JP2011257276A - 地形データの取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザレーダを用いて監視領域の物体を検知するのに用いる監視領域の地形データを、監視領域が広い場合であっても精度よく取得できるようにすること。
【解決手段】侵入物体Ｓが存在しない状態で監視領域Ａの地面Ｌを、表面に高反射率の反射材をコーティングした反射シートＲで覆い、その状態で走査光により監視領域Ａの地面Ｌを走査して、反射シートＲの表面からの反射光を受光する。これにより、地面Ｌを直接走査光で走査する場合に比べて反射光の受光強度を高くする。よって、走査光の入射が浅くなって反射光の強度が微弱となる遠方の監視領域Ａについても、反射率のよい反射シートＲからの反射光に基づいて、監視領域Ａの地面Ｌの地形データを精度よく取得することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、監視領域の地形データを取得する方法に関するものである。

測距用の走査光により３次元空間を主走査方向及び副走査方向に走査させるレーザレーダにより監視領域の物体を検出する際には、主に２通りの方法が用いられる。

第１の方法は、一般に背景差分法と呼ばれるものである。この背景差分法では、予め基準となる地形（地面や周囲の建築物等）をレーザレーダにより計測してそのデータを記録しておく。そして、監視開始後にレーザレーダにより計測して得たデータと、記録した基準地形のデータとの差分を取ることにより、地形と一致しない計測点を物体として検知するもの（例えば、特許文献１）。

第２の方法では、監視開始後に計測したデータの座標系を、監視領域の地面を高さ方向座標における座標値＝ゼロとする座標系に変換した上で、計測したデータの高さ方向座標が一定の閾値を超えた計測点を物体として検知する（例えば、特許文献２）。

特開２００５−３００２５９号公報 特開２００２−１４０７９０号公報

上述した第１の方法では、特に広い監視領域で物体を検知する場合、遠方の地面に設定された計測点に対するレーザ光の入射が浅くなる（地面に対するレーザ光の入射角が大きくなる）ので、計測点からの反射光が微弱となる恐れがある。反射光が微弱であると、その計測点については基準となる地形を特定する計測データが得られなくなってしまう。

また、上述した第２の方法では、データの座標系の座標変換が、地面が必ず平坦であるという前提で行われる。しかし、実際の地面には傾斜等の高低差があることが多い。仮に、近傍の監視領域と遠方の監視領域との間で「一定の閾値」を超える高低差がある場合には、「一定の閾値」を超えた計測点を物体として検知するという運用が行えなくなってしまう。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、レーザレーダを用いて監視領域の物体を検知するのに用いる監視領域の地形データを、監視領域が広い場合であっても精度よく取得できる地形データの取得方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明の地形データの取得方法は、
監視領域の侵入物体を、前記監視領域を走査するレーザレーダからの走査光により検出するために用いる、前記レーザレーダからの前記監視領域の地面の相対位置を示す地形データを取得する方法であって、
前記監視領域の地面よりも光の反射率が高い反射材をコーティングした反射シートを、前記地面に敷設する敷設ステップと、
前記地面に敷設した反射シートを前記走査光により走査する走査ステップと、
前記地面に敷設した反射シートを走査した前記走査光の反射光を前記レーザレーダで受光する受光ステップと、
前記レーザレーダで受光した前記反射光から、前記反射シートを敷設した地面の前記レーザレーダからの相対位置を示す地形データを生成する生成ステップと、
を含むことを特徴とする。

請求項１に記載した本発明の地形データの取得方法によれば、監視領域の地面に反射シートを敷設してその反射シートを走査光が走査すると、反射シートを敷設せずに地面を走査光が走査した場合に比べて、レーザレーダによって受光される反射光の強度が高くなる。

したがって、レーザレーダからの距離が遠く地面に対する走査光の入射角が浅い計測点においても、地形データを生成するのに十分な強度でレーザレーダが反射光を受光できるようになる。このため、監視領域が広い場合であっても、レーザレーダを用いて監視領域の物体を精度よく検知できるようにすることができる。

また、請求項２に記載した本発明の地形データの取得方法は、請求項１に記載した本発明の地形データの取得方法において、前記監視領域内で前記反射シートを敷設する位置を順次変えつつ、前記敷設ステップ、前記走査ステップ、前記受光ステップ、及び、前記生成ステップを繰り返すことで、前記監視領域の全体に亘る前記地形データを取得することを特徴とする。

