JP5596011B2 - 光電センサ並びに物体検出及び距離測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の光電センサ、特にレーザスキャナ、並びに及び請求項１５のプレアンブルに記載の物体検出及び距離測定方法に関する。

測定装置から水平方向に大きく広がる角度領域が必要になるような距離測定には、光電方式の装置、特にレーザスキャナが好適である。レーザスキャナの一例として、光源から発射されたレーザ光線の方向を偏向ユニットによって変化させることにより監視領域を周期的に走査するものがある。該監視領域に物体が存在すれば、前記光線はその物体の表面で拡散反射され、スキャナにおいて分析される。偏向ユニットの角度設定から物体の角度位置が推定され、更に光線の所要時間と光の速度に基づいてレーザスキャナから物体までの距離が推定される。

この角度と距離を用いて監視領域における物体の位置が２次元極座標で検出される。これにより、物体の位置や輪郭を確定することができる。また、例えば偏向ユニットにレーザスキャナ内における更に別の移動の自由度を与えたり、レーザスキャナに対して物体を移動させたりするなど、横方向の相対移動を加えることにより、第３の空間座標も検出できる。従って、３次元的な輪郭の測定も可能である。

レーザスキャナは、以上のような測定の分野だけでなく、危険の発生源（例えば危険な機械）を監視するための安全技術の分野でも用いられる。このような安全装置用レーザスキャナの例が特許文献１に開示されている。この装置では、機械の運転中に操作担当者が侵入してはならない防護領域が監視される。このレーザスキャナは、例えば操作担当者の足など、何かが許可なく防護領域へ侵入したことを認識すると、機械を緊急停止させる。それ以外のもの（例えば機械の固定部分）の防護領域への侵入は許可すべきものとして事前に学習させておくことができる。防護領域の手前に警告領域を設けることも多い。この場合、警告領域に何物かが侵入すると、まず警報が発せられる。こうして防護領域への侵入及びそれに起因する防護動作を早めに防止することで、機械設備の可用性を高めることが狙いである。安全装置用レーザスキャナの動作方式は通例、パルス方式である。

安全技術の分野で利用されるセンサは、特に信頼性の高い動作が要求されるため、例えば欧州規格ＥＮ１３８４９（機械の安全に関する規格）やＥＮ６１４９６（非接触動作型防護装置（beruehrungslos wirkende Schutzeinrichtungen; ＢＷＳ）に関する装置規格）に規定された高度の安全要件を満たさなければならない。これらの安全規格に装置を適合させるため、様々な対策が講じられる。例えば、冗長且つ異なる種類の電子装置による確実な電子的判定、機能の監視（特に前面ガラス等の光学部品の汚染状態の監視）、並びに／若しくは、規定の反射率を有し、それぞれ異なる走査角度において認識されるべき個々のテスト用標的の設置などである。

従来のレーザスキャナにおいて光の通過時間を算出する基本原理として、位相に基づく方法（以下、位相方式）とパルスに基づく方法（以下、パルス方式）という２つの方法が知られている。位相方式では、連続的な発射光が変調され、その発射光に対する受信光の位相のずれが評価される。パルス方式（又はパルス所要時間法）では、発光器が相対的に高いパルスエネルギーを持つ個別パルスを発射し、レーザスキャナが個別光パルスの発射から受信までの所要時間に基づいて物体の距離を測定する。

パルス所要時間法の欠点は、測定の射程距離を十分に大きくするために、大きな発光出力と非常に感度の高い受光器が必要になるのが通例だということである。その際、特に受光器の側では、例えば高電圧発生器を含むアバランシェフォトダイオードを用いるために広い設置領域が必要となり、費用も高くなる。一方、連続ビームレーザ（又は連続波レーザ）を変調させる位相方式には、通例数メートル程度の狭い範囲でしか測定の一意性が確保できないという欠点がある。同時に、この方法では発光器の光学的な出力性能が低いのが普通であるため、特に外部からの影響が加わった場合にＳ／Ｎ比が低下する。この方法は外部光に弱く、ダイナミックレンジが非常に狭い。

１次元的な距離測定装置については、複数の個別測定値を平均して光の通過時間を求めることが知られている。このような方法の一例が特許文献２に記載されている。該文献では、結びでスキャナへの応用の可能性に言及されており、回転を遅くする（つまり走査周波数を低くする）ことにより平均化の深さを大きくことができるという関係が示唆されている。しかし、その記述は総括的なコメントに留まり、どのようにして個々の測定値から角度位置毎の距離を求めるか等、具体的な知識を同文献から得ることはできない。

１次元距離測定装置のための非常に効率的で正確な平均化の方法が特許文献３に提案されている。この方法では、多数の個別測定値がアナログ式の前処理により両極性信号に変換された後、二値化され、ヒストグラムにまとめられる。そして、このヒストグラムから光の通過時間が求められる。特許文献４〜６の発明はこの方法を発展させたものであり、スキャナ装置に応用可能であるとされているが、具体的な実施形態に関する説明はない。

DE 43 40 756 A1 EP 1 522 870 A1 DE 10 2007 013 714 A1 EP 2 189 805 EP 2 189 804 EP 2 189 814

従って、本発明の課題は、複数のパルスを発射する度に統計分析を行い、その結果に基づいて測定を行うという方法を、ノイズに強い角度分解的な距離測定に応用することである。

この課題は、請求項１に記載の光電センサ及び請求項１５に記載の物体検出及び距離測定方法により解決される。本発明は、先に従来技術として説明した公知の平均化処理を前提としている。この処理は「複数パルス法」と呼ばれ、単一パルスの所要時間を用いる方法及び位相に基づく方法と並ぶ第三の光通過時間測定方法のカテゴリを成す。そして、本発明の基礎を成す技術思想は、共通のヒストグラムを作るための複数のパルスを適切にまとめることで、所望の角度分解能で略連続的に走査を実行できるようにすることにある。このように複数の個別パルスを所定の検出角度に割り当てることにより、意図的な又は妨害因子による偏向ユニットの回転数の変化に強い測定を行うことができる。

