JP2002506976A - 物体の位置を検出するための光学的センサシステム - Google Patents
物体の位置を検出するための光学的センサシステムInfo
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- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
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- G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
Abstract
(57)【要約】
本発明により、水平の光ストリップを生ぜしめる特別な光源が提案される。この光ストリップはセンサシステムの周囲の物体によって反射せしめられ、特別な写像装置を介して光電変換器に導かれる。この写像装置は次のように形成されている。すなわち、写像装置が遠く離れている物体を幾分が大きく引き離して描き、これにより像平面全体にわたって直線状の解像力を有する普通の対物レンズによって、センサシステムから遠く離れている物体の良好な位置解像を行い得るようになっている。有利には発光エレメントとして発光ダイオードが円筒鏡の光軸上に設けられる。光電変換器から与えられる電気信号はその位置に関して、三角測量によって光を反射する物体の距離を定める評価ユニットによって、評価される。
Description
【０００１】 本発明は、物体を認識し、物体の位置を決定するための光学的なセンサシステ
ムに関する。有利には、このセンサシステムは独立の可動システムに配置して、
未知の周囲内でのその方向付けを可能ならしめることができる。
ムに関する。有利には、このセンサシステムは独立の可動システムに配置して、
未知の周囲内でのその方向付けを可能ならしめることができる。
【０００２】 独立の可動システムは開発・企画中であるが、将来は家事環境においてもしば
しば見られることになるであろう。可動システムは家事環境においては運搬及び
掃除の仕事を行い、それに課された仕事を、その周囲の像を手に入れることを可
能にする方向付けシステムの助けを借りて、独立して行うことになるであろう。
この場合、種々の経路企画及び評価の手段と並んで、センサシステムにとっては
、独立の可動ユニットの周囲内の障害物の検出が重要である。独立した可動シス
テムを消費者にとって魅力のあるものにするためには、独立した可動システムを
大量に、安価にかつ技術的に簡単に製作し得るようにすることが特に重要である
。したがって、独立の可動システムの周囲の物体の位置を検出するためのセンサ
システムは、頑丈でなければならず、安価に製作できなければならない。
しば見られることになるであろう。可動システムは家事環境においては運搬及び
掃除の仕事を行い、それに課された仕事を、その周囲の像を手に入れることを可
能にする方向付けシステムの助けを借りて、独立して行うことになるであろう。
この場合、種々の経路企画及び評価の手段と並んで、センサシステムにとっては
、独立の可動ユニットの周囲内の障害物の検出が重要である。独立した可動シス
テムを消費者にとって魅力のあるものにするためには、独立した可動システムを
大量に、安価にかつ技術的に簡単に製作し得るようにすることが特に重要である
。したがって、独立の可動システムの周囲の物体の位置を検出するためのセンサ
システムは、頑丈でなければならず、安価に製作できなければならない。
【０００３】 三角測量で物体の検出を実施する光学的センサシステムは従来技術から公知で
ある。特別な測定方法は例えば、能動的な光学的三角測量をストリップ照明で実
施することに存する。このような測定システムの主エレメントは例えば、光スト
リップを空間内で生ぜしめる光源と、光学的な写像システムと、二次元の受像器
と、受像器により受け取られた信号の処理及び評価のための電子装置とから成っ
ている。三角測量を実施するためには、このようなシステムは、もっぱら空間光
ストリップを生ぜしめる光源を必要とする。この光源の重要な特徴は、それが放
射する光出力の表面密度に存している。このような光源に対する要求は、出力密
度が充分に大きくて、暗い物体も認識できることに存している。このような光源
の別の特徴は、生ぜしめられるストリップの厚さであって、この厚さは検出可能
な空間範囲の大きさ並びに検出された物体の位置測定の際の解像力に影響を及ぼ
す。
ある。特別な測定方法は例えば、能動的な光学的三角測量をストリップ照明で実
施することに存する。このような測定システムの主エレメントは例えば、光スト
リップを空間内で生ぜしめる光源と、光学的な写像システムと、二次元の受像器
と、受像器により受け取られた信号の処理及び評価のための電子装置とから成っ
ている。三角測量を実施するためには、このようなシステムは、もっぱら空間光
ストリップを生ぜしめる光源を必要とする。この光源の重要な特徴は、それが放
射する光出力の表面密度に存している。このような光源に対する要求は、出力密
度が充分に大きくて、暗い物体も認識できることに存している。このような光源
の別の特徴は、生ぜしめられるストリップの厚さであって、この厚さは検出可能
な空間範囲の大きさ並びに検出された物体の位置測定の際の解像力に影響を及ぼ
す。
【０００４】 現在、光ストリップを出すための光源の構成には次のような可能性が知られて
いる：レーザ源あるいは白熱灯、ハロゲンランプあるいはアーク灯の光を平行化
するコリメータ対物レンズの前の円柱レンズ；白熱灯又はアーク灯からの光のコ
リメータ対物レンズによる平行化及び円すい鏡による円形放射。この場合使用さ
れる写像システムはなかんずく２つの主要求に応えなければならない。一面では
、写像システムは測定すべき空間範囲を二次元の像検出器の表面上に写像しなけ
ればならない；他面では写像システムは測定すべき物体に関して所望の位置解像
力を保証しなければならない。位置解像力とは、この場合、光電変換器上への写
像後にまだ解像可能な物体間の最小距離である。位置解像能力はまた使用される
変換器並びに写像システムによって決定される。この場合、可及的に半空間全体
の形の大きな空間範囲を広角で写像し、その際同じ対物レンズで充分な距離解像
能力を生ぜしめるという課題は、互いに矛盾する要求である。測定可能な空間範
囲をこのような写像システムによって増大させるための可能な手段は、ゆがみの
ない像を生ぜしめる広角対物レンズを使用することである。しかし複数のレンズ
を有するこのような対物レンズは、対物レンズの回りの半空間全体を写像するこ
とができないという欠点を有している。半空間全体を写像する別の対物レンズは
もはやゆがみなしには働かず、価格が高価である。ゆがみのある対物レンズは三
角測量の際の位置解像力にも影響を及ぼす。この場合、写像システムの近くに位
置する２つの隣接する物体から戻し散乱せしめられた光の写像の間の像平面内の
距離は、写像システムから遠くに位置する２つの隣接する物体の場合よりも大き
