(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から到来する光信号の検出に基づいて位置情報を取得する位置情報取得装置であって、
前記光信号を第１及び第２方向へ分岐させる光分岐手段と、
前記光分岐手段を介して前記第１方向に導かれる前記光信号を受光する光検出素子と、
複数の画素が配置された撮像面を有すると共に、前記光分岐手段を介して前記第２方向に導かれる前記光信号を１つ以上の前記画素で受光する撮像素子と、
前記光検出素子の出力に基づいて前記撮像素子が撮像するタイミングを制御する制御部と、
を備える位置情報取得装置。
【請求項２】
外部から到来する光信号の検出に基づいて位置情報を取得する位置情報取得装置であって、
前記光信号を第１及び第２方向へ分岐させる光分岐手段と、
前記光分岐手段を介して前記第１方向に導かれる前記光信号を受光する光検出素子と、
複数の画素が配置された撮像面を有すると共に、前記光分岐手段を介して前記第２方向に導かれる前記光信号を１つ以上の前記画素で受光する撮像素子と、
前記光検出素子の出力に基づいて前記撮像素子に複数の前記画素の一部から信号を読み出させる制御部と、を備え、
前記光検出素子は、前記撮像面に対応する受光領域における前記光信号の入射位置を検出する位置検出素子である位置情報取得装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記光検出素子から出力される前記受光領域における前記光信号の入射位置を示す信号に基づいて前記撮像素子の前記撮像面の一部に読出範囲を設定し、前記撮像素子に当該読出範囲内の前記画素から信号を読み出させることを特徴とする請求項２に記載の位置情報取得装置。
【請求項４】
前記光信号は、予め外部に設けられた発光源から出力され、少なくとも前記発光源同士を識別する信号が重畳されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置情報取得装置。
【請求項５】
前記光検出素子及び／又は前記撮像素子の出力に基づいて前記光信号に重畳された信号を復号する信号復号部を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の位置情報取得装置。
【請求項６】
前記光検出素子は、入射光強度に応じた値の電流を出力する受光素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置情報取得装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記受光素子から出力される前記光信号の入力又は無入力を示す信号に基づいて、前記撮像素子の前記撮像面に含まれる複数の前記画素の全部又は一部で前記撮像素子に撮像させることを特徴とする請求項６に記載の位置情報取得装置。
【請求項８】
前記光信号は、予め外部に設けられた発光源から出力され、少なくとも前記発光源同士を識別する信号が重畳されていることを特徴とする請求項６に記載の位置情報取得装置。
【請求項９】
前記受光素子の出力に基づいて前記光信号に重畳された信号を復号する信号復号部を更に備えることを特徴とする請求項８に記載の位置情報取得装置。
【請求項１０】
前記光検出素子からの出力に基づいて閾値を決定する閾値決定部と、
前記閾値決定部により決定された閾値に基づいて前記撮像素子から出力される画像に対して２値化処理をする画像処理部と、
を更に備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の位置情報取得装置。
【請求項１１】
前記光分岐手段は、前記光検出素子及び撮像素子夫々へ前記光信号の一部を導くビームスプリッタであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の位置情報取得装置。
【請求項１２】
外部から到来する光信号の検出に基づいて空間内における位置を推定する位置推定装置であって、
前記光信号を第１及び第２方向へ分岐させる光分岐手段と、
前記光分岐手段を介して前記第１方向に導かれる前記光信号を受光する光検出素子と、
複数の画素が配置された撮像面を有すると共に、前記光分岐手段を介して前記第２方向に導かれる前記光信号を１つ以上の前記画素で受光する撮像素子と、
前記光検出素子の出力に基づいて前記撮像素子が撮像するタイミングを制御する制御部と、
前記撮像素子から出力される画像に基づいて前記撮像面内の前記光信号の入射位置を検出し、当該検出結果に基づいて前記空間内における居場所を推定する位置推定部と、
を備える位置推定装置。
【請求項１３】
外部から到来する光信号の検出に基づいて空間内における位置を推定する位置推定装置であって、
前記光信号を第１及び第２方向へ分岐させる光分岐手段と、
前記光分岐手段を介して前記第１方向に導かれる前記光信号を受光する光検出素子と、
複数の画素が配置された撮像面を有すると共に、前記光分岐手段を介して前記第２方向に導かれる前記光信号を１つ以上の前記画素で受光する撮像素子と、
前記光検出素子の出力に基づいて前記撮像素子に複数の前記画素の一部から信号を読み出させる制御部と、
前記撮像素子から出力される画像に基づいて前記撮像面内の前記光信号の入射位置を検出し、当該検出結果に基づいて前記空間内における居場所を推定する位置推定部と、
を備え、
前記光検出素子は、前記撮像面に対応する受光領域における前記光信号の入射位置を検出する位置検出素子である位置推定装置。
【請求項１４】
前記位置推定部は、前記光信号が写された画像と前記光信号が写されていない画像との差分を求めることに基づいて前記撮像面内の前記光信号の入射位置を特定することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の位置推定装置。
【請求項１５】