請求項２に記載した本発明の地形データの取得方法によれば、請求項１に記載した本発明の地形データの取得方法において、監視領域の地面を部分的に反射シートで覆って走査光により走査しその反射光から地形データを生成することから、監視領域の全体を一度に覆う反射シートを準備しなくても、監視領域の全体に亘る地形データを生成できるようになる。よって、監視領域が広い場合や複雑な形状をしている場合であっても、レーザレーダを用いて監視領域の物体を精度よく検知できるようにすることができる。

さらに、請求項３に記載した本発明の地形データの取得方法は、請求項１又は２に記載した本発明の地形データの取得方法において、前記監視領域内の前記敷設ステップにより前記反射シートを敷設しない箇所を、前記侵入物体の非検知領域とするようにしたことを特徴とする。

請求項３に記載した本発明の地形データの取得方法によれば、請求項１又は２に記載した本発明の地形データの取得方法において、監視領域内の反射シートを敷設しない箇所については、反射シートからの反射光がレーザレーダで受光されないので地形データが生成されない。地形データが生成されなければ、侵入物体の検出時に走査光で走査される監視領域内の箇所であっても、侵入物体を検出することができない。

したがって、マニュアルで事前に範囲を指定しなくても、監視領域内の侵入物体が存在し得ない構造物が存在する箇所や走査光の死角となる箇所等を、容易に侵入物体の非検知領域に設定することができる。

本発明によれば、監視領域が広い場合であっても、レーザレーダを用いて監視領域の物体を精度よく検知できるようにすることができる。

本発明の一実施形態に係る地形データの取得方法を適用して取得した地形データを用いる物体検出装置を示す概略構成図である。 図１の走査光により走査する監視領域とレーザレーダヘッドの設置位置との関係を示す説明図である。 図１の走査光により走査する監視領域とレーザレーダヘッドの設置位置との関係を示す説明図である。 監視領域の侵入物体を検出する方法の一例を示す説明図である。 監視領域の侵入物体を検出する方法の他の例を示す説明図である。 図１の制御器が監視領域の侵入物体を検出する方法を示す説明図である。 図６の方法で監視領域の侵入物体を検出するのに用いる監視領域の地形データの取得手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る地形データの取得方法を適用して取得した地形データを用いる物体検出装置を示す概略構成図である。図１に示す物体検出装置は、監視領域を走査光により走査してその反射光により監視領域内に侵入した物体を検出するもので、走査光を出力しその反射光を受光するレーザレーダヘッド５と、走査光及び反射光に基づいてエリア内の物体の検出処理を行う制御装置６とを有している。

図１の物体検出装置を例えば敷地内の監視領域における侵入物の検出に用いる場合、前記レーザレーダヘッド５は、図２の説明図に示すように、監視領域Ａの全体を見通せる支柱Ｂの上端付近に取り付け設置される。このような高所にレーザレーダヘッド５を設置することで、図３の説明図に示すように、レーザレーダヘッド５からの走査光ＬＢ１で監視領域Ａの全体を、走査光ＬＢ１の主走査方向Ｘと副走査方向Ｙとに走査することができる。

レーザレーダヘッド５は、図１に示すように、レーザ光ＬＢを間欠的に出力するレーザ投光器１と、レーザ光ＬＢを主走査方向Ｘ（垂直方向）及び副走査方向Ｙ（水平方向）に走査させて走査光ＬＢ１とするポリゴンミラー１１及びガルバノミラー１２と、物体に照射された走査光ＬＢ１の反射光ＬＢ２をガルバノミラー１２及びポリゴンミラー１１による反射後に受光する受光器２と、ポリゴンミラー１１を回転駆動させるポリゴンスキャナ１１ａと、ガルバノミラー１２を回転駆動させるガルバノスキャナ１２ａとを有している。

ポリゴンミラー１１は、高速回転する６面体を有しており、鏡面化された４側面を除く対峙する２面（上下面）の中心を回転軸としてポリゴンスキャナ１１ａにより回転されるように構成されている。このポリゴンミラー１１の４側面のいずれかでレーザ光ＬＢが反射されることで、レーザ光ＬＢは主走査方向Ｘに走査される。

前記ガルバノミラー１２は、ガルバノスキャナ１２ａにより限られた角度範囲で往復回動される回動軸の側面に接続されており、この回動軸の往復回動により往復揺動される。このガルバノミラー１２の一面でレーザ光ＬＢが反射されることで、レーザ光ＬＢは副走査方向Ｙに走査される。