く表される。これにより、位置解像力は対物レンズ若しくは写像システムからの
距離が増大するにつれてますます悪化する。通常の対物レンズにおいて普通であ
るような通常のあるいは非球面の屈折面を使用することによって、遠く離れた物
体は写像システムによって充分に区別して写像することができない。このような
物体の写像のためには、この特別な目的に最適化せしめられた光学的な写像エレ
メントを使用することが必要であるが、しかしこのような写像エレメントは文献
からは知られていない。
いる：レーザ源あるいは白熱灯、ハロゲンランプあるいはアーク灯の光を平行化
するコリメータ対物レンズの前の円柱レンズ；白熱灯又はアーク灯からの光のコ
リメータ対物レンズによる平行化及び円すい鏡による円形放射。この場合使用さ
れる写像システムはなかんずく２つの主要求に応えなければならない。一面では
、写像システムは測定すべき空間範囲を二次元の像検出器の表面上に写像しなけ
ればならない；他面では写像システムは測定すべき物体に関して所望の位置解像
力を保証しなければならない。位置解像力とは、この場合、光電変換器上への写
像後にまだ解像可能な物体間の最小距離である。位置解像能力はまた使用される
変換器並びに写像システムによって決定される。この場合、可及的に半空間全体
の形の大きな空間範囲を広角で写像し、その際同じ対物レンズで充分な距離解像
能力を生ぜしめるという課題は、互いに矛盾する要求である。測定可能な空間範
囲をこのような写像システムによって増大させるための可能な手段は、ゆがみの
ない像を生ぜしめる広角対物レンズを使用することである。しかし複数のレンズ
を有するこのような対物レンズは、対物レンズの回りの半空間全体を写像するこ
とができないという欠点を有している。半空間全体を写像する別の対物レンズは
もはやゆがみなしには働かず、価格が高価である。ゆがみのある対物レンズは三
角測量の際の位置解像力にも影響を及ぼす。この場合、写像システムの近くに位
置する２つの隣接する物体から戻し散乱せしめられた光の写像の間の像平面内の
距離は、写像システムから遠くに位置する２つの隣接する物体の場合よりも大き
く表される。これにより、位置解像力は対物レンズ若しくは写像システムからの
距離が増大するにつれてますます悪化する。通常の対物レンズにおいて普通であ
るような通常のあるいは非球面の屈折面を使用することによって、遠く離れた物
体は写像システムによって充分に区別して写像することができない。このような
物体の写像のためには、この特別な目的に最適化せしめられた光学的な写像エレ
メントを使用することが必要であるが、しかしこのような写像エレメントは文献
からは知られていない。
【０００５】 “Visual navigation and obstacle avoidance structured light system"「 視覚のナビゲーション及び障害物回避のために構成された光システム」というタ
イトルのヨーロッパ刊行物 EP 0 358 628 A2 から、可動の車両に使用するため の三角測量システムが公知であり、この三角測量システムは光ストリップを生ぜ
しめて、写像システム内での通常の対物レンズを使用する。この解決策の欠点は
、一面では車両が単に前方の走行方向にある物体しか検出することができず、か
つ他面では通常の対物レンズを使用することによって、単に制限された範囲ある
いは近くに位置する物体しか充分な解像力で距離測定をできないことである。R.
C. Bolles 及び B. Roth 編の「ロボット工学研究についての第４回国際シンポ
ジウム」MIT Press, マサチューセッツ、ケンブリッジ、１９９８年の第４９７ 〜５０４ページにおけるR. A. Jarvis, J. C. Byrne の論文 "An automated gui
ded vehicle with mapbuilding and path finding capabilities"「地図作製及 び経路発見能力を有する自動案内される車両」及び Y. Yagi, Y. Nishizawa, M.
Yacguda の "Map based navigation of the mobile robot using ominidirecti
onal image sensor COPIS"「全方向性イメージセンサ COPIS を使用する可動ロ ボットの地図に基づくナビゲーション」、１９９２年ＩＥＥＥロボット工学及び
オートメーションに関する国際会議議事録、ニース、フランス、１９９２年５月
から、周囲の写像を円すい鏡及び対物レンズによって実施することが公知である
。使用される円すい鏡は、遠く離れている物体の場合、システムの解像能力を変
化させない。システムの解像能力は更にカメラ対物レンズによって定められてい
る。J. Hong, X. Tan, B. Pinette, R. Weiss, E. M. Riseman の論文 "Image-b
ased Homing"「イメージをベースとしたホーミング」、１９９１年ＩＥＥＥロボ
ット工学及びオートメーションに関する国際会議議事録、サクラメント、カリフ
ォルニア、１９９１年４月において、周囲の写像を球面の球によって実施するこ
とが公知である。しかしながらこの場合、三角測量に役立つことのできる光スト
リップは生ぜしめられない。このようないわゆる受動的なシステムの欠点は、対
物レンズが既知の高さ位置を有する光線で照明されておらず、したがって位置情
報の取り出しが極めて困難なことである。それは三角測量を実施することができ
ないからである。評価のためには真時間像処理システムを使用しなければならず
、これは計算機容量に大きな費用を必要とする。更に、P. Greguss の論文 "PAL
-Optik basierende Instrumente fuer Raumforschung und Robot-Technik"「空 間調査及びロボット技術のための PAL 式光学装置をベースとする計器」、レー ザ及びオプトエレクトロニクス２８（５）／１９９６、４３〜４９ページから、
PAL 式対物レンズを独立の可動ロボットにおいてナビゲーション課題を行うのに
使用することが公知である。Greguss の PAL 式対物レンズは広角の写像エレメ ントであり、これは２つの反射表面及び１つの屈折非球面表面を有しており、半
空間全体を写像することができる。この論文においては、PAL 式対物レンズを、
ロボットのための能動的に三角測量をする妨害物認識システムの写像エレメント
として使用することも記載されている。
イトルのヨーロッパ刊行物 EP 0 358 628 A2 から、可動の車両に使用するため の三角測量システムが公知であり、この三角測量システムは光ストリップを生ぜ
しめて、写像システム内での通常の対物レンズを使用する。この解決策の欠点は
、一面では車両が単に前方の走行方向にある物体しか検出することができず、か
つ他面では通常の対物レンズを使用することによって、単に制限された範囲ある
いは近くに位置する物体しか充分な解像力で距離測定をできないことである。R.
