JP2005221330A - Distance calibration method of range sensor - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光やLED光を回転ミラーでスキャニングして被投射体までの距離を計測するスキャナ型レンジセンサの距離較正方法に関する。 The present invention relates to a distance calibration method for a scanner-type range sensor that scans laser light or LED light with a rotating mirror and measures the distance to a projection target.
工場等の床上を無軌道に走行する無人搬送車(AGV)や掃除ロボットなどに搭載されるスキャナ型レンジセンサ(距離計測センサ)の基本構造を図5に示し、このレンジセンサの距離計測に適用される典型的なAM変調方式光波距離計測法を図6で説明する。 The basic structure of a scanner-type range sensor (distance measurement sensor) mounted on an automated guided vehicle (AGV) or a cleaning robot that runs on a floor in a factory or the like is shown in FIG. 5 and applied to the distance measurement of this range sensor. A typical AM modulation type light wave distance measuring method will be described with reference to FIG.
図5のレンジセンサ11は、上下に同軸に配置された投光光学系1と受光光学系2をモータ3で高速回転させて投光光学系1からレーザ光やLED光の投射光A1を図示しない回転ミラーを使って水平方向に360度スキャニングし、周辺の二次元エリアにある被投射体10からの反射光A2を受光光学系2で受光して受光回路4に出力し、距離演算回路5で演算して距離Lを計測する。投光光学系1の投光回路6で投射光A1をある一定の周波数で変調し、変調した信号の位相と、被投射体10からの反射光A2の位相との差から距離Lを計測する。すなわち、特定の周波数で変調された光が被投射体10に当たって反射して帰ってきた場合、図6に示すように光の速度と距離により位相差φを持つ。その位相差φの値は光の速度と距離Lに依存するため、位相差φを検出することで距離Lが計測される。従って、周波数変調された投射光A1を回転ミラーにより水平旋回させて360度スキャニングすることにより二次元エリアの距離計測ができる。また、投射光A1を360度スキャニングしつつ上下方向角度を連続的に増減させることにより、三次元エリアの距離計測も可能である。 The range sensor 11 of FIG. 5 illustrates the projection light A1 of laser light or LED light from the light projecting optical system 1 by rotating the light projecting optical system 1 and the light receiving optical system 2 arranged coaxially in the vertical direction with a motor 3 at high speed. Scanning is performed 360 degrees in the horizontal direction using the rotating mirror, and the reflected light A2 from the projection object 10 in the peripheral two-dimensional area is received by the light receiving optical system 2 and output to the light receiving circuit 4 to be output to the distance calculating circuit 5 The distance L is measured by calculation. The projection light A1 is modulated at a certain frequency by the projection circuit 6 of the projection optical system 1, and the distance L is measured from the difference between the phase of the modulated signal and the phase of the reflected light A2 from the projection target 10. . That is, when the light modulated at a specific frequency hits the projection object 10 and returns, the phase difference φ is caused by the speed and distance of the light as shown in FIG. Since the value of the phase difference φ depends on the speed of light and the distance L, the distance L is measured by detecting the phase difference φ. Accordingly, the distance of a two-dimensional area can be measured by horizontally rotating the frequency-modulated projection light A1 by a rotating mirror and scanning 360 degrees. Further, the distance in the three-dimensional area can be measured by continuously increasing and decreasing the vertical angle while scanning the projection light A1 by 360 degrees.
二次元エリアの距離計測を行う2Dレンジセンサの検出距離は、演算回路側で予め最大とする距離が決められている。例えば、1.5mの最大検出距離を持つ2Dレンジセンサにおいては、図7の破線で示すように、レンジセンサの全周囲1.5mが検出エリアE1で、この検出エリアE1にある被投射体までの距離を計測して表示する。この種のレンジセンサにおいては、最大検出距離の約2倍の検出エリアE1外の二次元の検出可能エリアE2の被投射体をも検出できる光量余裕度を持ち、距離検出動作の安定性を保証するようにしてある。また、図7に示される2Dレンジセンサの360度スキャニングする1スキャン時での1ステップ角θは例えば0.5°であり、1スキャン時間は25msである。 As the detection distance of the 2D range sensor that measures the distance of the two-dimensional area, the maximum distance is determined in advance on the arithmetic circuit side. For example, in a 2D range sensor having a maximum detection distance of 1.5 m, as shown by a broken line in FIG. 7, the entire circumference of the range sensor is 1.5 m from the detection area E1, up to the projection object in the detection area E1. Measure and display the distance. This type of range sensor has a light intensity margin that can detect a projection object in a two-dimensional detectable area E2 outside the detection area E1 that is about twice the maximum detection distance, and guarantees the stability of the distance detection operation. I have to do it. In addition, one step angle θ at the time of one scan for scanning 360 degrees of the 2D range sensor shown in FIG. 7 is 0.5 °, for example, and one scan time is 25 ms.