請求項１若しくは２に記載の位置情報取得装置又は請求項１２若しくは１３に記載の位置推定装置を備える移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置情報取得装置、位置推定装置、及び移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な用途で活用が見込まれるロボットが注目されている。例えば、楽器演奏等のアミューズメントを提供するパートナーロボット、被介護者に介護を提供するパートナーロボット、及び生産ラインの生産を手助けするロボットが注目されている。
【０００３】
高性能なロボットを実現するに際して、ロボットが空間を移動したり、ヒトとの対話に応じた所望の動作を実現したりすることが要求される。空間を移動することが要求される場合、ある空間内の存在位置を高精度に把握することが要求される。この場合には、いわゆる光タグを活用して、空間内のロボットの存在位置を検出する手法を活用すると良い。
【０００４】
特許文献１には、光タグに関する技術が開示されている。特許文献１では、詳細情報を検出する高速タグリーダ、及びカテゴリ情報を検出する低速タグリーダを設けている。これによって、カテゴリ情報及び詳細情報を含む多様な属性情報の伝送を実現させている。
【０００５】
なお、特許文献２には光動画像検出装置が開示されている。また、特許文献３には、視覚センサが開示されている。
【特許文献１】特開２００７−１８４７８５号公報
【特許文献２】特開平５−２１９８号公報
【特許文献３】特開２０００−２０８８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ある空間内のロボットの存在位置を推定する際に用いられる位置情報を取得するために、外部に設けられた発光源からの光信号をロボットに組み込んだ撮像素子で検出する場合には次のような問題がある。
【０００７】
撮像素子の撮像面には光信号が入力されない領域があり、この領域で撮像した像は無駄になる。この無駄な像を読み出すのに要する時間だけ、より高い速度で撮像素子を駆動することが阻害される。
【０００８】
また、光信号がパルス化されている場合には、撮像素子が取得する像には光信号が写らない像があり、この像は無駄になる。撮像素子から出力される無駄な像の数だけ、撮像素子の出力が接続される画像処理部における画像処理の負担を増大させてしまう。
【０００９】
このようにロボットの存在位置を推定する際に用いられる位置情報を無駄なく取得することが強く望まれている。
【００１０】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、移動体（例えば、ロボット）の存在位置を推定する際に用いられる位置情報を従来よりも無駄なく取得することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明にかかる位置情報取得装置は、外部から到来する光信号の検出に基づいて位置情報を取得する位置情報取得装置であって、前記光信号を第１及び第２方向へ分岐させる光分岐手段と、前記光分岐手段を介して前記第１方向に導かれる前記光信号を受光する光検出素子と、複数の画素が配置された撮像面を有すると共に、前記光分岐手段を介して前記第２方向に導かれる前記光信号を１つ以上の前記画素で受光する撮像素子と、前記光検出素子の出力に基づいて前記撮像素子に複数の前記画素の一部から信号を読み出させる、又は前記光検出素子の出力に基づいて前記撮像素子が撮像するタイミングを制御する制御部と、を備える。
【００１２】
制御部は、光検出素子の出力に基づいて撮像素子に複数の画素の一部から信号を読み出させる。これによって、実際に信号を読み出す領域を撮像面よりも狭い範囲に限定することができる。制御部は、光検出素子の出力に基づいて撮像素子が撮像するタイミングを制御する。これによって、撮像素子が撮像する不要な画像を排除することができる。このようにして不必要な像を排除することができる。
【００１３】
前記光検出素子は、前記撮像面に対応する受光領域における前記光信号の入射位置を検出する位置検出素子である、と良い。
【００１４】
前記制御部は、前記光検出素子から出力される前記受光領域における前記光信号の入射位置を示す信号に基づいて前記撮像素子の前記撮像面の一部に読出範囲を設定し、前記撮像素子に当該読出範囲内の前記画素から信号を読み出させる、と良い。
【００１５】
前記光信号は、予め外部に設けられた発光源から出力され、少なくとも前記発光源同士を識別する信号が重畳されていることを特徴とする請求項１に記載の位置情報取得装置。
【００１６】
前記光検出素子及び／又は前記撮像素子の出力に基づいて前記光信号に重畳された信号を復号する信号復号部を更に備える、と良い。
【００１７】
前記光検出素子は、入射光強度に応じた値の電流を出力する受光素子である、と良い。
【００１８】
前記制御部は、前記受光素子から出力される前記光信号の入力又は無入力を示す信号に基づいて、前記撮像素子の前記撮像面に含まれる複数の前記画素の全部又は一部で前記撮像素子に撮像させる、と良い。
【００１９】
前記光信号は、予め外部に設けられた発光源から出力され、少なくとも前記発光源同士を識別する信号が重畳されている、と良い。
【００２０】
前記受光素子の出力に基づいて前記光信号に重畳された信号を復号する信号復号部を更に備える、と良い。
【００２１】
前記光検出素子からの出力に基づいて閾値を決定する閾値決定部と、前記閾値決定部により決定された閾値に基づいて前記撮像素子から出力される画像に対して２値化処理をする画像処理部と、を更に備える、と良い。
【００２２】
前記光分岐手段は、前記光検出素子及び撮像素子夫々へ前記光信号の一部を導くビームスプリッタである、と良い。
【００２３】
