JP3156518B2 - 測距装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、測距信号の受信時刻判
定に伴う誤差を補正して計測精度を高めるようにした測
距装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体までの距離すなわち対物距離を計測
する場合に、距離計測対象に向けて照射した光が距離計
測対象にて反射されて戻るまでの時間を計測し、この時
間に光速を乗じて往復距離を求める光学式測距装置がよ
く用いられる。

【０００３】図４に示す光学式測距装置１は、光源であ
るレーザダイオード２を駆動回路３にて所定周期で間欠
発光させ、送光レンズ４を介してレーザ光を前方照射
し、同時にまたレーザダイオード２に対向配置したモニ
タ用のフォトダイオード５により発光タイミングすなわ
ち送光時刻を検知させる。モニタ用フォトダイオード５
の受光出力はコンパレータ６にてしきい値判別され、コ
ンパレータ６のしきい値判別出力をもって測距時間計数
用のカウンタ７が計数を開始する。レーザダイオード２
から出射されたレーザ光線は、距離計測対象である前方
車両等の物体８の表面で反射されて戻り、受光レンズ９
を通りフォトダイオード１０にて受光される。フォトダ
イオード１０の受光出力は、受信アンプ回路１１にて増
幅された後、しきい値判別のためコンパレータ１２に送
り込まれる。フォトダオード１０の受光出力、厳密には
受信アンプ回路１１の出力が、しきい値設定回路１３に
よりコンパレータ１２に設定されたしきい値Ｒｆを越え
ると、レーザ光線の受光時刻に符合させてコンパレータ
１２からカウンタ７に対し計数停止信号が供給され、こ
れにより測距信号であるレーザ光線が物体８までを往復
する間にカウンタ７が計数した計数値Ｎが得られる。カ
ウンタ７は、高精度のクロック周期τで発振するクロッ
ク信号に基づいて計数動作を行っており、計数値Ｎにク
ロック周期τを乗算することにより、レーザ光線が測距
装置１と物体８を往復するのに要した往復時間Ｔ（＝Ｎ
τ）が求まる。本例の場合、この乗算はＣＰＵ１４が行
うが、ＣＰＵ１４はまた乗算により得られた往復時間Ｎ
τに測距信号であるレーザ光の進行速度すなわち光速ｃ
を乗算し、得られた往復距離Ｎτｃを１／２倍して物体
８までの距離Ｎτｃ／２を求める。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の測距装置１
は、レーザ光線の発光時刻については、モニタ用フォト
ダオード５の出力に基づいて常に正確に把握できるが、
受光時刻については、フォトダイオード１０の受光出力
を受信アンプ回路１１で増幅して得られる受信信号をコ
ンパレータ１２にてしきい値判別して決定する関係上、
同一距離にある物体８からの反射波であっても、照射さ
れたレーザ光線の全照射面積が図４に実線で示したよう
にすべて物体８に含まれるか、又は同図に点線で示した
ようにレーザ光線の照射面積の一部のみが物体８に照射
されるかによって受光波形が異なり、この受光波形の違
いが災いして受光時刻判別に誤差が避けられなかった。
例えば、図５に対比した送光波形と受光波形からも明ら
かなように、同じ送光波形のレーザ光線を用いて測距し
ても、測距装置１から同じ距離に置かれた物体８に照射
されるレーザ光線の照射面積が異なる場合、受光波形に
物体形状の影響が現れる。すなわち、同図に示す３種類
の波高値を有する受光波形は、同距離にある同一物体８
からの反射波形であり、最大の波高値を有する受光波形
は、物体８にレーザ光線すべてが入射して反射された場
合、すなわちレーザ光線の照射面積がすべて物体８に含
まれる場合の受光波形であり、基準波形に該当する。そ
こで、この基準波形がコンパレータ１２に設定されたし
きい値を横切る点が測距時間誤差補正の基準点Ｔｏを与
えるものとしたときに、中間波高値の受光波形と最小波
高値の受光波形がコンパレータ１２のしきい値Ｒｆを横
切る点と前述の基準点Ｔｏとの間には、立ち上がり波形
の相違に基づく時間差ΔＴａ，ΔＴｂが歴然として存在
し、この差が受光時刻の判定ひいては距離計測の誤差原
因となっていた。

