(57)【要約】【課題】  １スキャン時の１ステップで０ｍの基準値演算して距離較正することで、応答遅れが生じ、スキャニング全方向の距離計測が難しくなる。これを解決したＡＭ変調方式レンジセンサの距離較正方法の提供。【解決手段】  １回目のスキャンで最も反射光レベルが低い位置を検出して記憶し、２回目のスキャン時に記憶した検出位置で０ｍの基準値演算による距離較正動作をする。距離較正動作をした１ステップの検出位置の距離計測を、当該１ステップの両隣り２ステップでの計測値の平均値を算出することで行う。【選択図】図１
2005221330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のステップ角でスキャニングした投射光と被投射体からの反射光との位相差から被投射体までの距離を計測するレンジセンサの距離較正方法であって、
１スキャン時に反射光レベルが最も低い検出位置を記憶し、次の１スキャン時に前記記憶した検出位置の１ステップ時に投射光の外部への投射を中断し、レンジセンサ内部に設けた光の閉ループで他ステップでの距離較正用基準値を演算することを特徴とするレンジセンサの距離較正方法。
【請求項２】
前記基準値を演算する１ステップの両隣２ステップの距離計測値の平均値を、前記基準値を演算する１ステップの検出位置での計測値とすることを特徴とする請求項１に記載のレンジセンサの距離較正方法。
【請求項３】
被投射体に対して相対移動しながら所定のステップ角でスキャニングした投射光と被投射体からの反射光との位相差から被投射体までの距離を計測するレンジセンサの距離較正方法であって、
被投射体に対するレンジセンサの相対移動方向と反対方向の１ステップ時に投射光の外部への投射を中断し、レンジセンサ内部に設けた光の閉ループで他ステップでの距離較正用基準値を演算することを特徴とするレンジセンサの距離較正方法。
【請求項４】
前記基準値を演算する１ステップの両隣２ステップの距離計測値の平均値を、前記基準値を演算する１ステップの検出位置での計測値とすることを特徴とする請求項４に記載のレンジセンサの距離較正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光やＬＥＤ光を回転ミラーでスキャニングして被投射体までの距離を計測するスキャナ型レンジセンサの距離較正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工場等の床上を無軌道に走行する無人搬送車（ＡＧＶ）や掃除ロボットなどに搭載されるスキャナ型レンジセンサ（距離計測センサ）の基本構造を図５に示し、このレンジセンサの距離計測に適用される典型的なＡＭ変調方式光波距離計測法を図６で説明する。
【０００３】
図５のレンジセンサ１１は、上下に同軸に配置された投光光学系１と受光光学系２をモータ３で高速回転させて投光光学系１からレーザ光やＬＥＤ光の投射光Ａ１を図示しない回転ミラーを使って水平方向に３６０度スキャニングし、周辺の二次元エリアにある被投射体１０からの反射光Ａ２を受光光学系２で受光して受光回路４に出力し、距離演算回路５で演算して距離Ｌを計測する。投光光学系１の投光回路６で投射光Ａ１をある一定の周波数で変調し、変調した信号の位相と、被投射体１０からの反射光Ａ２の位相との差から距離Ｌを計測する。すなわち、特定の周波数で変調された光が被投射体１０に当たって反射して帰ってきた場合、図６に示すように光の速度と距離により位相差φを持つ。その位相差φの値は光の速度と距離Ｌに依存するため、位相差φを検出することで距離Ｌが計測される。従って、周波数変調された投射光Ａ１を回転ミラーにより水平旋回させて３６０度スキャニングすることにより二次元エリアの距離計測ができる。また、投射光Ａ１を３６０度スキャニングしつつ上下方向角度を連続的に増減させることにより、三次元エリアの距離計測も可能である。
【０００４】