本発明に係る位置推定装置は、外部から到来する光信号の検出に基づいて空間内における位置を推定する位置推定装置であって、前記光信号を第１及び第２方向へ分岐させる光分岐手段と、前記光分岐手段を介して前記第１方向に導かれる前記光信号を受光する光検出素子と、複数の画素が配置された撮像面を有すると共に、前記光分岐手段を介して前記第２方向に導かれる前記光信号を１つ以上の前記画素で受光する撮像素子と、前記光検出素子の出力に基づいて前記撮像素子に複数の前記画素の一部から信号を読み出させる、又は前記光検出素子の出力に基づいて前記撮像素子が撮像するタイミングを制御する制御部と、前記撮像素子から出力される画像に基づいて前記撮像面内の前記光信号の入射位置を検出し、当該検出結果に基づいて前記空間内における居場所を推定する位置推定部と、  を備える。
【００２４】
前記位置推定部は、前記光信号が写された画像と前記光信号が写されていない画像との差分を求めることに基づいて前記撮像面内の前記光信号の入射位置を特定する、と良い。
【００２５】
本発明に係る移動体は、上述の位置情報取得装置又は位置推定装置を備える。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、移動体の存在位置を推定する際に用いられる位置情報を従来よりも無駄なく取得することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、各実施の形態は、説明の便宜上、簡略化されている。図面は簡略的なものであるから、図面の記載を根拠として本発明の技術的範囲を狭く解釈してはならない。図面は、もっぱら技術的事項の説明のためのものであり、図面に示された要素の正確な大きさ等は反映していない。同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。
【００２８】
［第１の実施形態］
以下、図１乃至図７を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、移動制御システムの構成を示す模式図である。図２は、位置推定装置の概略的な構成を示すブロック図である。図３は、ロボットに組み込まれる撮像ユニットの概略的な構成を示す説明図である。図４は、ＰＳＤの概略的な上面構成を示す模式図である。図５は、ＣＭＯＳイメージャ６の概略的な上面構成を示す模式図である。図６は、位置推定装置の動作を説明するためのフローチャートである。図７は、光信号の入射位置の特定方法を説明するための説明図である。
【００２９】
図１に示すように、移動制御システム３００は、ロボット（移動体）１００及び発光装置（発光源）２００を有する。
【００３０】
発光装置２００は、空間内の所定箇所（例えば、室内の天井等）に予め固定されている。発光装置２００は、パルス化された光信号（以下、パルス光信号又は単に光信号と呼ぶこともある）を空間に出力する。
【００３１】
発光装置２００は、発光部（光源）２０１及び駆動部２０２を有する。発光部２０１は、ＬＤ（Laser Diode）又はＬＥＤ(Light Emitting Diode)といった半導体発光素子である。発光部２０１は、赤外線の帯域の光を出射する。駆動部２０２は、予めＲＯＭ等の記憶部に書き込まれたプログラムに従って、発光部２０１をパルス駆動する。尚、駆動部２０２の構成は任意である。また、空間内に複数の発光装置２００を設けて、ロボット１００の移動範囲をより広範囲又は高精度にさせても良い。
【００３２】
ロボット１００は、発光装置２００から出力される光信号を受信し、これに基づいて自己が存在する場所を検知する。なお、ロボット１００は、自律的な移動、ヒトとの対話が可能なロボットであり、図１に示すように、頭部９０、胴部９１、腕９２、及び車輪９３を有する。
【００３３】
ロボット１００の筐体内には、様々な部品が組み込まれる。例えば、ロボット１００の動作を制御するコントローラ、コントローラからの指令に基づいて機械的に可動する駆動機構、コントローラによる処理に供する情報を取得するセンサ、センサからの入力を処理する処理回路、表示装置等の報知機構、及び電子機器に電源を供給する二次電池（電源）等がロボット１００の筐体内に実装される。
【００３４】
コントローラは、通常のコンピュータから構成され、ＣＰＵ、マザーボード、及び外部記憶装置（ハードディスク等）を有する。駆動機構は、モータ、アクチュエータ、及び機械的リンク等によって構成される。センサは、撮像素子、マイクロフォン、及び感熱素子等といった各種センサである。処理回路は、Ａ／Ｄ変換回路、及び信号処理回路等といった回路部品である。報知機構は、液晶表示装置、スピーカー、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)等といったように映像、音、及び光によって何らかの情報をヒトに伝達させる手段である。
【００３５】
コントローラは、センサから入力された信号に基づいて、駆動機構又は報知機構を制御する。このようにしてロボット１００は、必要に応じて空間を移動したり、必要に応じてヒトに対して何らかの情報を報知したりする。
【００３６】
ロボット１００には、図２に示す位置推定装置６０が組み込まれている。位置推定装置６０は、発光装置２００から出力される光信号に基づいて、この位置推定装置６０が組み込まれたロボット１００が居る場所を推定する。位置推定装置６０をロボット１００に組み込むことで、ロボットを空間内で自律的に移動させることができる。これによって、ロボット１００の活用範囲を広げることができる。
【００３７】
図２に示すように、位置推定装置６０は、光学系１、ビームスプリッタ（光分岐手段）２、位置検出センサ（光検出素子）３、信号処理回路４、演算処理部５、及びＣＭＯＳイメージャ（撮像素子）６を有する。なお、演算処理部５は、センサ制御部（制御部）５ａ、画像処理部５ｂ、信号復号部５ｃ、及び位置推定部５ｄを有する。
