座標系の座標軸も同様に、任意の軸に定義出来るものとする。
【００２０】
図３に示す構成のでは、ワールド座標上の角度θ＝４５．０［°］、λ＝０．０［°］の方向に対して、光学方式による距離測定を実施すると、距離Ｌ＝３．０［ｍ］の位置に、測定対象物が検出されることになる。
【００２１】
上記の定義のもと、以下に、本発明の一実施形態について詳説する。
＜１．走査型距離測定装置の基本構成＞
はじめに、本実施形態に係る超音波方式距離検出器と光学方式距離検出器とを有する走査型距離測定装置の基本構成について説明する。図１および図２は、本発明を実施するための一実施形態である。走査型距離測定装置のカバー１３０の内部には、超音波方式距離検出器１０４と光学方式距離検出器１１０が格納されており、ベアリング１３１による回転機構を備えたロータ部１１８の回転によって、回転走査しながら各検出器による距離測定が実施できる構成になっている。カバー１３０は各種回路や各種検出器等の保護を目的とするカバーであって、樹脂や金属を成型したものである。
【００２２】
図１および図２では、測定対象物１０１と非測定対象物１０２に向け、超音波方式の距離測定領域１０９と光学方式の距離測定領域１１６が形成されている。これは、超音波方式距離検出器１０４と、光学方式距離検出器１１０とを同時に用いた距離測定を実施している様子を示している。
【００２３】
測定対象物１０１とは、動物や、物体としてワールド座標上に存在する測定対象である。例えば、建物内であれば、人や、壁や棚等に相当し、自律移動ロボットが移動する際の障害物ともなりうる物体でもあり、走査型距離測定装置を用いた地図生成では地図上に反映されるものである。非測定対象物１０２は、光学的な距離測定では、正しく距離を測定することができない物体を示している。そのような物体には、透明材料体、ガラス鏡、鏡面化された金属表面などがある。
【００２４】
透明材料体には、透明なガラス窓やアクリル板などがある。これら透明材料体は、光が透過してしまうため正しい測定を行うことはできない。もし、透明材料体を隔てた先に、光が反射する物体が配置されている場合には、物体からの反射光が透明材料体を透過し走査型距離測定装置で検出されるため、手前には透明材料体があるにも関わらずその距離を誤認してしまう。
【００２５】
一方、ガラス鏡や鏡面化された金属表面をはじめとする、光を鏡面で反射する鏡面反射体までの距離を測定する場合には、投光光が鏡面反射され、反射先に物体があればその再反射光が同じ光路を再経由し走査型距離測定装置に戻ってくる。つまり、鏡面反射によって光路長が変わり、手前には鏡面反射体があるにも関わらず、その距離を誤認してしまう。換言すると、非測定対象物１０２は、光を使った距離測定の結果が正しく得られない物体である。
【００２６】
超音波方式距離検出器１０４は、超音波送受信部１０５と超音波方式距離情報推定部１０６を備え、超音波信号を使って対象物の距離測定を実施する検出器である。超音波送受信部１０５では、２０ＫＨｚから４００ＫＨｚ程度の非可聴周波数に変調されたパルス合成波を生成し、所定の音量で超音波トランスデューサから送信（送信超音波１０７）された後、対象物から反射し戻ってくる反射音波（受信超音波１０８）を、同じ超音波トランスデューサで受信する動作を実行する。
【００２７】
変調周波数の選定は、超音波の指向特性や到達距離等の要求によって、ユーザが適宜決定するものとする。本実施形態では、送受信兼用のトランスデューサを例に挙げるが、送受信に別々のトランスデューサを用いても良い。
【００２８】
超音波トランスデューサから送信された超音波は、一定の広がりを持っており、ビーム状の指向性を有する。超音波方式の距離測定領域１０９は、その指向性を示したものであると共に、距離測定の対象としている領域を示している。超音波トランスデューサの指向性は、半値角として２０°〜３０°程度の広がりを持っており、超音波トランスデューサにホーンアンテナを取り付けることで、その半値角を小さくすることができる。ビームを先鋭化することで測定ポイントの分解能を高めても良い。ホーンアンテナには一般に指向性を鋭くすると同時に、中心方向のゲインを高める利点がある。
【００２９】
ψＯＰＴ１とψＵＬＳ１は、デバイス座標系における、第１の光学方式距離検出器と、第１の光学方式距離検出器の配置方向を示している。超音波方式の距離測定領域１０９は、光学方式の距離測定領域１１６の一部、または、その全てが重複した領域を測定するように、設置位置（回転走査する際の水平面からの角度λを含む）や、指向方向が調整されている。
【００３０】
