JP2005127992A - レーザー距離計による移動体位置計測装置及び計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 １つのレーザー距離計で移動体のｘ，ｙ座標を計測し得る装置及び方法を提供する。
【解決手段】 移動体２から離れた既知座標に設置した１台のレーザー距離計１により前記移動体の二次元座標位置を計測するに当り、移動体上２に、反射シート４をレーザー光軸と反射シート面とが９０度未満の角度をもって交わるよう鉛直に設置し、前記レーザー距離計から前記反射シートのレーザー光反射点までの距離を計測し、それを別途計測した前記レーザー距離計から前記移動体までの距離と併せることにより、前記移動レーザー光軸からの変位距離を検出し、それにより移動体の二次元座標を計測する。移動体２に、平面ミラー３と前記平面ミラーの面と直交する面を有する反射シート４とを互いの反射面が線対称の位置関係となるように設け、レーザー距離計１から移動体２に向けて発したレーザー光を平面ミラー３面上で９０度の角度に反射させて反射シートに到達させるとともに反射シート４で反射したレーザー光を再度平面ミラー３面上で再反射させて前記レーザー距離計１に戻すことにより計測してもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザー距離計を用いて車両等の移動体の位置（二次元座標）を計測する装置及び方法に関するものである。さらに詳細には、既知座標に設置した１台のレーザー距離計を用いて圃場内を無人走行する農業用ロボット車両等の移動体の位置（二次元座標）を離れた所から正確に計測し得る装置及び方法に関するものである。

レーザー距離計は、非接触、ロングレンジ、高精度で計測可能という利点を有していることから、近年急速に普及してきている。レーザー距離計の測定原理には、照射光と同一方向で反射波を受光し、位相差を利用して距離を算出するエコー方式と、反射光を投光器の側方に設置したＰＳＤ等を用いて受光し、受光位置の変化から距離を算出する三角測量方式とがある。このうちロングレンジに対応しているのは、前者のエコー方式で、測定可能距離は専用の反射シートを用いると数百メートルに及ぶ。
かかるレーザー距離計を用いた二次元座標計測は、従来は、レーザー距離計を走査することによって反射シートの両側のエッジを検出する方法によって行われてきた。しかし、この方法では、測定距離の増大に伴うスポット径の増大により、エッジの検出精度が落ちる、左右のエッジ検出の精度が距離によって異なる、レーザー距離計を走査するため走査装置そのものの移動距離あるいは回転角センシング装置の分解能が座標計測精度に影響を与える、等の問題があった。

本発明者らはエコー方式のレーザー距離計を用いて圃場外の一方向から圃場内車両の位置を特定する方法を検討してきた（非特許文献１参照）。しかし、従来提案した方法では精度が十分でないという問題が残されていた。
Ｔａｊｉｍａ Ｋ，Ｔａｔｓｕｎｏ Ｊ，Ｔａｍａｋｉ Ｋ．１９９７‘Ａ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｒｏｂｏｔ ｗｉｔｈ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｂｏｏｍ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ Ｓｏｌａｒ ｌｉｇｈｔ Ｐｏｗｅｒ’ Ａｎ ＡＳＡＥ Ｍｅｅｔｉｎｇ Ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ，Ｐａｐｅｒ Ｎｏ．９７３０９２

本発明は、従来の装置及び方法における上述のよう問題を解決し、エコー方式のレーザー距離計１台で離れた位置のある移動体の左右方向（光軸に対して直角方向）の変位（ずれ）を容易にかつ正確に検出でき、該移動体の二次元座標位置を高い精度で計測できる装置及び方法を提供することを主たる目的とする。

本発明によれば、上記の目的を達成するため、移動体から離れた既知座標に設置した１台のレーザー距離計により前記移動体の二次元座標位置を計測する装置であって、前記移動体上に、反射シートをレーザー光軸と反射シート面とが９０度未満の角度（θ）で交わるように、好ましくは前記レーザー光軸と前記反射シート面のなす角度（θ）が３５〜８５度の範囲内の所定角度、となるように鉛直に設置し、前記レーザー距離計から前記反射シートのレーザー光反射点までの距離を計測し、それを別途計測した前記レーザー距離計から前記移動体までの距離と併せることにより、前記移動レーザー光軸からの変位距離を検出し、それにより移動体の二次元座標計測を可能にしたことを特徴とする移動体位置計測装置が提供される。

かかる本発明の移動体位置計測装置では、前記反射シートを、その左右いずれか一方の端部を軸として回動し得るように設置し、前記反射シートの回動によってレーザー光軸と反射シート面とのなす角度（θ）を変更可能とし、該角度（θ）が前記所定角度となる位置で固定してｘ軸方向での変位距離の算出の基となる距離（Ｌ）の計測を行い、該角度（θ）が９０度となる位置で固定して前記記レーザー距離計から前記移動体までのｙ軸方向の距離（Ｌ_０）の計測を行う構成としてもよい。
また、前記移動体に、レーザー光軸と反射シート面とのなす角度（θ）が前記所定角度となるように設けた反射シート（以下、第１の反射シートと略称することがある）のほかに、別の反射シート（以下、第２の反射シートと略称することがある）をレーザー光軸と反射シート面とのなす角度が９０度となるように設けてもよい。この構成では、第１の反射シートを用いて前記距離（Ｌ）の計測が実施され、第２の反射シートを用いて前記距離（Ｌ_０）の計測が実施される。

本発明の移動体位置計測装置では、このような構成を採用したことにより、移動体から離れた特定位置（既知座標）に設置した１台のレーザー距離計のみで、該レーザー距離計から移動体までの距離（ｙ座標上の距離）だけでなく、それと直交する方向における移動体位置のずれ（ｘ座標上の変位距離）も同時に計測することが可能となり、二次元座標上の位置を検出することができる。