なお、ポリゴンスキャナ１１ａ及びガルバノスキャナ１２ａは、後述する制御装置６の制御器１３からの速度指令により指令される回転速度で、ポリゴンミラー１１を回転させ、また、ガルバノミラー１２を揺動させる。また、ポリゴンスキャナ１１ａ及びガルバノスキャナ１２ａは、ポリゴンミラー１１の回転角度やガルバノミラー１２の揺動角度を示す角度情報を制御器１３に出力する。なお、上述したポリゴンミラー１１及びガルバノミラー１２は単なる一例であり、レーザ光ＬＢの走査光学系は図示した構成に限定されるものではない。

図１に示す構成のレーザレーダヘッド５は、ポリゴンミラー１１によるレーザ光ＬＢの走査方向（主走査方向Ｘ）が、図２に示すように、監視領域Ａの支柱Ｂに接近離間する方向と一致するように、支柱Ｂに取り付けられる。したがって、ガルバノミラー１２によるレーザ光ＬＢの走査方向（副走査方向Ｙ）は、図２の監視領域Ａの幅方向、つまり、図２の紙面の表裏方向に延在することになる。

図１に示す制御装置６は、制御器１３及び距離演算器１４を有している。制御器１３と距離演算器１４とは別々のマイクロコンピュータで構成することもでき、一つのマイクロコンピュータで構成することもできる。

制御器１３は、レーザ投光器１に対して投光指令を間欠的に出力する。この投光指令の間欠周期に同期して、レーザ投光器１はレーザ光ＬＢを間欠的に出力する。なお、この投光指令は、距離演算器１４にも並行して出力される。

距離演算器１４には、上述した投光指令が制御器１３から入力されると共に、反射光ＬＢ２を受光したときに受光器２が出力する受光タイミング信号が入力される。距離演算器１４は、投光指令の入力から受光タイミング信号の入力までの時間差と、光の速度Ｖ［ｍ／ｓｅｃ］とに基づいて、走査光ＬＢ１の光路上に存在する物体のレーザレーダヘッド５からの距離を演算し、演算した距離を示す距離情報を制御器１３に出力する。

制御器１３は、上述したように、ポリゴンスキャナ１１ａやガルバノスキャナ１２ａに速度指令をそれぞれ出力する。各速度指令で指令するポリゴンミラー１１の回転速度やガルバノミラー１２の揺動速度は、図２の監視領域Ａの主走査方向Ｘ及び副走査方向Ｙにそれぞれ間欠的に照射する走査光ＬＢ１のピッチ、つまり、監視領域Ａにおける走査光ＬＢ１の空間分解能に応じて決定される。

また、制御器１３は、ポリゴンスキャナ１１ａやガルバノスキャナ１２ａからそれぞれ入力される角度情報によって、ポリゴンミラー１１の回転角度やガルバノミラー１２の揺動角度を算出する。そして、制御器１３は、算出したポリゴンスキャナ１１ａやガルバノスキャナ１２ａの揺動角度に基づいて、受光器２が受光した反射光ＬＢ２の元となる走査光ＬＢ１が照射された監視領域Ａ中の計測点の座標値を特定する。

制御器１３は、上述のようにして特定した監視領域Ａ中の各計測点の座標値と、各計測点に関する距離演算器１４からの距離情報とに基づいて、監視領域Ａに侵入した物体を検出する。この検出では、次に説明する２通りの方法の得失を考慮した検出方法を用いている。

１つ目の方法は、図４に示す背景差分法である。この背景差分法では、侵入物体が存在しない状態で、監視領域の地面Ｌ上に設定された各計測点Ｐについて、走査光の照射から反射光の受光までの時間差によって距離情報を取得し基準地形データを生成しておく。次に、監視中に同様にして各計測点Ｐの距離情報を取得し計測データを生成する。そして、計測データが生成される度に、計測データと基準地形データとの差分（各計測点Ｐに関する基準地形データの距離情報と計測データの距離情報との差分）を取ることで、監視領域の侵入物体Ｓを検出する。この背景差分法には、基準地形データの取得により監視領域の実際の地面Ｌを基準にした侵入物体Ｓの検出が行えるという利点がある。

２つ目の方法は、図５に示すような、侵入物体Ｓの監視中の計測データに対して感度を有しない非検知領域Ｕを設定する方法である。この方法では、建物等の物体が侵入できない領域Ｕ１や、地面Ｌの凹凸等による誤検出を防ぐために設定される地面から所定高さまでの領域Ｕ２を、非検知領域Ｕとして設定する。そして、非検知領域Ｕ以外の監視領域について得られた計測データの各計測点Ｐの距離情報から、監視領域の侵入物体Ｓを検出する。この方法には、監視中の計測データに対して非検知領域Ｕをその都度入力設定するという、熟練を要する人的作業を行う必要がないという利点がある。

