JP6733100B2 - 距離センサ、走行体、ロボット及び３次元計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、距離センサ、走行体、ロボット及び３次元計測装置に係り、更に詳しくは、光によって物体までの距離を計測するための距離センサ、該距離センサを有する走行体、ロボット及び３次元計測装置に関する。

近年、物体までの距離を計測するための距離センサの開発が盛んに行われている。

この距離センサとして、射出したパルス光が物体で反射して戻ってくるまでの時間に基づいて物体までの距離を求める、いわゆるＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）演算方式を用いた距離センサがある（例えば、特許文献１参照）。

この距離センサを用いると、所定の空間領域内にある物体の情報（物体情報）を取得することが可能であり、自動車やロボットなどの位置制御への応用が期待されている。

しかしながら、特許文献１に開示されている固体撮像装置には、対象物までの距離の測定結果に含まれる誤差の低減という観点において改善の余地がある。

本発明は、デューティが５０％未満のパルス光を射出する光源と、前記光源から射出され物体で反射された光を受光する受光手段と、前記光源から射出されるパルス光に対する位相が互いに異なる少なくとも３種類の読み出し信号を前記受光手段に出力する制御部と、前記受光手段の出力に基づいて、前記物体までの距離を求める距離取得部とを備え、前記少なくとも３種類の読み出し信号のそれぞれは、前記光源から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して複数のパルスを有し、該複数のパルスは互いに、前記光源から射出されるパルス光におけるパルス幅の２倍だけずれた関係にある距離センサである。

本発明の距離センサによれば、物体までの距離の測定精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る距離センサを搭載した走行体の外観図である。 走行管理装置の構成を説明するためのブロック図である。 距離センサの構成を説明するための図である。 光射出系を説明するための図である。 パルス制御信号を説明するための図である。 光源駆動信号を説明するための図である。 光検出系を説明するための図である。 ３次元情報取得部とイメージセンサとの間の信号を説明するための図である。 実施例におけるＴＸ１信号、ＴＸ２信号、ＴＸＤ信号及びリセット信号を説明するためのタイミングチャートである。 図９におけるサブフレームＡを説明するためのタイミングチャートである。 図９におけるサブフレームＢを説明するためのタイミングチャートである。 位相角差φを説明するための図である。 時間差Ｔｄを説明するための図である。 比較例１を説明するためのタイミングチャートである 図１４におけるサブフレームＡを説明するためのタイミングチャートである。 図１４におけるサブフレームＢを説明するためのタイミングチャートである。 時間差ＴｄとＳ１８０／（Ｓ０＋Ｓ１８０）との関係を説明するための図である。 比較例２を説明するためのタイミングチャートである 図１８におけるサブフレームＡを説明するためのタイミングチャートである。 図１８におけるサブフレームＢを説明するためのタイミングチャートである。 音声・警報発生装置の構成を説明するためのブロック図である。 変形例を説明するためのタイミングチャートである 変形例における３次元情報取得部とイメージセンサとの間の信号を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図２１に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係る距離センサ２０を搭載した走行体１の外観が示されている。この走行体１は、荷物を目的地に無人搬送するものである。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、路面に直交する方向をＺ軸方向、走行体１の前進方向を＋Ｘ方向として説明する。

ここでは、距離センサ２０は、一例として、走行体１の前部に取り付けられ、走行体１の＋Ｘ側（前方）の３次元情報を求める。なお、距離センサ２０による測定可能な領域を測定領域ともいう。

走行体１の内部には、一例として図２に示されるように、表示装置３０、位置制御装置４０、メモリ５０、及び音声・警報発生装置６０などが備えられている。これらは、データの伝送が可能なバス７０を介して電気的に接続されている。

ここでは、距離センサ２０と、表示装置３０と、位置制御装置４０と、メモリ５０と、音声・警報発生装置６０とによって、走行管理装置１０が構成されている。すなわち、走行管理装置１０は、走行体１に搭載されている。また、走行管理装置１０は、走行体１のメインコントローラ８０と電気的に接続されている。

距離センサ２０は、一例として図３に示されるように、光射出系２０１、光検出系２０２、及び３次元情報取得部２０３などを有している。そして、これらは、筐体内に収納されている。この筐体は、光射出系２０１から射出される光及び、物体で反射され、光検出系２０２に向かう光が通過するための窓を有し、該窓にはガラスが取り付けられている。

