JP6852416B2 - Distance measuring device, mobile body, robot, device and 3D measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、距離測定装置、移動体、ロボット、装置及び3次元計測方法に関する。 The present invention relates to a distance measuring device, a moving body, a robot, a device, and a three-dimensional measuring method.
近年、物体までの距離を測定するための測距技術の開発が盛んに行われている。 In recent years, the development of distance measurement technology for measuring the distance to an object has been actively carried out.
例えば、特許文献1及び2には、パルス光を投光してから、該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)演算方式を用いた測距技術が開示されている。 For example, in Patent Documents 1 and 2, the distance to an object is determined based on the time from when the pulsed light is projected until the pulsed light is reflected by the object and returned, so-called TOF (Time of Flight). ) A distance measuring technique using a calculation method is disclosed.
しかしながら、特許文献1及び2に開示されている測距技術では、高い距離分解能を得ること(測定精度を向上させること)と広い範囲について距離測定すること(測定できる距離の範囲が広いこと)を高次元で両立することに関して改善の余地があった。 However, in the distance measuring techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2, it is necessary to obtain high distance resolution (improve measurement accuracy) and measure distance over a wide range (wide range of measurable distance). There was room for improvement in terms of compatibility at a high level.
本発明は、光源と、パルス幅が互いに異なる第1及び第2の駆動パルスを含む複数の駆動パルスを前記光源に異なる時間帯に供給する光源駆動部とを含む投光系と、前記投光系から投光され物体で反射された光を受光する受光系と、前記光源の発光タイミングと前記受光系の受光タイミングの時間差に基づいて前記物体までの距離を算出する制御系と、を備え、前記第1及び第2の駆動パルスのうちパルス幅が小さい方が正弦波状であり、パルス幅が大きい方が矩形波状であり、前記制御系は、前記第1の駆動パルスが前記光源に供給されている第1の時間帯に求めた前記時間差から算出した前記物体までの距離と、前記第2の駆動パルスが前記光源に供給されている第2の時間帯に求めた前記時間差から算出した前記物体までの距離を用いて3次元情報を求めることを特徴とする距離測定装置である。
The present invention comprises a light source, a light source drive unit that supplies a plurality of drive pulses including first and second drive pulses having different pulse widths to the light source at different time zones, and the light source. It includes a light receiving system that receives light projected from the system and reflected by an object, and a control system that calculates the distance to the object based on the time difference between the light emitting timing of the light source and the light receiving timing of the light receiving system. Of the first and second drive pulses, the one having a smaller pulse width has a sinusoidal shape, and the one having a larger pulse width has a rectangular wavy shape. In the control system, the first drive pulse is supplied to the light source. The distance to the object calculated from the time difference obtained in the first time zone and the time difference calculated from the time difference obtained in the second time zone in which the second drive pulse is supplied to the light source. It is a distance measuring device characterized by obtaining three-dimensional information using the distance to an object.
本発明によれば、高い距離分解能を得ることと広い範囲について距離測定することを高次元で両立することができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a high distance resolution and to measure a distance over a wide range at a high level.
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図1には、一実施形態の距離測定装置としての距離センサ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。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the appearance of the traveling body 1 equipped with the
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。
Here, as an example, the
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。
As shown in FIG. 2 as an example, the traveling body 1 is provided with a
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。
メインコントローラ80は、走行体1全般を制御するプログラムを実行するための演算装置である。
位置制御装置40は、メインコントローラ80からの指示に基づき3次元情報取得部203を制御し、3次元情報取得部203からの情報に基づき、走行体1の位置情報を演算し、その演算結果をメインコントローラ80へ伝える装置である。
位置制御装置40は、上記動作を実行するためのプログラムが格納されたメモリ、このプログラムを実行するための演算装置、プログラム実行時に使用するメモリ等で構成されている(図20参照)。
Here, the
The
The
The
距離センサ20は、一例として図3に示されるように、投光系201、受光系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、投光系201から投光される光、及び物体で反射され、受光系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。
3次元情報取得部203は、投光系201や受光系202の制御や受光系202からの信号に基づき、3次元情報(距離情報)を演算して求めるための装置であり、距離センサ20を制御する制御系として機能する。
3次元情報取得部203は、上記動作を実行するためのプログラムが格納されたメモリ、このプログラムを実行するための演算装置、プログラム実行時に使用するメモリ等で構成されている(図18参照)。
As shown in FIG. 3 as an example, the
The three-dimensional
The three-dimensional
投光系201は、受光系202の−Z側に配置されている。この投光系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。
The
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、これに限らず、例えば半導体レーザ(端面発光レーザや面発光レーザ)等の他の光源を用いても良い。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」と呼ぶ。
The
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。光源21へ出力される光源駆動信号は、3次元情報取得部203からのパルス制御信号を光源21が光を射出できるように増幅したものである。すなわち、光源駆動部25はアンプ(増幅器)として機能する。なお、以下では、光源駆動信号を「駆動パルス」とも呼ぶ。
The light
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%以下となるように、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「投光波」や「投光パルス」とも呼ぶ。
As a result, the
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。
When the traveling body 1 is driven, the
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。
When the
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。
A part of the light emitted from the
受光系202は、物体からの反射光を検出する。受光系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。
The
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。
The imaging
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。イメージセンサ29の出力信号(アナログ信号)は、ADC(アナログデジタルコンバータ)でデジタル信号に変換され、3次元情報取得部203に送られる。ここでは、イメージセンサ29として、画素毎の受光部が2次元配列されたエリアイメージセンサが用いられている。以下では、イメージセンサ29で受光される物体からの反射光を「受光波」や「受光パルス」とも呼ぶ。
The
イメージセンサ29は、各受光部(例えばフォトダイオードやフォトトランジスタ)に対して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、該受光部で光電変換された電荷を一方の電荷蓄積部に蓄積し、TX2信号がハイレベルのときは、該受光部で光電変換された電荷を他方の電荷蓄積部に蓄積する。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。
The
3次元情報取得部203は、光源21に印加される駆動パルスの周波数である変調周波数を制御する変調周波数制御部と、光源21の射出タイミングとイメージセンサ29の受光タイミングの時間差に基づいて物体までの距離を算出して物体の3次元情報である距離画像を生成する距離画像生成部とを含む。
The three-dimensional
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。
As shown in FIG. 8 as an example, the three-dimensional
図9には、距離センサ20における1フレームの概略図が示されている。基本的には、変調周波数が異なる2つ以上のTOF検出(TOF演算方式を用いる検出)を行い、高周波数側のTOF検出で高い距離分解能の距離情報を取得し、低周波数側のTOF検出で高周波数側のTOF検出情報に含まれるエイリアシング成分を判定してディエイリアシングを行う。この内容は、例えば特許文献1(特表2015−501927号公報)に開示されている。
FIG. 9 shows a schematic view of one frame of the
ここでは、異なる変調周波数を用いる2つのサブフレームで1フレームを構成する例について説明を行う。一方のサブフレームにおける変調周波数(一の駆動パルスの周波数)を第一の周波数f1とし、他方のサブフレームにおける変調周波数(他の駆動パルスの周波数)を第二の周波数f2とする。 Here, an example in which one frame is composed of two subframes using different modulation frequencies will be described. The modulation frequency (frequency of one drive pulse) in one subframe is the first frequency f1, and the modulation frequency (frequency of the other drive pulse) in the other subframe is the second frequency f2.
