JP2005055311A

JP2005055311A - スキャナ装置のキャリブレーション方法

Info

Publication number: JP2005055311A
Application number: JP2003286710A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Wakisako; 仁脇迫; Kazunari Shiraishi; 一成白石
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-08-05
Filing date: 2003-08-05
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】対象物の形状を計測するスキャナ装置において、加工誤差、組み立て誤差等が発生すると座標計算に用いるパラメータに誤差を生じ、スキャナの計測精度に影響を及ぼす。本発明では、これらのパラメータを同定するキャリブレーション方法を提供する。
【解決手段】形状が既知である対象物を計測し、その計測点の座標位置を計算し、それを基に対象物の形状に近似したときの偏差が最小となるように、座標計算で用いるパラメータを修正してゆく。対象物として壁などの平面形状を用いると実施が容易となる。
【選択図】図１

Description

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。

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２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。

ミラー２を回転するために第１の回転軸５と第２の回転軸６があり、これらの軸はそれぞれ駆動するためのモータなどの回転動力（図示せず）に連結されている。ふたつの回転軸は互いに直交しているとし、距離センサ１からのレーザ光３はふたつの回転軸が交わる点へ向け照射されている。レーザ光３は、ミラー２が第１の回転軸５まわりに回転することにより矢印７方向に、またミラー２が第２の回転軸６まわりに回転することにより矢印８方向に照射される。
ここで第１の回転軸５と第２の回転軸６の交わる点を原点とし、第２の回転軸６方向をＸ軸とし、第１の回転軸５方向をＹ軸とし、Ｘ軸、Ｙ軸からなる平面の垂直方向をＺ軸とする３次元の座標系９を設定する。さらにＹ軸まわりのミラー２の回転角をθ1´、Ｘ軸まわりのミラー２の回転角をθ2、距離センサ１の計測値をＲとすると、対象物４上のレーザ光３が当たった点の座標は

（R*sinθ1, R*cosθ1*sinθ2, -R*cosθ1*cosθ2）・・・（１）

となる。ここでθ1＝２θ1´であり、図２の軸構成ではＹ軸まわりにミラーが回転した場合、レーザ光３はその２倍の角度で回転する。厳密にはミラー２の回転角ではないが、以下このθ1で説明する。また計測値Ｒは、距離センサ１からミラー２の回転軸までの距離はオフセット量として引かれており、座標系９の原点から対象物４までの距離である。この式により距離センサ１の計測値とミラー２によるレーザ光３の照射角度が分かるとレーザ光３の照射点のＸＹＺ座標が得られる。

特開２０００−７５０３２オムロン社カタログセーフティレーザ形Ｆ３Ｇ−Ｃ

式（１）による対象物上の点の計測においては、スキャナ装置が設計値どおりに組み立てられていることが前提であり、加工誤差や組み立て誤差が発生すると計測精度に影響する。例えば第１の回転軸５と第２の回転軸６が直交してない場合は、式（１）そのものが成り立たず、正しい座標位置が求まらないことになる。このような誤差要因の中で最も影響が大きいのが第１の回転軸５の回転角θ1がゼロとなる位置（以下、原点位置と呼ぶ）の設定である。図３を用いて説明する。第１の回転軸５の回転角θ１の原点位置は、レーザ光３の進路が第２の回転軸６と直角になる位置である。図３ではこれを点線３’で示した。この原点位置の設定は作業者がミラー２を駆動しながら行うが厳密に調整することは難しいため、実際には角度ｄの誤差が生じたとする。それを考慮すると式（１）は次式のようになる。

（ R*sin(θ1+d), R*cos(θ1+d)*sinθ2, -R*cos(θ1+d)*cosθ2 ）・・・（２）

角度誤差ｄは未知数であり、これが計測に影響する様子を図４に示す。例えばｄ＝−５°であるとすると、計算上はレーザ光３を真下に照射しているつもりでも実際には５°だけずれている状態となる。この状態で平面形状（Ａ）を測定した場合、角度誤差ｄの影響により計算値は（Ｂ）に示すように歪みが生じ平面とはならない。
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、座標位置の計算に用いるパラメータ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。