光射出系２０１は、光検出系２０２の−Ｚ側に配置されている。この光射出系２０１は、一例として図４に示されるように、光源２１及び光源駆動部２５などを有している。

光源２１は、光源駆動部２５によって点灯及び消灯される。ここでは、光源２１としてＬＥＤが用いられているが、これに限定されるものではない。光源２１は、＋Ｘ方向に光を射出するように配置されている。なお、以下では、光源駆動部２５で生成され、光源２１を駆動するための信号を「光源駆動信号」という。

光源駆動部２５は、３次元情報取得部２０３からのパルス制御信号（図５参照）に基づいて、光源駆動信号（図６参照）を生成する。この光源駆動信号は、光源２１及び３次元情報取得部２０３に送出される。

これにより、光源２１からは、３次元情報取得部２０３から指示されたパルス幅のパルス光が光源２１から射出される。なお、光源２１から射出されるパルス光は、デューティ（ｄｕｔｙ）が５０％未満となるように、３次元情報取得部２０３において設定されている。また、以下では、光源２１から射出される光を「検出光」ともいう。

走行体１のメインコントローラ８０は、走行体１を走行させる際に、位置制御の開始要求を位置制御装置４０に送出する。そして、走行体１のメインコントローラ８０は、走行体１が目的位置に到達すると、位置制御の終了要求を位置制御装置４０に送出する。

位置制御装置４０は、位置制御の開始要求、及び位置制御の終了要求を受け取ると、３次元情報取得部２０３に送出する。

距離センサ２０から射出され物体で反射された光の一部は、距離センサ２０に戻ってくる。以下では、便宜上、物体で反射され距離センサ２０に戻ってくる光を「物体からの反射光」ともいう。

光検出系２０２は、物体からの反射光を検出する。光検出系２０２は、一例として図７に示されるように、結像光学系２８及びイメージセンサ２９などを有している。

結像光学系２８は、物体からの反射光の光路上に配置され、該光を集光する。ここでは、結像光学系２８は１枚のレンズで構成されているが、２枚のレンズで構成されても良いし、３枚以上のレンズで構成されても良いし、ミラー光学系を用いても良い。

イメージセンサ２９は、結像光学系２８を介した物体からの反射光を受光する。

３次元情報取得部２０３は、一例として図８に示されるように、ＴＸ１信号、ＴＸ２信号、ＴＸＤ信号及びリセット信号をイメージセンサ２９に出力する。そして、イメージセンサ２９は、出力信号を３次元情報取得部２０３に送出する。

イメージセンサ２９は、２つの電荷蓄積部を有しており、ＴＸ１信号がハイレベルのときは、一方の電荷蓄積部に電荷を蓄積し、ＴＸ２信号がハイレベルのときは、他方の電荷蓄積部に電荷を蓄積する（特許文献１参照）。また、イメージセンサ２９は、ＴＸＤ信号がハイレベルのときは、電荷の蓄積を行わず、リセット信号がハイレベルになると、２つの電荷蓄積部に蓄積されている電荷量を０にする。

図９には、ＴＸ１信号、ＴＸ２信号、ＴＸＤ信号及びリセット信号のタイミングチャートが示されている。ここでは、１フレームは、サブフレームＡとサブフレームＢとからなっている。

図１０には、図９におけるサブフレームＡの部分が示されている。なお、光源２１の発光周期をＴ_１とし、発光パルス幅をＴ_０とする。そこで、デューティ（ｄｕｔｙ）は、（Ｔ_０／Ｔ_１）×１００である。また、測定可能な最大距離は２Ｔ_０である。

このサブフレームＡでは、ＴＸ１信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が０°の読み出し信号である。そして、ＴＸ１信号は、光源２１から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して２個のパルスを有し、該２個のパルスは、光源２１から射出されるパルス光におけるパルス幅Ｔ_０の２倍だけずれた関係にある。

また、ＴＸ２信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が１８０°の読み出し信号である。そして、ＴＸ２信号は、光源２１から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して２個のパルスを有し、該２個のパルスは、光源２１から射出されるパルス光におけるパルス幅Ｔ_０の２倍だけずれた関係にある。

