JP2010066101A

JP2010066101A - レーザレーダ及びレーザレーダによる境界監視方法

Info

Publication number: JP2010066101A
Application number: JP2008232131A
Authority: JP
Inventors: Taketoshi Takano; 武寿高野
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2010-03-25

Abstract

【課題】境界監視用に使用する場合において、監視コストの低減を実現したうえで、フェンス付近の計測対象の三次元データを生成することが可能であるレーザレーダ及びレーザレーダによる境界監視方法を提供する。
【解決手段】投光部２と、投光部２から発したレーザ光ＬＴを走査する走査部３と、計測対象領域で反射して戻った反射レーザ光ＬＲを受ける受光部４と、レーザ光ＬＴの投光タイミング及び走査部３による走査を制御する制御部５と、計測対象の距離情報を取得する演算部６を備え、走査部３は、中心軸３１と直交する底面３２ａに対する角度が互いに異なる複数の斜面３２ｂを有する角錐台形状を成すポリゴンミラー３２と、ポリゴンミラーを回転させるモータ３３を具備していて、モータ３３が一回転する毎に角度分解能を算出し、ポリゴンミラー３２の角度を算出して制御部５に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、領域を仕切る境界柵部、例えば、工場などの施設領域と外部とを仕切るフェンスの近傍を監視するのに利用されるレーザレーダ及びレーザレーダによる境界監視方法に関するものである。

従来、上記した領域を仕切る境界柵部の近傍を監視するレーザレーダとしては、例えば、レーザ光を発する投光部と、この投光部から発したレーザ光を二次元的に走査する走査部と、この走査部によるレーザ光走査により計測対象で反射して戻るレーザ光を受ける受光部を備えたものがあり、このようなレーザレーダにおいて、一般的に、走査部は、投光部から発したレーザ光を境界柵部に沿う方向に走査するポリゴンミラーを具備した一方の光学走査機構と、この光学走査機構のポリゴンミラーからのレーザ光を境界柵部を貫く方向に走査するガルバノスキャナを具備した他方の光学走査機構を有するものとなっている（例えば、特許文献１参照）。

このレーザレーダを境界監視用に使用する場合、走査部が、互いに独立する二系統の光学走査機構を有している都合上、レーザレーダの価格が高額になって、監視コストの上昇を避け得ない。
そこで、監視コストの低減を図るべく、側面の傾斜角度を互いに違えた多角錐台形状のポリゴンミラーを用いることで光学走査機構を一つにまとめた車両間距離検出用のレーザレーダ（例えば、特許文献２参照）を境界監視用に使用することが提案されている。
特開2005-69975号特開2005-291787号

ところが、上記した車両間距離検出用のレーザレーダを境界監視用に使用する場合、価格を低く抑えつつ、多角錐台形状のポリゴンミラーによりレーザ光を二次元的に走査して境界柵部付近の計測対象までの距離を検出することはできるものの、計測対象の三次元データを生成することができないという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上述した従来の課題に着目してなされたもので、境界監視用に使用する場合において、監視コストの低減を実現したうえで、境界柵部付近の計測対象の三次元データを生成することが可能であるレーザレーダ及びレーザレーダによる境界監視方法を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に係る発明は、レーザ光を発する投光部と、この投光部から発したレーザ光を二次元的に走査する走査部と、この走査部によるレーザ光走査により計測対象で反射して戻った反射レーザ光を前記走査部を介して受ける受光部と、前記投光部にレーザ光の投光指令を発すると共に前記走査部による走査を制御する制御部と、この制御部から与えられるレーザ光の投光タイミング及び前記受光部から与えられる反射レーザ光の受光タイミングに基づいて前記計測対象の距離情報を取得する距離演算部を備えたレーザレーダにおいて、前記走査部は、中心軸と直交する底面及びこの底面に対する角度が互いに異なる複数の斜面を有する角錐台形状を成すポリゴンミラーと、このポリゴンミラーをその中心軸回りに回転させるモータを具備し、前記モータが一回転する毎に角度分解能を算出して、現在のポリゴンミラーの角度を算出して前記制御部に出力する構成としたことを特徴としており、このレーザレーダの構成を前述の従来の課題を解決するための手段としている。