これにより、回転走査しながら測定を行う際に、等しい走査角度方向に対して、超音波方式と光学方式の距離測定が同時に実行できる。つまり、測定対象物１０１と非測定対象物１０２の測定において、異なる測定手段の結果が一度（例えば、等しい時間ステップ、等しい走査角度ステップ、等）に得られることになる。
【００３１】
図２によると、ψＯＰＴ１とψＵＬＳ１は０．０°方向を向いて配置されている。しかしながら、図４に示すように、超音波方式検出器と光学方式距離検出器は、異なる回転走査方向に向け配置し、回転走査するようにしても良い。回転走査をしながら複数の距離検出器で測定を行い、回転走査角度方向が等しいタイミングの距離情報を抽出することで、異なる時間ステップの距離測定結果であっても、同じ回転走査角度方向の距離情報をとして取り扱うようにしても良い。さらに、複数の超音波方式検出器と、複数の光学方式距離検出器を搭載して、回転走査時の角度分解能を向上させるようにしても良い。
【００３２】
複数の検出器を搭載する場合には、検出器を識別する識別子として、ｎ（正の整数）とｍ（正の整数）を定義し、複数の配置方向をψＯＰＴｎとψＵＬＳｍ、および、λＯＰＴｎとλＵＬＳｍで表す。回転走査をしながら測定を行う際には、ψＯＰＴｎとψＵＬＳｍの関係から、検出器ごとに回転走査角度方向に対して位相差を持った測定結果が得られる。図４の構成では、光学方式距離検出器１１０の配置方向ψＯＰＴ１が０．０°であり、回転走査方向を反時計回りとすると、超音波方式距離検出器１０４の配置方向ψＵＬＳ１は１８０．０°となる。つまり超音波方式検出器は、光学方式距離検出器１１０に対して１８０．０°だけ進んだ走査角度方向を測定することになる。そのため、光学方式距離検出器１１０と超音波方式距離検出器１０４の測定結果が等しい回転走査角度方向の結果になるように、後述の測定制御部１２５で補正を実施する。
【００３３】
次に、超音波方式距離検出器１０４を用いた距離推定の処理について具体的に説明する。
空気中での音速は、一般的に常温で約３４０［ｍ／ｓ］であるが、音速は温度によって変化するため補正する必要がある。このため、温度検出器を超音波送受信部１０５に設け、温度補正を実行する。具体的には、温度検出器で得られた温度ｔ℃を用いて、実際の音速ｖ［ｍ／ｓ］を以下の式に基づいて算出する。
【数１】
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【００３４】
超音波方式距離情報推定部１０６では、上式より得られた音速ｖを用いて、送信超音波１０７と受信超音波１０８の時間差ｄＴから、対象物までの距離を求める処理を実行する。送受信の時間差ｄＴ［ｓ］×音速ｖ［ｍ／ｓ］から距離Ｌ［ｍ］を求めることができる。温度補正の計算は１０６の内部で実施しても良い。
【００３５】
超音波方式距離情報推定部１０６では、超音波方式距離情報として、検出距離［ｍ］、受信音量［％］、距離の推定誤差［ｍ］を含む情報が出力されるが、これらは一例であり、異なる単位を用いても良いし、その他付随する情報を出力するようにしても良い。その他付随する情報の例として、マルチエコー信号の情報や、ドップラーシフト周波数の情報、受信した超音波のＩＤ情報、ノイズレベル（Ｓ／Ｎ）等が挙げられるが、この限りではない。
【００３６】
超音波方式距離検出器１０４における、距離測定時のサンプリング周波数は、ロータの回転角度に同期させたり、光学方式距離検出器１１０のサンプリングと同期させたり、高速なサンプリングをして一定のタイミングで取得したり、複数のサンプリング結果の平均値を求めその値を採用しても良い。換言すると、距離測定時のサンプリング周波数は、超音波方式距離検出器１０４のサンプリング性能や回転走査に伴う測定の角度分解能等の要求に応じて、ユーザが適宜決定するものとする。
【００３７】
次に、光学方式距離検出器１１０について説明する。図１と２に示すように、光学方式距離検出器１１０は、投受光部１１１と光学方式距離情報推定部１１２を含み、光を投光しその反射光を受光することによって、測定対象物までの距離を測定する距離検出器である。
【００３８】
投受光部１１１は、ＬＥＤやレーザを光源とし測定対象物に光を投光する投光部１１１ａと、測定対象物からの反射光を受光し距離測定に必要な光信号を検出する受光部１１１ｂと、投受光のためのレンズ光学系１１３で構成されている。光学方式距離情報推定部１１２では、これら投受光部１１１の制御と、距離推定のための演算処理を実行される。光学方式距離情報推定部１１２からは、光学方式距離情報として、検出距離［ｍ］、反射率［％］、距離の推定誤差［ｍ］を含む情報が出力されるが、これらは一例であり、異なる単位を用いても良いし、その他の付随する情報を出力するようにしても良い。例えば、その他の付随する情報として、マルチエコーの情報（第一反射成分とそれ以外の反射成分による距離推定値、等）、外乱光の強さ、ノイズレベル（Ｓ／Ｎ）等が挙げられるが、この限りではない。