【００３８】
位置推定装置６０には、位置を推定する際に用いられる位置情報を取得する位置情報取得装置が組み込まれている。位置情報取得装置は、ビームスプリッタ２、位置検出センサ３、信号処理回路４、センサ制御部５ａ、及びＣＭＯＳイメージャ６により構成される。
【００３９】
はじめに位置推定装置６０に含まれる要素の入出力関係について説明する。
【００４０】
発光装置２００から出力された光信号（OPS(Optical Signal)）は、光学系１に入力される。光学系１から出力された光信号は、ビームスプリッタ２に入力される。ビームスプリッタ２で第１方向に分岐された光は、位置検出センサ３に入力される。位置検出センサ３から出力される信号Ｓ１は、信号処理回路４に入力される。信号処理回路４から出力される信号Ｓ２は、演算処理部５に入力される。ビームスプリッタ２で第２方向に分岐された光は、ＣＭＯＳイメージャ６に入力される。なお、演算処理部５から出力される信号Ｓ３は、ＣＭＯＳイメージャ６に入力される。また、ＣＭＯＳイメージャ６から出力される信号Ｓ４は、演算処理部５に入力される。
【００４１】
以下、図３乃至図５も併せて参照しつつ、上述の光学系１、ビームスプリッタ２、位置検出センサ３、及びＣＭＯＳイメージャ６について説明する。なお、位置推定装置６０は、図３に示す撮像ユニット５０を有する。
【００４２】
光学系１は、少なくとも１つ以上の光学素子（例えば、レンズ）を含む。図３に示すように、光学系１は、入射窓１０及び対物レンズ１１を有する。入射窓１０には、発光装置２００から空間を介して到来する光信号を含む外来光が入力される。対物レンズ１１は、入射窓１０を通過した外来光を位置検出センサ３の受光領域及びＣＭＯＳイメージャ６の撮像面に結像させる。
【００４３】
ビームスプリッタ２は、入力光の半分を直進させ、入力光の残りの半分を反射する光学部品である。図３に示すように、ビームスプリッタ２は、光信号の半分を直進させ、光信号の半分を反射させる。なお、ビームスプリッタ２を通過した光信号は、ＣＭＯＳイメージャ６に入力される。また、ビームスプリッタ２で反射した光信号は、位置検出センサ３に入力される。
【００４４】
位置検出センサ３は、半導体材料からなる一般的な位置検出素子である。位置検出センサ３は、第１導電型の半導体基板の主面に第２導電型の抵抗層が形成される。また、複数の分割された信号取出電極が抵抗層の周囲に形成される。なお、抵抗層は接地電位に接続され、信号取出電極は半導体基板に接続される。
【００４５】
図４に示すように、位置検出センサ３は、受光領域２０、及び複数の信号取出電極２１ａ〜２１ｄを有する。受光領域２０には、上述の抵抗層が形成される。信号取出電極２１ａ〜２１ｄは、受光領域２０の周囲に配置される。図４に模式的に示す範囲Ｒ１に光信号が入射する場合、受光領域２０における光信号の入射位置に応じた値の光電流が各信号取出電極２１ａ〜２１ｄから出力される。
【００４６】
信号取出電極２１ａからは、信号取出電極２１ａと範囲Ｒ１間の距離に応じた値の光電流が信号Ｓ１ａとして出力される。信号取出電極２１ｂからは、信号取出電極２１ｂと範囲Ｒ１間の距離に応じた値の光電流が信号Ｓ１ｂとして出力される。信号Ｓ１ａと信号Ｓ１ｂ間の比率を検出することによって、受光領域２０に入射した光信号のｙ軸に沿う位置（ｙ座標）を検出することができる。なお、この演算処理は、後述の信号処理回路４で実行される。また、ｙ軸は、外部から位置検出センサ３に到来する光信号の伝播方向に直交する軸線である。
【００４７】
信号取出電極２１ｃからは、信号取出電極２１ｃと範囲Ｒ１間の距離に応じた値の光電流が信号Ｓ１ｃとして出力される。信号取出電極２１ｄからは、信号取出電極２１ｄと範囲Ｒ１間の距離に応じた値の光電流が信号Ｓ１ｄとして出力される。信号Ｓ１ｃと信号Ｓ１ｄ間の比率を検出することによって、受光領域２０に入射した光信号のｘ軸に沿う位置（ｘ座標）を検出することができる。なお、この演算処理は、後述の信号処理回路４で実行される。また、ｘ軸は、外部から位置検出センサ３に到来する光信号の伝播方向に直交し、かつｙ軸に直交する軸線である。
【００４８】
図２に示す信号処理回路４は、位置検出センサ３から出力される信号Ｓ１（Ｓ１ａ〜Ｓ１ｄ）に基づいて生成した信号Ｓ２（Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ）を出力する。より具体的には、信号処理回路４は、信号Ｓ１ａと信号Ｓ１ｂの比率、及び信号Ｓ２ａと信号Ｓ２ｂの比率を求める。
【００４９】
ここでは、信号処理回路４は、トランスインピーダンス回路、及び論理回路を有する。位置検出センサ３から入力される信号Ｓ１ａ〜Ｓ１ｄとしての光電流は、トランスインピーダンス回路を介して電圧に変換される。各トラスインピーダンス回路で電圧変換された信号は、論理回路で演算処理され、ｘ座標を示す信号Ｓ２ａ及びｙ座標を示す信号Ｓ２ｂとして出力される。なお、論理回路の具体的な構成は任意である。
【００５０】
図２に示すＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサ６は、一般的な固体撮像素子である。なお、より好ましくは、ビームスプリッタ２とＣＭＯＳイメージャ６間の光路長をビームスプリッタ２と位置検出センサ３間の光路長よりも長くする。
【００５１】
図５に示すように、ＣＭＯＳイメージャ６は、撮像面としての撮像領域３０、行選択回路３１、列選択回路３２、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６、及びデータ転送ライン３３を有する。なお、図５では、説明の便宜上、リセット線、電源ライン、画素内のスイッチ、画素内のダイオード構造、及び画素内の増幅器等は図示を省略している。
【００５２】