また、AM変調方式のスキャナ型レンジセンサの場合、被投射体の反射率により距離演算特性が大きく影響を受ける。特にミラーやステンレスのような反射率の高い被投射体からの反射は、360度以上の位相差を検出する最大検出距離を越える遠距離からも強い反射光が帰ってきて、位相差が360度以上の距離になると0度(近距離)と区別がつかなくなり、投射光の周波数が1種類では距離演算を間違うことが多い。そこで、投射光を異なる複数の周波数で変調し、それぞれの周波数で演算した距離が一致したときに最終的な計測距離を出力している。通常、投射光が360度スキャニングする1スキャン毎に周波数を変えて各ステップでの距離演算をし、各スキャン時における同じミラー角度の検出位置での距離が一致しているかどうかをチェックするようにしている。この場合、使用する周波数の種類が多くなるほど誤動作する確率が下がるが、距離計測時間が長くなり、応答速度が低下することから、2Dスキャナ型レンジセンサにおいては2種類の周波数を使用するのが通常である。 In the case of an AM modulation type scanner type range sensor, the distance calculation characteristic is greatly affected by the reflectance of the projection target. In particular, reflection from a high-reflectance projection object such as a mirror or stainless steel returns strong reflected light from a long distance exceeding the maximum detection distance for detecting a phase difference of 360 degrees or more, and the phase difference is 360 degrees. When the distance becomes the above, it cannot be distinguished from 0 degrees (short distance), and the distance calculation is often wrong when the frequency of the projection light is one. Therefore, the projection light is modulated at a plurality of different frequencies, and the final measurement distance is output when the distances calculated at the respective frequencies coincide. Normally, the distance is calculated at each step by changing the frequency for each scan in which the projected light scans 360 degrees, and it is checked whether the distances at the same mirror angle detection position at each scan match. ing. In this case, although the probability of malfunctioning decreases as the number of types of frequencies used increases, the distance measurement time increases and the response speed decreases, so it is normal to use two types of frequencies in a 2D scanner type range sensor. It is.
2種類の周波数を使用したスキャナ型2Dレンジセンサは、1スキャン毎に周波数を交互に変え、1回目のスキャン時の周波数で演算した距離と2回目のスキャン時の周波数で演算した距離が一致したときに計測距離のデータを出力するようにしている。そのため、一致演算のための1回目と2回目の計2回のスキャンと、被投射体とスキャンのタイミングずれ分の1スキャンを加えて、1ステップで計測に要する応答時間は3スキャンであり、1スキャン時間25msの2Dレンジセンサの応答時間は75msとなる。 The scanner-type 2D range sensor that uses two types of frequencies alternately changes the frequency for each scan, and the distance calculated by the frequency at the first scan coincides with the distance calculated by the frequency at the second scan. Sometimes the measurement distance data is output. Therefore, a total of two scans, the first and second for the coincidence calculation, and one scan corresponding to the timing difference between the projection object and the scan, the response time required for measurement in one step is 3 scans, The response time of a 2D range sensor with one scan time of 25 ms is 75 ms.
また、AM変調方式のスキャナ型レンジセンサは、投光回路や投光光学系、受光光学系や受光回路などの各種の回路部品の定数や、これら部品の特に温度特性のばらつきを補正するため、1スキャン時にリアルタイムで距離較正を行うようにしている。例えば、レーザダイオードに電流を流して発光させる際の発光電流に対する発光遅れや、反射光を受光して位相演算する受光アンプや位相比較回路の応答遅れなどの各種の特性にばらつきがあり、このばらつきが計測距離に影響を与える。各スキャン時に計測距離をリアルタイムに較正することなく計測を継続させると、回路部品の温度特性のばらつきなどで計測値の誤差が累積し、計測値の信頼性が低下する。そこで、1スキャン毎に所定の1ステップの検出位置で距離較正を、例えば図8に示す光路変更手段7を使って次のように行っている。 In addition, an AM modulation type scanner range sensor corrects constants of various circuit components such as a light projecting circuit, a light projecting optical system, a light receiving optical system, and a light receiving circuit, and particularly variations in temperature characteristics of these components. The distance calibration is performed in real time during one scan. For example, there are variations in various characteristics such as a delay in emission with respect to the emission current when a laser diode is caused to emit light, and a response delay in a light receiving amplifier and phase comparison circuit that receives reflected light and performs phase calculation. Affects the measurement distance. If measurement is continued without calibrating the measurement distance in real time during each scan, errors in the measurement value accumulate due to variations in the temperature characteristics of the circuit components, and the reliability of the measurement value decreases. Therefore, distance calibration is performed at the detection position in a predetermined step for each scan using, for example, the optical path changing means 7 shown in FIG.