【００３９】
本実施形態では、投光部１１１ａと受光部１１１ｂの光学系を分離させた構成を図示しているが、１つの光学系を投受光部で共有する構成としても良い。光学系を統一することで、省スペース化を図ることができる。
【００４０】
投光部１１１ａの光源素子としては、波長９１０ｎｍ程度のレーザーダイオードや、垂直共振器面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ＬＡＳＥＲ）や、赤外線ＬＥＤが適用できる。波長や光パワー等は、外乱光の有無をはじめとする測定環境条件や、測定対象までの距離に応じてユーザが適宜決めるものとする。受光部１１１ｂの受光素子としては、適用する距離測定方式に応じて、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、Ｃ−ＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ＭＯＳ）、フォトダイオード等、が適用できる。前述の光学方式距離検出器１１０の測定方式としては、例えば、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）方式、位相差検出方式、三角測量方式が挙げられ適用できるが、この限りではない。
【００４１】
ＴＯＦ方式とは、立ち上がり時間が数ｎｓで、光ピークパワーが数１０Ｗ 程度の超短パルスを測定対象物に投光し、その超短パルスが測定対象物で反射し受光部に戻ってくるまでの時間差を測定する方式である。立ち上がり時間やピークパワーはユーザが適宜決定するものとする。物体までの距離Ｌ［ｍ］は、時間差をｄＴ［ｓ］、光速をc［ｍ／ｓ］とすると、以下の式で求めることができる。
【数２】
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【００４２】
位相差検出方式とは、基本周波数（例えば、５００ＭＨｚ程度）で振幅変調したレーザ光を測定対象物に投光し、物体から戻ってくる反射光との位相差を測定することから時間差を求め、その時間差に光速を乗算することで、測定対象物までの距離を求める方式である。位相差検出方式を用いる場合には、反射光と投光光との位相差を求めるために、投光光の一部をリファレンス光として受光部１１１ｂに直接入射し、検出されたリファレンス光の信号と、反射光の信号とをコンパレータで比較し、光の位相差を求めるようにしても良い。
【００４３】
三角測量方式では、受光部に前述のＰＳＤやＣ−ＭＯＳをはじめとする位置センサを用いる。投光部から測定対象物にレーザ光を垂直に照射し、物体から反射して返ってくる光の一部をレンズ光学系で集光し、受光部に結像させる。測定対象物までの距離が変化すると、位置センサ上の受光位置も変化するため、この位置センサ上の受光位置を特定することで、測定対象物までの距離を求めることができる。
【００４４】
本実施例では、ＴＯＦ方式、位相差検出方式、三角測量方式、をユーザが予め選択し、それの原理に対応した光学方式距離検出器を搭載することが可能である。
【００４５】
次に、ロータ部１１８について説明する。ロータ部１１８には、超音波方式距離検出器１０４と光学方式距離検出器１１０や分配回路１３５が固定されており、外部からの電磁駆動力によって回転駆動される。回転駆動力を得るため、ロータ駆動用磁石１２８が外部からの電磁駆動力を受けるように円状に並んで固定されている。また、ロータ部１１８の回転位置や速度を検出するために、の回転位置検出用マーカ１２３が固定されており、後述する回転位置検出部１２２にて、非接触でロータ部１１８の回転位置を検出する。回転位置とは、デバイス座標（静止体部）を基準とし、回転角度［°］、回転速度［°／ｓｅｃ］回転方向（正または逆回転）、を含む情報である。
【００４６】
回転位置検出用マーカ１２３は、光により角度検出を行うことを目的としたスリット群や、白黒のパターン群でも良いし、磁気による角度検出を行うことを目的として円状にＮ極Ｓ極がパターン化された磁石でも良い。
【００４７】