C. Bolles 及び B. Roth 編の「ロボット工学研究についての第４回国際シンポ
ジウム」MIT Press, マサチューセッツ、ケンブリッジ、１９９８年の第４９７ 〜５０４ページにおけるR. A. Jarvis, J. C. Byrne の論文 "An automated gui
ded vehicle with mapbuilding and path finding capabilities"「地図作製及 び経路発見能力を有する自動案内される車両」及び Y. Yagi, Y. Nishizawa, M.
Yacguda の "Map based navigation of the mobile robot using ominidirecti
onal image sensor COPIS"「全方向性イメージセンサ COPIS を使用する可動ロ ボットの地図に基づくナビゲーション」、１９９２年ＩＥＥＥロボット工学及び
オートメーションに関する国際会議議事録、ニース、フランス、１９９２年５月
から、周囲の写像を円すい鏡及び対物レンズによって実施することが公知である
。使用される円すい鏡は、遠く離れている物体の場合、システムの解像能力を変
化させない。システムの解像能力は更にカメラ対物レンズによって定められてい
る。J. Hong, X. Tan, B. Pinette, R. Weiss, E. M. Riseman の論文 "Image-b
ased Homing"「イメージをベースとしたホーミング」、１９９１年ＩＥＥＥロボ
ット工学及びオートメーションに関する国際会議議事録、サクラメント、カリフ
ォルニア、１９９１年４月において、周囲の写像を球面の球によって実施するこ
とが公知である。しかしながらこの場合、三角測量に役立つことのできる光スト
リップは生ぜしめられない。このようないわゆる受動的なシステムの欠点は、対
物レンズが既知の高さ位置を有する光線で照明されておらず、したがって位置情
報の取り出しが極めて困難なことである。それは三角測量を実施することができ
ないからである。評価のためには真時間像処理システムを使用しなければならず
、これは計算機容量に大きな費用を必要とする。更に、P. Greguss の論文 "PAL
-Optik basierende Instrumente fuer Raumforschung und Robot-Technik"「空 間調査及びロボット技術のための PAL 式光学装置をベースとする計器」、レー ザ及びオプトエレクトロニクス２８（５）／１９９６、４３〜４９ページから、
PAL 式対物レンズを独立の可動ロボットにおいてナビゲーション課題を行うのに
使用することが公知である。Greguss の PAL 式対物レンズは広角の写像エレメ ントであり、これは２つの反射表面及び１つの屈折非球面表面を有しており、半
空間全体を写像することができる。この論文においては、PAL 式対物レンズを、
ロボットのための能動的に三角測量をする妨害物認識システムの写像エレメント
として使用することも記載されている。
【０００６】 本発明の根底をなす課題は、例えば独立の可動ロボットのような可動の車両に
使用することができる光学的なセンサシステムが、技術的に簡単に構成されてお
り、車両の回りの全ての方向で障害物を検出することが可能であり、その際その
写像システムが物体の位置を５０ｃｍ以下の距離のシステムに近い範囲でも、ま
た２ｍを越える距離のシステムから遠い範囲でも、ほぼ５〜１０ｃｍの距離及び
＜１°の角度の充分な解像力を有しているようにすることである。
使用することができる光学的なセンサシステムが、技術的に簡単に構成されてお
り、車両の回りの全ての方向で障害物を検出することが可能であり、その際その
写像システムが物体の位置を５０ｃｍ以下の距離のシステムに近い範囲でも、ま
た２ｍを越える距離のシステムから遠い範囲でも、ほぼ５〜１０ｃｍの距離及び
＜１°の角度の充分な解像力を有しているようにすることである。
【０００７】 この課題は請求項１の特徴によって解決される。本発明の実施の形態は従属請
求項に記載されている。
求項に記載されている。
【０００８】 有利にはセンサシステムは、独立した可動のユニットの周囲を、ユニットの回
りのストリップの形で照明する光源から成っている。それはこれによってユニッ
トを中心とする周囲の障害物若しくは物体を同時に検出できるからである。この
場合有利には、複数の互いに上下に配置された光源を設けることができ、これら
の光源は異なった時間間隔で接続され、したがって空間の種々の高さ寸法が検出
可能若しくは測定可能である。有利には、照明された物体から戻し散乱される光
は、単にただ１つの湾曲せしめられた、球面あるいは非球面の反射表面を光の案
内のために有している特別な広角の写像エレメントを対物レンズ及びフィルタ並
びに光電変換器とともに使用することによって、導かれ、その際周囲は写像シス
テムによって変換器上に投影される。この配置によって前記課題は可及的にわず
かな技術的費用で解決される。有利には本発明の１実施形態では、広角の写像エ
レメントの非球面の反射表面の形状がスプライン関数によって形成されることに
よって、最良の空間カバー能力及び最良の位置解像能力が達成される。この場合
スプライン関数は写像エレメントの形状を次のようにして形成する：スプライン
関数によって、遠くに離れている範囲が使用される対物レンズに応じて延ばされ
て描かれる。この場合スプライン関数によって、距離範囲及び非球面の写像エレ
メントのその都度の距離範囲に妥当する部分範囲が次のように、すなわち検出範
囲のその都度の移行点における隣接した多項式関数が同じ値及び同一の導関数を
有しているように、描かれ、これによって使用される関数が連続的にかつ中断な
しになる。このような写像エレメントを使用することによって、有利には、普通
の視角を有する簡単な対物レンズを、本発明の実施形態で必要になる広角の直線
状の写像特性曲線のために使用することができる。スプライン関数を使用するこ
とによって、遠く離れている範囲から戻し散乱せしめられる光は、それが対物レ
ンズを通過する前に、意識的に前もってゆがめられ、したがって遠く離れている
範囲は、通常の形式で、使用される対物レンズによって可能であるよりも高度の
解像力で描かれることができる。この形式で、写像システムは広角の直線状の光
学システムのための簡単な経済的な解決策を提供する。