本発明は、前記移動体が、車両、特に圃場内を無人で走行する農業用ロボットである場合に実用的効果が大きく、圃場外の座標既知の特定位置に設置した１台のレーザー距離計により圃場内を走行する前記車両の二次元座標（ｘ及びｙ座標）上の位置を計測する場合に好適に利用される。したがって、本発明は、移動体がこのような無人走行の農業用ロボットである場合を包含する。

また、本発明の移動体位置計測装置では、前記レーザー距離計と前記第１の反射シート及び／又は第２の反射シートとの間のレーザー光の進路（以下、レーザー光路と略称することがある）に、レーザー光軸に対して４５度の角度で交叉するミラーを設置し、該ミラーによりレーザー光路を９０度屈曲させるようにすることもできる。

このようなミラーによってレーザー光路を９０度屈曲させるようにした本発明の移動体位置計測装置の代表例としては、前記移動体上に、前記レーザー距離計から発したレーザー光を４５度の角度で入射し該入射角に対して９０度の角度で反射する平面ミラーと前記平面ミラーの面と直交する面を有しかつ前記平面ミラーからの入射光を入射方向と同方向に反射して前記平面ミラーに入射角４５度で再入射させる反射シートとを、それぞれの反射面が互いに線対象となるよう配置し、前記レーザー距離計からのレーザー光を前記平面ミラー面で９０度の角度で反射させて前記反射シートに到達させるとともに、前記反射シートで反射したレーザー光を再度前記平面ミラー面を経て前記レーザー距離計に戻すことにより得られる測定距離と、別途計測したレーザー距離計から移動体までの距離とを併せることにより、前記移動レーザー光軸からの変位距離を検出し、それにより移動体の二次元座標計測を可能とした装置を挙げることができる。

この装置では、前記移動体が、例えば、圃場内を無人走行可能な台車部上に該台車の進行方向と直行する方向に直線的に移動可能な（往復動を含む）作業機部を載置した農業ロボットの場合、前記台車部に前記平面ミラーを設置し前記作業機部に前記反射シートを上述の位置関係で配置することにより前記作業機部のｘ座標位置も計測可能となる。

また、この装置では、前記移動体上に、１個の支持体を垂直に設置し、該支持体に前記平面ミラー及び前記反射シートをそれぞれの反射面のなす角が９０度となるように線対称に取付けてもよい。そして、前記支持体を軸として回動自在となし、該支持体に設けたセンサー等によって前記レーザ距離計の方向を検出して、常にレーザー光軸に対し前記平面ミラーの角度が４５度となるように自動的に調整可能な構成としてもよい。

さらに、本発明の移動体位置計測では、前記レーザー距離計からのレーザー光進路と交わる位置に小ミラーを配置し、該小ミラー面で前記レーザー光を一旦反射させ前記レーザー光路を屈曲させた後、前記反シート又は平面ミラー面に所定の角度で入射させるように構成することもできる。このように前記レーザー距離計と前記反射シート又は平面ミラーとの間のレーザー光路に前記小ミラーを介在させることでレーザー光の進行方向を容易に変えることが可能となるので、前記レーザー距離計と前記移動体上の前記反射シート又は平面ミラーとを互いに向き合うように配置する必要がなくなり、前記レーザー距離計の設置位置や照射方向の選択自由度が大幅に増大する。

この場合、複数個の小ミラーを設け、そのうち１個の小ミラー（第１の小ミラー）は前記レーザー光の進路上に位置した時に前記レーザー距離計からのレーザー光を９０度の角度で反射して前記第１の反射シート又は平面ミラーに所定角度で入射するように設置するとともに、他の小ミラー（第２の小ミラー）は前記レーザー光路上に位置した時に前記レーザー距離計からのレーザー光を９０度の角度で反射して前記第２の反射シートに９０度の角度で入射するように設置し、かつ前記前記２種の小ミラーのいずれか一方を選択的に前記進路上に位置させる切替え手段を備えた構成としてもよい。

前記の移動体位置計測装置において、それぞれ前記小ミラーを備える小ミラーブラケットの複数個を、軸方向に回転可能な１本の軸にそれぞれ位相を異ならせて設け、前記軸の回転によって所望の１個の小ミラーが前記進路上に位置するようにしてもよく、また、軸方向に回転可能な１本の軸に平面ミラーである前記小ミラーを備える小ミラーブラケットを設け、前記軸の回転によってレーザー光軸を上下方向に走査することを可能にし、レーザー距離計の照射目標である反射シートの捕捉が容易に行えるようにしてもよい。

さらに、本発明によれば、かかる計測装置を使用する計測方法について、移動体から離れた既知座標に設置した１台のレーザー距離計により前記移動体の二次元座標位置を計測する方法であって、前記移動体上に、レーザー光軸と反射シート面とのなす角度（θ）が０度を越えかつ９０度未満、好ましくは３５〜８５度の範囲内の所定角度、となるように反射シートを鉛直に設置し、前記レーザー距離計から前記反射シートのレーザー光反射点までの距離を計測し、その距離（Ｌ）と、別途計測した前記レーザー距離計から前記移動体原点までの距離（Ｌ_０）と、前記移動体の原点から反射シート原点までのｘ軸方向の距離（Ａ）とから、下記式［１］によりｘ軸方向の変位距離（偏位量）を算出し、それにより移動体の二次元座標計測を行うこと特徴とする移動体位置計測方法が提供される。
ｘ＝Ａ−（Ｌ−Ｌ_０−Ｃ）ｔａｎθ ［１］
（上記式［１］において、
ｘはレーザー照射方向と直交する方向（ｘ軸方向）の変位距離（偏位量）、
Ａは移動体原点から反射シート原点までのｘ軸方向の距離、
Ｌはレーザー距離計から反射シートまでの距離、
Ｌ_０は別途計測したレーザー距離計から移動体原点までのｙ軸方向の距離、
Ｃは移動体原点から反射シート原点までのｙ軸方向の距離、
を示す。）

