JP2008506094A - 第１の可動要素の第２の要素に対する変位速度を測定するための光学装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の可動要素の、第２の要素に対する変位速度を測定するための光学装置（１）に関し、この装置は、前記要素の一方に固定されており、また、２つの入射ビーム（３ａ、３ｂ）を、他方の要素の方に伝搬させる２つのレーザ（２ａ、２ｂ）を備える。本発明の装置（１）は、互いにほぼ垂直な前方（９）及び後方（１０）検出用感光性リニア・アレイを備える。追加の前方（１２）及び後方（１３）感光性リニア・アレイが、前方（９）及び後方（１０）感光性リニア・アレイから間隔を置いて配設される。処理回路（１１）が、感光性リニア・アレイ（９、１０、１２、１３）に接続され、可動要素の前後方向及び／又は横方向の変位速度を決定する。また、前記回路は、光学的三角測量法を用いて、装置（１）と他方の要素との間隔を決定し、前記間隔に従って、前後方向及び／又は横方向の変位速度値を補正する。

Description

本発明は、第１の移動要素の、第２の要素に対する変位速度を測定するための光学装置に関し、この装置は、それらの２つの要素の一方に固定されており、
・少なくとも１つの入射光ビームを、他方の要素の方向に発する手段と、
・互いにほぼ垂直に配置された前方及び後方検出手段を含み、他方の要素によって散乱された光を受光する手段と、
・前方及び後方検出手段に接続され、且つ、移動要素の前後方向（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）及び／又は横方向（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ）の変位速度を決定する手段を含む処理手段とを備える。

第１の移動要素の、固定された第２の要素に対する変位速度、特に、前後方向及び横方向の変位速度を測定する測定技術がいくつか知られている。

仏国特許第Ａ２７４９０８６号は、特に、自動車の進路に平行な方向に並べられた光検出器の２つのアレイと、それらのアレイによって検出された信号の時間相関によって、約０．１ｋｍ／時〜６００ｋｍ／時の広い範囲の変位速度を測定し、且つ計算する処理回路とを備える測定装置を用いた、非接触式変位速度測定技術について記載している。

しかし、車両は、大きく変動し得る相対最低地上高を有するため、この技術はしばしばエラーを生じやすく、これは、この技術が高さ変動を考慮に入れないためである。例えば、自動車の下に固定された測定装置と、地面との間の平均高さが１５ｃｍである場合、５ｃｍ前後の高さ変動、すなわち、３０％を上回る相対変動が観測され得る。光学測定装置では、かかる測定装置の倍率が非常に大きく変動するので、特に、横方向の速度測定にエラーが大変生じやすくなる。

こうした問題は、測定装置と地面との間隔の変動が、ある範囲内である場合には、一定の倍率を有する光学測定装置を使用することを提案する欧州特許第Ａ０５６２９２４号によって、部分的に解決されている。しかし、この装置は、複雑で、特にこうした間隔変動があまりにも大きい場合には、それほど機能的ではない。更に、この装置は、実施可能な横方向の速度計測範囲を狭めるが、前後方向の非常に低い速度を推定するために、相関ベースが変動されることを可能とするものではない。更に、この装置の照明角度は縮小されるので、この装置は、あまりにも小さい信号対雑音比を呈することになる。

本発明の目的は、これらの欠点を是正することであり、特に、移動要素の前後方向及び横方向の変位速度が正確に決定されることを可能とする光学測定装置を提供することである。

本発明によれば、この目的は、添付の特許請求の範囲によって、より詳細には、
・受光手段が、追加の検出手段を備えることと、
・追加の検出手段に接続された処理手段が、装置と他方の要素との間の間隔を、光学的三角測量法によって決定する手段と、前記間隔Ｈと、移動要素の前後方向及び／又は横方向の変位速度を決定する手段によって供給された値とに従って、前後方向及び／又は横方向の変位速度の補正値を決定する補正手段とを備えることとによって、達成される。

