JP6941333B6 - 色変化識別方法 - Google Patents

Description

本発明は、異なる色によって色分けされた平面の色変化位置を識別する色変化識別方法に関する。

これまでの工場などでの無人搬送機から、近年での自動車の自動運転やドローンのような無人航空機のように、移動や搬送等の自動化が急速に進んでいる。そこでは、近接した距離からだけでなく離れた距離から、対象物や動作に関連する情報を検出し、それを基にその後の動作制御や諸処理に関する対応をするようデザインされている。

対象物や動作に関連する情報の検出に関しては、光や音波、電波で検出する方式のセンサ類やカメラを用いた検出方式が実用化されている。

光で検出する方式については、例えばキーエンス社テクニカルレポート「センサとは何か？」に「光」で検出する方式を光電センサとして紹介されており、さらに検出方式によって細かく分類紹介もされている。光電センサ概要については、オムロン社テクニカルガイドの技術解説にも詳しく記載されている。

光電センサは発光部と受光部で構成され、検出対象物からの反射光あるいは透過光を電気信号に変換して出力するもので、検出対象物の有無検出、検出対象物までの距離計測、検出対象物の色判別が出来る。検出対象物の有無検出は、光が遮られることで有を検出し、反射光の角度の違い、あるいは検出対象物から戻ってくるまでの時間の検出によって、検出対象物までの距離を計測する。さらに検出対象物の色によって反射光量が異なることを利用した色判別も可能としている。

光としてレーザー光を広範囲に照射して検出対象物、特に障害物までの距離を計測、さらには３Ｄモデルの生成にまでつなげるレーザーレンジファインダ（ＬＩＤＡＲ）は、自動運転技術のセンサとして使用され、特に、本田技研工業社や日産自動車社における開発事例が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

音波で検出する方式としては、同じくキーエンス社テクニカルレポート「センサとは何か？」に「超音波」で検出する方式の超音波センサが紹介されており、センサヘッドから超音波を発信し、検出対象物から反射してくる超音波を再度センサヘッドで受信し、超音波式センサで発信から受信までの時間を計測することで検出対象物までの距離が測定できる。

電波で検出する方式としては、波長がｍｍ単位となる３０〜３００ＧＨｚ帯の電波のミリ波を用いるミリ波レーダ（ＲＡＤＡＲ）があり、有する特長から自動運転技術のセンサとして障害物検知に用いられている。ミリ波レーダについては、例えば丸文株式会社テクニカルスクエアのＲＦ／マイクロ波の箇所に解説がある。

これら多くの方式にあって、特に平面上に特定の色で描かれた誘導ラインに沿って機器を移動させる、いわゆるライントレースで移動させる場合には、光電センサを機器前方で誘導ライン側に向けて設け、近距離よりラインの部分の色とそれ以外の部分の反射率の違いから色判別をし、その情報を基に機器の走行制御を行うことが一般に行われている。色判別については、カラーセンサを用いてラインの部分の色とそれ以外の部分の色を識別するやり方も考えられる。
カメラを用いた方式にあっては、カメラ撮影による画像認識技術により、障害物だけでなく検出対象物をより詳細に識別し、その特徴検出や判別も可能である。

「計測と制御」、計測自動制御学会、２０１５年５４巻１１号、ｐ．８２８−８３５

上記した光や音波、電波で検出する方式のほとんどが、検出対象物までの距離に関する情報を検出するもので、移動や搬送等の自動化技術に対しては、離れた距離から立体的な構造体を検出し、移動の際の障害物等を検知するために用いられる。そのため数ｍ以上離れた距離からでも物体の存在を検出可能で、検出対象物の色が異なる場合でも安定した検出が可能である。そのためモノの有無や段差の検出には有効であるが、これらの検出方式を用いて検出対象物の領域の違いを検出するには、領域ごとに段差を設けた検出対象物に制限される。

一方ライントレースのように、ラインの部分の色とそれ以外の部分を違いを検出する場合には、検出対象物の色による反射率の違いを検出し色判別する光電センサやカラーセンサ、カメラによる方式の採用となる。

この中で、反射率の違いから色判別する光電センサを用いた検出では、対象物からの反射光量を外乱光の影響を極力低減し検出する必要から、１０ｃｍ程度以下の距離から検出することが必要となり、検出が近距離に限られる。また検出対象物までの距離変動や表面状態変化の影響を受け易いといった検出の安定性に欠ける特性がある。加えて曲線を有する境界の検出では、光電センサを複数個配列させる必要があり、それらの機械的ならびに電気的な配設や特性の調整、複数の信号の取り込みや判定アルゴリズムの設計やその処理実行が必要となり、また取り付けスペースの確保も必要となってサイズも大きくなる。加えて、複数のセンサの取り付けに間隔が生じ、その判定が閾値との大小関係で行うため情報が離散的になり連続的な情報が得られない。

