JP2004226069A

JP2004226069A - 測距装置

Info

Publication number: JP2004226069A
Application number: JP2003010490A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Ito; 達哉伊藤
Original assignee: NEC Engineering Ltd
Current assignee: NEC Engineering Ltd
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-20
Also published as: JP3961428B2

Abstract

【課題】クロック信号のカウント数のみで測距時間を得る場合、周期の短い高性能のクロックを用いなければ高精度の測定ができない。
【解決手段】Ｆ／Ｆ２２に、パルス発生部２２から発射制御信号と、高速ピークホールド回路２０からの出力信号を与え「発射制御信号出力から探信波のピーク検出までの時間」を得る。Ｆ／Ｆ２４に、ピークホールド回路９からの出力信号と、Ｆ／Ｆ２５からのクリア信号を与え、「反射波のピーク検出から直後に基準クロックが立上がるまでの時間」を得る。Ｆ／Ｆ２２及びＦ／Ｆ２４の出力は、ＯＲ回路２６で論理和が取られ、アナログ積分器１０で積分される。この結果はＡ／Ｄ変換器１３による量子化されレジスタ１４に格納される。測距カウンタ１１の計数値と、レジスタ１４に格納された量子化値と、固定値レジスタ２７に予め設定される固定値から、探信波送出から反射波検出までの正確な経過時間を算出する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス状のレーザ光を測定対象物に照射した時刻と、対象物に当たって反射した受光信号を検知した時刻との時間差を検出し、対象物までの距離を測定する測距装置及び測距方法に関し、特に、性能のそれほど高くない構成要素を用いて高精度の距離測定を行う測距装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パルス状のレーザ光を測定対象物に対して照射し、対象物に当たって反射した受光信号を検知するまでの遅延時間を測定して測定対象物までの距離を計測する方式のレーザ測距装置は、以前より測量等の分野で広く使用されていた。最近では自動車に搭載し、前方車両または障害物と自車との距離を測定する装置としての利用も増えてきている。
【０００３】
この種のレーザ測距装置の精度を向上させる際に最も簡単かつ有効な対応策は、測定用のクロック周波数をできるだけ高くし、これを計数するために高周波用のカウンタを用いることである。しかしながら、このような高性能の発振器やカウンタは価格が高く、またその動作に多大な電力を必要としてしまう。このため、それほど性能の高い構成要素を使用せず、なお高い精度の測定が可能な測距装置が求められていた。
【０００４】
このような課題をクリアする方法の一例として、特開２００１−８３２５０号公報「距離測定装置」（以下、先行技術と呼称する）に記載の技術が挙げられる。以下、この先行技術の要旨について簡単に説明する。
【０００５】
この先行技術は、経過時間を計数するディジタルカウンタと、レーザ光を照射してから前記ディジタルカウンタが計数を開始するまでの時間をアナログ回路を基本回路として測定する第１の計時装置と、レーザ光を受光してからディジタルカウンタが計数を停止するまでの時間をアナログ回路を基本回路として測定する第２の計時装置とを有し、ディジタルカウンタと第１の計時装置、第２の計時装置の測定値に基づいて測定対象物までの距離を測定することを特徴としている。またこの第１の計時装置と第２の計時装置の少なくとも一方は、レーザ光を照射、またはレーザ光を受光してから、ディジタルカウンタをカウントアップするクロックパルスが立上るまでの時間をアナログ的に測定する第１の回路と、クロックパルスが立下るまでの時間をアナログ的に測定する第２の回路とを有してなり、この両回路のうち測定時間の短い方を選択する手段と、第２の回路の値を採用した場合は、測定時間に前記クロックパルスの半周期分の時間を加えたものを計時出力とするよう処理することで、精度の高い測距データを得ていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した先行技術においては、レーザ光が実際に発射された時刻の認識が、検出器からの検出信号により行われているため、測距対象物に対してレーザ光を照射するタイミングと対象物からの反射光を受信するまでの時間を測定する際に、実際の送信時刻と受信時刻間を微細な範囲まで正確に認識することができない。