本発明には、水平方向に広い視野（角度範囲）を持ちながらも、非常に安価且つ小型であり、しかもノイズの多い環境において特に高い測定精度を有するセンサが得られるという利点がある。本発明で用いられている複数パルス法は、一意の測定が可能な範囲が従来よりも明らかに広く、また妨害因子にも明らかに強い。なぜなら、個々の測定値のＳ／Ｎ比が非常に低い場合でも、統計分析によって正確な測定値を得ることが可能だからである。更に、複数パルス法をスキャナ装置に応用すれば、単純な入射光記録装置では問題にならないような有利な効果がいくつも得られる。なぜなら、公知のパルス所要時間法と違って、本発明の方法は角度範囲全体を略連続的に、つまりほとんど欠落無しで走査できるため、様々な利用形態に適合させることが可能だからである。これにより特殊な測定の要求を満たすことが可能となる。あるいは、例えば無人輸送システムや運転補助装置において回転数の変動を伴うような振動が起きた場合に発生するノイズのような、特殊なノイズに反応する装置の開発も可能である。

本発明において、角度測定ユニットは、所定の角度分解能で角度位置信号を出力することが好ましい。前記角度分解能は、角度単位形成体に設けられた等間隔で均一に増加する符号とそのまま一致するものでもよいし、あるいは、そうして実際に測定された角度位置から、内挿又は外挿によって、均一な角度分解能や、検出方向に応じて変わる角度分解能を更に求めてもよい。

最も簡単な場合、角度測定ユニットにおいて物理的に決定される角度位置信号、あるいはその信号から計算で求められる角度位置信号は、１つのグループを形成する所望の数の受信パルスの開始位置を示す一種の角度トリガとして利用することができる。あるいは、例えば前記角度位置信号が受信パルスのグループの末尾又はその他の位置に来るように、事後的にパルスのグループ分けを行ってもよい。

本発明において、解析ユニットは、１つの角度位置信号が検出される度に所定数の受信パルスを選択して１つのグループにするように構成されることが好ましい。その１つの実施形態においては、前記所定数をすべての角度位置信号に対して同一の値とすることにより、どの検出角度においても１本のヒストグラムが同じ回数分の測定値から成るようにする。ここで、１つのグループに含まれる受信パルスが連続的に並んでいる必要はない。例えば、一連の受信パルスを２つの別のグループに交互に割り振ることも可能である。この方法は、個別光パルスを高い出力レベルと低い出力レベルで交互に出射する場合に利用できる。これにより、反射率の低い目標物に対しては高い出力レベルでの走査で得られる測定値を取得する一方、反射率の高い目標物（例えば反射鏡）に対しては低い出力レベルでの走査で得られる測定値を取得し、飽和又は過負荷を回避するのである。２つの個別光パルスの時間間隔は一定であること、つまり発光器は一定の反復周波数で動作することが好ましい。あるいは、時間軸上でスキャン動作のむらを平坦化するとともに、離散的なパターンによる人為的な影響を避けるために、個別光パルスにそれぞれ時間的なオフセットを与え、単にそれらの平均値だけが一定の反復周波数に一致するようにしてもよい。

各グループの最後の受信パルスと次の角度位置信号との間に時間バッファを挿入できるように、個別光パルスの数及び２つの個別光パルスの間の時間間隔を十分に小さくすることが好ましい。この方法では、２つの角度位置信号の間の時間を最大限に利用した場合に可能な数よりも少ない数の受信パルスしか分析に供されなくなる。これにより、回転の変動が緩和され、次の角度位置信号が到来するまでに受信パルスのグループが完全に揃うことが保証される。この方法では、１つの角度位置信号に対して解析に必要な数の個別光パルスだけを発生させることが好ましい。この場合、時間バッファの間にはパルスの出射が中断されることになる。あるいは、個別光パルスを連続的に出射しつつ、前記時間バッファの間はパルスを解析対象から外してもよい。

時間バッファを用いる代わりに、新たな角度位置信号の検出の度に現在のグループを終了し、新たなグループを開始するようにしてもよい。この方法では、時々、特に回転速度が変化した場合に、各グループに含まれる受信信号の数が互いに違ってくる。そうなると統計的な深さに差が生じ、その結果、検出角度とともに射程距離が変動することになる。

解析ユニットは、所定数の受信パルスが検出された時間範囲内に別の角度位置信号が存在するかどうかを検査し、該別の角度位置信号が存在する場合には、該当グループのヒストグラムに基づいて決められる物体の距離に関する測定値を、より多数の受信パルスが属する角度位置信号、特に該当グループの各受信パルスまでの時間間隔の合計が最小になるような角度位置信号に割り当てるように構成されることが好ましい。この方法は時間バッファを必要としないため、偏向ユニットの１回転毎に取得できる最大数の個別測定値を含む最大量の測定情報が得られる。なお、前記別の角度位置信号は本来、次の測定値に対応する新たなグループの検出の開始を要求する信号である場合があるが、仮に前記所定数の受信パルスの間にこのような信号が挟まっていても、該所定数の受信パルスを１つのグループに集める。これは、検出角度の変化に応じて射程距離が変動することを回避するためである。その後、該当グループの場所を最も良く表す角度位置信号に測定値を割り当てる。なお、回転速度が予想通りである場合には、２つの角度位置信号の時間間隔及び前記所定数を特に互いに合わせて調整することで、前述のような事後的な割り当てを不要にすることが好ましい。あるいは、前記所定数の信号パルスの収集を繰り返し遅延させることにより、新たな測定値がちょうど次の次の角度位置信号に割り当てられるようにすることも可能である。このとき、意図的に飛ばされた角度位置信号については、内挿により測定値を求めることができる。