つぎに、カメラ撮影された画像の画像認識による方法は、遠距離から広域に渡って連続的に画像情報が得られ、撮影方法や各種多様な画像処理により、画像情報を得る方法としては高機能高性能である。よって色分けされた平面における色の検出は可能ではあるが、ハードウェア準備や画像処理解析アルゴリズムの設計最適化、大量の画像データの管理や保存、処理速度の高速化などへの対応が必要で、コスト面でも課題がある。

カラーセンサによる検出方法では、センサ取り扱いにあたって、色相、明度、彩度について細かく設定し、１つの色についてこれら複数の検出データを管理処理しなければならず、実用上は取り扱いに苦慮し多くの工数を要する。カラーセンサの特性の維持管理も他のセンサと比べより必要とされる。

本発明は、このような従来からの検出が有していた問題を解決しようとするものであり、平面に異なる色によって色分けされた色領域を簡易な方法で識別することができる色変化識別方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を解決するため、請求項１に記載の発明は、第一の色と該第一の色とは異なる第二の色とが連続して配色された平面を有する対象物の色変化位置の情報を得る色変化識別方法であって、
三角測量の原理により対象物までの距離を測定可能な発光部及び受光部を、前記第一の色及び前記第二の色の配色方向と同方向に配置し、
前記発光部は、前記対象物に対して所定光径を有する光を照射し、
前記受光部は、光径を有する前記対象物で反射した反射光を所定領域において受光する位置検出素子を有するとともに、該位置検出素子で受光した反射光の光量の分布に基づいて光量重心位置を特定可能な信号を出力し、
前記発光部と前記受光部とを一組のユニットとし、
前記対象物の平面の前記第一の色及び前記第二の色の配色方向と同方向で、前記発光部と前記受光部との配置順が異なる二組のユニットを配置し、
前記二組のユニットのうちの一方のユニットの受光部の位置検出素子の所定領域における前記対象物からの反射光の光量の分布に基づく出力信号から光量重心位置を特定するとともに、該一方のユニットの受光部と同時に得られる他方のユニットの受光部の位置検出素子の所定領域における該対象物からの反射光の光量の分布に基づく出力信号から光量重心位置を特定し、
特定した前記一方のユニットの光量重心位置と前記他方のユニットの光量重心位置とに基づいて、前記対象物の平面における前記第一の色と前記第二の色との間の色変化位置の情報を得、
特定した前記一方のユニットの光量重心位置と、前記他方のユニットの光量重心位置との和を求め、前記対象物の平面のいずれの色の領域であるかを識別することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、第一の色と該第一の色とは異なる第二の色とが連続して配色された平面を有する対象物の色変化位置の情報を得る色変化識別方法であって、
三角測量の原理により対象物までの距離を測定可能な発光部及び受光部を、前記第一の色及び前記第二の色の配色方向と同方向に配置し、
前記発光部は、前記対象物に対して所定光径を有する光を照射し、
前記受光部は、光径を有する前記対象物で反射した反射光を所定領域において受光する位置検出素子を有するとともに、該位置検出素子で受光した反射光の光量の分布に基づいて光量重心位置を特定可能な信号を出力し、
前記発光部と前記受光部とを一組のユニットとし、
前記対象物の平面の前記第一の色及び前記第二の色の配色方向と同方向で、前記発光部と前記受光部との配置順が異なる二組のユニットを配置し、
前記二組のユニットのうちの一方のユニットの受光部の位置検出素子の所定領域における前記対象物からの反射光の光量の分布に基づく出力信号から光量重心位置を特定するとともに、該一方のユニットの受光部と同時に得られる他方のユニットの受光部の位置検出素子の所定領域における該対象物からの反射光の光量の分布に基づく出力信号から光量重心位置を特定し、
特定した前記一方のユニットの光量重心位置と前記他方のユニットの光量重心位置とに基づいて、前記対象物の平面における前記第一の色と前記第二の色との間の色変化位置の情報を得、
特定した前記一方のユニットの光量重心位置と、前記他方のユニットの光量重心位置との差を求め、前記対象物の平面の前記第一の色と前記第二の色との間の色変化位置を識別することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の色変化識別方法において、
特定した前記一方のユニットの光量重心位置と、前記他方のユニットの光量重心位置との差を求め、前記対象物の平面の前記第一の色と前記第二の色との間の色変化位置を識別することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の色変化識別方法において、
前記対象物の平面の異なる位置でそれぞれ取得した前記受光部の前記位置検出素子の所定領域における該対象物からの反射光の光量の分布に基づく出力信号により特定した光量重心位置を比較して、該対象物の平面における前記第一の色と前記第二の色との間の色変化について、その配色位置関係を識別することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の色変化識別方法において、
前記一方のユニットにより特定された光量重心位置を示す出力信号の大きさ及び前記他方のユニットにより特定された光量重心位置を示す出力信号の大きさをそれぞれ調整し、調整後の各出力信号を用いて前記対象物の平面の前記第一の色と前記第二の色との間の色変化位置の情報を得ることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の色変化識別方法において、
前記発光部がＬＥＤであることを特徴とする。