この方法により二次元座標が計測される原理を図１により説明する。
図１において、１はエコー方式のレーザー距離計であり、その座標位置は既知である。移動体２に設置された反射シート４は、鉛直平面内にあり、かつレーザー光軸に対しなす角θ（好適には３５〜８５度の範囲内で設定される所定角度）をもって取付けられている。図中のレーザー距離計１から移動体２原点までの距離Ｌ_０（＝ｙ）が別途計測により既知であるとすると、レーザー光軸を原点とする反射シート４の原点のｘ座標は、−ｓ・ｔａｎθとなる。ここで、レーザー距離計の出力値をＬとすると、ｓ＝Ｌ−Ｌ_０であるから、レーザー光軸に対する移動体原点Ｐのｘ軸方向の変位距離（偏位量）ｘは、下記式［１］で与えられる。
ｘ＝Ａ−ｓ・ｔａｎθ
＝Ａ−（Ｌ−Ｌ_０−Ｃ）ｔａｎθ ［１］

上記式［１］において、ｘは移動体２のレーザー照射方向（すなわち光軸）と直交する方向（ｘ軸方向）への変位距離、Ｌはレーザー距離計１で実測したレーザー距離計１から反射シート４上の反射点までの平面距離、Ｌ_０は別途計測したレーザー距離計から移動体２の原点までのｙ軸方向の平面距離であり、Ａは移動体２の原点から反射シート４の原点までのｘ軸方向の平面距離、Ｃは移動体原点から反射シート原点までのｙ軸方向の平面距離である。
ここで、移動体２の原点とは該移動体のｘ、ｙ座標を特定する点であり、図１の例では移動体２の前面における中心軸の位置（Ｐ）である。また、反射シート４の原点とは反射シート３の前面側の端部の位置（Ｎ）を指す。そして、レーザー距離計１からの距離は該レーザー距離計１の先端にあるレーザー光の発射位置（Ｏ）を原点とする。

上述の計測方法では、既に述べた如く、反射シート４を、その一方の端部を軸として回動自在に設置し、反射シート４をレーザー光軸と反射シート面とのなす角度（θ）が前記所定角度となる位置に固定して前記距離Ｌを計測し、その前又は後に、反射シート４をレーザー光軸と反射シート面とのなす角度（θ）が９０度となる位置（図示せず）に固定してレーザー距離計にて計測し、レーザー距離計の原点（Ｏ）から反射シート４の原点（Ｎ）までのｙ軸方向の距離（Ｌ_０＋Ｃ）を計測すれば、１枚の反射シート４で距離Ｌと距離Ｌ_０＋Ｃの両方を計測することができる。したがって、本発明の方法におけるこの実施態様では、１台のレーザー距離計１と１枚の反射シート４でｘ、ｙ軸の二次元座標位置の計測が可能となるので、装置が簡単になりかつ経済的である。

本発明の移動体位置計測方法における他の好適な実施態様は、移動体から離れた既知座標に設置した１台のレーザー距離計により移動体の位置を計測する方法であって、前記移動体上に、前記レーザー距離計から発したレーザー光を４５度の角度で入射し該入射角に対して９０度の角度で反射する平面ミラーと前記平面ミラーの面と直交する面を有しかつ前記平面ミラーからの入射光を入射方向と同方向に反射して前記平面ミラーに入射角４５度で再入射させる反射シートとを、それぞれの反射面が互いに線対象となるよう配置し、前記レーザー距離計からのレーザー光を前記平面ミラー面で９０度の角度で反射させて前記反射シートに到達させるとともに、前記反射シートで反射したレーザー光を再度前記平面ミラー面を経て前記レーザー距離計に戻すことにより得られる測定距離（Ｌ）と、別途計測したレーザー距離計から前記移動体までの距離（Ｌ_０）とを併せることにより、前記移動体のレーザー光軸からの変位距離を検出し、下記の数式［２］により、レーザー光軸に対する前記移動体の左右の変位距離ｘを算出し、前記移動体の二次元座標（ここで、レーザー距離計の光軸方向をｙ軸、光軸に対し直角方向をｘ軸とする）を計測することを特徴とする移動体位置計測方法である。
ｘ＝Ｌ−Ｌ_０−Ｃ−Ｂ＋Ａ ［２］
上記式［２］において、ｘはレーザー照射方向と直交する方向への変位距離、Ｌは平面ミラーを介して計測したレーザー距離計から反射シート上の反射点までの距離、Ｌ_０は別途計測した移動体原点までの距離、Ａは移動体原点から反射ミラー原点までのｘ軸方向の距離、Ｂは反射ミラー原点から反射シート原点までの距離、Ｃは移動体原点から反射シート原点までのｙ軸方向の距離である。