【０００５】一方、受光波形の強度すなわち波高値に応
じてカウンタ７の計数値Ｎを補正し、しかも受光波形の
波高値による補正内容が適時修正できるようにした測距
装置が、特開昭６３−２６６３８２号「レーザ測距装
置」に開示されている。このものは、反射信号の強度と
カウンタ７の計数値との関係を随時書き換え可能な特性
マップに保持するため、ドリフト等が発生した場合に特
性マップを書き換えて精度補償できるようになってい
る。しかしながら、例えば反射信号の強度が過大である
ためにフォトダイオード１０が飽和してしまった場合、
反射信号の強度が正確には把握できなくなるために、距
離補正に有効な手掛かりが全く得られず、それ故に測距
精度を改善することができないといった課題があった。

【０００６】また、受光時刻の判定を鋸歯状波に近い受
光波形の頂点で行う構成の測距装置が、特開平３−７３
８８０号「レーザ測距器」に開示されている。このもの
は、受光波形の頂点を判別するため、反射光のパワーが
最大となる点をもって受光波形の頂点と判定するもので
あるが、受光波形が鋸歯状波であるとの前提でパワー最
大点を求める構成であるため、鋸歯状波が鈍ってしまっ
たり飽和により台形波と化してしまった場合に、正確な
距離補正が困難である等の課題があった。また、パワー
最大点検出の導入契機となった前提技術として、受光波
形の時間微分値が正から負に反転する時点をもって受光
波形の頂点を検出する方法が記述され、距離計測対象ま
での距離が長くなったときに微分回路の出力が低下して
実用精度を割り込みやすい欠点が指摘されている。しか
しながら、こうした微分回路の出力反転を検出する方法
は、微分出力自体がさほど変化しない入力レベルの低迷
に対して弱いのは当然であり、またその反対に出力飽和
して微分値が零をとり続けたようなときは、微分値の極
性反転点の捕捉が困難になるために受光波形の頂点が正
確に検出できず、測距精度が落ちる欠点があった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決したものであり、距離計測対象に向けて送信した測距
信号が該距離計測対象で反射されて受信されるまでの往
復時間を計測し、該往復時間と該測距信号の進行速度と
から前記距離計測対象までの距離を演算する測距装置に
おいて、前記受信した測距信号を時間微分する微分回路
と、該微分回路の出力をピークホールドするピークホー
ルド回路と、該ピークホールド回路の出力に基づき、前
記往復時間の計測に及ぼす前記受信信号の立ち上がり波
形の影響を補正する測距時間誤差補正手段とを具備する
ことを特徴とするものである。

【０００８】また、本発明は、前記測距時間誤差補正手
段が、前記ピークホールド回路の出力及び前記往復時間
との関数として規定された演算式に基づき、前記受信信
号の立ち上がり波形の影響を補正する補正データを演算
するＣＰＵを含むこと、或いは前記ピークホールド回路
の出力と前記往復時間とをアドレスとし、前記受信信号
の立ち上がり波形の影響を補正する補正データが格納さ
れたメモリと、測距のつど前記メモリを読み出し制御す
るＣＰＵとを含むこと等を、他の特徴とするものであ
る。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図１ないし
図３を参照して説明する。図１は、本発明の測距装置の
一実施例を示す回路構成図、図２は、図１に示したＣＰ
Ｕが測距時間誤差の演算に用いる演算式をグラフ化して
示す図である。

【００１０】図１に示す測距装置２１は、受信アンプ回
路１１とＣＰＵ１４の間に微分回路２２とピークホール
ド回路２３とＡＤ変換器２４を縦列接続し、ＣＰＵ２５
に受光波形の立ち上がり情報を取り込ませ、レーザ光線
の照射面積との関係に基づく測距時間誤差ΔＴを補正す
る構成としたものである。ＣＰＵ２５は、往復時間Ｔの
計測に及ぼす受信信号の立ち上がり波形の影響を補正す
る測距時間誤差補正手段を構成しており、ピークホール
ド回路２３の出力すなわち微分ピーク値Ｄｐと往復時間
Ｔとの関数として規定された演算式ΔＴ＝ｆ（Ｔ，Ｄ
ｐ）に基づき、受信信号の立ち上がり波形に付随する測
距時間誤差ΔＴを演算し、これを補正データとして用い
る。