3次元情報取得部203では、第一の周波数f1によるTOF検出を行い、距離画像生成部内のメモリにその位相情報を格納する。次に、変調周波数制御部で第一の周波数f1から第二の周波数f2に切り替えて、第二の周波数f2によるTOF検出を行う。ここで、第一の周波数f1>第二の周波数f2の関係とする。なお、上記とは逆に、第二の周波数f2によるTOF検出を行った後、第一の周波数f1によるTOF検出を行っても良い。
The three-dimensional
ここで、「正弦波変調方式」と「矩形波変調方式」と呼ばれる2つのTOF法について説明する。 Here, two TOF methods called "sine wave modulation method" and "square wave modulation method" will be described.
まず、正弦波変調方式では、受光波を時間的に3つ以上に分割して検出し、得られた各信号を用いて、投光波の出力タイミングに対する受光波の入力タイミングの遅延時間Tdを位相差角の演算で取得する。 First, in the sine wave modulation method, the received wave is detected by dividing it into three or more in time, and each signal obtained is used to set the delay time Td of the input timing of the received wave with respect to the output timing of the floodlight wave. Obtained by calculating the phase difference angle.
一例として4位相式の正弦波変調方式の位相差演算方法について図10を用いて説明する。図10に示される1フレーム構成によって、受光パルスを0°、90°、180°、270°の4つの位相に分割した信号(A0、A90、A180、A270)を取得し、次の(1)式を使って位相差角Φを求める。
Φ=arctan{(A90−A270)/(A0−A180)} ・・・(1)
As an example, a phase difference calculation method of a four-phase sine wave modulation method will be described with reference to FIG. With the one-frame configuration shown in FIG. 10, signals (A0, A90, A180, A270) obtained by dividing the received pulse into four phases of 0 °, 90 °, 180 °, and 270 ° are acquired, and the following (1) Find the phase difference angle Φ using the equation.
Φ = arctan {(A90-A270) / (A0-A180)} ... (1)
遅延時間Tdは、位相差角Φを用いて、式(2)から求めることができる。
Td=Φ/2π×T(T=2T0、T0:駆動パルスのパルス幅) ・・・(2)
The delay time Td can be obtained from the equation (2) using the phase difference angle Φ.
Td = Φ / 2π × T (T = 2T0, T0: pulse width of drive pulse) ・ ・ ・ (2)
このような位相差の演算方法に対して測距性能を高めるための理想的な投光波形は正弦波形である。そこで、正弦波変調方式では、その名のとおり、光源を正弦波の変調信号(駆動パルス)を用いて駆動する。 The ideal projection waveform for improving the distance measurement performance for such a phase difference calculation method is a sinusoidal waveform. Therefore, in the sine wave modulation method, as the name implies, the light source is driven by using a sine wave modulation signal (drive pulse).
一方、「矩形波変調方式」では、受光波を時間的に2つ以上に分割して検出し、得られた各信号を用いて、投光波の出力タイミングに対する受光波の入力タイミングの遅延時間Td´を求める。 On the other hand, in the "square wave modulation method", the received wave is detected by dividing it into two or more in time, and each signal obtained is used to delay the input timing of the received wave with respect to the output timing of the floodlight Td. Ask for ´.
一例として2位相式の矩形波変調方式について図11を用いて説明する。図11に示される1フレーム構成によって、受光波を0°、180°の2つの位相に分割した信号(B0、B180)を取得し、次の(3)式を用いて遅延時間Td´を求めることができる。
Td´={B180/(B0+B180)}×T1(T1:駆動パルスのパルス幅)・・・(3)
As an example, a two-phase rectangular wave modulation method will be described with reference to FIG. With the one-frame configuration shown in FIG. 11, a signal (B0, B180) obtained by dividing the received wave into two phases of 0 ° and 180 ° is acquired, and the delay time Td'is obtained using the following equation (3). be able to.
Td'= {B180 / (B0 + B180)} x T1 (T1: pulse width of drive pulse) ... (3)
このような位相差の演算方法に対して測距性能を高めるための理想的な投光波形は矩形である。そこで、矩形波変調方式では、その名のとおり、光源を矩形波の変調信号(駆動パルス)を用いて駆動する。 The ideal projection waveform for improving the distance measurement performance for such a phase difference calculation method is a rectangle. Therefore, in the square wave modulation method, as the name implies, the light source is driven by using a square wave modulation signal (drive pulse).
なお、特許文献1では、第一の周波数、第二の周波数いずれに対しても正弦波変調方式のTOF検出を行っており、I=(A0−A180)、Q=(A90−A270)のI値とQ値の符号を用いてディエイリアシング(エイリアシング成分の除去)を行うことが主眼となっている。 In Patent Document 1, TOF detection of the sine wave modulation method is performed for both the first frequency and the second frequency, and I = (A0-A180), Q = (A90-A270) I. The main purpose is to perform aliasing (removal of aliasing components) using the codes of the value and the Q value.
図12には、本実施形態の距離センサ20における1フレームの構成図が示されている。
FIG. 12 shows a configuration diagram of one frame in the
距離センサ20では、第一の周波数f1に対しては正弦波変調方式によるTOF検出を行い、第1の周波数f1よりも低い第二の周波数f2に対しては矩形波変調方式によるTOF検出を行う。その理由を以下に説明する。
The
光源に種類によって異なるが、例えば光源にレーザダイオード(LD)を使用した場合、変調信号(駆動パルス)のパルス幅が10ns未満(例えば変調周波数が高域側)であると、立ち上がりや立ち下がりにおける波形鈍りの影響が大きくなり、発光パルス(パルス光)は正弦波形に近い形状になる。一方、変調信号のパルス幅が10ns以上(例えば変調周波数が低域側)であれば、発光パルスは矩形に近い形状になる。 Although it depends on the type of light source, for example, when a laser diode (LD) is used as the light source, if the pulse width of the modulation signal (drive pulse) is less than 10 ns (for example, the modulation frequency is on the high frequency side), the rise and fall will occur. The effect of waveform blunting becomes large, and the emission pulse (pulse light) has a shape close to a sinusoidal waveform. On the other hand, if the pulse width of the modulated signal is 10 ns or more (for example, the modulation frequency is on the low frequency side), the emission pulse has a shape close to a rectangle.