ここで、前記の好適な実施態様における測定原理を図２により説明する。
図２において、１はエコー方式のレーザー距離計であり、その座標位置は既知である。一方、移動体２上には平面ミラー３及び反射シート４が図２に示すようにそれぞれ移動体２の進行方向（＝移動体２の中心軸）に対しほぼ４５度の角度で、線対称に設置され、レーザー距離計１からのレーザー光は、平面ミラー３を経て反射シート４までの経路を往復するように構成されている。平面ミラー３及び反射シート４は移動体２上のあらかじめ定めた位置に設置されるため、設置位置及び上記の距離Ａ、Ｂ、Ｃは既知である。また、レーザー距離計１から移動体２正面の原点までの距離Ｌ_０（＝ｙ）は、同じレーザー距離計１により別途測定され、既知であるとする。このとき、図２中の４箇所の距離ｓは、レーザー光のＸ軸方向位置に関わらず常に等しくなる。本発明では、レーザー距離計１により、レーザー光が該レーザー距離計１から平面ミラー３を介して反射シート４までを往復する合計距離からＬが計測される。

そして、この距離Ｌは次式で表される。
Ｌ＝Ｌ_０＋Ｃ＋ｓ＋Ｂ−２ｓ
また、移動体２のｘ座標は、次式となる。
ｘ＝Ａ−ｓ
この２式からｓを消去すると、ｘ座標は下記式［２］で与えられる。
ｘ＝Ｌ−Ｌ_０−Ｃ−Ｂ＋Ａ ［２］
よって、本発明では、平面ミラー３と反射シート４とを上述のように配置することで、一方向からの距離計測によって移動体２の二次元座標を求めることができる。

なお、上記式［１］において、ｘは移動体２のレーザー照射方向（すなわちレーザー光軸）と直交する方向（ｘ軸方向）への変位距離（偏位量）、Ｌはレーザー距離計１で実測したレーザー距離計１から平面ミラー３経由の反射シート４の反射点までの平面距離、Ｌ_０は別途計測したレーザー距離計から移動体２の原点までのｙ軸方向の平面距離、Ａは移動体２の原点から該移動体２上の反射シート４原点までのｘ軸方向の平面距離、Ｂは反射ミラー４の原点から反射シート３の原点までのｘ軸方向の平面距離、Ｃは移動体２の原点から該移動体２上の反射シート４の原点までのｙ軸方向の平面距離である。
ここで、移動体２の原点とは、該移動体のｘ、ｙ座標を特定する点であり、図２の例では、移動体２の前面における中心軸の位置（Ｐ）である。また、平面ミラー３の原点とは平面ミラー３の前面側の端部の位置（Ｍ）、反射シート４の原点とは反射シート３の前面側の端部の位置（Ｎ）を指す。そして、レーザー距離計１からの距離は該レーザー距離計１の先端部にあるレーザー光の発射位置（Ｏ）を原点とする。

この計測方法では、レーザー距離計１から実質的に水平に照射されたレーザー光を、必要に応じて小ミラーで屈曲させた後、平面ミラー３に到達させ、レーザー光路を９０度の角度で屈曲させて第１の反射シート４に至らせる光路を往復させることで前記距離（Ｌ）を計測するとともに、移動体２にレーザー光軸と反射シート面とのなす角度が９０度となるように設けた第２の反射シート（図示せず）にレーザー光を照射してレーザー距離計１から移動体２までのｙ軸上の距離（Ｌ_０）を計測するのが好適である。

この実施態様では、無人走行可能な運搬車（台車）上に該運搬車の進行方向と直交する方向に動きつつ作業する作業機を載せた移動体２において、運搬車に平面ミラー２を設置し、作業機に反射シート４を取付けることで、作業機の位置を正確に計測することが可能となる。

なお、上述した本発明の装置及び方法においては、レーザー光路はいずれも原則として実質的に水平であることを前提とする。したがって、レーザー距離計１からのレーザー光は水平方向に照射され、平面ミラー３や小ミラー６ａ，７ａ，８ａ等でレーザー光を反射させる場合も、レーザー光路が実質的に水平を保つように調整される。かくして本発明で測定される二次元座標上の距離も平面上の距離となる。

本発明によれば、ｘ，ｙ両座標ともレーザー距離計の本来の用途である距離計測によって得られることから、Ｘ軸方向では原理的に２倍の値になるものの測定距離に影響を受けることなく高い精度で計測が可能となる。なお、レーザー光軸と所定の角度をもって設置された反射シートまでの距離計測についても、測定距離によって影響がないことを実験により確認した。
かくして本発明によれば、１台の用いたエコー方式のレーザー距離計と専用の反射シートを用いて、光軸方向（ｙ軸方向）と直角方向（Ｘ軸方向）との座標計測が一方向からのレーザー照射で計測が可能となる。
また、移動体上に平面ミラーと反射シートを線対称に設置する方式では、移動体２の台車部分に平面ミラーを設置し、作業機に反射シートを設置することにより作業機の位置を正確に計測することも可能となる。

以下、本発明により１台のレーザー距離計と反射シートを用いて、移動体のｘ軸、ｙ軸上の距離の距離を計測する場合について、図１〜図３により具体的に説明する。

本発明で使用するレーザー距離計１としては市販のエコー方式のレーザー距離計が使用可能である。このレーザー距離計１は移動体２から離れた座標既知の位置に設置される。移動体２が農業用車両のときは、通常、レーザー距離計１は圃場の外縁部に設置されるが、必ずしも一定位置に固定する必要はなく、必要に応じ、例えばレーザー距離計１を台車上に載せる等して圃場外端部に沿ってｘ軸方向に移動可能に設けてもよい。

