(57)【要約】  レーザ距離センサを使用する距離測定システムおよび方法は、種々の応用において有用性を有している。本発明の一観点に従えば、レーザ距離センサは、短いベースラインで正確な距離測定値を獲得することができる。【選択図】図４Ｂ
2010534825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行化された光出力を提供するソース、
対象に入射した前記出力を検出するように動作するセンサ、
前記ソースおよび前記センサが取付けられている回転マウントであって、前記回転マウントは任意の回数の単方向回転を通して回転可能である、回転マウント、および
前記回転マウントに取付けられ且つ前記ソースおよびセンサに結合された電子回路パッケージであって、前記マウントの回転に伴って前記センサによって獲得されるデータをデジタル処理するための電子回路パッケージ、を備える、距離検知システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、さらに、前記ソースおよび前記センサの間欠動作を同期させるための同期機構を備える、距離検知システム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムであって、前記同期機構は光学エンコーダである、距離検知システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、前記デジタル処理は三角測量計算を実行することを含む、距離検知システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、前記デジタル処理はサブピクセル補間を実行することを含む、距離検知システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、前記デジタル処理は毎秒４０００のデータポイントを計算することを含む、距離検知システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムであって、前記ソースはレーザである、距離検知システム。
【請求項８】
請求項７に記載のシステムであって、前記出力は約６５０ｎｍの波長を有している、距離検知システム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムであって、前記センサは相補型金属酸化物半導体センサである、距離検知システム。
【請求項１０】
ロボット装置であって、
駆動機構、
動作環境に前記ロボット装置を位置させるために前記駆動機構に命令を与えるための電子回路モジュール、
前記電子回路モジュールに距離データを提供するための光学アッセンブリであって、前記距離データは動作環境中の対象に対する前記ロボット装置の位置に関係し、前記駆動機構に提供される前記命令に影響を与える光学アッセンブリ、を備え、
前記光学アッセンブリは、
平行化された光出力を提供するソース、
動作環境において対象上に入射する出力を検出するように動作するセンサ、
前記ソースおよび前記センサが取付けられている回転マウントであって、前記回転マウントは任意の回数の単方向回転を通して回転可能である、回転マウント、および
前記回転マウントに取付けられ且つ前記ソースおよびセンサに結合された電子回路パッケージであて、前記マウントの回転に伴って前記センサによって獲得されるデータをデジタル処理して距離データを生成する、電子回路パッケージ、を備える、ロボット装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載のロボット装置であって、前記光学アッセンブリはさらに前記ソースと前記センサの間欠動作を同期させるための同期機構を備える、ロボット装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のロボット装置であって、前記同期機構は光学エンコーダである、ロボット装置。
【請求項１３】
請求項１０に記載のロボット装置であって、前記デジタル処理は三角測量計算を実行することを含む、ロボット装置。
【請求項１４】
請求項１０に記載のロボット装置であって、前記デジタル処理はサブピクセル補間を実行することを含む、ロボット装置。
【請求項１５】
請求項１０に記載のロボット装置であって、前記デジタル処理は毎秒４０００のデータポイントを計算することを含む、ロボット装置。
【請求項１６】
請求項１０に記載のロボット装置であって、前記ソースはレーザである、ロボット装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載のロボット装置であって、前記出力は約６５０ｎｍの波長を有している、ロボット装置。
【請求項１８】
請求項１０に記載のロボット装置であって、前記センサは相補型金属酸化物半導体センサである、ロボット装置。
【請求項１９】
請求項１０に記載のロボット装置であって、前記光学アッセンブリはさらに、前記電子回路パッケージに接続された送信器を備え、前記送信器は前記電子回路モジュールに前記距離データを無線で送信する、ロボット装置。
【請求項２０】
車両の範囲内で対象までの距離に関係する距離データを生成するように動作する距離検知システムを備える車両であって、前記距離検知システムは、
平行化された光出力を提供するソース、
前記対象に入射した前記出力を検出するように動作するセンサ、
前記ソースおよび前記センサを取付けるための回転マウントであって、前記回転マウントは任意の回数の単方向回転を通して回転可能である、回転マウント、および
前記回転マウントに取付けられ且つ前記ソースおよびセンサに結合された電子回路パッケージであって、前記距離データを生成するための前記マウントの回転に伴って、前記センサによって獲得されるデータをデジタル処理するための電子回路パッケージ、および
前記距離検知システムから前記距離データを受信するための電子回路モジュール、を備える、車両。
【請求項２１】
請求項２０に記載の車両であって、前記距離検知システムはさらに、前記ソースと前記センサの間欠動作を同期させるための同期機構を備える、車両。
【請求項２２】
請求項２１に記載の車両であって、前記同期機構は光学エンコーダである、車両。
【請求項２３】
請求項２０に記載の車両であって、前記デジタル処理は三角測量計算を実行することを含む、車両。
【請求項２４】
請求項２０に記載の車両であって、さらに、距離に関係する情報を表示するためのディスプレイを備える、車両。
【請求項２５】
請求項２４に記載の車両であって、前記ディスプレイは、前記車両の表現に対する位置における対象の表現を表示するものである、車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、同時継続中の“ＭＵＬＴＩ−ＦＵＮＣＴＩＯＮ  ＲＯＢＯＴＩＣ  ＤＥＶＩＣＥ”と題された２００６年９月１日出願の米国特許出願第１１／５１５，０２２号の部分継続出願であり、且つ、同時継続中の“ＬＯＣＡＬＩＺＡＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＭＡＰＰＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  Ａ  ＲＯＢＯＴＩＣ  ＤＥＶＩＣＥ”と題された２００６年９月１日出願の米国特許出願第１１／５１５、１００号の部分継続出願であり、これらに開示された事項はその全てが参照によって本願に組み込まれる。
【０００２】
本発明の特徴は、一般に、距離測定の分野に関し、さらに特定すると、種々の応用において有用性を有するレーザ距離センサを使用した距離測定システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
例えば掃除のような家庭および工業用の応用に対して使用される自動または自律装置（即ち、ロボット装置またはロボット）は、往々にして、ユーザあるいはオペレータからの入力が無い状態であるいは最小の入力で、周辺を進行するように動作しなければならない。家庭用および工業用の応用に対して費用効果を高めるためには、ロボットのナビゲーションを可能とする従来のセンサシステムは、単純すぎる傾向がある。この点に関して、初期のナビゲーションシステムは、従来装置を動作環境において非効率に飛んだり跳ねたりさせる。これらの装置は、反動的に障害物にぶつかって跳ね返り、既に処理された領域を繰り返して訪れ、貴重な消耗品およびバッテリ容量を無駄にする。これに代わるものとして、ある場合には、費用効果を維持するために冗長性を最小としあるいは排除する一方で、多くの機能を提供するために高機能センサシステムを実現することが望まれる。
【０００４】
とりわけ前述の同時継続米国特許出願は、ロボット装置のナビゲーションに典型的に関連するこれまでに未解決の問題に、実用的な解決方法を提供する。しかしながら、本願で開示された距離センサ装置および方法の実施形態は、ロボット装置のナビゲーションを越えて多くの応用に対して効果を有している。
【０００５】