ここで、高い距離分解能を得るためには高域側変調周波数によるTOF検出(例えばパルス幅が比較的短い駆動パルスを用いるTOF検出)を行うことが有効であり、高域側変調周波数による発光パルスが正弦波形に近いことから、正弦波変調方式のTOF検出との相性が良い。 Here, in order to obtain high distance resolution, it is effective to perform TOF detection by the high frequency side modulation frequency (for example, TOF detection using a drive pulse having a relatively short pulse width), and the emission pulse by the high frequency side modulation frequency. Is close to a sine wave waveform, so it is compatible with the TOF detection of the sine wave modulation method.
一方、ディエイリアシングのための低域側変調周波数によるTOF検出時(例えばパルス幅が比較的長い駆動パルスを用いるTOF検出時)は、その発光パルスは矩形波形に近いことから、矩形波変調方式との相性が良い。 On the other hand, when TOF is detected by the low frequency side modulation frequency for aliasing (for example, when TOF is detected using a drive pulse with a relatively long pulse width), the emission pulse is close to a rectangular waveform, so the rectangular wave modulation method is used. Good compatibility.
そこで、本実施形態のようなフレーム構成(図12参照)にすることで、高域側変調周波数によるTOF検出、低域側変調周波数によるTOF検出のいずれにおいても検出精度を向上することが可能となる。 Therefore, by adopting a frame configuration (see FIG. 12) as in the present embodiment, it is possible to improve the detection accuracy in both TOF detection by the high frequency side modulation frequency and TOF detection by the low frequency side modulation frequency. Become.
次に、本実施形態の距離センサ20における更に有効なフレーム構成例について説明する。
Next, a more effective frame configuration example in the
ここで、一般的なTOF検出に用いられるイメージセンサの構造として、前述したように1つの受光部において電荷を2か所に振り分ける構造になっているものが主流であり(例えば特許5110520号公報参照)、そのようなイメージセンサを使用することを想定している。
1つの受光部において電荷を2か所に振り分ける構造の一例を図19に示す。図19に示されるように、受光部100の両側に第1及び第2電荷蓄積部20a、20bが配置されている。受光部100と第1電荷蓄積部20aとの間には第1電荷転送部30aが配置されている。受光部100と第2電荷蓄積部20bとの間には第2電荷転送部30bが配置されている。
受光部100は受光した光を信号電荷に変換する。この信号電荷の一部は第1電荷転送部30aを介して第1電荷蓄積部20aに送られ、他の一部は第2電荷転送部30bを介して第2電荷蓄積部20bに送られる。
Here, as the structure of the image sensor used for general TOF detection, as described above, the structure in which the electric charge is distributed to two places in one light receiving unit is the mainstream (see, for example, Japanese Patent No. 5110520). ), It is assumed that such an image sensor will be used.
FIG. 19 shows an example of a structure in which electric charges are distributed to two places in one light receiving unit. As shown in FIG. 19, first and second
The
この場合に、図13に示されるフレーム構成にすることで、ディエイリアシングに必要な第二の周波数f2によるTOF検出に要する時間を削減することが可能である。すなわち、画素の電荷振分け先が2つであるのに対し、第二の周波数f2によるTOF検出に必要な位相情報も2つであるので、サブフレーム期間内で、0°と180°の信号を取得する1度の露光期間で済む。この効果を、図14を用いて、従来技術(特許文献1)のフレーム構成と比較して説明する。 In this case, by adopting the frame configuration shown in FIG. 13, it is possible to reduce the time required for TOF detection by the second frequency f2 required for aliasing. That is, while the pixel has two charge distribution destinations, the phase information required for TOF detection by the second frequency f2 is also two, so that the signals of 0 ° and 180 ° are transmitted within the subframe period. Only one exposure period is required for acquisition. This effect will be described with reference to FIG. 14 in comparison with the frame configuration of the prior art (Patent Document 1).
本実施形態では、従来技術(特許文献1)に対し、図14に示されるようなフレーム構成の余剰を生み出すことができる。この時間は、そのままフレームレートの向上に利用したり、信号蓄積時間を延長してS/Nの向上に利用することなどが可能であり、距離センサの性能を向上することができる。 In the present embodiment, it is possible to generate a surplus of the frame configuration as shown in FIG. 14 with respect to the prior art (Patent Document 1). This time can be used as it is for improving the frame rate, or can be used for improving the S / N by extending the signal storage time, and the performance of the distance sensor can be improved.
次に、図15を用いて本実施形態におけるディエイリアシング方法の概要を説明する。 Next, the outline of the aliasing method in the present embodiment will be described with reference to FIG.
図15の上段に示されるd(obj)の距離に測定したい物体があるとする。このとき、第一の周波数f1による4位相正弦波変調方式TOFによる位相差検出動作によってTd1(obj)の位相差が検出される。このとき、Td1(obj)には第一の周波数f1の周期以上の遅れが含まれているため、距離がdAと誤判定されてしまう。 It is assumed that there is an object to be measured at a distance of d (obj) shown in the upper part of FIG. At this time, the phase difference of Td1 (obj) is detected by the phase difference detection operation by the four-phase sinusoidal modulation method TOF with the first frequency f1. At this time, since Td1 (obj) includes a delay equal to or longer than the period of the first frequency f1, the distance is erroneously determined as dA.
ここで、図15の下段の第二の周波数f2による2位相矩形波変調方式TOFによる位相差検出に注目すると、Td2(obj)が検出される。このとき、Td2(obj)には第二の周波数f2の周期以上の遅れは含まれていないので、距離d(obj)を検知可能である。よって、このTd1(obj)とTd2(obj)を結びつけることで、第一の周波数f1の距離分解能の測距情報のまま、距離を誤検出することなく(dAと誤判定することなく)、物体までの距離d(obj)を検出することが可能になる。 Here, paying attention to the phase difference detection by the two-phase rectangular wave modulation method TOF at the second frequency f2 in the lower part of FIG. 15, Td2 (obj) is detected. At this time, since Td2 (obj) does not include a delay equal to or longer than the period of the second frequency f2, the distance d (obj) can be detected. Therefore, by linking Td1 (obj) and Td2 (obj), the object remains as the distance measurement information of the distance resolution of the first frequency f1 without erroneously detecting the distance (without erroneously determining dA). It becomes possible to detect the distance d (obj) to.