上記第１の課題解決方法による効果は次の通りである。すなわち、対象物までの距離を測定する方法で、対象物までの距離を変えることなく、異なる色で色分けされた平面の色変わりするところの情報を得ることが出来る。

また、上記第２の課題解決方法による効果は次の通りである。すなわち、異なる２色で色分けされた平面の色の境目に対して、第１の課題解決方法による効果に加えて、２色の配色位置関係を識別することが出来る。

さらにまた、上記第３の課題解決方法による効果は次の通りである。すなわち、受光部と発光部の位置関係を変えた２組を使うことで、複数回色変化をする場合、１組で検出するのと比べ、配色位置関係によって生じる色変化の境目の位置の検出特性の差を解消でき、検出のための移動距離を低減できる。

さらにまた、上記第４の課題解決方法による効果は次の通りである。すなわち、受光部と発光部の位置関係を変えた２組の両者の出力を加算することで、異なる２色のいずれの色であるかが識別できる。

さらにまた、上記第５の課題解決方法による効果は次の通りである。すなわち、受光部と発光部の位置関係を変えた２組からの出力の互いの差分を求めることで、正負符号の異なる値をもって色変わりするところでの２色の配色位置関係の判断が出来る。また部品の交換取り付けや検出特性変化によって、一方の組と他方の組で同じ色の面に対する出力が異なっても、同じ値に揃える補正もできる。

さらにまた、上記第７の課題解決方法による効果は次の通りである。すなわち、光径を有するＬＥＤ光源を用いることで対象物に対して照射域を確保でき、色変わりするところにそれが照射されたときに、照射域内において色分けされた色の配置によって受光部の向きへの反射光の光量に差が現れる。また発光波長域が限られるので、受光部での分光感度の影響が低減できる。

三角測量の原理を示す図である。 対象物からの反射光の光路について説明する図である。 発光部からの光を撮影した写真である。 実施例１の構成について説明する図である。 実施例１による測定結果を示す図である。 実施例２の構成について説明する図である。 実施例２による測定結果を示す図である。 実施例３により得られた結果を示す図である。 実施例４による測定結果を示す図である。 実施例５により得られた結果を示す図である。

三角測量の原理による距離測定では、図１に示すように、発光部から発せられた光が対象物に当たって戻ってきた反射光を受光部で受光するとき、対象物までの距離ｘに応じて受光部への入射角度θが変わることで、受光部内の光が当たる位置情報を検出する位置検出素子に対するｄが変わり、ｘ＝（ｐ・ｆ）／ｄより距離を求める。

この三角測量の原理により対象物までの距離ｘに応じて出力電圧が変化する発光部と受光部が一体に構成された赤外線測距センサを用い、一定の距離に設置した黒色の対象物と白色の対象物に対する出力電圧を測定する実験を行った。赤外線測距センサとしては、シャープ社製赤外線方式測距モジュールＧＰ２Ｙ０Ａ０２ＹＫを用い、供給電圧４．５ＶＤＣで常温室内にて実験した。対象物にはコピー用紙を用い、モノクロコピー機で出力したベタ黒の部分を黒色の対象物とし、用紙半分は無地のまま出力し、それを白色の対象物とした。対象物を机上に置き、赤外線測距センサの発光部と受光部とを対象物と同じ距離に平行に下向きにして設置した。３０ｃｍの距離での実験結果を表１に示す。また、上記赤外線測距センサの距離特性図を表２に示す。

白色や黒色に対しては、センサの向きによらず、同じ出力電圧であった。しかし白色と黒色で色分けされた白黒の対象物に対しては、発光部と受光部を色分けされた方向と同じ方向で配列したとき、白色や黒色の単色のときの出力電圧とは異なる結果となった。また白黒の対象物における白色と黒色の配色位置を逆にすると、その両者でも違いが出た。さらに、出力電圧に変化が現れた発光部と受光部の配列方向において、センサを色分けされた方向で移動すると、色変化する位置の上を通過していくに伴って出力電圧にピークを有する変化が現れた。一方、表１内の右欄に示すように、発光部と受光部の配置方向と色分けされた方向とが直角となるようにしてセンサを矢印のように移動したときには、センサの出力電圧に変化はなかった。