その他の利点及び特徴は、単に非限定的な例として示され、且つ添付の図面に示される、以下の本発明の特定の実施形態の説明から、より明白となるであろう。

図１〜３では、光学測定装置１は、第１の移動要素、例えば自動車の、第２の要素、例えば地面に対する、前後方向の変位速度及び／又は横方向の変位速度を測定するように設計されている。図１に示される基準座標系ｘ、ｙ、及びｚを考慮すると、図１に示される装置１の正面図は平面Ｐｘｚに対応し、図２に示される装置１の上面図は平面Ｐｘｙに対応し、図３に示される装置１の側面図は平面Ｐｙｚに対応する。装置１は、例えば、自動車の車体の下に固定され、この車体は、ｘ軸に沿って正の方向に、地面にほぼ平行に移動する。

図１〜３に示される特定の実施形態では、装置１は、２つの入射光ビーム３ａ、３ｂを地面に投影する２つのレーザ２ａ、２ｂを備える。レーザ２ａ、２ｂは、好ましくは、装置１の中央ゾーンに配置され、ｚ軸に沿って、すなわち地面に垂直に向けられている。入射ビーム３ａと３ｂとを、装置１の前方と後方に向けてそれぞれ送るように、装置１は、プリズム４ａ〜４ｄを備えている。プリズム４ａと４ｂとは、レーザ２ａと２ｂとにそれぞれ面して配置され、全ての入射光を、地面にほぼ平行にプリズム４ｃと４ｄとの方向にそれぞれ反射させるように向けられた反射プリズムであり、プリズム４ｃと４ｄもまた、装置１の前方と後方とにそれぞれ配置された反射プリズムである。プリズム４ｃと４ｄとは、プリズム４ａと４ｂとから来る全ての入射光を、地面の方向に、地面にほぼ垂直に反射させるように向けられている。

従って、入射ビーム３ａ、３ｂは地面の上に投影され、それにより、装置１の前方でｘ軸に平行に、装置１の後方でｙ軸に平行に、２つのレーザ・スポット５ａ、５ｂをそれぞれ形成する。次いで、投影された光は、地面によって装置１の方向に後方散乱される。また、装置１は、集光手段、例えばレンズ６を備える。図１では、レンズ６は、特に、レーザ２ｂとプリズム４ｂとの間、プリズム４ｂと４ｄとの間、プリズム４ａと４ｃとの間、プリズム４ｃと地面との間、及びプリズム４ｃと４ｄとの上方にそれぞれ配置されている。スポット５ａと５ｂとによって、プリズム４ｃと４ｄとの周りに散乱された光は、レンズ６によって集光され、従って、上方に送られる２つの後方散乱光ビーム、すなわち、一方は装置１前方の７、他方は装置１後方の８を形成することになり、これらのビームは、２つの光軸、すなわち前方光軸Ｓ_７と後方光軸Ｓ_８とにそれぞれ沿っている（図１）。

地面によって散乱され、装置１によって受光された光は、次いで、前方及び後方の検出手段、例えば、関連する前方光軸Ｓ_７と後方光軸Ｓ_８とにそれぞれ垂直な、前方感光性アレイ９と後方感光性アレイ１０とによって検出される。前方感光性アレイ９は、ｘ軸上、すなわち自動車の進路上に配置され（図１）、一方、後方感光性アレイ１０は、ｙ軸上、すなわちこの進路にほぼ垂直に配置される（図２及び３）。この種の検出器は、通常、アレイの各要素で受光された光量の関数となる電気信号を伝達する複数の要素を備えている。このことは、前方アレイ９と後方アレイ１０とに散乱された光の衝撃の位置を表す値、これは、アレイ９と１０とによって測定される光の最大強度位置に対応するが、これらの値が迅速に測定されることを可能とする。

知られているように、前方感光性アレイ９によって供給される信号は、自動車の前後方向の極く小さな速度が既知の対応で計算されることを可能とし、一方、後方感光性アレイ１０によって供給される信号は、前方感光性アレイ９によって供給された信号と相関して、自動車の横方向速度及び／又は前後方向速度が計算されることを可能とする。図を見やすくするために図１〜３には示されていないが、装置１は、前方感光性アレイ９と後方感光性アレイ１０とに接続され、前方感光性アレイ９と後方感光性アレイ１０とによって供給された信号に従って、様々な速度値を決定する（ブロック１４）処理回路１１（図４）を備える。