ここで、第二の周波数f2によるTOF検出では周波数が低いため、第一の周波数f1の測距性能に対してばらつきが大きくなるが、距離分解能としてはたかだか距離d1分の判定ができればよいのでこのばらつきは許容できる。 Here, since the frequency is low in TOF detection by the second frequency f2, there is a large variation in the distance measurement performance of the first frequency f1, but the distance resolution should be at most a distance d1 minute. Variations are acceptable.
また、図15に示されるd1、d2(各変調周波数のTOF方式における最大レンジ)は、
d1=2T0×c/2
d2=T1×c/2
となる。
Further, d1 and d2 (maximum range of each modulation frequency in the TOF method) shown in FIG. 15 are
d1 = 2T0 × c / 2
d2 = T1 × c / 2
Will be.
図15に示される例は、外乱光が無い場合についての例である。そこで、図16を用いて外乱光がある環境での実施方法について説明する。 The example shown in FIG. 15 is an example in the case where there is no ambient light. Therefore, an implementation method in an environment with ambient light will be described with reference to FIG.
図16に示されるように外乱光がある場合、蓄積信号量には受信光成分と外乱光成分が含まれることになる。 When there is ambient light as shown in FIG. 16, the stored signal amount includes the received light component and the disturbance light component.
第一の周波数f1における正弦波変調方式によるTOF検出の場合、Td1の導出の際に各信号の差分を計算しているので、以下のように外乱光成分(Na)はTOF演算の中で自然にキャンセルできる。
上記(1)式の{}内の分子:A90−A270=(Sa90+Na)−Sa270+Na)=Sa90−Sa270
上記(1)式の{}内の分母:A0−A180=(Sa0+Na)−(Sa180+Na)=Sa0−Sa180
In the case of TOF detection by the sinusoidal modulation method at the first frequency f1, the difference between each signal is calculated when deriving Td1, so the disturbance light component (Na) is natural in the TOF calculation as shown below. Can be canceled.
Molecule in {} of the above formula (1): A90-A270 = (Sa90 + Na) -Sa270 + Na) = Sa90-Sa270
Fraction in {} of equation (1) above: A0-A180 = (Sa0 + Na)-(Sa180 + Na) = Sa0-Sa180
一方、第二の周波数f2における2位相矩形波変調方式によるTOF検出の場合、以下のように、正弦波変調方式とは異なり、外乱光成分が自然にキャンセルできない。
B180/(B0+B180)=(Sb180+Nb)/(Sb0+Sb180+2Nb)
On the other hand, in the case of TOF detection by the two-phase square wave modulation method at the second frequency f2, unlike the sine wave modulation method, the disturbance light component cannot be canceled naturally as described below.
B180 / (B0 + B180) = (Sb180 + Nb) / (Sb0 + Sb180 + 2Nb)
そこで、2位相パルス変調方式の場合、別途非発光のフレームを撮影して外乱光成分(Nb)を抽出する方法がある。しかし、取得フレーム数を増やしては、本発明の利点であるフレーム構成の簡素化が図れない。 Therefore, in the case of the two-phase pulse modulation method, there is a method of extracting a disturbance light component (Nb) by separately photographing a non-emission frame. However, increasing the number of acquired frames does not make it possible to simplify the frame configuration, which is an advantage of the present invention.
本発明の利点を生かすため、取得フレーム数は増やさずに外乱光強度(x)を判定すればよいので、以下のような方法で外乱光強度(x)を求める。
(1)外乱光が全く入らないキャリブレーション工程で、第一の周波数f1における受光輝度値(Ya0)と第二の周波数f2における受光輝度値(Yb0)を測定し記憶する。第一の周波数f1における発光強度をPa0、第二の周波数f2における発光強度をPb0とし、被写体反射率や被写体との距離、その他光学系のロス分をR0とすると、受光輝度値(Ya0)、受光輝度値(Yb0)は、以下のように表すことができる。
Ya0=Pa0×R0
Yb0=Pb0×R0
In order to take advantage of the present invention, the ambient light intensity (x) may be determined without increasing the number of acquired frames. Therefore, the ambient light intensity (x) is obtained by the following method.
(1) In the calibration step in which no ambient light enters, the received luminance value (Ya0) at the first frequency f1 and the received luminance value (Yb0) at the second frequency f2 are measured and stored. Assuming that the emission intensity at the first frequency f1 is Pa0, the emission intensity at the second frequency f2 is Pb0, and the subject reflectance, the distance to the subject, and other loss of the optical system are R0, the received luminance value (Ya0), The received luminance value (Yb0) can be expressed as follows.
Ya0 = Pa0 x R0
Yb0 = Pb0 × R0
最終的に本キャリブレーション工程では、Ya0/Yb0=Pa0/Pb0の値を記憶すればよい(第一及び第二の周波数f1、f2による発光強度比を記憶する)。 Finally, in this calibration step, the value of Ya0 / Yb0 = Pa0 / Pb0 may be stored (the emission intensity ratio at the first and second frequencies f1 and f2 is stored).
次に、外乱光がある実使用環境下での処理について述べる。まず、第一の周波数f1における正弦波変調方式の取得データから、受光輝度値(Ya)を導出する。この受光輝度値は例えば、
Ya=√{(A0−A180)2+(A90−A270)2}・・・(4)
として求めることができる。
Next, the processing in an actual usage environment with ambient light will be described. First, the received luminance value (Ya) is derived from the acquired data of the sinusoidal modulation method at the first frequency f1. This received luminance value is, for example,
Ya = √ {(A0-A180) 2 + (A90-A270) 2 } ... (4)
Can be obtained as.
上記(4)式からわかるように、Yaからは自動的に外乱光成分(Na)は除去されている。次に、第二の周波数f2における2位相矩形波変調方式の取得データから、受光輝度値(Yb´)を導出する。ここで、外乱光を含まない2位相矩形波変調方式の受光輝度値をYbとすると、例えば、
Yb´=B0+B180=Yb+2Nb・・・(5)
として求めることができる。
ここで、Ya/Yb=Ya0/Yb0であるので、上記(5)式を変形して、
2Nb=Yb´−(YaYb0/Ya0)の計算から、Nbを導出することができる。
よって、本手法を用いることで、2位相矩形波変調方式のTOF検出時に、非発光フレームを用いることなく外乱光を除去することが可能になる。
As can be seen from the above equation (4), the ambient light component (Na) is automatically removed from Ya. Next, the received luminance value (Yb') is derived from the acquired data of the two-phase square wave modulation method at the second frequency f2. Here, assuming that the received luminance value of the two-phase square wave modulation method that does not include ambient light is Yb, for example,
Yb'= B0 + B180 = Yb + 2Nb ... (5)
Can be obtained as.