二次元エリアの距離計測を行う２Ｄレンジセンサの検出距離は、演算回路側で予め最大とする距離が決められている。例えば、１．５ｍの最大検出距離を持つ２Ｄレンジセンサにおいては、図７の破線で示すように、レンジセンサの全周囲１．５ｍが検出エリアＥ１で、この検出エリアＥ１にある被投射体までの距離を計測して表示する。この種のレンジセンサにおいては、最大検出距離の約２倍の検出エリアＥ１外の二次元の検出可能エリアＥ２の被投射体をも検出できる光量余裕度を持ち、距離検出動作の安定性を保証するようにしてある。また、図７に示される２Ｄレンジセンサの３６０度スキャニングする１スキャン時での１ステップ角θは例えば０．５°であり、１スキャン時間は２５ｍｓである。
【０００５】
また、ＡＭ変調方式のスキャナ型レンジセンサの場合、被投射体の反射率により距離演算特性が大きく影響を受ける。特にミラーやステンレスのような反射率の高い被投射体からの反射は、３６０度以上の位相差を検出する最大検出距離を越える遠距離からも強い反射光が帰ってきて、位相差が３６０度以上の距離になると０度（近距離）と区別がつかなくなり、投射光の周波数が１種類では距離演算を間違うことが多い。そこで、投射光を異なる複数の周波数で変調し、それぞれの周波数で演算した距離が一致したときに最終的な計測距離を出力している。通常、投射光が３６０度スキャニングする１スキャン毎に周波数を変えて各ステップでの距離演算をし、各スキャン時における同じミラー角度の検出位置での距離が一致しているかどうかをチェックするようにしている。この場合、使用する周波数の種類が多くなるほど誤動作する確率が下がるが、距離計測時間が長くなり、応答速度が低下することから、２Ｄスキャナ型レンジセンサにおいては２種類の周波数を使用するのが通常である。
【０００６】
２種類の周波数を使用したスキャナ型２Ｄレンジセンサは、１スキャン毎に周波数を交互に変え、１回目のスキャン時の周波数で演算した距離と２回目のスキャン時の周波数で演算した距離が一致したときに計測距離のデータを出力するようにしている。そのため、一致演算のための１回目と２回目の計２回のスキャンと、被投射体とスキャンのタイミングずれ分の１スキャンを加えて、１ステップで計測に要する応答時間は３スキャンであり、１スキャン時間２５ｍｓの２Ｄレンジセンサの応答時間は７５ｍｓとなる。
【０００７】
また、ＡＭ変調方式のスキャナ型レンジセンサは、投光回路や投光光学系、受光光学系や受光回路などの各種の回路部品の定数や、これら部品の特に温度特性のばらつきを補正するため、１スキャン時にリアルタイムで距離較正を行うようにしている。例えば、レーザダイオードに電流を流して発光させる際の発光電流に対する発光遅れや、反射光を受光して位相演算する受光アンプや位相比較回路の応答遅れなどの各種の特性にばらつきがあり、このばらつきが計測距離に影響を与える。各スキャン時に計測距離をリアルタイムに較正することなく計測を継続させると、回路部品の温度特性のばらつきなどで計測値の誤差が累積し、計測値の信頼性が低下する。そこで、１スキャン毎に所定の１ステップの検出位置で距離較正を、例えば図８に示す光路変更手段７を使って次のように行っている。
【０００８】
図８は、レーザダイオードＤ１からの投射光（レーザ光）Ａ１をレンズＢ１を介して被投射体１０に投射し、反射光Ａ２をレンズＢ２を介してフォトダイオードＤ２で受光するレンジセンサの概要が示される。この場合、投射光Ａ１の光軸内に反射ミラーや偏光素子、光ファイバー（例えば、特許文献１参照）などの光路変更手段７を配置する。距離較正以外のときは、投射光Ａ１による反射光Ａ２をフォトダイオードＤ２で受光し、このフォトダイオードＤ２の受光信号とレーザダイオードＤ１の発光信号との位相を比較し、その位相差φ１を演算して計測距離を出力する。この距離計測が１スキャンの１ステップを除く各ステップで連続して行われ、較正するための１ステップのところで光路変更が行われて、距離較正のための基準値演算が行われる。この基準値演算は、光路変更手段７でレーザダイオードＤ１からのレーザ光Ａ１をレンズＢ１に通すことなく直接的にフォトダイオードＤ２に入光させる光の閉ループを使用して行われる。つまり、光路変更手段７により光路変更されてできる光の閉ループによる実質的な０ｍの基準値計測のための受光信号の位相と、レーザダイオードＤ１の発光信号との位相を比較し、その位相差φ２を演算する。そして、実質的な計測値に使用する位相差φを、前者実測時の位相差φ１と０ｍの後者基準値計測時の位相差φ２の差［φ＝φ１−φ２］と定義して、１スキャン時の各ステップでの距離較正を行うようにしてる。