また、本発明の請求項２に係る発明は、領域を仕切る境界柵部の近傍を監視するレーザレーダであって、レーザ光を発する投光部と、この投光部から発したレーザ光を二次元的に走査する走査部と、この走査部によるレーザ光走査により計測対象で反射して戻った反射レーザ光を前記走査部を介して受ける受光部と、前記投光部にレーザ光の投光指令を発すると共に前記走査部による走査を制御する制御部と、この制御部から与えられるレーザ光の投光タイミング及び前記受光部から与えられる反射レーザ光の受光タイミングに基づいて前記計測対象の距離情報を取得する距離演算部を備えたレーザレーダにおいて、前記走査部は、中心軸と直交する底面及びこの底面に対する角度が互いに異なる複数の斜面を有する角錐台形状を成すポリゴンミラーと、このポリゴンミラーをその中心軸回りに回転させるモータを具備していて、前記ポリゴンミラーの中心軸が前記境界柵部を貫く方向に沿うべく該ポリゴンミラーが配置されると共に、前記投光部及び受光部の各光軸が前記ポリゴンミラーの中心軸に沿い且つ該中心軸の下側に位置する斜面に向くべく該投光部及び受光部がそれぞれ配置され、前記モータが一回転する毎に角度分解能を算出して、現在のポリゴンミラーの角度を算出して前記制御部に出力する構成としたことを特徴としており、このレーザレーダの構成を前述の従来の課題を解決するための手段としている。

一方、本発明の請求項３に係る発明は、請求項１に記載のレーザレーダにより、領域を仕切る境界柵部の近傍を監視するに際して、走査部のポリゴンミラーの中心軸が前記境界柵部を貫く方向に沿うべく該ポリゴンミラーを配置すると共に、投光部及び受光部の各光軸が前記ポリゴンミラーの中心軸に沿い且つ該中心軸の下側に位置する斜面に向くべく該投光部及び受光部をそれぞれ配置し、前記走査部のポリゴンミラーを回転させつつ前記投光部からレーザ光を投光して、前記境界柵部に沿う方向及び該境界柵部を貫く方向にレーザ光を走査し、この走査部によるレーザ光走査により計測対象で反射して戻った反射レーザ光を前記走査部のポリゴンミラーを介して受光部で受ける構成としたことを特徴としており、このレーザレーダによる境界監視方法の構成を前述の従来の課題を解決するための手段としている。

本発明のレーザレーダ及びレーザレーダによる境界監視方法において、投光部から発するレーザ光としては、半導体レーザや固体レーザやガスレーザなどを用いることができ、信号波形がパルス状や位相変調した正弦波状を成すレーザ光が使用される。
また、本発明のレーザレーダにおける走査部のポリゴンミラーは、四角錐台や六角錐台などの多角錐型台形状を成しているが、中心軸と直交する底面に対する角度が互いに異なる複数の斜面は、底面に対する角度が、例えば、1度ずつ異なるように成形する。

そして、この走査部のポリゴンミラーは、領域を仕切る境界柵部の近傍を監視する場合において、図３（ａ）に示すように、その回転中心である中心軸３１が境界柵部Ｆを貫く方向（図示左右方向）に沿うように設置し、この際、投光部２（及び受光部）は、この投光部２からのレーザ光ＬＴがポリゴンミラー３２の中心軸３１とほぼ平行で且つこの中心軸３１の下側に位置する斜面３２ｂに当たるように設置する。

このレーザレーダでは、パルス状や位相変調した正弦波状のレーザ光を境界柵部の近傍の計測対象に照射し、反射して戻ってくるまでの時間を計測して距離演算部により処理することで、計測対象までの距離を求めることができる。
このとき、制御部による制御によって上記走査部が動作しており、すなわち、ポリゴンミラー３２が中心軸３１回りに回転しており、図３（ｂ）に示すように、ポリゴンミラー３２の一つの斜面３２ｂに投光部２（及び受光部）からのレーザ光ＬＴが当たっている間は、レーザ光ＬＴが境界柵部Ｆに沿う方向（図示上下方向）に走査され、図４に示すように、レーザ光ＬＴがポリゴンミラー３２の一つの斜面３２ｂ_１から次の斜面３２ｂ_２に当たるようになると、この斜面３２ｂ_２の底面３２ａに対する角度が一つ前の斜面３２ｂ_１と異なる分だけ、レーザ光ＬＴが境界柵部Ｆを貫く方向にシフトしつつ境界柵部Ｆに沿う方向に走査され、これらの動作が繰り返されることにより、境界柵部Ｆに沿う方向及び境界柵部Ｆを貫く方向の二次元走査が成されることとなる。