図8は、レーザダイオードD1からの投射光(レーザ光)A1をレンズB1を介して被投射体10に投射し、反射光A2をレンズB2を介してフォトダイオードD2で受光するレンジセンサの概要が示される。この場合、投射光A1の光軸内に反射ミラーや偏光素子、光ファイバー(例えば、特許文献1参照)などの光路変更手段7を配置する。距離較正以外のときは、投射光A1による反射光A2をフォトダイオードD2で受光し、このフォトダイオードD2の受光信号とレーザダイオードD1の発光信号との位相を比較し、その位相差φ1を演算して計測距離を出力する。この距離計測が1スキャンの1ステップを除く各ステップで連続して行われ、較正するための1ステップのところで光路変更が行われて、距離較正のための基準値演算が行われる。この基準値演算は、光路変更手段7でレーザダイオードD1からのレーザ光A1をレンズB1に通すことなく直接的にフォトダイオードD2に入光させる光の閉ループを使用して行われる。つまり、光路変更手段7により光路変更されてできる光の閉ループによる実質的な0mの基準値計測のための受光信号の位相と、レーザダイオードD1の発光信号との位相を比較し、その位相差φ2を演算する。そして、実質的な計測値に使用する位相差φを、前者実測時の位相差φ1と0mの後者基準値計測時の位相差φ2の差[φ=φ1−φ2]と定義して、1スキャン時の各ステップでの距離較正を行うようにしてる。
上記の距離較正方法のように、レンジセンサ内部に光路変更手段を使って光の閉ループを形成し、その閉ループ内の距離を0mに相当する基準値として使用し、実測距離を基準値に対して較正をかけて距離を演算する場合、レーザダイオードやフォトダイオードを含め位相差演算に使用する回路部品が、距離演算と距離較正と共に同一部品を使用するために、部品の特性上のばらつきは完全に補正することができて、距離較正が高性能に行われ、距離演算性能を高くすることができる。 As in the above distance calibration method, a closed loop of light is formed using the optical path changing means inside the range sensor, the distance in the closed loop is used as a reference value corresponding to 0 m, and the actually measured distance is compared with the reference value. When calculating distances with calibration, the circuit components used for phase difference calculation including laser diodes and photodiodes use the same components together with distance calculation and distance calibration. Correction can be performed, distance calibration can be performed with high performance, and distance calculation performance can be improved.
しかし、回転ミラーなどによる360度スキャナ方式のレンジセンサの場合、1スキャン時の特定のステップの検出位置において光路変更手段を光軸に入れて一時的に光路変更を行うため、0m位相差検出のステップの検出エリアは距離計測ができない検出エリア抜けとなり、これが実質的な360度全方向の検出を難しくしていた。 However, in the case of a 360-degree scanner type range sensor using a rotating mirror or the like, the optical path changing means is temporarily inserted into the optical axis at the detection position of a specific step during one scan, so that the 0 m phase difference detection is performed. The detection area of the step becomes a missing detection area where the distance cannot be measured, which makes it difficult to detect substantially 360 degrees in all directions.
また、検出エリア抜けでの距離計測を次の1スキャン時に行うことで、応答が1スキャン分遅れて応答時間が4スキャン分必要となり、レンジセンサの計測特性に影響が出ることがある。例えば、床上を平行に高速移動しているレンジセンサの前方の検出エリア外に被投射体が存在していて、この被投射体がレンジセンサの移動で検出エリア内に入る場合、上述の1スキャンの応答遅れは実質上に無視できない影響を与えることがある。 In addition, if the distance measurement without the detection area is performed during the next one scan, the response is delayed by one scan and the response time is required for four scans, which may affect the measurement characteristics of the range sensor. For example, when the projection target exists outside the detection area in front of the range sensor moving in parallel at high speed on the floor, and the projection target enters the detection area by the movement of the range sensor, the above-described one scan is performed. The response delay may have a non-negligible effect.
本発明はかかる現状に鑑みなされたもので、その目的は、実質的に応答遅れを起さないでスキャニング全方向の距離計測を容易にするレンジセンサの距離較正方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the present situation, and an object of the present invention is to provide a distance sensor distance calibration method that facilitates distance measurement in all scanning directions without causing a response delay substantially.
上記目的を達成する本発明方法は、所定のステップ角でスキャニングした投射光と被投射体からの反射光との位相差から被投射体までの距離を計測するレンジセンサの距離較正方法であって、1スキャン時に反射光レベルが最も低い位置を検出してその検出位置を記憶し、次の1スキャン時に先の1スキャン時で記憶した検出位置での1ステップ時に投射光の外部への投射を中断し、レンジセンサ内部に設けた光の閉ループを使用して、他ステップでの計測距離を較正するための基準値を演算することを特徴とする。 The method of the present invention that achieves the above object is a distance calibration method of a range sensor that measures the distance to a projection object from the phase difference between the projection light scanned at a predetermined step angle and the reflected light from the projection object. The position where the reflected light level is the lowest at one scan is detected and the detected position is memorized, and the projection light is projected to the outside at one step at the detection position memorized at the previous one scan at the next one scan. A reference value for calibrating the measurement distance in another step is calculated using a closed loop of light provided inside the range sensor.