Here, since Ya / Yb = Ya0 / Yb0, the above equation (5) is modified.
Nb can be derived from the calculation of 2Nb = Yb'-(YaYb0 / Ya0).
Therefore, by using this method, it is possible to remove the ambient light without using a non-emission frame at the time of TOF detection of the two-phase square wave modulation method.
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。
Returning to FIG. 2, when the
音声・警報発生装置60は、一例として図17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。
As an example, the voice /
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。
音声合成装置61は、音声データの選択やスピーカ63への出力を行うためのプログラムが格納されたメモリ、このプログラムを実行するための演算装置、プログラム実行時に使用するメモリ等で構成された装置である(図21参照)。
The
The
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。
警報信号生成装置62は、警報信号の作成やスピーカ63への出力を行うためのプログラムが格納されたメモリ、このプログラムを実行するための演算装置、プログラム実行時に使用するメモリ等で構成された装置である(図22参照)。
When the alarm
The alarm
以上説明した本実施形態の距離センサ20は、光源21と、パルス幅が互いに異なる第1及び第2の駆動パルスを含む複数(例えば2つ)の駆動パルスを光源21に異なる時間帯に供給する光源駆動部25とを含む投光系201と、該投光系201から投光され物体で反射された光を受光する受光系202と、光源21の発光タイミングと受光系202の受光タイミングの時間差に基づいて物体までの距離を算出する制御系と、を備えている。
The
そして、第1及び第2の駆動パルスのうちパルス幅が小さい方が正弦波状であり、パルス幅が大きい方が矩形波状であることが好ましい。なお、「正弦波状」は、正弦波及び正弦波に近似する波形を含む。「矩形波状」は、矩形波及び矩形波に近似する波形を含む。 Of the first and second drive pulses, the smaller pulse width is preferably sinusoidal, and the larger pulse width is preferably rectangular wavy. The "sine wave shape" includes a sine wave and a waveform similar to a sine wave. “Square wave” includes a square wave and a waveform similar to a square wave.
この場合、投光波形の立ち上がり、立ち下りの波形鈍りが大きくなるパルス幅が小さい方の駆動パルスが正弦波状であり、該波形鈍りが小さくなるパルス幅が大きい方の駆動パルスが矩形波状であるため、各駆動パルスと対応する投光パルスが近似する。このため、各駆動パルスのパルス幅と対応する投光パルスのパルス幅も近似する。 In this case, the drive pulse having a smaller pulse width that increases the rising and falling waveform bluntness of the floodlight waveform has a sinusoidal shape, and the drive pulse having a larger pulse width that reduces the waveform bluntness has a rectangular wavy shape. Therefore, each drive pulse and the corresponding projection pulse are similar. Therefore, the pulse width of each drive pulse and the pulse width of the corresponding projection pulse are also approximated.
このため、各駆動パルスの光源21への入力タイミングに対する受光系202の受光パルス(反射光パルス)の受光タイミングの遅延時間から物体までの距離を算出する場合の測定誤差を低減できる。すなわち、第1及び第2の駆動パルスのいずれを用いる場合も検出精度を向上できる。
Therefore, it is possible to reduce the measurement error when calculating the distance to the object from the delay time of the light receiving timing of the light receiving pulse (reflected light pulse) of the
この結果、高い距離分解能を得ることと広い範囲について距離測定することを高次元で両立できる。 As a result, it is possible to obtain high distance resolution and measure distance over a wide range at a high level.
また、受光系202は、物体で反射された光を受光して電気信号に変換し、該電気信号を時間的に分割して複数の時間毎の信号に振り分けるイメージセンサ29(撮像素子)を含み、制御系は、該信号を用いて光源21の発光タイミングとイメージセンサ29の受光タイミングの時間差を求め、該時間差から物体までの距離を算出して該物体の3次元情報を取得する3次元情報取得部203を含み、3次元情報取得部203は、第1の駆動パルスが光源21に供給されている第1の時間帯に求めた上記時間差から算出した物体までの距離と、第2の駆動パルスが光源21に供給されている第2の時間帯に求めた上記時間差から算出した物体までの距離を用いて3次元情報を求める。
Further, the
この場合には、撮影時間もしくは露光時間の低下を抑制できる。 In this case, a decrease in shooting time or exposure time can be suppressed.
また、第1の時間帯において、上記電気信号の時間的な分割数をNa(Na≧3)、 分割された各信号をCi(1≦i≦Na)、I=Σ[Ci×sin{(2π/Na)×(i−1))}(1≦i≦Na)、Q=Σ[Ci×cos{(2π/Na)×(i−1)}](1≦i≦Na)、φ=arctan(I/Q)、第1の駆動パルスのパルス幅をT0、上記時間差をTdとしたときに、Td=φ/2π×2T0が成立する。 Further, in the first time zone, the number of temporal divisions of the electric signal is Na (Na ≧ 3), each divided signal is Ci (1 ≦ i ≦ Na), and I = Σ [Ci × sin {( 2π / Na) × (i-1))} (1 ≦ i ≦ Na), Q = Σ [Ci × cos {(2π / Na) × (i-1)}] (1 ≦ i ≦ Na), φ = Arctan (I / Q), when the pulse width of the first drive pulse is T0 and the time difference is Td, Td = φ / 2π × 2T0 is established.
この場合には、より確実に高い距離分解能を得ることができる。 In this case, a higher distance resolution can be obtained more reliably.
また、第2の時間帯において、上記電気信号の時間的な分割数をNb(Nb≧2)、 分割された各信号をDi(1≦i≦Nb)、上記時間差をTd´とし、第2の駆動パルスのパルス幅T1が、上記電気信号が時間的に相前後するDiとDi+1に分割されるように設定されたとき、Td´=Di+1/(Di+Di+1)×T1が成立することを特徴とする。 Further, in the second time zone, the number of temporal divisions of the electric signal is Nb (Nb ≧ 2), each divided signal is Di (1 ≦ i ≦ Nb), and the time difference is Td ′. When the pulse width T1 of the drive pulse of is set so that the electric signal is divided into Di and Di + 1 which are in phase with each other in time, Td'= Di + 1 / (Di + Di + 1) × T1 is satisfied. To do.
この場合には、より確実に広い範囲について距離測定することができる。 In this case, the distance can be measured more reliably over a wide range.
また、イメージセンサ29は、1つの受光部に対してN箇所(例えばN≧2)に電荷を振り分けることが好ましい。
Further, it is preferable that the
また、第2の時間帯において、上記電気信号の時間的な分割数がN以下であることが好ましい。 Further, in the second time zone, it is preferable that the number of temporal divisions of the electric signal is N or less.
