JP2009505091A - 変位速度測定方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、固定されたエレメントに対して移動することができるエレメントの変位速度を測定する方法に関する。本発明による方法は、第１の基準センサと、移動エレメントの変位軸に沿って本質的に整列された複数の異なる第２の測定センサ（Ｍｉ）とを備えた光学測定装置を使用して実行される。この測定方法は、基準センサおよび測定センサ（Ｍｉ）の各々によって供給される複数の信号の相関による推定速度（Ｖｅ（Ｍｉ））の決定と、前記推定速度（Ｖｅ（Ｍｉ））からの平均速度（Ｖｍｏｙ）の計算とからなっている。

Description

本発明は、固定されたエレメントに対する移動エレメントの変位速度を、それらの２つのエレメントのうちの一方に固定された光学測定装置であって、少なくとも１つの入射光ビームをもう一方のエレメントの方向に放出するための手段と、もう一方のエレメントによって拡散した光を検出する第１および第２のセンサと、前記センサに接続された処理手段とを備えた光学測定装置によって測定するための方法であって、少なくとも、
− 入射光ビームの放出
− 拡散した光の前記第１および第２のセンサによる検出
− 処理手段による、第１および第２のセンサによって供給される複数の信号の相関による最大相関ピークの位置の決定
− 第１のセンサと第２のセンサの間の所定の距離、および最大相関ピークの前記位置に基づく推定速度の決定
を含む測定方法に関する。

固定されたエレメントに対する移動エレメントの変位速度、例えば地上の自動車両の縦方向の変位速度の測定には、従来、光学相関測定を使用した光学測定装置が使用されている。図１に極めて概略的に示されているように、例えば車両の車体の下方に固定された測定装置は、変位軸Ａに沿って移動している。測定装置は、従来、少なくとも１つの入射光ビームを地面の方向に放出するための手段（示されていない）と、車両の前方に配置された第１の基準センサＲと、車両の後方に配置された第２の測定センサＭとを備えている。これらの２つのセンサＲおよびＭは、地面によって拡散する光を検出するように設計されている。また、測定装置は、センサＲおよびＭに接続された、車両の変位速度を決定するように設計された処理手段を備えており、基準センサＲと測定センサＭの間の距離Ｄは分かっている。

このような光学測定装置を使用した変位速度測定方法は、少なくとも、
− 地面への入射光ビームの放出
− 第１のセンサＲおよび第２のセンサＭによる、地面によって拡散する光の検出
− 処理手段による、例えばセンサＲおよびＭによって供給される複数の信号の相関による最大相関ピークの位置の決定
− 基準センサＲと測定センサＭを隔てている所定の距離Ｄ、および最大相関ピークの前記位置に基づく推定変位速度Ｖｅの決定
を含んでいる。

最大相関ピークの位置を高い精度で決定し続けるためには、センサＲおよびＭが受け取る信号の、同じく相関関数サンプリング周波数である収集周波数Ｆｅを制御することが好ましい。この収集周波数を制御することにより、最大相関ピークを常に、相関関数のポイントに対応する、τが遅れ時間であり、また、Ｆｅがサンプリング周波数である式ｎ＝τ×Ｆｅによって定義される指数ｎの近くに設定することができる。

しかし、τ＝Ｄ／ＶｅおよびＦｅ＝Ｖｅ／δであり、Ｖｅは推定速度、また、δは測定装置の空間分解能である。したがって指数ｎは、次の式、ｎ＝Ｄ／δに従って表現される。したがって指数ｎは、速度Ｖｅに無関係に一定である。推定速度Ｖｅがどのようなものであれ、最大相関ピークは常にこのポイントｎに位置している。

しかしながら、変位速度が極めて速い場合、あるいは空間分解能δが極めて低い場合、測定装置の技術的な限界に到達することがある。例えば、測定センサＭは、クロックが２．５ＭＨｚ、最大収集周波数速度が４０ｋＨｚである６４個の基本コンポーネントすなわちピクセルのフォトダイオード・アレイである。１０ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、３０ｋＨｚ、４０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、６０ｋＨｚ、７０ｋＨｚ、１００ｋＨｚおよび１５０ｋＨｚの信号収集周波数に対する、ｋｍ／ｈ単位の速度Ｖ対ｍｍ単位の空間分解能δを示す図２に示されているように、必要な空間分解能が１ｍｍの場合、１５０ｋｍ／ｈ以上で４０ｋＨｚの最大周波数に到達している。したがって、このような測定方法の場合、必要な空間分解能によっては、高速で測定することはできない。