ここでのレンジセンサは、1スキャン毎に、又は、1ステップ毎に投射光を異なる複数種類の周波数で順番に変調するAM変調方式や、1ステップの投射光を2種類の周波数で変調した2周波をミキシングして同時発光させたものとし、この投射光による反射光を受光する光学系で2周波をフィルタ(デジタルフィルタなど)で分離するようにしたAM変調方式が適用される。この場合、周波数種類が少ないほどに距離検出の応答性が良いことから、周波数は最小の2周波数が有効である。また、1スキャン時に反射光レベルが最も低い検出位置とは、検出エリアや検出可能エリアに被投射体が無いエリアか、反射率の極めて低い被投射体が存在して、距離計測しても計測値が不安定で信頼性に欠けるエリアに相当し、このレベル検出された検出位置での1ステップ時に距離較正用基準値を算出する実質的な距離較正動作をする。距離較正用基準値は、距離較正を容易にする0mが典型的である。また、距離較正動作をする1ステップの検出位置は、実質的な距離計測をしない検出エリア抜けの位置になるが、このエリアは元々に高い信頼度で検出しなくてもよいエリアであるので実質的な問題は生じない。最も反射光レベルが低い検出位置以外の、つまり、反射光レベルが高い他の検出位置は、検出エリアや検出可能エリアに被投射体があって、高信頼度で距離計測を行う必要性の高い、従って、応答遅れが生じると困るエリアであり、このエリアで距離較正動作をしないので応答時間遅れが生じる虞が無い。 Here, the range sensor is an AM modulation method in which the projection light is sequentially modulated with a plurality of different frequencies for each scan or for each step, or one step of the projection light is modulated with two types of frequencies. The AM modulation method is applied in which two frequencies are separated by a filter (digital filter or the like) in an optical system that receives the reflected light by the projection light, and that the frequencies are mixed and simultaneously emitted. In this case, the smaller the frequency type, the better the response of distance detection, so the minimum two frequencies are effective. The detection position with the lowest reflected light level during one scan is an area where there is no projection object in the detection area or the detectable area, or there is a projection object with extremely low reflectivity, and it is measured even if the distance is measured. This corresponds to an area where the value is unstable and lacks reliability, and a substantial distance calibration operation is performed to calculate a distance calibration reference value at one step at the detected position where the level is detected. The reference value for distance calibration is typically 0 m that facilitates distance calibration. In addition, the detection position of one step for performing the distance calibration operation is a position where the detection area is not actually measured, but since this area is originally an area that does not need to be detected with high reliability, it is substantially the same. No problems arise. Other than the detection position with the lowest reflected light level, that is, the other detection positions with the higher reflected light level, there is a projection object in the detection area or detectable area, and there is a high need for distance measurement with high reliability. Therefore, this is an area where a response delay occurs, and since there is no distance calibration operation in this area, there is no possibility of a response time delay occurring.
また、距離較正用基準値を演算するためにレンジセンサ内部に設けた光の閉ループは、検出エリアに投射される投射光の光路を一時的に変更させて形成した閉ループか、投射光を発光する光源と別で投射光と同質の光を発光する較正専用の第2の光源を使って形成した閉ループが適用できる。 The closed loop of light provided inside the range sensor for calculating the distance calibration reference value is a closed loop formed by temporarily changing the optical path of the projected light projected to the detection area, or emits the projected light. A closed loop formed by using a second light source dedicated for calibration that emits light of the same quality as the projection light can be applied.
本発明においては、距離較正用基準値を演算する1ステップの検出位置の両隣2ステップの距離計測値の平均値を、基準値を演算する1ステップの検出位置での計測値とすることが望ましい。このように距離較正用基準値を演算するための1ステップの検出位置の距離を計測することで、検出位置の距離計測が応答遅れなく構成簡単にして行うことができて、実質的に応答遅れのないスキャニング全方向の距離計測が容易なレンジセンサとすることができる。ここでのスキャニング全方向とは、360度全方向の他、360度より小さく設定されたスキャニング角度においてはその角度内の全方向を含む。 In the present invention, it is desirable that the average value of the distance measurement values of the two steps adjacent to the one-step detection position for calculating the distance calibration reference value is the measurement value at the one-step detection position for calculating the reference value. . By measuring the distance of the detection position in one step for calculating the reference value for distance calibration in this way, the distance measurement of the detection position can be easily performed without a response delay, and the response delay is substantially achieved. It is possible to provide a range sensor that can easily measure the distance in all scanning directions. Here, the scanning all directions include all directions within 360 degrees in a scanning angle set smaller than 360 degrees in addition to all directions of 360 degrees.