例えば、最近、多くの自動車は、ドライバが車両を駐車させようとする場合にこれを補助する電子距離測定機構を装備している。幾つかの実施形態では、比較的基本的なレーダー、超音波、赤外（ＩＲ）またはその他のセンサを、例えば、後部バンパにまたはその近くに設け、車両がバックギアにある場合、そのセンサによって“ブラインドスポット”即ちドライバ席から観察するのが困難な場所に配置された物体までの距離を測定することができる。このようなシステムは典型的に、可聴式警報機構を採用しており、例えば、トーンまたは周波数における変化によってセンサから障害物までの距離を表示する。さらに高機能の自動化システムでは、例えば並列駐車中のような状況において、種々のセンサを使用して自動車が自身で自動的に、即ちドライバの介入無しで、駐車できることを追い求めている。
【０００６】
幾つかの自動車メーカーでは、“スマートクルーズコントロール”機能を開発しようとしており、この機能は、安全な車間距離を維持するために、例えば速度およびその他の運行状況の関数としてスロットルとブレーキシステムを制御することを試みる。自動車機器クラスター（オーディオエンターティメントセレクションから詳細なナビゲーション情報および地球位置システム（ＧＰＳ）データまでの種々の情報を表示するための）への高解像度ディスプレイパネルの最近の導入に伴って、距離測定に依存する重要情報を、自動車およびその他の車両に組み込むことが望まれることがある。
【０００７】
距離測定機器は、全ての種類の走行車両に関連して、かつ種々の全ての環境の下で効果を有し得る。ロボットおよび上記の自動車の例に加えて、例えば、倉庫で作動するフォークリフトは、特にオペレータが多くの状況下で視野が制限されているために、正確な距離測定システムを設置することによって恩恵を受けることができる。さらに、種々の種類のセンサ技術を使用することによって、動かないまたは“固定された”応用において、即ち、固定されたセンサがその動作環境において動きを検出するように動作する場合に、有用である。例えば、幾つかの工業的安全システムでは“防火カーテン”を使用している。このカーテンは、人間または走行中の機器が危険な機械に近づいたとき、警報を発することができる。その他の事例では、センサまたはセンサアレイは回転ドア、安全性チェックポイント、料金所またはその他の監視すべき領域に固定することができる。なお、このようなシステムは、空間の特定の領域を通過する人々または車両を検出しカウントするために使用することができる。
【０００８】
典型的な距離測定機器は、多くの応用に対して実際に使用するには高価すぎ、あるいは、小さな形状ファクタを必要とする応用に対して適切であるには、大きすぎ且つ扱いにくい。車両における使用またはその他の応用に対して可能性が限られている、２個のポピュラーなレーザ距離センサ（ＬＤＳ）装置、即ち、現在、ＳＩＣＫ  ＡＧによって販売されているＳＩＣＫ  ＬＭＳ  ２００およびＨｏｋｕｙｏ  Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｃｏ，Ｌｔｄ．によって現在販売されているＨｏｋｕｙｏ  ＵＲＧ−０４ＬＸは両方とも、最も単純な家庭用および工業用のロボット掃除機よりも高い費用がかかり、従ってこのような使用に対して適していない。さらに、これらの装置は、走査動作を回転ミラーに依存しており、従って付随のレンズおよびその他の光学部品を必要とし、その結果として形状ファクタが大きくなり、かつ、制限された解像度および範囲はこれらの装置の殆どを、自動車またはその他のスケールの大きい応用に対して不適切とする傾向がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、コンパクトで堅固なパッケージにおいて正確な距離データを得ることが可能なレーザ距離検知システムおよび方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態は、種々の応用において有用性を有するレーザ距離センサを使用する距離測定システムおよび方法を提供することによって、従来技術の上記および種々のその他の欠点を克服している。本発明の一つの特徴によれば、レーザ距離センサは、短いベースライン（基線）によって正確な距離測定を確保することができる。
【００１１】
本発明の種々の実施形態の上記およびその他の特徴は、添付の図面と共に以下の詳細な記載を検証することによって、明白となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】距離センサの一実施形態を使用するロボットの上面図を簡略化して示す図面である。
【図２】距離センサの他の実施形態を使用するロボットの上面図を簡略化して示す図である。
【図３Ａ】距離センサのさらに他の実施形態を使用するロボットの上面図を簡略化して示す図である。
【図３Ｂ】距離センサのさらに他の実施形態を使用するロボットの上面図を簡略化して示す図である。
【図４Ａ】距離センサのさらに他の実施形態を使用するロボットおよびこの距離センサの構成部品の上面図を簡略化して示す図である。
【図４Ｂ】距離センサのさらに他の実施形態を使用するロボットおよびこの距離センサの構成部品の上面図を簡略化して示す図である。
【図５】三角測量に使用可能な基本の形状を簡略化して示す図である。
【図６】レーザ距離センサの性能特性に対する、焦点距離とベースラインの積の効果を示すグラフである。
【図７】ソースおよびセンサを搬送するマウントの一実施形態の構成部品を簡略化して示す斜視図である。
【図８】最大可能照射とパルス電力をパルス幅の関数としてプロットしたグラフである。
【図９】レーザ距離センサに使用される電子回路パッケージの一実施形態の構成部品を簡略化して示すブロック図である。
【図１０】レーザ距離センサの回転形状を簡略化して示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
例えば、関連する同時継続の米国特許出願に開示されたような幾つかのロボット装置では、マッピングと局在化機能とを促進するためにレーザ距離計を使用することができる。種々の構成部品に関連する製造コストおよび所要電力が、消費者用あるいは工業用の使用に対して低コストで効率的なロボットプラットフォームを開発しかつ配置するための障害となっているが、上記の出願および本明細書は、様々な状況下でレーザ距離測定技術を実用化する解決策に取り組んでいる。この点に関して、レーザ距離センサ（ＬＤＳ）技術は、その他の実施の中でも、室内および室外移動ロボットあるいは自動車用距離測定応用に対して適切な、ある利点を有している。
【００１４】
多くのセンサ技術を（種々の複雑性と共に）、距離データを得るために使用することができるが、ＬＤＳシステムは、データを簡単に利用できる形状で効率的に提供する。例えば、ＬＤＳは距離データを直接出力する。即ち、ＬＤＳは、ＬＤＳとその視野内のオブジェクトとの間の距離に関する情報を提供する。この直接測定機能は、例えば、視覚センサ技術とは区別することができる。視覚センサ技術では、獲得したイメージデータから距離を間接的に計算するものであり、従って、これらのシステムは距離を測定するために、通常、複雑な（そして通常はエラーを発生しやすい）画像データ処理およびその他の計算のための諸経費と同様、高度な画像形成ハードウエハを必要とする。超音波変換器またはＩＲセンサに依存するシステムのような他の種類の距離測定装置とは異なり、ＬＤＳは角度および距離における高い分解能と膨大な数のデータポイント（毎秒数１００から数千のポイント測定）と、低い偽の陽性率および偽の陰性率を達成することができる。さらに、ＬＤＳ走査データに関連した使用に対して、高効率マッピングおよび局在化アルゴリズムが存在する。
【００１５】
一般に周知のように、三角測量ベースのＬＤＳシステムが獲得したデータの精度は、センサ装置の全体のサイズによって限定されることがある。特に、ベースライン、即ちレーザ源とセンサ、即ち位置検出装置（ＰＳＤ）との間の距離は、精度および範囲（限界）の両方に影響を与えることがある。一般に、ある範囲内の距離において、ＬＤＳの精度および範囲はベースラインに直接比例して変化することがある。即ち、ベースラインが減少すれば、デバイスの精度および範囲が減少する。従って、より長いベースラインを有する長いデバイスと同様の効果を実現する、小型のＬＤＳを設計し実現することは挑戦的である。
【００１６】
以下に述べるレーザ距離センサシステムおよび方法は、コンパクトな平面ＬＤＳを使用することができる。この平面ＬＤＳは、約６ｍの範囲において約１−３ｃｍの精度、約１０Ｈｚまたはそれ以上の完全３６０度スキャンで約４ｋＨｚまたはそれ以上の高速収集、および、約０．２５度またはそれ以下の角度誤差で完全３６０度スキャンに対して約１度またはそれ以下の角度分解能、と同等の能力を有する、より長くより高価なレーザスキャナに匹敵する。さらに、以下に述べるＬＤＳ実施形態は、以下の特性の幾つかあるいは全てを含んでいても良い。即ち、使用したレーザは適切な安全性基準に従って目に安全であり、システムおよび方法は標準的な室内照明条件および幾つかの室外条件の下で動作可能であり、短いベースラインがＬＤＳセンサのサイズを小さくすることが可能で、さらに、このシステムは２Ｗまたはそれ以下の低電力消費要件を示し得る、と言う特性の幾つかあるいは全てを含むことができる。