撮像領域３０には複数の画素１１〜６６がマトリクス状（２次元状）に形成される。なお、画素１１は、１行目の１列目という番地によって特定される画素である。画素６６は、６行目の６列目という番地によって特定される画素である。他の画素についても同様である。
【００５３】
撮像領域３０と上述の受光領域２０とは相似する。これによって、受光領域２０上の座標位置と撮像領域３０上の座標位置とを簡易に対応づけることができる。なお、撮像領域３０の面積は必ずしも受光領域２０の面積に一致する必要はない。
【００５４】
行選択回路３１は、センサ制御部５ａからの選択指示に従って特定の行を選択する。列選択回路３２は、センサ制御部５ａからの選択指示に従って特定の列を選択する。なお、列選択回路３２は、スイッチＳＷ１〜６の動作状態を制御することに基づいて列を選択する。行選択回路３１によって選択された行に含まれ、かつ列選択回路３２によって選択された列に含まれる画素に保持された電圧信号は、データ転送ライン３３を介して外部へ出力される。
【００５５】
行選択回路３１及び列選択回路３２の制御に基づいて、撮像領域３０に含まれる全画素から電圧信号を出力させることができる。また、行選択回路３１及び列選択回路３２の制御に基づいて、撮像領域３０に含まれる全画素の一部から電圧信号を出力させることもできる。つまり、ＣＭＯＳイメージャ６は、画素単位で信号の読出しをすることができる。従って、電荷転送方式のＣＣＤ(Charge Coupled Device)センサよりも読出範囲を効果的に限定させることができる。
【００５６】
上述のように、演算処理部５は、センサ制御部（制御部）５ａ、画像処理部５ｂ、信号復号部５ｃ、及び位置推定部５ｄを有する。なお、演算処理部５の各機能は、記憶部に格納されたプログラムがＣＰＵコア等で実行されることによって実現される。
【００５７】
センサ制御部５ａは、上述の座標信号Ｓ２に基づいて、ＣＭＯＳイメージャ６の撮像領域３０に含まれる画素から実際に信号を読み出す画素の番地を設定する。センサ制御部５ａは、信号を読み出す画素の番地を信号Ｓ３としてＣＭＯＳイメージャ６へ出力する。これによって、ＣＭＯＳイメージャ６からの指定された番地の画素から電圧信号が順次出力される。つまり、センサ制御部５ａは、ＣＭＯＳイメージャ６に対して、位置検出センサ３の受光領域２０に入射した光信号の入射位置に対応する範囲の画素から電圧信号を読み出させる。
【００５８】
これによって、電圧信号を読み出す画素を好適に限定することができる。つまり、ロボット１００の居場所を推定する際に用いられない像を取得すること自体を抑圧することができる。また、すべての画素から電圧信号を読み出す場合と比較して、電圧信号を読み出す画素を限定することで、ＣＭＯＳイメージャ６をより高速に駆動することができる。
【００５９】
ＣＭＯＳイメージャ６の全画素から全電圧信号を読み出す場合には、行選択回路３１及び列選択回路３２によって選択的に行及び列を指定することが必要になる。そのため、全画素からの全電圧信号の読出しには所要の時間を要する。画素からの信号読出しに要する時間が長くなるとＣＭＯＳイメージャ６のフレームレートが低下する。このため、ＣＭＯＳイメージャ６で取得した像に基づいて高速にパルス変調された信号を検出することはできない。
【００６０】
本実施形態においては、画素から電圧信号を実際に読み出させる読出範囲を撮像範囲３０よりも狭くすることで、ＣＭＯＳイメージャ６をより高速に駆動させることができる。つまり、より高い時間分解能でＣＭＯＳイメージャ６に画像を取得させることができる。従って、発光装置２００から出力される光信号が非常に短い時間間隔でパルス変調されていたとしても、ＣＭＯＳイメージャ６で取得した画像に基づいてパルス変調された信号を復号することができる。なお、読出範囲を限定することは、撮像範囲を限定することを排除するものではない。すなわち、読出範囲に対応する範囲で撮像する場合にも本実施形態は適用可能である。
【００６１】
図２に示す画像処理部５ｂは、ＣＭＯＳイメージャ６から読み出される画像（信号Ｓ４）に対して画像処理を実行する。具体的には、画像処理部５ｂは、予め設定された閾値に基づいてＣＭＯＳイメージャ６から読み出された画像に２値化処理を実行する。これによって、撮像領域３０に入射した光信号を抽出させることができる。
【００６２】
位置推定するためにはＣＭＯＳイメージャ６で取得した像を観察することは必要ではなく、ＣＭＯＳイメージャ６の撮像領域３０のどの部分に光信号が入射したのかを求めることが必要である。このようにＣＭＯＳイメージャ６から読み出される画像に対して２値化処理を施すことによって、より簡単にＣＭＯＳイメージャ６の撮像領域３０のどの部分に光信号が入射したのかを求めることが可能になる。
【００６３】
信号復号部５ｃは、画像処理部５ｂで画像処理された複数の画像に基づいて光信号に重畳された信号を復号する。ここでは、発光装置２００から出力される光信号には、発光装置２００の識別信号が重畳されている。この識別信号を復号することによって、現在受信している光信号を出力している発光装置２００を特定することができる。なお、信号復号部５ｃは、位置検出センサ３の出力に基づいて信号の復号を実行しても良い。
【００６４】
位置推定部５ｄは、信号復号部５ｃで復号された識別信号に基づいて地図上のどの位置にロボット１００が居るのかを大まかに推定する。また、位置推定部５ｄは、画像処理部５ｂで画像処理された複数の画像に基づいて光信号が入射した撮像領域３０上に位置を検出し、この検出結果に基づいてロボット１００の現在の居場所を詳細に推定する。
【００６５】
位置推定部５ｄは、予め地図情報を有している。換言すると、位置推定部５ｄは、地図情報が格納された記憶領域（ハードディスク、半導体メモリ等）を有している。発光装置２００が設けられた場所は、予めこの地図情報に書き込まれている。位置推定部５ｄは、信号復号部５ｃの出力に基づいて、地図上のどの位置にいるのかを大まかに推定する。
