JP2002156209A - 距離測定装置、及び距離測定方法 - Google Patents

距離測定装置、及び距離測定方法

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JP2002156209A JP2000351867A JP2000351867A JP2002156209A JP 2002156209 A JP2002156209 A JP 2002156209A JP 2000351867 A JP2000351867 A JP 2000351867A JP 2000351867 A JP2000351867 A JP 2000351867A JP 2002156209 A JP2002156209 A JP 2002156209A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 スリット光に対して特徴を付与せずに短時間
で対象物体の全体像を測定することができる光切断法を
用いた距離測定装置を提供する。 【解決手段】 自己が発したスリット光の反射光を撮像
し、スリット光の発光位置と撮像位置の位置関係から測
定対象物体までの距離を測定する距離測定装置であっ
て、同時に複数のスリット光を発光するスリット光発光
手段と、スリット光発光手段からの距離が短い位置に配
置され、測定対象物体におけるスリット光の反射光を撮
像する第１の画像撮像手段と、スリット光発光手段から
の距離が長い位置に配置され、測定対象物体におけるス
リット光の反射光を撮像する第２の画像撮像手段と、第
１の画像撮像手段によって得られた画像に基づいて、測
定対象物までの距離を推定する距離推定手段と、距離推
定手段の出力結果と第２の画像撮像手段によって得られ
た画像に基づいて、推定距離を確定する距離確定手段と
を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自己が発したスリ
ット光の反射光を撮像し、スリット光の発光位置と撮像
位置の位置関係から物体までの距離を測定する距離測定
装置、及び距離測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＣＣＤカメラやコンピュータ画像
処理の発展に伴って画像を使用した３次元計測が一般的
になってきている。ＣＣＤカメラとコンピュータ画像処
理を用いた３次元計測の一つとして光切断法がある。こ
の光切断法は、測定対象物体に対してスリット光を投影
し、あたかも光の帯で物体を切断するかのようにして、
別の方向からその光による切断面を観察するものであ
る。また、レーザの出現により非常に細かく高輝度な光
束が得られるようになったため、光切断法による３次元
計測は、自由曲面を有している物体であっても高速で高
精度な計測が行えるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】光切断法は、自己が発
したスリット光を自己に備えられたＣＣＤカメラによっ
て物体の表面におけるスリット光の反射光を撮像し、ス
リット光を発した方向、光源の位置、及びＣＣＤカメラ
の位置から、自己と物体との間の距離を測定するもので
ある。したがって、対象物体の全体を計測しようとする
場合、スリット光を物体表面で少しずつ移動させなが
ら、その都度反射光を撮像することによって対象物体の
全体を計測するのが一般的である。この方法は、スリッ
ト光を移動させながら撮像を行うために全体像を測定す
るのに時間がかかるという問題がある。この問題を解決
するために、スリット光を物体表面上で移動させずに自
己が発するスリット光の数を複数にして、一度の撮像動
作で対象物体の全体像を計測する方法がある。この方法
は、一部のスリット光が撮像できなかった場合に、どの
スリット光が撮像できなかったかを特定するために、ス
リット光に固有の幅やパターンを持たせたり、さらには
色分けするなどして撮像されたスリット光を特定してい
る。
【０００４】しかしながら、自律移動ロボット等の視覚
センサとして光切断法を応用して床面及び床面に存在す
る障害物を検出する場合、測定対象の物体までの距離や
物体形状は未知であるために、スリット光に固有の幅や
パターンを持たせてその反射光を撮像して計測を行う
と、画像処理の負荷が増大するという問題がある。ま
た、色分けされた複数のスリット光を特定するには、カ
ラーのカメラを用いて得られたカラー画像を対象にして
画像処理を行う必要があるため装置が高価になるととも
に、カラー画像の処理は複雑になるため画像処理の負荷
が増大し、結果的に処理時間が長くなるという問題があ
る。さらに、スリット光に固有の幅やパターンを持たせ