解析ユニットは少なくとも２つの解析チャネルを備え、各解析チャネルにおいてそれぞれ受信パルスを独自のヒストグラムに集計し、各ヒストグラムに基づいてセンサから物体までの光の通過時間をそれぞれ求め、その時間から物体の距離についての測定値を確定することが好ましい。異なる解析チャネルに対して、受信パルス、グループ及び角度位置信号の間に割り当て規則が特にない場合、上記の構成はハードウエアの故障を見つけ出すための冗長な測定を可能にする。これは特に安全技術の分野で有意義である。同時に、解析チャネル毎にグループ化の方法を異ならせるという選択肢もある。これはまず、冗長且つ異なる種類の解析を行う上で役立つ。つまり、同じ解析対象に異なる測定方法を用いることで、単純な冗長性を持つシステムよりも頑強なシステムが得られる。それから、上記の方法によれば、回転速度の変化の問題が解決できるとともに、追加的な測定情報も得られる。別の実施形態では、出力レベルの低い個別光パルスが一方の解析チャネルで解析され、それと交互に出射される、出力レベルの高い個別光パルスが他方の解析チャネルで解析される。

前記少なくとも２つの解析チャネルは部分的に重複して解析を行うように構成され、その解析において、各解析チャネルが交替で、１つの角度位置信号に続く所定数の受信パルスを１つのグループとして選択することが特に好ましい。これにより、欠落のない走査が可能となり、内挿で埋め合わせるべき欠落が測定に生じる恐れがある手法（つまり、時間バッファの設定や角度位置信号の事後的な割り当て）を用いる必要がなくなる。この実施形態において、１つの解析チャネルが所定数の受信パルスの収集を終える前に次の角度位置信号が到来したとしても、それは何ら障害とはならない。なぜなら、既に別の解析チャネルにおいて新たなグループの測定が重複的に始まっているからである。このような状況は、例えば２つの解析チャネルを用いる場合には交互に生じ、グループの重複の度合いを一層高めるために３つ以上の解析チャネルを用いる場合には循環的に生じる。重複の度合いを高めることは、例えば、射程距離が大きいとき及び／又は回転速度の変動が大きいときに高い角度分解能を達成する必要がある場合に有用と思われる。

前記少なくとも２つの解析チャネルは並列に解析を行うように構成されることが好ましい。更にこれを、特に解析チャネルの追加によって、部分的な重複と組み合わせることができる。また、並列の解析チャネルにおいて受信パルスを選択してグループにまとめるための基準が異なっていることが特に好ましい。例えば、ある解析チャネルでは少数の受信パルスから成る多数のグループを作り、別の解析チャネルでは多数の受信パルスから成る少数のグループを作ることができる。これにより、同一の物理的な測定から、射程距離は短いが角度分解能が高い測定値と、角度分解能は低いが射程距離が長い測定値の両方が得られる。なお、これは異なる解析手法の一例に過ぎない。別の例では、前記少なくとも２つの解析チャネルが互いに時間的にずれて動作し、そこではどのグループも同じ所定数の受信パルスで構成されるものの、ある解析チャネルは角度位置信号の到来と同時に各グループの処理を開始する一方、他の解析チャネルは２つの角度位置信号の中間の時点で各グループの処理を開始する。これは、一種の移動平均処理であり、解析チャネルの数に応じてその分解能が増倍される。

解析ユニットは、受信パルスを選択してグループにまとめる処理を時間的に遅らせて実行するように構成されることが好ましい。この構成では、例えば走査周期の１回分又はその半分程度という、極めてわずかな時間的な遅延だけで略リアルタイムに測定値の解析が行われる。偏向ユニットの通常の回転数であれば、リアルタイム解析に対する遅れはわずか数分の一秒程度である。その代償として、事後的に任意且つ適応的なグループ分けを行うことできる。そのためには、後で改めて各受信信号を１つの角度位置に割り当てることができるように、受信信号に時間又は角度を示す一種の刻印を施す。

解析ユニットは、検出角度に応じて、及び／又は、物体までの予め決められた距離に応じて、１つのグループに含まれる受信パルスの数を適宜設定するように構成されることが好ましい。グループの大きさが変わると、射程距離及び角度分解能の変化という実際上の効果が生じる。検出角度に応じて受信パルス数を設定する場合、角度分解能は低いが射程距離が長い角度領域や、それとは逆の角度領域が形成される。これにより、各用途に応じたより柔軟な対応が可能となる。物体までの予め決められた距離に基づいてグループ分けを適宜行うという方法は、例えば、まず何もない監視領域を長い射程距離と低い角度分解能で走査し、その走査で物体が検出された後は、その物体に合わせて、全角度領域における又は前記物体の検出角度を含む所定の角度領域内における射程距離を短くすることにより、該領域での角度分解能を高める、という形で利用できる。

各受信パルスを前処理により両極性信号に変換し、その信号をＡ／Ｄ変換器を通じて解析ユニットへ送るためのフィルタを含むアナログプリプロセッサを設けると有利である。受光器への光の入射により発生するのは正の信号のみであるので、光信号は常に単極性である。光の入射により振動するフィルタ（例えばバンドパスフィルタや差動素子）を後段に接続すると、両極性信号が得られる。この信号をＡ／Ｄ変換した後、デジタル信号処理により、ゼロ交差法を用いて受信時点を確定することができる。この方法は、例えば正のピークの位置を求める方法よりもはるかに正確である。なぜなら、ゼロ交差は信号の強度に依存せず、従って出力や環境に関するパラメータの影響を受けないからである。前記フィルタの前段又は後段には増幅器、特にトランスインピーダンス増幅器を配置することが好ましい。更に、前記アナログプリプロセッサが信号の正の部分又は負の部分を飽和レベルまで増幅するための制限増幅器を備え、前記Ａ／Ｄ変換器が二値符号化器（バイナライザ）であることが特に好ましい。このようにすれば、二値的な受信信号が生成されるため、非常に少ないリソースで統計解析を行うことができる。