このとき、ＴＸ２信号における２個のパルスのうちの１個は、ダミーパルスである。このダミーパルスに対応して蓄積される電荷は、外乱光やエイリアシング成分による電荷が大部分である。

図１１には、図９におけるサブフレームＢの部分が示されている。このサブフレームＢでは、ＴＸ１信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が９０°の読み出し信号である。そして、ＴＸ１信号は、光源２１から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して２個のパルスを有し、該２個のパルスは、光源２１から射出されるパルス光におけるパルス幅Ｔ_０の２倍だけずれた関係にある。

また、ＴＸ２信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が２７０°の読み出し信号である。そして、ＴＸ２信号は、光源２１から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して２個のパルスを有し、該２個のパルスは、光源２１から射出されるパルス光におけるパルス幅Ｔ_０の２倍だけずれた関係にある。

ここでは、サブフレームＡにおける、ＴＸ１信号によるイメージセンサ２９の出力信号（電圧）をＶ０とし、ＴＸ２信号によるイメージセンサ２９の出力信号（電圧）をＶ１８０とする。また、サブフレームＢにおける、ＴＸ１信号によるイメージセンサ２９の出力信号（電圧）をＶ９０とし、ＴＸ２信号によるイメージセンサ２９の出力信号（電圧）をＶ２７０とする。

３次元情報取得部２０３は、画素毎に次の（１）式を用いて位相角差φ（図１２参照）を求め、次の（２）式を用いて発光パルスと受光パルスの時間差Ｔｄ（図１３参照）を求める。
φ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｖ０−Ｖ１８０）／（Ｖ９０−Ｖ２７０）｝ ……（１）
Ｔｄ＝（φ／２π）×２Ｔ_０ ……（２）

各出力電圧には、物体からの反射光による信号成分だけでなく、外乱光や暗電流による成分（以下では、便宜上「外乱成分」ともいう）が含まれている。外乱成分は、一般的にＤＣ成分であり、ＴＸ１信号及びＴＸ２信号がハイレベルの期間に比例する。

仮に、ダミーパルスがない場合、Ｖ１８０に含まれる外乱成分が、他の出力電圧（Ｖ０、Ｖ９０、Ｖ２７０）に含まれる外乱成分の半分になるため、上記（１）式を用いた計算において、外乱成分が消えずに残ってしまう。一方、ダミーパルスがある場合、Ｖ１８０に含まれる外乱成分は、他の出力電圧（Ｖ０、Ｖ９０、Ｖ２７０）に含まれる外乱成分と同じになるため、上記（１）式を用いた計算において、外乱成分を消すことができる。

また、ＴＸ１信号及びＴＸ２信号が、１つの発光パルスに対して、２個のパルスを有している。そのため、電荷の蓄積回数が増えて、外乱光や暗電流の影響が大きくなる懸念を持たれるが、例えば、デューティ（ｄｕｔｙ）が５０％のときの１パルスの発光強度に対して、デューティ（ｄｕｔｙ）を５０％未満にしたときの１パルスの発光強度を１０倍にしたとすると、同じ信号量を得るために必要な発光回数が１／１０になるので、電荷の蓄積回数が２倍になっても、最終的な電荷の蓄積回数を１／５に低減することができる。すなわち、本実施形態では、外乱光や暗電流の影響を軽減した距離測定が可能になる。

ここで、デューティ（ｄｕｔｙ）を５０％未満にすることで得られる効果について説明する。

（１）イメージセンサ２９において、電荷蓄積部に電荷を蓄積する際、信号成分の他に外乱成分に起因する電荷も蓄積される。この外乱成分は一般的にＤＣ成分であり、そのため蓄積回数が多いほど外乱成分に起因する電荷が増加し、測定精度を低下させる。また、光源の発光強度は、単位時間あたりの総発光量で制約される。そこで、デューティ（ｄｕｔｙ）を小さくすると、制約を維持しつつ１パルスあたりの発光強度を強くすることができる。このように、デューティ（ｄｕｔｙ）を小さくして１パルスあたりの発光強度を強くすると、同等の信号レベルを得るための発光回数、蓄積回数を少なくすることができるので、外乱成分の影響を軽減することができる。