移動体２は、例えば圃場内を無人走行する農業用車両等であり、これには図１のように第１の反射シート４がレーザー距離計１からのレーザー光軸に対し所定の角度（θ）で、反射面が鉛直になるよう取付けられている。該反射シート４は、その取付け角度の拘らず入射した光をその方向（進路）へ正確に反射するシートであって、例えば透明なプラスチックシートのベース全面に微細な球面ガラスレンズを塗布し裏面糊付け式としたもの（Ｓｉｃｋ社製「リフレクタ」７６１０）等が好適に使用される。この反射シート４のサイズは適宜選択されるが、一般には、縦（高さ）１００〜１０００ｍｍ、横（幅）２００〜２０００ｍｍが好ましい。
移動体２には、さらに、これとは別の第２の反射シート（図示せず）がレーザー距離計１からレーザー光軸に対して９０度の角度で取付けられている。
この装置では、レーザー距離計１から第１の反射シート４に角度（θ）でレーザー光を当てて距離（Ｌ）を計測し、これとは別に、レーザー距離計１から移動体の正面に貼り付けた第２の反射シートに９０度の角度でレーザー光を当てて距離（Ｌ_０）を計測し、これらの結果から上記式［１］によりｘの値を算出できるようにしている。

図２は、本発明の装置のうち、反射シートを平面ミラーとを組み合わせて計測する例を示す。
この装置では座標既知の所定位置にエコー方式のレーザー距離計１が設置され、移動体２上には平面ミラー３と反射シート４との組み合わせが設置されている。平面ミラー３のサイズは計測の範囲に応じて適宜選択できるが、一般には、縦（高さ）１００〜１０００ｍｍ、横（幅）２００〜２０００ｍｍが好ましい。平面ミラー３は、金属製、ガラス製あるいはプラスチックス製とすることができる。反射シート４は、既に述べたとおり入射した光をその方向（進路）へ正確に反射するシートであって、例えば透明なプラスチックシートのベース全面に微細な球面ガラスレンズを塗布し裏面糊付け式としたもの（Ｓｉｃｋ社製「リフレクタ」７６１０）等が好適に使用される。この反射シート４のサイズは平面ミラー３のサイズに応じて適宜選択されるが、一般には、縦（高さ）１００〜１０００ｍｍ、横（幅）２００〜２０００ｍｍが好ましい。
これらの平面ミラー３及び反射シート４は、図２の概略平面図に示すように、いずれも光の入射角が面に対して４５度となりかつ両者の反射面のなす角度が９０度を形成するようにレーザー光の来る方向に向かって線対称に左右に開いた位置関係に設置される。

平面ミラー３及び反射シート４は隣接して設置することが省スペースの観点から好ましいが、適当な間隔を置いて設置してもかまわない。また、移動体２が、無人で移動可能な台車の上に一方向（例えばｘ軸方向）に直線的に移動（往復を含む）する作業ロボットを載置した構造を有する場合は、平面ミラー３を台車に取付け、反射シート４は作業ロボットの方に取付けることができる。この場合も両者の位置関係は既に述べた条件を満たすべきことは言うまでもない。

一方、平面ミラー３及び反射シート４は、移動体２上に設けた一体の支持体（図示せず）に上述の位置関係を維持しながらほぼ水平に回動し得るように設置することもできる。この場合、移動体２からレーザー距離計１の位置を自動的に検知し、レーザー距離計１から移動体上２の平面ミラー３への光の入射角度が常に４５度を保つように、支持体の回動角度を自動的に調節する機構を備えてもよい。

また、本発明では、図３に示す如く、レーザー距離計１を圃場の外縁部に配置した別の車両又は台車上に設置し、レーザー距離計１からのレーザー光路が水平でかつ圃場の外縁部とほぼ平行となるようにレーザー光を投射し、このレーザー光を進路上に配置した小ミラー７ａで反射・屈折させて平面ミラー３に至るようにしてもよい。

本発明の好適な構成では、レーザー距離計１からほぼ水平に発するレーザー光路に沿って略平行に伸びる１本の水平軸５を設け、この水平軸５に小ミラーブラケット６、７、８を適当な間隔にて異なる位相で（たとえば取付け角を順に１２０度ずらせて）取付け、各々の小ミラーブラケット６、７、８には各１個の小ミラー６ａ、７ａ、８ａをレーザー光が４５度の角度で入射し９０度の角度で反射するように取付けている。この構成では、水平軸５をその軸心を中心として一定角度に回すことにより、上記小ミラー６ａ、７ａ、８ａのうちの１個が選択的にレーザー光路と交わるよう配置される。すなわち、水平軸５をモーター１１或いは手動で回すことによって、レーザー距離計１からのレーザー光を、小ミラーブラケット７上の小ミラー７ａ及び平面ミラー３で屈曲させて反射シート４（第１の反射シートの相当）に至る進路を往復させ距離Ｌを計測する場合と、小ミラーブラケット６又は８上の小ミラー６ａ又は８ａ経由で移動体２の正面左右に貼り付けたＬ_０及び方位角計測用の反射シート９又は１０（第２の反射シートの相当）との間を往復させる場合とを、適宜切り替えることができる。

また、図３の例では、水平軸５を回す操作によって、レーザー光路を屈曲させる小ミラー６ａ、７ａ、８ａの切替えを行っているが、別の手段で小ミラーの位置を変えてレーザー光路の切替えを行ってもよい。また、レーザー距離計１を設置した車両１２又は台車は、移動体２がＸ軸方向へ大きく移動したときは、それに伴ってＸ軸方向に移動させてもよい。
次に、本発明の実験例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれによって何ら限定されるのもではない。