本発明に係る光電センサは、該センサの射程距離が短い場合に角度分解能を高くしたり、その逆の操作を行ったりするためのパラメータ設定装置を備えることが好ましい。パラメータ設定装置は、センサ上の操作パネルの形、あるいはデータ結合用の出力部の形で構成することができる。このようなパラメータ設定機能の追加により、具体的な使用の際、必要に応じてより一層柔軟な対応が可能となる。また、グループ分けが変わった場合、各受信パルスを収集する際にパラメータに応じて射程距離の拡張又は短縮及び角度領域の拡大又は縮小を行うための設定が変更される。

ヒストグラムには、受信パルスが集められる前にプリロード値を予め割り当てることが好ましい。特に、前記プリロード値は検出角度に依存した値にする。これにより、予想値が表現され、その後の測定結果を修正することができる。

前記プリロード値は、監視領域の基準状態における校正測定により決定されることが好ましい。その場合、前記予想値は最初の測定により得られる。その際、場合によってはより多くの回数の校正測定値の平均化処理又は他の前処理の後、基準値そのものではなくその否定値（符号を逆転させた値）がプリロード値として用いられる。このようにすると、まず予想値に相当する量が自動的に打ち消された後、測定値が実際に現れる。プリロードの一例として前面ガラスの反射が挙げられる。受信信号の一部は前面ガラスの表面における個別光パルスの反射に由来するものであり、これが測定を妨害する。そこで、前面ガラスによる反射の典型的なパターンを予め測定し、ヒストグラムに予めロードしておけば、最終的に前記妨害の影響がないヒストグラムを得ることができる。プリロードの別の例として参照用の背景が挙げられる。この場合、センサは既知の物体配置からの動的な変化だけを記録することになる。先に説明した前面ガラスの反射の例では、基本的にプリロードが全てのヒストグラムに等しく関係するが、参照用の背景の場合、各ヒストグラムに与えるプリロード値は検出角度に応じて異なるものとなる。

本発明に係る方法は、前記と同様のやり方で仕上げていくことが可能であり、それにより同様の効果を奏する。そのような効果をもたらす特徴は、例えば本願の独立請求項に続く従属請求項に記載されているが、それらに限定されるものではない。

以下、本発明について、更なる特徴及び利点をも考慮しつつ、模範的な実施形態に基づき、添付の図面を参照ながら詳しく説明する。図面の内容は以下の通りである。

レーザスキャナの概略断面図。 図１に示したレーザスキャナにおけるアナログ信号の前処理及びデジタル解析処理のブロック図。 図２に示した前処理及び解析処理の様々な処理段階における信号を示す図。 平均化の深さが小さく、従って射程距離も短い場合に、レーザスキャナの受光器により記録された受信信号の強度の時間的な推移の模範例を示す図。 平均化の深さが大きく、従って射程距離も長い場合の図４ａと同様の強度推移を示す図。 射程距離が長く、角度分解能が低い場合のレーザスキャナの個別光パルスの角度分布を示す概略平面図。 射程距離が長く、角度分解能が低い場合の図５ａと同様の図。 レーザスキャナの個別光パルスの角度分布を示す比較図としての概略平面図。 走査周波数が高くなり、従って射程距離が短くなった場合における図６ａと同様の図。 走査周波数が高くなり、射程距離の代わりに角度分解能を低くした場合における図６ａと同様の図。 偏向ユニットが一定速度で回転する場合の角度位置信号、個別光パルス及びそのグループ分けを共通の時間軸で上下に重ねて示した図。 回転に変動がある場合の図７ａと同様の図。 個別光パルス、角度測定ユニットの信号、該信号から導出された角度位置信号及び角度セグメント、並びに、個別光パルスのグループを角度セグメントへ動的に割り当てる方法を共通の時間軸で上下に重ねて示した図。

図１は本発明に係る光電センサの一実施形態であるレーザスキャナ１０の概略断面図である。発光器１２は、例えばレーザ光源を備えており、発光光学系１４を用いて発射光線１６を生成する。この発射光線１６は偏向ユニット１８を介して監視領域２０へと出射される。そこに何か物体が存在すれば、光線はその物体により拡散反射される。この反射光２２は再びレーザスキャナ１０へと戻り、偏向ユニット１８により偏向された後、受光光学系２４により収束され、受光器２６（例えばフォトダイオード、あるいは、より高い感度が必要な場合はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ））により検出される。図示したレーザスキャナ１０では、発光器１２と発光光学系１４が受光光学系２４の中央に設けられた開口の中に配置されているが、この配置は単なる一例に過ぎない。例えば、発光光線１６のための専用の鏡領域を設けたり、分割鏡を用いたりする等、他の方法を用いる形態も本発明に含まれる。

偏向ユニット１８はモータ２８により一定の走査周波数で連続的に回転駆動される。これにより、走査周期の間、つまり前記走査周波数で完全に１回転する間、一つの平面が発射光線１６により走査される。偏向ユニット１８の外周部には、各時点における偏向ユニット１８の角度位置を検出するために角度測定ユニット３０が配置されている。本実施形態では、例として、角度単位形成体としての目盛り板と走査手段としてのフォーク状光遮断機から成る角度測定ユニット３０を用いている。

解析ユニット３２が発光器１２、受光器２６、モータ２８及び角度測定ユニット３０と接続されている。後で図２及び図３を用いて詳しく説明する複数パルス法により、発射光線１６の出射から反射光２２の受光までの所要時間が測定され、その時間と光の速度に基づいてレーザスキャナ１０から検出された物体までの距離が推定される。その発射光線１６が出射された時点での角度位置は角度測定ユニット３０を介して解析ユニット３２に通知されている。偏向ユニット１８の通常の回転周波数に対して、前記所要時間は無視しうるほど短い。従って、発射光線１６の発射とそれに対応する反射光２２の検出は、実際上、同じ角度位置で行われる。