また、N=2であり、3次元情報取得部203は、第1の時間帯においてイメージセンサ29から得られた輝度情報を用いて外乱光強度を検出し、第2の時間帯においてイメージセンサ29から得られた輝度情報から外乱光成分を除去することが好ましい。
Further, N = 2, the three-dimensional
また、複数の駆動パルスが光源21にそれぞれ供給される複数の時間帯の長さは、同じでも良いし、異なっていても良い。
Further, the lengths of the plurality of time zones in which the plurality of drive pulses are supplied to the
また、上記実施形態では、複数の駆動パルスの周波数(変調周波数)が異なっているが、同じでも良く、要は、複数の駆動パルスのパルス幅が異なれば良い。 Further, in the above embodiment, the frequencies (modulation frequencies) of the plurality of drive pulses are different, but they may be the same, in short, the pulse widths of the plurality of drive pulses may be different.
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。
Since the traveling body 1 has the
また、本実施形態の3次元計測方法は、第1の駆動パルスを光源21に供給して発光させる第1の発光工程と、該第1の発光工程で光源21から射出され物体で反射された光を受光する第1の受光工程と、第1の駆動パルスとはパルス幅が異なる第2の駆動パルスを光源21に供給して発光させる第2の発光工程と、該第2の発光工程で光源21から射出され該物体で反射された光を受光する第2の受光工程と、第1及び第2の受光工程での受光結果に基づいて該物体の3次元情報を求める工程と、を含む。
Further, in the three-dimensional measurement method of the present embodiment, the first light emitting step of supplying the first drive pulse to the
そして、第1及び第2の駆動パルスのうちパルス幅が小さい方が正弦波状であり、パルス幅が大きい方が矩形波状であることが好ましい。 Of the first and second drive pulses, the smaller pulse width is preferably sinusoidal, and the larger pulse width is preferably rectangular wavy.
この場合、投光波形の立ち上がり、立ち下りの波形鈍りが大きくなるパルス幅が小さい方の駆動パルスが正弦波状であり、該波形鈍りが小さくなるパルス幅が大きい方の駆動パルスが矩形波であるため、各駆動パルスと、対応する投光パルスが近似する。このため、各駆動パルスのパルス幅と対応する投光パルスのパルス幅も近似する。 In this case, the drive pulse having a smaller pulse width at which the rising and falling waveform bluntness of the floodlight waveform becomes large is a sinusoidal shape, and the drive pulse having a large pulse width at which the waveform bluntness becomes small is a square wave. Therefore, each drive pulse and the corresponding projection pulse are similar. Therefore, the pulse width of each drive pulse and the pulse width of the corresponding projection pulse are also approximated.
このため、各駆動パルスの光源21への入力タイミングに対する受光パルスの受光タイミングの遅延時間から物体までの距離を算出する場合の測定誤差を低減できる。すなわち、第1及び第2の駆動パルスのいずれを用いる場合も検出精度を向上できる。
Therefore, it is possible to reduce the measurement error when calculating the distance to the object from the delay time of the light receiving timing of the light receiving pulse with respect to the input timing of each drive pulse to the
この結果、高い距離分解能を得ることと広い範囲について距離測定することを高次元で両立でき、ひいては物体3次元情報を精度良く計測することができる。 As a result, it is possible to obtain high distance resolution and measure the distance over a wide range at a high level, and it is possible to measure the three-dimensional object information with high accuracy.
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。例えば、一のフレームで高周波数・正弦波変調方式のTOF検出を行い、別のフレームで低周波数・矩形波変調方式のTOF検出を行っても良い。 In the above embodiment, the case where one frame is divided into a plurality of subframes has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the TOF detection of the high frequency / sine wave modulation method may be performed in one frame, and the TOF detection of the low frequency / square wave modulation method may be performed in another frame.
なお、上記実施形態において、パルス幅が異なる3つ以上の駆動パルスを異なる時間帯に光源に供給しても良い。この場合、パルス幅が異なる3つ以上の駆動パルスをパルス幅が大きい側と小さい側に分け、パルス幅が小さい側の駆動パルスを正弦波状とし、パルス幅が大きい側の駆動パルスを矩形波状とすることが好ましい。 In the above embodiment, three or more drive pulses having different pulse widths may be supplied to the light source at different time zones. In this case, three or more drive pulses having different pulse widths are divided into a side having a large pulse width and a side having a small pulse width, the drive pulse on the side having a small pulse width has a sinusoidal shape, and the drive pulse on the side having a large pulse width has a rectangular wave shape. It is preferable to do so.
また、上記実施形態では、投光系が非走査型であるが、光偏向器(例えばポリゴンミラー、ガルバノミラー、MEMSミラー等)を含む走査型であっても良い。この場合、例えば、一方向に配列された複数の発光部(ライン光源)からそれぞれ射出された複数の光を、発光部の配列方向に非平行な方向(例えば垂直な方向)に走査して、複数の発光部に対応して該配列方向に平行に配列された複数の受光部(ラインイメージセンサ)で受光し、距離画像を生成しても良い。また、単一の発光部からの光を光偏向手段で2次元走査して、物体からの反射光をエリアイメージセンサで受光し、距離画像を生成しても良い。 Further, in the above embodiment, the light projection system is a non-scanning type, but a scanning type including an optical deflector (for example, a polygon mirror, a galvano mirror, a MEMS mirror, etc.) may be used. In this case, for example, a plurality of lights emitted from a plurality of light emitting units (line light sources) arranged in one direction are scanned in a direction non-parallel to the arrangement direction of the light emitting units (for example, a direction perpendicular to the direction). A distance image may be generated by receiving light from a plurality of light receiving units (line image sensors) arranged in parallel in the arrangement direction corresponding to the plurality of light emitting units. Alternatively, the light from a single light emitting unit may be two-dimensionally scanned by the light deflecting means, and the reflected light from the object may be received by the area image sensor to generate a distance image.
また、上記実施形態では、単一のLED(発光部)をパルス発光させ、物体からの反射光をエリアイメージセンサで受光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。 Further, in the above embodiment, the case where a single LED (light emitting unit) is made to emit pulse light and the reflected light from the object is received by the area image sensor has been described, but the present invention is not limited to this.
例えば、2次元配列された複数の発光部を順次パルス点灯させ、各発光パルスの物体からの反射光を単一の受光部で順次受光して距離画像を生成しても良い。 For example, a plurality of two-dimensionally arranged light emitting units may be sequentially pulse-lit, and the reflected light from the object of each light emitting pulse may be sequentially received by a single light receiving unit to generate a distance image.