たり、色分けされたスリット光を発光するにはスリット
光を発光する機構が複雑になるという問題もある。
【０００５】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、スリット光に対して特徴を付与せずに短時間
で対象物体の全体像を測定することができる光切断法を
用いた距離測定装置及び距離測定方法を提供することを
目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、自己が発したスリット光の反射光を撮像し、スリッ
ト光の発光位置と撮像位置の位置関係から測定対象物体
までの距離を測定する距離測定装置であって、前記距離
測定装置は、同時に複数のスリット光を発光するスリッ
ト光発光手段と、前記スリット光発光手段からの距離が
短い位置に配置され、前記測定対象物体における前記ス
リット光の反射光を撮像する第１の画像撮像手段と、前
記スリット光発光手段からの距離が長い位置に配置さ
れ、前記測定対象物体における前記スリット光の反射光
を撮像する第２の画像撮像手段と、第１の画像撮像手段
によって得られた画像に基づいて、測定対象物までの距
離を推定する距離推定手段と、前記距離推定手段の出力
結果と前記第２の画像撮像手段によって得られた画像に
基づいて、推定距離を確定する距離確定手段とを備えた
ことを特徴とする。
【０００７】請求項２に記載の発明は、前記距離測定装
置は、前記スリット光発光手段は、前記第１の画像撮像
手段と前記第２の画像撮像手段との間に配置することを
特徴とする。
【０００８】請求項３に記載の発明は、自己が発したス
リット光の反射光を撮像し、スリット光の発光位置と撮
像位置の位置関係から測定対象物体までの距離を測定す
る距離測定方法であって、前記距離測定方法は、同時に
発光された複数のスリット光を該スリット光の発光位置
からの距離が短い位置に配置された第１の画像撮像手段
によって撮像して得られた画像に基づいて測定対象物ま
での距離を推定する距離推定過程と、前記スリット光発
光位置からの距離が長い位置に配置された第２の画像撮
像手段によって撮像して得られた画像と前記距離推定過
程において得られた推定距離に基づいて、前記測定対象
物体までの距離を確定する距離確定過程とを有すること
を特徴とする。
【０００９】請求項４に記載の発明は、前記距離測定方
法は、前記スリット光の発光位置は、前記第１の画像撮
像手段の撮像位置と前記第２の画像撮像手段の撮像位置
との間であることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態による
距離測定装置を図面を参照して説明する。初めに、図３
を参照して、距離測定装置が取り付けられる２足歩行ロ
ボットについて説明する。図３において、符号１は、自
律型の２足歩行ロボット（以下、単にロボットと称す
る）である。符号２は、ロボット１の腰の高さに取り付
けられた距離測定装置の光学系装置である。符号３は、
距離測定装置２が照射するレーザ光の照射範囲であり、
レーザ光を一方向に６０°拡散し、スリット光にして床
面４に照射する。さらに、このスリット光がロボット１
のつま先から前方の床面を照射するように光学系装置２
の向きを調整する。
【００１１】図１は同実施形態の構成を示すブロック図
である。この図において、符号１１は、測定対象の物体
に対して照射するレーザ光を発するレーザ光源である。
符号１２は、レーザ光源１１との配置距離が短い短基線
長カメラであり、インタレース走査のＣＣＤカメラで構
成される。この短基線長カメラ１２は、基線長が短いた
めに、距離測定精度が低い代わりにロボット１の前方を
広い距離範囲で見渡すことができるという特徴を有して
いる。符号１３は、レーザ光源１１との配置距離が長い
長基線長カメラであり、インタレース走査のＣＣＤカメ
ラで構成される。この長基線長カメラ１３は、基線長が
長いために距離測定精度が高い代わりにロボット１の前
方を見渡す距離範囲が制限されるという特徴を有してい
る。また、短基線長カメラ１２、及び長基線長カメラ１
３は、外部から同期信号を入力して動作可能なカメラで
ある。
【００１２】符号２は、図３に示す光学系装置であり、
レーザ光源１１、短基線長カメラ１２、及び長基線長カ
メラ１３からなる。符号１４は、レーザ光源１１に対し
て、レーザ光の発光を制御する制御信号を出力してレー
ザ光源を制御する発光制御部であり、短基線長カメラ１
２及び長基線長カメラ１３に対して垂直同期信号を出力
する。符号１５は、２台のカメラから出力される画像信
号を取り込むための２つの画像メモリ１５ａ、１５ｂを
備えた画像取り込み部である。画像取り込み部１５は、