こうして、走査周期毎に監視領域２０内の全ての対象点の角度及び距離の２次元極座標が得られる。これにより物体の位置又は輪郭が分かり、インタフェース３４を通じてその情報を外部へ出力したり、スキャナ１０上で表示したりすることができる。なお、インタフェース３４は、解析ユニット３２へデータを入力するためのパラメータ設定用インタフェースとして利用することもできる。あるいは、別にパラメータ設定専用のインタフェースを設けてもよい。安全技術の分野で使用する場合はインタフェース３４の安全性を高めてもよい。特に、防護領域への侵入が確認された場合に安全確保に向けた電流遮断信号を出力するには、より安全性の高い出力部（Output Signal Switching Device; OSSD）を用いる。

レーザスキャナ１０は、筒状に外周を取り巻く前面ガラス３８を備えるケーシング３６に収納されている。なお、本実施形態におけるケーシング３６及び前面ガラス３８の幾何形状、並びに、発光チャネル及び受光チャネルの形態は純粋な模範例に過ぎない。本発明を利用できる基本設計は他にも多数知られている。

本発明では複数パルス法により所要時間を測定する。これについて図２及び図３に基づいて以下に詳しく説明する。以下の説明において、同一の符号は同一の特徴部分を示している。なお、１次元距離測定装置のための複数パルス法は、先に言及した特許文献３により公知であるので、その全体的な説明については該文献を参照されたい。

本実施形態の解析ユニット３２は、例として２つの解析チャネル３２ａ〜ｂを備えており、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のデジタルチップ３８上に実装されている。レーザスキャナ１０の制御ユニットとしても機能する解析ユニット３２は、遅延装置４０及びレーザ駆動回路４２を通じて発光器１２に指示を出し、特定の時点に個別光パルスを出射させる。遅延装置４０はＦＰＧＡのレジスタやカウンタ等を用いて実現できる。

個別光パルスから生じる拡散反射光２２は受光器２６により受信パルスに変換され、前増幅器４６、フィルタ４８及び制限増幅器５０を有するアナログプリプロセッサ４４並びにＡ／Ｄ変換器５２を通じて解析ユニット３２へ送られる。前増幅器４６及びフィルタ４８の配置は入れ替えてもよい。

図２の様々な中間段階で発生する信号を図３に示す。発光器１２は各測定期間１００内に１つの個別光パルスを出力する。このパルスにより正確な時点の確定が可能となる。それには矩形パルスが好適であるが、他の種類のパルス（例えばガウス形パルス）も考えられる。個別光パルスは、監視領域２０において直反射又は拡散反射された後、受光器２６において電気的な受信パルス１０２に変換され、トランスインピーダンス増幅器４６により増幅される。なお、図では受信パルス１０２が理想的な形状で描かれているが、実際にはノイズの混入や波形の歪みが加わることがある。

光の性質上、受信パルス１０２は常に単極性信号となる。フィルタ４８（例えばバンドパスフィルタ）ではそのパルスから両極性信号１０４が生成される。なお、図では最初の２つの波だけを描いている。本来の両極性信号１０４の両側にある灰色の長方形はノイズレベルを象徴的に示している。制限増幅器５０では、この両極性信号１０４が飽和レベルまで増幅された上でカットされる。これにより、本来の信号が矩形状の側面部１０６になり、灰色の矩形で描かれたノイズレベルがダイナミックレンジ全体にわたって振幅方向に引き延ばされる。

矩形状の側面部１０６は、特に二値符号化器として構成されたＡ／Ｄ変換器５２において走査される。図ではこの走査の各基点が矢印１０８で象徴的に示されている。生成されるビット列は解析ユニット３２においてヒストグラム１１０の作成に用いられる。そのために、対応するビット値が「１」のときだけ計数値を加算する累算器がヒストグラムの各ビン毎に設けられている。ノイズの無い理想的な信号であれば、このヒストグラムは、前記矩形の側面部１０６が存在する箇所のビンだけが満たされた形となる。しかし、図のように、制限増幅器３４によりノイズレベルが引き上げられるため、他のビンも満たされている。ノイズはランダムに発生するため、確率的には測定期間１００の２回に１回の割合でこの形になる。

以上のような処理を繰り返し、測定期間１００のｎ回分のヒストグラム１１０を作成すると、全てのビンがノイズにより約n/2のレベルまで満たされ、そこに統計的な変動が加わった形となる。このn/2のレベルが二値化処理の信号値「０」に相当する。両極性信号１０４の正極性の部分により形成される最大値は前記「０」レベルより上に突出し、対する最小値はそのレベルより下へ突出する。その中間の連続的なゼロ値を検出することにより、解析ユニット３２は、信号レベルに影響されることなく受信時点を確定できる。

多数の個別測定値の統計的な分析によりＳ／Ｎ比が大幅に向上するため、ノイズの多い環境下でも確実に距離を測定することができる。このことは、増幅後の個々の受信パルス１０２に大量のノイズが付随しているために目的の信号とノイズが全く区別できないような場合にも当てはまる。

図３に示したのは測定期間１００のうち受信時点を含む重要な区間のみである。メモリを節約するため、この時間領域を事前に求めておき、測定期間１００の一部のみに対応するヒストグラム１１０を作成してもよい。

本発明では、前述のように個別光パルスが出射され、解析ユニット３２により測定値毎にヒストグラム１１０にまとめられて分析される。偏向ユニット１８が回転しているため、各個別光パルスには固有の角度でずれが生じる。複数パルス法では、走査周波数、角度分解能及び射程距離の交換を容易に行うことができる。これらのパラメータは、統計的な深さ又は平均化の深さ、すなわちヒストグラム１１０において１つの測定値にまとめられる受信パルス１０２の数を介して、相互に関係している。４番目の調節可能なパラメータとして個別光パルスの反復周期が考えられるが、ここでは一定であるものとする。

前記３つのパラメータが交換可能であることについて図４〜図６に基づいて以下に説明する。図４ａは平均化の深さが小さい場合、図４ｂは平均化の深さが大きい場合の信号強度の時間的な推移をそれぞれ示している。いずれの場合も、近い領域からの受信パルス１０２ａはノイズレベルと十分区別できる。一方、遠い領域からの受信パルス１０２ｂは、平均化の深さが大きい図４ｂの方でしかノイズから分離されていない。従って、統計的な深さを大きくするほど、レーザスキャナ１０の射程距離は長くなる。

