JP4279168B2

JP4279168B2 - レンジセンサの距離演算方法

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Publication number: JP4279168B2
Application number: JP2004028378A
Authority: JP
Inventors: 利宏森; 浩彦川田
Original assignee: Hokuyo Automatic Co Ltd
Current assignee: Hokuyo Automatic Co Ltd
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2024-02-04
Also published as: JP2005221335A

Description

本発明は、レーザ光やＬＥＤ光などの光と、この光を回転ミラーでスキャニングして反射物より帰ってくる反射光との位相差から反射物までの距離を演算するＡＭ変調方式のレンジセンサの距離演算方法に関する。

工場等の床上を無軌道に走行する無人搬送車（ＡＧＶ）や回転式掃除ロボットなどに搭載されるスキャナ型レンジセンサ（距離計測センサ）の光波距離計測法は、光を反射物に向けて投射してから帰ってくるまでの遅延時間を計測して反射物までの距離を求めるＴＯＦ方式（例えば、特許文献１参照）と、反射物に投射した光と反射物からの反射光との位相差から反射物までの距離を演算するＡＭ変調方式（例えば、特許文献２参照）が一般的である。ＡＭ変調方式のレンジセンサの基本構造例と計測法を、図４及び図５に基づき説明する。

図４のレンジセンサ１１は、投光光学系１と受光光学系２をモータ３で高速回転させて投光光学系１からレーザ光やＬＥＤ光の光Ａ１を図示しない回転ミラーを使って水平方向に３６０度スキャニングし、周辺の二次元エリアにある反射物１０からの反射光Ａ２を受光光学系２で受光して受光回路４に出力し、距離演算回路５で演算して距離Ｌを算出する。投光光学系１の投光回路６で光Ａ１を所定の周波数で変調し、この光Ａ１と反射光Ａ２の位相との差から距離Ｌを算出する。特定の周波数（通常、４０ＭＨｚ以上）で変調された光が反射物１０に当たって反射して帰ってきた場合、図５に示すように光の速度と距離により位相差φを持つ。この位相差φの値は光の速度と距離Ｌに依存するため、位相差φを検出することで距離Ｌが演算される。周波数変調された光Ａ１を回転ミラーにより水平方向に３６０度スキャニングすることにより二次元エリアの距離演算ができる。また、光Ａ１を３６０度スキャニングしつつ上下方向角度を連続的に増減させることにより、三次元エリアの距離演算も可能である。

このようなＡＭ変調方式のレンジセンサは、変調周波数の１波長の距離を誤って０ｍと判断することがある。例えば、５０ＭＨｚの周波数で変調を加えた場合、光の１波長は約３ｍであり、レンジセンサが距離演算する検出エリアの最大検出距離が１．５ｍとすると、このレンジセンサでは動作の安定性を保証するために検出距離１．５ｍの２倍の３ｍにある反射物の距離も演算できるように光量余裕度を持たせている。しかし、このレンジセンサの場合、３ｍ近傍にステンレス板などの高反射率のものがあると、反射光のレベルが高いために高レベルの反射光を受光して０ｍと距離演算し、３ｍ近傍の反射物が極近くにあると判断することがある。このような誤動作を防ぐため、光を複数の周波数で変調して、各周波数の光で演算された距離が一致したときのみ距離演算値が適正であると判断することが行われている。

変調周波数の種類が多いほど誤動作する確率が下がるが、その反面、複数の周波数での距離演算値の一致を取る必要があって演算時間が長くなり、応答速度が遅くなる。クレーンの位置決めやシートの巻取り厚を測定するレーザー距離計のように光をスキャニングしない場合は応答速度に余裕があり、３種類以上の周波数で光を変調して距離演算しても問題とならないが、スキャナ型のレンジセンサでは１スキャン毎に周波数を変えるため、スキャン単位で応答速度が遅くなる。特に、ロボットなどの床上を移動する可動機器に使用されるレンジセンサにおいては、計測する度に各周波数での距離演算値が変わり、結果として精度が悪くなることから、変調周波数は２種類までが限度である。