２台の短基線長カメラ１２、長基線長カメラ１３の画像
をそれぞれ２つの画像メモリへ格納する。
【００１３】符号１６は、画像メモリ１５ａに取り込ま
れた短基線長カメラ１２の画像データに基づいて、前景
の測定対象物体の高さを推定する高さ推定部である。符
号１７は、高さ推定部１６において推定された物体の状
態に応じて、ロボット１の行動計画を策定する行動計画
策定部である。ここでいう行動計画とは、高さ推定部１
６において推定された測定対象物体の高さに基づいて、
移動経路を決定する場合に、障害物を避けて歩行するの
か、障害物を跨いで避けるのか等のロボット１の行動を
予め決めることである。符号１８は、行動計画策定部１
７において策定された行動計画と高さ推定部１６におい
て推定された物体高さとからロボット１の脚をどのよう
に上げてどの位置に着地されるかを決定する着地位置決
定部である。符号１９は、着地位置決定部１８において
決定された着地位置へ脚を着地させるため、脚の駆動部
の制御を行う脚制御部である。
【００１４】次に、図２を参照して、図１に示すレーザ
光源１１の詳細な構成を説明する。図２は、図１に示す
レーザ光源１１の構成を示すブロック図である。図２に
おいて、符号２１は、レーザ光を発光するレーザ発光部
である。符号２２は、レーザ発光部２１から発せられた
レーザ光を集光して細いビームする集光レンズである。
符号２３は、集光レンズ２２によって細いビームにされ
たレーザ光を複数のビームに分ける回折格子であり、図
２の紙面に垂直な方向へビームを分けるものである。符
号２４は、シリンドリカルレンズ等で構成されるビーム
拡散レンズであり、レーザ光のビームを１方向に拡散し
てスリット光を生成するものである。このビーム拡散レ
ンズ２４によって、複数のビームのそれぞれは、拡散の
角度が６０°になるようにする。
【００１５】なお、図２において、床面の位置関係を示
すと、符号４で示す直線が床面となり、符号Ａの地点
が、ロボット１のつま先の位置となる。また、光学系装
置２をロボット１の腰の位置に取り付け、レーザ光を発
光した状態を図４の模式図で示す。図４において、符号
１１はレーザ光源である。符号３は、床面４におけるレ
ーザ光源から発せられたレーザ光の照射範囲を示してい
る。ここでは、回折格子２３によって、５つのビームに
分けられており、さらにビーム拡散レンズ２４によって
５つのビームが６０°に拡散されている。これらのレー
ザ光は、床面４に対して照射され、その反射光が基線長
カメラ１２及び長基線長カメラ１３によって撮像され
る。図４においては、図を分かり易くするために回折格
子２３によって分けるビームの数を「５」としたが、実
際には、図４に示す角度Ｂが３２°であり、角度Ｃが
１.６°である。したがって、ビームの数は「２１」と
なる。
【００１６】次に、図５、６を参照して、測定動作につ
いて説明する。図５は、レーザ光源１１、短基線長カメ
ラ１２、及び長基線長カメラ１３の位置関係を示す図で
ある。この図において、符号３は、レーザ光の照射範囲
を示している。ここでは、図を分かり易くするために５
つのビームのみを図示する。また符号Ｌ１、Ｌ２は各カ
メラの基線長である。基線長とは、レーザ光の発光位置
とその反射光を撮像する撮像位置との距離である。長基
線長カメラ１３の基線長は、短基線長カメラ１２の基線
長より長くなるように配置されている。光切断法は、い
わゆる三角測量の原理で距離を求めるのが一般的であ
る。三角測量は、既知の２点を基準として、任意の他の
地点を結ぶ三角形を作り、その角度を測ることによって
その地点の位置を求めるものである。したがって、その
原理から既知の２点の距離（基線長に相当）が長いほど
距離精度は向上する。
【００１７】図５に示すように、基線長Ｌ２を長くする
ほど長基線長カメラ１３の向きを決める角度（図５に示
す角度Ｄ）を大きくしなければスリット光の反射光を撮
像することが困難となる。しかし、基線長Ｌ２を長くし
て、角度Ｄを大きくするということは、各スリット光の
識別が困難になってくる。
【００１８】一方、基線長Ｌ１を短くすれば、短基線長
カメラ１２の向きを決める角度（図５に示す角度Ｅ）を
小さくすることができるため、測定可能距離範囲を長く
することができるとともに、各スリット光の識別が容易
になるという利点がある。しかし、前述した理由から求
められる距離精度は低下してしまう。
【００１９】このような特徴を利用して、距離を正確に
測定し、ロボット１の歩行制御を行なえるようにする為
には、それぞれの利点のみを使用して測定を行うように
すればよい。すなわち、距離精度の低い短基線長カメラ
１２によって、測定対象を広い距離範囲で測定し、大ま
かな距離の推定を行った後に、距離精度の高い長基線長
