JP3918732B2

JP3918732B2 - 非接触式三次元相対変位計測装置

Info

Publication number: JP3918732B2
Application number: JP2002378242A
Authority: JP
Inventors: 恵一福嶋; 欣彦奈良
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2022-12-26
Also published as: JP2004212052A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに離隔した二つの部位の間での相対的な三次元変位を計測する装置に関し、特に、車体の２部材間での三次元相対変位の計測に用いて好適の、非接触式三次元相対変位計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
互いに離隔した二つの部材間で相対的な三次元変位が生じるものにおいて、この三次元相対変位を把握したい場合がある。
例えば、自動車の場合、アクスルと車体（大型車の場合、車体フレーム）との間や、エンジンと車体（車体フレーム）との間、さらに、特に大型車の場合には、アクスルと車体フレームとの間等において、三次元相対変位が生じるが、これらの三次元相対変位を把握して、自動車の設計に利用したり、或いは、自動車の各制御に利用したりすることができる。
【０００３】
もちろん、自動車に限らず、このような三次元相対変位の把握は、種々の技術の開発や制御に極めて有用である。
このような三次元相対変位を計測する従来技術としては、加速度ピックアップ（振動センサ）を用いた計測や、巻線式変位計（インダクタンス型変位計）又はシリンダゲージによる計測が知られている。
【０００４】
しかし、加速度ピックアップを用いた場合、時間積分して変位を求めることになるが、低周波領域で感度が悪いので、時間積分して求めた変位は誤差が大きくなってしまい、変位を正確に検出することは困難である。また、巻線式変位計又はシリンダゲージを用いた場合、計測器の自重が大きいため計測器自体の慣性が大きく作用し、衝撃入力への追従性が悪く、高周波域で誤差が大きくなってしまい、極めて低周波（１Ｈｚ未満）の動きに対してしか採用できず、例えば、自動車の各部の挙動に関する相対動の計測には適さない。
【０００５】
つまり、いずれの技術でも、計測要求の大きい、低周波域（例えば、０〜２０Ｈｚ程度）のデータを精度良く計測することは困難である。
しかも、これらの手段は、台上試験なら可能であっても、実機試験（自動車なら、実車による実走行試験）は極めて困難である。
一方、レーザ光を用いた三次元変位の計測に関する技術が提案されている（例えば、特許文献１,２参照）。
【０００６】
特許文献１には、剛体ブロックに円錐形状等の回転体形状の凹面を形成し、この凹面と対向し凹面の中心軸線とクロスする向きにレーザ光を発するように配置されたレーザ変位計を、凹面の中心軸線と同一軸心周りに回転させながら、凹面上のレーザ光の反射点位置を検出すると、検出した反射点位置は回転軌跡を描くことになり、この回転軌跡の変位を解析することにより、レーザ変位計側からの剛体ブロックの相対変位を計測するものが開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、基準点に対する三次元位置を検出したい目標点に、互いに平行な平面内を一定角速度で旋回する線対称な２本のレーザ光をそれぞれ出力する３つのレーザ出力手段を設置し、基準点側の３箇所に各レーザ出力手段に対応させてレーザ受光手段を設置し、各レーザ出力手段から出力される各２本のレーザ光を各レーザ受光手段でそれぞれ受光して受光時間差に基づいて各レーザ受光手段から目標点の仰角を演算して、これらの仰角と各レーザ受光手段の位置とに基づいて目標点の三次元位置座標を求める技術が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−２５３３０７号公報
【特許文献２】