２種類の周波数で変調するスキャン型レンジセンサは、例えば図６に示すように所定の半径の検出エリアＥ１とその約２倍の半径の検出可能エリアＥ２を持ち、２種類の周波数で変調した光を３６０度スキャニングする。１スキャン時での１ステップ角θは、例えば０．５°、１スキャン時間は２５ｍｓであり、１ステップ毎に光Ａ１が発光されて投射され、１ステップ毎に距離演算が行われる。この場合、１スキャン毎に周波数を変え、連続する２スキャン時の同じステップでの演算距離が一致したと判断されるときに平均値の距離演算値データを出力する。そのため、一致演算のための１回目と２回目の計２回のスキャンと、反射物とスキャンのタイミングずれ分の１スキャンを加えて、１ステップで計測に要する応答時間は３スキャンであり、１スキャン時間２５ｍｓの２Ｄレンジセンサの応答時間は７５ｍｓである。
特開平０９−２２９６３７号公報特開平０６−２３０１１１号公報

［０００２］段に記載したＴＯＦ方式の距離計は、ＡＭ変調方式のような距離を間違うことはないが、ＡＭ変調方式と同じような１０ｍｍ程度の距離精度を実現するには３．３ｐｓの時間分解能を有する計算をしなければならない。この場合、フォトダイオードや増幅器の周波数帯域が数ＧＨｚ以上必要で、非常に高価な部品を使わなくてはならず、しかも、設計が非常に困難となる。その点、２種類の周波数で光を変調するＡＭ変調方式のレンジセンサは高価な部品を使用しなくて済み実用的であるが、次の現実的な問題がある。

例えば、５０ＭＨｚと４３ＭＨｚの２種類の周波数で光を変調する場合、両周波数で変調された両光の波長の整数倍で、両光の波長がほぼ一致する最小公倍数のところで両光による距離演算値の差が小さくなり、誤動作することがある。図７に示すように、４３ＭＨｚで変調した光の６波長分と５０ＭＨｚで変調した光の７波長分が、両光の波長の最小公倍数のところとなり、ここでの波長分の差αは１ＭＨ位相差で約７度となる。また、最小公倍数のところまでの距離は約２１ｍである。検出エリアの最大距離が１．５ｍのレンジセンサにあっては、２１ｍの距離は反射光の帰ってこない検出エリア外の遠距離なのが通常であるが、２１ｍ近傍の距離に回帰反射板やステンレス板などの高反射率の反射物がある場合、反射光が高レベルとなって帰ってくる。このような距離２１ｍ近傍の反射物が平面の場合、２周波数の位相差約７度の差は検出可能であるが、例えば図８に示すように、ステンレス板などの反射率のよい反射物１０ａで反射した直接反射光Ｋａと、同じく反射率のよい壁などの反射物１０ｂで反射した間接反射光Ｋｂの合成波が帰ってくると、２周波数の位相差演算が大きく狂うことがある。この場合、２１ｍ先の反射物が０ｍ近傍にあると判断し、距離を誤認識することになる。

上述のような２周波数に伴う誤動作発生を抑制する手段として、２周波数の差を１０倍以上と極端に大きく設定することが考えられる。このようにすれば誤動作する距離が実用上に問題ない距離まで延びる。しかし、１０倍以上の周波数差の信号を増幅する広帯域のアンプ設計が困難になり、特に周波数帯域が広くなるほどノイズ成分が増え、感度を高く設定することが困難になり、有効な検出距離が短くなると共に検出精度が悪くなる。

本発明の目的とするところは、２種類の周波数で変調して検出エリア内の反射物までの距離演算を行う際の検出エリア外の高反射率反射物からの光による誤動作発生を低減させて、信頼度を向上させたＡＭ変調方式のレンジセンサを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、周波数変調した光を１ステップ毎発光してスキャニングし、被投射体からの反射光との位相差から被投射体までの距離を計測するレンジセンサにおいて、光を１スキャン毎に、又は、１ステップ毎に異なる２種類の周波数で交互に変調すると共に、１ステップの光の発光時間帯の中に一時的に発光を停止させる発光停止時間帯を設け、この発光停止時間帯以外の発光時間帯の光信号のみで１ステップでの距離演算を行い、同じ１ステップでの発光停止時間帯と反射光の発光停止時間帯の時間ずれから反射光の応答遅れを光の何波長分であるかで検出し、この検出信号の応答遅れが距離演算を間違う可能性がないと予め設定された距離での所定の最大応答遅れ以下であるかの判断に基づいて同じ１ステップで算出した距離演算値が適正範囲にあるかを、１スキャン毎に異なる２種類の各変調周波数で判断することを特徴とする。