（２）デューティ（ｄｕｔｙ）を５０％未満にすると、ブランク期間（図１１参照）が生じる。このブランク期間にエイリアシング成分がイメージセンサ２９に戻ってきても、イメージセンサ２９で検出されることはない。また、ブランク期間を超えて次の発光周期になって戻ってくるエイリアシング成分が存在した場合を考慮しても、それらはブランク期間分の距離だけ遠く離れたものからの反射光であり、受光強度は非常に小さいものになる。

また、Ｔｄが２Ｔ_０以下であれば、（Ｖ０＋Ｖ１８０）＝（Ｖ９０＋Ｖ２７０）の関係が成り立つ。一方、（Ｖ０＋Ｖ１８０）＜（Ｖ９０＋Ｖ２７０）であれば、２Ｔ_０＜Ｔｄ≦７／２Ｔ_０であり、Ｖ０＝Ｖ９０＝Ｖ１８０＝Ｖ２７０であれば、７／２Ｔ_０＜Ｔｄ＜（Ｔｌ−２Ｔ_０）であり、いずれも受信光は、エイリアシング成分であると判定することができる。

３次元情報取得部２０３は、受信光がエイリアシング成分であると判定すると、該受信光に関するデータを削除する。これにより、測定精度を向上させることができる。

３次元情報取得部２０３は、画素毎の時間差Ｔｄから走行体１の＋Ｘ側（前方）の３次元情報を求める。

ここで、比較例１について説明する。この比較例１では、発光パルスのデューティ（ｄｕｔｙ）は５０％未満である。

図１４には、比較例１における、ＴＸ１信号、ＴＸ２信号、ＴＸＤ信号及びリセット信号のタイミングチャートが示されている。ここでは、１フレームは、サブフレームＡとサブフレームＢとからなっている。

図１５には、図１４におけるサブフレームＡの部分が示されている。このサブフレームＡは、Ｌｉｇｈｔフレーム（発光ありのフレーム）である。サブフレームＡでは、ＴＸ１信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が０°の読み出し信号である。そして、ＴＸ１信号は、光源２１から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して１個のパルスを有している。

また、ＴＸ２信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が１８０°の読み出し信号である。そして、ＴＸ２信号は、光源２１から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して１個のパルスを有している。

図１６には、図１４におけるサブフレームＢの部分が示されている。このサブフレームＢは、Ｄａｒｋフレーム（発光なしのフレーム）である。サブフレームＢでは、ＴＸ１信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が０°の読み出し信号である。そして、ＴＸ１信号は、光源２１から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して１個のパルスを有している。

また、ＴＸ２信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が１８０°の読み出し信号である。そして、ＴＸ２信号は、光源２１から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して１個のパルスを有している。

ここでは、サブフレームＡにおける、ＴＸ１信号によるイメージセンサ２９の出力信号（電圧）をＶ０＿Ａとし、ＴＸ２信号によるイメージセンサ２９の出力信号（電圧）をＶ１８０＿Ａとする。また、サブフレームＢにおける、ＴＸ１信号によるイメージセンサ２９の出力信号（電圧）をＶ０＿Ｂとし、ＴＸ２信号によるイメージセンサ２９の出力信号（電圧）をＶ１８０＿Ｂとする。

そして、次の（３）式から、Ｖ０＿Ａに含まれる信号成分Ｓ０を求め、次の（４）式から、Ｖ１８０＿Ａに含まれる信号成分Ｓ１８０を求める。
Ｓ０＝Ｖ０＿Ａ−Ｖ０＿Ｂ ……（３）
Ｓ１８０＝Ｖ１８０＿Ａ−Ｖ１８０＿Ｂ ……（４）

さらに、次の（５）式から、Ｔｄを算出する。
Ｔｄ＝Ｓ１８０／（Ｓ０＋Ｓ１８０）×Ｔ_０ ……（５）

この場合に、高い精度でＴｄを求めるには、Ｔｄに対してＳ１８０／（Ｓ０＋Ｓ１８０）が線形に変化する必要がある。発光パルスが厳密な矩形形状であれば、ＴｄとＳ１８０／（Ｓ０＋Ｓ１８０）との間の線形性が維持されるが、実際は、発光パルスは厳密な矩形形状ではなく、立ち上がり及び立下りに鈍りが発生し、線形性が崩れてしまうという不都合がある（図１７参照）。

