JP4199589B2

JP4199589B2 - 距離測定装置

Info

Publication number: JP4199589B2
Application number: JP2003123441A
Authority: JP
Inventors: 達哉伊藤
Original assignee: NEC Engineering Ltd
Current assignee: NEC Engineering Ltd
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2023-04-28
Also published as: JP2004325373A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、距離測定装置に関し、特に、パルス状のレーザ光を測定対象物に照射した時刻と、測定対象物から反射したレーザ光を検知した時刻との時間差を検出して測定対象物までの距離を測定する距離測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測定対象物にレーザ光を照射し、その反射光を受光するまでの時間を測定することにより、測定対象物までの距離を算出する技術が種々存在する。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の距離測定装置は、レーザ光の発光によってスタート信号を与え、対象物からの反射レーザ光を受光した時点でストップ信号を与え、この間の時間を、例えば１０個のカウンタでカウントする。ここで、各カウンタは、複数のクロックのクロックパルスに従ってカウントし、これらのクロックは、一定の位相差を有し、その位相差の総和は、クロック周期Ｔ１に略々等しく設定されている。このため、ストップ信号が与えられた時点での各カウント値にもずれが生じ、各カウント値を平均化処理することによって、クロック周期Ｔ１の１／１０の分解能と同様の計測結果を得ることができ、安価で高性能の距離測定装置を提供することができる。
【０００４】
また、特許文献２に記載の距離測定装置は、高周波のカウンタを使用せず、広範囲、高精度の距離測定を可能にするため、レーザダイオードなどの発光素子からレーザ光を照射し、測定対象物からの反射光をフォトダイオードなどの受光素子で受光して電気信号に変換し、このレーザ光の発光から受光までの時間を計測することにより、測定対象物までの距離を算出するにあたって、レーザ光の照射が検出されると同時に、デジタルカウンタへクロックパルスを入れ、レーザ光の照射が検出されてから、最初のクロックパルスがデジタルカウンタに入りデジタルカウンタが計数を開始するまでの間の時間を積分器などを使用したアナログ回路で測定している。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２９４６４２号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００１−８３２５０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１に記載の距離測定装置では、分解能を向上させると多数のカウンタが必要になるという問題があった。また、特許文献２に記載の距離測定装置では、反射パルス受信タイミングとクロックパルスの立上りまでの時間を計測する終端積分器による測定結果を、デジタルカウンタによる計数結果と同時にマイクロコンピュータへ送信し、マイクロコンピュータで最終的な測距データを算出処理するため、処理が複雑になるとともに、マイクロコンピュータを使用するため、消費電力が大きくなるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来の距離測定装置における問題点に鑑みてなされたものであって、多数のカウンタを必要とすることなく、また、取得データのデジタル化やＣＰＵなどによる複雑な処理を行うことなく、低電力で、高精度の距離測定を可能にする距離測定装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、距離測定装置であって、測定対象物に対して測定信号を発信する測定信号発信手段と