このような現象が発生する要因について、次のように考察した。図２を用いて説明する。

図１では発光部から発せられる光を線で示したが、発光部の光源が発光ダイオード素子（ＬＥＤ）の場合には光径を有した光である。図３は、発光部から発せられる光を撮影したもので円形の外周付近で発光強度が強いリング状の発光分布を有した光であることがわかる。

このことより、その内部で光量分布を有した円形の光が対象物に当たっており、図２で示すように対象物のＬの位置からの反射光はＬ１のような光路で、また対象物Ｒの位置からの反射光はＲ１のような光路で受光部に入射することとなる。このことから、対象物からの反射光は、受光部内の位置検出素子に対して図１で示したｄの近傍に光量分布を有して当たることになる。

位置検出素子の特性から、位置検出素子から得られる情報は、素子に当たる光全体の光量重心位置であるので、対象物の表面が白色一色あるいは黒色一色のように単色であれば、色による反射率の差によって位置検出素子に届く光量に違いはあっても、位置検出素子から得られる光量重心位置に差は出ない。そのため、表１の実験結果からわかるように白色や黒色に対しては同じ出力電圧となる。表１に示した実験結果で確認できる。

ところが、Ｌ側とＲ側とでその表面の色が異なると、反射率が異なる為、位置検出素子のｄ近傍に当たる光量分布は、単色の場合と異なることとなり、そのため、光量重心位置も単色の位置とは異なることとなる。

今回実験で使った赤外線測距センサは、表２に示すように２０ｃｍから１５０ｃｍの範囲では距離が長くなるほど出力電圧が低くなる特性を有しており、距離ｘが短くなると、入射角度θが大きくなって、ｄが長くなるとき出力電圧が高くなる。図２のＬ側に白色、Ｒ側に黒色があると、Ｌ側での反射率が大きいので、位置検出素子に対しては、図２のｄより外側に光量が多く、ｄより内側に光量が少ない光量分布で光があたる。この時の光量重心位置は、単色での位置と比べ、ｄが長くなる位置になり、出力電圧としては、単色のときと比べ高くなる。表１で、左に白色、右に黒色のパターンにおいて、出力電圧が上がったのは、このためであると言える。

逆に、Ｌ側に黒色、Ｒ側に白色の場合には、Ｒ側での反射率が大きいので、位置検出素子に対しては、図２のｄより内側に光量が多く、ｄより外側で光量が少ない光量分布で光があたる。そのため、光量重心位置は、単色での位置と比べ、ｄが短い位置になり、出力電圧としては、単色のときと比べ低くなる。表１で、左に黒色、右に白色のパターンにおいて、出力電圧が下がったのは、このためであると言える。

このような特性から、発光部からの光が当たる対象物の表面におけるＬからＲに至るなかで、黒色と白色の配色位置関係とその色変わりの位置に応じて、結果として出力電圧が変化すると説明できる。表１で示した、出力電圧に変化が現れた発光部と受光部の配列方向において、センサを色分けされた方向で移動したとき、色変わりする位置の上を通過していくに伴ってピークを有する出力電圧の変化が現れた実験結果は、これに相当する。

次に実施例について説明する。
本実施例では、コピー用紙上に４０ｍｍ幅の黒色域を出力形成した対象物に対して、３０ｃｍの距離から、白色から黒色への、また黒色から白色への色変わりを検出する。

図４にその実験の様子をしめす。
発光部と受光部を色分けされた方向と同じ方向で配列させた赤外線測距センサを３０ｃｍの高さで机上に固定し、机上に置いた４０ｍｍ幅で黒色域が出力されたコピー用紙を色変化する方向で移動させながら、出力電圧の変化を測定する。４０ｍｍ幅の黒色域の右端ＷＲと発光部直下となるＣとの距離ｕを、図面右側をプラスにして−３０ｍｍから＋７０ｍｍの間で５ｍｍ間隔毎に、出力電圧を測定記録した。

結果を図５に示す。
ｕの変化と共に、出力電圧が変化した。ｕが５ｍｍの位置で下に凸を有し、４０ｍｍの位置で上に凸有する出力電圧変化を示した。図４から、ｕが０ｍｍのときがＣからＬ側に黒色が、ＣからＲ側に白色となる場合であり、ｕが４０ｍｍのときがＣからＬ側に白色が、ＣからＲ側が黒色となる場合となる。
実験結果は、４０ｍｍ幅の黒色ラインのＷＲがＲ側に５ｍｍ入り込んだ時に出力電圧が最も低くなったが、一方のＷＬはその位置がＣにある時に出力電圧が最も高くなった。
対象物からの反射光の光量分布や位置検出素子の感度分布などにより、ＷＲを検出する側とＷＬを検出する側で完全に対称的な出力電圧変化は示さなかったが、本特性を予め把握しておくことで、センサからの出力電圧の変化からＷＲとＷＬの位置を検出することが可能である。特にＷＬの位置については、出力電圧の変曲点となるときと一致した。