さらに、収集周波数が一定の場合、速度が速くなると最大相関ピーク指数ｎが小さくなる。最大相関ピーク指数ｎが小さくなると、推定速度を決定する際の精度が悪くなることになる。推定速度を決定する際の精度が悪くなると、例えば測値が大きく変化し、とりわけ速度勾配を記録する際の精度が著しく悪くなることになる（図３）。

最大収集周波数が９ｋＨｚ、空間分解能が１．５ｍｍの場合の、ｋｍ／ｈ単位の速度Ｖ対時間ｔを示す図３に示されているように、測定瞬時毎の車両の速度勾配の記録は不正確であり、推定速度値は大きく変化している。例えば、１１０ｋｍ／ｈの速度におけるサンプリングと結合した精度は、約４ｋｍ／ｈである。

一般的な意味では、上で説明した測定精度の不正確性は、相関関数のサブサンプリングに起因しており、最大相関ピークの位置を決定する際の精度を著しく悪くしている。これらの欠点を除去するために、とりわけ、印刷基板位置決めアプリケーションに関する文書、米国特許第２００２／０１９９１６４号明細書、および光学マウスに関する米国特許第６８２３０７７号明細書によっていくつかの測定技法が提案されている。

第１の方法は、補間技法の使用からなっている。第１の例は、従来の技法による最大相関ピークの位置の補間、つまり、最大振幅を提供するサンプルに近い２つ、３つまたは４つのサンプルに対する多項式補間、重心補間、スプライン補間、三次補間等を提案している。しかし、最大相関ピークの形状は、補間式によって記述される数学的対象の形状とはまったく異なっていることがある。例えば、多項式補間によって図３の測値変化を若干小さくすることができるが、それらを除去することはできない。

補間技法のもう１つの例は、その導関数のゼロ交差点の識別による最大相関ピークの位置の探索を提案している。この技法は、その後のフィルタリングがより単純である次数１補間を利用している。しかし、この技法の場合、実際には、計算された推定値に対する満足すべきフィルタリングをこの方法で実時間で実行することは困難であることが分かっている。

第３の補間技法の例は、実速度からの逸脱を表にすることによって補間誤差を補償する方法を提案している。しかし、この方法は、推定速度の値に余計な不正確性をもたらしている。

第２の方法は、収集速度を制限することによって導入される最大相関ピークの時間遅れを補償することからなっており、探索される速度の大きさの等級は予め分かっている。この方法は、
− サンプルされる相関関数が計算され、かつ、速度が計算される直前に最大相関ピーク指数ｎをシフトさせることによって必要な分解能に対する最適収集周波数が推定された後
− または、サンプルをどれだけ遅延させると最大相関ピークをシフトさせることができるかを推定し、かつ、処理手段、とりわけ処理手段と結合した相関器への入力上の１つまたは２つのチャネル上にこのシフトを適用することによって
実行されてもよい。

しかし、実際には、上で説明した技法は、補償すべき差の推定精度に極めて敏感な方法である。最大相関ピークの位置に対する精度がたとえ改善されたとしても、推定速度の決定に関する精度の問題が残っている。

第３の測定方法は、相関の計算に先立つ、最適収集周波数におけるセンサＲおよびＭからの信号の再補間からなっており、探索される速度の大きさの等級は予め分かっている。しかし、この方法は、探索される最適収集周波数の予測の質に対して依然として極端に敏感であり、やや不十分であることが分かっている。

第４の測定方法は、計算された推定速度の後処理の実行からなっている。しかし、極端に大きいメモリを備えることなく実時間で適用される従来の平滑フィルタでは、速度の飛びを平滑化することはできず、速度の飛びは極端に急峻である。