図５及び図６はいずれもレーザスキャナ１０と走査期間の一部の間に出射される個別光パルス５４を示す平面図である。ヒストグラム１１０を作成する際に１つにまとめられる複数の受信パルス１０２に対応する個別光パルス５４の組が矢印５６で示されている。なお、実際には、１度あたり数１００個以上という多数の個別光パルス５４が出射されるのが通例である。

図５は角度分解能と射程距離が交換可能であることを説明している。図５ａでは個別光パルス５４が大きめのグループ５６にまとめられている。従って、図４に基づいて説明した関係からすると、比較的遠方の物体まで検出可能である。その代わり、各グループ５６は比較的広い角度範囲に広がっている。これに対し、図５ｂでは角度分解能がより高くなっており、それだけ各グループ５６のパルス数が小さくなっている。このように平均化の深さが小さくなると、Ｓ／Ｎ比が低下し、射程距離が短くなる。

走査周波数についても全く同様の交換可能性がある。図６ａはある一定の走査周波数の場合の比較図を示している。走査周波数が高くなると、同じ角度範囲に入る個別光パルス５４の数が少なくなる。この場合、図６ｂのように角度分解能を維持しようとすると、統計的な深さが小さくなるため、射程距離が短くなる。一方、図６ｃのように射程距離をそのまま維持しようとすると、角度分解能が低下する。なぜなら、同じ統計的な深さを確保するにはより広い角度範囲から個別光パルス５４を集めなければならないからである。当然のことながら、この原理によると、射程距離の短縮と角度分解能の低下の両方が起きるものの、その程度が先の２例より小さいという、中間の段階も考えられる。

本発明では、このような交換可能性を利用して、射程距離、走査周波数及び角度分解能をパラメータとして設定できるようにする。例えば、ユーザがこれらの量のうち一つ又は複数を予め設定すると、レーザスキャナ１０が統計的な深さを介して残りの量を適切に設定する。同様に、射程距離と角度分解能を可変とした適応性のある方法も考えられる。この適応化は、視野角に依存させる他、時間に依存させることも可能である。例えば、特定の角度領域では短い射程距離と高い角度分解能で、また残りの角度領域では長い射程距離と低い角度分解能でそれぞれ検出を行うといったことが可能である。別の例として、無人輸送機械（車両、船舶、飛行機等）への応用が挙げられる。この場合、まず粗い角度分解能と長い射程距離で走行又は航行し、物体を検出したら、既に分かっている物体までの距離に合わせて射程距離を変えつつ、次第に角度分解能を高めていく。加えて、角度に依存した適応を併用してもよい。

複数パルス法はほぼ連続的に処理が行われる。なぜなら、発光器１２は連続的に個別光パルス５４を出射し、その都度、それに応じて記録された受信パルス１０２がグループ５６にまとめられ、ヒストグラム１１０に統合されると、直ちに次のグループ５６の解析が行われる。その際、解析のために休止時間が生じることもある。

こうして、原理的に欠落が無く、どの走査角度においても走査の欠落がないスキャナ装置ができる。使用環境にもよるが、レーザスキャナ１０では、振動や揺れ等に起因して回転数にある程度の変動が生じる。そうすると、現在の測定が終わる前に、新たなヒストグラム１１０を用いた新たな測定値の解析が始まってしまうということが起き得る。

図７はこのような状況の例を示している。図７ａは回転数の変動がない理想的な場合である。角度測定ユニット３０が均一に等間隔で角度位置信号５６を出力し、個別光パルス５４又はそれに対応する受信パルス１０２が重複せずに各グループ５６にまとめられている。矢印６０はヒストグラム１１０の解析に必要となるむだ時間を示している。一方、図７ｂでは、回転数の変動により時間的な挙動が混乱している。例えば、角度５°のグループ５６ｂに帰属すべき個別光パルス５４の一部が角度４°のグループ５６ａに振り分けられている。

このような割り当て間違いの一因は、例えばコード板を用いた場合、角度測定ユニット３０としての物理的な分解能が低すぎることにあると考えられる。このような角度位置信号から所望の角度分解能を得るには内挿が必要であり、リアルタイムには利用できない。

それから、受信パルス１０２が誤って前のヒストグラム１１０に集められてしまったということが後で初めて判明することが時々ある。簡単な打開策は、解析を遅延させること、つまり、まず全ての受信パルス１０２をそのまま一時的にメモリに保存し、後でグループ分けと統計解析を行うことである。しかし、これではメモリのコストが高くなる上、リアルタイム測定が不可能になる。自然に思いつくもう一つの打開策は、ヒストグラム１１０に後続の角度範囲からの受信パルス１０２が混入してしまったことが判明した場合に測定値を破棄するというものである。しかし、この場合は走査に欠落が生じてしまう。

そこで、本発明の一実施形態では、統計的な深さを動的に適応させるようにしている。極めて単純な実装方法として、新たな角度位置信号５８が到来したら、どのレベルの統計的な深さに達しているかに関わらずグループ５６を終了するというものが挙げられる。この場合、先に説明した交換関係から、最終的には角度に応じて射程距離が変動することになるが、これは走査の欠落よりも受け入れ易い場合が多い。

しかし、実際には射程距離、従って統計的な深さを予め決めておきたい場合が通例と思われる。言い換えると、各グループ５６の個別光パルス５４の数、従ってそれに対応する受信パルス１０２の数を事前に決めておくということである。先に説明したように、この事前設定値は完全に動的な値、つまり角度領域又は時間とともに変化する値であってもよい。

別の実施形態では、回転数の変動を補うために予備バッファが提示される。２つのグループ５６毎に、むだ時間６０と類似の拡張領域が間に設けられる。図７ａに示した理想的な場合では、この拡張領域にはヒストグラム１１０に付加すべき受信パルス１０２は出現しない。一方、回転数に変動が生じると、次の角度位置信号５８の到来より前に所定数の受信パルス１０２を達成するため、予備バッファが用いられる。この処理では、予備バッファを大きく取れば取るほど略連続的な解析から遠ざかる。