りのストリップの形で照明する光源から成っている。それはこれによってユニッ
トを中心とする周囲の障害物若しくは物体を同時に検出できるからである。この
場合有利には、複数の互いに上下に配置された光源を設けることができ、これら
の光源は異なった時間間隔で接続され、したがって空間の種々の高さ寸法が検出
可能若しくは測定可能である。有利には、照明された物体から戻し散乱される光
は、単にただ１つの湾曲せしめられた、球面あるいは非球面の反射表面を光の案
内のために有している特別な広角の写像エレメントを対物レンズ及びフィルタ並
びに光電変換器とともに使用することによって、導かれ、その際周囲は写像シス
テムによって変換器上に投影される。この配置によって前記課題は可及的にわず
かな技術的費用で解決される。有利には本発明の１実施形態では、広角の写像エ
レメントの非球面の反射表面の形状がスプライン関数によって形成されることに
よって、最良の空間カバー能力及び最良の位置解像能力が達成される。この場合
スプライン関数は写像エレメントの形状を次のようにして形成する：スプライン
関数によって、遠くに離れている範囲が使用される対物レンズに応じて延ばされ
て描かれる。この場合スプライン関数によって、距離範囲及び非球面の写像エレ
メントのその都度の距離範囲に妥当する部分範囲が次のように、すなわち検出範
囲のその都度の移行点における隣接した多項式関数が同じ値及び同一の導関数を
有しているように、描かれ、これによって使用される関数が連続的にかつ中断な
しになる。このような写像エレメントを使用することによって、有利には、普通
の視角を有する簡単な対物レンズを、本発明の実施形態で必要になる広角の直線
状の写像特性曲線のために使用することができる。スプライン関数を使用するこ
とによって、遠く離れている範囲から戻し散乱せしめられる光は、それが対物レ
ンズを通過する前に、意識的に前もってゆがめられ、したがって遠く離れている
範囲は、通常の形式で、使用される対物レンズによって可能であるよりも高度の
解像力で描かれることができる。この形式で、写像システムは広角の直線状の光
学システムのための簡単な経済的な解決策を提供する。
【０００９】 以下においては本発明の実施例を図面によって説明する。
【００１０】 図１に示すように、それを中心とする周囲の立体的ストリップを照明する本発
明によるセンサシステムの可能な１実施例は４つの光源１から成っている。光ス
トリップを生ぜしめるためのこれらの光源の配置の際に注意すべきことは、これ
らの光ストリップが、センサが取り付けられている独立の可動ユニットがその上
を動くところの基面に対してほぼ面平行である１つの平面内に位置するようにす
ることである。この面平行の配置が不可能である場合には、三角測量が困難にな
り、その場合反射した光線の評価の際に、これらの光線が反射物体に種々の角度
位置で当たったものであり、物体の距離を決定するための三角測量に種々の三角
測量角度が生じることを考慮しなければならない。光源１は空間を照明する光ス
トリップ２を生ぜしめる。使用されている写像エレメント４は、物体３から戻し
散乱せしめられた光を対物レンズ６を通して光電変換器７上に投影し、この光電
変換器はこの配置ではカメラ５の二次元のＣＣＤ像検出器として構成されている
。光電変換器７は、例えば計算機内の評価電子装置８と接続しており、この評価
電子装置は物体位置を決定するセンサシステムの一部である。評価電子装置８は
、光電変換器７上に投影された像によって能動的な光学的三角測量の原理を使用
して物体３の位置を定め、その際特に光ストリップが放射される平面の高さに関
連して、対物レンズ６及び写像エレメント４の写像特性が使用される。有利には
センサシステムは、例えば可動のロボットのような可動の車両１２において使用
される。この場合車両１２若しくはロボットの制御に関する実際の情報は評価電
子装置８によって決定され、この情報によってユニットの以後の走行経路が計画
される。この情報は例えば、車両１２がそれらの下側を通行しなければならない
か、あるいはそれらの間を通過しなければならないところの物体３の位置を指示
する。
明によるセンサシステムの可能な１実施例は４つの光源１から成っている。光ス
トリップを生ぜしめるためのこれらの光源の配置の際に注意すべきことは、これ
らの光ストリップが、センサが取り付けられている独立の可動ユニットがその上
を動くところの基面に対してほぼ面平行である１つの平面内に位置するようにす
ることである。この面平行の配置が不可能である場合には、三角測量が困難にな
り、その場合反射した光線の評価の際に、これらの光線が反射物体に種々の角度
位置で当たったものであり、物体の距離を決定するための三角測量に種々の三角
測量角度が生じることを考慮しなければならない。光源１は空間を照明する光ス
トリップ２を生ぜしめる。使用されている写像エレメント４は、物体３から戻し
散乱せしめられた光を対物レンズ６を通して光電変換器７上に投影し、この光電
変換器はこの配置ではカメラ５の二次元のＣＣＤ像検出器として構成されている
。光電変換器７は、例えば計算機内の評価電子装置８と接続しており、この評価
電子装置は物体位置を決定するセンサシステムの一部である。評価電子装置８は
、光電変換器７上に投影された像によって能動的な光学的三角測量の原理を使用
して物体３の位置を定め、その際特に光ストリップが放射される平面の高さに関
連して、対物レンズ６及び写像エレメント４の写像特性が使用される。有利には
センサシステムは、例えば可動のロボットのような可動の車両１２において使用
される。この場合車両１２若しくはロボットの制御に関する実際の情報は評価電
子装置８によって決定され、この情報によってユニットの以後の走行経路が計画
される。この情報は例えば、車両１２がそれらの下側を通行しなければならない
か、あるいはそれらの間を通過しなければならないところの物体３の位置を指示
する。
【００１１】 図１に示した実施例では、写像エレメント４の光軸は有利には光源１から放射
される光ストリップ２に対して垂直に整向されている。この実施例では写像エレ
メント４は、球面又は非球面の反射表面９を有している光学的エレメントとして
構成されており、その際反射表面９の外面は反射せしめられた光ストリップを写
像システム内で写像するために使用される。光源から放射された光ストリップ及
び物体３から反射せしめられた光線は、数字を付けた光線路によって示されてい