第５の測定方法は、最大相関ピークの位置の探索を容易にするために、処理手段のレベルにおける時間収集スペクトルの短縮からなっている。最大相関ピークの幅は、相関される信号のスペクトル帯域に反比例しているため、処理手段のレベルにおける相関器の入力を低域通過フィルタリングすることにより、最大相関ピークの幅が広くなり、また、最大相関ピークの補間が容易になる。しかし、実際には、探索される速度がどのようなものであっても、有効なフィルタを構築することは困難であることが確かに分かっている。広すぎるためにサブサンプリングの問題が生じることがあり、あるいは狭すぎるために相関が極端に厚くなりすぎると、速度の推定に誤差が生じることが分かっている。

一般的な意味では、速度を正確に測定することができる測定技法または方法は、誰にも分かっていない。

本発明の目的は、上で言及した欠点のすべての障害を除去することであり、また、固定されたエレメントに対する移動エレメントの変位速度を測定するための測定方法であって、このような測定方法を実施した装置の速度および空間分解能の大きさの等級がどのようなものであっても、移動エレメントの速度を容易に、かつ、正確に決定することができる方法を達成する目的を有している。

本発明によれば、この目的は、特許請求の範囲の各請求項、より具体的には、光学測定装置が、第１の基準センサと、移動エレメントの移動軸に沿って実質的に整列された複数のまったく別の第２の測定センサとを備えたことによって達成され、上記測定方法は、
− 基準センサと測定センサの各々とによって供給される信号からの推定速度の決定
− および前記推定速度の平均速度の計算
を含んでいる。

他の利点および特徴は、非制限の例の目的で与えられたものにすぎない、添付の図面に示されている本発明の特定の実施形態の以降の説明からより明確に明らかになるであろう。

従来技術の測定方法によって生じる問題を解決するために、第１の解決法は、処理手段相関器の計算根拠を増やすこと、つまり測定センサＭをシフトさせることによって、遅れ（速度が速くなることに関係している）の減少を補償することに存する。例えば、測定センサＭが、移動軸Ａに沿って速度の縦方向に配置された感光性検出器アレイであることを考慮すると、相関器根拠を増やすためには、比較的長いアレイを使用しなければならない。例えば、収集周波数が４０ｋＨｚに制限されている場合、最大４００ｋｍ／ｈの速度に対して１．５％の精度を維持するためには、相関根拠を二重にしなければならず、つまり約１８０ｍｍの感光性検出器アレイが必要である。しかし、この解決法は、光が照射される感光性アレイを極端に長い距離にわたって使用しなければならないため、技術的に想定不可能である。

図を参照すると、本発明による測定方法は、基準センサＲの使用、および移動軸Ａに沿って移動の縦方向に実質的に整列された、ｉが２より大きいかあるいは２に等しい複数のまったく異なる隣接する測定センサＭｉの使用することに存する。次に、この測定方法は、上で説明した原理と同じ原理を使用した、基準センサＲおよび測定センサＭｉの各々によって供給される信号からの推定速度Ｖｅ（Ｍｉ）の決定を含んでいる。最後に、この測定方法は、予め計算済みの異なる推定速度Ｖｅ（Ｍｉ）の平均速度Ｖｍｅａｎの計算からなっている。これらの推定速度Ｖｅ（Ｍｉ）の平均を計算することにより、各測定センサＭｉによって推定される遅れの打切りによる誤差が相殺される。

図４では、このような測定方法を実施した光学測定装置の特定の実施形態は、基準センサＲおよび４つの測定センサＭ１乃至Ｍ４（ｉの範囲が１から４まで）を備えている。センサＲおよびＭ１乃至Ｍ４は、例えば結合電荷デバイス（ＣＣＤ）タイプの感光性アレイであり、基準センサＲと各測定センサＭ１乃至Ｍ４の間の距離Ｄ１乃至Ｄ４は分かっている。