【特許文献１】特開平６−２３０１１１号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の距離較正方法のように、レンジセンサ内部に光路変更手段を使って光の閉ループを形成し、その閉ループ内の距離を０ｍに相当する基準値として使用し、実測距離を基準値に対して較正をかけて距離を演算する場合、レーザダイオードやフォトダイオードを含め位相差演算に使用する回路部品が、距離演算と距離較正と共に同一部品を使用するために、部品の特性上のばらつきは完全に補正することができて、距離較正が高性能に行われ、距離演算性能を高くすることができる。
【００１０】
しかし、回転ミラーなどによる３６０度スキャナ方式のレンジセンサの場合、１スキャン時の特定のステップの検出位置において光路変更手段を光軸に入れて一時的に光路変更を行うため、０ｍ位相差検出のステップの検出エリアは距離計測ができない検出エリア抜けとなり、これが実質的な３６０度全方向の検出を難しくしていた。
【００１１】
また、検出エリア抜けでの距離計測を次の１スキャン時に行うことで、応答が１スキャン分遅れて応答時間が４スキャン分必要となり、レンジセンサの計測特性に影響が出ることがある。例えば、床上を平行に高速移動しているレンジセンサの前方の検出エリア外に被投射体が存在していて、この被投射体がレンジセンサの移動で検出エリア内に入る場合、上述の１スキャンの応答遅れは実質上に無視できない影響を与えることがある。
【００１２】
本発明はかかる現状に鑑みなされたもので、その目的は、実質的に応答遅れを起さないでスキャニング全方向の距離計測を容易にするレンジセンサの距離較正方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成する本発明方法は、所定のステップ角でスキャニングした投射光と被投射体からの反射光との位相差から被投射体までの距離を計測するレンジセンサの距離較正方法であって、１スキャン時に反射光レベルが最も低い位置を検出してその検出位置を記憶し、次の１スキャン時に先の１スキャン時で記憶した検出位置での１ステップ時に投射光の外部への投射を中断し、レンジセンサ内部に設けた光の閉ループを使用して、他ステップでの計測距離を較正するための基準値を演算することを特徴とする。
【００１４】
ここでのレンジセンサは、１スキャン毎に、又は、１ステップ毎に投射光を異なる複数種類の周波数で順番に変調するＡＭ変調方式や、１ステップの投射光を２種類の周波数で変調した２周波をミキシングして同時発光させたものとし、この投射光による反射光を受光する光学系で２周波をフィルタ（デジタルフィルタなど）で分離するようにしたＡＭ変調方式が適用される。この場合、周波数種類が少ないほどに距離検出の応答性が良いことから、周波数は最小の２周波数が有効である。また、１スキャン時に反射光レベルが最も低い検出位置とは、検出エリアや検出可能エリアに被投射体が無いエリアか、反射率の極めて低い被投射体が存在して、距離計測しても計測値が不安定で信頼性に欠けるエリアに相当し、このレベル検出された検出位置での１ステップ時に距離較正用基準値を算出する実質的な距離較正動作をする。距離較正用基準値は、距離較正を容易にする０ｍが典型的である。また、距離較正動作をする１ステップの検出位置は、実質的な距離計測をしない検出エリア抜けの位置になるが、このエリアは元々に高い信頼度で検出しなくてもよいエリアであるので実質的な問題は生じない。最も反射光レベルが低い検出位置以外の、つまり、反射光レベルが高い他の検出位置は、検出エリアや検出可能エリアに被投射体があって、高信頼度で距離計測を行う必要性の高い、従って、応答遅れが生じると困るエリアであり、このエリアで距離較正動作をしないので応答時間遅れが生じる虞が無い。