図８は本発明の更に別の実施形態を示している。この実施形態は、予備バッファの使用を避けるため及び／又は予備バッファが不足する事態に備えるために利用可能である。図７と同様に、図８の上部には個別光パルス５４の時間的な並びが示されている。その下には角度測定ユニット３０により生成される角度位置信号５８ａが描かれており、これらの信号から内挿により角度位置信号５８が所望の角度分解能で導出される。あるいは、角度測定ユニット３０が角度位置信号５８を用いて所望の角度パターンを出力してもよい。

所定数の受信パルス１０２の収集のための時間６２（解析のためのむだ時間６０を含む）は２つの角度位置信号５８の時間間隔より小さくても構わない。その場合、１つの測定値が生成されたら、新たな測定値のために次の角度位置信号５８を待ち受けることになる。

しかし、図８に示したのは、回転数の変動により２つの角度位置信号５８の間の時間間隔が不十分となり、その時間内で必要数の受信パルス１０２をヒストグラム１１０にまとめることができなくなった場合である。この場合、１回の測定の後、直ちに次の測定が開始される。これにより時間的な区分けができなくなることはないが、少なくともそれに制約が出てくる。図では各測定の開始時点が矢印６４で示されている。そこでは、最も多くの個別光パルス５４又はそれに対応する受信パルス１０２（特にそれらパルスの過半数）を含む角度セグメントに対して測定値が事後的に割り振られる。この操作は別の矢印６６で示されている。従って、この場合は、測定値だけでなく、それに対応する角度も出力値として記録しなければならない。

いくつかの短くなった時間セグメントが続くと、やがて、新たな測定の開始を伴わない角度位置信号５８が出てくる。図８の例では角度位置５°及び１１°がそれに該当する。これらの角度位置信号５８に対する測定値は最初は利用できないが、必要であれば、隣接する角度位置信号５８の内挿によって測定値を得ることができる。どの中間的な角度であっても個別光パルス５４が必ず測定に反映されるため、監視が連続的且つ欠落のないものであることが保証されている。実際には、発射光線１６により周囲が漏れなく照明されるのに応じて、ほぼ連続的な走査が行われる。ところが、回転数の急な増大の結果、個別光パルス５４のパルス列が回転角に比べて少し遅れてしまい、必要なレベルを下回ったため、実効的な角度分解能が一時的に低下している。

測定技術的に最も正確な解析は、複数の解析チャネル3３２ａ〜ｂを設けたことで可能となっている。この形態では、必要な場合、第１の解析チャネル３２ａが新たな角度位置信号５８を超えてヒストグラムの生成を継続する一方、それと部分的に重なるようにして第２の解析チャネル３２ｂが前記角度位置信号５８を開始信号として新たな測定を始める。このようにすると、回転数が変動しても、統計的な深さ及び射程距離、並びに角度分解能は全く変わらない。ただ、角度位置信号５８以降の重複領域にある受信パルス１０２が前後の２つの測定値に二重に反映されるため、測定値の独立性にわずかな影響が出る。それでも、実際の測定で得られる全体の受信パルス１０２がそれに対応する検出角度の近傍で生じているから、実際上の影響はない。

上記に加えて、又は上記の代わりに、複数の解析チャネル３２ａ〜ｂを用いて、受信パルス１０２の形の同じ測定データを複数の異なる解析法で並列に処理することもできる。これは冗長な解析又は冗長且つ異なる種類の解析を行う場合に、解析の信頼性を検査する上で役に立つ。更にまた、並列分岐において、射程距離及び角度分解能に対して異なる基準を適用することも可能である。これにより、例えば角度分解能は低いが射程距離が長い測定と、射程距離は短いが角度分解能の高い測定を同時に実行し、後でいずれか必要な測定結果を選択したり、両方の測定結果の比較や差引を行ったりすることができる。

並列の解析チャネル３２ａ〜ｂは角度位置信号５８に対して相互に異なる時間のずれをもって動作してもよい。これにより、最終的に移動平均のように互いにずれた角度スケールを走査し、後でそれらを重ねることにより角度分解能を高めることができる。しかし、移動平均の場合と違って、ウィンドウを先へずらしながらヒストグラム１１０からその都度の受信パルス１０２を受信パルス１０２を抜き出すために、個々の測定値用のメモリを用意する必要がない。というのも、ヒストグラム１１０はその都度集計され、解析された後、破棄されるからである。

ここまで説明してきた実施形態は、ヒストグラム１１０の初期状態において全てのビンが空であることを少なくとも暗示的に前提としていた。しかし、この前提から意図的に離れ、ヒストグラム１１０にプリロード値を予め割り当てることも可能である。プリロード値としては、角度に依存しない値と角度に依存した値の両方が考えられる。

応用例として、発射光線１６が前面ガラス３８を通ってレーザスキャナ１０から出射する際に前面ガラス３８上で発生する反射光の抑制が挙げられる。それ以外に、光学的又は電気的な混信等の妨害の影響を補償することもできる。最後に、まさに静的な用途の場合、参照用の背景をプリロード値によって学習させておくことにより、装置の稼働中、追加的な物体の動きに高速且つ敏感に反応できるようにすることが原理的に考えられる。

そのためには、工場出荷時あるいは使用場所において、後の角度分解能を用いた校正測定を行う際に前記の妨害因子を学習させ、その後の稼動時に、新たなヒストグラムを作成する度に、前記校正測定で得られたプリロード値をその符号を逆転させてヒストグラムのビンに予め割り当てる。その際、学習の際及び稼働中に設定された統計的な深さに基づいてスケーリング処理を行うようにする。できれば、後で用いる統計的な深さで予めプリロード値を学習させておくことが好ましいが、本発明に動的な要素が含まれているため、それは常に可能とは限らない。