また、例えば、物体の3次元情報(距離画像)ではなく、単にある物体までの距離を測定する場合には、投光系の発光部及び受光系の受光部は、いずれも単数であっても良い。 Further, for example, in the case of simply measuring the distance to a certain object instead of the three-dimensional information (distance image) of the object, even if the light emitting part of the light projecting system and the light receiving part of the light receiving system are both singular. good.
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。
Further, in the above embodiment, the
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。
Further, in the above embodiment, the case where the
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。
Further, in the above embodiment, the case where the
また、上記実施形態では、距離センサ20が走行体(移動体)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、航空機、船舶等の移動体や、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。
Further, in the above embodiment, the case where the
以上の説明から分かるように、本発明の距離測定装置及び距離測定方法は、TOF(タイム オブ フライト)を利用した距離測定技術全般に広く適用することが可能である。 As can be seen from the above description, the distance measuring device and the distance measuring method of the present invention can be widely applied to all distance measuring techniques using TOF (Time of Flight).
すなわち、本発明の距離測定装置及び距離測定方法は、物体の2次元情報の取得や、物体の有無の検出にも用いることができる。 That is, the distance measuring device and the distance measuring method of the present invention can also be used for acquiring two-dimensional information of an object and detecting the presence or absence of an object.
また、上記実施形態の説明で用いた数値、形状等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 In addition, the numerical values, shapes, and the like used in the description of the above-described embodiment can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.
以下に、発明者らが上記実施形態を発案するに至った思考プロセスを説明する。 The thinking process that led to the invention of the above embodiment by the inventors will be described below.
3次元センサの一つに、変調した参照光を射出し、該参照光が被写体で反射され戻ってくるまでの時間を検出して距離を求める、いわゆる“TOF(Time of Flight)センサ”が既に知られており、種々ある3次元センシング方式の中でもそのレスポンス性の原理的優位性から、昨今さまざま用途への開発が進められている。 A so-called "TOF (Time of Flight) sensor" that emits modulated reference light to one of the three-dimensional sensors, detects the time until the reference light is reflected by the subject and returns, and obtains the distance has already been introduced. It is known, and among various three-dimensional sensing methods, development for various applications has been promoted recently due to its responsiveness in principle.
例えば、ジェスチャー認識であったり、ロボットや自動車などの移動体の位置制御などへの応用が期待されている。 For example, it is expected to be applied to gesture recognition and position control of moving objects such as robots and automobiles.
TOF法には、参照光の発光タイミングと受光タイミングの時間差を直接検出する直接TOF法と、受光信号を使った演算から該時間差を検出する間接TOF法があり、一般的に間接TOF法の方が近距離測定に有利であると言われている。 The TOF method includes a direct TOF method that directly detects the time difference between the emission timing and the light reception timing of the reference light, and an indirect TOF method that detects the time difference from an operation using a light reception signal. Generally, the indirect TOF method is used. Is said to be advantageous for short-range measurement.
間接TOF法においては、参照光の変調周波数が高いほど測定距離分解能が向上することがわかっているが、一方で、反射光が参照光の1周期以上分遅れてセンサに戻ってきた場合、それが何周期分遅れて来たのかを判別することができず、一般的に1周期の遅延内に収まる距離が測定可能距離となる。 In the indirect TOF method, it is known that the higher the modulation frequency of the reference light, the better the measurement distance resolution. On the other hand, when the reflected light returns to the sensor with a delay of one cycle or more of the reference light, it is determined. It is not possible to determine how many cycles the delay has occurred, and generally the distance within the delay of one cycle is the measurable distance.
また、測定距離分解能向上を狙って変調周波数を高くすると、測定可能な距離範囲が短く限定されてしまう課題があった。 Further, if the modulation frequency is increased with the aim of improving the measurement distance resolution, there is a problem that the measurable distance range is short and limited.
特許文献1及び2には、この課題を回避するために2種の変調周波数を用いたディエイリアシング方法が開示されている。 Patent Documents 1 and 2 disclose an aliasing method using two types of modulation frequencies in order to avoid this problem.
特許文献1では、2つの周波数によって、被写体から反射光の位相ずれを検出し、エイリアシング(1周期以上の遅れ)を判定する。いずれの周波数に対しても、0°、90°、180°、270°の位相信号を取得し、各信号量の差:I=0°−180°、Q=90°−270°のI値、Q値の符号情報を使ってエイリアシングの判定を行う。 In Patent Document 1, the phase shift of the reflected light from the subject is detected by two frequencies, and aliasing (delay of one cycle or more) is determined. Phase signals of 0 °, 90 °, 180 °, and 270 ° are acquired for any frequency, and the difference between each signal amount: I value of I = 0 ° -180 °, Q = 90 ° -270 °. , Q value code information is used to determine aliasing.
特許文献2では、3つ以上の周波数を使って、それらの中間周波数を使った演算処理によってTOF検出することで、距離分解能が高くの且つ広測距レンジのTOFセンサを実現する。例として、f1、f2、f3の周波数を使った場合に、例えば距離分解能に寄与する高周波数な中間周波数はこれら3つの周波数の平均値とし、広い測距レンジに寄与する低周波数な中間周波数はf1−f2で与えられる。 In Patent Document 2, a TOF sensor having a high distance resolution and a wide range of measurement is realized by detecting TOF by arithmetic processing using those intermediate frequencies using three or more frequencies. As an example, when the frequencies of f1, f2, and f3 are used, for example, the high frequency intermediate frequency that contributes to the distance resolution is the average value of these three frequencies, and the low frequency intermediate frequency that contributes to the wide ranging range is set. It is given by f1-f2.
しかしながら、2種の変調周波数それぞれにおけるTOF検出動作を要するために犠牲となる撮影速度または露光時間に対する対策については述べられていない。 However, no countermeasures are described for the shooting speed or the exposure time that is sacrificed because the TOF detection operation is required at each of the two modulation frequencies.
そこで、この対策として、高い距離分解能を得ることと広い範囲について距離測定することを高次元で両立すべく、発明者らは、上記実施形態を発案した。 Therefore, as a countermeasure, the inventors have proposed the above embodiment in order to achieve both high distance resolution and distance measurement over a wide range at a high level.
1…走行体(移動体)、20…距離センサ(距離測定装置)、21…光源(投光系の一部)、25…光源駆動部(投光系の一部)、28…結像光学系(受光系の一部)、29…イメージセンサ(受光系の一部)、201…投光系、202…受光系(受光手段)、203…3次元情報取得部。 1 ... traveling body (moving body), 20 ... distance sensor (distance measuring device), 21 ... light source (part of projection system), 25 ... light source driving unit (part of projection system), 28 ... imaging optics System (part of light receiving system), 29 ... Image sensor (part of light receiving system), 201 ... Light source system, 202 ... Light receiving system (light receiving means), 203 ... Three-dimensional information acquisition unit.