、該測定対象物で反射された、前記測定信号発信手段から発せられた測定信号を受信する測定信号受信手段と、前記測定信号発信手段による測定信号の発信から前記測定信号受信手段による前記測定信号の受信までに要する時間に基づいて、前記測定対象物までの距離を算出する距離算出手段とを備え、該距離算出手段は、クロック信号を発生させるクロック信号発生手段と、該クロック信号発生手段によって発生したクロック信号に複数の異なる遅延時間を持たせた信号を発生させる複数のクロック信号遅延手段と、スタート信号が与えられてからストップ信号を与えられるまでの、前記クロック信号発生手段によって発生したクロック信号のクロック数をカウントして出力するカウンタ手段と、前記測定信号発信手段が測定対象物に対して測定信号を発信した時に前記カウンタ手段に前記スタート信号を発信するスタート信号発信手段と、前記測定信号受信手段が前記測定対象物から反射された測定信号を受信した時に前記カウンタ手段に前記ストップ信号を発信するストップ信号発信手段と、前記クロック信号発生手段によって発生したクロック信号、及び前記クロック信号遅延手段によって発生した複数のクロック信号に応じて、前記ストップ信号をラッチする複数の第１のフリップフロップと、該複数の第１のフリップフロップの出力の論理和を取得し、該第１のフリップフロップのいずれかが前記ストップ信号をラッチした時にラッチ信号を出力するＯＲ回路と、該ＯＲ回路から出力されるラッチ信号に応じて、前記複数の第１のフリップフロップの出力をラッチし、該複数の第１のフリップフロップの出力のうち、前記ストップ信号が発せられた以後に最も早くレベルが変化した出力を特定する第２のフリップフロップとを備え、前記カウンタ手段によるカウント値と、前記第２のフリップフロップによって特定した出力と、前記クロック信号発生手段で発生したクロック信号の遅延時間とに基づいて前記測定対象物までの距離を算出することを特徴とする。
【００１０】
そして、本発明によれば、クロック信号発生手段によって発生したクロック信号をカウンタ手段のみでカウントする場合に比較して、高い測定精度を得ることができる。また、従来のように、多数のカウンタを必要とすることもない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は、本発明にかかる距離測定装置の一実施の形態を示し、この距離測定装置は、クロック発生器１と、ディレイライン（１〜Ｎ）２と、パルス発生部３と、レーザ光発生部４と、送光光学系５と、受光光学系６と、検知器７と、フリップフロップ回路（ＦＦ０〜Ｎ−１，２）８と、ＯＲゲート９と、フリップフロップ（ＦＦ）１０と、２ ^N→Ｎエンコーダ１１と、下位レジスタ１２と、測距カウンタ１３と、上位レジスタ１４とで構成される。
【００１４】
クロック発生器（クロック信号発生手段）１は、測距対象物０に対して照射するパルスレーザ光の発生及び照射した時刻から受光信号の受信時刻までの時間を測定する各種クロック信号を発生する。
【００１５】
クロック信号遅延手段としてのディレイライン（１〜Ｎ）２は、クロック発生器１により発生した「サンプルクロック信号０」にＮ通りの遅延時間を与える。「サンプルクロック０」の周期をＴとすると、ディレイライン（１〜Ｎ）２は、各々Ｔ×Ｎ／（Ｎ＋１）の遅延時間を持つ。ここで、ディレイライン数Ｎは、必要な測距分解能に応じて決定する。サンプルクロック０〜Ｎは、各々後述するクロック信号特定手段を構成するフリップフロップ回路（ＦＦ０〜Ｎ−１，２）８のラッチタイミングを与える。
【００１６】
パルス発生部３は、クロック発生器１からのクロック信号に基づき、レーザ光発生部４のレーザ発生に必要なレーザ発射制御信号を生成すると同時に、測距カウンタ１３（カウンタ手段）のクリア信号を発生する。
【００１７】
レーザ光発生部４は、サンプルクロック０に同期したレーザ発射制御信号がパルス発生部３より出力されると、パルスレーザを発生し、このレーザは、送光光学系５を通って測距対象物０に向けて照射される。また、レーザ光発生部４は、スタート信号発信手段として機能し、パルス発生タイミングを認識させるスタート信号を測距カウンタ１３へ出力する。
【００１８】