こうしてプリロード値が割り当てられたヒストグラム１１０に受信パルス１０２を集めると、学習しておいた既知のノイズがプリロード値に基づいて自動的に、測定中の非常に早い時点で補償される。

以上、図面及び実施例に基づいて本発明を説明したが、それらの組み合わせも本発明に含まれることは言うまでもない。

Claims (15)

1. 監視領域（２０）に存在する物体の検出及び距離測定のための光電センサ（１０）であって、多数の互いに連続した個別光パルス（５４）を含む発射光線（１６）を出射するための発光器（１２）、前記発射光線（１６）を周期的に偏向させて前記監視領域（２０）へ出射するための回転可能な偏向ユニット（１８）、前記偏向ユニット（１８）の角度位置に応じた角度位置信号（５８）を生成するための角度測定ユニット（３０）、前記監視領域（２０）に存在する物体により直反射又は拡散反射された発射光から受信パルス（１０２）を生成するための受光器（２６）、及び、多数の受信パルス（１０２）を時間的なヒストグラム（１１０）にまとめ、該ヒストグラム（１１０）に基づいてセンサ（１０）から物体までの光通過時間を求め、該時間から物体の距離に関する測定値を確定するように構成された解析ユニット（３２）を備える光電センサ（１０）において、
   前記解析ユニット（３２）が、その都度の角度位置信号（５８）に基づいて受信パルス（１０２）のグループ（５６）を選択し、それをヒストグラム（１１０）にまとめ、該グループ（５６）のヒストグラム（１１０）に基づいて確定された物体の距離に関する測定値を前記角度位置信号（５８）により表される検出角度に割り当てるように構成されていることを特徴とする光電センサ（１０）。
2. 前記角度測定ユニット（３０）が所定の角度分解能で角度位置信号を出力することを特徴とする、請求項１に記載の光電センサ（１０）。
3. 前記解析ユニット（３２）が、１つの角度位置信号（５８）が検出される度に所定数の受信パルス（１０２）を選択して１つのグループ（５６）にするように構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光電センサ（１０）。
4. 各グループ（５６）の最後の受信パルスと次の角度位置信号（５８）との間に時間バッファを挿入できるように、前記個別光パルス（５４）の数及び２つの個別光パルス（５４）の間の時間間隔が十分に小さくなっていることを特徴とする、請求項３に記載の光電センサ（１０）。
5. 前記解析ユニット（３２）が、所定数の受信パルス（１０２）が検出された時間範囲内に別の角度位置信号（５８）が存在するかどうかを検査し、該別の角度位置信号（５８）が存在する場合には、該当グループ（５６）のヒストグラム（１１０）に基づいて決められる物体の距離に関する測定値を、より多数の受信パルス（１０２）が属する角度位置信号（５８）に割り当てるように構成されていることを特徴とする、請求項３又は４に記載の光電センサ（１０）。
6. 前記解析ユニット（３２）は少なくとも２つの解析チャネル（３２ａ〜ｂ）を備え、各解析チャネル（３２ａ〜ｂ）においてそれぞれ受信パルスを別個のヒストグラム（１１０）に集計し、各ヒストグラム（１１０）に基づいてセンサ（１０）から物体までの光の通過時間をそれぞれ求め、その時間から物体の距離についての測定値を確定することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の光電センサ（１０）。
7. 前記少なくとも２つの解析チャネル（３２ａ〜ｂ）が部分的に重複して解析を行うように構成され、その解析において、各解析チャネル（３２ａ〜ｂ）が交替で、１つの角度位置信号（５８）に続く所定数の受信パルス（１０２）を１つのグループ（５６）として選択することを特徴とする、請求項６に記載の光電センサ（１０）。
8. 前記少なくとも２つの解析チャネル（３２ａ〜ｂ）が並列に解析を行うように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の光電センサ（１０）。
9. 前記解析ユニット（３２）が、受信パルス（１０２）を選択してグループ（５６）にまとめる処理を時間的に遅らせて実行するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の光電センサ（１０）。
10. 前記解析ユニット（３２）が、検出角度に応じて、及び／又は、物体までの予め決められた距離に応じて、１つのグループ（５６）に含まれる受信パルス（１０２）の数を適宜設定するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の光電センサ（１０）。
11. 各受信パルス（１０２）を前処理により両極性信号（１０４）に変換し、その信号をＡ／Ｄ変換器（５２）を通じて前記解析ユニット（３２）へ送るためのフィルタ（４６）を含むアナログプリプロセッサ（４４）を備えることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の光電センサ（１０）。
12. センサ（１０）の射程距離が短い場合に角度分解能を高くしたり、その逆の操作を行ったりするためのパラメータ設定装置（３４）を備えることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の光電センサ（１０）。
13. 前記ヒストグラム（１１０）に、受信パルス（１０２）が集められる前にプリロード値が予め割り当てられることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の光電センサ（１０）。
14. 前記プリロード値が、前記監視領域（２０）の基準状態における校正測定により決定されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれかに記載の光電センサ（１０）。
15. 監視領域（２０）に存在する物体の検出及び距離測定方法であって、多数の互いに連続した個別光パルス（５４）を含む発射光線（１６）が出射され、前記発射光線（１６）が周期的な偏向により前記監視領域（２０）を走査し、前記監視領域（２０）に存在する物体により直反射又は拡散反射された発射光から受信パルス（１０２）が生成され、前記偏向の角度が角度位置信号（５８）を通じて検出され、多数の受信パルス（１０２）が時間的なヒストグラム（１１０）にまとめられ、該ヒストグラム（１１０）に基づいてセンサ（１０）から物体までの光通過時間が求められる方法において、
    その都度の角度位置信号（５８）に基づいて受信パルス（１０２）のグループ（５６）が選択され、それがヒストグラム（１１０）にまとめられ、該グループ（５６）のヒストグラム（１１０）に基づいて確定された物体の距離に関する測定値が前記角度位置信号（５８）により表される検出角度に割り当てられることを特徴とする物体の検出及び距離測定方法。

Images