Claims (14)
前記投光系から投光され物体で反射された光を受光する受光系と、
前記光源の発光タイミングと前記受光系の受光タイミングの時間差に基づいて前記物体までの距離を算出する制御系と、を備え、
前記第1及び第2の駆動パルスのうちパルス幅が小さい方が正弦波状であり、パルス幅が大きい方が矩形波状であり、
前記制御系は、前記第1の駆動パルスが前記光源に供給されている第1の時間帯に求めた前記時間差から算出した前記物体までの距離と、前記第2の駆動パルスが前記光源に供給されている第2の時間帯に求めた前記時間差から算出した前記物体までの距離を用いて3次元情報を求めることを特徴とする距離測定装置。 A light projection system including a light source and a light source drive unit that supplies a plurality of drive pulses including first and second drive pulses having different pulse widths to the light source at different time zones.
A light receiving system that receives light that is projected from the light projecting system and reflected by an object,
A control system for calculating the distance to the object based on the time difference between the light emission timing of the light source and the light reception timing of the light receiving system is provided.
Of the first and second drive pulses, the one having a smaller pulse width has a sinusoidal shape, and the one having a larger pulse width has a rectangular wavy shape.
In the control system, the distance to the object calculated from the time difference obtained in the first time zone in which the first drive pulse is supplied to the light source and the second drive pulse are supplied to the light source. A distance measuring device characterized in that three-dimensional information is obtained using the distance to the object calculated from the time difference obtained in the second time zone.
前記制御系は、前記信号を用いて前記時間差を求め、該時間差から前記距離を算出して該物体の3次元情報を取得することを特徴とする請求項1に記載の距離測定装置。 The light receiving system includes an image pickup device that converts light reflected and received by the object into an electric signal, and divides the electric signal into a plurality of time-by-time signals.
The control system calculates the time difference with the signal, the distance measuring apparatus according to claim 1, characterized in that to calculate the distance from the difference between said time to acquire three-dimensional information of the object.
前記電気信号の時間的な分割数をNa(Na≧3)、
分割された各信号をCi(1≦i≦Na)、
I=Σ[Ci×sin{(2π/Na)×(i−1))}](1≦i≦Na)、
Q=Σ[Ci×cos{(2π/Na)×(i−1)}](1≦i≦Na)、
φ=arctan(I/Q)、
前記第1の駆動パルスのパルス幅をT0、
前記時間差をTdとしたときに、
Td=φ/2π×2T0が成立することを特徴とする請求項2に記載の距離測定装置。 In the first time zone
The number of temporal divisions of the electric signal is Na (Na ≧ 3),
Each divided signal is Ci (1 ≦ i ≦ Na),
I = Σ [Ci × sin {(2π / Na) × (i-1))}] (1 ≦ i ≦ Na),
Q = Σ [Ci × cos {(2π / Na) × (i-1)}] (1 ≦ i ≦ Na),
φ = arctan (I / Q),
The pulse width of the first drive pulse is T0,
When the time difference is Td,
The distance measuring device according to claim 2, wherein Td = φ / 2π × 2T0 is satisfied.
前記電気信号の時間的な分割数をNb(Nb≧2)、
分割された各信号をDi(1≦i≦Nb)、
前記時間差をTd´とし、
前記第2の駆動パルスのパルス幅T1が、前記電気信号が相前後するDiとDi+1に分割されるように設定されたとき、
Td´={Di+1/(Di+Di+1)}×T1が成立することを特徴とする請求項2又は3に記載の距離測定装置。 In the second time zone,
The number of temporal divisions of the electric signal is Nb (Nb ≧ 2),
Each divided signal is divided into Di (1 ≦ i ≦ Nb),
Let the time difference be Td'
When the pulse width T1 of the second drive pulse is set to be divided into Di and Di + 1 in which the electric signal is in phase with each other,
The distance measuring device according to claim 2 or 3, wherein Td'= {Di + 1 / (Di + Di + 1)} × T1 is satisfied.
前記制御系は、前記第1の時間帯において前記撮像素子から得られた輝度情報を用いて外乱光強度を検出し、前記第2の時間帯において前記撮像素子から得られた輝度情報から外乱光成分を除去することを特徴とする請求項5又は6に記載の距離測定装置。 N = 2
The control system detects the ambient light intensity using the luminance information obtained from the image sensor in the first time zone, and the ambient light from the luminance information obtained from the image sensor in the second time zone. The distance measuring device according to claim 5 or 6, wherein the component is removed.
前記第1の発光工程で前記光源から射出され物体で反射された光を受光する第1の受光工程と、
前記第1の時間帯において、前記第1の発光工程の発光タイミングと前記第1の受光工程の受光タイミングとの時間差から距離を算出する第1の距離算出工程と、
前記第1の駆動パルスとはパルス幅が異なる第2の駆動パルスを第2の時間帯に前記光源に供給して発光させる第2の発光工程と、
前記第2の発光工程で前記光源から射出され前記物体で反射された光を受光する第2の受光工程と、
前記第2の時間帯において、前記第2の発光工程の発光タイミングと前記第2の受光工程の受光タイミングとの時間差から距離を算出する第2の距離算出工程と、
前記第1及び第2の距離算出工程での算出結果に基づいて前記物体の3次元情報を求める工程と、を含み、
前記第1及び第2の駆動パルスのうちパルス幅が小さい方が正弦波状であり、パルス幅が大きい方が矩形波状であることを特徴とする3次元計測方法。 The first light emitting step of supplying the first drive pulse to the light source in the first time zone to emit light,
In the first light emitting step, the first light receiving step of receiving the light emitted from the light source and reflected by the object, and
In the first time zone, a first distance calculation step of calculating a distance from a time difference between a light emitting timing of the first light emitting step and a light receiving timing of the first light receiving step,
A second light emitting step in which a second drive pulse having a pulse width different from that of the first drive pulse is supplied to the light source in a second time zone to emit light.
A second light receiving step of receiving the light emitted from the light source and reflected by the object in the second light emitting step,
In the second time zone, the second distance calculation step of calculating the distance from the time difference between the light emission timing of the second light emitting step and the light receiving timing of the second light receiving step,
Including a step of obtaining three-dimensional information of the object based on the calculation results in the first and second distance calculation steps.
A three-dimensional measurement method characterized in that, of the first and second drive pulses, the one having a smaller pulse width has a sinusoidal shape, and the one having a larger pulse width has a rectangular wavy shape.
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