また、上記目的を達成する別の本発明方法は、被投射体に対して相対移動しながら所定のステップ角でスキャニングした投射光と被投射体からの反射光との位相差から被投射体までの距離を計測するレンジセンサの距離較正方法であって、被投射体に対するレンジセンサの相対移動方向と反対方向の1ステップ時に投射光の外部への投射を中断し、レンジセンサ内部に設けた光の閉ループで他ステップでの距離較正用基準値を演算する方法である。 Further, another method of the present invention for achieving the above object is that the phase difference between the projection light scanned at a predetermined step angle and the reflected light from the projection object while moving relative to the projection object to the projection object. A distance sensor distance calibration method for measuring the distance of the light, which is provided inside the range sensor by interrupting projection of the projection light to the outside during one step in the direction opposite to the relative movement direction of the range sensor with respect to the projection target. This is a method of calculating a reference value for distance calibration in another step in the closed loop.
ここでのレンジセンサは、無人搬送車や掃除ロボットなどの移動体に装備される移動式レンジセンサや、定位置に設置されて周囲で接近離反移動する動体との距離を計測する固定式レンジセンサである。前者移動式レンジセンサの場合、床上を前後左右の任意方向に移動する移動体の移動方向の前方向と反対側の後方向の1ステップ時に0mの距離較正用基準値演算を行うようにする。無人搬送車のような移動体の移動方向の前方向にある検出エリアでの応答遅れは問題となるが、反対の後方向での応答遅れは実質的に問題とならないため、後方向で距離較正動作をするようにすると、移動体がいずれの方向に移動しても、実質的な検出エリアでの応答遅れの心配が無く、問題とならない。また、後者固定式レンジセンサの場合、レンジセンサに対する動体の移動方向を検知して、その反対方向で距離較正動作を行うようにすればよい。 The range sensor here is a mobile range sensor installed in a moving body such as an automated guided vehicle or a cleaning robot, or a fixed range sensor that measures the distance from a moving body that is installed at a fixed position and moves close to and away from it. It is. In the case of the former movable range sensor, the reference value calculation for distance calibration of 0 m is performed at one step in the backward direction opposite to the forward direction of the moving direction of the moving body moving on the floor in the forward / backward / left / right arbitrary direction. Response delay in the detection area in the forward direction of the moving body of a moving body such as an automated guided vehicle is a problem, but the response delay in the opposite backward direction is not a problem, so distance calibration in the backward direction If the operation is performed, no matter what direction the moving body moves, there is no fear of a substantial response delay in the detection area, and there is no problem. In the case of the latter fixed range sensor, the moving direction of the moving body with respect to the range sensor may be detected, and the distance calibration operation may be performed in the opposite direction.
本発明方法によれば、スキャン型のレンジセンサの距離較正のための基準値計測を、検出エリアの最も反射光レベルの低い最も応答遅れが問題とならない検出位置、又は、移動する移動体の移動方向と反対の後方の応答遅れが問題とならない位置で行うため、実質的に応答遅れを起さないスキャニング全方向の距離計測が容易となり、無人搬送車や掃除ロボットのような高速で移動する移動体に適する効果がある。 According to the method of the present invention, the reference value measurement for the distance calibration of the scan-type range sensor is performed, the detection position where the response level with the lowest reflected light level is the lowest in the detection area, or the movement of the moving moving body Because it is performed at a position where the response delay behind the opposite direction does not matter, it is easy to measure the distance in all scanning directions without causing a response delay, and movement that moves at high speed like an automated guided vehicle or a cleaning robot There is an effect suitable for the body.
以下、本発明方法の実施の形態を図1〜図4を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the method of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1を参照して本発明の第1の距離較正方法を説明する。360度スキャン型2Dレンジセンサ11は、例えば半径1.5mの検出エリアE1と、この検出エリアE1の2倍強の半径の検出可能エリアE2を有する。レンジセンサ11が水平な360度全方向に0.5°のステップ角で周波数変調したレーザ光をスキャニングして、0.5°間隔の各ステップ位置で反射光との位相差を演算し、被投射体10との距離を計測する。レーザ光の周波数は2種類で、1スキャン毎に切り換えて連続する2スキャンにおける各ステップでの計測値が一致したときに正しい計測値と判断して出力する。このような計測法は従来同様であることから、詳細説明は省略する。 The first distance calibration method of the present invention will be described with reference to FIG. The 360 degree scan type 2D range sensor 11 has, for example, a detection area E1 having a radius of 1.5 m and a detectable area E2 having a radius slightly more than twice that of the detection area E1. The range sensor 11 scans a laser beam frequency-modulated at a step angle of 0.5 ° in all 360 ° horizontal directions, calculates a phase difference from the reflected light at each step position at intervals of 0.5 °, and The distance from the projecting body 10 is measured. There are two types of laser beam frequencies. When the measurement values at each step in two consecutive scans are switched for each scan, the measurement values are judged to be correct and output. Since such a measurement method is the same as the conventional method, detailed description thereof is omitted.