このように、本発明のレーザレーダでは、中心軸と直交する底面に対する角度を互いに違えた複数の斜面を有する多角錐台形状のポリゴンミラーを用いることで、走査部の光学走査機構を一つにまとめるようにしているので、境界監視用に使用する場合において、レーザレーダのコストの低減が図られて、監視コストが低く抑えられることとなる。
また、本発明のレーザレーダでは、走査部において、モータが一回転する毎に角度分解能を算出し、現在のポリゴンミラーの角度を算出して制御部に出力するようにしているので、制御部では、距離演算部から得た距離情報と、走査部から得たポリゴンミラーの角度情報とから、三次元データを生成し得ることとなる。

本発明の請求項１に係るレーザレーダでは、上記した構成としたから、コストの低減を実現したうえで、計測対象の三次元データを生成することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
また、本発明の請求項２に係るレーザレーダ及び請求項３に係るレーザレーダによる境界監視方法では、上記した構成としているので、監視コストの低減を実現しつつ、境界柵部付近の計測対象の三次元データを生成することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

以下、本発明に係るレーザレーダ及びレーザレーダによる境界監視方法を図面に基づいて説明する。
図１〜図５は、本発明に係るレーザレーダの一実施形態を示しており、この実施形態では、本発明に係るレーザレーダを工場などの施設領域と外部とを仕切るフェンス（境界柵部）の近傍を監視するのに用いた場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、このレーザレーダ１は、パルス状のレーザ光ＬＴを発する投光部２と、この投光部２から発したレーザ光ＬＴを二次元的に走査する走査部３と、この走査部３によるレーザ光ＬＴの走査により走査範囲内の計測対象で反射して戻った反射レーザ光ＬＲを走査部３を介して受ける受光部４と、投光部２にレーザ光ＬＴの投光指令を発すると共に走査部３による走査を制御する制御部５と、この制御部５から与えられるレーザ光ＬＴの投光タイミング及び受光部４から与えられる反射レーザ光ＬＲの受光タイミングに基づいて計測対象の距離情報を取得する距離演算部６を備えている。

走査部３は、図２に示すように、中心軸３１と直交する底面３２ａ及びこの底面３２ａに対する角度が互いに異なる複数（本実施形態では４枚）の斜面３２ｂを有する角錐台形状を成すポリゴンミラー３２と、このポリゴンミラー３２をその中心軸３１回りに回転させるモータ３３を具備しており、この走査部３は、投光部２や受光部４などとともに図示しない支柱などの立設物に取り付けられるようになっている。

この場合、ポリゴンミラー３２は、図３（ａ）に示すように、その中心軸３１がフェンスＦを貫く方向（図示左右方向）に沿うようにして配置してあり、一方、投光部２（及び受光部４）は、この投光部２からのレーザ光ＬＴがポリゴンミラー３２の中心軸３１とほぼ平行で且つこの中心軸３１の下側に位置する斜面３２ｂに当たるように配置してある。
つまり、中心軸３１回りに回転するポリゴンミラー３２の一つの斜面３２ｂに投光部２からのレーザ光ＬＴが当たっている間は、図３（ｂ）に示すように、レーザ光ＬＴがフェンスＦに沿う方向（図示上下方向）に走査され、図４に示すように、レーザ光ＬＴがポリゴンミラー３２の一つの斜面３２ｂ_１から次の斜面３２ｂ_２に当たるようになると、この斜面３２ｂ_２の底面３２ａに対する角度が一つ前の斜面３２ｂ_１と異なる分だけ、レーザ光ＬＴがフェンスＦを貫く方向にシフトしつつフェンスＦに沿う方向に走査され、走査部３において、これらの動作を繰り返し行わせることで、フェンスＦに沿う方向及びフェンスＦを貫く方向の二次元走査を行うことができるようにしている。

