JP2500223Y2

JP2500223Y2 - 空間フィルタによる距離測定装置

Info

Publication number: JP2500223Y2
Application number: JP7035190U
Authority: JP
Inventors: 潤一下村; 昌克野村; 充孝堀
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1990-07-03
Filing date: 1990-07-03
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2005-07-03
Also published as: JPH0430404U

Description

【考案の詳細な説明】 A.産業上の利用分野本考案は、空間フィルタを用いた距離測定装置に関
し、測定精度を向上させるよう改良したものである。

B.考案の概要空間フィルタを用いて無人搬送車等の移動距離、更に
は速度を測定する装置において、走行路面からの反射光
が急変すると、抽出した周波数成分が減少し、その結
果、移動距離に対応する位相平面上のベクトルの絶対値
が小さくなり測定精度が低下する虞がある。

そこで、本考案では、抽出する周波数成分が減少する
と、その振幅の変化率が大きくなることに着目し、２種
類の周波数成分を抽出しておき、その振幅の変化率小さ
い方を選択して距離、速度を測定することにした。ま
た、光電変換素子に入射する光に含まれる周波数成分を
高速フーリエ解析により求めて、最も多く含まれる周波
数に近いものを選択して、周波数成分を抽出し、或い
は、抽出する周波数成分の異なる複数の荷重関数を用意
し、その中から順に選択して、その信号の振幅の大きい
ものを発見するようにして、その周波数成分を次回のサ
ンプリングから使用するようにした。

この為、走行路面からの反射光が急変しても、抽出す
る周波数成分の減少の余り無いものに基づいて演算する
ので、測定誤差を減少させることが出来る。

C.従来の技術従来、無人搬送車等の自動走行に当たって走行路上に
電磁誘導線や光学式反射テープを敷設して走行ガイドを
形成する方式や、車軸，計測輪にエンコーダやタコジェ
ネレータを取り付けて、車輪の回転に応じたパルス又は
アナログ電圧から無人車の速度，移動距離を計測する方
式がある。

しかしながら、これらの方式は路面に反射テープ等を
敷設する工事を必要なため走行路を変更する毎にその工
事を行わなければならず煩雑であり、また路面の凹凸，
外力によるスリップや車輪の磨耗により精度良い計測が
出来なかった。

このため、外部からの誘導が不要で、かつ非接触で移
動距離を計測する方法として、空間フィルタを利用した
距離測定方法が開発されている。

この空間フィルタによる距離測定方法は第７図に示す
装置構成により行われる。即ち、同図に示すように、路
面１からの反射光は光学系２を介してラインセンサ（CC
D）３により検出され、所定の周期でサンプリングされ
て電気信号に変換される。光学系2,ラインセンサ３は図
示しない車体の底面に取り付けられている。ラインセン
サ３は光学変換素子を進行方向に沿って一時元的に配列
したものであり、明暗に応じた信号が順次出力される。

ラインセンサ３からの出力信号ｆは読出回路４を通過
し、A/D変換器６でデジタル信号のCCDデータに変換され
た後、空間フィルタ演算部５に入力される。空間フィル
タ演算部５はこの出力信号を所定範囲内で積分すること
により、光学的にランダムな周波数から構成される反射
光から任意の周波数成分を抽出し、その時空列的な変化
から、第８図に示す位相空間において移動距離に対応す
るベクトルを求めるものである。

即ち、読出回路４から出力された信号ｆは、フーリエ
級数に展開すると次のようになる。

但し、x₀は時刻ｔにおける車輌の位置、ｘは読出回路
から読み出されるラインセンサ内の位置であり、x₀を基
準とする。また、Ｋ＝２π/L,i＝0,1,2…,Lはラインセ
ンサ３の長さである。