分配回路１３５は、超音波方式距離検出器１０４と１１０光学方式距離検出器に対する電源や信号を分配し、電力および信号配線１２４によって供給する。分配される信号には、Ｉ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）やＳＰＩ（Ｓｅｒｉａｌ  Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）、ＵＡＲＴ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｒｅｃｅｉｖｅｒ  Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＬＩＮ（Ｌｏｃａｌ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、などが適用可能である。複数の検出器をバスに接続し信号線の本数を減らすことができる通信方式が望ましい。理由は、後述するスリップリング１３２を経由する際に、スリッピングリングの極数を減らすことができるからである。
【００４８】
ロータ部１１８の回転軸と静止体部１２１との間には、ベアリング１３１が取り付けられており滑らかな回転動作が可能である。
【００４９】
また、ロータ部１１８の回転軸と静止体部１２１との間には、スリップリング１３２が配置されており、スリップリング１３２の内部のブラシと回転子によって、ロータ部１１８が回転した場合であっても、静止体部１２１からの電源供給や信号伝達が滞りなく行えるようになっている。
【００５０】
次に、静止体部１２１を構成する部位について説明する。静止体部１２１は、回転するロータ部１１８に対して相対的に静止し、ロータ駆動用電磁コイル１２９の励磁によって回転駆動力を与える台座であると共に、各種制御回路を備えている。各種制御回路とは、ロータ駆動制御部１２０と回転位置検出部１２２、測定制御部１２５をさす。
ロータ駆動用電磁コイル１２９とロータ駆動用磁石１２８は、一般的なアウターロータ型のブラシレスモータの構造が適用でき、ロータ駆動用電磁コイル１２９は少なくとも３相以上であることが望ましい。
【００５１】
ロータ駆動制御部１２０は、測定制御部１２５からの命令によって、ロータ駆動用電磁コイル１２９の各相に対し、励磁パターンに基づく励磁電流を制御する機能を有する。励磁パターンは正弦波でも良いし、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）による疑似正弦波でも良い。ブラシレスモータに固有する進角調整も、励磁パターンを調整することで調整できるようにしてもよい。また、シャント抵抗器を介して励磁電流を検出し電流制限を実行したり、駆動回路やコイルの温度に基づきサーマルシャットダウンを行うなど、機能安全を実現するための機能も有しても良い。
【００５２】
回転位置検出部１２２は、回転位置検出部１２２の上部に配置された回転位置検出用マーカ１２３を非接触で読み取り、ロータ部１１８の回転位置を検出する機能を有する。光学式のマーカの場合には、反射光を読み取るためのフォトダイオード内蔵したアブソリュート型のオプティカルエンコーダ等が利用でき、磁気式のマーカの場合には、ホールセンサを内蔵したアブソリュート型の磁気式エンコーダなどが利用できる。検出された回転位置は、測定制御部１２５に通知される。
【００５３】
＜２．測定制御部の基本構成＞
測定制御部１２５は、走査型距離測定装置の全体制御を行い、マイクロコンピュータと周辺回路、各種処理を実行するソフトウェア等で構成される。制御シーケンスなどの詳細は後述するとし、まず、測定制御部１２５とこれに含まれる部位について概要を説明する。
【００５４】
測定制御部１２５は、回転位置検出部１２２に対して初期化の指示と検出命令を通知し、ロータ部１１８の回転位置を取得する処理を実行する。そして、検出された回転位置に基づき、ロータ部１１８を回転させるための制御目標値を決定し、回転制御命令としてロータ駆動制御部１２０に通知する処理を実行する。回転制御命令とは、目標の回転速度［°／ｓｅｃ］や回転角度［°］などを含む情報であり、ロータを回転させるためのコイルの励磁パターンであっても良い。測定制御部１２５には、シャント抵抗器を介してコイルの励磁電流を検出し電流制限を実行したり、駆動回路やコイルの温度に基づいたサーマルシャットダウンを行うなどの、機能安全を実現するための機能を有しても良い。
【００５５】
