JP2736558B2

JP2736558B2 - 位置測定方法及びその装置

Info

Publication number: JP2736558B2
Application number: JP1855590A
Authority: JP
Inventors: 弥祐小斉; 正郷熊沢
Original assignee: Tokyo Keiki Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1990-01-29
Filing date: 1990-01-29
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2013-04-02
Also published as: JPH03223687A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、位置測定方法及びその装置に係り、特にレ
ーザビームを使用して、例えば土木用作業車や作業ロボ
ット等の位置を求めるのに好適な位置測定方法及びその
装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来より、広い範囲で移動する作業車や作業ロボット
の位置を測定するためのレーザビームを用いた位置測定
装置としては第10図および第11図に示すものがある。

この従来例においては、互いに反対方向に回転する高
さの異なる２本のレーザビームを投光する２基のレーザ
灯台100と、位置を測定する測定物に搭載してレーザビ
ームを受光して信号を発する受光部50と、この信号に基
づいて受光部50が受光した時間間隔を測定する計時装置
（図示せず）と、この受光時間間隔およびレーザビーム
の回転速度等を用いて２つの基準点A₀,B₀からの角度を
求め，この２点からの角度によって位置を算出するコン
ピュータ（図示せず）とを装備している。

ここで、レーザ灯台100は、レーザ発生器51,回転テー
ブル52,鏡53,分光器54,固定鏡55から構成される。回転
テーブル52の中央には貫通穴52Aが形成されており、レ
ーザ発生器51が第10図における下方からこの貫通穴52A
にむけて鉛直上方にレーザビームを発生させる。この回
転テーブル52の貫通穴52Aの上には、鏡53が回転テーブ
ル52に固定されており、回転テーブル52と共に回転する
ようになっている。また、回転テーブル52の周辺部には
分光器54が配設され、この分光器54をそのまま透過する
レーザビームＡと、この分光器54に当たって90゜方向を
かえて上方に向かって分光器54内部を通過し、さらに反
射面に当たって90゜方向をかえて回転テーブル52の中心
に向かうレーザビームＢとに分光される。

さらに、回転テーブル52中央部の回転テーブル52と共
に回転する鏡53の上方には、回転しない固定鏡55が回転
テーブル52とは独立に固定されている。前述の分光器54
からでたレーザビームＢは固定鏡55に当たって、基準線
に対してレーザビームＡと線対称の光を発生する。この
ため、レーザビームＡは回転テーブル52と共に回転し、
レーザビームＢは固定鏡55に反射してレーザビームＡよ
りも１段高い回転面内をレーザビームＡとは反対方向に
回転することになる（第10図の状態）。

一方、第11図に示すように、２基のレーザ灯台100
は、各々の基準線を一致させて、互いに向かい合って設
置されているため、測定範囲は２基のレーザ灯台100に
挟まれた範囲となる。この測定範囲内にある測定物50に
搭載された受光部50Aでは、分離板の表裏２面に受光セ
ンサが装着されており、各々一方のレーザ灯台100から
のレーザビームのみを受光するように設定されている。
そして、これら受光センサはレーザビームを受光する
と、受光信号を発する。測定物50には、さらに、受光部
50Aで発生した受光信号に基づいて信号間隔を計時する
計時装置（図示せず）と、この計時装置によって得られ
た計時データを直接入力して即座に座標を算出するコン
ピュータ（図示せず）が装備されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来例においては、レーザ灯台を
２基用いなければならないため装置が大型化して高価な
ものになるという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、このような従来例に見られる不都合
を改善し、安価な装置で広範囲にある測定物の位置を測
定することのできる位置測定方法及びその装置を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では、一方の点からは、水平回転面上で一定の
角度を保った２本のレーザビームA,Bが一定角速度で回
転されながら投光出力される。また、前記水平回転面と
同軸の他の水平回転面上で所定の基準線に対し２本のレ
ーザビームA,Bの内の一方と対称的に反対方向に回転す
るレーザビームＣが投光出力される。また、他方の点に
位置する被測定物に装備された受光部は、レーザビーム
A,Bを順次受光して距離情報を得るとともに、同じくレ
ーザビームＣを受光して方位角情報を得る。そして、こ
れらの距離情報および方位角情報に基づいて前記一方の
点を基準とした被測定物の位置を算出する。