図１に示す計測装置において、移動体２上に反射シート４を、角度（θ）を変えて設置し、エコー式のレーザー距離計１にて距離（Ｌ）を計測した。この際、レーザー距離計１として、測定距離０．１〜１３０ｍ、分解能１ｍｍ、精度±５ｍｍのエコー方式のレーザー距離計で、出力１ｍｗ以下クラスの２つのレーザー光を用いた製品（Ｓｉｃｋ社製、ＤＭＥ２０００）を使用し、反射シート４として、レーザー距離計専用反射シートで透明なプラスチックシートのベース全面に微細な球面ガラスレンズを塗布し，裏面糊付け式としたもの（Ｓｉｃｋ社製「リフレクタ」７６１０）をアクリル板に貼り付けて使用した。反射シート４の大きさは縦１５０ｍｍ×横１００ｍｍとした。
また、移動体２の正面に上記と同じ反射シートを貼り付け、レーザー距離計１からこれにレーザー光軸が直交するようにレーザー光を当てｙ軸方向の距離（Ｌ_０）を計測した。
これらの計測結果から上述の方法で移動体２の二次元座標上の位置を算出した。

その結果を図４のグラフに示した。すなわち、図４のグラフはレーザー距離計１からｙ軸方向に２０ｍ離れて、θ＝４０°（光軸に対する反射シートの設置角度）で設置した反射シートのｘ軸方向移動距離と、上述の計測結果に基いて算出したｘ軸方向距離とを比較して表示したものである。
図４に示す通り、両方の結果に高い相関が認められ、本発明の計測方法で高精度の計測が可能であることが示された。
なお、レーザー光軸に対する反射シート面の角度θ上述のように変更して実験を実施したところ、θ＝４０°の測定結果が最も線形性が高かった。また、使用した反射シート（Ｓｉｃｋ社製「リフレクタ」７６１０）ではθ＝３５°未満では反射光が得られにくくなり、θ＝８５°を超えると測定の精度が若干低下した。
単独で反射シートを用いるこの方法では、レーザー光軸と反射シートのなす角θが３５〜８５度の範囲内で好適な結果が得られることから、設置角度θの選択の幅が広く、装置が簡単であり、かつ高い測定精度が得られる角度を最適化して測定することができる。したがって、簡単にＸ軸方向の位置を測定できるという利点がある。

図２に示すように移動体２上に平面ミラー３と反射シート４とを線対称に取付けた装置を用いて実験を行った。この実験でもレーザー距離計１として、測定距離０．１〜１３０ｍ、分解能１ｍｍ、精度±５ｍｍのエコー方式のレーザー距離計で、出力１ｍｗ以下クラスの２つのレーザー光を用いた製品（Ｓｉｃｋ社製、ＤＭＥ２０００）を使用した。移動体２としては自走式の農業ロボットを使用し、平面ミラー３及び反射シート４をそれぞれ図２の配置で垂直に取付けた。平面ミラー３及び反射シート４としては、いずれも実施例１と同様のものを使用した。
ビニールハウス内で、日射のない曇天の日に計測実験を行った。実験では、レーザー距離計をｙがおよそ２０ｍとなる所定位置に設置し、前記のミラーと反射シートとを図２のような位置関係でそれぞれ鉛直に設置し、ロボットをＸ軸方向に移動させ、レーザー距離計の出力値（Ｌ）を直読した。そして、これを既知の距離Ｌ_０、Ａ、Ｂ、Ｃの値と併せて距離ｘを算出した。

その計測結果を図５のグラフに示した。図５より、レーザー距離計はＸ軸方向の反射シートの位置を出力していることがわかる。求められた回帰曲線から測定値までの偏差の最大値は＋１．１４ｍｍ、−２．２７ｍｍであった。なお、図５のグラフでは、縦軸において１レーザー距離計１の出力値を直に表示している。
この実験結果より、一次元の測定器であるレーザー距離計を用いた一方向からの計測で二次元の座標測定が可能となり、ｘ，ｙ両座標とも同程度の精度が確保されることが確認された。また、ｘ，ｙ座標の相関の強さＲ^２は図５中に示すとおり０．９９７２であった。
このシステムでは、車両のｘ座標および車両に搭載した作業機等のＸ軸方向位置の双方を車両外の既知点からレーザー距離計を移動せずに直接計測できる利点がある。

図３に示す計測装置を用いて、同様の実験を行った。
この装置では、移動体２として無人走行の農業用運搬車（アイデック社製「アグリカート」）を使用し、この運搬車２ａ上に運搬車の走行方向と直角方向（図３では左右方向）に動く作業機２ｂを載せ、前記運搬車２ａのほぼ中央部に図３の上部に示す配置でｘ座標測定用の平面ミラー３を、作業機２ｂに反射シート４を、両者の面方向が常に９０度の角度で交わるよう線対称となるように取付けるとともに、さらに、この運搬車２ａの正面の左右両端に、ｙ座標及び方位角測定用の反射シート９，１０をそれぞれ１枚ずつ貼り付け、レーザー距離計からのレーザー光がそれぞれ反射シート面に対し直角方向に入射するようにした。

一方、この運搬車２ａと離れた位置に別の車両を用意し、これに１台のレーザー距離計１（Ｓｉｃｋ社製「ＤＭＥ２０００」）を載せ、さらに該レーザー距離計１からの光の進路に沿って伸びる１本の水平軸５を設け、この水平軸５に各１個の小ミラーを備える小ミラーブラケット計３個６，７，８を適当な間隔で互いに異なる位相で取付けた。各小ミラーブラケットの小ミラーはレーザー距離計１からの光を受けた時にその光が小ミラー面に４５度の角度で入射しレーザー光進路が９０度の角度で屈曲するよう調整した。また、該水平軸５上の各小ミラーブラケットの取付け位置は、前記運搬車２ａ正面左側の反射シート９、同運搬車上の平面ミラー３、同運搬車正面右側の反射シート１０の位置にそれぞれ対応するよう調整した。これにより、水平軸５をモーター１１で所定角度に回すことによって、まずレーザー距離計１に最も近い小ミラー６ａでレーザーの光路が屈曲して運搬車正面左の反射シート９に光を照射し、次に中央の小ミラー７ａで運搬車上の平面ミラー３に光を照射し、その後レーザー距離計から最も遠い小ミラー８ａで車両正面右の反射シート１０に光を照射した。また、この水平軸５の回転により各小ミラーの角度を変え、反射光の光軸を上下に走査させて、平面ミラー３及び反射シート９，１０にレーザー光が的確に投射されるよう調整した。