次に別なる実施例について説明する。
実施例１では、一組の発光部と受光部を用いた例を示した。一組の発光部と受光部でも、その出力電圧から、色分けされた色かわりのところを検出することは可能ではあるが、ＷＬの位置は出力電圧が上がって最も高くなるとき検出できる一方で、ＷＲの位置検出については、出力電圧の変化の最も低いときとは異なり、用いたセンサの動作特性分布にも起因すると考えるが、ズレが生じた。また色変わりが無く、次なる色変わりまで幅がある、いわばＷＬからＷＲまでの長さが長いとき、一組ではその幅全域に渡って、発光部と受光部を一体にして移動しなければならない。

そこで、実施例２では、実施例１で正確に色変わり位置が検出できたＣに対してＬ側に白色でＲ側に黒色となる発光部と受光部の配列位置関係を、発光部と受光部とで入れ替えたもう一組を別途準備し、図６のように配設して検出を行う。図６は、実施例１で用いた赤外線測距センサを２つ用意し、２つのセンサの対象物に対する発光部と受光部の配列位置関係が逆になるようにして、対象物から同じ距離で配置する。発光部の間隔ＳＷを４０ｍｍとし、対象物として全面黒色のなかに２０ｍｍ幅の白色域が形成されたコピー用紙を用い、対象物を机上に置き、３０ｃｍの高さから、白色から黒色への、また黒色から白色への色変わりを検出する。実施例１と同じように、２つのセンサは固定し、対象物を移動させながら、２つのセンサからの出力電圧の変化を測定した。２つの発光部間の中心をＳＣ、２０ｍｍ幅の白色ラインの中心をＬＣとし、白色ラインの左側で黒色と色変わりする位置をＷＬ、右側で黒色と色変わりする位置をＷＲとし、ＳＣとＬＣとの距離ｕを、図面右側をプラスにして、−５０ｍｍから＋５０ｍｍの間で５ｍｍ間隔毎に変えながら、出力電圧を記録していった。なお、図６の左側の発光部と受光部の組をセンサＡ、右側の組をセンサＢとした。

結果を図７に示す。
センサＡにおいてｕが−１０ｍｍのとき、すなわち、ＷＬがセンサＡの発光部の中心の下ＡＣにあるとき、最も高い出力電圧となった。またセンサＢにおいてｕが１０ｍｍのとき、すなわち、ＷＲがセンサＢの発光部の中心の下ＢＣにあるとき、最も高い出力電圧となった。

こうして、発光部と受光部の配列位置関係を入れ替えた２つの組を用いることで、黒色から白色への色変化、白色から黒色の色変化のそれぞれの位置が、それぞれの受光部からの出力信号により正確に検出することが出来た。

実施例２により、黒色のなかの白色域に対する色変わりの位置を、白色域の左右両側であるＷＬとＷＲともに正確に検出することが可能となった。

ところで、実施例１や実施例２で示した実験結果からもわかるように、色変化の位置を検出する際に、出力電圧はピークを有する凸型の出力変化を示す。このことは、ピークの出力電圧でないときであっても、すなわち色変わりの位置そのものを検出していなくとも、その出力変化の状況から、その近傍に色変わりするところが存在していることを提示していることになる。そして、その出力電圧の変化から、色変化の境目までの距離が推定できる。

図５で説明すると、この実験で色変化の境目を検出するときにピーク電圧を示すｕが４０ｍｍの位置に対して、例えば出力電圧が１．８Ｖであれば、３３ｍｍあるいは４７ｍｍ付近に位置するところを検出しているとわかる。
図７でみると、センサＡとセンサＢで少しの差異はあるが、センサＡの出力電圧が１．８Ｖであれば、ＷＬがＡＣ近傍でＡＣのＲ側２ｍｍあるいはＬ側８ｍｍ付近にあることを、またセンサＢの出力電圧が１．８Ｖであれば、ＷＲがＢＣ近傍でＢＣのＬ側７ｍｍあるいはＲ側６ｍｍ付近にあることを検出できる。

そこで次なる実施例を説明する。
図８は、図６の実験で得られた図７のセンサＡとセンサＢの出力電圧の差と和を示した。この図では、差と和を同じグラフ内で示すために、センサＡおよびセンサＢのそれぞれの出力電圧の値から１．６Ｖを差し引いた値を用いて、計算した。よって、和は（センサＡの出力電圧値−１．６）＋（センサＢの出力電圧値−１．６）であり、差は（センサＡの出力電圧値−１．６）−（センサＢの出力電圧値−１．６）である。