るように、写像エレメント４を介して対物レンズ６によって光検出器７上に導か
れる。この場合光検出器７に当たる光線の距離は、対物レンズ及び写像エレメン
ト４の写像特性に関連して、センサシステムからの物体３の距離を表す。図１に
示したセンサシステムの実施例では、任意の二次元の像検出器７を使用すること
ができる。例えば二次元のＣＣＤセンサの代わりに、フォトダイオードマトリッ
クスを使用することができる。
される光ストリップ２に対して垂直に整向されている。この実施例では写像エレ
メント４は、球面又は非球面の反射表面９を有している光学的エレメントとして
構成されており、その際反射表面９の外面は反射せしめられた光ストリップを写
像システム内で写像するために使用される。光源から放射された光ストリップ及
び物体３から反射せしめられた光線は、数字を付けた光線路によって示されてい
るように、写像エレメント４を介して対物レンズ６によって光検出器７上に導か
れる。この場合光検出器７に当たる光線の距離は、対物レンズ及び写像エレメン
ト４の写像特性に関連して、センサシステムからの物体３の距離を表す。図１に
示したセンサシステムの実施例では、任意の二次元の像検出器７を使用すること
ができる。例えば二次元のＣＣＤセンサの代わりに、フォトダイオードマトリッ
クスを使用することができる。
【００１２】 図２は使用される光源１の可能な原理的な実施例を側面図で示す。この場合図
２に示した光源１は円筒鏡１１から成り、この円筒鏡は有利には非球面の横断面
を有していて、発光器１０から成っており、この発光器は例えば発光ダイオード
であることができる。これらの発光器は円筒鏡１１の焦点線内に位置している。
この場合発光器１０は列に並んで非球面の円筒鏡１１の焦点線内に配置されてお
り、したがって発光器１０の発光表面は非球面の円筒鏡１１の方向を向いている
。この場合発光器１０から放射された光はまず非球面の円筒鏡１１に達し、次い
で光ストリップ２として鏡によって投影される。発光器１０に適合せしめられた
非球面の鏡形状を使用することによって、光源１が平行化された光ストリップを
生ぜしめることができる。この場合、発光ダイオード（ＬＥＤ）は安価な、簡単
かつ小さな光源であり、発光ダイオードの選ばれた配置によって円筒鏡の軸線上
に安価な光源を用意することができる。
２に示した光源１は円筒鏡１１から成り、この円筒鏡は有利には非球面の横断面
を有していて、発光器１０から成っており、この発光器は例えば発光ダイオード
であることができる。これらの発光器は円筒鏡１１の焦点線内に位置している。
この場合発光器１０は列に並んで非球面の円筒鏡１１の焦点線内に配置されてお
り、したがって発光器１０の発光表面は非球面の円筒鏡１１の方向を向いている
。この場合発光器１０から放射された光はまず非球面の円筒鏡１１に達し、次い
で光ストリップ２として鏡によって投影される。発光器１０に適合せしめられた
非球面の鏡形状を使用することによって、光源１が平行化された光ストリップを
生ぜしめることができる。この場合、発光ダイオード（ＬＥＤ）は安価な、簡単
かつ小さな光源であり、発光ダイオードの選ばれた配置によって円筒鏡の軸線上
に安価な光源を用意することができる。
【００１３】 図３に示した実施例では、光ストリップ２を生ぜしめるための原理的な配置は
円筒鏡の部分から成っている。この場合円筒鏡１１は発光器１０に対していわゆ
るオフ軸線の配置にあり、このため前に図２において説明した円筒鏡１１の単に
一部分が使用されている。この場合発光器１０は有利にはＬＥＤとして構成され
ていて、列状に非球面の円筒鏡の焦点線上に配置され、その発光表面を非球面の
円筒鏡の方向に向けられている。このような光源によってやはり、センサシステ
ムにとって有利な平行化された光線を生ぜしめることができる。このことは矢印
を備えた光線経路によって示されている。
円筒鏡の部分から成っている。この場合円筒鏡１１は発光器１０に対していわゆ
るオフ軸線の配置にあり、このため前に図２において説明した円筒鏡１１の単に
一部分が使用されている。この場合発光器１０は有利にはＬＥＤとして構成され
ていて、列状に非球面の円筒鏡の焦点線上に配置され、その発光表面を非球面の
円筒鏡の方向に向けられている。このような光源によってやはり、センサシステ
ムにとって有利な平行化された光線を生ぜしめることができる。このことは矢印
を備えた光線経路によって示されている。
【００１４】 図４に示すように、写像装置を中心とするその回りの光ストリップを生ぜしめ
るための別の可能な解決策は、平行化された光線を回転せしめることである。こ
の場合、回転する光ストリップ２を生ぜしめるために、発光器１０並びにコリメ
ータ光学装置１４が軸線ｔを中心として回転せしめられる。別のこのような実施
例では、例えば、発光器１０並びにコリメータ光学装置１４が不動であって、光
線２が回転する鏡によって回転せしめられる。
るための別の可能な解決策は、平行化された光線を回転せしめることである。こ
の場合、回転する光ストリップ２を生ぜしめるために、発光器１０並びにコリメ
ータ光学装置１４が軸線ｔを中心として回転せしめられる。別のこのような実施
例では、例えば、発光器１０並びにコリメータ光学装置１４が不動であって、光
線２が回転する鏡によって回転せしめられる。
【００１５】 図５は周囲に放射せしめられる光ストリップ２を生ぜしめるための別の可能な
実施例を示す。光ストリップ２はこの実施例では円すい鏡１５によって生ぜしめ
られる。この場合発光器１０により放射せしめられた光はまずコリメータ光学装
置１４によって平行化され、次いで円すい鏡１５によって所望の光ストリップ２
に広げられる。この実施例においては、発光器１０として例えば白熱灯、ハロゲ
ンランプ、アーク灯あるいはレーザを使用することができる。
実施例を示す。光ストリップ２はこの実施例では円すい鏡１５によって生ぜしめ
られる。この場合発光器１０により放射せしめられた光はまずコリメータ光学装
置１４によって平行化され、次いで円すい鏡１５によって所望の光ストリップ２
に広げられる。この実施例においては、発光器１０として例えば白熱灯、ハロゲ
ンランプ、アーク灯あるいはレーザを使用することができる。
【００１６】 図６は、例えばサービスロボットであることができる独立の可動ユニット１２
に設けられるセンサシステムの可能な構造を示す。図６は側面図である。有利に
は可動のシステムにおいて、互いに上下に配置された複数の光ストリップが生ぜ