実験では、広い床面積をもつハウス内で、最初は運搬車２ａをレーザー距離計１を載せた車両１２の１ｍ前方に置き、この車両を前方へ１ｍ間隔で２０ｍまで移動させて、図３の計測装置で位置及び方位計測を行った。
このとき、計測装置の性能評価を行うために、車両停止時の車両内の標準位置２点を床面に投射しスケールにて停止位置の座標を測定し、車両の位置・方位を算出した。
本発明の装置による車両位置の計測結果と床面に投射し測定した場合の結果との誤差を調べたところ、ｘ、ｙの位置計測に関しては約１ｃｍの誤差範囲内にあり、方位角については約１度の誤差範囲であることが確認された。

本発明によれば、離れた位置に設置した１台のレーザー距離計で移動体の二次元座標を高精度で計測できるので、例えば、圃場内を無人で走行する農業用ロボット車両、具体的には、トラクター、田植え機、収穫機等、の現在位置を圃場外から計測して正確にロボットのリモートコントロールを実施することが可能となる。
上述の説明では、圃場内を無人走行する農業用ロボット車両を中心に説明したが、本発明は、これ以外にも各種製造業、加工業、建設業等で使用する作業用ロボット、各種の搬送用ロボット、競技場等の各種作業用ロボット、遊具、水面に浮べたブイ等移動する物体の位置計測に広範囲に利用することができる。

本発明に係る二次元座標計測を、反射シートを使用して実施する場合の原理を示す概略平面図 本発明に係る二次元座標計測を、平面ミラーと反射シートとの組み合わせを使用して実施する場合の原理を示す概略平面図 本発明の特に好適な実施形態を例示する概略平面図

Claims (18)