【００１５】
また、距離較正用基準値を演算するためにレンジセンサ内部に設けた光の閉ループは、検出エリアに投射される投射光の光路を一時的に変更させて形成した閉ループか、投射光を発光する光源と別で投射光と同質の光を発光する較正専用の第２の光源を使って形成した閉ループが適用できる。
【００１６】
本発明においては、距離較正用基準値を演算する１ステップの検出位置の両隣２ステップの距離計測値の平均値を、基準値を演算する１ステップの検出位置での計測値とすることが望ましい。このように距離較正用基準値を演算するための１ステップの検出位置の距離を計測することで、検出位置の距離計測が応答遅れなく構成簡単にして行うことができて、実質的に応答遅れのないスキャニング全方向の距離計測が容易なレンジセンサとすることができる。ここでのスキャニング全方向とは、３６０度全方向の他、３６０度より小さく設定されたスキャニング角度においてはその角度内の全方向を含む。
【００１７】
また、上記目的を達成する別の本発明方法は、被投射体に対して相対移動しながら所定のステップ角でスキャニングした投射光と被投射体からの反射光との位相差から被投射体までの距離を計測するレンジセンサの距離較正方法であって、被投射体に対するレンジセンサの相対移動方向と反対方向の１ステップ時に投射光の外部への投射を中断し、レンジセンサ内部に設けた光の閉ループで他ステップでの距離較正用基準値を演算する方法である。
【００１８】
ここでのレンジセンサは、無人搬送車や掃除ロボットなどの移動体に装備される移動式レンジセンサや、定位置に設置されて周囲で接近離反移動する動体との距離を計測する固定式レンジセンサである。前者移動式レンジセンサの場合、床上を前後左右の任意方向に移動する移動体の移動方向の前方向と反対側の後方向の１ステップ時に０ｍの距離較正用基準値演算を行うようにする。無人搬送車のような移動体の移動方向の前方向にある検出エリアでの応答遅れは問題となるが、反対の後方向での応答遅れは実質的に問題とならないため、後方向で距離較正動作をするようにすると、移動体がいずれの方向に移動しても、実質的な検出エリアでの応答遅れの心配が無く、問題とならない。また、後者固定式レンジセンサの場合、レンジセンサに対する動体の移動方向を検知して、その反対方向で距離較正動作を行うようにすればよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明方法によれば、スキャン型のレンジセンサの距離較正のための基準値計測を、検出エリアの最も反射光レベルの低い最も応答遅れが問題とならない検出位置、又は、移動する移動体の移動方向と反対の後方の応答遅れが問題とならない位置で行うため、実質的に応答遅れを起さないスキャニング全方向の距離計測が容易となり、無人搬送車や掃除ロボットのような高速で移動する移動体に適する効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明方法の実施の形態を図１〜図４を参照して説明する。
【００２１】
図１を参照して本発明の第１の距離較正方法を説明する。３６０度スキャン型２Ｄレンジセンサ１１は、例えば半径１．５ｍの検出エリアＥ１と、この検出エリアＥ１の２倍強の半径の検出可能エリアＥ２を有する。レンジセンサ１１が水平な３６０度全方向に０．５°のステップ角で周波数変調したレーザ光をスキャニングして、０．５°間隔の各ステップ位置で反射光との位相差を演算し、被投射体１０との距離を計測する。レーザ光の周波数は２種類で、１スキャン毎に切り換えて連続する２スキャンにおける各ステップでの計測値が一致したときに正しい計測値と判断して出力する。このような計測法は従来同様であることから、詳細説明は省略する。
【００２２】