そこで、本実施形態の制御器１３は、上述した２つの方法の利点を生かした方法で物体検出方法を行う。具体的には、建物等が存在し物体の侵入が不可能な箇所を除く地面Ｌとその上方空間を、侵入物体Ｓの検出を行う監視領域Ａとして定義し、監視領域Ａの地面Ｌについて取得した地形データを用いて、背景差分法による物体検出を行う。

本実施形態の制御器１３で用いる地形データは、侵入物体Ｓが存在しない状態で、図６に示すように、監視領域Ａの地面Ｌにレーザレーダヘッド５から走査光ＬＢ１を照射し、その反射光ＬＢ２を受光器２で受光することで取得する。この地形データの取得時に、本実施形態では、監視領域Ａの地面Ｌに反射シートＲを敷設する。この反射シートＲの表面には、地面Ｌよりも光の反射率が高い反射材が表面にコーティングされている。なお、反射シートＲは、監視領域Ａの地面Ｌを一度に全て覆う形状及び大きさであってもよく、監視領域Ａの地面Ｌよりも小さい形状及び大きさであってもよい。

次に、本実施形態の制御器１３で用いる地形データの取得手順について、図７のフローチャートを参照して説明する。まず、監視領域Ａの地面Ｌに反射シートＲを敷設する（ステップＳ１）。次に、監視領域Ａの地面Ｌの各計測点Ｐに照射されたレーザレーダヘッド５からの走査光ＬＢ１によって、反射シートＲの表面を走査する（ステップＳ３）。そして、反射シートＲからの走査光ＬＢ１の反射光ＬＢ２を受光器２で受光する（ステップＳ５）。

なお、反射シートＲを敷設していない箇所からの反射光ＬＢ２は、例えば、受光器２による受光光量に閾値を設けてそれに満たない光量の反射光ＬＢ２の受光をマスクすることで、無視するようにすればよい。

次に、制御器１３が特定した監視領域Ａ中の計測点の座標値と、距離演算器１４が演算した各計測点Ｐの距離情報とを用いて、反射シートＲを地面Ｌに敷設した監視領域Ａの地形データを制御器１３で生成する（ステップＳ７）。なお、生成した地形データは、制御器１３の不図示のメモリに記憶させておく。

ここで、ステップＳ１において、監視領域Ａの地面Ｌの全体を一枚又は複数枚の反射シートＲで全て覆い、それにより、ステップＳ７において生成した地形データが監視領域Ａの地面Ｌの全体に亘るものとなった場合は、一連の手順を終了する。一方、ステップＳ１において、監視領域Ａの地面Ｌの一部のみを反射シートＲで覆い、それにより、ステップＳ７において生成した地形データが監視領域Ａの地面Ｌの一部のみのものとなった場合は、ステップＳ７に続いて、監視領域Ａの地面Ｌの全体に亘って反射シートＲを移動させ終えたか否かを確認する（ステップＳ９）。

移動させ終えていない場合は（ステップＳ９でＮＯ）、監視領域Ａの地面Ｌのうちまだ反射シートＲで覆ったことがない箇所に反射シートＲを移動して敷設し（ステップＳ１１）、ステップＳ３にリターンする。移動させ終えた場合は（ステップＳ９でＹＥＳ）、ステップＳ７においてこれまでに制御器１３で生成した、監視領域Ａのそれぞれ違う箇所の地面Ｌに反射シートＲを敷設した際の地形データを、監視領域Ａの全体についての地形データとして合成して（ステップＳ１３）、一連の手順を終了する。なお、このステップＳ１３を設ける代わりに、ステップＳ１１からステップＳ３に戻った後にステップＳ７を実行する際、過去のステップＳ７で生成した地形データとの合成をその都度行うようにしてもよい。

以上の説明からも明らかなように、本実施形態では、図７のフローチャートにおけるステップＳ１及びステップＳ１１が、請求項中の敷設ステップに対応する手順となる。また、本実施形態では、図７中のステップＳ３、ステップＳ５、及び、ステップＳ７が、請求項中の走査ステップ、受光ステップ、及び、生成ステップにそれぞれ対応する手順となる。

以上の手順に示すように、本実施形態の地形データ取得方法では、侵入物体Ｓが存在しない状態で監視領域Ａの地面Ｌを反射シートＲで覆い、その状態で走査光ＬＢ１により監視領域Ａの地面Ｌを走査して、反射シートＲの表面からの反射光ＬＢ２を受光するようにしている。したがって、地面Ｌを直接走査光ＬＢ１で走査する場合に比べて受光器２で受光される反射光ＬＢ２の強度を高くすることができる。