【０００７】
また、レーザダイオード（以下ＬＤ）発光指令が出てからＬＤオン信号が検出されるまでの時間についてはほぼ一定とみなしている。しかしながら、測距対象物からの反射パルスを受信した時刻の認識はＲｅｆｌｅｃｔオンパルスにより行われているため、実際のレーザ発射タイミングはレーザ光発生部に蓄積されるエネルギーや素子劣化等の要因によって発光指令信号との同期関係が保てない場合があり、このような場合においても正確な認識が妨げられることとなった。
【０００８】
さらに、レーザ光反射タイミングとディジタルカウンタに入力されるクロックパルスの立ち上がりまでの時間を計測する初期積分値、及び反射パルス受信タイミングとクロックパルスの立ち上がりまでの時間を計測する終端積分器による測定結果をディジタルカウンタによる計数結果と同時にマイクロコンピュータへ送信し、ここで最終的な測距データを算出処理している。そのため、装置全体として消費電力の増大を招いていた。
【０００９】
本発明の目的は、測距対象物に照射するレーザ光パルスの発射タイミング及び対象物からの反射パルスの受光タイミングをそれぞれ波形により判断し、測距カウンタに入力するクロック信号の立ち上がりエッジタイミングとの時間差分を補正した結果と、測距カウンタにより選択されたデータとを組み合わせることにより、低消費電力かつ高精度の測距装置を提供することにある。
【特許文献１】
特開２００１−８３２５０号公報
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を鑑み、これを解決するための手段として、測距対象物に向けて探信波を発信し、前記測距対象物により反射された反射波を受信し、前記探信波発信時刻から前記反射波受信時刻までの経過時間を測定することにより、前記測距対象物までの距離を測定する測距装置において、
基準クロックの計数値と、探信波ピークレベル検出時刻からその直後のクロック立上り時刻までの第１の時間値と、反射波ピークレベル検出時刻からその直後のクロック立上り時刻まで第２の時間値とによって前記経過時間を算出する手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の測距装置のさらに具体的な解決手段として、基準クロック発生手段と、前記基準クロックのカウントを行う計数手段と、前記基準クロックに同期して発信制御信号を出力する発信制御信号出力手段と、前記探信波のピークレベルを検出する第１のピークホールド手段と、前記発信制御信号の立ち上がりでラッチし、前記探信波のピークレベル検出までの間これを保持する第１のラッチ手段と、前記測距対象物により反射された反射波を検知する検知手段と、前記検知手段にて検知された反射波のピークレベルを検出する第２のピークホールド手段と、前記反射波のピークレベル検出でラッチし、直後の前記基準クロックの立ち上がりまでの間これを保持する第２のラッチ手段と、前記第１のラッチ手段及び前記第２のラッチ手段の論理和をとる論理和出力手段と、前記論理和出力手段の積分を行うアナログ積分手段と、前記アナログ積分手段の積分結果を量子化するアナログ／ディジタル変換手段と、前記発信制御信号の立ち上がりから、直後の基準クロック立ち上がりまでの時間差値を予め格納させた固定値レジスタ手段と、前記計数手段から前記基準クロックの計数値を、前記第２のラッチ手段から前記第２の時間値を、前記固定値レジスタ手段及び前記第１のラッチ手段から前記第１の時間値をそれぞれ得て、前記経過時間を算出する手段により構成されたことを特徴としている。
【００１２】
さらには、上記解決手段において、前記探信波としてパルス化されたレーザ光を用いることも特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１に示すように、本レーザ測距装置は、クロックジェネレータ１、パルス発生部２、レーザ光発生部３、送光光学系４、受光光学系５、検知器６、アンプ７、コンパレータ８、ピークホールド回路９、アナログ積分器１０、測距カウンタ１１、上位レジスタ１２、Ａ／Ｄ変換器１３、下位レジスタ１４、高速ピークホールド回路２０、レベル変換部２１、フリップフロップ２２、レベル変換部２３、フリップフロップ２４、フリップフロップ２５、ＯＲゲート２６、固定値レジスタ２７から構成されている。