【００１７】
ここに図示し記載した実施形態は、自律的位置決めおよびマッピングが可能な種々のロボット装置において有用性を有しているが、同様に、比較的短い距離測定から中程度の範囲の距離測定で有用である自動車または車両応用を非限定的に含む、その他の多くの応用において有用性を有している。他の実施例は、建設現場での応用（例えば、ビルまたは部屋の一群を測量しあるいは監視すること）、工業的な“防火幕”への応用、人々あるいは車両を計数するためのエリア監視への応用などを含む。
【００１８】
（実施形態）
図面を参照すると、図１は、距離センサの一実施形態を使用するロボットの上面図を簡略化して示す図であり、図２は距離センサの別の実施形態を使用するロボットの上面図を簡略化して示す図である。
【００１９】
図１および２において、ロボット１００は、仕事を実行するように設計され且つ動作する、種々の自律的な自己推進デバイスとして具体化されている。ある種の典型的な家庭および工業的実施では、ロボット１００は掃除、バキューミング、モップがけあるいはワックスがけの機能を実施するように構成されており、同様に、ロボット１００のある実施形態では、草刈および熊手でかき集めるような中庭あるいは庭園の手入れを実行することができる。同時継続出願において図示され記載されているように、ロボット１００は多くの異なる仕事の何れか実行するように選択的に構成されていても良い。当然のことながら、本開示および請求の範囲の主題は、ロボット１００の何れかの特定の構成あるいは機能的特徴に限定されるものではない。以下に述べるように、ここに記載したＬＤＳは、全ての種類の移動車両あるいは、上述したような種々の全ての固定された位置検出応用体に取付け、一体化し、あるいはこれらと共に使用することができる。
【００２０】
図１に示すように、ＬＤＳシステム２６０の一実施形態では、通常、ソース１０９０と、ある距離、即ちベースラインだけ離れたセンサ１０１０とを使用する。
【００２１】
センサ１０１０は、電荷結合素子（ＣＣＤ）、線形ＣＣＤ、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）センサ、位置敏感型検出器（ＰＳＤ）あるいは、ソース１０９０からの出力と同じ電磁スペクトルの周波数バンド内で感度を有するその他のセンサ装置を含み、あるいはこれらによって実現しても良い。この技術のあるもの、あるいはその変形は、デジタルカメラおよびその他の家庭用電化製品において一般的となっており、さらに、種々の種類のデジタルカメラ検知技術をセンサ１０１０に組み込んでも良い。センサ１０１０として使用するのに適したデバイスの一例として、ＣＭＯＳセンサ（例えば、Ｍｉｃｒｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｉｎｃによって現在販売されている、モデル番号ＭＴ９Ｖ０３２センサ）があるが、上述したように、その他の種類のセンサ技術を使用しても良い。
【００２２】
ソース１０９０は、例えばレーザ、あるいは、センサ１０１０によって検出し得るスペクトルバンド内で電磁エネルギーを生成するその他のソースを含み、あるいはこれらによって具現化しても良い。ある状況では、正確な距離測定は、高度に平行化された光によって恩恵を受けることができる。発光ダイオード（ＬＥＤ）は平行光学系と共に使用することができるが、例えば、レーザはさらに効率的、効果的、あるいはその両方であり得る。ここに記載するように、ソース１０９０はレーザとして言及されるが、その他のタイプの電磁源（現在入手可能なものあるいは将来開発されるものの両方）であっても同様の結果を達成するために適当である。ソース１０９０の出力は人間の目に可視であっても不可視であっても良い。適切なソース１０９０の一例は短波長レーザダイオード（例えば、Ｕｎｉｏｎ  Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって現在販売されている、モデル番号ＳＬＤ−６５０−Ｐ５−３００−０５）であるが、以下に述べるように、その他のデバイスであっても正確な距離測定が可能である。
【００２３】
照射される対象の色および反射率が、センサ１０１０によって受信される光の品質および特性に影響を与えることによって、ある方法を使用する距離測定に影響するので、異なる周波数バンドで可変出力を形成することができるソース１０９０を使用することが望ましい。ソース１０９０の出力を異なる周波数にシフトさせることによって、ある場合にはより正確な結果を生成することができる。さらに、あるいはそれに代わって、ある周波数を減衰させその他を透過させるように作動するフィルタを使用して、同様の効果を得ることも可能である。
【００２４】
さらに、ソース１０９０は、例えば、平行化（コリメート）しあるいは放射された光の特性に影響を与えるために、この技術において一般に周知である光学系のパッケージを含んでいても良い。このような光学パッケージは、１個またはそれ以上の固定焦点レンズ、能動的焦点制御装置、光コリメータ、ビームスプリッター、アパーチャ、ミラー、選択的バンドパスフィルタ、あるいはこれらおよびその他の部品の種々の組合せ、を使用することができる。以下により詳細に述べるように、センサ１０１０は、光学パッケージ１０１９と同様に種々の構成を含み、あるいはこの構成と共に実施することができる。
【００２５】
ある実施形態では、ソース１０９０からの出力を回転させている。この点において、ロボット１００の専用モータは、ソース１０９０自身、あるいは光学パッケージの選択された要素の所望の回転を提供するために使用することができる。例えば、ソース１０９０はその全体を回転させても良く、あるいは光学系パッケージの特定の要素（例えばミラーまたはビームスプリッター）を回転させても良い。当業者であれば、従来のソースおよびその他の光学部品から回転ビームを形成することは、発明力を伴うことなく実行できることを理解するであろう。
【００２６】
作業中、ソース１０９０およびセンサ１０１０、またはそれらの個々の光学部品を、動作環境の３６０度完全視野を有するようにロボット１００上に配置することができる。従って、ソース１０９０からのビームを、ロボット１００が置かれている表面に対する法線軸の周りに３６０度パターンで、連続的または間欠的に回転させても良い。あるいは、ビームを、３６０度より小さい円弧にわたって前後にスィープさせるようにしても良い。さらに、あるいはその代わりに、ソース１０９０からの出力を一瞬、特定の方向に積極的に向けるようにしても良い。前述のそれぞれのオプションは、距離測定を助けるデータを獲得するために有用である。
【００２７】
ソース１０９０から投射された光は動作環境における対象によって反射され、ある測定角度でセンサ１０１０によって受信される。ソース１０９０とセンサ１０１０の相対的位置と空間方向が既知であってロボット１００に関係する電子機器に記録されあるいは格納されている場合、ＬＤＳシステム２６０は、精密な距離計算を可能とすることによってロボット１００の正確な位置決めを促進することができる。この点に関して、位置およびナビゲーションに関する処理は、例えば、センサ１０１０によって受信された信号の性質およびタイミングと同様に、ソース１０９０に対するセンサ１０１０の既知の位置関係を考慮して、ロボット１００に組み込まれた電子機器によって実行することができる。例えば、センサ１０１０とソース１０９０間の既知の距離（即ち、ベースライン）、センサ１０１０によって検出された反射光の角度、ロボット１００の速度、ソース１０９０によるビームの生成とセンサ１０１０におけるその後の受信との間の時間遅延、連続する測定間の不一致などの要因の組合せを使用して、三角測量法によって決定することができる。センサ１０１０に光が入射する角度は一般に、ロボット１００の移動の関数として、およびソース１０９０によって生成されたビームの回転によって、時間の経過と共に変化する。
【００２８】
センサ１０１０の検知面上に入射する光の角度は種々の方法で決定することができる。例えば、この角度は、検知面上のアレイ中で最も明るいピクセルを識別することによって決定することができる。その代わりに、例えば、連続する列の中心または中心領域を識別し、且つ、最も明るいピクセルの点を考慮する等によって、最も明るいピクセルの連続列を使用することができる。サブピクセル処理、補間、正規化などの種々の画像処理技術を使用して、センサ１０１０の感知面上の明るい領域を決定し、その領域を使用して入射光の角度を確定することができる。
【００２９】
ある実施形態では、光が実質的に垂直な表面（例えば、壁）上に入射する場合、その光がこの表面上で実質的に垂直な線として検出されるように、ソース１０９０からの出力を平面として投射することができる。投射された線の異なる部分までの距離は、センサ１０１０によって決定された光の角度を測定することによって、決定することができる。例えば、ソース１０９０からの出力が光学部品２６０に対して垂直な表面上に投射される場合、センサ１０１０は垂直な直線を検出することができる。ソース１０９０からの出力が垂直でない表面上に投射される場合、センサ１０１０は、垂直から角度を為した線を検出することができる。この点に関して、当業者は、ソース１０９０が光の点または光の線を形成することを理解することができる。光の線がソース１０９０によって形成される場合、実際のそれぞれの距離は、ラインのそれぞれの部分が表面上に投影された位置に関して計算することができる。即ち、その個々がラインの投影されたラインの特定の部分に対応する、複数の距離測定が可能である。前述の方法で、三次元深度マップを動作環境の３６０度走査に対して作成することができる。