次に、比較例２について説明する。この比較例２では、発光パルスのデューティ（ｄｕｔｙ）は５０％である。

図１８には、比較例２における、ＴＸ１信号、ＴＸ２信号、及びリセット信号のタイミングチャートが示されている。ここでは、１フレームは、サブフレームＡとサブフレームＢとからなっている。

図１９には、図１８におけるサブフレームＡの部分が示されている。このサブフレームＡでは、ＴＸ１信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が０°の読み出し信号である。そして、ＴＸ１信号は、光源２１から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して１個のパルスを有している。

また、ＴＸ２信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が１８０°の読み出し信号である。そして、ＴＸ２信号は、光源２１から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して１個のパルスを有している。

図２０には、図１８におけるサブフレームＢの部分が示されている。サブフレームＢは、ＴＸ１信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が９０°の読み出し信号である。そして、ＴＸ１信号は、光源２１から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して１個のパルスを有している。

また、ＴＸ２信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が２７０°の読み出し信号である。そして、ＴＸ２信号は、光源２１から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して１個のパルスを有している。

この場合は、上記（１）式と（２）式を用いて発光パルスと受光パルスの時間差Ｔｄを求めることができる。

しかしながら、この場合は、ブランク期間がなく、エイリアシング成分の判定が困難である。

また、２Ｔ_０分の距離差による受信光強度の差をエイリアシング判定に用いる方法を考えると、例えば、Ｔ_０＝７．５ｎｓとすると、２Ｔ_０の遅延から検出される距離（測距可能な最長距離）は２．２５ｍであり、それ以上の距離はエイリアシング成分となる。距離１ｍの輝度値と２．２５ｍの輝度値の関係は、ケプラーの逆二乗の法則より、（１／２．２５^２）／（１／１^２）×１００＝１９．８％となるので、距離１ｍの位置にある反射率２０％の物体からの受信光強度と、距離２．２５ｍの位置にある反射率１００％の物体からの受信光強度とがほぼ一致してしまうため、受信光強度のみでのエイリアシング判定は困難である。

また、この場合、発光パルスのパルス幅が大きくなるため、１パルスあたりの発光強度を低く抑える必要がある。そこで、十分な信号値を得るためには発光回数を多くする必要がある。それによって、電荷蓄積の回数が増え、外乱成分の影響を受けやすい。

図２に戻り、位置制御装置４０は、３次元情報取得部２０３から３次元情報を受け取ると、該３次元情報を表示装置３０に表示する。また、位置制御装置４０は、３次元情報に基づいて、走行体１の位置が所定の位置となるように、位置制御を行う。

音声・警報発生装置６０は、一例として図２１に示されるように、音声合成装置６１、警報信号生成装置６２及びスピーカ６３などを有している。

音声合成装置６１は、複数の音声データを有しており、位置制御装置４０から危険有りの情報を受け取ると、対応する音声データを選択し、スピーカ６３に出力する。

警報信号生成装置６２は、位置制御装置４０から危険有りの情報を受け取ると、対応する警報信号を生成し、スピーカ６３に出力する。

ここで、本実施形態のようにしてＴｄを求めるやり方を「正弦波変調方式」ともいう。また、特許文献１のようにしてＴｄを求めるやり方を「パルス変調方式」ともいう。

特許文献１では、受光信号を時間的（位相的に０°成分と１８０°成分）に振り分けた２つの信号量の比からＴｄを求めている。このように、パルス変調方式では、信号量の比からＴｄを求めていることから、精度良くＴｄを求めるには、発光パルスの波形が矩形形状であることが好ましい。一方、正弦波変調方式では、精度良くＴｄを求めるには、発光パルスの波形がｓｉｎ形状であることが好ましい。なお、パルス変調方式における振り分ける数については、２位相に限定されない。

また、ＴＯＦ演算方式に用いられる発光パルスのパルス幅は、ナノ秒のオーダーであり、非常に短いため、実際の発光パルスの波形は、矩形形状を狙っても、回路的に生じる立上がり及び立下りの鈍化の影響でｓｉｎ形状に近くなる。つまり、実際の発光パルスの波形に対しては、正弦波変調方式の有利である。