次に、測定制御部１２５の制御ステップについて説明する。まず、測定制御部１２５は、ロータ回転速度の制御を実行する。その処理ステップについて図５を用いて説明する。まず、走査型距離測定装置の電源投入によってロータ回転制御が開始されると、Ｓ５０１ で回転開始命令がＹＥＳであれば、Ｓ５０２ロータ検出の検出処理を実行する。回転開始命令は、外部演算処理装置１３６からの測定開始命令によって測定制御部１２５の内部で発行される。Ｓ５０２では回転位置検出部から回転位置（角度）を取得する。次にＳ５０３ロータ回転速度検出では、Ｓ５０２で取得した角度と１ステップ時間遡った角度との差分から、単位時間当たりの角度変化の差分（角速度）を計算し、それをロータ回転速度として検出する。Ｓ５０４では得られたロータ回転速度と目標速度とを比較し、現在のロータ回転速度が目標値に到達し目標値を維持するようフィードバック制御を行って、速度指令値またはモータの磁励パターン指令値を、ロータ駆動制御部１２０に通知する処理を実行する。Ｓ５０４によって、ロータは常に安定した速度で回転動作をすることができる。Ｓ５０５では回転停止命令を検出し、ＮＯであれば速度フィードバックを継続させ、ＹＥＳであれば回転停止制御Ｓ５０６を実行する。回転停止命令は、外部演算処理装置１３６からの測定終了命令によって、測定制御部１２５内部で発行される。回転停止制御Ｓ５０６は、一定の減速度で減速させても良いし、モータの磁励電流を遮断して回転が自然に停止するのを待っても良い。
【００５６】
次に、測定制御部１２５は、ロータ部１１８の回転動作に同期し、超音波方式距離検出器１０４と光学方式距離検出器１１０とを制御し、距離情報を取得する処理を実行する。ロータ部１１８の回転中に得られた各距離検出器の距離情報は、各種距離検出器の配置方向ψＯＰＴｎとψＵＬＳｍに対応した位相差を含んで得られるため、光学方式距離検出器１１０と超音波距離検出器１０４の測定結果が等しい走査角度方向の結果となるように補正を実行する。なお、等しい走査角度方向とは、同一の角度方向であっても良いし、所定の角度方向を中心とし所定の角度幅に両者の結果が収まるようにしたものであっても良い。いずれもユーザが事前に決定し、処理ステップとして登録するものとする。
【００５７】
実際の位相差について、図４と図６を使って説明する。図４の構成において、ロータ部を反時計回りに回転させたときに得られる、光学方式距離検出器と超音波距離検出器の距離情報を図６に示す。超音波距離検出器は光学方式距離検出器よりも１８０．０°分進行した回転走査角度方向を測定するため、これが位相差となった結果が取得されている。
【００５８】
この位相差を補正する方法を図７に図示する。１８０．０°の位相差があることから、ψｓが１８０．０°のタイミングで得られた超音波方式の距離情報を、ψｓが３６０．０°のタイミングで得られた光学方式距離の距離情報に対応するものと判断する。この処理は距離情報をシフトさせる処理によって行う。角度シフトの量は、ψＯＰＴｎとψＵＬＳｍに基づいて所定の値をユーザが予め設定するものとする。
【００５９】
＜３．測定の信頼度推定および距離情報の補正方法＞
測定制御部１２５には、前述の機能に加え、信頼度推定部１２６と距離情報補正部１２７とを含み、光学方式距離検出器で得られた距離情報を超音波距離検出器で得られた距離情報で補正する処理を実行する機能を有する。信頼度とは距離情報の確からしさを示す数値であり、後述する信頼度の決定処理で求められる。本実施形態では、信頼度の数値が小さいほど、より信頼できると判断するものとする。では、実際の補正処理の手続きについて、まず図１５を用いて処理ステップを説明する。それから具体的な測定結果を例に処理の内容を説明する。
【００６０】
図１５は、光学方式距離情報および信頼度の補正の処理ステップについて示す図である。まず、装置の電源投入に起因して測定制御が開始されると、Ｓ１５０１で装置の初期化処理が実行される。距離情報格納のための記憶領域の確保や、内部変数の初期化等が実行される。また、外部演算処理装置１３６を介してユーザが設定する測定条件等を、内部変数に読み込む処理が実行される。なお、これらの設定値は、再起動時にユーザが外部演算処理装置１３６を経由し、再設定をするようにしても良いし、不揮発な記憶領域に格納しておくことで、次回の起動時には再設定を省略するようにしても良い。
【００６１】
初期化処理が完了すると、Ｓ１５０２では、ユーザが予め設定登録したロータの目標回転速度を、測定制御部１２５に設定登録する処理を実行する。
【００６２】
Ｓ１５０３では、光学方式距離検出器１１０と超音波方式距離検出器１０４に対して測定条件（測定の時間間隔（サンプリングレート）、距離分解能、投光光量、送信音量、等）を設定し、各距離検出器の初期化処理を実行する。初期化が完了すると、測定制御部１２５の内部で回転開始命令が発行され、図５のステップに従って、ロータの回転速度制御が開始され、ロータが一定の速度で回転をする。