【００３０】
ＬＤＳシステム２６０の部品の配置を決定すると、対象までの距離を検出するために種々の方法を使用することができる。例えば、“飛行時間（ｔｉｍｅ  ｔｏ  ｆｌｉｇｈｔ）”および三角測量計算は、通常、部品の相対位置、角度方向、速度および多重測定に基づいて、計算における有用性がある。センサ１０１０上に入射する反射電磁エネルギーの大きさの測定に別の方法を使用することもできる。この点に関して、ソース１０９０からの出力がレーザでありまたはその他の高度にコリメートされた光である場合、照射対象の材料、色および反射特性は、対象から反射されセンサ１０１０によって検出された光の強度に影響を与える。従って、この方法で獲得された距離測定は、照射される対象の組成に基づくこのセンシング方法の限界によって、非常に正確でありまたは非常に不正確となる。
【００３１】
この欠点に対向するための一つの方策は、例えばレーザ（或いは他のコリメート光ソース）とＬＥＤ（或いは他の拡散ソース）のような、異なる種類の独立したソースで対象を照明することである。或いは、ソース１０９０を周波数が変化するレーザ光を発生するように具現化しても良い。異なる種類の反射光の測定は、ロボット１００に関係する電子回路が、帰還した平行光において検出された変動の大きさを説明することを可能とする。前述の方法において異なる周波数を用いることで、例えば、エラー修正、正規化、或いは検出された平行光の振幅（および振幅変動）の評価において有用なその他の計算を容易にすることができる。
【００３２】
上記のようにして計算された距離測定値の正確性は、距離測定値を得るための規則性および周波数によって大きく影響されることがある。従って、一実施形態では、ソース１０９０は恒久的に動作して連続ビームを生成し、センサ１０１０は周期的な間隔で受信光を瞬時に読み取り、ある場合には、連続する測定間の間隔が短くなれば成る程、測定がより正確になる。別の方法として、充分な処理電力が提供されている場合、ロボット１００がその方向を動的に変化させた場合にリアルタイムでその信号変化をモニタすることができるように、センサ１０１０を連続して動作させることもできる。別の方法として、ソース１０９０が断続的、即ちパルス出力を提供しても良く、或いは、先の実施形態のようにセンサ１０１０は連続して動作するが、しかし距離測定はソース１０９０がパルスを出力している時にのみ入手するようにしても良い。さらに別の方法として、ソース１０９０によってパルスが投射されている場合にのみセンサ１０１０が照射を検出する様に、センサ１０１０をパルスソース１０９０と同期させても良い。このような実施形態において、種々の同期装置の何れかを使用して、ソース１０９０とセンサ１０１０の間欠動作の時間を決定するようにしても良い。例えば、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラによって、ソース１０９０とセンサ１０１０に同期動作のための適正な駆動信号を与えるようにしても良く、さらに、追加的にあるいは選択的に、光学エンコーダ或いはその他の電気機械式同期装置を使用しても良い。
【００３３】
上述した様に、センサ１０１０を光学パッケージと連携して使用することができる。ある場合には、この光学パッケージが、ソース１０９０からの出力と実質的に同じ周波数で動作する狭帯域光学フィルタを含むことが望ましく、この実施形態において、センサ１０１０によって検出可能な最も明るい光は、通常、ソース１０９０によって投射される光となるであろう。当然のことながら、このようなフィルタ戦略はある応用に対しては望ましくないかも知れない。
【００３４】
ソース１０９０とセンサ１０１０（および付随する全ての光学パッケージ）の構成部品の実装および構造的配置が多くの変形を受け入れる余地があることを、当業者は当然に理解することであろう。例えば、標準的なレンズを使用する１個またはそれ以上のカメラをセンサ１０１０において使用することが可能であり、１８０度の“魚眼”レンズが光学パッケージにおいて使用された場合、２個のセンサによって全３６０度領域をカバーすることができる。ソース１０９０からのビームを回転させるための光学パッケージを使用するよりもむしろ、ロボット１００の外部の回転プラットフォーム上で固定ソースを使用することができ、センサ１０１０を、図２に示すように、このような回転プラットフォーム上に同様に取付けることもできる。
【００３５】
図２の実施形態において、ＬＤＳ２７０は回転プラットフォームまたはブームを含み、その上にセンサ１０１０とソース１０９０をマウントするようにしても良い。動作中、例えば、回転軸の周りにブームが回転することにより出力の回転がもたらされるように、ソース１０９０をブームの縦軸（長手方向の軸）に対して固定しても良い。内部の回転ミラー或いはその他の回転機構の必要性を最小とし或いは取り除くため、このような構成によって、ソース１０９０とセンサ１０１０（および全ての付随する光学パッケージ）を単純化することができる。図２に示す様に、ソース１０９０およびセンサ１０１０をブームの回転軸の対向する側に配置することが望ましい。
【００３６】
図３Ａおよび３Ｂは、距離センサの他の実施形態の上面図を示す単純化した図面である。図示するように、ＬＤＳ２７０のソース１０９０とセンサ１０１０の両者はブームの回転軸に対して同じ側に位置していても良い。近くの対象を検出するために使用される近位ミラーを、例えば、センサ１０１０に比較的接近して配置しても良く、反対に、遠い対象を検出するために使用される遠位ミラーを、例えば、センサ１０１０から比較的離れて配置するようにしても良い。図示の実施形態において、近位ミラーと遠位ミラーを異なる高さに配置して（例えば、図３Ａに示す回転軸に沿って）、センサ１０９０における検出面のそれぞれの部分が各対応するミラーからの光を検出するようにしても良い。
【００３７】
当然のことながら、近位および遠位ミラーに対する視野の相違を、長距離および短距離の検出様式の両方を容易にするために使用することができる。特定の対象に対してさらに適切な視野を有するミラーからの光を距離計算に使用しても良い。例えば、近位ミラーを通して見たレーザドットの位置を、近くの対象までの距離を決定するために使用しても良く、一方、遠位ミラーを通して見たレーザドットの位置を、遠くの対象までの距離を決定するために使用しても良い。遠い距離における検出精度は、それぞれのミラーに関連する視野、ミラーの平行化特性およびその他の要因に基づいて、近位ミラーを通した場合よりも遠位ミラーを通した場合の方が大きくなり得る。追加的或いは代替的に、例えば、両方のミラーが共に対象（例えば、図３Ｂに示す様にミラーの視野がオーバーラップする位置にある対象）を検出する場合、両方のミラーからの測定を、例えば平均を計算するために、あるいは一方の測定を他方に対してクロスチェックするために使用することができる。
【００３８】
例えば上述のＬＤＳシステムを実装したロボット１００の実施形態は、全動作環境を完全に且つシステマティックにカバーする点で特に効果がある。この点に関して、ロボット１００は、ＬＤＳシステム２６０または２７０によって獲得される距離測定値に関係したデータに少なくとも部分的に依存する適切な電子回路によって、案内されあるいは影響を受けることができる。同時位置特定およびマッピング（ＳＬＡＭ）技術の各種のバージョンがこのような応用において有用であり、さらに、本開示および請求する主題は、獲得した距離データに対して実行される全ての特定のデータ処理操作によって、限定されることを意図するものではない。
【００３９】
図４Ａおよび４Ｂは、他の実施形態の距離センサと距離センサ部品を使用するロボットの上面図をそれぞれ示す簡略化された図面である。この実施形態において、図２に示すＬＤＳ２７０は小さなフォームファクタに修正されており、ロボット１００は一般に、特に図２に示すＬＤＳシステム２７０の実施形態よりもかなり短いベースラインを有するＬＤＳシステム２９０を備えている。
【００４０】
一実施形態では、ＬＤＳシステム２９０は一般に、マウント２９１に固定されあるいは取付けられたソース１０９０とセンサ１０１０を備えている。マウント２９１は、ハウジング２９２と共に回転軸の周りを回転することが可能である。この点に関して、マウント２９１は、直接あるいは適切なギア機構を介して回転を提供する適切なモータ（例えば、ステップモータ、ブラシモータ、直流（ＤＣ）モータ或いはその他の電子モータ）に接続されていても良く、或いはその代わりに、マウント２９１をロボット１００と共同する適正なギア機構に接続し、例えば、ロボット１００上のホイール或いはトラックの回転の関数として、ロボット１００の動きに応答してマウント２９１の回転が形成されるようにしても良い。ＬＤＳシステム２９０はこのようなモータを駆動するための電力を、例えばロボット１００内に配置された外部電源から受信するようにしても良いし、或いはその代わりに、ＬＤＳシステム２９０は、例えば再充電可能なバッテリのような内部電源を備え、或いは組み込むことが可能である。
