(57)【要約】【課題】  対象物の形状を計測するスキャナ装置において、スキャナ装置を構成する距離センサと回転ミラーとの距離に、加工誤差や組み立て誤差等によりズレが生じると計測精度に悪影響を及ぼす。そこで、本発明は距離センサと回転ミラーとの実際の距離を同定する手段を提供する。【解決手段】  形状が既知である対象物を計測し、その表面の座標位置を求め、この位置を対象物の形状に近似したときの偏差が最小となるような距離センサと回転ミラーとの距離を求める。【選択図】  図１
2005055310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に光を照射し、前記対象物からの反射光を検出してその伝搬時間から前記対象物までの距離を計測する距離センサと、前記距離センサの照射する光の進路上に設置され前記光の進行方向を変更する回転ミラーとを備えたスキャナ装置のキャリブレーション方法において、
形状が既知である対象物に対してスキャンを行い、その際の前記距離センサの計測距離と、前記回転ミラーによる光の照射角度とから前記対象物上の３点以上について計測を行って座標位置を計算し、前記３点以上の計測点を繋いだ線を前記対象物の形状に近似して、前記対象物の形状との偏差を算出し、前記偏差が最小となるように前記距離センサから前記回転ミラーの回転軸までの距離を同定することを特徴とするスキャナ装置のキャリブレーション方法。
【請求項２】
前記形状が既知である対象物が平面形状の断面を有した形状であり、前記近似が直線近似となることを特徴とする請求項１記載のスキャナ装置のキャリブレーション方法。
【請求項３】
前記形状が既知である対象物が円弧形状の断面を有した形状であり、前記近似が円近似となることを特徴とする請求項１記載のスキャナ装置のキャリブレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離センサと回転ミラーを組み合わせて対象物の形状を計測するスキャナ装置に関し、特にスキャナ装置のキャリブレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物の形状を計測する手段として、光の伝搬時間から距離を計測する距離センサと回転ミラーとを組み合わせたスキャナ装置が用いられる。これらは、物体の形状計測や移動ロボットの障害物センサなどに用いられている（例えば、特許文献１や非特許文献１参照）。
このスキャナ装置の構成例を図４に示す。距離センサ１は、レーザパルス光を対象物に照射しその反射光を検出して、照射から検出までの間のレーザパルス光の伝搬時間から対象物との距離を計測するセンサである。この距離センサ単体では対象物上の１点のみしか計測できないため、対象物の形状情報を得るためにレーザ光の進路上にミラー２を設置し、ミラー２を回転させレーザ光３を対象物４上に走査して対象物４の表面上の位置を計測している。
【０００３】
ここでミラー２の回転軸を原点とし、距離センサ１からミラー２までのレーザ光３の進路をＸ軸とし、Ｘ軸に対する鉛直方向をＹ軸とする２次元の座標系を設定する。レーザ光３の照射方向とＹ軸とのなす角度をθ、距離センサ１の計測値をＲ、距離センサ１の先端からミラー２の回転軸までの距離をｄとすると、対象物４上のレーザ光３の照射点の座標は
【０００４】
（(R-ｄ)sinθ，(R-ｄ)cosθ）  ・・・（１）
【０００５】
となる。ミラー２を回転することで、レーザ光３の照射方向θが変化し対象物４の表面上の点の座標が得られるため、対象物４の形状情報が得られる。この情報を利用して形状を計測したり障害物の位置検出を行ったりする。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−７５０３２
【非特許文献１】オムロン社カタログ  セーフティレーザ  形Ｆ３Ｇ−Ｃ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
式（１）による対象物上の点の計測において、距離センサ１の先端からミラー２の回転軸までの距離ｄは通常、設計値を用いるが、実際にはスキャナ装置の組み立て時のメカ的な誤差があるため、ｄが設計値どおりにならず計測に誤差が生じてしまう。この誤差は、移動ロボットで障害物の有無を検出する用途等では問題とならないが、対象物までの距離を正確に求めたい場合や対象物の形状を高精度で計測したい場合には問題となる。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、距離センサからミラーの回転軸までの距離を同定するキャリブレーション方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、対象物に光を照射し、前記対象物からの反射光を検出してその伝搬時間から前記対象物までの距離を計測する距離センサと、前記距離センサの照射する光の進路上に設置され前記光の進行方向を変更する回転ミラーとを備えたスキャナ装置のキャリブレーション方法において、
形状が既知である対象物に対してスキャンを行い、その際の前記距離センサの計測距離と、前記回転ミラーによる光の照射角度とから前記対象物上の３点以上について計測を行い座標位置を計算し、前記３点以上の計測点を繋いだ線を前記対象物の形状に近似して、前記対象物の形状との偏差を算出し、前記偏差が最小となるように前記距離センサから前記回転ミラーの回転軸までの距離を同定することを特徴とするスキャナ装置のキャリブレーション方法である。
また、請求項２に記載の発明は、前記形状が既知である対象物が平面形状の断面を有した形状であり、前記近似が直線近似となることを特徴とするスキャナ装置のキャリブレーション方法である。