また、この走査部３では、モータ３３が一回転する毎に角度分解能を算出して、現在のポリゴンミラー３２の角度を算出して制御部５に出力するようにしている。
具体的には、モータ３３にインクリメンタル式ロータリエンコーダが取り付けられている場合には、このエンコーダから、モータ３３が一回転する毎に一発の原点信号、及び、一定角度回る毎に一発のパルス信号（例えば、０．１°回る毎に一発、すなわち、モータ３３の一回転で３６００発のパルス信号）が出力される場合において、図５に示すように、ステップＳ１において原点信号が到来すると、ステップＳ２において演算変数として有するカウント値Cntを０にリセットし、ステップＳ３においてパルス信号が到来すると、ステップＳ４においてカウント値Cntをインクリメント（＋１）して、ステップＳ５において、ポリゴンミラー３２の角度値Degを算出する。

この際、ロータリエンコーダの原点位置と、ポリゴンミラー３２の機械的原点位置とが厳密に言って一致していない場合に備えて、オフセット量Ofstを定数として保持し、また、カウント値Cntをポリゴンミラー３２の角度値Degに換算するための角度分解能Dresを定数として保持する（例えば、上記したように、エンコーダからモータ３３の一回転で３６００発のパルス信号が出力される場合であれば、角度分解能Dresは0.1[°／パルス]になる）。

つまり、ポリゴンミラー３２の角度値Degは、 (Cnt−Ofst)×Dresに基づいて算出されることとなる。
なお、モータ３３にインクリメンタル式ロータリエンコーダが取り付けられていない場合には、モータ３３から出力される一回転に一発の原点信号と、モータ３３とは非同期の内部クロック（一定周波数の矩形波）を用いる。

図６に示すように、ステップＳ１１において原点信号が到来すると、ステップＳ１２において演算変数として有するカウント値Cntを基準カウント値Crefとして保持すると共に、カウント値Cntをポリゴンミラー３２の角度値Degに換算するための角度分解能Dresを基準カウント値Crefから算出し（モータ３３一回転の３６０°を基準カウント値Crefで除算した結果を角度分解能Dresとし）、続いて、ステップＳ１３においてCnt値を０にリセットする。

そして、ステップＳ１４において内部クロックの立ち上がり信号（又は立ち下り信号）が到来すると、ステップＳ１５においてカウント値Cntをインクリメント（＋１）して、ステップＳ１６において、ポリゴンミラー３２の角度値Degを算出する。
この場合も、オフセット量Ofstを定数として保持し、したがって、ポリゴンミラー３２の角度値Degは、(Cnt−Ofst)×Dresに基づいて算出されることとなる。

すなわち、モータ３３が一回転する毎に角度分解能を算出して、一回転前の回転速度が現在の回転速度と同一であると見なして現在のポリゴンミラー３２の角度を算出する。
上記したこの実施形態に係るレーザレーダ１では、パルス状や位相変調した正弦波状のレーザ光ＬＴをフェンスＦの近傍の計測対象に照射し、反射して戻ってくるまでの時間を計測して距離演算部６により処理することで、計測対象までの距離を求めることができる。

この際、制御部５による制御によって上記走査部３の多角錐台形状を成すポリゴンミラー３２を動作させてレーザ光ＬＴをフェンスＦに沿う方向及びフェンスＦを貫く方向に（二次元的に）走査させ、この制御部５において、この走査部３のポリゴンミラー３２から得た角度情報と、距離演算部６から得た距離情報とから、三次元データを生成して外部に出力するものとなっている。

このように、上記したレーザレーダ１では、中心軸３１と直交する底面３２ａに対する角度を互いに違えた４枚の斜面３２ｂを有する多角錐台形状のポリゴンミラー３２を用いることで、走査部３の光学走査機構を一つにまとめるようにしているので、本実施形態のように、境界監視用に使用する場合において、レーザレーダ１のコストの低減が図られて、監視コストが低く抑えられることとなる。

また、上記したこの実施形態に係るレーザレーダ１では、走査部３において、モータ３３が一回転する毎に角度分解能を算出し、現在のポリゴンミラー３２の角度を算出して制御部５に出力するようにしているので、制御部５において、三次元データを生成して外部に出力し得ることとなる。
上記した実施形態では、本発明に係るレーザレーダを工場などの施設領域と外部とを仕切るフェンスの近傍を監視するのに用いた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、踏み切りや交差点の監視に用いることも可能である。