この場合、レーザビームA,Bの回転出力に際しては、
第１の回転投光手段が用いられる。また、レーザビーム
Ｃの回転投光にさいしては第２の回転投光手段が用いら
れる。この第１および第２の回転投光手段は、所定間隔
をおいて同軸上に装備されている。さらに、被測定物側
には、レーザビームA,B,Cを受光する受光部と、これら
の受光部で受光した情報に基づいて当該被測定物の位置
を算出する演算部とが装備されている。これによって前
述した目的が達成されるようになっている。

〔作用〕

一定の回転速度で回転しながら、２本のレーザビーム
A,Bが回転平面内に一定の角度をもって投光されると、
被測定物側では、このレーザビームA,Bが一定時間をお
いて順次受光される。レーザビームＡまたはＢと対称的
に回転移動する投光されたレーザビームＣも、受光部に
て受光される。そして、レーザビームA,Bからはレーザ
ビーム投光側と被測定物との間の距離が算定され、レー
ザビームＣからは被測定物の位置する方位が算定され
る。これらの演算は、被測定物側に装備された演算部に
て行われる。そして、これら各演算結果より被測定物の
現在位置が算定される。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の第１実施例を第１図ないし第４図に基
づいて説明する。

この第１図に示す実施例においては、水平回転面上で
一定の角度を保った２本のレーザビームA,Bを投光しな
がら一定速度で回転する第１の回転投光手段10と、この
第１の回転投光手段10と同回転軸の水平回転面上を所定
の基準線に対し２本のレーザビームA,Bの内の一方と対
称的に回転するレーザビームＣ投光用の第２の回転投光
手段20とを有するレーザ灯台を備え、これが測定系全体
の座標原点に装備されている。また、被測定物30には、
該被測定物30が搭載されて３本のレーザビームA,B,Cを
受光して受光信号を発生する受光部31と、この受光部31
に当該受光部31から出力される受光信号に基づいて距離
情報および方位角情報等を求めるとともに，これら
の情報，を基に受光部の位置を算出する演算部40と
が装備されている。

これをさらに詳述すると、第１の回転投光手段10は、
所定位置に配設された図示しないレーザ発生器，第１の
回転テーブル11,第１のプリズム12及び第１の複合プリ
ズム13等を有している。第１の回転テーブル11の中心に
は貫通穴11Aが形成されており、その下方にはレーザ発
生器（図示せず）が配設されている。第１の回転テーブ
ル11上の貫通穴11Aの上には第１のプリズム12が固定さ
れており、第１の回転テーブル11の周縁付近には第１の
複合プリズム13が配設されている。

ここで、第１のプリズム12によって90゜向きを変えて
第１の回転テーブル11面に平行に進んだレーザビーム
は、第１の複合プリズム13によって２本に分割される。
この２本のレーザビームA,Bは、第４図に示されるよう
に、投光方向と逆方向に延長してその交点が第１の回転
テーブル11中央にある第１のプリズム12の位置にくるよ
うに設定されている。

また、第２の回転投光手段20は、上述の第１の回転投
光手段10と同軸でその上方に設けられており、第２の回
転テーブル21,第２のプリズム22,第２の複合プリズム23
および固定鏡24を有している。ここで、第２の回転テー
ブル21の中央（回転軸位置）には貫通穴21Aが形成され
ており、この貫通穴21Aの上に第２のプリズム22が固定
されている。さらに、第２の回転テーブル21上面の周縁
付近には第２の複合プリズム23が固定されており、前述
の第２のプリズム22とともに第２の回転テーブル21と一
体に回転する。また、第２のプリズム22の上方（回転軸
上）には、固定鏡24が第1,第２の回転投光手段20と独立
に固定されている。

また、位置を測定する被測定物30に配設されている受
光部31は、レーザ灯台１の第１の回転投光手段10から投
光される２本のレーザビームA,Bに対応した高さに配設
されてこれらを受光するW₁の幅の受光センサ32と、同じ
くレーザ灯台１の第２の回転投光手段20から投光される
レーザビームＣに対応した高さに配設されてこれを受光
する受光センサ33とを有している（第２図参照）。さら
に、これら受光センサ32,33からの信号を受けて各々受
光信号を発信する受光信号発生部34,35が受光部31に装
備されている。ここで、受光センサ32,33には、フォト
ダイオード，フォトトランジスタ等の半導体素子が用い
られている。