図1の曲線LLは、1スキャン時における反射光レベルを模擬的に示したもので、大小様々な連続したレベルとなって現れる。この1スキャン時における反射光レベルLLの最も低いレベルをLaとすると、この最も低い反射光レベルLaの検出位置(回転ミラーの角度)を記憶して、2回目の1スキャン時に1回目で記憶した検出位置の1ステップS1のときに距離較正用基準値を求める距離較正動作をする。即ち、レンジセンサ11から外部への投射光の投射を中断して、レンジセンサ内部に設けた光の閉ループを使用して0mの基準値演算をする。このときの閉ループは、例えば図3又は図4の回路構成のものが有効である。 A curve LL in FIG. 1 schematically shows the reflected light level in one scan, and appears as continuous levels of various sizes. Assuming that the lowest level of the reflected light level LL at the time of this one scan is La, the detection position (rotation mirror angle) of this lowest reflected light level La is stored and stored at the first time during the second first scan. A distance calibration operation is performed to obtain a reference value for distance calibration at one step S1 of the detection position. That is, the projection of the projection light from the range sensor 11 to the outside is interrupted, and the reference value calculation of 0 m is performed using the light closed loop provided inside the range sensor. As the closed loop at this time, for example, the circuit configuration shown in FIG. 3 or 4 is effective.
図3は、光ファイバー又は導光体で閉ループ28を構成したレンジセンサ11が示される。レーザ駆動回路20でレーザダイオード21を所定の周波数で発光させ、その投射光A1がレンズ22を通して被投射体10に投射され、反射光A2がレンズ23を通して距離計測用フォトダイオード24で受光される。受光信号は切り替え回路25を介して受光アンプ回路26に入力され、受光信号の位相と投射光A1の位相が位相比較回路27で比較されて、位相差φ1が演算され、距離が計測される。 FIG. 3 shows the range sensor 11 in which the closed loop 28 is formed of an optical fiber or a light guide. The laser drive circuit 20 causes the laser diode 21 to emit light at a predetermined frequency, the projection light A 1 is projected onto the projection target 10 through the lens 22, and the reflected light A 2 is received by the distance measurement photodiode 24 through the lens 23. The light reception signal is input to the light reception amplifier circuit 26 via the switching circuit 25, the phase of the light reception signal and the phase of the projection light A1 are compared by the phase comparison circuit 27, the phase difference φ1 is calculated, and the distance is measured.
一方、距離計測用フォトダイオード24と特性が同じ0m計測用フォトダイオード29とレーザダイオード21を閉ループ28で光結合する。レンジセンサ内部の閉ループ28の長さは、検出エリアに比べ極短くて0mと定義できる。図1で2回目の1スキャン時において、距離較正動作をする1ステップS1のときだけレーザダイオード21の光を閉ループ28に通して0m計測用フォトダイオード29に直接に送る。切り替え回路25を切り替えてフォトダイオード29の受光信号を受光アンプ26に送り、この受光信号の位相とレーザダイオード21の光の位相を位相比較回路27で比較して、距離較正用基準値となる位相差φ2を演算する。そして、実質的な計測値に使用する位相差φ=φ1−φ2と定義して、1スキャン時の各ステップでの距離較正を行う。この場合、計測用フォトダイオード24と0m計測用フォトダイオード29の特性、特に温度特性を十分に近似させることで、上述の距離較正が常に高精度で行うことが可能である。 On the other hand, a 0 m measurement photodiode 29 and a laser diode 21 having the same characteristics as the distance measurement photodiode 24 are optically coupled by a closed loop 28. The length of the closed loop 28 inside the range sensor is extremely shorter than the detection area and can be defined as 0 m. In the first scan of the second time in FIG. 1, the light of the laser diode 21 is directly sent to the 0-meter measurement photodiode 29 through the closed loop 28 only in one step S1 in which the distance calibration operation is performed. The switching circuit 25 is switched to send the light reception signal of the photodiode 29 to the light reception amplifier 26. The phase of the light reception signal and the phase of the light of the laser diode 21 are compared by the phase comparison circuit 27, and become the reference value for distance calibration. The phase difference φ2 is calculated. Then, the phase difference used for the actual measurement value is defined as φ = φ1-φ2, and distance calibration is performed at each step during one scan. In this case, the above-described distance calibration can always be performed with high accuracy by sufficiently approximating the characteristics of the measurement photodiode 24 and the 0-meter measurement photodiode 29, particularly the temperature characteristics.