特開平３−２５１７０６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の技術では、相対変位を計測するものの一方に凹面を形成しなくてはならないうえ、レーザ変位計を、凹面の中心軸線と同一軸心周りに回転させなくてはならず、例えば、実際の自動車に適用するのは困難であり、適用対象が制限される。
【００１０】
また、特許文献２の技術では、目標点の三次元位置座標は求められるが、目標点の物体の姿勢までは求めることはできず、二つの部材間での相対的な三次元変位を十分に検出できるものではない。
本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、レーザ変位計を用いて二つの部材間での相対的な三次元変位を確実に検出することができるようにした、非接触式三次元相対変位計測装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の非接触式三次元相対変位計測装置（請求項１）は、互いに相対変位可能な２つの部位のうちの一方である第１の部位に固設され、レーザ光を反射する第１〜第６の６つの反射板と、上記２つの部位のうちの他方である第２の部位に、上記の第１〜第６の反射板にそれぞれ対応して固設され、対応する該反射板の反射面へ向けてレーザ光を発信すると共に該反射面からの該レーザ光の反射光を受信することにより該反射板との距離を計測する第１〜第６の６つのレーザ変位計とをそなえ、上記の第１〜第６のレーザ変位計は、発信するレーザ光が互いに平行となるように配置されているとともに、上記の６つの反射板のうち、上記の第１〜第３の反射板は、一直線上に並ばず且つ反射面が互いに平行に配置され、上記の第４〜第６の反射板の反射面は、他の５つの反射面とは平行とならないように配置されて、上記の第１〜第６のレーザ変位計により計測された距離にかかる情報に基づいて、上記第１の部位と上記第２の部位との相対変位を算出する演算手段とが備えられていることを特徴としている。
【００１２】
上記の第１〜第３の反射板の反射面は、同一面上に配置されていることが好ましく（請求項２）、さらに、上記の第１〜第３の反射板の反射面は、上記の第１〜第６のレーザ変位計から発信されるレーザ光と直交する向きに配置されていることが好ましい（請求項３）。
また、上記の第１〜第３の反射板は、上記第１の部位の同一平面上に設置されていることが好ましい（請求項４）。
【００１３】
上記の第１〜第６のレーザ変位計は、上記第２の部位の同一平面上に設置されていることが好ましい（請求項５）。
さらに、上記演算手段は、上記の第１〜第３のレーザ変位計から得られる上記の第１〜第３の反射板の位置情報から、上記第１の部位に対応する第１の面の上記第２の部位に対応する第２の面に対する相対変位を算出し、上記の第４〜第６のレーザ変位計から得られる上記の第４〜第６の反射板の位置情報から、上記第１の面内での上記第１の部位の位置及び姿勢を算出することにより、上記第１の部位と上記第２の部位との相対変位を算出することが好ましい（請求項６）。
【００１４】
上記第１の部位を相対する計測対象の一方に固定された第１のベース部材とし、上記第２の部位を上記の相対する計測対象の他方に固定された第２のベース部材としてもよい（請求項７）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明すると、図１〜図３は本発明の一実施形態としての非接触式三次元相対変位計測装置について示すもので、図１はその構成を説明する模式図（反射板，レーザ変位計については模式的な斜視図）、図２はその計測原理を説明する図であり反射板へのレーザ光の照射状態を示す模式的な斜視図、図３はその実車への装着例を示す車体の模式的な後面図、図４はその装置要部のユニット化の例を示す模式的な斜視図である。
【００１６】
この非接触式三次元相対変位計測装置は、互いに相対変位可能な２つの部位の間の時間経過と共に生じる相対変位を測定するもので、例えば、自動車に適用する場合、アクスルと車体（大型車の場合、車体フレーム）との間や、エンジンと車体（車体フレーム）との間、さらに、特に大型車の場合には、アクスルと車体フレームとの間等において、自動車の走行時や停止時でもエンジン作動時等における２つの部位の間での三次元的な相対動を測定しうるものである。