よって、走査光ＬＢ１の入射が浅くなってレーザレーダヘッド５側に反射する反射光ＬＢ２の強度が微弱となる、監視領域Ａ中のレーザレーダヘッド５から離れた箇所についても、反射率のよい反射シートＲからの反射光ＬＢ２に基づいて、地形データを精度よく取得することができる。

また、本実施形態の地形データ取得方法によれば、反射シートＲを敷設していない地面Ｌからの反射光ＬＢ２を地形データの生成に利用しないので、侵入物体Ｓの監視を行う監視領域Ａが、反射シートＲを敷設して走査光ＬＢ１で走査した地面Ｌの範囲に限定されることになる。したがって、監視中の計測データに対して侵入物体Ｓの非検知領域Ｕを都度入力設定しなくても、地形データを取得するために走査光ＬＢ１で地面Ｌを走査する際に反射シートＲを敷設したかしなかったかによって、監視領域Ａの範囲を容易に設定することができる。

監視領域Ａの範囲は、図５を参照して説明した、監視領域Ａや非検知領域Ｕを三次元座標系上で定義する検出方法でも容易に設定できる。しかし、監視領域Ａを三次元座標系上で定義する場合は、監視領域Ａの地面Ｌが平坦であるという前提で、地面Ｌの一点を座標系上の基準座標に合わせ込むので、実際の地面Ｌに傾斜等の高低差がある場合は、座標系上における地面Ｌの座標位置と実際の地面Ｌの位置とが一致しない。実際にそうなると、例えば、場所によっては実際の地面Ｌが座標系上で領域Ｕ２よりも高い箇所に位置し、検知領域の計測データから侵入物体Ｓを正しく検知できないことになってしまう。

これに対し、本実施形態の地形データ取得方法によれば、監視領域Ａの地面Ｌの位置を正確に表す地形データを取得することができるので、地面Ｌを基準とする三次元座標系上において侵入物体Ｓの監視領域Ａを設定する必要がない。そのため、地面Ｌの凹凸が侵入物体Ｓとして誤検出されるのを防ぐために、図５に示すように、三次元座標系上における地面Ｌから所定高さまでの領域Ｕ２を非検知領域Ｕとして設定する必要もない。よって、本実施形態の地形データ取得方法によれば、侵入物体Ｓの検知性能を落とさずに、監視領域Ａの範囲を容易に設定することができる。

１ レーザ投光器
２ 受光器
５ レーザレーダヘッド
６ 制御装置
１１ ポリゴンミラー
１１ａ ポリゴンスキャナ
１２ ガルバノミラー
１２ａ ガルバノスキャナ
１３ 制御器
１４ 距離演算器
Ａ 監視領域
Ｂ 支柱
Ｌ 地面
ＬＢ レーザ光
ＬＢ１ 走査光
ＬＢ２ 反射光
Ｐ 計測点
Ｒ 反射シート
Ｓ 侵入物体
Ｕ 非検知領域
Ｕ１ 領域
Ｕ２ 領域
Ｘ 主走査方向
Ｙ 副走査方向

Claims (3)

1. 監視領域の侵入物体を、前記監視領域を走査するレーザレーダからの走査光により検出するために用いる、前記レーザレーダからの前記監視領域の地面の相対位置を示す地形データを取得する方法であって、
   前記監視領域の地面よりも光の反射率が高い反射材をコーティングした反射シートを、前記地面に敷設する敷設ステップと、
   前記地面に敷設した反射シートを前記走査光により走査する走査ステップと、
   前記地面に敷設した反射シートを走査した前記走査光の反射光を前記レーザレーダで受光する受光ステップと、
   前記レーザレーダで受光した前記反射光から、前記反射シートを敷設した地面の前記レーザレーダからの相対位置を示す地形データを生成する生成ステップと、
   を含むことを特徴とする地形データの取得方法。
2. 前記監視領域内で前記反射シートを敷設する位置を順次変えつつ、前記敷設ステップ、前記走査ステップ、前記受光ステップ、及び、前記生成ステップを繰り返すことで、前記監視領域の全体に亘る前記地形データを取得することを特徴とする請求項１記載の地形データの取得方法。
3. 前記監視領域内の前記敷設ステップにより前記反射シートを敷設しない箇所を、前記侵入物体の非検知領域とするようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の地形データの取得方法。

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