図4は、計測用レーザダイオード21と別に設けた0m計測用レーザダイオード31をフォトダイオード24に直接的に光結合させて閉ループを構成している。このレンジセンサ11の場合は、2つのレーザダイオード21、31の動作を切り替える図示しない切り替え回路が装備される。図1で2回目の1スキャン時において、距離較正動作をする1ステップS1のときだけ計測用レーザダイオード21の発光を停止させて、0m計測用レーザダイオード31だけ発光させ、その光をフォトダイオード24に入光させて、入光した受光信号の位相とレーザダイオード31の光の位相を比較演算して位相差φ2を求める。この場合、一対のレーザダイオード21、31の特性を十分に近似させることで、距離較正を高精度で行うことができる。 In FIG. 4, a 0 m measurement laser diode 31 provided separately from the measurement laser diode 21 is directly optically coupled to the photodiode 24 to form a closed loop. In the case of the range sensor 11, a switching circuit (not shown) that switches the operations of the two laser diodes 21 and 31 is provided. In the first scan for the second time in FIG. 1, the measurement laser diode 21 is stopped emitting light only during 1 step S1 of performing the distance calibration operation, and only the 0 m measurement laser diode 31 is emitted. The phase difference φ2 is obtained by comparing and calculating the phase of the received light signal and the phase of the light of the laser diode 31. In this case, distance calibration can be performed with high accuracy by sufficiently approximating the characteristics of the pair of laser diodes 21 and 31.
図1で1回目のスキャン時における反射光レベルが最も低い検出位置は、検出エリアE1や検出可能エリアE2に被投射体が無い、又は、反射率の極めて低い被投射体が存在して距離計測しても計測値が不安定で信頼性に欠けるエリアであり、このエリアで2回目のスキャン時に距離較正動作をしても応答時間の遅れは実質的にほとんど問題にならない。また、1回目のスキャン時における最も反射光レベルが低い検出位置を除く他の検出位置は、検出エリアE1や検出可能エリアE2に被投射体10があって、高信頼度で距離計測を行う必要性の高いエリアである。このエリアは、2回目のスキャン時に距離較正動作をしない通常の距離計測エリアであるので、応答遅れが生じる心配が無く、高信頼度での距離計測が実行される。例えば、検出可能エリアE2から被投射体10が高速で検出エリアE1に入る場合、応答遅れが無いので検出エリアE1で確実に距離計測できる。 In FIG. 1, the detection position with the lowest reflected light level at the time of the first scan is the distance measurement because there is no projection object in the detection area E1 or the detectable area E2, or there is a projection object with extremely low reflectance. Even in this area, the measured value is unstable and lacks reliability. Even if the distance calibration operation is performed in the second scan in this area, the delay in the response time hardly causes a problem. In addition, the detection positions other than the detection position with the lowest reflected light level at the time of the first scan have the projection object 10 in the detection area E1 and the detectable area E2, and it is necessary to perform distance measurement with high reliability. It is an area with high characteristics. Since this area is a normal distance measurement area in which the distance calibration operation is not performed at the time of the second scan, there is no fear of a response delay, and distance measurement with high reliability is executed. For example, when the projection object 10 enters the detection area E1 at a high speed from the detectable area E2, there is no response delay, and therefore the distance can be reliably measured in the detection area E1.
図1の2回目のスキャン時において、反射光レベルの最も低い1ステップS1での距離計測は3回目以降のスキャン時において行うことも可能であるが、1ステップS1の検出位置の両隣りの2ステップS2、S3での反射光レベルが1ステップS1の反射光レベルと近似していることから、この2ステップS2、S3で計測された距離の平均値を1ステップS1の検出位置での計測値とすることができ、そのようにすることが望ましい。このように距離較正動作用1ステップS1の検出位置の距離を計測することで、同位置の距離検出が応答遅れなく、簡単な回路構成でもって実施することができて、実質的に応答遅れのない360度全方向の距離計測を可能にする。 In the second scan of FIG. 1, the distance measurement in the first step S1 with the lowest reflected light level can be performed in the third and subsequent scans, but 2 adjacent to the detection position in the first step S1. Since the reflected light level in steps S2 and S3 approximates the reflected light level in step 1 S1, the average value of the distances measured in steps 2 and S3 is the measured value at the detection position in step 1 S1. It is desirable to do so. Thus, by measuring the distance of the detection position in one step S1 for the distance calibration operation, the distance detection at the same position can be performed with a simple circuit configuration without a response delay. Enables 360 degree omnidirectional distance measurement.
次に、本発明方法の第2の実施の形態を図2を参照して説明する。360度スキャン型2Dレンジセンサ11が無人搬送車などに搭載されて床上を任意な方向に高速移動する場合、その移動方向Tを逐一検出して、移動方向Tと180°反対の方向Xにある1ステップS10の検出位置で第1の実施の形態のときと同様な距離較正動作をする。例えば、1回目のスキャン時においてレンジセンサ11の移動方向検出を行い、移動方向と反対方向Xのデータを算出して、2回目の1スキャン時に反対方向Xのデータに合う1ステップS10のときに図3または図4の閉ループを使用して0mの基準値演算を行う。 Next, a second embodiment of the method of the present invention will be described with reference to FIG. When the 360-degree scan type 2D range sensor 11 is mounted on an automated guided vehicle and moves at high speed in an arbitrary direction on the floor, the movement direction T is detected one by one and is in the direction X opposite to the movement direction T by 180 °. A distance calibration operation similar to that in the first embodiment is performed at the detection position in step S10. For example, the movement direction of the range sensor 11 is detected at the time of the first scan, the data in the direction X opposite to the movement direction is calculated, and one step S10 that matches the data in the opposite direction X at the second time of the first scan The reference value calculation of 0 m is performed using the closed loop of FIG. 3 or FIG.