【００６６】
位置推定部５ｄは、画像処理部５ｂで画像処理された複数の画像に基づいて光信号が入射した撮像領域３０上に位置を検出する。撮像領域３０上の光信号の入射位置を検出すれば、発光装置２００と撮像ユニット５０間の相対的な位置関係が求められる。従って、この位置関係に基づいて発光装置２００に対する自己の位置を推定することができる。信号の復号及び光信号の撮像面上の入射位置の検出の双方を実行することで、ロボットが居る地図上の位置を高精度に推定することができる。
【００６７】
図６を参照して、位置推定装置６０の概略的な動作について説明する。
【００６８】
まず、位置検出センサ（PSD(Position Sensitive Detector)）を活用して、座標情報を取得する（Ｓ１）。位置検出センサ３の受光領域２０にスポット状の光信号が入射すると、分割された信号取出電極２１ａ〜２１ｄからは光電流が信号Ｓ１ａ〜Ｓ１ｄとして出力される。信号処理回路４は、信号Ｓ１ａ〜Ｓ１ｄに基づいて、受光領域２０上の光信号の入射位置を示す座標信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂを生成し、これらを出力する。座標信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂは、座標情報としても把握することができる。
【００６９】
次に、座標情報に基づいて読出範囲を設定する（Ｓ２）。具体的には、センサ制御部５ａは、信号処理回路４から出力される座標信号Ｓ２に基づいて、ＣＭＯＳイメージャ６の撮像領域３０に含まれる画素から実際に信号を読み出す画素の番地を設定し、信号読出しの対象にした画素の番地を示す信号Ｓ３をＣＭＯＳイメージャ６に出力する。例えば、ＣＭＯＳイメージャ６の撮像面における光信号の入射推定位置付近にある複数の画素群を特定し、このように特定した画素群の番地を信号Ｓ３としてＣＭＯＳイメージャ６に出力する。
【００７０】
次に、指定された番地の画素から信号を出力させる（Ｓ３）。換言すると、指定された読出範囲内の画素から信号を出力させる。ＣＭＯＳイメージャ６は、信号Ｓ３の入力に応じて、指定された番地の画素に保持された電圧信号を読み出し、これを信号Ｓ４として出力する。なお、ＣＭＯＳイメージャ６は、所定の時間間隔で、信号の蓄積、及び蓄積された信号のリセットを行っているものとする。
【００７１】
次に、取得した像を２値化する（Ｓ４）。具体的には、画像処理部５ｂは、予め設定された閾値に基づいて信号Ｓ４に対して２値化処理を実行する。これによって、撮像領域３０に入射した光信号を抽出させることができる。
【００７２】
次に、撮像領域３０における光信号の入射位置を特定する（Ｓ５）。具体的には、位置推定部５ｄは、画像処理部５ｂで画像処理された複数の画像に基づいて光信号が入射した撮像領域３０上の位置を検出する。
【００７３】
図７を参照して光信号の入射位置の特定方法について説明する。図７（ａ）及び（ｂ）に光信号が撮像領域３０に入射する場合を示し、図７（ｃ）及び（ｄ）に光信号が撮像領域３０に入射しない場合の説明図を示す。図７（ａ）及び（ｃ）は、撮像領域３０内に設定された読出範囲Ｒ４０を示す。図７（ｂ）は、図７（ａ）のｘ７ｂ−ｘ７ｂ間の２値化後の強度分布を示す。図７（ｄ）は、図７（ｃ）のｘ７ｄ−ｘ７ｄ間の２値化後の強度分布を示す。なお、範囲Ｒ１には発光装置２００からの光信号が入射し、範囲Ｒ２にはノイズ光が入射するものとする。
【００７４】
画像処理部５ｂは、図７（ｂ）と図７（ｄ）の差分をとる。これによってノイズ光の入射に応じたパターンｄｐ１を排除することができる。これによって位置推定をより高精度に実行することができる。
【００７５】
ロボット１００が移動する空間は、発光装置２００の他にも様々な光源が配置される場合がある。ロボット１００が屋外に置かれる場合には、太陽光の影響を当然受ける。但し、発光装置２００以外に想定される光源は一定の位置で一定の強度の光を恒常的に出力していることが想定される。したがって、上述のように、発光装置２００からの光信号が入力したときの２値画像と、それが無入力のときの２値画像間の差分を求めることによって好適にノイズ光を排除することができる。
【００７６】
再び図６に戻り説明する。
【００７７】
次に、信号の復号をする（Ｓ６）。具体的には、信号復号部５ｃは、画像処理部５ｂで画像処理された複数の画像に基づいて光信号に重畳された信号を復号する。上述のように本実施形態においては、撮像領域３０に含まれる画素から信号を実際に読み出す画素を限定する。これによって高い時間分解能で過不足ない範囲で画像を取得することができる。よって、比較的画素数が多いＣＭＯＳイメージャ６を活用する場合であっても好適に信号の復号を実現することができる。実際には、時系列に沿ってＣＭＯＳイメージャ６から出力される画像を解析することによって信号の復号が実行される。なお、上述のステップＳ５の前にステップＳ６を実行しても良い。
【００７８】
次に、居場所の推定をする（Ｓ７）。具体的には、位置推定部５ｄは、信号復号部５ｃで復号された識別信号に基づいて地図上のどの位置にロボット１００が居るのかを大まかに推定する。また、位置推定部５ｄは、画像処理部５ｂで画像処理された複数の画像に基づいて光信号が入射した撮像領域３０上に位置を検出し、この検出結果に基づいてロボット１００の現在の居場所を詳細に推定する。
【００７９】
本実施形態では、センサ制御部５ａは、位置検出センサ３における光信号の入射位置を示す座標信号Ｓ２に基づいて、ＣＭＯＳイメージャ６の撮像領域３０に読出範囲を設定する。そして、ＣＭＯＳイメージャ６から読出範囲内の画素に限定して信号を出力させる。具体的には、センサ制御部５ａは、信号読出の対象とした画素の番地（アドレス）をＣＭＯＳイメージャ６に連絡し、ＣＭＯＳイメージャ６に指定された番地の画素の電圧信号を順次出力させる。