【００６３】
ロータの回転が開始され一定の回転速度になると、光学方式距離検出器１１０と超音波方式距離検出器１０４の距離測定が並行して実行される（Ｓ１５０４〜Ｓ１５０７）。光学方式距離検出器１１０では、Ｓ１５０４において測定光の投受光を行い、投受光の結果に基づいて光学式距離情報の推定を実施する（Ｓ１５０５）。一方、超音波方式距離検出器１０４では、Ｓ１５０６で超音波の送受信を行い、超音波信号の送受信の時間差（往来時間）から超音波方式距離情報の推定を実施する（Ｓ１５０７）。このように、光学式距離情報と超音波方式距離情報とを並行して取得する処理が行われる。
【００６４】
Ｓ１５０８では、ロータの回転位置を取得することで検出器の回転走査角度ψｓを決定し、水平面に対し回転走査する平面の角度λと、それらに対応する距離情報とを測定制御部１２５の記憶領域に格納していく。なお、記憶領域への格納する角度分解能はＳ１５０３で設定される。
【００６５】
Ｓ１５１０では、光学方式距離検出器１１０と超音波方式距離検出器１０４の測定において、両者の距離検出器が、回転走査角度方向に３６０°分の距離情報を取得し、記憶領域に格納できたかどうかを判定する。何れかの検出器が取得した情報が３６０°分に満たない場合にはＮＯと判定され、Ｓ１５０４およびＳ１５０６に戻り、再び距離情報の測定が開始される。一方、全ての検出器が、３６０°分を満たす距離情報を得られた場合にはＹＥＳと判定され、Ｓ１５１１の距離情報のシフト補正処理が実行される。
【００６６】
Ｓ１５１１では、各種距離検出器の配置方向ψＯＰＴｎとψＵＬＳｍに対応する位相差を含んで得られた距離測定結果を、図７に示した角度シフトの処理で補正をする。Ｓ１５１２ では、光学方式距離情報に対応する信頼度を、超音波方式距離情報に基づいて決定する処理を実行する。Ｓ１５１３では、Ｓ１５１２によって得られた光学方式距離情報に対応する信頼度に基づいて、光学方式距離情報の補正が必要な点群を抽出する処理を実行する。Ｓ１５１４では、超音波方式距離情報の推定誤差を取得する処理を実行する。Ｓ１５１５では、Ｓ１５１３で抽出した点群（光学方式距離情報）に対応する信頼度と、超音波方式距離情報の推定誤差とを比較し、信頼度が向上するように光学方式距離情報を補正（更新）する処理を実行する。Ｓ１５１６では、Ｓ１５１５で補正処理を実施した光学方式距離情報の信頼度を、元の信頼度と超音波方式距離情報の推定誤差に基づいて補正（更新）する処理を実行する。Ｓ１５１７では、補正後の光学方式距離情報および信頼度として外部記憶装置への出力処理を実行する。出力が完了するとＳ１５０４およびＳ１５０６に戻り、再び距離情報の測定が開始される。
【００６７】
次に、走査型距離測定装置の測定結果を例に取り、具体的な処理内容について説明する。図８は、室内に走査型距離測定装置が配置され、周囲を超音波方式で測定した距離測定結果である。超音波は透明ガラスや鏡では反射されるため、壁と酷似する測定結果が得られている。しかしながら、距離が遠い領域では出力音量と指向性の関係で往来が不能となり、測定できない領域が存在している。また、部屋の隅や机の隅は、再反射の影響を受け距離測定誤差が大きく発生している。
【００６８】
図９は、室内に走査型距離測定装置が配置されており、周囲を光学方式で測定した距離測定結果である。投光光が透過する透明ガラスでは、透過先の壁が検出されている。また、鏡が配置された壁では、投光光が再反射されるため、再反射した光路長を誤差として含み誤った距離が検出されている。
【００６９】
次に、図８と図９に示す距離測定結果から、光学式距離情報の信頼度を推定する処理を実行する信頼度推定部１２６について説明する。図１０には、等しい回転走査角度方向になるようにシフト補正された光学方式距離情報（Ａ）と超音波方式距離情報（Ｂ）とが示されている。差分（Ａ−Ｂ）は、光学方式距離情報（Ａ）から超音波方式距離情報（Ｂ）を減算した結果である。光学方式距離情報の信頼度は、前述の差分（Ａ−Ｂ）に基づいて算出する。
【００７０】
では、光学方式距離情報の信頼度の算出処理について説明する。光学方式距離から超音波方式距離を減算した値が正の場合で、かつ、前述の値が所定の範囲内である場合には、前述の値を光学方式距離情報に対応する信頼度として採用する。また、光学方式距離から超音波方式距離を減算した値が正の場合で、かつ、前述の値が所定の範囲外である場合には、前述の値に−１（マイナス１）を乗算して得られる負の値を光学方式距離情報に対応する信頼度として採用する。負の値の信頼度は、信頼度が不明であることを示している。