そして、フーリエ係数A_i(x₀)，B_i(x₀)は次式で示され
る。

このような信号ｆに対してそれぞれ下式に示すように
荷重関数として余弦波C,正弦波Ｓを乗算し、ラインセン
サ３の範囲内で積分する。

Ｃ＝cos（ｎ・ｋ・ｘ） …（４）Ｓ＝sin（ｎ・ｋ・ｘ） …（５）但し、一般には、第９図に示すように余弦波C,正弦波
Ｓにハニング関数を乗算して使用される。

ここで、ラインセンサ３からの出力ｆは、路面や環境
の条件等が一定であれば、あるｎ次の成分については三
角関数的に振動するはずであり、例えば下式のように示
すことができる。

f_n（ｌ）＝Ｇ・sin（ｎ・ｋ・ｌ＋φ） …（８）従って、ｎ次のフーリエ係数A_n，B_nは次のように求め
られる。

同様にして B_n（ｘ）＝Ｇ・cos（nkx₀＋φ） …（10）（９）（10）式を上記（６）（７）式に代入して整理
すると次のようになる。

S_a(x₀)＝（L/2）・Gcos（nkx₀＋φ） …（11） S_b(x₀)＝（L/2）・Gsin（nkx₀＋φ） …（12）このようにして抽出された信号S_a(x₀)，S_b(x₀)は三角
関数的に振動するものである。

従って、S_a(x₀)，S_b(x₀)を二次元の座標とするベクト
ルＡは第８図に示す位相平面上での原点を中心として移
動距離x₀に比例した回転角nkx₀で回転する。この為、第
８図から次のような関係が成立する。

nkx₀＋φ₀＝２πｍ＋φ …（13） φ＝arctan（S_b(x₀)／S_a(x₀)）但し、ｍは原点を中心とした回転数、φ₀は初期値で
ある。

従って、（13）式を変形すれば、求めようとする移動
距離x₀は次式で示される。

x₀＝ｍ・ｐ＋（φ−φ₀）p/2π …（14）また、回転が一回以内で、かつ、初期値φ₀が零であれ
ば次式が成り立つ。

但し、ｐはフィルタピッチであり、第９図に示すよう
にL/nで示され、ｎはラインセンサ内の荷重関数の波数
である。また、光学系２の倍率を１とした。

ここで、上記信号S_a(x₀)，S_b(x₀)はサンプリング毎に
演算して求められ、前回のサンプリングと、今回のサン
プリングのそれぞれの信号を添字1,2を付けてS_a1，
S_b1，S_a2，S_b2として区別することにする。このように
すると、信号S_a1，S_b1，S_a2，S_b2を二次元の座標とする
位相空間内における各サンプリング時でのベクトルA₁，
A₂は第10図のように示される。

従って、また、前回と今回のサンプリングの間におけ
る位相空間内の位相差Δφは次のように位相差演算部７
で次式のように求められる。

従って、移動距離x₀と速度Ｖとは次のように求められ
る。

つまり、位相差Δφを乗算器８でフィルタピッチ（p/
2π）倍したものが速度Ｖであり、位相差Δφを累積器
９で総和して乗算器10でフィルタピッチ（p/2π）倍し
たものが距離x₀である。

D.考案が解決しようとする課題上述したように空間フィルタを利用した距離測定装置
は、非接触、且つ高精度な検出が可能であるといった特
徴を有するが、路面からの反射光が不規則な所、急変す
る所では、抽出する周波数成分が減少した充分大きな出
力が得られない。これにより、位相空間内でのベクトル
の絶対値が小さくなり、精度の良い計測ができなくなる
ことがあった。

つまり、抽出する周波数成分が反射光内に存在する場
合には、出力の振幅が大きく、その振幅の変化率が少な
い安定した回転ベクトルとなるが、抽出する周波数成分
が反射光内に存在しない場合には、空間フィルタの出力
は振幅が小さく、振幅の変化率の大きい不安定な回転ベ
クトルとなっていたのである。