この測定方法は、このような測定装置により、基準センサＲおよび各測定センサＭｉによって供給される信号から推定速度Ｖｅ（Ｍｉ）を決定することに存する。図４の特定の実施形態では、この方法は、各測定センサＭ１乃至Ｍ４に対する４つの推定速度Ｖｅ（Ｍ１）、Ｖｅ（Ｍ２）、Ｖｅ（Ｍ３）、Ｖｅ（Ｍ４）の決定、およびこれらの４つの推定速度Ｖｅ（Ｍ１）乃至Ｖｅ（Ｍ４）の平均速度Ｖｍｅａｎの決定を含んでいる。

図５の代替実施形態は、推定速度Ｖｅ（Ｍｉ）を決定するために測定センサＭｉが考慮されている点で図４の実施形態とは異なっている。図５では、測定装置は、単一の測定センサＭを備えている。基準センサＲおよび測定センサＭは、例えば複数の基本コンポーネントすなわちピクセルから構成された感光性アレイである。まったく異なる基本コンポーネントの４つの連続し、かつ、隣接するグループが測定センサＭ１、Ｍ２、Ｍ３およびＭ４を構成しており、基準センサＲと測定センサＭ１乃至Ｍ４の間の距離Ｄ１乃至Ｄ４は分かっている。各測定センサＭｉは、図５に示されているように、単一の基本コンポーネントを備えることも、あるいは複数の隣接する基本コンポーネントを備えることも可能である。平均速度Ｖｍｅａｎの決定は、上で説明した方法と同じ方法で、各測定センサＭ１乃至Ｍ４に対する予め計算済みの推定速度Ｖｅ（Ｍ１）、Ｖｅ（Ｍ２）、Ｖｅ（Ｍ３）、Ｖｅ（Ｍ４）の平均を計算することによって実行される。

一般的な意味では、基準センサＲおよび／または測定センサＭｉは、ｎおよびｍが１より大きいかあるいは１に等しいｎ行ｍ列の基本コンポーネントの行列の少なくとも一部によって形成されてもよい。図９に概略的に示されているように、測定センサＭｉは、例えば４つの行ｌ１乃至ｌ４および６つの列ｃ１乃至ｃ６を備える基本コンポーネントの行列によって形成されてもよい。

基本コンポーネントのこのような行列を使用することにより、とりわけ、この測定方法の実行可能性を改善することができる。実際、個別のエレメントではなく、基本コンポーネントの広い表面を取り扱うことはより容易である。また、この測定方法の精度も改善されるため、行列の基本コンポーネントが互いに整列される。さらに、このような測定方法のコストも最適化され、基本コンポーネントの完全な行列を使用することは、行列のアレイまたは切取りを製造するより経済的であり、また、極めて多数の異なるセンサによって検出される大量の光を集積することが可能である限り、この測定方法の操作も最適化される。

一般的な意味では、従来技術による測定方法は、複数の測定の実行を提案しているが、常に同じ測定センサＭを考慮している。そのため、測定毎にまったく同じ誤差が生じる結果になっている。本発明による測定方法も、複数の測定の実行を提案しているが、新しい測定毎に異なる測定センサＭｉを考慮している。測定センサＭｉ毎の対応する推定速度Ｖｅ（Ｍｉ）の計算には誤差が伴うが、この誤差は、すべての測定センサＭｉの推定速度Ｖｅ（Ｍｉ）の計算によって生成される誤差群によって補償される。次に、これらの推定速度Ｖｅ（Ｍｉ）の平均によって、各センサＭｉの誤差を小さくすることができ、さらには補償および完全に除去することができる。

確かに、２１個のまったく異なる測定センサＭ１乃至Ｍ２１に対するｋｍ／ｈ単位の推定速度Ｖｅ対ｋｍ／ｈ単位の実速度Ｖｒを示す図６に示されているように、ｉの範囲が１から２１までである推定速度Ｖｅ（Ｍｉ）が、２５０ｋｍ／ｈと２５５ｋｍ／ｈの間にある実速度Ｖｒに対して、約４０ｋＨｚの限界収集周波数で測定されている。