【００１７】
図１に示すように、本装置は、２つの部位１，２のうちの一方（これを第１の部位とする）１に固設された第１〜第６の６つの反射板１１〜１６と、他方（これを第２の部位とする）２に固設された第１〜第６の６つのレーザ変位計２１〜２６と、各レーザ変位計２１〜２６により計測された結果に基づいて、第１の部位１と第２の部位２との間の時間経過に応じた相対変位を算出する演算手段（コンピュータ）３とから構成されている。
【００１８】
なお、第１の部位１及び第２の部位２は、計測対象自体であってもよいが、ここでは、各計測対象にそれぞれ固設された平面状の支持プレート（ベース部材）とする。さらに、ここでは、これらの平面状の支持プレート１，２は互いに平行に配設されているが、これらは必ずしも平行でなくても良い。
反射板１１〜１６は、レーザ光を照射される照射体であって、各レーザ変位計２１〜２６からの距離を計測される被計測体でもあり、反射板ユニット１０として支持プレート１と一体に構成されている。
【００１９】
６つの反射板１１〜１６のうち、第１の反射板１１，第２の反射板１２，第３の反射板１３は、一直線上に並ばないようにして且つ各反射面１１ａ，１２ａ，１３ａが互いに平行に向くようにして、平面状の支持プレートである第１の部位１に、固定されている。ここでは、第１，第２，第３の反射板１１，１２，１３の各反射面１１ａ，１２ａ，１３ａは互いに同一平面状に位置するように配設されている。第１，第２，第３の反射板１１，１２，１３の各反射面１１ａ，１２ａ，１３ａは、必ずしもこのように同一平面状に位置する必要はなく、少なくとも互いに平行であればよい。
【００２０】
また、残りの３つの反射板、即ち、第４の反射板１４，第５の反射板１５，第６の反射板１６は、いずれも各反射面１４ａ，１５ａ，１６ａが、ここでは、第１，第２，第３の反射板１１，１２，１３の反射面（共通平面）１１ａ，１２ａ，１３ａと平行な第１の部位の面（即ち、平面状の支持プレートの表面）１ａを底面としてこの上に形成される三角錐の３つの立面が、第４，第５，第６の反射板１４，１５，１６の各反射面１４ａ，１５ａ，１６ａとなるように配置されている。もちろん、第４，第５，第６の反射板１４，１５，１６の各反射面は、他の５つの反射板の反射面と平行でなければよく、このような三角錐の３つの面に限定されるものではない。
【００２１】
一方、レーザ変位計２１〜２６は、自ら対象物にレーザ光を発信してこのレーザ光の対象物からの反射光を受信することにより対象物との距離を計測するもので、既に知られた装置である。ここでは、対象物は上記の各反射板１１〜１６の各反射面１１ａ〜１６ａとなっている。
そして、第１〜第６の６つのレーザ変位計２１〜２６は、平面状の支持プレートである第２の部位２に、上記の第１〜第６の反射板１１〜１６にそれぞれ対応して固設されている。また、各レーザ変位計２１〜２６は、発信するレーザ光が、互いに平行で、且つ、対向する第１の部位の基準面（平面状の支持プレートの表面）１ａに直角になるように配置されている。なお、各レーザ変位計２１〜２６から発信するレーザ光が互いに平行であれば、必ずしも、対向する第１の部位の基準面と直角である必要はない。
【００２２】
このように設置された第１〜第６のレーザ変位計２１〜２６によって計測された各レーザ変位計２１〜２６から第１〜第６の反射板１１〜１６の反射面１１ａ〜１６ａまでの距離は、各レーザ変位計２１〜２６と第１〜第６の反射板１１〜１６の反射面１１ａ〜１６ａとの間で相対動（相対変位）がなければ変化はしないが、両者間で相対動（相対変位）があると変化する。
【００２３】
コンピュータ３では、第１〜第３のレーザ変位計２１〜２３から得られる第１〜第３の反射板１１〜１３の位置情報から、第１の部位１に対応する第１の面（平面状の支持プレートの表面）１ａの第２の部位２に対応する第２の面（平面状の支持プレートの表面）２ａに対する相対変位を算出し、第４〜第６のレーザ変位計２４〜２６から得られる第４〜第６の反射板１４〜１６の位置情報から、第１の面１ａ内での第１の部位の位置及び姿勢を算出することで、第１の部位１と第２の部位２との相対変位を算出する。