次に、第１図ないし第４図に基づいて動作説明をす
る。

図示しないレーザ発生器によって発生された１本のレ
ーザビームは、第１の回転テーブル11の下方から鉛直上
方に発せられ、第１の回転テーブル11に形成された貫通
穴11Aを通って第１のプリズム12に入射する。入射した
レーザビームは、この第１のプリズム12によって90゜進
行方向を変えられて第１の回転テーブル11上面に平行に
進む第１のレーザビームと、第１のプリズム12を透過し
てさらに鉛直上方に直進する第２のレーザビームとに分
離される。

第１のレーザビームは、第１の回転テーブル11に装備
された第１の複合プリズム13の一方の端部付近に入射す
る。そして、この第１の複合プリズム13を通過してさら
に直進するレーザビームＡと、第１の複合プリズム13の
内部を通り、その他端付近でさらに方向を変えて同じ水
平面内でレーザビームＡと角度θ_０（第４図参照）だけ
回転したレーザビームＢとに分割される。

また、第２のレーザビームは、第２の回転テーブル21
に形成された貫通穴21Aを通って第２のプリズム22に入
射する。そして、90゜進行方向を変えて（上述のレーザ
ビームＡと平行）第２の回転テーブル21上面に沿って平
行に進み、第２の複合プリズム23の下端部に入射する。
このレーザビームは第２の複合プリズム23内を通って上
方に移動し、さらに進行方向を変化して再びレーザ灯台
１の求心方向に進んで固定鏡24に当たって反射する（こ
れをレーザビームＣとする）。従って、このレーザビー
ムＣは、前記レーザビームＡの回転に伴って、固定鏡24
の鏡面に直交する基準線に対して対称に回転する。

このように、レーザ灯台１は、図示しないモータによ
って第１および第２の回転テーブル21を一定の角速度で
時針回転方向に一体的に回転させることにより、レーザ
ビームA,Bは一定の角度θ_０を保って同方向に回転しな
がら投光し、レーザビームＣはレーザビームA,Bと反対
方向（反時針方向）に回転しながら投光する。

一方、受光センサ32は、レーザビームA,Bを次々に受
光して受光信号を受光信号発生部34に発信し、これに伴
って受光信号発生部34が第３図に示されるような受光信
号を演算部40の時間差演算部41に伝達する。時間差演
算部41は、この受光信号に基づいて、レーザビームＡ
が受光されている時間Δt₁と、レーザビームＡが受光さ
れ始めた時間からレーザビームＢが受光され始めた時間
までの時間差である受光時間差Δt₂とを算出し、これら
の計時データ付与を距離演算部42に伝達する。さら
に、時間差演算部41は、レーザビームＡが受光された時
間を基準時間信号として角度演算部43に伝達する（第
３図参照）。

続いて、距離演算部42では、時間差演算部41から送ら
れてくる受光時間Δt₁と受光時間差Δt₂および設定条件
である２本のレーザビームA,Bのなす角度θ_０および受
光センサの幅W₁を用いて以下のようにして距離を算出す
る。

求めたい２点間の距離をＬと仮定すると、第４図
（１）に示すように、Ｌを半径としてθ_０の角度を持つ
円弧の長さL₁は、 L₁＝２πＬ×θ₀/360 ……（１）で表される。

一方、レーザ灯台１の回転角速度ω_０は一定であるの
で、 W₁/Δt₁＝L₁/Δt₂ ……（２）が成り立つ。従って、（１）式を（２）式に代入してま
とめると、Ｌ＝W₁/Δt₁×Δt₂/（２πθ₀/360） …（３）となって距離Ｌが求められる。

以上の計算において、W₁は厳密には第４図（１）に示
すように、レーザ灯台１を中心とした半径Ｌの弦の長さ
l₁であるが、この時の中心角をθ_０とすると、「２πθ
₀/360＜＜１」とみなすことができるため、L₁＝W₁（＝l
₁）としても誤差は無視することができる。

また、第４図（２）に示すように受光部31が距離の測
定を行うためのレーザビームA,Bの入射方向に対してδ
〔rad〕傾いている場合には、あたかも巾がW_bの受光部
のように見える。ここで、W_a＞W_bであるのでΔt₁が小さ
くなり、（３）式より距離Ｌが大きくなったような結果
となる。これが距離の誤差となるのであるが、δが小さ
い範囲ではW_a≒W_bとなるため、誤差は無視し得る。ここ
で、δを小さくするには、受光部31がレーザ灯台１に対
して正対する様にすれば良い。すなわち、Δt₁がその位
置で最大になる様に制御すれば正確な距離を得ることが
できる。