図１の曲線ＬＬは、１スキャン時における反射光レベルを模擬的に示したもので、大小様々な連続したレベルとなって現れる。この１スキャン時における反射光レベルＬＬの最も低いレベルをＬａとすると、この最も低い反射光レベルＬａの検出位置（回転ミラーの角度）を記憶して、２回目の１スキャン時に１回目で記憶した検出位置の１ステップＳ１のときに距離較正用基準値を求める距離較正動作をする。即ち、レンジセンサ１１から外部への投射光の投射を中断して、レンジセンサ内部に設けた光の閉ループを使用して０ｍの基準値演算をする。このときの閉ループは、例えば図３又は図４の回路構成のものが有効である。
【００２３】
図３は、光ファイバー又は導光体で閉ループ２８を構成したレンジセンサ１１が示される。レーザ駆動回路２０でレーザダイオード２１を所定の周波数で発光させ、その投射光Ａ１がレンズ２２を通して被投射体１０に投射され、反射光Ａ２がレンズ２３を通して距離計測用フォトダイオード２４で受光される。受光信号は切り替え回路２５を介して受光アンプ回路２６に入力され、受光信号の位相と投射光Ａ１の位相が位相比較回路２７で比較されて、位相差φ１が演算され、距離が計測される。
【００２４】
一方、距離計測用フォトダイオード２４と特性が同じ０ｍ計測用フォトダイオード２９とレーザダイオード２１を閉ループ２８で光結合する。レンジセンサ内部の閉ループ２８の長さは、検出エリアに比べ極短くて０ｍと定義できる。図１で２回目の１スキャン時において、距離較正動作をする１ステップＳ１のときだけレーザダイオード２１の光を閉ループ２８に通して０ｍ計測用フォトダイオード２９に直接に送る。切り替え回路２５を切り替えてフォトダイオード２９の受光信号を受光アンプ２６に送り、この受光信号の位相とレーザダイオード２１の光の位相を位相比較回路２７で比較して、距離較正用基準値となる位相差φ２を演算する。そして、実質的な計測値に使用する位相差φ＝φ１−φ２と定義して、１スキャン時の各ステップでの距離較正を行う。この場合、計測用フォトダイオード２４と０ｍ計測用フォトダイオード２９の特性、特に温度特性を十分に近似させることで、上述の距離較正が常に高精度で行うことが可能である。
【００２５】
図４は、計測用レーザダイオード２１と別に設けた０ｍ計測用レーザダイオード３１をフォトダイオード２４に直接的に光結合させて閉ループを構成している。このレンジセンサ１１の場合は、２つのレーザダイオード２１、３１の動作を切り替える図示しない切り替え回路が装備される。図１で２回目の１スキャン時において、距離較正動作をする１ステップＳ１のときだけ計測用レーザダイオード２１の発光を停止させて、０ｍ計測用レーザダイオード３１だけ発光させ、その光をフォトダイオード２４に入光させて、入光した受光信号の位相とレーザダイオード３１の光の位相を比較演算して位相差φ２を求める。この場合、一対のレーザダイオード２１、３１の特性を十分に近似させることで、距離較正を高精度で行うことができる。
【００２６】
図1で１回目のスキャン時における反射光レベルが最も低い検出位置は、検出エリアＥ１や検出可能エリアＥ２に被投射体が無い、又は、反射率の極めて低い被投射体が存在して距離計測しても計測値が不安定で信頼性に欠けるエリアであり、このエリアで２回目のスキャン時に距離較正動作をしても応答時間の遅れは実質的にほとんど問題にならない。また、１回目のスキャン時における最も反射光レベルが低い検出位置を除く他の検出位置は、検出エリアＥ１や検出可能エリアＥ２に被投射体１０があって、高信頼度で距離計測を行う必要性の高いエリアである。このエリアは、２回目のスキャン時に距離較正動作をしない通常の距離計測エリアであるので、応答遅れが生じる心配が無く、高信頼度での距離計測が実行される。例えば、検出可能エリアＥ２から被投射体１０が高速で検出エリアＥ１に入る場合、応答遅れが無いので検出エリアＥ１で確実に距離計測できる。
【００２７】