【００４１】
ある状況では、マウント２９１を、毎秒１０回転の速度で全３６０度回転させることが望ましい。付加的に或いはその代わりに、マウント２９１を３６０度より小さく回転させ、既定の或いは動的に調整された円弧を時計周りおよび反時計回りの両方でスイープさせても良い。マウント２９１に対してこのような回転を提供するのに適した、種々の種類のモータおよび回転アッセンブリがこの分野において広く知られている。ある実施形態では、マウント２９１は任意数の３６０度単方向回転を通して回転可能であり、これは、例えば、誘導電源とデータ結合またはスリップリングを使用して遂行することができる。
【００４２】
ハウジングは図４Ａおよび４Ｂに示す様に平面図で円形である必要は無いが、円形の実施形態はマウント２９１の与えられた回転を容易に且つ効率的に実現することができる。ハウジング２９２は、ロボット１００の表面に取り付けられていても良く、さらに、ソース１０９０とセンサ１０１０がこの表面から充分に遠く突出して、例えば、ソース１０９０によって放射されセンサ１０１０によって受信された光が遮断されず、遮蔽されず、或いはとにかくロボット１００の構成部品によって減衰されないように、この表面から突出していても良い。ハウジング２９２は、ソース１０９０とセンサ１０１０の性能が粒子状物質あるいはその他の汚染物質によって劣化される可能性を最小とするために、実質的に透明なウインドウ或いは保護カバーを備えていても良い。このようなウインドウまたは保護カバーは、ソース１０９０とセンサ１０１０の動作周波数の光が、実質的に減衰することなく、即ち、センサ１０１０とソース１０９０の性能を有意に減少させること無く通過することを可能とする、適切な光学特性を有する（例えば、プラスティック、アクリル或いはサファイアのような）材料で形成することができる。このような構造に使用される材料は、使用した特定のセンシング技術に基づいて選択することができる。当然ながら、このような実質的に透明なウインドウは、ソース１０９０とセンサ１０１０が３６０度走査による距離測定値を獲得できるように、ハウジング２９２の構造の中に組み込まれ、ある実施形態では全３６０度に広げられても良い。
【００４３】
ＬＤＳシステム２９０は付加的に、内部あるいは“オンボード”計算機能を提供するプロセッサ２９９を備えていても良い。プロセッサ２９９は、例えば、シングル或いは多重コアの、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラマブルロジックコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマグルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、およびその他の種類のデータ処理エンジンのような、種々の種類の計算機ハードウエアによって実現されあるいはこれらを備えていても良い。
【００４４】
ある実施形態では、プロセッサ２９９は、ソース１０９０とセンサ１０１０の機能をサポートし、且つ、付加的な処理と距離計算のために距離測定データを外部デバイスまたはプロセッサ（例えば、ロボット１００上に配置されているような）に提供するように設計され動作する。別の方法として、プロセッサ２９９は、必要な全て或いは所望の距離計算を実行し、その結果を外部デバイスまたはプロセッサに提供し得るように、充分に高機能化されていても良い。この点に関して、プロセッサ２９９は、無線でまたはデータ線を介した何れかで付加的な処理リソース（例えば、ＬＤＳシステム２９０に対して外的な）とデータ通信を行うようにしても良い。無線での実施形態では、プロセッサ２２９は、例えば、ブルーツース（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）（登録商標）標準或いはＩＥＥＥ８０２．１１標準を使用して通信することができるが、その他の標準および通信プロトコルも同様に使用することができる。
【００４５】
当然、種々の必要性或いは所望の動作を促進するために、ＬＤＳシステム２９０は付加的な構成部品を含んでいても良い。例えば、図９を参照して以下に述べるように、ＬＤＳシステム２９０は、例えば、光学エンコーダから受信したデータに応答してソース１０９０およびセンサ１０１０の動作を制御し、或いは影響を与えるために、メモリおよび適当な駆動電子回路を含んでいても良い。
【００４６】
以下でさらに詳細に述べるように、ＬＤＳシステム２９０は、創造的なレーザポイントセンサモジュールを表していても良い。このモジュールは、レーザポイントビームを投射するソース１０９０と、短いベースラインによって分離されたラインセンサを備えるセンサ１０１０とを使用して、三角測量法原理で動作する。幾つかの実施形態では、ＬＤＳシステム２９０は、ソース１０９０、センサ１０１０、全ての付随する光学部品および小型で堅固なパッケージ中のプロセッサ２９９を組み込んでいる。この点に関して、ＬＤＳシステム２９０は、現在入手可能なＩＲ距離センサよりも僅かに大きいが、しかし、精度および速度と言った特性において、実質的に優れた性能を提供することができる。
【００４７】
上述したように、ＬＤＳシステム２９０は外部のデバイス、処理リソースあるいはその他の計算システムとデータ通信することができる。このようなデータ通信は、例えばブルーツースまたはＩＥＥＥ８０２．１１のような無線ＲＦプロトコルを介して、或いはその他の多くの異なるデータ通信方式を介していても良い。例として、電源ライン上の搬送電流を介して、或いは、例えば、スリップリングまたはその他の機構を介して提供される光或いはその他のデータラインを介して、データ通信を達成することができる。別の方法として、例えば、マウント２９１の回転を利用して、データを誘導的に提供することができる。同様に、ＬＤＳシステム２９０の種々の構成部品のための電力を、誘導的に或いはスリップリングを通して供給することができる。
【００４８】
この点において、当然ながら、マウント２９１はその回転に対して限定されているものではない。例えば、スリップリングまたは誘導結合を使用することによって、マウント２９１は特定の方向において任意数の回転を介して回転可能とされていることもある。
【００４９】
データ通信に関して、当然ながら、ＬＤＳシステム２９０は、種々の全ての外部システムに加工されていないデータ或いは距離測定結果を提供することができる。ある実施形態では、このようなデータは、（例えば、図１、２および４Ａに示された）ロボット１００のナビゲーションシステム、或いは、幾つかのその他の種類の自律走行車に供給されても良い。別の方法として、（例えば、スポーツ或いは娯楽会場、裁判所、空港、料金所等で使用されている）“人数計数”システム、（例えば、工業環境或いはその他の商業的環境において使用されている）“防火膜”近接警報システム、住居或いは業務用アラームシステム、およびその他の種々の固定位置センシングシステムに、ＬＤＳシステム２９０はデータを提供することができる。
【００５０】
ある実施形態では、ＬＤＳシステム２９０は、自動車のような車両に配置された電子回路に、距離に関するデータ、即ち実際の距離測定結果を提供することができる。例えば、電子モジュールの高度化および一個またはそれ以上のナビゲーションシステムまたはシステム構成部品の能力に依存して、このような車両は、ＬＤＳシステム２９０およびそれから獲得したデータを、例えば、ナビゲーションするため或いは車両を走行させまたは駐車させるために、組み込むことができる。別の方法として、距離データをナビゲーションシステムまたは安全システムに統合することは、車両内のモニタまたはディスプレイと共に使用することによって提供されうる。例えば、多くのナビゲーション支援機器では、ドライバがある場所に到達することを助けるために、地図またはその他のディスプレイを提供する。これらのシステムは、例えば、街路をディスプレイするように装備されているが、一方、障害物をディスプレイすることはできない。車両電子機器モジュールは、ＬＤＳシステム２９０から受信した距離データを組み込み、且つ、車両の周辺の平面図または三次元透視図を表示するように、容易に適応させることができる。この表示では、隣接する車両、消火栓、電柱、ガードレール等が当該車両の表示に対してそれらの位置で表示される。この点に関して、ＬＤＳシステム２９０を組み込み、且つ、オペレータに視覚的支援またはその他の距離に関連した情報を提供するために距離データを使用する車両は、例えば駐車中および霧の中またはその他の悪条件での操作において、特に安全となる。
三角測量技術
【００５１】
現在入手可能な単一ポイント走査センサ（例えば前述のＳＩＣＫおよびＨｏｋｕｙｏデバイス）の全ては、ポイントセンサを走査するためにミラーを使用している。これらのデバイスは通常、飛行時間距離センサとして、即ち、光が対象まで進行しセンサまで反射されるのに要する時間を測定するように構成することができる。その他の技術としては三角測量法がある。上述したように、三角測量法によれば、対象までの距離は対象から反射された光の角度の関数として測定することができる。