【００１５】
次に本発明の動作につき説明する。クロックジェネレータ１は、対象物０に対して照射されるレーザ光発生の基点となり、さらにこのレーザ光を照射してから受光信号を受信するまでの経過時間を計測するためのクロック信号を発生する。
【００１６】
パルス発生部２は、クロックジェネレータ１からのクロック信号を元に、レーザ光発生部３からレーザ送信パルスを発生させる制御に必要なレーザ光発射制御信号を生成すると同時に、後述する測距カウンタ１１にカウンタクリア信号、スタート信号及びストップ信号を送出する。
【００１７】
レーザ発射制御信号の立上りから実際にレーザ送信パルスが照射されるまでの時間は、フリップフロップ２２により生成される。フリップフロップ２２は、ディジタル信号であるレーザ発射制御信号が入力されると、その立上りによって信号レベルを保持する。
【００１８】
レーザ発射制御信号をトリガとしてレーザ光発生部３がレーザ送信パルスを発生すると、その一部は高速ピークホールド回路２０にフィードバックされ、電圧のピークレベルが保持される。保持された電圧のピークレベルは、レベル変換部２１によってディジタル信号に変換される。このディジタル信号によって、フリップフロップ２２に保持状態となっているレーザ発射制御信号の信号レベルがクリアされる。この「レーザ発射制御信号の信号レベル保持期間」が、後述する補正用の積分時間として用いられる。
【００１９】
レーザ送信パルスは、送光光学系４を通して照射され、対象物０に当たって反射した後、受光光学系５を通過して検知器６に入力される。検知器６は受信した受光信号を電気信号に変換し、アンプ７が更にこれを増幅する。レーザ測距補正装置と対象物０との距離が近い場合は、受光信号のピークレベルは高く、波形の立上り及び立下りは急峻となる。逆に距離が遠い場合は、受光信号のピークレベルは低く、波形の立上り及び立下りは緩やかとなる。
【００２０】
受光信号が対象物０からの反射信号であることは、予め設定されているしきい値と受光レベルとを比較することにより判定される。アンプ７により増幅された信号は、コンパレータ８及びピークホールド回路９に入力される。コンパレータ８は、予め設定された受信判定しきい値と入力信号のレベルを比較し、入力信号がしきい値以上ならば反射信号と判定してその判定結果をレベル変換部２３に通知する。フリップフロップ２４は、レベル変換部２３によりディジタル信号レベルに変換されたピークホールド信号を、その検出時刻から保持し始め、その直後の測距クロックの立上り時刻までその保持状態を維持する。
【００２１】
フリップフロップ２５は、フリップフロップ２４のクリアタイミングを生成する。測距カウンタ１１には、パルス発生部２によりレーザ光発生前にカウントクリア信号が入力され、データがクリアされる。また、レーザ発射制御信号生成後にパルス発生部２から送出されるスタート信号をトリガにして測距クロックをカウント開始し、ピークホールド信号が立上った後に出力されるストップ信号によってカウント終了する。その結果は上位レジスタ１２に記録される。図２に、レーザ送信パルスと受光信号、測距クロック、ピークホールド信号、レーザ発射制御信号の関係を示す。
【００２２】
フリップフロップ２２及びフリップフロップ２４の出力は、ＯＲゲート２６により論理和が取られ、その結果がアナログ積分器１０に入る。図３に本レーザ測距装置により距離を測定する場合に、アナログ積分により計測し補正する測距時の変動要素を示す。変動値１は、レーザ発射制御信号が出力してから実際のレーザ送信パルスが現れるまでの時間を示す。これはレーザ光発生部に蓄積されるエネルギーや素子の劣化等の原因により長短双方向に変化する。アナログ積分器１０は入力信号をレベル調整した後、図４に示すアナログ積分区間に積分を行い、その結果はＡ／Ｄ変換器１３による量子化の後、下位レジスタ１４に記憶される。前述したレベル調整は、アナログ積分器１０による積分を測距クロック１周期分行い、これをＡ／Ｄ変換器１３でＡ／Ｄ変換した結果が、下位レジスタ１４の各ビット値が全て“１”となるように行われる。
【００２３】
距離を測定する対象となるのは、レーザ光が発射された時刻から受光信号レベルがピーク値となりピークホールド信号が立上るまでの期間で、これは測距カウンタ１１の値から、アナログ積分された図３に示す補正値１及び２の値を差し引くことにより得ることができる。