これより、和が０．１Ｖ以上であれば、図６のＳＣのところが白色域あるいは白色域の近傍であると判断でき、一方０．１Ｖ未満であれば、明らかに黒色域であると判断できる。これは、センサＡのみ、センサＢのみといった１組の発光部と受光部では得ることが出来ない検出が可能であることを示す。

また、和が０．１Ｖ以上であって、差が０．１５Ｖ付近であれば、ＷＬがＡＣ近傍にあることが、また和が０．１Ｖ以上で、差が−０．２Ｖ付近であれば、ＷＲがＢＣ近傍にあることを検出できることを示している。

またＷＬ側の検出のときとＷＲ側の検出のときで、差の値の符号が正負で異なり、センサＡとセンサＢのそれぞれの出力電圧を用いて検出判断するとき場合と比べて、検出判断を正負符号と関連付けて行えるので、検出の判断ミスが低減できより容易に判断することが出来る。

さらにまた、ｕが−１０ｍｍから１０ｍｍに至る間においては、差の値がほぼ線形に変化しており、差の値から、ＳＣが、白色域内にあって色変わりの位置からどの位置にあるか推定することも可能である。和が０．１Ｖ以上で、差がほぼ０Ｖであれば、ＳＣが白色域の中央ＬＣにあることがわかる。これは一定幅で描かれたライントレースのコース検出では、ＳＣがライン幅のどの位置にあるかを検出できることであり、ライントレースさせる動作制御に対して非常に有用な情報を提供する。

このように、和と差を求め、その値を用いて検出の判断処理を進めることで、色変わりの位置の検出のみならず、色の判別、さらには色変わりの位置からの距離情報をも得ることが可能である。三角測量による対象物までの距離の測定が出来ることは、言うまでもない。

次なる実施例では、図６において、２つの発光部の間隔ＳＷは４０ｍｍのままに、ｘを９ｃｍに、全面白色のなかに５５ｍｍ幅の黒色域を形成したコピー用紙を対象物とする。

実施例２と同様、２つのセンサは固定し、対象物を移動させながら、２つのセンサからの出力電圧を測定する。センサには５．０ＶＤＣを供給し、ｕを−７０ｍｍから７０ｍｍの間で５ｍｍ間隔毎に変えながら測定する。
実験は常温室内で行った。
用いたセンサはこれまでと同じであるが、上記表２で示すように距離が１５ｃｍ以下では距離が長くなるほど出力電圧が高くなり、また距離変化に対してセンサの出力電圧が線形の関係で急峻な変化を示す特性を有す。

結果を図９に示す。
全面白色に対する出力値が、センサＡとセンサＢで０．１５Ｖほど異なった。これは、対象物との距離が９ｃｍ付近で、距離変化に対するセンサの出力電圧が急峻な変化をする特性に起因し、両センサ取り付けの際の対象物までの距離に差異があったために現れたもので、実用上も起こりうる現象である。
出力電圧の変化状況については、センサＡではｕが１０ｍｍの付近で下に凸の、また６０ｍｍの付近で上に凸の変化を示し、センサＢでは−１０ｍｍ付近で下に凸の、−６０ｍｍ付近で上に凸の変化を示した。
対象物が全面白色のなかに黒色の幅広ラインが出力されたものであり、ＳＷよりＬＤが大きく、距離と出力電圧が正の関係を有することから、このような出力電圧の変化状況となった。
ＳＷが４０ｍｍでＬＤが５５ｍｍにあっては、ｕが−７．５ｍｍや７．５ｍｍの位置で最も凸になるはずであるが、５ｍｍ間隔での測定であったので、より近い−１０ｍｍや１０ｍｍの位置で現れた。
出力電圧の変化を曲線で近似すれば、センサＡでみれば、７．５ｍｍあたりに、またセンサＢでみれば、−７．５ｍｍあたりにそれぞれ変曲点があると見てとれるので、色変化の位置を正しく検出していると言える。
さらに、センサＡならびにセンサＢ共に、出力電圧の変化が下に凸の変曲点となるときのｕと、上に凸で変曲点となるときのｕの差は、対象物に描かれた黒色域の幅５５ｍｍに近く、本発明の検出方法により、色変わりの位置を検出し、さらには色変わりの位置から次の色変わりの位置までの長さをも検出できることを示す。

次に、この結果に対して、実施例３で行ったようなセンサＡとセンサＢの出力電圧の差と和を求めた。

計算にあたっては、全面白色に対する出力値が、センサＡとセンサＢで０．１５Ｖほど異なったので、計算にあたっては、センサＡからは２．０５Ｖを、またセンサＢからは２．２０Ｖをそれぞれ差し引いた値を用いた。

よって、和は（センサＡの出力電圧値−２．０５）＋（センサＢの出力電圧値−２．２０）であり、差は（センサＡの出力電圧値−２．０５）−（センサＢの出力電圧値−２．２０）である。