しめられ、これらの光ストリップは互いに上下に位置する複数の光源１によって
放射される。有利には、光ストリップ２は上下に時間的にずらされて生ぜしめら
れ、脈動的に照明される。複数の光源を互いに上下に配置することによって、障
害物の良好な高さ区別が達成される。可動の車両の周囲の可及的にすべての障害
物を検出し、かつ測定し得るようにするために、有利には、２つの写像エレメン
ト４が所属のカメラ５と共に、可動の車両１２の互いに逆の側の２つの角に設け
られる。評価電子装置によって、障害物の三角測量の際に実際に接続されている
光源の相応する高さ位置が三角測量結果の評価のために考慮される。
に設けられるセンサシステムの可能な構造を示す。図６は側面図である。有利に
は可動のシステムにおいて、互いに上下に配置された複数の光ストリップが生ぜ
しめられ、これらの光ストリップは互いに上下に位置する複数の光源１によって
放射される。有利には、光ストリップ２は上下に時間的にずらされて生ぜしめら
れ、脈動的に照明される。複数の光源を互いに上下に配置することによって、障
害物の良好な高さ区別が達成される。可動の車両の周囲の可及的にすべての障害
物を検出し、かつ測定し得るようにするために、有利には、２つの写像エレメン
ト４が所属のカメラ５と共に、可動の車両１２の互いに逆の側の２つの角に設け
られる。評価電子装置によって、障害物の三角測量の際に実際に接続されている
光源の相応する高さ位置が三角測量結果の評価のために考慮される。
【００１７】 図７はセンサシステムを備えた可動の車両１２例えばロボットを、検出システ
ム１３の受信範囲とともに示した平面図である。更に図７に示すように、個々の
写像エレメント４は可動のシステム１２の互いに向き合った２つの角に取り付け
られている。２つの写像エレメント４が図７に示すように配置されている場合に
は、光学的センサシステムの検出範囲１３は可動のシステム１２の全周若しくは
可動のシステムを取り囲む全空間に延ばすことができる。
ム１３の受信範囲とともに示した平面図である。更に図７に示すように、個々の
写像エレメント４は可動のシステム１２の互いに向き合った２つの角に取り付け
られている。２つの写像エレメント４が図７に示すように配置されている場合に
は、光学的センサシステムの検出範囲１３は可動のシステム１２の全周若しくは
可動のシステムを取り囲む全空間に延ばすことができる。
【００１８】 図８には、一次元の光電変換器７としての光電変換器７の可能な１実施例が示
されている。写像エレメント４から光が対物レンズ６を通して一次元の光検出器
上に投影され、この光検出器は像平面内で動かされ、若しくは有利には回転せし
められる。この光電変換器７は例えばＣＣＤ又はＰＳＤとして構成しておくこと
ができる。一次元の光検出器が像平面内で動かされ、若しくは有利には回転せし
められることによて、光検出器は像平面全体内での光強度分布を検出し、次いで
写像エレメント４及び対物レンズ６が可動の車両１２の回りに位置する空間範囲
を写像する。このようにして得られた測定結果は有利には中間貯蔵され、あるい
は評価が光電センサの回転数と同期して行われる。
されている。写像エレメント４から光が対物レンズ６を通して一次元の光検出器
上に投影され、この光検出器は像平面内で動かされ、若しくは有利には回転せし
められる。この光電変換器７は例えばＣＣＤ又はＰＳＤとして構成しておくこと
ができる。一次元の光検出器が像平面内で動かされ、若しくは有利には回転せし
められることによて、光検出器は像平面全体内での光強度分布を検出し、次いで
写像エレメント４及び対物レンズ６が可動の車両１２の回りに位置する空間範囲
を写像する。このようにして得られた測定結果は有利には中間貯蔵され、あるい
は評価が光電センサの回転数と同期して行われる。
【００１９】 図９は、ここでは位置に敏感な二次元の検出器として示されている光電変換器
７の別の可能な構造を示す。この実施例では光電変換器７は位置に敏感な二次元
の検出器として構成されていて、対物レンズの後方で対物レンズの像平面内に位
置している。この実施例では対物レンズ６と光電変換器７との間に光不透過性デ
ィスク１６があり、これはすき間１７を備えている。このディスクが回転すると
、実際にすき間１７によって通過される範囲が常に位置に敏感な検出器に開放さ
れる。例えば光不透過性ディスク１６のすき間１７は例えば開口角１°の良好に
規定された空間範囲の光だけを通過させる。この形式で、任意の小さな角度の方
向解像力を達成することができる。選択すべきすき間幅は、どれだけの光が戻し
散乱せしめられるか、若しくは検出器がどのような敏感性をもって働き、光スト
リップがどよのな強さの光で照明されるか、に関連している。図４の実施例に示
されているように、回転する平行化された光線が光ストリップ２として使用され
る場合には、ディスク１６の使用は必要ではない。それは、方向解像力が回転す
る光源によって既に保証されているからである。全体的に、以上述べたセンサシ
ステムによって、その受信範囲が公知の構造のものよりも大きく、かつ、写像が
ほかの公知の三角測量をするセンサシステムの場合よりも一様であるという利点
が達成される。広角の写像によって、センサシステムから大きな間隔を有してい
る物体の位置を測定することができる。この場合、写像エレメント４の特別な形
状はセンサシステムの全検出範囲における距離測定の一様な解像力を保証し、そ
の場合写像エレメントはセンサシステムの距離における対物レンズの不足してい
る解像能力をいわば修正する。それは写像エレメントは反射せしめられた光線を
散乱させ、このようにして遠く離れた物体を引き離すからである。
７の別の可能な構造を示す。この実施例では光電変換器７は位置に敏感な二次元
の検出器として構成されていて、対物レンズの後方で対物レンズの像平面内に位
置している。この実施例では対物レンズ６と光電変換器７との間に光不透過性デ
ィスク１６があり、これはすき間１７を備えている。このディスクが回転すると
、実際にすき間１７によって通過される範囲が常に位置に敏感な検出器に開放さ
れる。例えば光不透過性ディスク１６のすき間１７は例えば開口角１°の良好に
規定された空間範囲の光だけを通過させる。この形式で、任意の小さな角度の方
向解像力を達成することができる。選択すべきすき間幅は、どれだけの光が戻し
散乱せしめられるか、若しくは検出器がどのような敏感性をもって働き、光スト
リップがどよのな強さの光で照明されるか、に関連している。図４の実施例に示