そこで、本考案者は、二種類の周波数成分を抽出し
て、その振幅を比較し、振幅の大きな方の周波数成分に
基づいて距離を演算する距離測定装置（実開昭63-14596
9号）を先に出願した。

しかし、空間フィルタの出力が正常に得られているか
否かを判断するには、空間フィルタ出力の振幅の大きさ
を判断しなくても、空間フィルタ出力の振幅の大きさの
変化率を見極めても良い。また、入射する光の空間周波
数成分の分布が把握できれば、一層精度の良い検出が可
能である。

本考案は、上記空間フィルタ出力の振幅の大きさの変
化を見極めることにより、入射光の周波数成分が急変し
た場合でも、精度の良い距離測定可能な空間フィルタに
よる距離測定装置を提供することを目的とする。

また、本考案の他の目的は、路面からの反射光に存在
する周波数成分を解析して、最も多く含まれる周波数成
分を検出し、更に、抽出する周波数成分の異なる多数の
荷重関数を用意して、試行錯誤的に最も多く含まれる周
波数成分を検出することにより、入射光の周波数成分が
急変した場合でも、精度の良い距離測定可能な空間フィ
ルタによる距離測定装置を提供することにある。

E.課題を解決するための手段及び作用本考案の第一の構成では、空間フィルタ演算部とし
て、抽出する周波数の異なる第一空間フィルタ演算部及
び第二空間フィルタ演算部とを設け、該第一空間フィル
タ演算部及び第二空間フィルタ演算部によりそれぞれ抽
出された信号のうち振幅の変化率の小さい方を選択する
比較器を設け、該比較器により選択された信号に基づい
て移動距離を演算するので、抽出される二つ周波数成分
にうち振幅の大きな方に基づいて精度よい距離測定が可
能となる。

また、本考案の第二の構成では、光電変換素子に入射
する光に含まれる周波数成分の分布を高速フーリエ解析
により求める高速フーリエ変換回路と、該高速フーリエ
変換回路より求められた周波数成分のうち最も多く含ま
れている周波数成分と予め複数用意した周波数のなかか
ら最も近いものを選択して空間フィルタ演算部は周波数
成分を抽出するので、最も振幅の大きな周波数成分に基
づいて精度良い測定が可能である。

更に、本考案の第三の構成では、空間フィルタ演算器
は予め用意された抽出する周波数成分の異なるｎ個の荷
重関数の中から（ｎ−１）回のサンプリングの間は任意
に選択した１種類の荷重関数を使用して周波数成分を抽
出し、該周波数成分を距離演算用として演算部へ出力す
る一方、ｎ個の荷重関数のうち選択されなかった（ｎ−
１）個のものの中から（ｎ−１）回のサンプリング毎に
順に選んだ荷重関数で周波数成分を抽出して、その（ｎ
−１）個の信号の振幅の何れかが距離演算用の信号の振
幅に比較して大きいときには、その（ｎ−１）回の信号
の振幅のうち最も大きな振幅に対応する荷重関数にて次
回のサンプリングから周波数成分を抽出するので、用意
されたｎ個の荷重関数に対応する周波数成分の中から最
も大きな周波数成分を試行錯誤的に選んで、その周波数
成分に基づいて精度の良い測定が可能である。

F.実施例以下、本考案について、図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。尚、前述した従来技術と同一部分につ
いては、同一符号を付して説明を省略する。

第１図に本考案の第１の実施例を示す。同図に示すよ
うに本実施例は空間フィルタ演算部として抽出する周波
数の異なる二つの空間フィルタ演算部5a,5bを設けたも
のである。即ち、空間フィルタ演算部5a使用される荷重
関数C₁，S₁と、空間フィルタ演算部5bで使用される荷重
関数C₂，S₂とでは、ラインセンサ内での波数が異なり、
フィルタピッチが異なるのである。例えば、第２図
（ａ）にラインセンサ内の波数ｎを８とした荷重関数
C₁，S₁を示すように、そのフィルタピッチp₁はL/8とな
り、また同図（ｂ）にラインセンサ内の波数ｎを12とし
た荷重関数C₂，S₂を示すように、そのフィルタピッチp₂
はL/12となる。