【００５２】
図５は、三角測量計算に使用することができる基本的な幾何学を示す、単純化された図である。ソースにより（例えば、レーザ化され或いは平行化された光のような）小さな光のポイントが形成され、この光が対象によって反射されてセンサの結像面上に反射する。センサの結像面上に入射したこの光は、しばしば“ドット”と称される。ソースによって形成されたビームが、焦点の中心を通って結像面の使用可能部分の端部へ向かう光線に平行となる様に、理想的なピンホールカメラまたはその他のセンサを方向付けしても良い。この構造的な配置によって、ドットの位置を確定することによって、無限大（イメージの一端において）から最小の距離ｑmin（イメージの他端において）までの距離測定値を、ＬＤＳが計算することが可能となる。同様の三角法によって、焦点の中心から対象までの垂直距離ｑは、以下の様に定義される。
ｑ＝ｆｓ／ｘ                    （式１）
ここで、ｆは焦点距離であり、ｓはベースラインを、さらにｘはソースビームに平行な光線と対象から復帰した光線との間で測定された距離を示す。対象までの距離は、従って、対象から反射されたイメージ中のドットの角度（位置に影響を及ぼす）の関数として確定される。
【００５３】
さらに、対象までのソース出力光線に沿った距離ｄは、イメージ軸に対するソースの角度βに依存する。
ｄ＝ｑ／ｓｉｎ（β）            （式２）
【００５４】
式（１）および（２）は、イメージ距離（即ち、センサのイメージ面上で測定された距離）と三角測量の属性である対象距離との間の双曲線関係を示している。感度範囲が以下に示す様に距離と共に二次的に増加するため、この非線形関係は長い距離を決定することに対して困難性を引起しうる。
ｄｑ／ｄｘ＝ｑ2／ｆｓ            （式３）
【００５５】
例えば、一個のピクセルのセンサにおける（即ち、センサアレイ上の）変位が１ｍにおいて１ｃｍの距離の変位に相当する場合、センサ上のイメージの同じ一個のピクセルの変位は２ｍで４ｃｍの変位に相当する。
【００５６】
上述したように、良い最小距離性能（式１から）と一致する基準および良い範囲分解能（式３から）と一致する基準は、一般に釣り合っている。即ち、ｆｓの積が小さいと小さいｑminを提供し、一方、ｆｓの積が大きいとより良い範囲分解能を提供する。
【００５７】
距離計算においてｆｓの積に提供される相対的重みは、使用したセンサの能力および機能特性に依存し、或いは決定され、または影響される。ある実施形態では、センサは短い照射時間を有し（例えば、周辺光拒絶を改善するために）、多数のピクセルを有している（例えば、ｘの高度な分解能を可能とするために）。一実施形態では、７５２ピクセルの分解能を有しかつ３５μｓの最小シャッタ時間を有する球状シャッタＣＭＯＳセンサが多くの応用に対して充分であり、この場合、各ピクセルは約６μｍであり、さらにサブピクセル補間処理によって０．１ピクセル或いはそれより良い実効分解能を可能とすることができる。
【００５８】
図６は、焦点距離とベースラインの積がレーザ距離センサの性能特性に及ぼす効果を示すグラフである。上記のパラメータを前提とすると、範囲分解能および最小距離に与えるｆｓの効果を、図６に示す様にプロットすることができる。ｑminが２０ｃｍまたはそれ以下である場合（例えば、幾つかの小さいスケールのロボット応用に対して望ましい場合）、ｆｓは９００かまたはそれ以上でなければならない。範囲分解能が６ｍで３０ｍｍまたはそれ以下の場合、ｆｓの積は７００よりも大きくなければならない。多くの実行に対して、積ｆｓを８００として選択することは良い妥協である。しかしながら、この積は、ＬＤＳシステムが目的とする使用方法に従って選択することができる。
【００５９】
異なる方法によって積ｆｓ＝８００を達成することができるが、小さいスケールの応用に対しては、焦点距離を適当な値に保つ（長い距離に対して一般に長い焦点距離が要求される）一方で、短いベースラインを提供することが望まれる。一例として、約５０ｍｍのベースラインによって、焦点距離は約１６ｍｍとなり得る。
【００６０】
ソース出力の光学軸に対する角度βは以下の様にして計算することができる。
β＝ａｒｃｔａｎ（ｆ／（３７６＊６μｍ））≒８２°    （式４）
【００６１】
ＬＤＳシステムの全体のエラーは、上述した種々のパラメータ、センサにおけるドット分解能中の全てのエラー、較正プロシージャ、またはこれらの組合せの関数であり得る。この文脈における用語“較正”は一般に、種々の構成部品の何らかの不整合を意味する。ＬＤＳ動作全体に影響を与え得るこのような不整合は、ソース（例えば、レーザダイオード）の取付け角度、センサ（または付属レンズ）の取付け角度、センサにおけるレンズ或いはその他の光学部品によってもたらされる全ての収差を含んでいる。
【００６２】
ソースおよびセンサの相対取付け角度に関して、図５の説明は一般に、通常、同一平面上に存在するソースビームおよびレンズ主光線（即ち、平行光線）を示していることに留意すべきである。これは理想であるが、実際は必ずしもそうであるとは限らない。較正の期間中、全ての距離におけるソースビームの位置に最も良く対応する水平走査ライン（例えば、センサにおいて）が求められる。動作中、ＬＤＳはセンサ上のこの中間点以上および以下で何本かの走査ラインを使用することができる。例えば、ＬＤＳは、センサアレイ（即ち、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ）上のピクセルの１１本のラインにおけるデータに依存している。この１１本のラインは、較正された走査ラインとその上の５本およびその下の５本のラインを示しているが、その他のラインの組み合わせ（偶数本を含む）を動作において使用することも可能である。センサが、ソースおよび焦点平面に対して過剰に回転しない場合、１１本のラインで充分に理想的な平面幾何を近似することができる。
【００６３】
レンズ収差に関して、１６ｍｍレンズに対する通常の収差は、特に入射光の単一の波長に対して最適化されている場合、視野の端で僅か数パーセントである。センサに関係してこのようなレンズを有するＬＤＳを較正する場合、このようなレンズ収差を無視することができる。その代わりに、意図した範囲の限界における或いは限界の近傍におけるテスト測定値を、センサのより近くから獲得したテスト測定値よりも、より重く重み付けすることができる。
【００６４】
従って、幾つかの実施形態によれば、種々の距離におけるソースビームを最も良く識別する中心走査ラインを位置決めし、且つ、センサに向かって反射されたドットを位置決めするために中心走査ラインの周りの走査ラインバンドを使用することによって、ＬＤＳを較正することができる。既知の距離の測定値セットに対して、式１によって表現された曲線をフィットさせることができる。この曲線では、離れた測定値は近い測定よりもより重く重み付けされている。距離測定値収集中にその後の使用に対して、２個のパラメータ（積ｆｓと、ｘを計算するためのピクセルオフセット）を最適化するようにしても良い。当然ながら、前述のものは一例として提供されたものであり限定のためではない。使用したセンサの能力、使用した光の波長、ソースの出力、その上にセンサおよびソースが配置されたマウントの構造的特徴、或いはこれらおよびその他の因子の組合せによって、その他の種々のＬＤＳの較正方法が適していることがある。
【００６５】
例えば、ＬＤＳシステムは、較正条件から離れたことを検出することができ、さらに、独立して或いはオペレータによる介入によって自己較正プロシージャを実行するように構成され且つ作動させても良い。例えば、ソースからの出力が真っ直ぐな壁の比較的長いセクション上に入射する場合、マウントが回転するために、センサは壁に沿って種々の長さを表す測定値を検出する。このような距離測定値は、マウントの回転の角度が変化するので、比較的短いもの（例えば、出力が壁の表面に対して垂直であるような場合、ＬＤＳシステムに近い壁の領域で）から比較的長いもの（例えば、さらに、ＬＤＳシステムから壁に沿って）まで広がっている。ＬＤＳシステムが適正に較正されていると、収集したデータを適正に処理することによって、真っ直ぐな壁が検出される。ＬＤＳシステムが不適正に較正されていると、処理操作によって、較正条件から離れたことを示す対称的に湾曲した壁を検出する結果となる。幾つかの事例では、明白な湾曲は、式３を参照して上記で議論した性能特性に基づいているものと考えられる。ＬＤＳの構造をここに記載したように仮定すると、より短い読取り値はより正確となり、一方、より長い読取り値は正確性がより少なくなる傾向がある。より長い距離読取り値が全て不正確に高く、或いは、全て不正確に低い場合、ＬＤＳシステムは、一般に平坦な表面とは対照的に、一般に均一で対称的な湾曲表面であると考えられるものを検出する場合がある。上述したように、ＬＤＳシステムは、このような測定値を、再較正が必要であるか或いは望ましいことを表示していると解釈することもできる。
【００６６】