受光光学系６は、測距対象物０から反射される信号を受信して検知器７に導く。検知器７は、光による微弱な入力信号を電気信号に変換した後、ストップ信号発信手段として、受信信号がピーク値となるタイミングを知らせるストップ信号を測距カウンタ１３及びフリップフロップ回路（ＦＦ０〜Ｎ−１）８へ出力する。
【００１９】
図２に、レーザ送受信タイミングと測距対象区間を示す。測距カウンタ１３は、スタート信号からストップ信号までの間、サンプルクロック０の立上り毎にカウントを行い、その結果を上位レジスタ１４に登録する。この時、レーザ発射制御信号及び発射されるパルスレーザは、サンプルクロック０に同期し、常に固定値となる。求める測定対象距離は、レーザ送信時刻から受信信号がピークとなる時刻までであり、ストップ信号により測距カウンタ１３が計数をストップした最後のサンプルクロック０の立上りから受信信号のピーク値までの時間を後述する方法により測定する。
【００２０】
フリップフロップ回路（ＦＦ０−１〜ＦＦＮ−１）８は、サンプルクロック０〜Ｎの立上りタイミングで順にストップ信号をラッチする。ラッチされた信号は、２段目のフリップフロップ回路（ＦＦ０−２〜ＦＦＮ−２）に各々入り、各サンプルクロックの次回の立上りで再度ラッチされる。本２段構成は、ストップ信号とサンプルクロックが非同期であることにより、初段（ＦＦ０−１〜ＦＦＮ−１）のみではラッチ出力が不確定となるリスクを回避する手段となる。
【００２１】
フリップフロップ回路（ＦＦ０−２〜ＦＦＮ−２）は、ラッチ出力を、ＯＲゲート９及びフリップフロップ（ＦＦ）１０に出力する。
【００２２】
ＯＲゲート９は、フリップフロップ回路（ＦＦ０−１〜ＦＦＮ−１）８で使用する素子に比べ、高速動作するものを使用し、フリップフロップ回路（ＦＦ０−２〜ＦＦＮ−２）の中で最初にストップ信号を検出したものが“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに変化すると、２番目に“Ｈ”レベルに変化するフリップフロップ（ＦＦ）のラッチ信号が入力される前に“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに変化し、その立上りでフリップフロップ（ＦＦ）１０に入力されたデータをラッチする。ＯＲゲート９は、１回の送受信サイクルで１回のみ立上りを出力し、最初にストップ信号を検出したものだけが“Ｈ”レベルの状態でホールドされる。
【００２３】
フリップフロップ（ＦＦ）１０の出力は、２ ^N→Ｎエンコーダ１１に入る。本エンコーダ１１は、２のＮ乗個ある入力の中で唯一“Ｈ”レベルとなっているチャンネルをＮビットのエンコード値に変換するものである。
【００２４】
図３に、ストップ信号のラッチタイミング（本図では便宜上、サンプルクロック１がストップ信号直後に立上るという前提でタイミングを示した）及びエンコーダ１１による測距値検出タイミングを示す。エンコーダ１１は、２ ^Nチャンネルの入力（ＣＨ０〜ＣＨ２ ^N−１）とＮビットの出力を持ち、入力チャンネル番号をＮビットの信号に変換して出力する。エンコーダ１１の出力は、下位レジスタ１２に登録され、これを上位レジスタ１４に登録されたデータと組み合わせることにより求める測距データが得られる。
【００２５】
次に、本発明にかかる距離測定装置の実施例として、ディレイラインが７個で受信信号のピークレベル（ストップ信号の立上り）がサンプルクロック１とサンプルクロック２の立上りの間に入った場合について説明する。
【００２６】
図４は、本発明の距離測定装置の一実施例の全体構成を示す。この距離測定装置は、クロック発生器３１と、ディレイライン（１〜７）３２と、パルス発生部３３と、レーザ光発生部３４と、送光光学系３５と、受光光学系３６と、検知器３７と、フリップフロップ回路（ＦＦ０〜７−１，２）３８と、ＯＲゲート３９と、フリップフロップ（ＦＦ）４０と、２ ³→３エンコーダ４１と、下位レジスタ４２と、測距カウンタ４３と、上位レジスタ４４とで構成される。
【００２７】
クロック発生器３１は、測距対象物３０に対して照射するパルスレーザ光の発生、及び照射した時刻から受光信号の受信時刻までの時間を測定する各種クロック信号を発生する。
【００２８】