このような荷重関数を使用して前述したと同様に演算
すると信号S_a1，S_b1，S_a2，S_b2が得られ、これらの信号
は、それぞれ位相差演算部7_a，7_bに入力される一方、振
幅演算部11a,11bに入力される。

各振幅演算部11a,11bでは、下式に示すように振幅を
演算する。

このようにして求められた振幅Ａは、前回のサンプリ
ングの値との差を取ることにより振幅の変化率が求めら
れ、その後絶対値とされヒステリシスコンパレータ12で
比較される。

ヒステリシスコンパレータ12では、振幅の変化率が比
較され、振幅の変化率の小さなものを選択する。即ち、
位相差演算部7_a，7_bそれぞれ演算されたΔφ₁，Δφ₂の
内振幅の変化率の小さなものが選ばれるのである。そし
て、選ばれたΔφ₁，Δφ₂に基づいて、乗算器８で乗算
し、累積器９で累積することにより、移動距離x₀，速度
Ｖを演算する。

本実施例では、空間フィルタ演算部5a、5bの荷重関数
により抽出する周波数成分が二種類あるので、そのうち
振幅の変化率の小さなもの、つまり言い換えると振幅の
大きいものを使用して、移動距離、速度を演算するの
で、入射する周波数成分が急変する所や、不規則な所で
も精度の良い測定が行える。

しかし、測定する路面が特殊な状況な場合には、空間
フィルタ演算部5a、5bの荷重関数により抽出する周波数
成分が二種類しかないので、何れの振幅の変化率も比較
的大きく、つまり何れの振幅も比較的小さいことが予想
される。

このような場合には、入射する光の周波数成分を把握
し、その最も多く含まれる周波数成分に基づいて距離を
測定できれば便利である。

このような場合に好適なのが、第３図に示す本考案の
第二の実施例である。即ち、路面１から反射した光はCC
D3により電気信号に変換された後、読出回路４、A/D変
換器６を経て、高速フーリエ変換器13に入力される。

ここで、高速フーリエ変換器13では高速フーリエ（以
下、単にFFTと言う）解析により入射した光に含まれる
信号の周波数成分の分布が演算される。例えば、256点
のFFT解析を行ったとすれば、第４図に示すように入射
した光のうち、基本空間周波数成分から128次空間周波
数成分までの大きさを調べることができる。第４図中で
は、縦軸を振幅の大きさ、横軸を次数とした。そして、
この周波数成分の中で一番大きなもの、或いは前回のサ
ンプリング値との振幅の変化率が最も大きなものを選択
して、これに対応する荷重関数を使用する。荷重関数と
しては、予め多数用意してテーブル内に格納しておき、
そのなかから最も上記値に近いものを荷重関数として使
用して空間フィルタ演算部５によりS_a，S_bを演算する。
その後の演算処理は前述した実施例と同様である。

尚、FFT演算は空間フィルタ演算に比べて計算時間を
多く必要とするので、バックグランドにおいて、空間フ
ィルタ演算が終了し、次の割り込み信号が来るまで少し
づつ計算を行う。即ち、第５図（ａ）に示すようにバッ
クグランドにおいて、CCDデータの読み込み、FFT解析を
行った後、ピッチの選択、つまり荷重関数の選択を行う
のであるが、FFT解析は一度に多くの周波数成分の大き
さを調べるの空間フィルタ演算よりも多くの計算時間が
必要である。そこで、第５図（ｂ）に示すように、割り
込み信号が来ると、FFT解析を中断して空間フィルタ演
算、Δφの算出及び移動距離、速度の演算を実行してメ
インルーチンへジャンプ後、FFT解析を再開するように
しているのである。従って、FFTの演算は数サンプリン
グに１回の割合で行う事になるが、空間周波数成分の変
化は急激でないので、これで充分である。