さらに、請求項３に記載の発明は、前記形状が既知である対象物が円弧形状の断面を有した形状であり、前記近似が円近似となることを特徴とするスキャナ装置のキャリブレーション方法である。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の発明によると、予め形状の分かった物体を利用することで、距離センサとミラーとの距離を同定することができるため、スキャナ装置の計測精度の向上が実現できる。また請求項２に記載の発明によると、室内の壁などの平面部を利用することで容易にスキャナ装置のキャリブレーションを実施できる。さらに請求項３に記載の発明によると、円柱などを利用することで容易にスキャナ装置のキャリブレーションを実施できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１に本発明の実施例１の処理ブロック図を示す。最初に、壁などの平面形状をスキャナ装置で計測する。このときの距離センサの計測値とミラーの回転角度をメモリに記憶する（処理１０）。次に適当な値をｄの初期値とし（処理１１）、式（１）からレーザ光の照射点の座標Ｘ、Ｙを計算する（処理１２）。得られた座標を直線近似しそのときの偏差を求める（処理１３）。上記の処理１２、１３をｄの値を増減させながら実行し（処理１４、１６）、偏差が最小となるｄの値を求める（処理１５）。求まったｄが誤差を含んだ距離センサとミラーの回転軸との実際の距離の推定値である。
【００１２】
図２に実施例１の原理図を示す。距離センサ１とミラー（図示せず）の組合せによって平面対象物５の形状を計測する。距離センサ１と平面対象物５は平行に配置されているとし、ミラーの回転軸は点Ｂにあるとする。またレーザ光が平面対象物５に対し垂直に照射されたときを照射角度０°とする。
レーザ光は照射角度が−４５°のとき３０に示すＡＢＣの軌跡をたどる。同様に照射角度が０°のときで３１に示すＡＢＤの軌跡，照射角度４５°で３２に示すＡＢＥの軌跡となる。ここでＢＤの距離を１０ｍ、距離センサから回転ミラーまでの距離ＡＢを１ｍ、照射角度をθとすると、照射角度θと距離センサ１の計測値Ｒは図５のようになる。
θ、Ｒおよびｄが分かれば式（１）によりＸＹ座標を計算できるが、距離センサ先端からミラーの回転軸までの実際の距離ｄ（図中の線分ＡＢ）が設計値と異なっていると誤差が生じる。いま設計上の距離センサの位置を点線で示した１’とし、設計上のｄの値を２ｍとする。この値を式（１）に代入して座標を計算すると、図４における点Ｃ’，Ｄ’，Ｅ’の位置となり実際の位置より短く、しかもこれらを繋いだ線６は、図２で示すように直線とはならない。本発明では、ｄを変えながら式（１）により座標を計算し、それらを直線近似したときの偏差が最小となるｄを求めている。
【００１３】
以下、偏差の求め方について説明する。
適当なｄに対して式（１）によって計算した座標を
【００１４】
（xi, yi） i = 1,2,…,n  ・・・（２）
【００１５】
とする。これらの点に直線を当てはめることになるが、ここでは各点から直線までの距離の２乗和が最小となる直線を求め、偏差はそのときの距離の２乗和とした。具体的には、上記座標点の重心の位置を (ax, ay)とする。ax, ayは x座標、y座標の平均値であり
【００１６】
ax = Σxi/n  ・・・（３）
ay = Σyi/n  ・・・（４）
【００１７】
となる。ここでΣはiが１からｎまでの和である。この重心の位置を原点として新しい座標を(Xi, Yi) i=1,..nとする。この座標変換は、
【００１８】
Xi = xi - ax  ・・・（５）
Yi = yi - ay  ・・・（６）
【００１９】
である。このとき、偏差は次の行列の小さい方の固有値となる。
【００２０】
【数１】
2005055310.tif 000003
【００２１】
以上の方法により、図２の例でｄの値を０〜２ｍの範囲で変えたときの偏差を計算した結果を図６に示す。なお、この偏差は照射角度θが―４５°、０°、４５°の時の３点の計測点をもとに計算したものである。
この例で分かるように、ｄ＝１ｍの時に偏差が最も小さくなっており、これによって実際のｄの値が推定できる。このように本実施例では、平面形状の対象物に対する計測データから加工誤差や組み立て誤差によって設計値からのズレが生じた距離センサとミラーの回転軸との距離を同定する手法を提供している。
【実施例２】
【００２２】
図３は本発明の第２実施例の構成を示す図である。ここでは、計測対象物として円柱体６を用いる。ただし、円柱体６の軸方向とミラーの回転軸方向は平行になるようにしておく。実施例１と同様にスキャナ装置で円柱体６を計測し、その結果を円弧で近似すると、距離センサとミラーとの間の距離に誤差が含まれない場合は円となるが、誤差が含まれると円とはならない。そこで、得られた計測データを円近似して、その偏差を指標として、距離センサとミラーの回転軸との距離を同定することができる。
【００２３】
このように、平面形状に限らず形状が既知である対象物を計測し、その形状からの偏差を評価値として用いることで、距離センサとミラーの回転軸との実際の距離を同定することができる。この方法により、キャリブレーション用の装置がないような現場でもスキャナ装置の調整等を実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明によって容易にスキャナ装置の計測精度を向上することができるので、高精度の計測が要求される用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施例の手順を示す処理ブロック図
【図２】本発明の第１実施例を示す説明図
【図３】本発明の第２実施例を示す説明図
【図４】スキャナ装置の説明図
【図５】本発明の第1実施例でのレーザ光の照射角度θと距離センサの計測値Ｒの例
【図６】本発明の第１実施例での偏差の計算結果
【符号の説明】
【００２６】
１  距離センサ
２  回転ミラー
３  レーザ光
４  対象物
５  平面形状の対象物
６  ｄに誤差があるときの計測形状
７  円柱体の対象物
１０〜１６  処理ブロック
３０  照射角度−４５°のレーザ光
３１  照射角度０°のレーザ光
３２  照射角度４５°のレーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005055310.tif 000008
【図６】
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