【００２４】
なお、コンピュータ３は、入力部３１，記憶部（メモリ）３２，制御部３３，演算部３４，出力部３５をそなえている。制御部３３では、予め入力されたプログラムに基づいて、入力部３１，記憶部３２，演算部３４，出力部３５を制御する。入力部３１では、レーザ変位計２１〜２６からの計測データ（距離データ）を入力されると、データをアナログ／デジタル変換して、記憶部３２に出力し、演算部３４では記憶部３２に記憶されたデータを演算処理して、相対変位を示すパラメータを算出する。なお、制御部３３，演算部３４はＣＰＵで構成される。
【００２５】
この算出結果は、出力部３５から出力され、計測対象にかかる制御装置［即ち、第１の部位１と第２の部位２との相対変位に関与する制御対象（例えば、自動車におけるエンジンやアクティブサスペンション等）を制御する制御装置］４１に送られて制御に相対変位情報を反映させたり、或いは、ディスプレイ４２に相対変位状態を動画等で表示させたりすることができる。
【００２６】
ここで、算出手段３の中枢である演算部３４での演算について説明する。
ｘ−ｙ−ｚの三次元直交座標を用いて説明すると、基準面、即ち、第１〜第３の反射板１１〜１３の反射面（共通平面）１１ａ〜１３ａについては添字０を、三角錐の３つの立面（即ち、第４〜第６の反射板１４〜１６の各反射面１４ａ〜１６ａ）についてはそれぞれ添字１，２，３を付して、これらの各面を式で示すと、各平面の式は、
ａ_i・ｘ＋ｂ_i・ｙ＋ｃ_i・ｚ＝０（ただし、ｉ＝０〜３）
とあらわせる。
【００２７】
第１〜第６のレーザ変位計２１〜２６の各照射点の座標は、
（ｘ_ij，ｙ_ij，ｚ_ij）
ただし、反射面（共通平面）１１ａ〜１３ａについてはｉ＝０，ｊ＝１〜３とし、各反射面１４ａ〜１６ａについてはｉ＝１〜３，ｊ＝０とする。
ここで、図１，図２（ａ）に示すように、第１の反射板１１の反射面１１ａのレーザ照射点を原点（０，０，０）に取り、第２の反射板１２の反射面１２ａのレーザ照射点がｘ軸上の座標（ｘ，０，０）に、第３の反射板１３の反射面１３ａのレーザ照射点がｙ軸上の座標（０，ｙ，０）にあるものとする。なお、この場合、第１〜第３の反射板１１〜１３の反射面（共通平面）１１ａ〜１３ａの式は、「ｚ＝０」となる。
【００２８】
第２の部位２を基準にして、被計測体である第１の部位１が、図２（ａ）に示す状態（イニシャル位置）から図２（ｂ）に示す状態へと、三次元的に移動（並進及び回転）したときの動きが計測されたとする。
このとき、移動により、被計測体座標系での任意の点（ｘ，ｙ，ｚ）が座標（ｘ´，ｙ´，ｚ´）に移動したとして、この関係を以下の１式で表現することができる。
【００２９】
【数１】

１式の６つのパラメータθ，φ，ψ，ｓ，ｔ，ｕを各レーザ変位計２１〜２６の出力ｌ_ij（ｉ，ｊは各照射点に対応）から求めることができる。
【００３０】
各レーザ変位計２１〜２６の出力ｌ_ijのうち、各レーザ変位計２１〜２３の出力ｌ₀₁，ｌ₀₂，ｌ₀₃から移動後の反射面（共通平面）１１ａ〜１３ａの式が求まり、φは移動前の共通反射面１１ａ〜１３ａとのなす角度であるから、φを容易に求めることができる。
次に、演算を工夫すると、共通反射面１１ａ〜１３ａ及び反射面１４ａ，１５ａ，１６ａの式と出力との関係は、２式のように変換できる。
【００３１】
ここで、（ａ，ｂ，ｃ）はレーザ光の方向ベクトルから得られたパラメータである。
【００３２】
【数２】

ここで、
（ｘ₀₁，ｙ₀₁，ｚ₀₁）＝（０，０，０）、
（ｘ₀₂，ｙ₀₂，ｚ₀₂）＝（０，ｙ₀₂，０）
を代入すると、
【００３３】
【数３】

となり、ｕ，ψが求まる。
次に、反射面１４ａ，１５ａ，１６ａの式から、連立方程式を解けば、残りのθ，ｓ，ｔを求めることができる。
【００３４】