尚、上記第二の実施例では、FFT解析により、最も多
く含まれる周波数成分を調べていたが、予め前記空間フ
ィルタ演算器に抽出する周波数成分の異なるｎ個の荷重
関数を用意して試行錯誤的に最も多く含まれる周波数成
分を求めることも可能である。

例えば、第６図に示す本考案の第三の実施例に示すよ
うにすると良い。即ち、第６図（ａ）に示すよう、先ず
初期設定を行った後、回数を示す番号ｉを１として、割
り込み信号待ち状態とする。ここで、割り込み信号が入
ると、第６図（ｂ）に示すようにCCDデータを読み込ん
で、取り合えず荷重関数に対応するピッチｐをp_xとして
選択し、空間フィルタ演算、出力振幅A_xを演算し、その
後移動距離、速度を演算する。これにより、ｎ個の荷重
関数から一つの荷重関数により、移動距離、速度が演算
されたことになる。引き続き、ｘ＝ｉでない場合につい
て、つまり（ｎ−１）個の荷重関数について、順次空間
フィルタを演算し、出力振幅A_iを演算する。これは、各
サンプリング毎に逐次行う。従って、ｎ回のサンプリン
グを経過してｉ＝ｎとなると、ｎ個の荷重関数につい
て、出力振幅A_iが出揃うので、第６図（ｃ）に示すよう
にｎ個の荷重関数に対応する出力振幅の集合（A₁，A₂，
A₃，…A_nの中から最大のものA_mを選び、それに対応する
荷重関数で次回のサンプリングから移動距離、速度を演
算するようにする。この時、カウンタｉを１にリセット
する。

本実施例は、回路的構成としては従来技術として前述
したものをそのままでよく、構成が用意である利点があ
る。また、ｎ個の荷重関数を使用するが、各サンプリン
グ毎に計算する空間フィルタの演算は二種類であるの
で、それにより計算時間の増加は僅かである。

G.考案の効果以上、実施例に基づいて具体的に説明したように本考
案は、空間フィルタ演算部として抽出する周波数の異な
る第一空間フィルタ演算部及び第二空間フィルタ演算部
とを設け、或いは抽出する周波数成分の異なるｎ個の荷
重関数を用意した空間フィルタ演算器を設け、又は入射
する光に含まれる周波数成分を高速フーリエ解析により
求める高速フーリエ変換回路を設けたので、二つ又はｎ
個の中から最も多く含まれる周波数成分に基づいて精度
の良い測定が可能であり、この為、空間周波数が急変す
るところ、不規則な所であっても精度良い測定が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の第一の実施例にかかる空間フィルタ距
離測定装置の構成図、第２図（ａ）（ｂ）はそれぞれ抽
出する周波数成分の異なる荷重関数を示すグラフ、第３
図は本考案の第二の実施例にかかる空間フィルタ距離測
定装置の構成図、第４図は高速フーリエ解析の結果を示
す棒グラフ、第５図（ａ）はバックグランドのフローチ
ャート、第５図（ｂ）は割り込みルーチンのフローチャ
ート、第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ本考案の第
三の実施例にかかる空間フィルタ距離測定装置のフロー
チャート、第７図は従来技術にかかる空間フィルタ距離
測定装置の構成図、第８図は位相空間を示す説明図、第
９図はハニング関数を通した荷重関数を示すグラフ、第
10図は位相空間内での１サンプリング当たりの位相差を
示すグラフである。図面中、１は路面、２は光学系、３はラインセンサ、４は読出回
路、5,5a,5bは空間フィルタ演算部、６はA/D変換器、7,
7a,7bは位相差演算部、8,10は乗算器、９は累算器、11,
11bは振幅演算部、12はヒステリシスコンパレータ、13
は高速フーリエ変換器である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−278312（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−3483（ＪＰ，Ａ) 特開平１−266606（ＪＰ，Ａ) 特公昭61−43641（ＪＰ，Ｂ２) 特公平４−67613（ＪＰ，Ｂ２) 特公昭61−36161（ＪＰ，Ｂ２) 実公平６−50728（ＪＰ，Ｙ２)