図１の２回目のスキャン時において、反射光レベルの最も低い１ステップＳ１での距離計測は３回目以降のスキャン時において行うことも可能であるが、１ステップＳ１の検出位置の両隣りの２ステップＳ２、Ｓ３での反射光レベルが１ステップＳ１の反射光レベルと近似していることから、この２ステップＳ２、Ｓ３で計測された距離の平均値を１ステップＳ１の検出位置での計測値とすることができ、そのようにすることが望ましい。このように距離較正動作用１ステップＳ１の検出位置の距離を計測することで、同位置の距離検出が応答遅れなく、簡単な回路構成でもって実施することができて、実質的に応答遅れのない３６０度全方向の距離計測を可能にする。
【００２８】
次に、本発明方法の第２の実施の形態を図２を参照して説明する。３６０度スキャン型２Ｄレンジセンサ１１が無人搬送車などに搭載されて床上を任意な方向に高速移動する場合、その移動方向Ｔを逐一検出して、移動方向Ｔと１８０°反対の方向Ｘにある１ステップＳ１０の検出位置で第１の実施の形態のときと同様な距離較正動作をする。例えば、１回目のスキャン時においてレンジセンサ１１の移動方向検出を行い、移動方向と反対方向Ｘのデータを算出して、２回目の１スキャン時に反対方向Ｘのデータに合う１ステップＳ１０のときに図３または図４の閉ループを使用して０ｍの基準値演算を行う。
【００２９】
図２のレンジセンサ１１が所望の移動方向Ｔに向けて高速移動する際、移動方向前方のエリアでは距離計測の応答遅れが問題となるが、移動方向と反対方向Ｘの後方では実質上に何ら問題とならないことがほとんどである。従って、移動方向Ｔの被投射体１０が移動する検出エリアＥ１に入ってくるような場合でも、これを応答遅れなく検出し、距離計測する。また、移動方向Ｔと１８０°反対の方向Ｘに被投射体が存在しても、遠ざかる一方のために、これの距離計測に応答遅れがあっても何ら問題とならない。
【００３０】
また、反対方向Ｘでの応答遅れを軽減する必要がある場合は、１ステップＳ１０の両隣り２ステップＳ２０、Ｓ３０の検出位置での計測値の平均値を１ステップＳ１０の計測値とすることができ、そのようにすることが望ましい。このようにすることで、後方位置での距離検出が応答遅れなく、簡単な回路構成でもって実施することができ、実質的に応答遅れのない３６０度全方向の距離計測を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の距離較正方法を説明するための平面図である。
【図２】本発明の第２の距離較正方法を説明するための平面図である。
【図３】本発明方法を実施する距離較正回路のブロック図である。
【図４】本発明方法を実施する別の距離較正回路のブロック図である。
【図５】レンジセンサの概要を示す側面図である。
【図６】ＡＭ変調方式を説明するための波形図である。
【図７】レンジセンサのエリアを示す平面図である。
【図８】従来の較正方法を説明するための較正回路ブロック図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０    被投射体
１１    レンジセンサ
２０    レーザ駆動回路
２１    レーザダイオード
２４    フォトダイオード
２５    切り替え回路
２６    受光アンプ回路
２７    位相比較回路
２８    閉ループ
２９    フォトダイオード
３１    レーザダイオード
Ａ１    投射光
Ａ２    反射光
Ｅ１    検出エリア
Ｅ２    検出可能エリア
Ｌ      距離
ＬＬ    反射光レベル
Ｌａ    最も低い反射光レベル
Ｓ１〜Ｓ３  ステップ
Ｓ１０〜Ｓ３０  ステップ
Ｔ    移動方向
Ｘ    反対方向
θ    ステップ角
φ    位相差
【図１】
2005221330.tif 000003
【図２】
2005221330.tif 000004
【図３】
2005221330.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005221330.tif 000007
【図６】
2005221330.tif 000008
【図７】
2005221330.tif 000009
【図８】
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