ｉの範囲が１から２１までである推定速度Ｖｅ（Ｍｉ）の値毎に、推定速度Ｖｅ（Ｍｉ）の推定値がプラトー当たり数ｋｍ／ｈ飛んでいる。このプラトーは、推定速度Ｖｅ（Ｍｉ）毎に実質的にまったく同じであり、また、図３の速度勾配に対して観察される測値変化の大きさの等級に実質的に対応している。例えば、プラトーは、図３の特定の実施形態では約４ｋｍ／ｈである。

この打切りプラトーは、異なる測定センサＭｉに対して同じ実速度では生じない。例えば、図６に細い実線で示されている推定速度Ｖｅ（Ｍ１）は、実速度である２５０ｋｍ／ｈと２５１ｋｍ／ｈの間で２４８ｋｍ／ｈから約２５３ｋｍ／ｈに及んでいる。図６に破断線で示されている推定速度Ｖｅ（Ｍ５）は、実速度である２５１ｋｍ／ｈと２５３ｋｍ／ｈの間で２４９ｋｍ／ｈから２５４ｋｍ／ｈに及んでいる。同じく図６に破断線で示されている推定速度Ｖｅ（Ｍ１９）は、実速度である２５５ｋｍ／ｈと２５７ｋｍ／ｈの間で２５１ｋｍ／ｈから約２５６ｋｍ／ｈに及んでいる。

したがってこの打切り効果は、すべての測定センサＭｉに対して同じ速度で生じることはなく、基準センサＲと測定センサＭ１乃至Ｍ２１の間の距離Ｄ１乃至Ｄ２１は、すべて異なっている。異なるセンサＲおよびＭｉを使用することにより、プラトーがシフトし、かつ、各測定センサに対して観察される誤差が補償され、図６に太い黒線で示されている実質的に一直線の平均速度Ｖｍｅａｎが得られる。この平均速度Ｖｍｅａｎは、理想理論線に接近しており、実速度と計算速度を一致させている。

したがって、複数の推定速度Ｖｅ（Ｍｉ）を考慮した平均速度Ｖｍｅａｎを決定するこのような測定方法は、誤差を著しく小さくすることができる。平均速度Ｖｍｅａｎの計算を考慮した推定速度の数Ｎに対する速度の最大相対誤差Ｅを示す図７に示されているように、単一の測定センサに対応する単一の推定速度の場合に観察される、太い実線で示されている最大相対誤差は、約１．６％、すなわち速度が４００ｋｍ／ｈの場合、約６ｋｍ／ｈである。この誤差は、同じ測定センサを使用した測定毎に継続している。一方、５つの異なるセンサを使用して少なくとも５つの速度が推定される場合、相対誤差Ｅが０．４％に向かって０．５％未満に減少すること、また、推定速度が２１個の場合、さらに０．３％まで減少させることができることに留意されてもよい。

この誤差縮小事象は、とりわけ、測値変化のほぼ完全な減少および速度推定に対するはるかに高い精度によって表現される。速度対時間を示す図８では、図３の特性と同じ特性を有する速度勾配が記録されると、つまり、９ｋＨｚの最大収集周波数および１．５ｍｍの空間分解能の場合、平均速度Ｖｍｅａｎが計算された後の８つの推定速度値（したがって８つの測定センサＭ１乃至Ｍ８）によって、はるかに滑らかで、かつ、より正確な曲線を得ることができる。１１０ｋｍ／ｈにおけるサンプリングと結合した不正確性は、事実上、完全に除去されている。

したがって、使用される測定センサＭｉがどのようなものであっても、このような測定方法によれば、固定されたエレメントに対する移動エレメントの速度を推定する際に、極めて高い精度を得ることができる。さらに、このような方法は、各測定センサに対してなされた正確な推定の数に従って計算された推定値に対する信頼性指数を与える可能性を使用者に提供する。

例えば、この方法は、Ｎ個のセンサＭｉを使用して得られるＮ個の速度推定値が類似している場合（打切り誤差を除く）、信頼性指数Ｎを与え、また、この方法は、Ｎ個のセンサＭｉを使用して得られるＮ個の速度推定値のうちの１つのみが正確であるように思われる場合、信頼性指数１を与える。