1. 移動体から離れた既知座標に設置した１台のレーザー距離計により前記移動体の二次元座標位置を計測する装置であって、前記移動体上に、反射シートをレーザー光軸と反射シート面とが９０度未満の角度で交わるように鉛直に設置し、前記レーザー距離計から前記反射シートのレーザー光反射点までの距離を計測し、それを別途計測した前記レーザー距離計から前記移動体までの距離と併せることにより、前記移動レーザー光軸からの変位距離を検出し、それにより移動体の二次元座標計測を可能にしたことを特徴とする移動体位置計測装置。
2. 反射シートを、レーザー光軸と反射シート面とのなす角度（θ）が３５〜８５度の範囲内の所定角度となるように鉛直に設置したことを特徴とする請求項１に記載の移動体位置計測装置。
3. 前記反射シートを、その一方の端部を軸として回動自在に設置し、前記反射シートの回動によってレーザー光軸と反射シート面とのなす角度（θ）が前記所定角度となる位置での距離計測及びレーザー光軸と反射シート面とのなす角度（θ）が９０度となる位置での距離計測を可能としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の移動体位置計測装置。
4. 前記移動体に、レーザー光軸と反射シート面とのなす角度（θ）が前記所定角度となるように設置した前記反射シートのほかに、レーザー光軸と反射シート面とのなす角度が９０度となるように別の反射シートを設け、後者の反射シートにより前記レーザー距離計から前記移動体までの距離を計測するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の移動体位置計測装置。
5. 前記レーザー距離計と前記反射シートのとの間のレーザー光の進路に、レーザー光軸に対して４５度の角度でミラーを設置し、該ミラーによりレーザー光の進路を９０度屈曲させるようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の移動体位置計測装置。
6. 移動体から離れた既知座標に設置した１台のレーザー距離計により前記移動体の位置を計測する装置であって、前記移動体上に、前記レーザー距離計から発したレーザー光を４５度の角度で入射し該入射角に対して９０度の角度で反射する平面ミラーと前記平面ミラーの面と直交する面を有しかつ前記平面ミラーからの入射光を入射方向と同方向に反射して前記平面ミラーに入射角４５度で再入射させる反射シートとを、それぞれの反射面が互いに線対象となるよう鉛直に設置し、前記レーザー距離計からのレーザー光を前記平面ミラー面で９０度の角度で反射させて前記反射シートに到達させるとともに、前記反射シート面で反射したレーザー光を再度前記平面ミラー面を経て前記レーザー距離計に戻すことにより得られる測定距離と、別途計測したレーザー距離計から移動体までの距離とを併せることにより、前記移動レーザー光軸からの変位距離を検出し、それにより移動体の二次元座標計測を可能にしたことを特徴とする移動体位置計測装置。
7. 前記移動体が無人で走行する車両であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の移動体位置計測装置。
8. 前記車両が圃場内を無人で走行する農業用ロボット車両であることを特徴とする移動体の請求項７に記載の移動体位置計測装置。
9. 前記移動体が、圃場を自動走行可能な台車部と該台車部の移動方向と直交する方向に直線的に移動可能な作業機部とからなり、前記台車部に前記平面ミラーを設置するとともに前記作業機部に前記反射シートを設置して、前記作業機部の二次元座標を計測するようにしたことを特徴とする請求項６に記載の移動体位置計測装置。
10. 前記移動体上に、１個の支持体を鉛直に設置し、該支持体に前記平面ミラー及び前記反射シートをそれぞれの反射面のなす角が９０度となるように線対称に取付けたことを特徴とする移動体の請求項６又は請求項８のいずれかに記載の移動体位置検出装置。
11. 小ミラーを、前記レーザー距離計からのレーザー光進路と交わる位置に配置し、前記レーザー光を一旦前記小ミラー面で反射させ前記レーザー光進路を屈曲させた後、前記平面ミラー面に４５度の角度で入射させるようにしたことを特徴とする請求項６、請求項９又は請求項１０のいずれかに記載の移動体位置検出装置。
12. 複数個の前記小ミラーを、そのうちの１個は前記レーザー光の進路上に位置したとき前記レーザー距離計からのレーザー光を９０度の角度で反射して前記平面ミラーに４５度の角度で入射するように設置するとともに、他の少なくとも１個は前記進路上に位置したとき前記レーザー距離計からのレーザー光を９０度の角度で反射して前記移動体の正面端部に取付けた別の反射シートに９０度の角度で入射するように設置し、かつ前記前記２種の小ミラーのいずれか一方を選択的に前記進路上に位置させる切替え手段を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の移動体位置検出装置。
13. それぞれ前記小ミラーを備える小ミラーブラケットの複数個を、軸方向に回転可能な１本の軸にそれぞれ位相を異ならせて設け、前記軸の回転によって前記小ミラーのいずれか１個が選択的に前記レーザー光進路上に位置するようにしたことを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の移動体位置検出装置。
14. 軸方向に回転可能な１本の軸に平面ミラーである前記小ミラーを備える小ミラーブラケットを設け、前記軸の回転によってレーザー光軸を上下方向に走査することを可能にし、レーザー距離計の照射目標である反射シートの捕捉を容易にしたことを特徴とする請求項１０〜請求項１３のいずれかに記載の移動体検出装置。
15. 移動体から離れた既知座標に設置した１台のレーザー距離計により前記移動体の二次元座標位置を計測する方法であって、前記移動体上に、レーザー光軸と反射シート面とのなす角度（θ）が０度を越えかつ９０度未満となるように反射シートを鉛直に設置し、前記レーザー距離計から前記反射シートのレーザー光反射点までの距離を計測し、その距離（Ｌ）と、別途計測した前記レーザー距離計から前記移動体原点までの距離（Ｌ_０）と、前記移動体の原点から反射シート原点までのｘ軸方向の距離（Ａ）とから、下記式［１］によりｘ軸方向の変位距離を算出し、それにより移動体の二次元座標計測を行うこと特徴とする移動体位置計測方法。
    ｘ＝Ａ−（Ｌ−Ｌ_０−Ｃ）ｔａｎθ ［１］
    （上記式［１］において、
    ｘはレーザー照射方向と直交する方向への変位距離、
    Ａは移動体原点から反射シート原点までのｘ軸方向の距離
    Ｌはレーザー距離計から反射シートまでの距離、
    Ｌ_０は別途計測したレーザー距離計から移動体原点までの距離、
    Ｃは移動体原点から反射シート原点までのｙ軸方向の距離
    を示す。）
16. 前記反射シートをその一方の端部を軸として回動自在に設置し、前記反射シートをレーザー光軸と反射シート面とのなす角度（θ）が前記所定角度になる位置で前記距離Ｌを計測し、レーザー光軸と反射シート面とのなす角度（θ）が９０度となる位置で前記距離Ｌ_０を計測することを特徴とする請求項１５記載の移動体位置計測方法。
17. 移動体から離れた既知座標に設置した１台のレーザー距離計により前記移動体の位置を計測する方法であって、前記移動体上に、前記レーザー距離計から発したレーザー光を４５度の角度で入射し該入射角に対して９０度の角度で反射する平面ミラーと該平面ミラーの面と直交する面を有しかつ前記平面ミラーからの入射光を入射方向と同方向に反射して前記平面ミラーに入射角４５度で再入射させる反射シートとを、それぞれの反射面が互いに線対象となるよう鉛直に配置し、前記レーザー距離計からのレーザー光を前記平面ミラー面で９０度の角度で反射させて前記反射シートに到達させるとともに、前記反射シート面で反射したレーザー光を再度前記平面ミラー面を経て前記レーザー距離計に戻すことにより得られるレーザー距離計と反射シートの反射点までの測定距離（Ｌ）と、別途計測したレーザー距離計から前記移動体までの距離（Ｌ_０）とを併せることにより、前記移動体のレーザー光軸からの変位距離を検出し、下記の数式［２］により、レーザー光軸に対する前記移動体の左右の変位距離ｘを算出し、前記移動体の二次元座標（ここで、レーザー距離計の光軸方向をｙ軸、光軸に対し直角方向をｘ軸とする）を計測することを特徴とする移動体位置計測方法。
    ｘ＝Ｌ−Ｌ_０−Ｃ−Ｂ＋Ａ ［２］
    （ただし、上記式［２］において、
    ｘはレーザー照射方向と直交する方向への変位距離、
    Ｌは平面ミラーを介して計測した反射シートまでの距離、
    Ｌ_０は別途計測した移動体原点までの距離、
    Ａは移動体原点から反射ミラー原点までのｘ軸方向の距離、
    Ｂは反射ミラー原点から反射シート原点までの距離、
    Ｃは移動体原点から反射シート原点までのｙ方向の距離、
    を示す。）
18. 前記移動体に、レーザー光軸と反射シート面とのなす角度（θ）が１０〜８０度となるように設置した前記反射シートのほかに、レーザー光軸と反射シート面とのなす角度が９０度となるように別の反射シートを設け、前記距離（Ｌ）の計測とは別に、これにレーザー光を照射して前記レーザー距離計から前記移動体原点までの距離（Ｌ_０）を計測することを特徴とするは請求項１７に記載の移動体位置計測方法。

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