また、本発明に係るレーザレーダの構成は、上記した実施形態によるレーザレーダ１の構成に限定されるものではない。

本発明に係るレーザレーダの一実施形態を示すブロック図である。図１におけるレーザレーダの走査部に対する投光部及び受光部の位置関係を示す斜視説明図である。図１におけるレーザレーダの走査部及び投光部の位置関係を示す簡略側面説明図（ａ）及び簡略平面説明図（ｂ）である。図１に示したレーザレーダの走査部におけるポリゴンミラーの動作説明図（ａ），（ｂ）である。図１におけるレーザレーダのポリゴンミラーの一角度算出要領を示すフローチャートである。図１におけるレーザレーダのポリゴンミラーの他の角度算出要領を示すフローチャートである。

符号の説明

１レーザレーダ
２投光部
３走査部
３１ポリゴンミラーの中心軸
３２ポリゴンミラー
３２ａポリゴンミラーの底面
３２ｂポリゴンミラーの斜面
３３モータ
４受光部
５制御部
６距離演算部
ＬＲ反射レーザ光
ＬＴ投光レーザ光

Claims

レーザ光を発する投光部と、
この投光部から発したレーザ光を二次元的に走査する走査部と、
この走査部によるレーザ光走査により計測対象で反射して戻った反射レーザ光を前記走査部を介して受ける受光部と、
前記投光部にレーザ光の投光指令を発すると共に前記走査部による走査を制御する制御部と、
この制御部から与えられるレーザ光の投光タイミング及び前記受光部から与えられる反射レーザ光の受光タイミングに基づいて前記計測対象の距離情報を取得する距離演算部を備えたレーザレーダにおいて、
前記走査部は、中心軸と直交する底面及びこの底面に対する角度が互いに異なる複数の斜面を有する角錐台形状を成すポリゴンミラーと、このポリゴンミラーをその中心軸回りに回転させるモータを具備し、前記モータが一回転する毎に角度分解能を算出して、現在のポリゴンミラーの角度を算出して前記制御部に出力する
ことを特徴とするレーザレーダ。
領域を仕切る境界柵部の近傍を監視するレーザレーダであって、
レーザ光を発する投光部と、
この投光部から発したレーザ光を二次元的に走査する走査部と、
この走査部によるレーザ光走査により計測対象で反射して戻った反射レーザ光を前記走査部を介して受ける受光部と、
前記投光部にレーザ光の投光指令を発すると共に前記走査部による走査を制御する制御部と、
この制御部から与えられるレーザ光の投光タイミング及び前記受光部から与えられる反射レーザ光の受光タイミングに基づいて前記計測対象の距離情報を取得する距離演算部を備えたレーザレーダにおいて、
前記走査部は、中心軸と直交する底面及びこの底面に対する角度が互いに異なる複数の斜面を有する角錐台形状を成すポリゴンミラーと、このポリゴンミラーをその中心軸回りに回転させるモータを具備していて、前記ポリゴンミラーの中心軸が前記境界柵部を貫く方向に沿うべく該ポリゴンミラーが配置されると共に、前記投光部及び受光部の各光軸が前記ポリゴンミラーの中心軸に沿い且つ該中心軸の下側に位置する斜面に向くべく該投光部及び受光部がそれぞれ配置され、前記モータが一回転する毎に角度分解能を算出して、現在のポリゴンミラーの角度を算出して前記制御部に出力する
ことを特徴とするレーザレーダ。
請求項１に記載のレーザレーダにより、領域を仕切る境界柵部の近傍を監視するに際して、
走査部のポリゴンミラーの中心軸が前記境界柵部を貫く方向に沿うべく該ポリゴンミラーを配置すると共に、投光部及び受光部の各光軸が前記ポリゴンミラーの中心軸に沿い且つ該中心軸の下側に位置する斜面に向くべく該投光部及び受光部をそれぞれ配置し、
前記走査部のポリゴンミラーを回転させつつ前記投光部からレーザ光を投光して、前記境界柵部に沿う方向及び該境界柵部を貫く方向にレーザ光を走査し、
この走査部によるレーザ光走査により計測対象で反射して戻った反射レーザ光を前記走査部のポリゴンミラーを介して受光部で受ける
ことを特徴とするレーザレーダによる境界監視方法。