JP2010256243A - 走査型測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走査効率の高い走査型測距装置を提供する。
【解決手段】投受光部１ａから投光された測定光は鏡面２ａによって反射され、筐体の透過部６を通過し、測定対象空間に照射される。測定対象空間に測定対象物があると、測定対象物からの反射光は、透過部６を再度通過し、鏡面２ａによって反射され、投受光部１ａにて受光されることで測定対象物の位置を測定する。また、同時に他方の投受光部１ｂ、鏡面２ｂでも同様に他の測定対象物の位置を測定することにより測定効率を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定光を３次元的に走査することによって、測定対象空間に存在する測定対象物の位置を測定する走査型測距装置に関する発明である。

従来から３次元空間に存在する対象物の位置を、レーザの投光および受光によって、測定する走査型測距装置が知られている。走査型測距装置は、ロボットや車両、あるいは通路等に設置し、人や物体の接近または路面状態などを検知するために用いられている。
引用文献１のように、走査型測距装置は、発光ダイオードやレーザダイオード等の光源からの出力を所定の変調信号により変調した測定光を出力する投光部と、測定光を測定対象空間に向けて回転走査する走査部と、走査された測定光が測定対象物で反射した反射光を光電変換素子により検出する受光部と、前記投光部から出力される測定光と、測定対象物で反射した反射光に基づいて物体までの距離を演算する演算部を備えて構成されている。また、引用文献１の走査型測距装置では、装置の外枠の一部が透光窓で覆われているとともに、前記走査部を水平方向に３６０度回転可能な回転体とすることで、３６０度の範囲で距離測定を可能としている。

測定方式にはＴＯＦ方式とＡＭ方式が知られている。
ＴＯＦ方式とは、レーザ光またはＬＥＤ光をパルス光に変調した測定光を出力してから、測定対象物で反射して帰ってきた反射光を検出するまでの時間差に基づいて、距離を算出する方式である。
また、ＡＭ方式とは、レーザ光またはＬＥＤ光を正弦波で変調した測定光を出力し、測定対象物で反射して帰ってきた反射光と測定光の位相差に基づいて距離を算出する方式である。

特開２００８―０７０１５９号公報

従来、三次元空間を走査する速度は、走査部の回転体を回転させるモータの速度に依存していたため走査速度を上げようとすると、モータ性能を向上させる必要があった。また、複数の測距装置を用いて一度に複数箇所の計測をすることもできるが、その分モータの数も増加してしまう。
本発明は前述のように、モータの数を増加させることなく、走査速度を向上させるためになされたものである。

本発明では、測定対象空間へ測定光を照射する投光部と、前記測定対象空間に存在する測定対象物から反射された反射光を検知する受光部と、前記投光部から測定対象空間へ測定光を誘導し、かつ測定対象空間に存在する測定対象物で反射された反射光を受光部へ誘導する鏡面部と、前記鏡面部を回転させる走査部と、からなる走査型測距装置において、前記鏡面部は複数の鏡面を有し、前記走査部により一つの回転軸で回転するとともに、前記投光部及び受光部は一対として前記複数の鏡面に対応して個々に存在することを特徴とする走査型測距装置とすることによって、走査部を回転させるモータの数を増やさずに、複数の測定対象空間の測定対象物を同時に測定することができるようになる。

また、前記走査型測距装置において、前記複数の鏡面は互いに異なる方向に傾斜するよう設けることで、同時に異なる方向の走査をすることができるようになる。

また、前記投光部及び前記受光部は一対として前記回転軸上で前記鏡面部を挟んで上方と下方に存在し、前記鏡面部は前記上方及び下方の前記投光部及び前記受光部に対応して反対方向を面とする２つの鏡面を設けることで、１８０度異なる測定対象空間を同時に走査できるようになる。

また、前記鏡面部は前記回転軸に対する垂直方向を軸として傾動可能な機構を有する構成とすることで、水平方向に加えて垂直方向のスキャンが可能になる。

本発明により、走査型測距装置の走査効率を向上させることができる。

本発明に係る走査型測距装置の断面図 実施例１に係る走査部の側面図 本発明に係る走査部の上面イメージ図 鏡面部を基準角度に固定したときの走査範囲図 鏡面部を基準角度に対して２５度傾斜させて固定したときの走査範囲図 鏡面部に機械式可動鏡面を用いたときの鏡面可動部の機構 鏡面部にモータ式可動鏡面を用いたときの鏡面可動部の機構 鏡面を可変としたときの走査範囲図 鏡面角度を機械式で変位させたときの測定光照射角度の時系列図 鏡面角度をモータによって変位させたときの測定光照射角度の時系列図 本発明をロボットの歩行路面走査に利用した図 実施例３に係る走査型測距装置の断面図 実施例３に係る走査範囲図