されているように、回転する平行化された光線が光ストリップ２として使用され
る場合には、ディスク１６の使用は必要ではない。それは、方向解像力が回転す
る光源によって既に保証されているからである。全体的に、以上述べたセンサシ
ステムによって、その受信範囲が公知の構造のものよりも大きく、かつ、写像が
ほかの公知の三角測量をするセンサシステムの場合よりも一様であるという利点
が達成される。広角の写像によって、センサシステムから大きな間隔を有してい
る物体の位置を測定することができる。この場合、写像エレメント４の特別な形
状はセンサシステムの全検出範囲における距離測定の一様な解像力を保証し、そ
の場合写像エレメントはセンサシステムの距離における対物レンズの不足してい
る解像能力をいわば修正する。それは写像エレメントは反射せしめられた光線を
散乱させ、このようにして遠く離れた物体を引き離すからである。
【図１】 センサシステムの１実施例を示す。
【図２】 使用される光源の可能な配置を側面図で示す。
【図３】 センサシステムの回りに光ストリップを生ぜしめるための可能な配置を示す。
【図４】 センサシステムの回りに光ストリップを生ぜしめるための別の実施例を示す。
【図５】 センサシステムの回りに光ストリップを生ぜしめるための別の実施例を示す。
【図６】 自動車若しくはロボットにおけるセンサシステムの可能な構成を側面図で示す
。
。
【図７】 センサシステム及び車両の平面図を示す。
【図８】 一次元の光電変換器と共に使用するためのセンサシステムを示す。
【図９】 二次元の光学的位置検出器を有する実施例を示す。
１ 光源、 ２ 光ストリップ、光線、 ３ 物体、 ４ 写像エレメント、 ５ カメラ、 ６ 対物レンズ、 ７ 光電変換器、フォト検出器、像検出器
、 ８ 評価電子装置、 ９ 反射表面、 １０ 発光器、 １１ 円筒鏡、
１２ 可動車両、可動ユニット、 １３ 検出システム、検出範囲、 １４ コ
リメータ光学装置、 １５ 円すい鏡、 １６ 光不透過性ディスク、 １７
すき間、 ｔ 軸線
、 ８ 評価電子装置、 ９ 反射表面、 １０ 発光器、 １１ 円筒鏡、
１２ 可動車両、可動ユニット、 １３ 検出システム、検出範囲、 １４ コ
リメータ光学装置、 １５ 円すい鏡、 １６ 光不透過性ディスク、 １７
すき間、 ｔ 軸線
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年６月８日（２０００．６．８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正内容】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヤーノシュ ギーベル ハンガリー国 ブダペスト バラツ ウト 48／ベー (72)発明者 ラースロー コーチャニー ハンガリー国 ブダペスト ポズソニー ウト ７ (72)発明者 ペーテル リヒテル ハンガリー国 ブダペスト マティアス ウト 18 (72)発明者 ガボール サルヴァシュ ハンガリー国 ブダペスト ザーブ ウト ８ (72)発明者 シャーンドル ヴァルコニー ハンガリー国 ブダペスト フェヘールヴ ァーリ ウト 28 Ｆターム(参考） 2F065 AA01 AA06 CC00 FF09 FF42 GG02 GG04 GG07 GG14 GG16 HH05 HH14 JJ03 JJ08 JJ26 LL04 LL11 LL19 LL29 LL62 MM25 MM26 PP01 PP25 2F112 AA09 BA03 BA06 CA04 CA05 CA12 DA02 DA09 DA13 DA15 DA32 5J084 AA04 AA05 AB20 AC02 AC07 AD07 BA03 BA06 BA16 BA17 BA36 BA40 BA55 BB04 BB21 BB22 BB23 DA01 DA02 DA07 EA04 EA07
Claims (14)
- 【請求項１】 物体の位置を検出するための光学的センサシステムであって
、周囲を照明するための光源と、光電変換器とを有し、この光電変換器は物体か
ら戻し散乱せしめられた光を電気信号に変換して、センサ信号評価システムに引
き渡す形式のものにおいて、センサシステムが光源（１）を有し、これによって
単数又は複数の光ストリップが水平方向で複数の空間方向に生ぜしめられ、セン
サシステムが光学的な写像エレメント（４）を有し、この写像エレメントは物体
（３）から戻し散乱せしめられた光を反射して、光電変換器（７）上に投影し、
その際光学的な写像エレメント（４）は単にただ１つの反射表面（９）を有して
いることを特徴とする、物体の位置を検出するための光学的センサシステム。 - 【請求項２】 写像エレメント（４）と光電変換器（７）との間の光線路内
に対物レンズ（６）を有している、請求項１記載の光学的センサシステム。 - 【請求項３】 写像エレメント（４）の光軸が生ぜしめられた光ストリップ
（２）に対して垂直であり、センサシステムが４つの光源（１）を有している、
請求項１又は２記載の光学的センサシステム。 - 【請求項４】 センサシステムが広角の写像エレメント（４）を有しており
、この写像エレメントは単に１つの球面のあるいは非球面の反射表面（９）を有
している、請求項１から３までのいずれか１項記載の光学的センサシステム。 - 【請求項５】 写像エレメント（４）が、２つのスプライン関数によって形
成することのできる少なくとも１つの非球面の反射表面（９）を有している、請
求項１から４までのいずれか１項記載の光学的センサシステム。 - 【請求項６】 センサシステムが互いに上下に位置する少なくとも２つの光
源（１）を有し、これにより少なくとも２つの互いに上下に位置する光ストリッ
プ２が生ぜしめられる、請求項１から５までのいずれか１項記載の光学的センサ
システム。 - 【請求項７】 センサシステムが光電変換器（７）として、一次元の、位置
に敏感な光検出器を有しており、この光検出器は動かされる、請求項１から６ま
でのいずれか１項記載の光学的センサシステム。 - 【請求項８】 センサシステムが光電変換器（７）として、二次元の、位置
に敏感な光検出器を有しており、その際写像エレメント（４）と光電変換器（７
）との間の光線路内に、空間的な光モジュレータが取り付けられている、請求項