【００１１】微分回路２２は、受信アンプ回路１１の出
力を時間微分するものであり、出力端子と反転入力端子
が帰還抵抗Ｒ０を介して接続された演算増幅器２２ａの
非反転入力端子を接地し、受信アンプ回路１１の出力を
微分コンデンサＣ０を介して反転入力端子に入力する構
成をとる。この微分回路２２は、１／２πＲ０Ｃ０に折
点周波数を有し、入力信号の極性を反転して微分出力す
る反転型時間微分を行う。ピークホールド回路２３は、
非反転入力端子を接地した演算増幅器２３ａの反転入力
端子に入力抵抗Ｒ１と帰還抵抗Ｒ２を接続して構成され
た反転増幅器（増幅率Ｒ２／Ｒ１）の出力を、整流用ダ
イオードＤを介してホールドコンデンサＣ１に保持さ
せ、測距のつどＣＰＵ２５により事後閉成されるリセッ
ト用スイッチＳによりホールドコンデンサＣ１を放電さ
せる構成としたものであり、ホールドコンデンサＣ１に
は微分ピーク値Ｄｐが保持される。ＡＤ変換器２４は、
ＣＰＵ２５のビット数に対応した分解能を有しており、
ホールドコンデンサＣ１が保持する微分ピーク値Ｄｐを
ディジタルデータに変換してＣＰＵ２５に送り込む。Ｃ
ＰＵ２５は、ＡＤ変換器２４から送り込まれる微分ピー
ク値Ｄｐから、受光波形の前縁部すなわち立ち上がり波
形がコンパレータ１２のしきい値Ｒｆを横切る点と、基
準波形に関する基準点Ｔｏとのずれすなちわ測距時間誤
差ΔＴを、所定の演算式ΔＴ＝ｆ（Ｔ，Ｄｐ）に従って
割り出し、この測距時間誤差ΔＴを補正データとして測
距値Ｎτｃ／２を（Ｎτ−ΔＴ）ｃ／２のごとく補正す
る。

【００１２】測距時間誤差ΔＴと微分ピーク値Ｄｐの関
係は、図２に示したように、往復時間Ｔ（Ｔ１＜Ｔ
２．．．＜Ｔｎ）をパラメータにグラフ化することがで
き、実測値に基づいて作成した図２のグラフから、測距
時間誤差ΔＴと往復時間Ｔ及び微分ピーク値Ｄｐの間
に、 ΔＴ＝ｆ（Ｔ，Ｄｐ） なる関数関係を抽出することができる。この演算式が規
定する関係は、図２のグラフからも明らかなように、微
分ピーク値Ｄｐが大きな値をとるほど、すなわち受光波
形の立ち上がりが急峻なほど基準波形に対する測距時間
誤差ΔＴは小さな値で済み、また同じ微分ピーク値Ｄｐ
が得られる場合でも、測距装置２１から物体８までの距
離が大となるほど（すなわち、往復時間Ｔが大となるほ
ど）、往復に伴う光減衰の影響をより強く受けるために
測距時間誤差ΔＴは小さく抑えられる。