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】入射した光を電気信号に変換する光電変換
素子と、該光電変換素子から所定周期でサンプリングし
て順に出力する読出回路と、該読出回路から順に出力さ
れる電気信号に正弦波、余弦波を荷重関数として別々に
掛け合わせて所定範囲内で積分することにより、任意の
周波数成分を抽出する空間フィルタ演算部と、該空間フ
ィルタ演算部により抽出された二つの信号を二次元の座
標とするベクトルの位相平面上での原点を中心とする回
転角から移動距離を演算する演算部とを有する空間フィ
ルタによる距離測定装置において、前記空間フィルタ演
算部として、抽出する周波数の異なる第一空間フィルタ
演算部及び第二空間フィルタ演算部とを設け、該第一空
間フィルタ演算部及び第二空間フィルタ演算部によりそ
れぞれ抽出された信号のうち振幅の変化率の小さい方を
選択する比較器を設け、該比較器により選択された信号
に基づいて移動距離を演算することを特徴とする空間フ
ィルタによる距離測定装置。
【請求項２】入射した光を電気信号に変換する光電変換
素子と、該光電変換素子から所定周期でサンプリングし
て順に出力する読出回路と、該読出回路から順に出力さ
れる電気信号に正弦波、余弦波を荷重関数として別々に
掛け合わせて所定範囲内で積分することにより、任意の
周波数成分を抽出する空間フィルタ演算部と、該空間フ
ィルタ演算部により抽出された二つの信号を二次元の座
標とするベクトルの位相平面上での原点を中心とする回
転角から移動距離を演算する演算部とを有する空間フィ
ルタによる距離測定装置において、前記光電変換素子に
入射する光に含まれる周波数成分の分布を高速フーリエ
解析により求める高速フーリエ変換回路と、該高速フー
リエ変換回路より求められた周波数成分のうち最も多く
含まれている周波数成分と予め複数用意した周波数のな
かから最も近いものを選択して前記空間フィルタ演算部
は周波数成分を抽出することを特徴とする空間フィルタ
による距離測定装置。
【請求項３】入射した光を電気信号に変換する光電変換
素子と、該光電変換素子から所定周期でサンプリングし
て順に出力する読出回路と、該読出回路から順に出力さ
れる電気信号に正弦波、余弦波を荷重関数として別々に
掛け合わせて所定範囲内で積分することにより、任意の
周波数成分を抽出する空間フィルタ演算部と、該空間フ
ィルタ演算部により抽出された二つの信号を二次元の座
標とするベクトルの位相平面上での原点を中心とする回
転角から移動距離を演算する演算部とを有する空間フィ
ルタによる距離測定装置において、前記空間フィルタ演
算器は予め用意された抽出する周波数成分の異なるｎ個
の荷重関数の中から（ｎ−１）回のサンプリングの間は
任意に選択した１種類の荷重関数を使用して周波数成分
を抽出し、該周波数成分を距離演算用として前記演算部
へ出力する一方、前記ｎ個の荷重関数のうち選択されな
かった（ｎ−１）個のものの中から（ｎ−１）回のサン
プリング毎に順に選んだ荷重関数で周波数成分を抽出し
て、その（ｎ−１）個の信号の振幅の何れかが前記距離
演算用の信号の振幅に比較して大きいときには、その
（ｎ−１）回の信号の振幅のうち最も大きな振幅に対応
する荷重関数にて次回のサンプリングから周波数成分を
抽出することを特徴とする空間フィルタによる距離測定
装置。