ディレイライン（１〜７）３２は、クロック発生器３１により発生した「サンプルクロック信号０」に７通りの遅延時間を与える。「サンプルクロック０」の周期をＴとすると、ディレイライン（１〜７）３２は、各々Ｎ×Ｔ／８（Ｎ＝１〜７）の遅延時間を持つ。サンプルクロック０〜７は、各々後述するフリップフロップ回路（ＦＦ０〜ＦＦ７−１，２）３８のラッチタイミングを与える。
【００２９】
パルス発生部３３は、クロック発生器３１からのクロック信号に基づいて、レーザ光発生部３４のレーザ発生に必要なレーザ発射制御信号を生成すると同時に、測距カウンタ４３のクリア信号を発生する。
【００３０】
レーザ光発生部３４は、サンプルクロック０に同期したレーザ発射制御信号がパルス発生部３３より出力されると、パルスレーザを発生し、このレーザは送光光学系３５を通って測距対象物３０に向けて照射される。また、レーザ光発生部３４は、パルス発生タイミングを認識させるスタート信号を測距カウンタ４３へ出力する。
【００３１】
受光光学系３６は、測距対象物３０から反射される信号を受信して検知器３７に導く。検知器３７は、光による微弱な入力信号を電気信号に変換した後、受信信号がピーク値となるタイミングを知らせるストップ信号を測距カウンタ４３及びフリップフロップ回路（ＦＦ０〜ＦＦ７−１）３８へ出力する。
【００３２】
測距カウンタ４３は、スタート信号からストップ信号までの間、サンプルクロック０の立上り毎にカウントを行い、その結果を上位レジスタ４４に登録する。この時、レーザ発射制御信号及び発射されるパルスレーザは、サンプルクロック０に同期し、常に固定値となる。求める測定対象距離は、レーザ送信時刻から受信信号がピークとなる時刻までであり、ストップ信号により測距カウンタ４３が計数をストップした最後のサンプルクロック０の立上りから受信信号のピーク値までの時間を後述する方法により測定する。
【００３３】
フリップフロップ回路（ＦＦ０−１〜ＦＦ７−１）３８は、サンプルクロック０〜７の立上りタイミングで順にストップ信号をラッチする。ラッチされた信号は、２段目のフリップフロップ回路（ＦＦ０−２〜ＦＦ７−２）に各々入り、各サンプルクロックの次回の立上りで再度ラッチされる。本２段構成は、ストップ信号とサンプルクロックが非同期であることにより、初段（ＦＦ０−１〜ＦＦ７−１）のみではラッチ出力が不確定となるリスクを回避する手段となる。
【００３４】
フリップフロップ回路（ＦＦ０−２〜ＦＦ７−２）は、ラッチ出力を、ＯＲゲート３９及びフリップフロップ（ＦＦ）４０に出力する。
【００３５】
ＯＲゲート３９は、フリップフロップ回路（ＦＦ０−１〜ＦＦ７−１）３８で使用する素子に比べ、高速動作するものを使用し、フリップフロップ回路（ＦＦ０−２〜ＦＦ７−２）の中で最初にストップ信号を検出したものが“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに変化すると、２番目に“Ｈ”レベルに変化するフリップフロップ（ＦＦ）のラッチ信号が入力される前に“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに変化し、その立上りでフリップフロップ（ＦＦ）４０に入力されたデータをラッチする。ＯＲゲート３９は、１回の送受信サイクルで１回のみ立上りを出力し、最初にストップ信号を検出したものだけが“Ｈ”レベルの状態でホールドされる。
【００３６】
フリップフロップ（ＦＦ）４０の出力は、２ ³→３エンコーダ４１に入る。本エンコーダ４１は、２の３乗個ある入力の中で唯一“Ｈ”レベルとなっているチャンネルを３ビットのエンコード値に変換するものである。
【００３７】
図５に、ストップ信号のラッチタイミング（サンプルクロック２がストップ信号直後に立上るという前提でタイミングを示した）及びエンコーダ４１による測距値検出タイミングを示す。エンコーダ４１は、８チャンネルの入力（ＣＨ０〜ＣＨ７）と３ビットの出力を持ち、入力チャンネル番号を３ビットのコードに変換して出力する。例えば、ＣＨ０が“Ｈ”となれば出力コードは“０００”に、本例のようにＣＨ２が”Ｈ”となれば出力コードは“０１０”となる。エンコーダ４１の出力は、下位レジスタ４２に登録され、これを上位レジスタ４４に登録されたデータと組み合わせることにより求める測距データが得られる。
【００３８】