【００７１】
一方で、光学方式距離から超音波方式距離を減算した値が負の場合で、かつ、その絶対値が所定の範囲内である場合には、前述の絶対値を光学方式距離情報に対応する信頼度として採用する。また、光学方式距離から超音波方式距離を減算した値が負の場合で、かつ、前述の絶対値が所定の範囲外である場合には、負の値を信頼度として採用する。つまり、負の値の信頼度は、信頼度が不明であることを示している。
【００７２】
本実施形態では、超音波方式距離検出器の測定可能距離が５ｍであることに基づいて、５ｍ以下を前述の「所定の範囲」とし、ユーザが予め設定しておくものとする。
【００７３】
図１１に、前述の判定処理によって得られた光学方式距離情報の信頼度を示す。正の値は得られた信頼度であり、数値が小さい場合には信頼度がより高いことを示し、数値が大きい場合には信頼度がより低いことを示している。また、負の値は信頼度が不明であることを示している。なお、負の信頼度は、後段の演算処理からは除外し、正の信頼度とそれに対応する距離情報のみを演算と補正の対象にするものとする。
【００７４】
では、得られた信頼度に基づき光学方式距離情報の補正が必要な点を抽出する処理について説明する。本実施形態では、点群からパーセンタイル値を計算し、得られたパーセンタイル値に基づいた閾値判定で、補正が必要な点群を分離し抽出するフィルタリング処理を実行する。まず、正の信頼度の点群を用いて、所定のパーセンタイル値を計算する。本実施形態では、７０パーセンタイルを採用し計算するが、所定のパーセンタイルは予めユーザが決定し事前に設定しておくものとする。次に、得られたパーセンタイル値よりも大きい信頼度を持つ点群を抽出するフィルタリング処理を実施する。図１２に前述のフィルタリング処理の結果を示す。抽出された点群に対応する光学方式距離情報が、補正を必要とする距離情報であることを示している。
【００７５】
なお、本実施形態では、点群のフィルタリング処理にパーセンタイル値の閾値判定を用いたが、この手法に限定されるものではない。例えば、サポートベクターマシン（ＳＶＭ：Ｓｕｐｐｏｒｔ  Ｖｅｃｔｏｒ  Ｍａｃｈｉｎｅ）や、ニューラルネットワークや、深層学習（ディープラーニング）等を用いた機械学習による手法もフィルタリング処理に適用することができる。
【００７６】
次に、光学方式距離情報の補正処理を実行する距離情報補正部１２７について説明する。前述の信頼度推定部１２６で抽出された点群に対応する光学方式距離情報を、超音波方式距離情報で補正するため、まず、超音波方式距離情報の推定誤差を取得する。推定誤差とは、得られた超音波方式距離情報に含まれる計測誤差の推定値を示しており、例えば５．０ｍの距離に対して±０．３ｍの計測誤差が含まれると推定される場合には、誤差推定値は０．３ｍとなる。この推定誤差は、事前に実験によって同定し、距離情報補正部１２７に記憶しておいたものを呼び出しても良い。具体的には、測定対象物と超音波方式距離検出器との距離を変化させながら、１つの測定距離に対して複数回の距離測定を実施して平均値を求め、実際の距離との差分を推定誤差として記録し、推定誤差のルックアップテーブルを作成しておくことができる。もし、超音波方式距離検出器が、回転走査中に指向性（指向パターン、送信領域）を変化させながら測定する場合には、各指向性に対応する推定誤差モデルに基づき、推定誤差を動的に推定するようにしても良い。前述の推定誤差モデルは、同定実験によって事前に作成しておくものとする。
【００７７】
光学方式距離情報の補正処理について説明する。まず、超音波方式距離情報の推定誤差と、光学方式距離情報の信頼度とを比較する。もし、超音波方式距離情報の推定誤差が光学方式距離情報の信頼度の値より小さければ、光学方式距離情報を超音波方式距離情報で置換し、光学方式距離情報の信頼度の値を超音波方式距離情報の推定誤差の値で置換することで補正を実施するものとする。しかし、超音波方式距離情報の推定誤差が、光学方式距離情報の信頼度の値より大きければ補正は行わず、元の光学方式距離情報と該距離情報に対応する信頼度を採用するものとする。
【００７８】
また、光学方式距離情報の補正処理は、信頼度と推定誤差の大きさとを考慮し、両者を合成することで補正を行うようにしても良い。具体的には、超音波方式距離情報をＸＵＬＳ［ｍ］、超音波方式距離情報の推定誤差をα［ｍ］、光学方式距離情報をＸＯＰＴ［ｍ］、光学方式距離情報の信頼度をβ［ｍ］とすると、補正後の光学方式距離情報ＹＯＰＴは、次の式で表される。