【００２４】
【実施例】
続いて、本発明の実施例について、測距カウンタ１１のカウントデータが１６ビットで“００ＡＡ”、Ａ／Ｄ変換データが８ビットで“ＣＦ”、測距データ２４ビット、固定値“０Ｆ”の場合について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１に示すように、本レーザ測距装置は、クロックジェネレータ１、パルス発生部２、レーザ光発生部３、送光光学系４、受光光学系５、検知器６、アンプ７、コンパレータ８、ピークホールド回路９、アナログ積分器１０、測距カウンタ１１（１６ビット）、上位レジスタ１２（８ビット）、Ａ／Ｄ変換器１３、下位レジスタ１４（８ビット）、高速ピークホールド回路２０、レベル変換部２１、フリップフロップ２２、レベル変換部２３、フリップフロップ２４、フリップフロップ２５、ＯＲゲート２６、固定値レジスタ２７から構成されている。固定値レジスタ２７には、１６進数で“０Ｆ”の値が予め格納されている。
【００２６】
クロックジェネレータ１は、対象物０に対して照射されるレーザ光発生の基点となり、また照射時刻から受光信号の受信時刻までの経過時間を測定するためのクロック信号を発生する。パルス発生部２は、クロックジェネレータ１からのクロック信号を元にレーザ光発生部３のレーザ送信パルス発生に必要なレーザ発射制御信号を生成する。これと同時にパルス発生部２は、測距カウンタ１１に対してカウンタクリア信号、スタート信号及びストップ信号を送出する。
【００２７】
レーザ発射制御信号の立上りから実際にレーザ送信パルスが照射されるまでの時間は、フリップフロップ２２によって生成される。レーザ送信パルスは、送光光学系４を通して対象物０に照射される。この対象物０によって反射した信号は、受光光学系５を通過した後、検知器６に入力される。検知器６は、受信した光信号を電気信号に変換し、アンプ２７でこの電気信号を増幅する。増幅された信号は、コンパレータ８及びピークホールド回路９に入力される。コンパレータ８は、予め設定された受信判定しきい値と入力信号のレベルを比較し、しきい値以上であれば受信信号と判定し、この判定結果をレベル変換部２３に通知する。
【００２８】
フリップフロップ２４は、レベル変換部２３によりディジタル信号レベルに変換されたピークホールド信号をその検出時刻から保持開始し、その直後の測距クロックの立上り時刻まで状態を維持する。フリップフロップ２５は、フリップフロップ２４のクリアタイミングを生成する。測距カウンタ１１には、パルス発生部２によりレーザ光発生前にカウンタクリア信号が入力され、データがクリアされる。また、レーザ発射制御信号生成後のパルス発生部２から送出されるスタート信号をトリガに測距クロックをカウント開始し、ピークホールド信号が立上った後に出力されるストップ信号によりカウント終了する。その結果は上位レジスタ１２に記録される。フリップフロップ２２及びフリップフロップ２４の出力は、ＯＲゲート２６により論理和がとられ、その結果がアナログ積分器１０に入力される。アナログ積分器１０は入力信号をレベル調整した後積分を行い、その結果は８ビットＡ／Ｄ変換器１３による量子化の後、下位レジスタ１４に記憶される。前述のレベル調整は、アナログ積分を測距クロック１周期分行った際のＡ／Ｄ変換の結果が“ＦＦ”となるように行われる。
【００２９】
距離を測定する対象となるのは、レーザが発射される時刻から受光信号レベルのピーク値までである。アナログ積分をＡ／Ｄ変換した結果（変動値１＋変動値２）が“ＣＦ”であったとすると、固定値レジスタ７７に設定されている“０Ｆ”からこの“ＣＦ”を差し引いた“−Ｃ０”が下位８ビットのデータとなって下位レジスタ１４にセットされる。測距データは、測距カウンタ１１のカウント値として１６ビットの上位レジスタにセットされた“００ＡＡ”と併せて、“００ＡＡ−Ｃ０” すなわち“００Ａ９３Ｆ”となる。
【００３０】