カメラ１３によって必要な測定対象の物体までの距離を
確定する。
【００２０】この動作を図６を参照して説明する。図６
は、距離測定の動作を示すフローチャートである。ま
ず、画像取り込み部１５は、短基線長カメラ１２及び長
基線長カメラ１３で撮像した画像を取り込み、それぞれ
の画像を画像メモリ１５ａ、１５ｂに格納する（ステッ
プＳ１）。
【００２１】次に、高さ推定部１６は、短基線長カメラ
１２によって撮像され、画像メモリ１５ａに格納された
画像データを処理して、床全体の形状及び障害物を検出
する（ステップＳ２）。この検出は、前述した三角測量
の原理によって、スリット光の反射光が映っている画素
のそれぞれについて距離を求めることによって行われ
る。
【００２２】次に、行動計画策定部１７は、高さ推定部
２６において検出された床や障害物を考慮して、ロボッ
ト１の行動計画を策定する（ステップＳ３）。この行動
計画を策定して得られる結果は、例えば、「右に迂回し
て移動する」、「この先階段があるので階段の直前まで
このまま移動して、階段の直前で一度停止し、階段を昇
って移動する」などである。
【００２３】次に、着地位置決定部１８は、長基線長カ
メラ１３によって撮像され、画像メモリ１５ｂに格納さ
れた画像データを処理して、踏み出す脚の位置を決定す
る（ステップＳ４）。このとき、着地位置決定部１８
は、行動計画及び高さ推定部１６における障害物検出結
果を参考にして着地位置を決定する。着地位置を決定す
るには、脚の踏み出す方向と脚を上げる高さを決定する
とともに、歩幅を決定する必要がある。これらを決定す
るには、精度の高い距離計測データを必要とするために
長基線長カメラ１３の画像を用いる。これによって、正
確な脚の着地位置が決定できる。また、一部のスリット
光が撮像できなかった場合であっても、短基線長カメラ
１２によって得られた画像によって床の全体形状と障害
物の検出が既にされているために、長基線長カメラ１３
によって撮像されたスリット光は、距離の精度を向上さ
せるために用いればよい。
【００２４】次に、脚制御部１９は、着地位置決定部１
８において決定された着地位置に脚が踏み出されるよう
に脚の駆動部を制御して、ロボット１を移動する（ステ
ップＳ５）。
【００２５】このように、複数のスリット光を同時に発
光して、短基線長カメラ１２によって得られた画像から
大まかな距離推定を行い、その推定結果を参考にして、
長基線長カメラ１３によって得られた画像から測定距離
を確定するようにしたため、必要な領域において精度良
く距離測定が可能となる。また、１つの光源（レーザ発
光部２１）から複数のスリット光を生成するようにした
ため、カラー画像を得る必要はなく、輝度情報が得られ
るカメラを用いて処理することが可能となる。さらに、
複数のスリット光を回折格子２３とビーム拡散レンズ２
４によって生成したため、レーザ光源１１の構成を簡単
にすることができる。
【００２６】なお、図５における基線長Ｌ１は、行動計
画を策定するのに必要な距離精度が得られる最短距離と
すればよい。また、角度Ｅは、行動計画を策定するのに
必要な測定領域が使用するカメラの画角でも見渡せる最
小角度とすればよい。また、基線長Ｌ２は、脚の着地位
置を決定するのに必要な距離とすればよい。また、角度
Ｄは、脚の最大歩幅から決まる領域が見渡せる角度とす
ればよい。
【００２７】また、２台のカメラから得られた２つの画
像に対してステレオ立体視処理を施し、その結果に基づ
いて距離画像を生成して、この距離画像を着地位置を決
定する処理に用いてもよい。このようにすることによっ
て、さらに測定距離を確定する場合に、精度の向上を図
ることができる。また、レーザ光源１１を短基線長カメ
ラ１２と長基線長カメラ１３との間に配置したため、照
射したスリット光を効率良く撮像することが可能とな
る。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、自己が発したスリット光の反射光を撮像し、スリッ
ト光の発光位置と撮像位置の位置関係から物体までの距
離を測定する場合に、複数のスリット光を同時に発光し
て、短基線長カメラによって得られた画像から大まかな
距離推定を行い、その推定結果を参考にして、長基線長
カメラによって得られた画像から測定距離を確定するよ
うにしたため、必要な領域において精度良く短時間で距
離測定が可能になるという効果が得られる。また、１つ
の光源（レーザ発光部）から複数のスリット光を生成す
るようにしたため、カラー画像を得る必要はなく、輝度
情報が得られるカメラを用いて処理することが可能にな
るという効果が得られる。さらに、複数のスリット光を