【数３】
2018189494.tif 000005
【００７９】
数３によって補正後の光学方式距離情報ＸＯＰＴを求め、光学方式距離情報の信頼度（補正後）にはαとβのうちの小さい方の値を採用する。前述の補正処理によって、光学方式距離情報と光学方式距離情報の信頼度を補正することができる。
【００８０】
図１３に前述の補正処理の結果を示す。図１０が補正前の情報であるが、図１３によれば、図１２のフィルタリング処理で抽出された点群と照らし合わせると、当該点群に対して補正処理が施されていることが分かる。
【００８１】
＜本実施形態の効果についての説明＞
図１４は、前述の補正処理によって得られた光学方式距離情報を、室内の上面図に描画した結果である。補正前の図９と比較すると、投光光が透過する領域と投光光が再反射される領域に対して、距離の補正が選択的に施されていることが分かる。
【００８２】
このように本実施形態では、光学方式距離検出器を搭載した走査型距離測定装置おいて、測定対象物の誤認識の低下を図ることが可能である。
【００８３】
[第１の変形例]
第１の変形例によれば、第１の実施例における光学方式距離検出器を複数搭載し、その距離情報を補正するようにしても良いし、第１の実施例における超音波方式距離検出器を複数搭載し、光学方式の距離情報を補正するようにしても良い。また、複数の光学方式距離検出器と複数の超音波方式距離検出器を搭載し、その各々の測定結果に基づいて距離を補正するようにしても良い。
【００８４】
複数の光学方式距離検出器や複数の超音波方式距離検出器を搭載すること（図１６を参照）で、走査回転方向やその上下方向に対して測定が可能となり、補正済みの３次元の距離情報が取得できる利点がある。
【００８５】
以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を加えながら具体化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明の走査型距離測定装置は、自律移動ロボットや無人搬送車における周辺環境の誤認識低減や、ＳＬＡＭ（Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍａｐｐｉｎｇ）による地図作成精度の向上等、に効果的に利用できる。
【符号の説明】
【００８７】
１０１  測定対象物
１０２  非測定対象物
１０３  測定対象物上の測定領域
１０４  超音波方式距離検出器
１０５  超音波送受信部
１０６  超音波方式距離情報推定部
１０７  送信超音波
１０８  受信超音波
１０９  超音波方式の距離測定領域
１１０  光学方式距離検出器
１１１  投受光部
１１１ａ  投光部
１１１ｂ  受光部
１１２  光学方式距離情報推定部
１１３  レンズ光学系
１１４  投光光
１１５  受光光
１１６  光学方式の距離測定領域
１１６ａ  光学方式の距離測定方向
１１７  固定具
１１８  ロータ部
１１９  電磁コイル駆動用配線
１２０  ロータ駆動制御部
１２１  静止体部
１２２  回転位置検出部
１２３  回転位置検出用マーカ
１２４  電力および信号配線
１２５  測定制御部
１２６  信頼度推定部
１２７  距離情報補正部
１２８  ロータ駆動用磁石
１２９  ロータ駆動用電磁コイル
１３０  カバー
１３１  ベアリング
１３２  スリップリング
１３３  スリップリング内ブラシ
１３４  スリップリング内回転子
１３５  分配回路
１３６  外部演算処理装置
１３７  ３次元距離情報の測定領域
【図１】
2018189494.tif 000006
【図２】
2018189494.tif 000007
【図３】
2018189494.tif 000008
【図４】
2018189494.tif 000009
【図５】
2018189494.tif 000010
【図６】
2018189494.tif 000011
【図７】
2018189494.tif 000012
【図８】
2018189494.tif 000013
【図９】
2018189494.tif 000014
【図１０】
2018189494.tif 000015
【図１１】
2018189494.tif 000016
【図１２】
2018189494.tif 000017
【図１３】
2018189494.tif 000018
【図１４】
2018189494.tif 000019
【図１５】
2018189494.tif 000020
【図１６】
2018189494.tif 000021