ここで、正弦波変調方式において、時間差Ｔｄを求めるための一般式について説明する。読み出し信号の種類数をＮ、読み出し信号の種類毎の信号量をＣｉ（ｉは自然数、１≦ｉ≦Ｎ）とすると、位相差のｓｉｎ成分Ｉは、次の（６）式で算出され、ｃｏｓ成分Ｑは、次の（７）式で算出される。
Ｉ＝Σ［Ｃｉ×ｓｉｎ｛（２π／Ｎ）×（ｉ−１）｝］ ……（６）
Ｑ＝Σ［Ｃｉ×ｃｏｓ｛（２π／Ｎ）×（ｉ−１）｝］ ……（７）

そして、次の（８）式から位相差角φを算出することができる。
φ＝ａｒｃｔａｎ（Ｉ／Ｑ） ……（８）

そして、上記（２）式を用いて時間差Ｔｄを求めることができる。なお、上記（１）式は、Ｎ＝４の場合に対応している。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る距離センサ２０では、３次元情報取得部２０３によって、本発明の距離センサにおける制御部及び距離取得部が構成されている。

以上説明したように、本実施形態に係る距離センサ２０は、光射出系２０１、光検出系２０２、及び３次元情報取得部２０３を有している。光射出系２０１は、光源２１及び光源駆動部２５を有し、光検出系２０２は、結像光学系２８及びイメージセンサ２９を有している。

光源２１は、デューティ（ｄｕｔｙ）が５０％未満のパルス光を射出する。イメージセンサ２９では、１フレームは、サブフレームＡとサブフレームＢとからなる。サブフレームＡでは、ＴＸ１信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が０°の読み出し信号であり、ＴＸ２信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が１８０°の読み出し信号である。サブフレームＢでは、ＴＸ１信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が９０°の読み出し信号であり、ＴＸ２信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が２７０°の読み出し信号である。すなわち、３次元情報取得部２０３は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が互いに異なる４種類の読み出し信号をイメージセンサ２９に出力する。

各読み出し信号は、光源２１から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して２個のパルスを有し、該２個のパルスは、光源２１から射出されるパルス光におけるパルス幅Ｔ_０の２倍だけずれた関係にある。また、該２個のパルスのパルス幅は、光源２１から射出されるパルス光におけるパルス幅Ｔ_０と同じである。

サブフレームＡでのＴＸ２信号における２個のパルスのうちの１個は、ダミーパルスである。すなわち、位相差１８０°の読み出し信号における２個のパルスのうちの１個は、ダミーパルスである。このダミーパルスを付加することによって、外乱成分を削除することが可能となる。

また、ブランク期間があるため、エイリアシング成分の判定を容易に行うことができる。

そこで、本実施形態に係る距離センサ２０によると、物体までの距離の測定精度を向上させることができる。

そして、走行体１は、距離センサ２０を有しているため、信頼性に優れた走行ができる。

なお、上記実施形態では、１フレームを複数のサブフレームに分割する場合について説明したがこれに限定されるものではない。

また、上記実施形態では、４種類の読み出し信号（サブフレームＡでのＴＸ１信号とＴＸ２信号、及びサブフレームＢでのＴＸ１信号とＴＸ２信号）が用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。要するに、３種類以上の読み出し信号が用いられれば良い。

また、上記実施形態では、各読み出し信号におけるパルス幅が、発光パルスのパルス幅Ｔ_０と同じ場合について説明したが、これに限定されるものではない。

ところで、図２２には、上記実施形態の変形例が示されている。そして、この変形例に対応したイメージセンサ２９Ａと３次元情報取得部２０３との間の各種信号が図２３に示されている。

この変形例では、５種類の読み出し信号（ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３、ＴＸ４、ＴＸ５）が、３次元情報取得部２０３からイメージセンサ２９Ａに出力される。各読み出し信号は、光源２１から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して２個のパルスを有し、該２個のパルスは、光源２１から射出されるパルス光におけるパルス幅Ｔ_０の２倍だけずれた関係にある。また、該２個のパルスのパルス幅は、光源２１から射出されるパルス光におけるパルス幅Ｔ_０の１／５倍である。

ＴＸ１信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が０°の読み出し信号であり、ＴＸ２信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が７２°の読み出し信号である。ＴＸ３信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が１４４°の読み出し信号であり、ＴＸ４信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が２１６°の読み出し信号である。ＴＸ５信号は、光源２１から射出されるパルス光に対する位相が２８８°の読み出し信号である。