ここで、レンジセンサは２種類の周波数で変調した光を距離演算に使用したスキャン型のＡＭ変調方式レンジセンサで、１スキャン毎に２種類の変調周波数を交互に変える、或いは、１スキャン内の１ステップ毎に２種類の変調周波数を交互に変える。前者の場合は、１スキャン時における全ステップの１ステップ毎に同じ１種類の周波数で変調された光が発光され、反射光との位相差から距離演算が行われて、次に１スキャンに移行する際に変調周波数が別の１種類に変えられる。後者の場合は、１スキャン時における１ステップ毎に２種類の変調周波数が交互に変えられ、それぞれの１ステップ毎に周波数変調された光が発光され、反射光との位相差から距離演算が行われる。いずれにおいても、１ステップで発光して投射される光の発光を所定の時間帯で一時停止させ、この投射光における発光停止の時間帯と反射物から帰ってきた反射光における発光停止の時間帯の時間ずれで、光信号の応答遅れを検出し、光信号応答遅れが光の何波長分であるかを算出する。このような１ステップでの発光停止の時間帯設定は、１ステップの最初に設けるか、最後又は中間に設けるなど任意である。また、発光停止時間は光振動の立上がりと立下りを考慮して、変調光の５波長程度の時間が適当である。

例えば、光の１／２波長に相当する最大距離の検出エリアと１波長に相当する検出可能エリアを有するレンジセンサにおいては、１ステップ時の光信号応答遅れ（時間）が光の１波長より小さければ、反射物が検出エリアか検出エリアの２倍の検出可能エリアに存在して、このときの１ステップの距離演算値が適正な範囲にあると判断できる。また、光信号応答遅れ光の１波長より大きければ、反射物が検出可能エリアのさらに外にあって、そのときの１ステップの距離演算値が間違う可能性の高い不適正なものと判断できる。このように適正・不適正を判断することで、検出可能エリア外の高反射率の反射物からの反射光で距離演算を誤ることがなくなり、レンジセンサの信頼性と性能を向上させることができる。

本発明においては、２種類の周波数で変調された光による同じ距離演算方向での１ステップ時の距離演算値の差が所定の基準値以下で、それぞれの光信号の応答遅れが距離演算を間違う可能性がないと予め設定された距離での所定の最大応答遅れ以下のときのみ、距離演算値が適正範囲にあると判断して出力することができる。

ここで、１ステップ時の距離演算値の差が所定の基準値以下の基準値とは、２種類の周波数で変調された光による１ステップ時の距離演算値が一致、又は、ほぼ一致して適正範囲にあると判断できる閾値である。また、距離演算を間違う可能性がないと予め設定された距離とは、検出可能エリアの距離に相当し、検出可能エリアの最大距離が光の１波長に相当するとした場合に、光信号の応答遅れが光の１波長に相当する最大応答遅れ以下のときに、反射物が検出可能エリア内にあって演算距離を間違う可能性がなくて、距離演算値が適正範囲にあると判断する。このように距離演算値の差の基準値と光信号応答遅れの検出信号に基づいて距離演算値の適正を判断することで、誤判断が無くなり、尚一層に信頼性が良くなる。

また、本発明は、２種類の周波数で変調された光による同じ距離演算方向での１ステップ時の距離演算値の差が所定の基準値より大きく、及び、それぞれの光信号の応答遅れが距離演算を間違う可能性がないと予め設定された距離での所定の最大応答遅れより大きくなるときに、レンジセンサ検出エリアの最大距離を出力することができる。