１から６までのいずれか１項記載の光学的センサシステム。 - 【請求項９】 空間的な光モジュレータとして、１つのすき間を備えた回転
するディスク（１６）あるいは液晶モジュレータが設けられている、請求項８記
載の光学的センサシステム。 - 【請求項１０】 光電変換器（７）が二次元の像検出器マトリックスとして
構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の光学的センサシステ
ム。 - 【請求項１１】 光源（１）が回転する光源として構成されている、請求項
１から５までのいずれか１項記載の光学的センサシステム。 - 【請求項１２】 光源（１）が発光エレメント（１０）と、非球面の横断面
を有する円筒形の反射表面（１１）とから成っており、その際発光エレメント（
１０）が発光ダイオードとして円筒形の反射表面（１１）の焦点線内に次のよう
に、すなわち発光エレメント（１０）の発光面が円筒形の反射表面に向けられて
いるように、配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の光学
的センサシステム。 - 【請求項１３】 光ストリップ（２）を生ぜしめるための光源（１）が、白
熱灯、ハロゲンランプ、アーク灯あるいはレーザのような公知の発光エレメント
と、コリメータ光学装置（１４）と、円すい鏡（１５）とから構成されている、
請求項１から１０までのいずれか１項記載の光学的センサシステム。 - 【請求項１４】 請求項１から１３までのいずれか１項記載ののセンサシス
テムを有する独立の可動ユニット。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19810368 | 1998-03-10 | ||
| DE19810368.9 | 1998-03-10 | ||
| PCT/DE1999/000620 WO1999046612A1 (de) | 1998-03-10 | 1999-03-09 | Optisches sensorsystem zur detektion der position eines objektes |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002506976A true JP2002506976A (ja) | 2002-03-05 |
Family
ID=7860414
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000535942A Withdrawn JP2002506976A (ja) | 1998-03-10 | 1999-03-09 | 物体の位置を検出するための光学的センサシステム |
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| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1062524A1 (ja) |
| JP (1) | JP2002506976A (ja) |
| KR (1) | KR20010041694A (ja) |
| CN (1) | CN1292878A (ja) |
| CA (1) | CA2322419A1 (ja) |
| WO (1) | WO1999046612A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| WO2002048646A1 (fr) | 2000-12-11 | 2002-06-20 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Telemetre optique |
| CN100365428C (zh) * | 2003-07-03 | 2008-01-30 | 夏普株式会社 | 人体检测装置和配有它的电子机器 |
| KR100569181B1 (ko) * | 2004-01-06 | 2006-04-07 | 김진오 | 실내 항법을 위한 좌표확인 시스템 |
| US7164118B2 (en) | 2004-10-29 | 2007-01-16 | Deere & Company | Method and system for obstacle detection |
| EP1659417A1 (de) * | 2004-11-19 | 2006-05-24 | Leica Geosystems AG | Verfahren zur Bestimmung der Ausrichtung eines Ausrichtungsindikators |
| CN100356193C (zh) * | 2005-09-22 | 2007-12-19 | 哈尔滨工程大学 | 受激布里渊散射激光雷达水下隐身物体探测系统及方法 |
| KR100787565B1 (ko) | 2006-09-04 | 2007-12-21 | 한국외국어대학교 산학협력단 | 정다각형 형태로 배치된 광 플로우 센서를 이용한 이동체의 자기 위치 추정 장치 및 그 방법 |
| DE102012107727B4 (de) * | 2012-03-23 | 2014-12-04 | Atlas Elektronik Gmbh | Navigationsverfahren, Abstandsregelverfahren und Verfahren zum Untersuchen eines gefluteten Tunnels damit sowie Navigationseinrichtung, Abstandsregeleinrichtung und Unterwasserfahrzeug damit |
| KR102143385B1 (ko) * | 2012-06-07 | 2020-08-13 | 삼성전자주식회사 | 장애물 감지 모듈 및 이를 구비한 청소 로봇 |
| US9020641B2 (en) | 2012-06-07 | 2015-04-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Obstacle sensing module and cleaning robot including the same |
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