以上の距離を求める動作と並行して、受光センサ33
は、レーザビームＣを受光して受光信号を受光信号発生
部35に伝達し、この受光信号発生部35は第２図に示され
る時間信号を角度演算部43に伝達する。角度演算部43
は、この時間信号と前述の時間差演算部41から伝達さ
れる基準時間信号とに基づいて、以下のようにして測
定物30の方位角を算出する。

一般に、第５図（１）に示すように、第１象限におけ
る被測定物30の方位角θは、レーザビームＡを受光して
からレーザビームＣを受光するまでの時間をt₁、レーザ
ビームＣを受光してからレーザビームＡを受光するまで
の時間をt₂とすれば（第５図（２）参照）、で算出できる。

位置演算部44は、以上のようにして距離演算部42によ
り得られた距離情報〔（３）式〕および角度演算部43
により得られた方位角情報〔（４）式〕を入力して、
以下の式から被測定物30の座標位置を算出する（第６図
参照）。

ここで、Ｘ軸は前述の基準線と一致するように設定さ
れている。

このように本実施例によれば、１基のレーザ灯台１を
用いて被測定物30の位置を測定することができるため、
装置が小型化して、安価なものとなる。さらに、レーザ
灯台１のセットを容易に行うことができる。また、土木
作業車や作業ロボットに搭載した受光部31側で位置デー
タが得られるため、土木作業車等の駆動装置に直接位置
データを入力して移動を制御することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではな
く、以下に示すような変形をも含むものである。

すなわち、上記実施例においては、第１の回転投光手
段10の第１の複合プリズム13を用いて１本のレーザビー
ムを２本のレーザビームA,Bに分割するとともに所定の
角度ずれさせたが、この第１の複合プリズム13の代わり
にプリズムと鏡を組み合わせて同様の機能を果たすこと
もできる。

また、第２の回転投光手段20においては、第２の複合
プリズム23を用いてレーザビームＣを固定鏡24に入射さ
せたが、この第２の複合プリズム23の代わりにプリズム
と鏡を組み合わせて同様の機能を果たすこともできる。

さらに、上記実施例においては被測定物30が、レーザ
灯台１を原点にして基準線をＸ軸とした座標軸に対して
第１象限にある場合について述べたが、第４象限にある
場合も同様にして位置を測定することができる。この場
合には、により求められる。但し、測定物が第１象限にあるのか
第４象限にあるのかを、レーザビームの旋回方向から判
別して（４）式若しくは（４′）式を使用しなければな
らない。

〔第２実施例〕次に、第２実施例を第７図に基づいて説明する。

この第７図に示す第２実施例においては、第２の回転
投光手段20に、前述した第１の回転投光手段10と同角速
度で反転させる反転機構を装備している。このため、前
述の第１実施例において使用した第２の複合プリズム23
および固定鏡24を用いずに第２の回転テーブル21中央に
装備された第２のプリズム22のみでレーザビームＣをレ
ーザビームA,Bの一方と対称的に回転させることができ
る。このため、第１実施例において示された手順と全く
同様にして被測定物30の位置が測定される。

このようにすると、レーザ灯台１の構造を一層簡単な
ものにすることができるという効果がある。

さらに、固定鏡24を使用していないため、レーザビー
ムは360゜漏れなく投光される。このため、レーザビー
ムを原点にして第１から第４象限までを網羅することが
できる。

〔第３実施例〕次に、第３実施例を第８図および第９図に基づいて第
３実施例の説明をする。

この第８図に示す第３実施例においては、第１実施例
において使用した受光センサ32,33の内受光センサ32
を、２個の受光センサ32A,32Bにより構成したものであ
る。このケースは、前述の第１実施例における受光セン
サ32の巾が大きくなった時に、これを２個に分割したケ
ースと考てよい。

この場合の受光信号を第９図に示す。受光センサ32A
が受光したレーザビームＡの受光信号と受光センサ32B
が受光したレーザビームＡの受光信号との受光時間差を
Δt₁とし、さらに受光センサ32Aが受光したレーザビー
ムＡとレーザビームＢとの受光時間差をΔt₂とする。ま
た、受光センサ32Aと受光センサ32Bとの距離をW₁とし
て、前述した第１実施例における（３）式の演算を距離
演算部42が行うことによりＬが求められる。