前後方向の極く小さな速度を計算するには、処理回路１１は、前方感光性アレイ９の２つの要素によって供給される信号しか使用しない。前後方向速度及び／又は横方向速度を計算するには、処理回路１１は、前方感光性アレイ９と後方感光性アレイ１０とによって供給される信号を使用する。

これらの速度計算を向上させるために、装置１は、装置１の前方と後方とにそれぞれ配置された、追加の検出手段を備える。これらの手段は、例えば、装置１と地面との間隔Ｈの測定を実施するように設計された、追加の前方感光性アレイ１２と、追加の後方感光性アレイ１３とによって形成される。特に、追加の前方アレイ１２は、装置１の前方と地面との間隔Ｈ１が計算されることを可能とし（図３）、追加の後方アレイ１３は、装置１の後方と地面との間隔Ｈ２が計算されることを可能とする（図３）。次いで、間隔Ｈ１とＨ２との計算結果が、最初に計算された速度値を補正するために使用され、従って、信頼性が遙かに高い装置１が得られることになる。

図１〜３に示されるように、地面によってスポット５ａと５ｂとの幅にわたり散乱された光は、反射角αとβを有する追加の前方アレイ１２と追加の後方アレイ１３とによってそれぞれ検出され、それにより、高さが、三角測量法によって測定されることが可能となる。追加の前方感光性アレイ１２と、追加の後方感光性アレイ１３とは、例えば、前方感光性アレイ９と後方感光性アレイ１０とのほぼ下方に、これらから離れて配置される。

図２及び３に示されるように、追加の前方アレイ１２は、前方感光性アレイ９と前方光軸Ｓ_７とによって画定される平面Ｐｘｚ（図１）から離れて、且つ、前方感光性アレイ９の下方に配置される（図１及び３）。追加の前方アレイ１２の平面Ｐｘｙにおける投影は、ｙ軸に平行、すなわち前方感光性アレイ９の長手軸に垂直であり、且つそのアレイ９の中心を通る軸上に配置される（図２）。追加の前方アレイ１２は、平面Ｐｙｚでは、ｙ及びｚ軸に対して傾けられている（図３）。地面によって散乱された光は、好ましくはレンズ６を用い、追加の前方アレイ１２に垂直な追加の光軸Ｓ_１２に沿って、アレイ１２に集光される。光軸Ｓ_１２は、平面Ｐｙｚでは、前方光軸Ｓ_７に対して角度αだけ傾けられており、従って、追加の前方アレイ１２は、三角測量法による間隔測定を実施することになる。

図１及び２に示されるように、追加の後方アレイ１３は、後方感光性アレイ１０と後方光軸Ｓ_８とによって画定される平面Ｐｙｚ（図３）から離れて、且つ、後方感光性アレイ１０の下方に配置される（図１及び３）。追加の後方アレイ１３の平面Ｐｘｙにおける投影は、ｘ軸に平行、すなわち後方感光性アレイ１０の長手軸に垂直であり、且つそのアレイ１０の中心を通る軸上に配設される（図２）。追加の後方アレイ１３は、平面Ｐｘｚでは、ｘ及びｚ軸に対して傾けられている（図１）。地面によって散乱された光は、好ましくはレンズ６を用い、追加の後方アレイ１３に垂直な追加の光軸Ｓ_１３に沿ってアレイ１３に集光される。光軸Ｓ_１３は、平面Ｐｘｚでは、後方光軸Ｓ_８に対して角度βだけ傾けられており、従って、追加の後方アレイ１３は、三角測量法による間隔測定を実施することになる。