尚、上記実施例においては、測距カウンタ１３、４３は、スタート信号からストップ信号までの間、サンプルクロック０の立上り毎にカウントを行うとともに、測定対象までの距離を算出する際などにおいて、ストップ信号により測距カウンタ１３、４３が計数をストップした最後のサンプルクロック０の立上りから受信信号のピーク値までの時間を測定していたが、サンプルクロック０の立下り毎にカウントを行い、最後のサンプルクロック０の立下りから受信信号のピーク値までの時間を測定してもよい。また、フリップフロップ回路（ＦＦ０−１〜ＦＦＮ−１）８、３８によってストップ信号をラッチする場合にも、サンプルクロック０〜Ｎの立下がりタイミングで順にラッチしてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、多数のカウンタが不要で、取得データのデジタル化やＣＰＵなどによる複雑な処理も不要で、低電力で、高精度の距離測定を可能にする距離測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる距離測定装置の一実施の形態を示す全体構成図である。
【図２】図１の距離測定装置のレーザ送受信タイミングと測距対象区間の説明図である。
【図３】図１の距離測定装置のストップ信号のラッチタイミングとエンコーダ出力タイミングの説明図である。
【図４】本発明にかかる距離測定装置の一実施例を示す全体構成図である。
【図５】図４の距離測定装置のストップ信号のラッチタイミングとエンコーダ出力タイミングの説明図である。
【符号の説明】
０測距対象物
１クロック発生器
２ディレイライン（１〜Ｎ）
３パルス発生部
４レーザ光発生部
５送光光学系
６受光光学系
７検知器
８フリップフロップ回路（ＦＦ０〜Ｎ−１，２）
９ＯＲゲート
１０フリップフロップ（ＦＦ）
１１２ ^N→Ｎエンコーダ
１２下位レジスタ
１３測距カウンタ
１４上位レジスタ
３０測距対象物
３１クロック発生器
３２ディレイライン（１〜７）
３３パルス発生部
３４レーザ光発生部
３５送光光学系
３６受光光学系
３７検知器
３８フリップフロップ回路（ＦＦ０〜７−１，２）
３９ＯＲゲート
４０フリップフロップ（ＦＦ）
４１２ ³→３エンコーダ
４２下位レジスタ
４３測距カウンタ
４４上位レジスタ

Claims

測定対象物に対して測定信号を発信する測定信号発信手段と、
該測定対象物で反射された、前記測定信号発信手段から発せられた測定信号を受信する測定信号受信手段と、
前記測定信号発信手段による測定信号の発信から前記測定信号受信手段による前記測定信号の受信までに要する時間に基づいて、前記測定対象物までの距離を算出する距離算出手段とを備え、
該距離算出手段は、
クロック信号を発生させるクロック信号発生手段と、
該クロック信号発生手段によって発生したクロック信号に複数の異なる遅延時間を持たせた信号を発生させる複数のクロック信号遅延手段と、
スタート信号が与えられてからストップ信号を与えられるまでの、前記クロック信号発生手段によって発生したクロック信号のクロック数をカウントして出力するカウンタ手段と、
前記測定信号発信手段が測定対象物に対して測定信号を発信した時に前記カウンタ手段に前記スタート信号を発信するスタート信号発信手段と、
前記測定信号受信手段が前記測定対象物から反射された測定信号を受信した時に前記カウンタ手段に前記ストップ信号を発信するストップ信号発信手段と、
前記クロック信号発生手段によって発生したクロック信号、及び前記クロック信号遅延手段によって発生した複数のクロック信号に応じて、前記ストップ信号をラッチする複数の第１のフリップフロップと、
該複数の第１のフリップフロップの出力の論理和を取得し、該第１のフリップフロップのいずれかが前記ストップ信号をラッチした時にラッチ信号を出力するＯＲ回路と、
該ＯＲ回路から出力されるラッチ信号に応じて、前記複数の第１のフリップフロップの出力をラッチし、該複数の第１のフリップフロップの出力のうち、前記ストップ信号が発せられた以後に最も早くレベルが変化した出力を特定する第２のフリップフロップとを備え、
前記カウンタ手段によるカウント値と、前記第２のフリップフロップによって特定した出力と、前記クロック信号発生手段で発生したクロック信号の遅延時間とに基づいて前記測定対象物までの距離を算出することを特徴とする距離測定装置。