図１は本発明に係る走査型測距装置の断面図である。
実施例１の構成を、図１の本発明に係る走査型測距装置の断面図を用いて説明する。図１の走査型測距装置は、２つの投受光部（投光部と受光部を並設したもの）１ａ、１ｂ、２つの鏡面２ａ、２ｂ、走査部３を備えている。また、鏡面部２は投光部１１ａ、１１ｂからの測定光の照射方向に対して４５度傾斜して設置されている。なお、走査部３は下端を中空モータ３６で回転する構造となっており、投受光部１ｂは走査部３下端中央に備えられている。図２の実施例１に係る走査部３の側面図のように、走査部３は鏡面部２を挟みこみ、投受光部１ｂから投光された測定光を鏡面部２に導くとともに、測定対象空間へ測定光を照射できるように次の構成をとっている。

走査部３は上述のように中空モータ３６で回転している。該走査部３は円柱部材を基に構成されており、該円柱部材の一端は測定光及び反射光が通過可能な開口端を有する溝構造３１を有し、該溝構造３１の中央部で前記鏡面部２を保持する構造となっている。
また、該円柱部材の他端は円柱部材が縮径された縮径部３７とされ、該縮径部３７の内周面に軸受３２を介して中空軸３３が挿入されており、該中空軸３３によって回転可能に支持されている。また、該円柱部材の軸心は空洞に形成され、走査部下端の投受光部１ｂにおいて投光及び受光する測定光及び反射光が通過可能な構造となっている。

走査部３を回転駆動するモータ３６は、固定子側にコイル３４を、回転子側に磁石３５をそれぞれ備え、磁石３５が走査部３の縮径部３７の外周面に取り付けられ、コイル３４との相互作用により、走査部３が、前記鏡面部を走査部３の回転軸心周りで回転させるように構成されている。
また、走査部３の回転軸心上に投受光部の中心が合うように配置されている。

上記投受光部１ａ、１ｂ、鏡面２ａ、２ｂ、走査部３は、筐体５内に備えられている。筐体５は、外周方向に所定幅の測定光を透過する透過部６を有している。

投受光部１ａから投光された測定光は鏡面２ａによって反射され、筐体の透過部６を通過し、測定対象空間に照射される。測定対象空間に測定対象物があると、測定対象物からの反射光は、透過部６を再度通過し、鏡面２ａによって反射され、投受光部１ａにて受光される。

投光部から照射された測定光と前記測定対象物からの反射光との時間差または位相差から測定対象物の位置を測定する。

これと同様の過程が、他方の投受光部１ｂ、鏡面２ｂによっても行われている。
本発明において、鏡面２ａと２ｂは表裏の関係に構成されている。該構成により、図３の本発明に係る走査部の上面イメージ図のように、１８０度逆方向に測定光が照射される。

実施例１の構成による走査型測距装置において、鏡面部２の角度を走査部の回転軸に対して４５度の角度（以下、「基準角度」という。）に固定した場合は、図４のように、走査部が一回転する間に、２つの走査ラインが同じ水平面を一度ずつスキャンすることが可能であり、モータの回転速度に対して２倍の効率での走査できるとともに、装置自体をコンパクトにすることができた。なお、投受光部１ａが照射する測定光を測定光Ａ、投受光部１ｂが照射する測定光を測定光Ｂとする。

また、鏡面部２の角度を基準角度から２５度水平方向に傾斜させて固定した場合は、図５のように、走査部が一回転する間に、測定光Ａと測定光Ｂによる２つの走査ラインが異なる角度の測定対象空間を走査することが可能である。つまり鏡面部の角度を変化させることにより、走査領域を変更することが可能である。

実施例２では、実施例１の構成に加えて、走査部３の上端に設置された鏡面部２の接合部４を回転可能とし、接合部４の回転により、鏡面部２を傾動可能としている。

接合部４の回転において、本発明では機械式可動鏡面、モータ式可動鏡面について説明する。なお、機械式可動鏡面、およびモータ式可動鏡面の代わりに、ＭＥＭＳミラーを利用することも可能である。ＭＥＭＳミラーとは静電気を用いてミラーを駆動させ、ミラー面に半導体レーザを照射し、画像をスキャンなどする微小電子機械ミラーである。

図６を用いて機械式可動鏡面の構成を説明する。図６の走査部３の底部には歯車７ａが設置されているとともに、筐体５の一部に前記歯車が掛かるよう切り欠き部８が設けられている。また、該歯車７ａに連結部材９を介して連結された歯車７ｂが鏡面可動部４の一端に設置されている。これにより、中空モータ３６によって走査部が一回転する毎に歯車が一つ進み、該歯車に連結された鏡面の角度も所定量変化していく。なお、歯車７ａと歯車７ｂを連結する連結部材９は複数のギアやベルトの機構であってもよい。
該鏡面可動部４を機械式にすることで、鏡面を可動させるための新たなモータを必要とせず、鏡面角度を変化させることができる。
また、可動方向は歯車の組合せで変えることができるため、鏡面を一定方向へ回転させるのみならず、一定量回転した後に、逆回転するようにもできる。