【００８０】
これによって、電圧信号を読み出す画素を好適に限定することができる。つまり、ロボット１００の居場所を推定する際に用いられない像を取得すること自体を抑圧することができる。また、すべての画素から電圧信号を読み出す場合と比較して、電圧信号を読み出す画素を限定すれば、より高速にＣＭＯＳイメージャ６を駆動することができる。つまり、より高い時間分解能でＣＭＯＳイメージャ６に画像を取得させる。従って、発光装置２００から出力される光信号が非常に短い時間間隔でパルス変調されていたとしても、ＣＭＯＳイメージャ６で取得した画像に基づいて、パルス変調された光信号を復号することができる。また、上述のように光信号が入力したときの２値画像と光信号が無入力のときの２値画像との差分をとることで背景光の影響を低減させることができる。なお、差分の対象となる画像は、２値化前の画像であっても良い。
【００８１】
[第２の実施形態]
以下、図８乃至１０を用いて、第２の実施形態について説明する。図８は、撮像ユニットの概略的な構成を示す模式図である。図９は、位置推定装置の概略的な構成を示すブロック図である。図１０は、位置推定装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【００８２】
本実施形態においては、位置検出センサ３に代えて、フォトダイオード（PD(Photo Diode)）７を用いる。このような場合であっても第１の実施形態と同様にロボットの存在位置を推定する際に用いられる位置情報を従来よりも無駄なく取得することができる。
【００８３】
図８に示すように、ビームスプリッタ２から出力される光信号はフォトダイオード（光検出素子）７に入力される。
【００８４】
図９に示すように、ビームスプリッタ２からの出力される光信号はフォトダイオード７に入力される。フォトダイオード７からは光電流が信号Ｓ１０として出力される。フォトダイオード７から出力される信号Ｓ１０はトランスインピーダンス回路８に入力される。トランスインピーダンス回路８から出力される信号Ｓ１１は演算処理部５のセンサ制御部５ａに入力される。
【００８５】
フォトダイオード７は、ＰＮ接合が形成された受光素子であり、逆バイアスされた状態で入射光量に応じた値の光電流を出力する。トランスインピーダンス回路８は、光電流を電圧に変換し、この電圧を信号Ｓ１１として出力するアナログ回路である。なお、フォトダイオード７として、ＰＮ接合を有するフォトトランジスタを活用しても良い。
【００８６】
本実施形態では、センサ制御部５ａは、信号Ｓ１１が予め設定した閾値を超えるかどうかに基づいてフォトダイオード７に光信号が入射したタイミングを検出する。そして、センサ制御部５ａは、フォトダイオード７に光信号が入射したタイミングに同期させてＣＭＯＳイメージャ６を駆動させる。換言すると、センサ制御部５ａは、フォトダイオード７で検出した光信号の入射タイミングに同期させてＣＭＯＳイメージャ６に撮像を指示する。
【００８７】
光信号が写されていない画像は、背景光除去のために活用することができたとしても、撮像領域３０に入射する光信号の位置を特定するためには活用することはできない。従って、光信号が写されていない画像の取得数を減らす又はその画像の取得自体を実行しないほうが良い場合がある。本実施形態では、この点に鑑みて、上述のようにＣＭＯＳイメージャ６が撮像するタイミングをフォトダイオード７で検出したタイミングに同期させる。このようにして、位置推定に利用されることがない無駄な画像を排除することができる。
【００８８】
なお、信号復号部５ｃは、フォトダイオード７の出力に基づいて光信号に重畳した信号を復号する。また、トランスインピーダンス回路８と演算処理部５の間に比較回路を設けて、これにより光信号の入力の有無を検出しても良い。この場合、センサ制御部５ａは、比較回路の判定結果に基づいてＣＭＯＳイメージャ６を制御する。例えば、センサ制御部５ａは、比較回路からＨレベルの電圧信号が出力される場合にＣＭＯＳイメージャ６に撮像を指示する。センサ制御部５ａは、比較回路からＬレベルの電圧信号が出力される場合にＣＭＯＳイメージャ６に撮像を指示しない。
【００８９】
次に図１０を参照して位置推定装置６０の動作について説明する。
【００９０】
まず、光信号を受信する（Ｓ１）。具体的には、フォトダイオード７で光信号を受光する。
【００９１】
次に、閾値以上であるのかを判定する（Ｓ２）。具体的には、センサ制御部５ａはトランスインピーダンス回路８から出力される電圧信号Ｓ１１のレベルが予め設定された閾値以上であるのかを判定する。
【００９２】
電圧信号Ｓ１１が閾値以上の場合には、撮像の指示をする（Ｓ３）。具体的には、センサ制御部５ａはＣＭＯＳイメージャ６に撮像を指示する。
【００９３】
次に撮像を実行する（Ｓ４）。具体的には、ＣＭＯＳイメージャ６は、センサ制御部５ａから伝達される撮像指示信号Ｓ３を受けて撮像を実行する。そして、ＣＭＯＳイメージャ６は、撮像した像を信号Ｓ４として演算処理部５へ出力する。
【００９４】
なお、図１０におけるステップＳ５、Ｓ６、及びＳ７の各ステップは、第１の実施形態における対応するステップに一致する。従って、重複する説明は省略する。
【００９５】
また、図１０に示すように、ステップＳ１の後に、信号の復号をする（Ｓ７）。具体的には、信号復号部５ｃは、フォトダイオード７からの出力に基づいて光信号に重畳された信号を復号する。ここでは、ＣＭＯＳイメージャ６は光信号の入力に同期したタイミングで撮像する。従って、ＣＭＯＭセンサ６の出力に代えて、フォトダイオード７の出力に基づいて光信号に重畳された信号を復号する。
【００９６】
本実施形態では、ＣＭＯＳイメージャ６が撮像するタイミングをフォトダイオード７で検出したタイミングに同期させる。このようにして、位置推定に利用されることがない無駄な画像を排除することができる。