図４に示される特定の実施形態では、前方９、後方１０、及び追加の１２、１３感光性アレイが接続される処理回路１１は、既に知られた光学的三角測量法の原理に従って、追加の前方１２及び追加の後方１３アレイによって供給される信号から、間隔Ｈ１とＨ２とを決定する（ブロック１５）。次いで、処理回路１１は、値Ｈ１とＨ２とから、光学受光手段の、前方光学倍率値Ｇ１と、後方光学倍率値Ｇ２とを決定する（ブロック１６）。図１及び３に示される特定のケースでは、前方７及び後方８散乱ビームは、薄いレンズ６によって集光され、これらの前方７及び後方８散乱ビームの集光点は、それぞれのレンズ６の中心に位置する（図１及び３に矢印Ｓ_７及びＳ_８で示される）。この場合、倍率Ｇ１とＧ２とは、以下の数式によって表現される。
Ｇ１＝（（Ｈ１／ｃｏｓα）−ｄ０_１）／ｄ０_１及び
Ｇ２＝（（Ｈ２／ｃｏｓβ）−ｄ０_２）／ｄ０_２、
式中、ｄ０_１は、前方集光点と追加の前方アレイ１２との間隔を表す既知の固定距離であり、ｄ０_２は、後方集光点と追加の後方アレイ１３との間隔を表す既知の固定距離である。

このようにして決定された倍率値Ｇ１とＧ２とから、処理回路１１は、推定された初期倍率値Ｇを用いて、予め計算された（ブロック１４）、自動車の前後方向変位速度及び／又は横方向変位速度の補正値を決定する（ブロック１７）。従って、間隔Ｈ１とＨ２とが考慮に入れられることにより、装置１は、各測定時点において正確且つ最適化された速度値が得られることを可能とする。

更に、処理回路１１は、装置１の感光性アレイ９、１０、１２、及び１３によって供給されるアナログ信号を、増幅し、フィルタリングし、サンプリングし、且つデジタル化するように設計された手段を備えることができる。

かかる光学測定装置１は、特に以下の利点をもたらす。高さＨ１とＨ２との測定が正確になり、約２０ｃｍの間隔Ｈでは、その精度は最大０．３ｍｍである。前後方向又は横方向の速度の推定には何の制限も生じない。３つの測定、すなわち、前後方向の速度、横方向の速度、及び高さＨの測定が、これらの３つの機能（ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を果たす単一の装置１によって行われる。処理回路１１に組み込まれたアルゴリズムは、速度と倍率とが並行して計算され、且つ、一方が考慮に入れられて他方を補正することを可能とする。

前後方向及び横方向の速度の推定における倍率の影響の自己補正が、ダイアフラム等の特殊な要素を使用せずに可能となる。従って、ダイアフラムの心合せ（ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ）が行われることがないので、光学設定が簡単になる。装置１は、比較的広い範囲の高さ、比較的広い横すべり角、且つ幾分高い前後方向速度でも動作することができる。速度を計算するために、それらの三角測量アルゴリズムが、並行に、且つ互いに相関しながら動作して間隔Ｈ１とＨ２とを計算するので、計算時間にロスがない。更に、ダイアフラムが使用されないので、地面によって散乱される光の信号レベルが増大する。

本発明は、上述された様々な実施形態のみに限られるものではない。検出手段は、特に、離散的フォトダイオード、フォトダイオード・アレイ、ＭＯＳフォトトランジスタを使用したＣＣＤデバイス、リニア・フォトダイオード／ＭＯＳアレイ（転送レジスタ上フォトダイオード）から選択されることができる。

入射ビーム３ａ、３ｂを送る手段は、ミラーで形成されてもよい。用途に応じて、様々なタイプの発光手段（ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅａｎｓ）、すなわち、レーザ、又は、赤外線源若しくは白色光源を用いた、単色、多色、一定発光、又は変調発光光源が使用されてもよい。

前方感光性アレイ９と後方感光性アレイ１０との間隔は、行われる測定の種類に応じて変動し得る。非常に高い前後方向速度を測定するには、前方感光性アレイ９と後方感光性アレイ１０とは、比較的広い間隔、例えば数百ｋｍ／時の速度では約９０ｍｍ隔離されることになる。

図１及び３に示されるように、装置１は、装置１の前方と後方とに、より詳細には、地面によって散乱された光の進路上に、感光性アレイ９と１０とに近接して、フィルタ１４を備え、それにより、測定に必要な光だけをフィルタリングすることができる。

代替実施形態（図示されず）では、装置１の動作は同じままで、装置１が地面に固定され、レーザ２ａ、２ｂが、装置１上を通過する自動車に光を投影することもできる。

かかる光学測定装置１は、特に、装置１が取り付けられた移動物体（自動車、列車等）の速度及び変位を測定するのに応用される。別の応用例には、物体が（選別の目的、製造物体の識別等のために）生産ライン上を流れる高さ及び速度を計算することが考えられる。また、別の応用例として、（紡績、製織等で）ワイヤ又はロッドが生産ライン上を流れる速度を測定することが考えられる。