このようにして、全てのパラメータを求めることができるから、任意の座標の三次元の動き（ｘ，ｙ，ｚ方向への並進及びｘ軸，ｙ軸，ｚ軸周りの回転）をレーザ変位計２１〜２６の出力から求められることがわかる。
本発明の一実施形態としての非接触式三次元相対変位計測装置は、上述のように構成されているので、第１〜第３の３つの反射板１１〜１３の反射面１１ａ〜１３ａで既定される平面（即ち、第１の部位に応じた共通平面）の、第２の部位２に対する相対変位（時間経過に応じた相対変位）を算出することができる。
【００３５】
また、第４〜第６のレーザ変位計２４〜２６により第４〜第６の各反射板１４〜１６の反射面１４ａ〜１６ａとの距離を計測することにより、第１の部位１が、第１〜第３の３つの反射板１１〜１３の反射面１１ａ〜１３ａ内のどの位置にどのような姿勢（方向）でいるのかを算出することができる。
すなわち、第１の部位１と第２の部位２との、時間経過に応じた相対的な位置変位に加えて時間経過に応じた相対的な姿勢の変位を算出することができる。
【００３６】
また、本装置では、各反射板１１〜１６も各レーザ変位計２１〜２６もいずれも第１の部位１及び第２の部位２に固設され、特に、反射板１１〜１６や各レーザ変位計２１〜２６を移動させる必要もないので、実機（車なら、実車）に実際に搭載して用いることも容易になり、汎用性が高い。特に、相対振動する部位に、本装置を装着することで、三次元的な相対振動を精度良く把握することができる。
【００３７】
例えば、図３に示すように、車両のアクスル１１０側に第１の部位に相当する支持プレート（ベース部材）１０１を固設し、この支持プレート１０１の上面に上向きに各反射板１１〜１６を取り付け、車両の車体（ここでは、フレーム１２０）側に第２の部位に相当する支持プレート（ベース部材）１０２を固設し、この支持プレート１０２の下面に各反射板１１〜１６と対向するように下向きに各レーザ変位計２１〜２６を取り付けることで、実車に対しても容易に本装置を適用することができる。
【００３８】
これにより、車両の走行時における低周波（例えば１〜５００Ｈｚ程度）の動きを高精度に検出することができる。
また、こうした動きをリアルタイムで計測して実車の走行にフィードバックすることも可能になる。
なお、本装置を図４に示すようにユニット化しても良い。つまり、各反射板１１〜１６を支持プレート（ベース部材）２０１上に一体構成し、各レーザ変位計２１〜２６を支持プレート（ベース部材）２０２上に一体構成してユニット化するのである。これにより、本装置を様々な部位間に容易に装着して用いることができ、上記の実車の走行へのフィードバックにも適している。
【００３９】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば本装置は、自動車に限らず互いに相対変位するものに対して広く適用することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の非接触式三次元相対変位計測装置によれば、演算手段では、第１のレーザ変位計により第１の反射板の反射面との距離を計測し、第２のレーザ変位計により第２の反射板の反射面との距離を計測し、第３のレーザ変位計により第３の反射板の反射面との距離を計測することにより、第１〜第３の３つの反射板で既定される平面（即ち、第１の部位にかかる平面）の第２の部位に対する相対変位（時間経過に応じた相対変位）を算出することができる。また、演算手段では、第４のレーザ変位計により第４の反射板の反射面との距離を計測し、第５のレーザ変位計により第５の反射板の反射面との距離を計測し、第６のレーザ変位計により第６の反射板の反射面との距離を計測することにより、上記の第１の部位にかかる平面内での第１の部位の位置及び向きの第２の部位に対する相対変位（時間経過に応じた相対変位）を算出することができる。これにより、演算手段では、第１の部位と第２の部位との相対変位、即ち、時間経過に応じた相対的な位置変位に加えて時間経過に応じた相対的な姿勢の変位を算出することができる。
【００４１】