なお、この変形例において、上記実施形態と同様に、１フレームを複数のサブフレームに分割しても良い。

なお、上記実施形態では、受光手段がイメージセンサを含む場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、３次元情報ではなく、単にある物体までの距離を測定する場合は、単一の画素からなる受光器を含んでいても良い。

また、上記実施形態では、各読み出し信号が、光源から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して２個のパルスを有する場合について説明したが、これに限定されるものではない。

また、上記実施形態において、３次元情報取得部２０３での処理の一部を位置制御装置４０が行っても良いし、位置制御装置４０での処理の一部を３次元情報取得部２０３が行っても良い。

また、上記実施形態では、走行管理装置１０が１つの距離センサ２０を備える場合について説明したが、これに限定されるものではない。走行体の大きさ、測定領域などに応じて、複数の距離センサ２０を備えても良い。

また、上記実施形態では、距離センサ２０が走行体の進行方向を監視する走行管理装置１０に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、走行体の後方や側面を監視する装置に用いられても良い。

また、上記実施形態では、距離センサ２０が走行体に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、距離センサ２０が自身の位置を確認しながら自律的に移動するロボットや、物体の３次元形状を測定する３次元測定装置に用いられても良い。

１…走行体、１０…走行管理装置、２０…距離センサ、２１…光源、２５…光源駆動部、２８…結像光学系、２９…イメージセンサ、２９Ａ…イメージセンサ、４０…位置制御装置、５０…メモリ、６０…音声・警報発生装置、８０…メインコントローラ、２０１…光射出系、２０２…光検出系（受光手段）、２０３…３次元情報取得部（制御部、距離取得部）、Ｔ_０…発光パルス幅、Ｔ_１…発光周期。

特許第５１１０５２０号公報

Claims (10)

1. デューティが５０％未満のパルス光を射出する光源と、
   前記光源から射出され物体で反射された光を受光する受光手段と、
   前記光源から射出されるパルス光に対する位相が互いに異なる少なくとも３種類の読み出し信号を前記受光手段に出力する制御部と、
   前記受光手段の出力に基づいて、前記物体までの距離を求める距離取得部とを備え、
   前記少なくとも３種類の読み出し信号のそれぞれは、前記光源から射出されるパルス光における１個のパルスに対応して複数のパルスを有し、該複数のパルスは互いに、前記光源から射出されるパルス光におけるパルス幅の２倍だけずれた関係にある距離センサ。
2. 前記少なくとも３種類の読み出し信号は、前記光源から射出されるパルス光に対する位相が１８０°異なる読み出し信号を含み、
   該読み出し信号における前記複数のパルスのうちの１個はダミーパルスであることを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
3. 前記距離取得部は、前記受光手段の出力がエイリアシング成分を含むか否かを判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の距離センサ。
4. 前記受光手段は、イメージセンサを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離センサ。
5. 前記制御部は、１フレームを複数のサブフレームに分割し、該サブフレーム毎に読み出し信号の位相を異ならせることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の距離センサ。
6. 前記距離取得部は、前記読み出し信号の種類数をＮ、前記読み出し信号の種類毎の信号量をＣｉ（ｉは自然数、１≦ｉ≦Ｎ）とすると、
   Ｉ＝Σ［Ｃｉ×ｓｉｎ｛（２π／Ｎ）×（ｉ−１）｝］と、
   Ｑ＝Σ［Ｃｉ×ｃｏｓ｛（２π／Ｎ）×（ｉ−１）｝］と、
   φ＝ａｒｃｔａｎ（Ｉ／Ｑ）とを用いて、
   前記物体で反射された光の前記光源から射出されたパルス光に対する位相角差φを求めることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の距離センサ。
7. 前記距離取得部は、前記光源から射出されるパルス光のパルス幅をＴ_０とすると、
   Ｔｄ＝φ／２π×２Ｔ_０を用いて、
   前記物体で反射された光の前記光源から射出されたパルス光に対する時間差Ｔｄを求めることを特徴とする請求項６に記載の距離センサ。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の距離センサを有する走行体。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の距離センサを有するロボット。
10. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の距離センサを有する３次元計測装置。

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