【００１３】ここで、測距装置から同じ距離だけ離れた
位置にある同一物体８で、レーザ光線の照射面積が異な
る場合、図１に実線で示したように、レーザ光線がすべ
て物体８に照射されるときは、図５に示した最大波高値
を有する受光波形すなわち基準波形が得られるため、測
距時間誤差ΔＴは零であり、測距値Ｎτｃ／２がそのま
ま距離データとして採用される。これに対し、図１に点
線で示したように、レーザ光線の照射面積の１／４又は
１／２しか物体８に照射されないときは、図５に示した
中以下の受光波形しか得られず、この受光波形がコンパ
レータ１２のしきい値Ｒｆと交差する点と基準点Ｔｏと
の間の時間ずれΔＴａ，ΔＴｂに相当する測距時間誤差
が、演算式ΔＴ＝ｆ（Ｔ，Ｄｐ）から求まる。こうして
得られた測距時間誤差ΔＴａ，ΔＴｂは往復時間Ｔに対
する補正データとして用いられ、ＣＰＵ２５はレーザ光
線の照射面積が１／２の場合は、（Ｎτ−ΔＴａ）ｃ／
２のごとく測距補正を行い、レーザ光線の照射面積が１
／４の場合は、（Ｎτ−ΔＴｂ）ｃ／２のごとく測距補
正を行う。

【００１４】このように、上記測距装置２１によれば、
物体８を往復する測距信号の往復時間Ｔに測距信号の進
行速度ｃを乗算して距離計測するときに、距離計測対象
で反射されて受信した測距信号を時間微分してピーク値
を保持し、この微分ピーク値Ｄｐに基づき、往復時間Ｔ
の計測に及ぼす受光信号の立ち上がり波形の影響を補正
する構成としたから、同じ距離にありながらレーザ光線
の照射面積が異なるために受光波形に違いを見せる物体
８までの距離を、受光波形の違いによる測距時間誤差Δ
Ｔを補正して正確に計測することができ、受光波形が飽
和するほど近距離にある距離計測対象に関しても、受光
波形が立ち上がって飽和するまでの過程で得られる微分
ピーク値Ｄｐから距離補正に必要なデータが確実に得ら
れるため、飽和に関係なく測距時間誤差の補正が可能で
あり、また受光波形の波高値が低く微分値もさほど変化
しない場合でも、微分ピーク値Ｄｐから距離補正に必要
なデータが得られるため、相応の距離補正が可能であ
る。

【００１５】また、測距時間誤差補正手段であるＣＰＵ
２５が、ピークホールド回路２３の出力Ｄｐと往復時間
Ｔとの関数として規定された演算式ΔＴ＝ｆ（Ｔ，Ｄ
ｐ）に基づき、受光信号の立ち上がり波形の影響を補正
する補正データを演算する構成としたから、関数ｆ
（Ｔ，Ｄｐ）を、実測に基づいて経験値から割り出し、
演算式として最初から用意しておくことで、定式化され
た補正方式とＣＰＵ２５の数値演算機能とにより短時間
で正確な補正が可能である。

【００１６】なお、上記実施例では、微分ピーク値Ｄｐ
に対応する測距時間誤差ΔＴを、ＣＰＵ２５が所定の演
算式ΔＴ＝ｆ（Ｔ，Ｄｐ）に従って演算する構成とした
が、図３に示す測距装置３１のごとく、微分ピーク値Ｄ
ｐに対応する測距時間誤差ΔＴを、時間微分値Ｄｐと往
復時間ＴをアドレスとしてＲＯＭ等のメモリ３２に書き
込んでおき、測距のつどＣＰＵ１４からの指令でメモリ
３２を読み出し制御する構成とすることもできる。この
場合、特別な演算式は不要となり、メモリ３２から機械
的に測距時間誤差ΔＴを読み出すことで補正データが得
られるため、ＣＰＵ２５の演算負担を軽減し、なおかつ
迅速かつ確実な距離補正が可能となる。

【００１７】さらにまた、上記両実施例では、微分回路
２２やピークホールド回路２３をアナログ回路で構成し
たが、これらアナログ回路の機能をソフトウェア処理に
よってＣＰＵ２５に代替させることもできる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
距離計測対象を往復する測距信号の往復時間と測距信号
の進行速度とから距離計測するときに、距離計測対象で
反射されて受信した測距信号を時間微分してピーク値を
保持し、この微分ピーク値に基づき、前記往復時間の計
測に及ぼす前記受信信号の立ち上がり波形の影響を補正
する構成としたから、同じ距離にありながらレーザ光線
の照射面積が異なるために受信波形に違いを見せる物体
までの距離を、受信波形の違いによる測距時間誤差を補
正して正確に計測することができ、受信波形が飽和する
ほど近距離にある距離計測対象に関しても、受信波形が
立ち上がって飽和するまでの過程で得られる微分ピーク
値から距離補正に必要なデータが確実に得られるため、
飽和に関係なく測距時間誤差の補正が可能であり、また
受信波形の波高値が低く微分値もさほど変化しない場合
でも、微分ピーク値から距離補正に必要なデータが得ら
れるため、相応の距離補正が可能である等の優れた効果
を奏する。