幾つかの実施形態では、ＬＤＳシステムは自己較正システムを組み込み或いは自己較正システムへのアクセスを有していても良い。この自己較正システムは、構成上の或いはその他の不備を訂正する、即ち、上記の事例において壁が真っ直ぐに見えるようにするために、１個またはそれ以上の較正パラメータを調整することができる。例えば、ある場合には較正は手作業で実行され、或いは、オペレータによる入力によって促進され、ある場合には、オペレータがＬＤＳシステムに較正プロシージャを実行するように指示する入力を提供することができ、さらに、真っ直ぐな壁の一部分までの垂直距離を推量する入力を提供することができる。追加的に或いは別の方法として、ＬＤＳシステムは、上記のように、較正条件からの逸脱を検出して、較正プロシージャを自動的に起動しても良い。このような自己較正は、一様に湾曲した壁は実際真っ直ぐであることが多く、且つ、較正パラメータは処理をそれに応じて促進させるように調整されるという仮定に基づいている。上述したように、短い距離の場合ＬＤＳシステムは較正に対して殆ど反応せず、反対に、比較的長い距離の場合ＬＤＳは較正に対して非常に影響されやすいため、この効果は予測可能である。較正ミスの状態を合理的に予期した場合（動作環境および意図する使用を考慮して）、短い、即ち近い距離は非常に良い精度で決定でき、従ってＬＤＳは、このような精度の短距離測定から全予測距離範囲にわたって較正され得る。
【００６７】
熱ストレス、機械的ショックおよび、幾つかの部品の構造的配置または動作特性を変更する傾向があるその他の条件を含む動作条件の下で、ＬＤＳがその較正を維持することが一般に望ましい。ある状況下では、従って、レンズ要素、センサソース間の物理的連携（即ち、機械的接続）が強固であり、且つ、低い熱膨張または歪を示すことが望ましい。ソースとセンサの如何なる相対的な動きも、特に長い獲得距離において、大きなエラーを生じる結果となる。実際のところ、照準ミスに対する最も大きな脅威は、例えば、ソースおよびセンサが配置されているマウントの熱膨張或いは機械的シフトによって生じうる、ソースとセンサの相対的な回転である。
【００６８】
図７は、ソースおよびセンサを保持するマウントの一実施形態の構成部品を単純化して示す斜視図である。図７の実施形態において、マウント２９１は、図４Ｂを参照して説明したものと類似のものであって良い。マウント２９１は一般に、Ｌ字形状のシャーシ２９３を含み、このシャーシは、スチール、チタン、アルミ、ニッケル或いは硬くかつ低い熱膨張係数を有するその他の種々の合金で形成されていても良い。或いは、シャーシ２９３は、例えば、複合材料またはセラミックで形成されていても良い。充分な構造的堅固さおよび適切な熱伝導特性を有する全ての材料を使用することができる。マウント２９１はさらに電子回路パッケージ２９７を、例えば印刷回路基板またはモノリシック集積回路（ＩＣ）中に統合するようにして、含んでいても良い。電子回路パッケージ２９７は、図９を参照して以下に説明する。
【００６９】
例えば、ソース１０９０およびセンサ１０１０は、スクリューまたはボルトによって、シャーシ２９３に強固に固定されていても良い。ある事例では、ソース１０９０とセンサ１０１０をシャーシに永久に取り付けるために、溶接し、ロウ付けしまたはその他の方法を取ることが望ましい。本開示および請求項に記載した特定事項は、ソース１０９０およびセンサ１０１０をシャーシ２９３に固定するために使用する特定の方法または構造的機構に限定されることを意図してはいない。充分な剛性を提供しかつソース１０９０およびセンサ１０１０の相対的な動きを適正に防止する、全ての機械的または構造的接続を使用することができる。
【００７０】
ソース１０９０およびセンサ１０１０に関連したレンズブロックは、例えば、ガラス充填ポリカーボネート、または、熱膨張率が低く且つ高い引張係数を有するその他の材料である。レンズエレメント２９５はガラス、プラスティック、アクリル、サファイア、または、この技術分野で一般に知られているように、必要なまたは望ましい光学品質を有するその他の材料で形成される。レンズ２９５は、ねじによる噛み合いを介して調整（例えば、焦点に対して）され、周知のように、焦点距離の選択的修正を可能とする。ある実施形態では、両方のレンズが、例えば、位置決めネジ、接着剤、またはこれらの組合せ、および焦点が容易に変更されないようにレンズ２９５を固定することが可能なその他の技術、を使用して、固定されていても良い。
【００７１】
上述したように、ソース１０９０およびセンサ１０１０がシャーシ２９３に強固に接続されており、相対的な角度配置が固定されたままであること、且つ、種々の動作状況において一定のベースラインを維持することが望ましい。このような剛性は三角測量測定において高度の精度を可能とし、ＬＤＳシステム２９０に対する短いベースラインを中程度の測定距離に対して実用化する。さらに、ソース１０９０、センサ１０１０および付随する全ての光学部品を実質的に上述したように硬いマウント２９１に接続することは、通常、回転ミラーおよびその結果として起こる整合および同期に対する挑戦の必要性を取り除く。
【００７２】
ある動作環境において、ドットのイメージ（即ち、センサ１０１０に戻りイメージ面上に入射した光）が、周辺光によって損傷され、或いは過出力とされることがある。時間的フィルタリングおよび波長フィルタリングは、この干渉を最小とし或いは消滅させるために使用することができる２つの技術を表している。
【００７３】
幾つかの実施形態においては、可視の赤色波長（例えば、約６５０ｎｍ）のパルスレーザをソース１０９０において使用することができる。この波長で或いはこの波長の付近で動作するレーザは、例えば、ＩＲ波長で動作するレーザに比べて僅かに高い出力（即ち、依然として目に安全である）を生成する傾向がある。さらに、可視、赤色波長レーザはセンサ１０１０において優れた撮像応答を可能とし、ＩＲ波長レーザよりもデバッグおよび較正が容易である。ソース１０９０の出力が６５０ｎｍである場合、センサ１０１０に実装された２０ｎｍバンドパスフィルタが約５０倍、周辺光のフラックスを減少させることができる。他の種類のバンドパスフィルタを用いることもでき、さらに、これらのフィルタはアプリケーション特有であり、またはソース１０９０とセンサ１０１０の動作特性の関数として選択することができる。
【００７４】
時間的なフィルタリングを使用する実施形態において、センサ１０１０における球状電子シャッタをソース１０９０と同期させることができ、これによって、レーザがパルスを発している時のみセンサアレイ（即ち、イメージデータを捕獲するピクセル）を照射するようにすることができる。この点に関して、ＬＤＳシステムは、ソース１０９０とセンサ１０１０の間欠的な動作に同期させるために、同期機構を使用することができる。ショートパルスを使用することによって、出力を目に安全なレベルに維持しながら、レーザ出力を増加させることができる。一般に、適用可能な安全基準は、より長いパルスに比べてより短いパルスに同じ大きさの全体エネルギーを許可しない。これらの設計検討は、周辺光拒絶（ショートパルスが好ましい）とセンサ応答（ロングパルスおよび全体のエネルギーがより高いことが好ましい）との間でトレードオフの関係を示す。図８は、パルス幅の関数として最大許容照射とパルス出力をプロットしたグラフを表している。
【００７５】
図８に示す様に、１個のパルスに対する最大許容照射（ＭＰＥまたは全体エネルギー）が増加すると、パルス幅が増加するため、最大パルス出力は減少する。３５μｓの最小の照射において、パルス出力は５ｍＷ以上であり、この出力は周辺光干渉に関係する問題を用意に最小化することができる。より長いパルス持続期間において、パルス出力は対象からの反射に利用可能な全エネルギーは実質的に増加し、より暗い対象からの反射の獲得を容易にする。縦の線は６０μｓにおけるこれらの値を示しており、６０μｓは多くの応用において適切なパルス幅であり得る。
【００７６】
センサによって獲得されるデータを、距離測定値を提供するために処理することは幾つかのステップを含んでいる。このステップには、レーザをパルス発振させ且つセンサを照射する、センサ列を読み取る、レーザドットの重心を決定するために列を処理する、イメージ重心に対応する距離を計算する、距離測定値をフォーマットし通信する、各ステップを含むことができるが、しかし必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００７７】
図９は、レーザ距離センサにおいて使用されている電子回路パッケージの一実施形態の構成部品を示す単純化されたブロック図である。幾つかの実施形態において、センサ１０１０はタイミングおよび制御装置を備えたＣＭＯＳ撮像装置として具体化され、或いはこのようなＣＭＯＳ撮像装置を備えている。従って、センサ１０１０は、照射およびその後の１０列の読み取りにフレームパルスのみを必要とし、同じフレームパルスによって、例えばレーザ駆動回路または電子回路（参照番号９０１）によって促進される、ソース１０９０からの出力を開始させることもできる。プロセッサ２９９（図４Ｂを参照して上述した）は、多目的マイクロプロセッサまたはデジタル信号処理装置（ＤＳＰ）として実現され或いはこれを備えている。別の方法として、プロセッサを専用のＡＳＩＣまたはその他の独自のハードウエアエンジンとしても良い。