図2のレンジセンサ11が所望の移動方向Tに向けて高速移動する際、移動方向前方のエリアでは距離計測の応答遅れが問題となるが、移動方向と反対方向Xの後方では実質上に何ら問題とならないことがほとんどである。従って、移動方向Tの被投射体10が移動する検出エリアE1に入ってくるような場合でも、これを応答遅れなく検出し、距離計測する。また、移動方向Tと180°反対の方向Xに被投射体が存在しても、遠ざかる一方のために、これの距離計測に応答遅れがあっても何ら問題とならない。 When the range sensor 11 of FIG. 2 moves at a high speed in the desired moving direction T, a response delay in distance measurement becomes a problem in the area ahead of the moving direction, but there is substantially no rearward in the direction X opposite to the moving direction. In most cases it does not matter. Therefore, even when the projection object 10 in the moving direction T enters the moving detection area E1, this is detected without a response delay and the distance is measured. Moreover, even if the projection object exists in the direction X opposite to the moving direction T, since it moves away, there is no problem even if there is a response delay in the distance measurement.
また、反対方向Xでの応答遅れを軽減する必要がある場合は、1ステップS10の両隣り2ステップS20、S30の検出位置での計測値の平均値を1ステップS10の計測値とすることができ、そのようにすることが望ましい。このようにすることで、後方位置での距離検出が応答遅れなく、簡単な回路構成でもって実施することができ、実質的に応答遅れのない360度全方向の距離計測を可能にする。 Further, when it is necessary to reduce the response delay in the opposite direction X, the average value of the measurement values at the detection positions of the two steps S20 and S30 adjacent to one step S10 may be set as the measurement value of one step S10. It is possible and desirable to do so. In this way, distance detection at the rear position can be performed with a simple circuit configuration without a delay in response, and 360-degree omnidirectional distance measurement with substantially no response delay is possible.
10 被投射体
11 レンジセンサ
20 レーザ駆動回路
21 レーザダイオード
24 フォトダイオード
25 切り替え回路
26 受光アンプ回路
27 位相比較回路
28 閉ループ
29 フォトダイオード
31 レーザダイオード
A1 投射光
A2 反射光
E1 検出エリア
E2 検出可能エリア
L 距離
LL 反射光レベル
La 最も低い反射光レベル
S1〜S3 ステップ
S10〜S30 ステップ
T 移動方向
X 反対方向
θ ステップ角
φ 位相差
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Projection object 11 Range sensor 20 Laser drive circuit 21 Laser diode 24 Photodiode 25 Switching circuit 26 Light reception amplifier circuit 27 Phase comparison circuit 28 Closed loop 29 Photodiode 31 Laser diode A1 Projection light A2 Reflected light E1 Detection area E2 Detectable area L Distance LL Reflected light level La Lowest reflected light level S1 to S3 Steps S10 to S30 Step T Movement direction X Opposite direction θ Step angle φ Phase difference
Claims (4)
1スキャン時に反射光レベルが最も低い検出位置を記憶し、次の1スキャン時に前記記憶した検出位置の1ステップ時に投射光の外部への投射を中断し、レンジセンサ内部に設けた光の閉ループで他ステップでの距離較正用基準値を演算することを特徴とするレンジセンサの距離較正方法。 A range sensor distance calibration method for measuring a distance from a phase difference between a projection light scanned at a predetermined step angle and a reflected light from the projection object to the projection object,
The detection position with the lowest reflected light level is stored during one scan, the projection of the projection light is interrupted during one step of the stored detection position during the next one scan, and the light is provided in a closed loop inside the range sensor. A distance calibration method for a range sensor, comprising calculating a reference value for distance calibration in another step.
被投射体に対するレンジセンサの相対移動方向と反対方向の1ステップ時に投射光の外部への投射を中断し、レンジセンサ内部に設けた光の閉ループで他ステップでの距離較正用基準値を演算することを特徴とするレンジセンサの距離較正方法。 A range sensor distance calibration method for measuring a distance to a projection object from a phase difference between a projection light scanned at a predetermined step angle while moving relative to the projection object and a reflection light from the projection object. ,
Projection of projection light to the outside is interrupted at one step in the direction opposite to the relative movement direction of the range sensor with respect to the projection target, and a reference value for distance calibration in another step is calculated in a closed loop of light provided inside the range sensor. A distance calibration method for a range sensor.
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