本発明は、上で説明した異なる実施形態に限定されない。この測定方法は、収集周波数が制限されない場合、推定精度を改善するために適用することができる。

さらに、このような測定方法の１つを実施した光学装置の基準センサＲおよび測定センサＭｉは、図１、４および５に示されているように整列されてもよく、あるいは基準センサＲおよび測定センサＭｉは、実質的に直角に配置されてもよい。例えば、基準センサＲは、移動軸Ａに対して直角に配置され、また、測定センサＭｉは、基準センサＲに対して直角の移動軸Ａに沿って整列され、かつ、配置される。このような構成により、縦方向の速度に加えて、とりわけ、移動エレメントの横方向の速度を測定することができる。

このような測定方法は、とりわけ、地上の自動車両の速度の測定に適用され、測定装置は、地上または車両の下側のいずれかに分け隔てなく固定される。他のアプリケーションは、生産ライン（最終仕分け、製造された対象の承認など）の対象の走行速度および高さの計算であってもよい。また、他のアプリケーションは、織物生産ライン（紡機、織機、圧延機など）のワイヤまたはロッドの走行速度の測定であってもよい。

従来技術による変位速度測定方法を実施した光学測定装置を極めて概略的に示す図である。 従来技術による測定方法の異なる収集周波数に対する速度対空間分解能を示すグラフである。 図１および２による測定方法の速度勾配を記録する場合の速度対時間を示すグラフである。 本発明による変位速度測定方法を実施した光学測定装置を極めて概略的に示す図である。 本発明による変位速度測定方法の代替実施形態を実施した光学測定装置を極めて概略的に示す図である。 図４および５による測定方法に対する、測定センサの推定速度およびこれらの推定速度の平均速度に対する推定速度対実速度を示すグラフである。 図４乃至６による測定方法に対する、推定速度に対する最大相対誤差対測定センサの数を示すグラフである。 図４乃至７による測定方法の速度勾配を記録する場合の速度対時間を示すグラフである。 本発明による変位速度測定方法の代替実施形態を実施した測定装置のセンサを極めて概略的に示す図である。

Claims (5)

1. 固定されたエレメントに対する移動エレメントの変位速度を、それらの２つのエレメントのうちの一方に固定された光学測定装置であって、少なくとも１つの入射光ビームをもう一方のエレメントの方向に放出するための手段と、前記もう一方のエレメントによって拡散した光を検出する第１（Ｒ）および第２（Ｍ）のセンサと、前記センサ（Ｒ、Ｍ）に接続された処理手段とを備えた光学測定装置によって測定するための測定方法であって、前記測定方法が、少なくとも、
   前記入射光ビームの放出と、
   前記拡散した光の前記第１（Ｒ）および第２（Ｍ）のセンサによる検出と、
   前記処理手段による、前記第１（Ｒ）および第２（Ｍ）のセンサによって供給される信号の相関による最大相関ピークの位置の決定と、
   前記第１（Ｒ）のセンサと第２（Ｍ）のセンサの間の所定の距離（Ｄ）、および前記最大相関ピークの前記位置に基づく推定速度（Ｖｅ）の決定と
   を含み、前記光学測定装置が、第１の基準センサ（Ｒ）と、前記移動エレメントの移動軸（Ａ）に沿って実質的に整列された複数のまったく別の第２の測定センサ（Ｍｉ）とを備え、前記測定方法が、
   前記基準センサ（Ｒ）と前記測定センサ（Ｍｉ）の各々とによって供給される信号からの推定速度（Ｖｅ（Ｍｉ））の決定と、
   前記推定速度（Ｖｅ（Ｍｉ））の平均速度（Ｖｍｅａｎ）の計算と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. センサ（Ｒ、Ｍｉ）が、基本コンポーネントの行列の少なくとも一部によって構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記センサ（Ｒ、Ｍｉ）が、少なくとも１つの感光性アレイによって形成されることを特徴とする請求項１および２の一項に記載の方法。
4. ２つの隣接する測定センサ（Ｍｉ）が、１つの同じアレイの基本コンポーネントの隣接するグループによって形成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. ２つの隣接する測定センサ（Ｍｉ）が、２つのまったく別のアレイによって形成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。

Images