この実施例では、W₁の値を大きくとれるため、さらに
精度よく距離Ｌを求めることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によると、１基のレーザ
灯台から投光した３本のレーザビームA,B,Cにより受光
部の位置を測定することができるので、安価な装置によ
って広範囲にわたり容易に距離が測定できるという従来
にない優れた位置測定方法及びその装置を提供すること
ができる。

また、請求項４記載の発明においては、２個の回転テ
ーブルを機械的に反転させることにより、光学的処理を
用いずに対称に回転するレーザビームを得ることができ
るため、一層簡単な装置により位置の測定が可能とな
る。さらに、固定鏡を使用しないため、３本のレーザビ
ームA,B,Cは360゜漏れなく投光することができるため、
第１〜第４象限まで位置の測定が可能となる。

さらに、請求項６記載の発明においては、２個の受光
部を用いるため、受光時間が長くとれることから一層高
精度の距離測定が可能となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を表す斜視図、第２図は第１
図に示した実施例の受光部および演算部を示すブロック
図、第３図は第１図に示した実施例において得られた受
光信号を示す説明図、第４図（１）は２本のレーザビー
ムA,Bの位置関係を示す説明図、第４図（２）はレーザ
ビームに対して受光センサが傾いている場合を示す説明
図、第５図（１）はレーザビームＡおよびＣの関係を示
す説明図、第５図（２）はレーザビームＡおよびＣの受
光信号を示す説明図、第６図は距離および方位角と位置
の関係を示す説明図、第７図は本発明の第２実施例を表
す斜視図、第８図は本発明の第３実施例を表す斜視図、
第９図は第８図に示した第３実施例の受光信号を示す説
明図、第10図は従来例を示す斜視図、第11図は従来例に
おける計測状況を示す説明図である。１……回転投光手段としてのレーザ灯台、10……第１の
回転投光手段、20……第２の回転投光手段、30……被測
定物、31……受光部、40……演算部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の点から、水平回転面上で一定の角度
を保った２本のレーザビームA,Bを一定角速度で回転さ
せながら投光出力するとともに、前記水平回転面と同軸
の他の水平回転面上で所定の基準線に対し前記２本のレ
ーザビームA,Bの内の一方と対称的に反対方向に回転す
るレーザビームＣを投光出力し、他方の点に位置する被測定物に装備された受光部が、前
記レーザビームA,Bを順次受光して距離情報を得るとと
もに、同じくレーザビームＣを受光して方位角情報を得
て、これらの距離情報および方位角情報に基づいて前記一方
の点を基準とした被測定物の位置を算出することを特徴
とする位置測定方法。
【請求項２】水平回転面上で一定の角度を保った２本の
レーザビームA,Bを投光しながら一定速度で回転する第
１の回転投光手段と、この第１の回転投光手段と同回転
軸の水平回転面上を所定の基準線に対し前記２本のレー
ザビームA,Bの内の一方と対称的に回転するレーザビー
ムＣ投光用の第２の回転投光手段とを有するレーザ灯台
を座標原点に装備し、測定物に搭載されて前記３本のレーザビームA,B,Cを受
光して受光信号を発生する受光部を備え、前記受光部に当該受光部から出力される受光信号に基づ
いて距離信号および方位角信号等を求めるとともに，こ
れらの信号を基に受光部の位置を算出する演算部を装備
したことを特徴とする位置測定装置。
【請求項３】前記第２の回転投光手段を、前記第１の回
転投光手段と同期回転させるとともに、当該第２の回転
投光手段のレーザビームＣを第１の回転投光手段のレー
ザビームA,Bの一方と対称に回転させる固定鏡を前記第
１および第２の回転投光手段と別体に装備したことを特
徴とする請求項２記載の距離測定装置。
【請求項４】前記第２の回転投光手段に、前記第１の回
転投光手段と同軸かつ同角速度で反転させる反転機構を
装備したことを特徴とする請求項２記載の距離測定装
置。
【請求項５】前記受光部を、前記第１および第２の回転
投光面に対応した二つの受光部としたことを特徴とする
請求項３又は４記載の距離測定装置。
【請求項６】前記受光部を、前記第１の回転投光面に対
応した２個の受光部と前記第２の回転投光面に対応した
１個の受光部とから構成したことを特徴とする請求項３
又は４記載の距離測定装置。