この２種類の光による１ステップ時の距離演算値の差が基準値より大きくなるのは検出可能エリア外の距離演算のときであり、光信号応答遅れが所定の最大応答遅れより大きくなるのも検出可能エリア外の距離演算のときで、いずれも距離演算を間違い易いときであり、ここでは一義的に検出エリアの最大距離を出力する。このようにすることで、間違った距離演算値を出力することが無くなり、さらに信頼性が良くなる。

また、本発明の場合、１ステップ時の発光停止時間帯では距離演算動作をせず、この発光停止時間帯で検出される光信号を距離演算と応答遅れ時間の演算を誤らせる干渉光と認識して処理することができる。

１ステップ時の距離演算は当然ながら発光の時間帯で行われ、発光停止時間帯では積極的に距離演算動作をしないようにする。このようにすることで、１ステップの発光停止時間帯に外来光が干渉光として入射し、この干渉光が距離演算に使用する光と似た周波数である場合に、干渉光で距離演算をする誤動作が回避できる。また、発光停止時間帯の光信号を干渉光と認識して処理することで、干渉光で光信号応答遅れの演算を間違う虞が無くなり、さらに、干渉光と認識することで干渉光に伴うトラブル発生を低減させる処理が可能となる。

本発明によれば、レンジセンサの検出エリアの約２倍の検出可能エリアの外の近傍又は遠方に高反射率の反射物が存在して、この反射物から反射光が高い光レベルで帰ってきても、反射光の応答遅れの演算値に基づき反射物までの距離演算値が適正でないと判断することで、誤った距離演算値を出力する誤動作が回避できて、高価な回路部品を使用することなくレンジセンサの信頼性を上げ、高性能化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図３を参照して説明する。

図１及び図２は、光を２種類の周波数で１スキャン毎に交互に変調して３６０度スキャニングするＡＭ変調方式のレンジセンサを説明するもので、図１は光の投光波形と受光波形を示し、図２は１スキャン毎に光を２種類の周波数で交互に変調していることを示している。

図１の投光波形は投射光Ａ１であり、受光波形は投射光Ａ１が反射物で反射して帰ってきた反射光Ａ２である。投射光Ａ１が３６０度スキャニングする１スキャンの間に７２０ステップあり、１ステップ毎に変調光が発光して投射される。１スキャン毎に交互に変わる変調周波数は、例えば５０ＭＨｚと４３ＭＨｚであり、１スキャン時の回転ミラーの回転速度は２４００ｒｐｍ、１スキャン時間は２５ｍｓ、１ステップの距離演算時間の最大は３４．７μｓである。

ここで、本発明においては、１ステップの光の発光（発振）時間帯の中に一時的に発光停止させる発光停止時間帯Ｔを設ける。発光停止時間帯Ｔは、１ステップの距離演算に影響を与えない所定の短時間にしてある。例えば、変調周波数が５０ＭＨｚの場合、変調光の波長は２０ｎｓ、１演算ステップに使用される信号数は１７３５個（波長）であり、この場合に５波長分の時間帯で発光停止時間帯Ｔを設定し、発光停止時間帯以外の発光時間帯の１７３５−５＝１７３０個の光信号のみで１ステップでの距離演算を行う。この距離演算は計測点数が多いほど距離精度がよく、１７３０個の計測点数は良好な距離精度を得るに十分である。また、変調周波数が４３ＭＨｚの場合、変調光の波長は２３．３ｎｓ、１演算ステップの信号数は１４８５個（波長）であり、この場合も５波長分の時間帯で発光停止時間帯Ｔを設定し、発光停止時間帯以外の発光時間帯の１４８５−５＝１４８０個の光信号のみで１ステップの距離演算を行う。この場合の１４８０個の計測点数も、良好な距離精度を得るに十分である。