図７を用いてモータ式可動鏡面を説明する。図７の鏡面可動部４の一端には、鏡面を回転させる走査部のモータとは別個の鏡面可動用モータ１０が設置されている。
これにより、中空モータ３６の回転とは独立して、鏡面の傾動を制御することができる。モータ式は機械式と比べて回転角の精度を高くすることができる。

鏡面部２を傾動可能とすることで、走査範囲に幅を持たせることができ、図８に示すように広範囲の走査が可能になる。

機械式可動鏡面を用いた場合の走査ラインは、走査部が一回転するごとに鏡面の角度が変化していくため、図９のように階段状になっている。また、モータ式鏡面可動部を用いた場合の走査ラインは、走査部の回転とは独立して、鏡面の角度を変化させることが可能なため、図１０のように一定の割合で鏡面の角度を変化させることができ、よって、連続した空間の走査が可能となる。

実施例２の構成による走査型測距装置により、測距範囲に幅を持たせて走査することが可能であるため、図１１のロボットの歩行制御手段等においてこの装置を使用すると、路面の一定範囲の状態を連続して走査可能である。これにより、ロボットの歩行制御等をより的確に行うことが可能となる。

図１２は本発明に係る実施例３を説明する図である。実施例１，２との違いとしては、鏡面部２が鏡面２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの四面体で構成されている点、走査部の回転軸は該四面体の重心を通る軸である点、および、投受光部は鏡面と同じ数、すなわち４つの投受光部１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが設置されている点で異なる。

実施例３を図１２および図１３を用いて詳述する。図１２に示すように、投受光部１ａ、１ｃは筐体５の上端に、投受光部１ｂ、１ｄは走査部の下端に設置され固定されている。また、鏡面２ａ、２ｃは投受光部１ａ、１ｃから照射された測定光を測定対象空間に導くとともに、測定対象空間から反射された反射光を投受光部へ導く。同様に、鏡面２ｂ、２ｄは投受光部１ｂ、１ｄに対応している。
また、各投受光部が測定する範囲は図１３に示す。なお、実施例１と同様、測定光Ａ〜Ｄは投受光部の符号の添え字に対応する。図１３のように、測定光Ａは走査部３の回転角度が０度から１８０度の区間、測定光Ｃは１８０度から３６０度の区間を走査する。また、測定光Ｂは９０度から２７０度の区間、測定光Ｄは０度から９０度および２７０度から３６０度の区間を走査する。各測定光は複数の鏡面に個々に対応して走査しており、走査部３が１８０度回転する毎に対応する鏡面を変えて走査を繰り返す。図１２を用いて説明すると、測定光Ａは走査部３が０度から１８０度回転するまでは鏡面２ａに対応し、走査部３が１８０度から３６０度回転する間は鏡面２ｃに対応する。走査部３が３６０度回転する間に、各測定光は各走査区間を２回走査する。

実施例３の構成により、４本の測定光によって走査されるため、鏡面が１つしかない場合に比べて４倍の効率で走査可能である。また鏡面を組み合わせて四面体として設置するため、走査部自体を複数設置する場合に比べて、設置に要するスペースをコンパクト化することが可能である。

１ 走査型測距装置
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 投受光部
１１ａ、１１ｂ 投光部
１２ａ、１２ｂ 受光部
２ 鏡面部
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 鏡面
３ 走査部
３１ 溝構造
３２ 軸受
３３ 中空軸
３４ コイル
３５ 磁石
３６ モータ
３７ 縮径部
４ 接合部
５ 筐体
６ 透過部
７ａ、７ｂ 歯車
８ 切り欠き部
９ 連結部材
１０ 鏡面可動用モータ

Claims (4)

1. 測定対象空間へ測定光を照射する投光部と、
   前記測定対象空間に存在する測定対象物から反射された反射光を検知する受光部と、
   前記投光部から測定対象空間へ測定光を誘導し、かつ測定対象空間に存在する測定対象物で反射された反射光を受光部へ誘導する鏡面部と、
   前記鏡面部を回転させる走査部と、
   からなる走査型測距装置において、
   前記鏡面部は複数の鏡面を有し、前記走査部により一つの回転軸で回転するとともに、
   前記投光部及び受光部は前記鏡面ごとに一対ずつ存在すること
   を特徴とする走査型測距装置。
2. 前記複数の鏡面はそれぞれ異なる方向に向いていること
   を特徴とする請求項１に記載の走査型測距装置。
3. 前記投光部及び前記受光部は前記回転軸上で前記鏡面部を挟んで上方と下方に一対ずつ存在し、
   前記鏡面部は上方及び下方の前記投光部及び前記受光部に対応して反対方向を向いた２つの鏡面を有すること
   を特徴とする請求項１および２のいずれか一に記載の走査型測距装置。
4. 前記鏡面部は前記回転軸に対する垂直方向を軸として傾動可能な機構を有すること
   を特徴とする請求項１から３のいずれか一に記載の走査型測距装置。