【００９７】
[第３の実施形態]
以下、図１１乃至１２を用いて、第３の実施形態について説明する。図１１は、演算処理部５の構成を示すブロック図である。図１２は、閾値決定部の動作を説明するためのフローチャートである。なお、第１及び第２の実施形態と異なる点についてのみ説明する。本実施形態は、第１及び第２の実施形態の変形例として位置づけられる。
【００９８】
本実施形態においては、演算処理部５は、閾値決定部５ｅを有する。閾値決定部５ｅは、画像処理部５ｂによる画像の２値化処理に用いられる閾値を位置検出センサ３又はフォトダイオード７の出力値に基づいて決定する。このように閾値を設定することで、撮像領域３０に入射した光信号の有無の判定を容易化させることができる。また、撮像した画像に含まれる背景光の影響を効果的に低減させることができる。この点は、特に外来光の照度が強い環境の下でスポット状の光信号を検出する場合に有利である。なお、閾値決定部５ｅが閾値を決定するとき、位置検出センサ３又はフォトダイオード７には発光装置２００からの出力光が入力されていないものとする。また、位置検出センサ３の出力は、位置検出センサ３から出力される光電流の総和に等しい。
【００９９】
図１２を参照して閾値の設定方法について説明する。
【０１００】
まず、位置検出センサ３又はフォトダイオード７で入射光強度を取得する（Ｓ１）。
【０１０１】
次に、この入射光強度に基づいて閾値を決定する（Ｓ２）。具体的には、演算処理部５に入力される電圧信号の電圧レベルに応じて閾値を設定する。
【０１０２】
本実施形態においては、閾値決定部５ｅは、画像処理部５ｂによる画像の２値化処理に用いられる閾値を位置検出センサ３又はフォトダイオード７の出力値に基づいて決定する。このように閾値を設定することで、撮像領域３０に入射した光信号の有無の判定を容易化させることができる。また、撮像した画像に含まれる背景光の影響を効果的に低減させることができる。
【０１０３】
本発明は上述の実施の形態に限定されるものではない。位置推定装置６０は、図１に示すようなパートーロボットのほかにも、産業用のロボットにも適用することができる。フォトセンサの具体的な構造は任意である。ＣＭＯＳイメージャ６に代えてＣＣＤセンサを活用しても良い。位置検出センサは、上述の位置検出方式に限定されない。信号処理回路の具体的な構成は任意である。演算処理部５の具体的な構成は任意である。演算処理部５の各機能をハードウェアで実現させても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる移動制御システムの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる位置推定装置の概略的な構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる撮像ユニットの概略的な構成を示す模式図である。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかるＰＳＤの概略的な上面構成を示す模式図である。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかるＣＭＯＳイメージャの概略的な上面構成を示す模式図である。
【図６】本発明の第１の実施形態にかかる位置推定装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の第１の実施形態にかかる入力光の特定方法を説明するための説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態にかかる撮像ユニットの概略的な構成を示す模式図である。
【図９】本発明の第２の実施形態にかかる位置推定装置の概略的な構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態にかかる位置推定装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１１】本発明の第３の実施形態にかかる演算処理部５の構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態にかかる閾値決定部の動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０５】
３００    移動制御システム
１００    ロボット
６０    位置推定装置
５０    撮像ユニット
１    光学系
２    ビームスプリッタ
３    位置検出センサ
４    信号処理回路
５    演算処理部
６    ＣＭＯＳイメージャ
７    フォトダイオード
８    トランスインピーダンス回路
５ａ    センサ制御部
５ｂ    画像処理部
５ｃ    信号復号部
５ｄ    位置推定部
５ｅ    閾値決定部
２０    受光領域
２１ａ〜２１ｄ  信号取出電極
１０    入射窓
１１    対物レンズ
３０    撮像領域
３１    行選択回路
３２    列選択回路
３３    データ転送ライン
【図１】
0005045447.tif 000002
【図２】
0005045447.tif 000003
【図３】
0005045447.tif 000004
【図４】
0005045447.tif 000005
【図５】
0005045447.tif 000006
【図６】
0005045447.tif 000007
【図７】
0005045447.tif 000008
【図８】
0005045447.tif 000009
【図９】
0005045447.tif 000010
【図１０】
0005045447.tif 000011
【図１１】
0005045447.tif 000012
【図１２】
0005045447.tif 000013