本発明による速度測定用光学装置の正面図を概略的に示す。 図１による光学測定装置の上面図を概略的に示す。 図１による光学測定装置の側面図を概略的に示す。 図１による光学測定装置の処理回路の、特定の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 光学測定装置
２ ビーム発光手段（レーザ）
３ 入射光ビーム
６ 集光手段
９ 前方検出手段
１０ 後方検出手段
１１ 処理手段
１２ 追加の前方検出手段
１３ 追加の後方検出手段
１４ 変位速度決定手段
１５ 間隔決定手段
１６ 光学倍率決定手段
１７ 補正手段
Ｈ１ 前方間隔
Ｈ２ 後方間隔
Ｇ１ 前方光学倍率
Ｇ２ 後方光学倍率
Ｓ_７、Ｓ_８ 光軸

Claims (9)

1. 第１の移動要素の、第２の要素に対する変位速度を測定するための、前記２つの要素の一方に固定された光学測定装置（１）において、
   少なくとも１つの入射光ビーム（３）を、他方の要素の方向に発する手段（２）と、
   互いにほぼ垂直に配置された前方（９）及び後方（１０）検出手段を含み、前記他方の要素によって散乱された前記光を受光する手段と、
   前記前方（９）及び後方（１０）検出手段に接続され、且つ、前記移動要素の前後方向及び／又は横方向の変位速度を決定する手段（１４）を含む処理手段（１１）とを備える光学測定装置（１）であって、
   前記受光手段が、追加の検出手段（１２、１３）を備えることと、
   前記追加の検出手段（１２、１３）に接続された前記処理手段（１１）が、前記装置（１）と前記他方の要素との間の間隔（Ｈ）を、光学的三角測量法によって決定する手段（１５）と、前記間隔（Ｈ）と、前記移動要素の前記前後方向及び／又は横方向の変位速度を決定する前記手段（１４）によって供給された値とに従って、前記前後方向及び／又は横方向の変位速度の補正値を決定する補正手段（１７）とを備えることとを特徴とする、光学測定装置（１）。
2. 前記追加の検出手段が、前記装置（１）の前方に、前記前方検出手段（９）と、前記前方検出手段（９）に関連する光軸（Ｓ_７）とによって画定される平面（Ｐｘｚ）から離れて配置された、追加の前方検出手段（１２）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記間隔（Ｈ）を決定する前記手段（１５）が、前記追加の前方検出手段（１２）によって供給される信号から、前記装置の前記前方と前記他方の要素との間の前方間隔（Ｈ１）を決定する手段を備え、前記処理手段（１１）が、前記前方間隔（Ｈ１）から、前記光学受光手段の前方光学倍率（Ｇ１）を決定する決定手段（１６）を備えることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記追加の検出手段が、前記装置（１）の後方に、前記後方検出手段（１０）と、前記後方検出手段（１０）に関連する光軸（Ｓ_８）とによって画定される平面（Ｐｙｚ）から離れて配置された、追加の後方検出手段（１３）を備えることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記間隔（Ｈ）を決定する前記手段（１５）が、前記追加の後方検出手段（１３）によって供給される信号から、前記装置の前記後方と前記他方の要素との間の後方間隔（Ｈ２）を決定する手段を備え、前記処理手段（１１）が、前記後方間隔（Ｈ２）から、前記光学受光手段の後方光学倍率（Ｇ２）を決定する決定手段（１６）を備えることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記補正手段（１７）が、前記速度値を補正するために決定された前記光学倍率値（Ｇ、Ｇ２）を考慮することを特徴とする、請求項３乃至５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記装置（１）の前記検出手段（９、１０、１２、１３）が、感光性アレイであることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記装置（１）の前記発光手段が、少なくとも１つのレーザ（２）を備えることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記装置（１）が、前記散乱光を、前記前方（９）、後方（１０）、及び追加の（１２、１３）検出手段に集光させる集光手段（６）を備えることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置。

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