なお、本実施例においては、測距カウンタのカウントデータが格納される上位レジスタを１６ビットレジスタ、Ａ／Ｄ変換データが格納される下位レジスタを８ビットレジスタとし、測距データを２４ビットで得るよう構成していたが、この実施例に限定されるものではなく、条件の変化に応じて適宜選択可能である。例えば測定対象物までの距離の増減など条件・状況に応じて、レジスタの桁数を増減させるなど、発明の主旨を逸脱しない範囲での変更が可能である。さらに言えば、本発明はレーザ光による測距装置を実施例に挙げて説明してきたが、探信波を測定対象に向けて発射し、反射波を検知して測定対象までの距離を測定する他の測距装置、例えば探信波として音波を用いるソナー装置等に対しても適用可能であることについては言うまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明のレーザ測距装置においては、レーザ送信パルス及び受光信号のピークレベルを検出することにより、従来装置では微細な範囲まで正確に認識することができないレーザ照射タイミング及び対象物からの反射信号の受信タイミングを得ることができる。これによって、レーザ光照射タイミングと測距カウンタに入力されるクロックパルスの立上りまでの時間及び受光信号の受信タイミングとクロックパルスの立上りまでの時間を高精度に得ることが可能となる。
【００３２】
さらに本発明のレーザ測距装置においては、レーザ光照射タイミングとディジタルカウンタに入力されるクロックパルスの立上りまでの時間及び反射信号の受信タイミングとクロックパルスの立上りまでの時間の測定結果を、ディジタルカウンタによる計数結果と関連づけることによって、従来装置のように演算にマイクロコンピュータを用いる必要がなく、装置全体として消費電力を低く抑えながら測距結果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ測距装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】レーザ送受信による測距の原理を説明する図であり、レーザ送信パルスと受光信号、測距クロック、ピークホールド信号、レーザ発射制御信号の関係を示す波形図である。
【図３】レーザ測距装置により距離を測定する場合に補正を施すべき変動要素（変動値１及び変動値２）を示す波形図である。
【図４】変動要素（変動値１及び変動値２）、固定値、測距クロック値と測定対象距離の関係を示す波形図である。
【符号の説明】
１クロックジェネレータ
２パルス発生部
３レーザ光発生部
４送光光学系
５受光光学系
６検知器
７アンプ
８コンパレータ
９ピークホールド回路
１０アナログ積分器
１１測距カウンタ
１２上位レジスタ（１６ビット）
１３Ａ／Ｄ変換器
１４下位レジスタ（８ビット）
２０高速ピークホールド回路
２１，２３レベル変換部
２２，２４，２５フリップフロップ
２６ＯＲゲート
２７固定値レジスタ

Claims

測距対象物に向けて探信波を発信し、前記測距対象物により反射された反射波を受信し、前記探信波発信から前記反射波受信までの経過時間を測定することにより、前記測距対象物までの距離を測定する測距装置において、
基準クロックによる計数値と、探信波ピークレベル検出時刻からその直後のクロック立上り時刻までの第１の時間値と、反射波ピークレベル検出時刻からその直後のクロック立上り時刻まで第２の時間値とによって前記経過時間を算出することを特徴とする測距装置。
基準クロック発生手段と、
前記基準クロックのカウントを行う計数手段と
前記基準クロックに同期して発信制御信号を出力する発信制御信号出力手段と、
前記探信波のピークレベルを検出する第１のピークホールド手段と、
前記発信制御信号の立ち上がりでラッチし、前記探信波のピークレベル検出までの間これを保持する第１のラッチ手段と、
前記測距対象物により反射された反射波を検知する検知手段と、
前記検知手段にて検知された反射波のピークレベルを検出する第２のピークホールド手段と、
前記反射波のピークレベル検出でラッチし、直後の前記基準クロックの立ち上がりまでの間これを保持する第２のラッチ手段と、
前記第１のラッチ手段及び前記第２のラッチ手段の論理和をとる論理和出力手段と、
前記論理和出力手段の積分を行うアナログ積分手段と、
前記アナログ積分手段の積分結果を量子化するアナログ／ディジタル変換手段と、
前記発信制御信号の立ち上がりから、直後の基準クロック立ち上がりまでの時間差値を予め格納させた固定値レジスタ手段と、
前記計数手段から前記基準クロックの計数値を、前記第２のラッチ手段から前記第２の時間値を、前記固定値レジスタ手段及び前記第１のラッチ手段から前記第１の時間値をそれぞれ得て前記経過時間を算出する手段とを備えたことを特徴とする、請求項１に記載の測距装置。
前記探信波がパルス化されたレーザ光であることを特徴とする、請求項１または請求項２記載の測距装置。