【００１９】また、本発明は、測距時間誤差補正手段
を、ピークホールド回路の出力と往復時間との関数とし
て規定された演算式に基づき、受信信号の立ち上がり波
形の影響を補正する補正データを演算するＣＰＵで構成
したから、受信波形の時間微分値のピークすなわち微分
ピーク値と往復時間の関数を、実測に基づいて経験値か
ら割り出し、演算式として最初から用意しておくこと
で、定式化された補正方式とＣＰＵの数値演算機能とに
より短時間で正確な補正が可能である等の効果を奏す
る。

【００２０】さらにまた、本発明は、測距時間誤差補正
手段を、ピークホールド回路の出力と往復時間とをアド
レスとし、受信信号の立ち上がり波形の影響を補正する
補正データが格納されたメモリと、測距のつど該メモリ
を読み出し制御するＣＰＵとから構成したから、受信波
形の時間微分値のピークすなわち微分ピーク値と往復時
間とをアドレスとして、実測に基づいて得られた経験値
から割り出された補正データを書き込んでおいたメモリ
を用意することにより、特別な演算式を用いることな
く、指定アドレスから機械的に補正データを読み出すこ
とができ、これによりＣＰＵの演算負担を軽減し、なお
かつ迅速かつ確実な距離補正が可能である等の効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測距装置の一実施例を示す回路構成図
である。

【図２】図１に示したＣＰＵが測距時間誤差の演算に用
いる演算式をグラフ化して示す図である。

【図３】本発明の測距装置の変形例を示す回路構成図で
ある。

【図４】従来の測距装置の一例を示す回路構成図であ
る。

【図５】測距信号の送光波形と受光波形を示す波形図で
ある。

【符号の説明】

２ レーザダイオード ３ 駆動回路 ４ 送光レンズ ５ フォトダイオード ６ コンパレータ ７ カウンタ ８ 物体 ９ 受光レンズ １０ フォトダイオード １１ 受信アンプ回路 １２ コンパレータ １３ しきい値設定回路 ２１，３１ 測距装置 ２２ 微分回路 ２３ ピークホールド回路 ２４ ＡＤ変換器 ２５ 測距時間誤差補正手段（ＣＰＵ） ３２ 測距時間誤差補正手段（メモリ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01S 7/48 - 7/51 G01S 17/00 - 17/95

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 距離計測対象に向けて送信した測距信号
   が該距離計測対象で反射されて受信されるまでの往復時
   間を計測し、該往復時間と該測距信号の進行速度とから
   前記距離計測対象までの距離を演算する測距装置におい
   て、前記受信した測距信号を時間微分する微分回路と、
   該微分回路の出力をピークホールドするピークホールド
   回路と、該ピークホールド回路の出力に基づき、前記往
   復時間の計測に及ぼす前記受信信号の立ち上がり波形の
   影響を補正する測距時間誤差補正手段とを具備すること
   を特徴とする測距装置。
2. 【請求項２】 前記測距時間誤差補正手段は、前記ピー
   クホールド回路の出力及び前記往復時間の関数として規
   定された演算式に基づき、前記受信信号の立ち上がり波
   形の影響を補正する補正データを演算するＣＰＵを含む
   ことを特徴とする請求項１記載の測距装置。
3. 【請求項３】 前記測距時間誤差補正手段は、前記ピー
   クホールド回路の出力と前記往復時間とをアドレスと
   し、前記受信信号の立ち上がり波形の影響を補正する補
   正データが格納されたメモリと、測距のつど前記メモリ
   を読み出し制御するＣＰＵを含むことを特徴とする請求
   項１記載の測距装置。