また、本装置では、各反射板も各レーザ変位計もいずれも第１の部位及び第２の部位に固設され、特に、反射板や各レーザ変位計を移動させる必要もないので、実機（車なら、実車）に実際に搭載して用いることも容易になり、汎用性が高い。特に、相対振動する部位に、本装置を装着することで、三次元的な相対振動を精度良く把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての非接触式三次元相対変位計測装置の構成を説明する模式図であって、反射板，レーザ変位計については模式的な斜視図として示す。
【図２】本発明の一実施形態としての非接触式三次元相対変位計測装置Ｂによる計測原理を説明する図であり、反射板へのレーザ光の照射状態を示す模式的な斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態としての非接触式三次元相対変位計測装置の実車への装着例を示す車体の模式的な後面図である。
【図４】本発明の一実施形態としての非接触式三次元相対変位計測装置の装置要部のユニット化の例を示す模式的な斜視図である。
【符号の説明】
１第１の部位
２第２の部位
１１〜１６反射板
２１〜２６レーザ変位計
３演算手段（コンピュータ）

Claims

互いに相対変位可能な２つの部位のうちの一方である第１の部位に固設され、レーザ光を反射する第１〜第６の６つの反射板と、
上記２つの部位のうちの他方である第２の部位に、上記の第１〜第６の反射板にそれぞれ対応して固設され、対応する該反射板の反射面へ向けてレーザ光を発信すると共に該反射面からの該レーザ光の反射光を受信することにより該反射板との距離を計測する第１〜第６の６つのレーザ変位計とをそなえ、
上記の第１〜第６のレーザ変位計は、発信するレーザ光が互いに平行となるように配置されているとともに、
上記の６つの反射板のうち、上記の第１〜第３の反射板は、一直線上に並ばず且つ反射面が互いに平行に配置され、上記の第４〜第６の反射板の反射面は、他の５つの反射面とは平行とならないように配置されて、
上記の第１〜第６のレーザ変位計により計測された距離にかかる情報に基づいて、上記第１の部位と上記第２の部位との相対変位を算出する演算手段とが備えられている
ことを特徴とする、非接触式三次元相対変位計測装置。
上記の第１〜第３の反射板の反射面は、同一面上に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の非接触式三次元相対変位計測装置。
上記の第１〜第３の反射板の反射面は、上記の第１〜第６のレーザ変位計から発信されるレーザ光と直交する向きに配置されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の非接触式三次元相対変位計測装置。
上記の第１〜第３の反射板は、上記第１の部位の同一平面上に設置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触式三次元相対変位計測装置。
上記の第１〜第６のレーザ変位計は、上記第２の部位の同一平面上に設置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の非接触式三次元相対変位計測装置。
上記演算手段は、上記の第１〜第３のレーザ変位計から得られる上記の第１〜第３の反射板の位置情報から、上記第１の部位に対応する第１の面の上記第２の部位に対応する第２の面に対する相対変位を算出し、上記の第４〜第６のレーザ変位計から得られる上記の第４〜第６の反射板の位置情報から、上記第１の面内での上記第１の部位の位置及び姿勢を算出することにより、上記第１の部位と上記第２の部位との相対変位を算出することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の非接触式三次元相対変位計測装置。
上記第１の部位は相対する計測対象の一方に固定された第１のベース部材であって、上記第２の部位は上記の相対する計測対象の他方に固定された第２のベース部材であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の非接触式三次元相対変位計測装置。