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２軸以上の軸まわりに回転して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点以上の計測点を含む面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、前記計測点の座標位置の計算に用いるパラメータ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、前記計測点の座標位置の計算に用いるパラメータが前記回転ミラーの回転軸の原点位置であ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３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であり、前記近似が平面近似に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４に記載の発明は、前記形状が既知である対象物が球面形状であり、前記近似が球面近似に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。

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し、計測結果がその形状に近づくように座標位置の計算に用いるパラメータを同定することで、スキャナ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、誤差要因の最も大きい第１の回転軸の原点位置を補正できる。また請求項３に記載の発明によると、室内の壁などの平面部を利用して容易に第１の回転軸の原点位置を補正できる。また請求項４に記載の発明によると、球面体を利用して容易に第１の回転軸の原点位置を補正できる。

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。

図１に本発明の実施例の処理ブロック図を示す。本実施例では測定対象を平面形状として、第１の回転軸５の原点位置の誤差ｄを推定する処理である。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測定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（２）からレーザ光の照射点の座標Ｘ、Ｙ、Ｚを計算する（処理１２）。得られた座標を平面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を変えながら実行し（処理１４，１６）、偏差が最小となるｄを求める（処理１５）。求まったｄが第１の回転軸の原点位置のズレ量である。

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（２）によって計算した座標を

（ xi , yi , zi ） i = 1,2,…,n ・・・（３）

とする。これらの点に平面を当てはめることになるが、ここでは各点から平面までの距離の２乗和が最小となる平面を求め、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, az)とする。ax、ay、azは x座標、y座標、z座標の平均値であり

ax = Σxi/n ・・・（４）
ay = Σyi/n ・・・（５）
az = Σzi/n ・・・（６）

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, Zi) i=1,..nとする。この座標変換は、

Xi = xi - ax ・・・（７）
Yi = yi - ay ・・・（８）
Zi = zi - az ・・・（９）

である。このとき、偏差は次の行列の最も小さい固有値となる。

ｄを変えたときのシミュレーションによる偏差の計算例を図５に示す。ここでは、４０ｍ離れた平面に対して、Ｘ軸方向にはθ２を５°間隔で−３０°から＋３０°まで、Ｙ軸方向にはθ１を５°間隔で−３０°から＋５°まで動かしたときの１０４箇所について、角度誤差d＝−５°を与えて位置データを計算し、そのデータに関して偏差を求めてｄが推定できるかを検証したものである。
この例で分かるように、ｄ＝−５°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ミラー２の第１の回転軸５の原点位置のズレを補正する手法を提供している。

本実施例では計測対象に平面形状を用いたが、他の形状、例えば球体を用いて球面近似の偏差を評価値に用いることもできる。また、二つの回転軸が互いに直交してないとすると、その時の回転量と平行移動を表す行列をＡとすると座標位置の計算は次式のようになる。

そこで、初期値Ａを適当に選び、対象物の形状近似の偏差を評価値として最小化問題を解くことによって、回転軸の位置関係Ａを補正することができる。

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。

本発明の実施例を示す処理ブロック図スキャナ装置の説明図第１の回転軸の原点位置を示す説明図第１の回転軸の原点位置に誤差がある場合の計測例本発明の偏差の計算結果の例

符号の説明

１距離センサ
２回転ミラー
３レーザ光
４対象物
５回転ミラーの第１の回転軸
６回転ミラーの第２の回転軸
７第１の回転軸のスキャン方向
８第２の回転軸のスキャン方向
９座標系
１０〜１６処理ブロック

Claims

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２軸以上の軸まわりに回転して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点以上の計測点を含む面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、前記計測点の座標位置の計算に用いるパラメータ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。
前記計測点の座標位置の計算に用いるパラメータが前記回転ミラーの回転軸の原点位置であ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。
前記形状が既知である対象物が平面形状であり、前記近似が平面近似に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。
前記形状が既知である対象物が球面形状であり、前記近似が球面近似に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。