【００７８】
（レーザドライバ９０１のような全ての付属の駆動回路へと同様に）センサ１０１０およびソース１０９０へ同期またはその他の制御信号を与えることに加えて、プロセッサ２９９は、センサ１０１０から獲得したデータを直接内部メモリ（例えば、キャッシュのような）に流すことができる。この技術分野で一般に知られている種々の技術に従ってこのデータを処理することが可能である。当然のことであるが、データを処理するために使用する方法は、例えば、センサ１０１０の性質および動作特性、全体のデータ処理能力の要求、またはこれらおよびその他のファクタの組合せに依存している。ドット重心の位置を確定し、重心位置を実質的に上述したように遠ざけるようにマップするために、適切な処理技術を使用することができる。
【００７９】
幾つかの実施形態では、必要な或いは所望のプログラムコード、較正データ、またはその他のデータおよび命令セットを格納してＬＤＳシステムの全体の動作を促進するために、外部メモリ（即ち、プロセッサ２９９の外部）を設けることができる。図９に示すメモリ９０２は、一般に、フラッシュメモリ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）、同期ＤＲＡＭ（ＳＤＲＡＭ）、又は二重データ速度（ＤＤＲ）ＳＤＲＡＭとして実現できるが、幾つかの応用に対してはその他の種類の種々のデータ格納技術が適切であり得る。プロセッサ２９９が充分な内部キャッシュ容量を備えている場合、メモリ９０２は必要でない場合もある。
【００８０】
上述したように、種々の構成部品の動作を同期させることが可能な同期機構を提供することが望ましい。この点に関して、光学エンコーダ９０３はプロセッサ２９９に、ソース１０９０およびセンサ１０１０の両方の間欠動作における同期を促進するためのデータを供給することができる。一般に周知のように、光学エンコーダ９０３は一般に発光器と光検出器の対を備えており、例えば、シャフトが回転することによって、発光器と検出器間を伝送する光ビームが選択的に遮断される。プロセッサ２９９がセンサ１０１０とソース１０９０のデューティサイクルを制御するために、これらが取付けられているマウントが回転する間、光学エンコーダ９０３からのデジタルパルスを使用することができる。
【００８１】
図４Ｂ、７および９を参照すると、増分回転エンコーダが多くの場合に望ましいけれど、光学エンコーダ９０３の種々の実施形態が使用されている。回転エンコーダを使用するＬＤＳシステム２９０の幾つかの実施形態では、発光器と検出器がマウント２９１に取付けられ或いは一体化されている上に、さらに、コード（即ち、マーク或いは発光器と検出器間のビームを遮断するように設計されたその他のしるし）をハウジング２９１と一体化しても良い。マウント２９１が回転すると、固定されたハウジング２９２上に配置されたコードが読み取られ、光学エンコーダ９０３はプロセッサ２９９にハウジング２９２に対するマウント２９１の角度方向を示すデジタル信号を提供する。
【００８２】
例えば、回転するマウント２９１上の２個の反射型センサによって、固定された放射状の白−黒（或いはその他の対照的な）パターンが読み取られる。１個のセンサはインデックスマーク或いはその他のしるしを読み取り、ＬＤＳシステム全体の名目上のヘディングに関する情報を提供することができ、他のセンサはソース１０９０とセンサ１０１０の動作サイクルのタイミングを取るように設計されたパターンを読み取ることができる。上記の方法において、データ獲得の角変位はモータ速度の変動に比較的反応せず、そのためあまり高価でないモータの使用が可能で且つリラックスしたモータとタイミング制御を可能とする。
【００８３】
図９に示す構成部品は、マウント２９１と関連する小さなＰＣＢ上でフィットするように適切なサイズとされている。幾つかの構成部品に対して適正な動作特性が選択されると、電子回路パッケージ２７９は通常の動作において１Ｗよりも少ない電力を消費することができる。電子回路パッケージ２７９、ソース１０９０およびセンサ１０１０のための電力は、例えば、回転中心（即ち、回転軸）上の２−ワイヤスリップリングを介して供給され得る。電気部品パッケージ２７９への或いは電気部品パッケージ２７９からの通信は、例えば５６Ｋボー或いはそれ以上で動作する短距離用無線周波数（ＲＦ）モデム（図示せず）を介するようにすることができる。別の方法として、上述したように、電子回路パッケージ２９７および、特にプロセッサ２９９はデータラインを介して外部デバイスと通信することができる。
【００８４】
照射と読み取りは順々に発生するが、一方、処理をこれらの作動と並列に実行しても良い。幾つかの実施形態では、センサ１０１０から所望の本数のラインを読み取るために必要な時間は、速度に主要な限界を提示し、従って、高速技術を実現するセンサ１０１０を使用することが望ましい。例えば、撮像装置上でのラインのビニングによって、毎秒４０００の距離測定値の読み取り速度に対して、０．２５ｍｓ以下で照射−処理−読出しサイクルを実行することが可能となる。
【００８５】
図１０は、レーザ距離センサの回転配置を単純化して示す図である。単一ポイント距離センサの視野を広げるために、センサ装置或いはその幾つかの構成部品を走査する必要がある。上述したように、三角測量法センサを走査するために典型的なハードウエア構成は、出力ビームを偏向（即ち、走査）させると同様に戻ってきた反射光を適切にイメージセンサに向かって偏向させるための、回転ミラーを使用する。このような構成は、本質的に嵩張っており、較正が困難で、ミラーとセンサおよびソース間で精細な位置決めを必要とする。さらに、完全な走査被覆率を達成することもまた困難であり、典型的な被覆率は１８０度またはそれ以下である。
【００８６】
反対に、上述したＬＤＳシステムは、図４Ｂおよび７を参照して説明したように、機械的走査を可能とするに充分な程小さく且つ強固である。幾つかの実施形態では、センサおよびソースは一平面上で回転し、約１０Ｈｚまたはそれ以上の完全平面走査を生成する。高価なミラーおよびその後の整合問題を伴わない、ここに記載した機械的配置は、製造コストを低く保つ一方で、ＬＤＳシステムが高い信頼性で機能することを可能とする。他の配置もまた可能である。例えば、単一のポイントのみならず、ポイントセットまたはレーザラインの測定によって、完全な三次元走査を生成することができる。これは、ライン出力（即ち、ポイントビーム出力よりもむしろ）を有するソースと適正なサイズのピクセルアレイを有するセンサを使用することによって、容易に達成することができる。
【００８７】
マウント２９１はベアリングまたは、例えば、ソース１０９０とセンサ１０１０間の中間に位置する回転軸の周りの回転およびスピンを可能とする、その他の機械的要素に取付けることができる。マウント２９１が回転するにつれて、例えば（回転）分解能１度でデータ測定が得られるように、ソース１０９０の出力をパルス化することが望ましい。１０Ｈｚの回転速度において、上記の戦略によって、上記の事例で使用されたセンサの最大読取り速度毎秒４０００以下である、毎秒約３６００の測定値が生成される。上述したように、ある場合では、例えば、誘導電力およびデータ結合を使用することが望ましく、或いは、マウント２９１が任意数の単一方向の回転を通して回転するように、スリップリングまたはその他の機械的接続体を使用することが望ましい。この構造的配置によって、動作中マウント２９１に対する回転方向を反転する必要が無くなる。
【００８８】
図１０に示す様に、ソース１０９０は回転の中心からずれている。回転の中心ｃ上に始点を有する固定座標系に関して、走査される対象のｘ、ｙ位置は、以下の様にして得られる。
ｘ’ｙ’＝ｒｃｏｓΦ、ｒｓｉｎΦ
α＝π−β＋Φ                            （式５）
ｘ、ｙ＝ｘ＋ｂｃｏｓα,ｙ＋ｂｓｉｎα
【００８９】
本発明の幾つかの構成および特徴を、限定のためではなく例示のための特定の実施形態を参照して、詳細に説明した。当業者は、開示された実施形態に対して代替的実現および種々の修正が、本開示の範囲および意図内であることを当然に理解するであろう。従って、本発明は、添付の請求の範囲によってのみ限定されるものと考えるべきである。
【図１】
2010534825.tif 000003
【図２】
2010534825.tif 000004
【図３Ａ】
2010534825.tif 000005
【図３Ｂ】
2010534825.tif 000006
【図４Ａ】
2010534825.tif 000007
【図４Ｂ】
2010534825.tif 000008
【図５】
2010534825.tif 000009
【図６】
2010534825.tif 000010
【図７】
2010534825.tif 000011
【図８】
2010534825.tif 000012
【図９】
2010534825.tif 000013
【図１０】
2010534825.tif 000014
【国際調査報告】
2010534825.tif 000015
2010534825.tif 000016
2010534825.tif 000017