なお、発光停止時間帯Ｔは、変調光の１波長分に設定することが理論上に考えられる。しかし、反射光を受光して演算する受光回路の周波数特性にもよるが、１波長の発光停止（消灯）では波形が無いのか振動波形なのかの判断がつかず、特に光信号のレベルが低いときの区別が困難となることから、発光停止時間帯Ｔは５波長程度が実際的である。５波長の発光停止時間帯Ｔは、変調周波数が５０ＭＨｚの場合で約１００ｎｓであり、１ステップの演算応答時間３４．７μｓに比べて無視できる範囲であり、距離演算精度に影響を及ぼさない。このことは変調周波数が４３ＭＨｚにおいても同様である。

また、１スキャン時の発光停止時間帯以外で行う距離演算は、投射光Ａ１と反射光Ａ２の位相差を求める計測法で行う。この計測法は、ミキサ（掛け算器）を使って位相差信号をＤＣレベルに変換して求める方法と、光信号を直接ＡＤ変換し、デジタルの数値解析演算（フーリエ級数演算）で求める方法が有効である。

本発明の場合、１ステップ毎に上記距離演算を行うと共に、図１の投光波形の投射光Ａ１が発光（自発光）停止してから、反射光Ａ２の受光波形が消えるまでの時間ｔ、又は、自発光開始から受光波形検出までの時間ｔを計測して、この時間ｔが光信号の何波長遅れに相当するかを検出する。この光信号応答遅れ（時間ｔ）は、反射物までの距離に比例することから、この応答遅れが何波長あるかを求めることで、反射物がレンジセンサの検出エリア、検出可能エリアに存在するかどうかが判断でき、検出可能エリア外の距離演算を間違い易いエリアでの距離演算値であるかどうかが判断できる。このような判断を加えた本発明方法による距離演算動作を、次に説明する。

１スキャンの１ステップ毎に距離演算をして距離演算値を記憶する。この記憶させた距離演算値と、２スキャン目の同じステップにおける距離演算値とを比較し、両距離演算値の差が所定の基準値（両値が一致、ほぼ一致すると判断できる閾値）以下の場合に、両距離演算値の平均値を距離演算値として出力する。３スキャン目も同様に２スキャン目の距離演算値と比較して距離を求める。この演算方法による応答遅れは２スキャン分の５０ｍｓ、出力応答は２５ｍｓである。

変調周波数が５０ＭＨｚと４３ＭＨｚの場合、変調光の波長は５０ＭＨｚで２．９６ｍ、４３ＭＨｚで３．４４ｍになる。ここで、レンジセンサの検出エリアの距離が１．５ｍの場合は、検出エリアの２倍の３ｍの検出可能エリア内では両周波数による距離演算値の差が基準値以下であり、検出可能エリア外では両周波数による距離演算値の差が基準値を超えて大きくなる。また、両周波数の波長の整数倍の距離に高反射率の反射物があると、両周波数による距離演算値の差が基準値より小さくなることがある。

各ステップで距離演算をし、光信号の応答遅れを検出して、光信号の応答遅れが変調光の１波長に相当する最大応答遅れ以下であれば、反射物が検出エリアか検出可能エリアのいずれかあって演算距離を間違う可能性がなく、距離演算値が適正範囲にあると判断する。このような判断が１スキャン毎に５０ＭＨｚと４３ＭＨｚの各変調周波数で行われる。その結果、距離演算を間違う可能性のある検出エリア外での距離演算値の算出と出力を回避することができ、このように回避することで検出エリア外の高反射率の反射物や、両周波数の波長の整数倍の距離にある高反射率の反射物を０ｍと誤判断することが無くなり、距離演算の信頼性が良くなる。

また、各変調周波数による各ステップでの光信号応答遅れが、各変調周波数の波長の１波長より大きい場合は、高反射率の反射物が検出可能エリア外にあって距離演算を間違う可能性が高いと判断し、このときは検出エリアの最大距離を各ステップでの最終距離演算値（１．５ｍ）として出力する。このようにしても間違いとはならず、また、距離演算をしない点を作らないこととなり、３６０度全方向の距離演算を実現する。