結果を図１０に示す。
これより、和が−０．４Ｖより低ければ、図６のＡＣとＢＣが共に黒色域、あるいは、ＡＣとＢＣのいずれか一方が黒色域で他方が黒色域と白色域との境界近傍であると判断でき、一方−０．４Ｖより高ければ、それ以外であると判断できる。
また、和が−０．４Ｖ以下であって、差が０．５Ｖ付近であれば、ＷＲがＢＣ近傍にあることが、和が−０．４Ｖ以下で、差が−０．５Ｖ付近であれば、ＷＬがＡＣ近傍にあると検出できる。

実施例２と実施例４からわかるように、白色と黒色の配色位置関係が異なっても、また対象物までの距離が異なっても、本発明の検出方法は有効に実現できる。

さて、本発明による検出方法は実施例で説明した検出方法だけに限らない。請求項で記述した検出方法を実現するものであれば制限なく全て含まれる。

記述した実施例では、白色と黒色で色分けされた平面に対しての実施例を記したが、特にそれに限定されるものでなく、色分けされた色変わりのところにおいて受光部からの出力が、色分けしたいずれかの単色に対する出力と差が出る場合には、適用可能である。

また、発光部と受光部とからなる組を一組用いて検出する方法での課題を示し、発光部と受光部の配列位置を変えたもう一組を組み合わせた実施例を示したが、発光部と受光部とからなる一組のみ用いて検出してすることを否定するものでは無く、その特性を理解して使用しても構わない。

また、発光部と受光部とからなる組と、発光部と受光部の配列位置を変えた組を共に用いる実施例を示したが、特に発光部と受光部の配列位置を変えた組を用いることなく、発光部と受光部の配列位置が同じ組を複数組配置させて検出することを否定するものではなく、用いて構わない。

さらにまた、実施例では、図面の左右方向での色変わりする例の検出について説明したが、特にそれに限るものではない。

前後方向、左右前後方向、さらには右上や右下、左上や左下などを加えた多方向に対して検出するよう構成しても良い。もちろん、対象物までの距離を限定するものでない。

また、実施例２では色変化の位置から１０ｍｍのところ、実施例４では７．５ｍｍのところに出力電圧がピークとなるような対象物とセンサの取り付け位置関係としたが、この位置関係は自在に変更して構わない。

受光部からの出力として出力電圧を用いたが、それに限定されるものでなく、また、デジタル変換した出力値を用いて検出処理を行っても構わない。

実施例では、受光部からの出力電圧の値をそのまま用いて検出判断ならびに計算をする例を示したが、出力電圧を増幅させて検出のための処理を進めても構わない。

本発明の検出方法により得られた結果は、それで終わりとするだけなく、その後の様々な処理や制御に活用して良く、検出と制御をくり返しながら目標の実現に向けたシステム設計や最適化処理を進めることが出来る。

本発明の利用分野としてはライントレースのライン検出がまず挙げられる。既設のライン幅が解っている場合はもちろん、今後新規に設けられるライン幅が既設のものと異なった際にも、２組の発光部と発光部の配設間隔を調整するだけでラインエッジの検出が容易に可能となる。またラインエッジ、すなわち色変わりの位置の検出時に最も出力信号が強くなるような配設間隔とすることも、あるいはラインエッジから多少離れた位置で出力信号の強さを高くするような変更も自由に出来る。さらにまた、出力信号から、ラインエッジからの距離、いわばラインエッジからの位置ズレ量もわかるので、その値に応じたライントレース制御のさせ方をさせることも可能である。

上空からの検出、上空での検出にも利用可能で、ドローンの移動案内のための検出方法としても活用可能である。地面との距離が変化してもその距離は測定可能であり、敷設されたラインや架設されたケーブルなどとの距離が変わっても測定可能なので、それらを連続的に検出していくことは可能である。

次に、本発明は対象物から離れていても、また対象物までの距離が変わっても、その距離と色変わりするところでの受光部からの出力信号の値ならびに和や差における閾値との関係を予め把握しておくことで、目的とする検出は可能であるので、標識や案内板を離れたところから識別することに利用可能である。標識や案内板の多くは平面に色分けして描かれたものがほとんどある。本発明の検出方法を有したセンサを走査させることで、色分けして描かれている絵柄の色変わりの位置情報を連続的に取得していき、既存データとの比較により標識や案内板が示す情報の識別や判別が可能となる。標識や案内板との距離は、三角測量により随時測定可能であるので、その距離が変動変化しても問題なく検出可能である。

既設インフラにおいても、道路に描かれたラインや鉄道レールなどに沿って作業する場面でも、本発明はそれらラインやレールの位置やそれらからのズレを上方から検出することにも利用可能である。