回折格子とビーム拡散レンズによって生成したため、レ
ーザ光源の構成を簡単にすることができるという効果が
得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の構成を示すブロック図
である。
【図２】 図１に示すレーザ光源１１の構成を示すブロ
ック図である。
【図３】 ２足歩行ロボット１の外観を示す説明図であ
る。
【図４】 光学系装置２からレーザ光を発光した状態を
示す模式図である。
【図５】 レーザ光源１１、短基線長カメラ１２、及び
長基線長カメラ１３の位置関係を示す説明図である。
【図６】 距離測定動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１・・・ロボット、 ２・・・光学系装置、 ３・・・レーザ照射範囲、 ４・・・床面、 １１・・・レーザ光源、 １２・・・短基線長カメラ、 １３・・・長基線長カメラ、 １４・・・発光制御部、 １５・・・画像取り込み部、 １６・・・高さ推定部、 １７・・・行動計画策定部、 １８・・・着地位置決定部、 １９・・・脚制御部、 ２１・・・レーザ発光部、 ２２・・・集光レンズ、 ２３・・・回折格子、 ２４・・・ビーム拡散レンズ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｂ２５Ｊ 5/00 Ｂ２５Ｊ 5/00 Ｅ Ｆターム(参考） 2F065 AA02 AA24 DD03 FF09 FF42 GG04 HH02 HH05 JJ03 JJ05 JJ26 LL28 LL42 MM02 PP22 QQ21 QQ24 QQ25 QQ28 QQ32 UU01 2F112 AA07 BA06 CA04 CA12 DA11 DA25 FA03 FA21 FA45 3C007 AS32 BS27 CY02 KS03 KS12 KS13 KS36 KT04 KT12 KV12 KW06 LT06 LV19 MS07 MS30 MT07 WA03 WA13 WA24 5B057 BA02 CA12 CA16 DA07 DB02 DC03 5L096 BA05 CA05 CA17 FA03 FA66

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 自己が発したスリット光の反射光を撮像
    し、スリット光の発光位置と撮像位置の位置関係から測
    定対象物体までの距離を測定する距離測定装置であっ
    て、 前記距離測定装置は、 同時に複数のスリット光を発光するスリット光発光手段
    と、 前記スリット光発光手段からの距離が短い位置に配置さ
    れ、前記測定対象物体における前記スリット光の反射光
    を撮像する第１の画像撮像手段と、 前記スリット光発光手段からの距離が長い位置に配置さ
    れ、前記測定対象物体における前記スリット光の反射光
    を撮像する第２の画像撮像手段と、 第１の画像撮像手段によって得られた画像に基づいて、
    測定対象物までの距離を推定する距離推定手段と、 前記距離推定手段の出力結果と前記第２の画像撮像手段
    によって得られた画像に基づいて、推定距離を確定する
    距離確定手段と、 を備えたことを特徴とする距離測定装置。
  2. 【請求項２】 前記距離測定装置は、 前記スリット光発光手段は、前記第１の画像撮像手段と
    前記第２の画像撮像手段との間に配置することを特徴と
    する請求項１に記載の距離測定装置。
  3. 【請求項３】 自己が発したスリット光の反射光を撮像
    し、スリット光の発光位置と撮像位置の位置関係から測
    定対象物体までの距離を測定する距離測定方法であっ
    て、 前記距離測定方法は、 同時に発光された複数のスリット光を該スリット光の発
    光位置からの距離が短い位置に配置された第１の画像撮
    像手段によって撮像して得られた画像に基づいて測定対
    象物までの距離を推定する距離推定過程と、 前記スリット光発光位置からの距離が長い位置に配置さ
    れた第２の画像撮像手段によって撮像して得られた画像
    と前記距離推定過程において得られた推定距離に基づい
    て、前記測定対象物体までの距離を確定する距離確定過
    程と、 を有することを特徴とする距離測定方法。
  4. 【請求項４】 前記距離測定方法は、 前記スリット光の発光位置は、前記第１の画像撮像手段
    の撮像位置と前記第２の画像撮像手段の撮像位置との間
    であることを特徴とする請求項３に記載の距離測定方
    法。
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