また、各変調周波数による各ステップの発光停止時間帯Ｔでは、当然ながら距離演算できる光信号が無くて距離演算動作ができないが、始めから発光停止時間帯Ｔでは距離演算動作をしないようにソフトを組む。このようにすることで、１ステップの発光停止時間帯Ｔに他のレンジセンサなどからの外来光が入射し、この外来光が距離演算に使用する変調光と似た周波数で相互に干渉を起す干渉光である場合に、干渉光で距離演算をする誤動作が回避できる。かつ、発光停止時間帯Ｔに入射する光信号を干渉光としてソフト的に認識することで、光信号応答遅れの演算が容易となり、この演算を間違う虞が無くなる。

以上の実施形態は、２種類の変調周波数を１スキャン毎に交互に切換えるレンジセンサである。図３は、２種類の変調周波数を１ステップ毎に交互に切換えるレンジセンサを説明するものである。このレンジセンサの場合、１ステップで５０ＭＨｚで変調すると、次の１ステップのときは４３ＭＨｚで変調し、このような５０ＭＨｚと４３ＭＨｚの変調を交互に繰り返すようにしている。そして、全ての各ステップで図１の場合と同様に発光停止時間帯Ｔを設けて距離演算動作をさせる。

このような１ステップ毎に２種類の変調周波数を交互に切換えるレンジセンサは、１スキャン毎に切換えるレンジセンサに比べて応答性が格段に速くなり、瞬時の適正な距離演算能力に優れることから、レンジセンサ全体が高速回転して移動する用途に有効である。

本発明方法を説明するための投射光の投光波形と反射光の受光波形の波形図である。第１の実施の形態を説明するための距離演算動作パターン図である。第２の実施の形態を説明するための投射光スキャン図である。一般的なレンジセンサの要部のブロック図である。ＡＭ変調方式レンジセンサの距離演算法を説明するための波形図である。レンジセンサの検出エリアＥ１と検出可能エリアＥ２を示す平面図である。２種類の周波数で変調した変調光の波形図である。レンジセンサが距離演算を間違い易い状況を説明するための概略的な図である。

符号の説明

１投光回路
２投光光学系
３受光光学系
４受光回路
５距離演算回路
１０反射物
Ａ１投射光
Ａ２反射光
Ｔ発光停止時間
ｔ光の応答遅れ（時間）

Claims

周波数変調した光を１ステップ毎発光してスキャニングし、被投射体からの反射光との位相差から被投射体までの距離を計測するレンジセンサにおいて、
光を１スキャン毎に、又は、１ステップ毎に異なる２種類の周波数で交互に変調すると共に、１ステップの光の発光時間帯の中に一時的に発光を停止させる発光停止時間帯を設け、この発光停止時間帯以外の発光時間帯の光信号のみで１ステップでの距離演算を行い、同じ１ステップでの発光停止時間帯と反射光の発光停止時間帯の時間ずれから反射光の応答遅れを光の何波長分であるかで検出し、この検出信号の応答遅れが距離演算を間違う可能性がないと予め設定された距離での所定の最大応答遅れ以下であるかの判断に基づいて同じ１ステップで算出した距離演算値が適正範囲にあるかを、１スキャン毎に異なる２種類の各変調周波数で判断することを特徴とするレンジセンサの距離演算方法。
２種類の周波数で変調された光による同じ距離演算方向での１ステップ時の距離演算値の差が所定の基準値以下で、それぞれの光信号の応答遅れが距離演算を間違う可能性がないと予め設定された距離での所定の最大応答遅れ以下のときのみ、距離演算値が適正範囲にあると判断して出力することを特徴とする請求項１記載のレンジセンサの距離演算方法。
２種類の周波数で変調された光による同じ距離演算方向での１ステップ時の距離演算値の差が所定の基準値より大きく、及び、それぞれの光信号の応答遅れが距離演算を間違う可能性がないと予め設定された距離での所定の最大応答遅れより大きくなるときに、レンジセンサ検出エリアの最大距離を出力することを特徴とする請求項１又は２記載のレンジセンサの距離演算方法。
１ステップ時の発光停止時間帯では距離演算動作をせず、この発光停止時間帯で検出される光信号を距離演算と光信号応答遅れの演算を誤らせる干渉光と認識して処理することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１記載のレンジセンサの距離演算方法。