動作範囲が、例えば色によって区域分けした平面の内側だけとする遊具施設や特殊機器などへの搭載も考えられ、限定区域外への暴走や飛び出しの防止のための検出方法になり得る。

このように、本発明は多くの産業分野に活用可能で、またその利用の際に対象物に応じて得たい検出結果を得るための配設の条件に関する自由度もあり、本発明の利用価値は高く、その効果や有効性も絶大なものである。

Claims (6)

1. 第一の色と該第一の色とは異なる第二の色とが連続して配色された平面を有する対象物の色変化位置の情報を得る色変化識別方法であって、
   三角測量の原理により対象物までの距離を測定可能な発光部及び受光部を、前記第一の色及び前記第二の色の配色方向と同方向に配置し、
   前記発光部は、前記対象物に対して所定光径を有する光を照射し、
   前記受光部は、光径を有する前記対象物で反射した反射光を所定領域において受光する位置検出素子を有するとともに、該位置検出素子で受光した反射光の光量の分布に基づいて光量重心位置を特定可能な信号を出力し、
   前記発光部と前記受光部とを一組のユニットとし、
   前記対象物の平面の前記第一の色及び前記第二の色の配色方向と同方向で、前記発光部と前記受光部との配置順が異なる二組のユニットを配置し、
   前記二組のユニットのうちの一方のユニットの受光部の位置検出素子の所定領域における前記対象物からの反射光の光量の分布に基づく出力信号から光量重心位置を特定するとともに、該一方のユニットの受光部と同時に得られる他方のユニットの受光部の位置検出素子の所定領域における該対象物からの反射光の光量の分布に基づく出力信号から光量重心位置を特定し、
   特定した前記一方のユニットの光量重心位置と前記他方のユニットの光量重心位置とに基づいて、前記対象物の平面における前記第一の色と前記第二の色との間の色変化位置の情報を得、
   特定した前記一方のユニットの光量重心位置と、前記他方のユニットの光量重心位置との和を求め、前記対象物の平面のいずれの色の領域であるかを識別することを特徴とする色変化識別方法。
2. 第一の色と該第一の色とは異なる第二の色とが連続して配色された平面を有する対象物の色変化位置の情報を得る色変化識別方法であって、
   三角測量の原理により対象物までの距離を測定可能な発光部及び受光部を、前記第一の色及び前記第二の色の配色方向と同方向に配置し、
   前記発光部は、前記対象物に対して所定光径を有する光を照射し、
   前記受光部は、光径を有する前記対象物で反射した反射光を所定領域において受光する位置検出素子を有するとともに、該位置検出素子で受光した反射光の光量の分布に基づいて光量重心位置を特定可能な信号を出力し、
   前記発光部と前記受光部とを一組のユニットとし、
   前記対象物の平面の前記第一の色及び前記第二の色の配色方向と同方向で、前記発光部と前記受光部との配置順が異なる二組のユニットを配置し、
   前記二組のユニットのうちの一方のユニットの受光部の位置検出素子の所定領域における前記対象物からの反射光の光量の分布に基づく出力信号から光量重心位置を特定するとともに、該一方のユニットの受光部と同時に得られる他方のユニットの受光部の位置検出素子の所定領域における該対象物からの反射光の光量の分布に基づく出力信号から光量重心位置を特定し、
   特定した前記一方のユニットの光量重心位置と前記他方のユニットの光量重心位置とに基づいて、前記対象物の平面における前記第一の色と前記第二の色との間の色変化位置の情報を得、
   特定した前記一方のユニットの光量重心位置と、前記他方のユニットの光量重心位置との差を求め、前記対象物の平面の前記第一の色と前記第二の色との間の色変化位置を識別することを特徴とする色変化識別方法。
3. 特定した前記一方のユニットの光量重心位置と、前記他方のユニットの光量重心位置との差を求め、前記対象物の平面の前記第一の色と前記第二の色との間の色変化位置を識別することを特徴とする請求項１に記載の色変化識別方法。
4. 前記対象物の平面の異なる位置でそれぞれ取得した前記受光部の前記位置検出素子の所定領域における該対象物からの反射光の光量の分布に基づく出力信号により特定した光量重心位置を比較して、該対象物の平面における前記第一の色と前記第二の色との間の色変化について、その配色位置関係を識別することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の色変化識別方法。
5. 前記一方のユニットにより特定された光量重心位置を示す出力信号の大きさ及び前記他方のユニットにより特定された光量重心位置を示す出力信号の大きさをそれぞれ調整し、調整後の各出力信号を用いて前記対象物の平面の前記第一の色と前記第二の色との間の色変化位置の情報を得ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の色変化識別方法。
6. 前記発光部がＬＥＤであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の色変化識別方法。
   

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