JP7245767B2

JP7245767B2 - 全方位測距装置

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Publication number: JP7245767B2
Application number: JP2019231747A
Authority: JP
Inventors: 直也松浦; 紀元市川
Original assignee: Hitachi LG Data Storage Inc
Current assignee: Hitachi LG Data Storage Inc
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2039-12-23
Also published as: JP2021099278A; US20210190917A1; US11789122B2; CN113030994A

Description

本発明は、対象物までの距離を全方位で測定する全方位測距装置に関する。

対象物までの距離を測定して距離画像を得るために、照射光が対象物で反射して戻ってくるまでの飛行時間により距離を測定する方式（ＴＯＦ＝Time Of Flight）を用いた測距装置が実用化されている。この場合、測距センサとなるＴＯＦセンサでは、照射光の発光と反射光の露光を周期的に繰り返し、所定の露光期間に蓄積された露光量から照射光に対する反射光の時間遅れを算出して距離を測定する。測定空間が広いときには、同一の測定空間内に複数のＴＯＦセンサを設置して同時に測距動作を行なう。例えば特許文献１には、複数のＴＯＦセンサを設置した場合の装置間の光干渉の判定や干渉対策について記載されている。

特表２０１６－５０２６５７号公報

一般の測距センサは、その検知領域（検知角度幅）が限られているので、例えば部屋の天井に測距センサを取り付けて真下方向を検知しようとすると、検知範囲は真下領域に限られてしまう。そこで、より広い空間（全方位）をカバーするためには、複数の測距センサを設置して検知領域を拡大させることになる。その際、各測距センサの検知領域の重なりを少なくし、かつ検知されない領域が生じないように効率的に設置するのが望ましい。そのため作業者は、複数の測距センサを天井等に設置した後、測距センサ毎に検知領域を調整しなければならず、作業時間と設置コストが増加するという課題があった。

特許文献１をはじめ従来技術では、広い空間をカバーするための測距装置、および複数の測距センサを設置する際の作業の効率化については特に考慮されていなかった。

本発明の目的は、広い検知範囲をカバーするとともに、複数の測距センサについて相互の検知領域の調整が不要な全方位測距装置を提供することである。

本発明の全方位測距装置は、対象物までの距離を測定する複数の測距センサを、中心軸の周りに互いに接近させて放射状に配置し、複数の測距センサの検知中心方向を、中心軸に直交する面から所定の角度だけ傾斜させて一体的に構成したことを特徴とする。

好ましくは、前記測距センサは、光の飛行時間により対象物までの距離を測定するＴＯＦセンサ（Time Of Flight）であり、ＴＯＦセンサは、照射光を出射する発光部と、対象物からの反射光を受光する受光部とを備える。
また、複数のＴＯＦセンサの発光部は、中心軸の周りに互いに接近させて放射状に配置され、複数のＴＯＦセンサの受光部は共通化され、全方位測距装置の中央部に配置されている。
あるいは、前記測距センサは、一対のカメラの視差により対象物までの距離を測定するステレオカメラである。

本発明の全方位測距装置によれば、広い検知範囲をカバーするとともに、装置を設置する際、複数の測距センサについて相互の検知領域の調整が不要となり、作業時間と設置コストを低減することができる。

実施例１に係る全方位測距装置の外観を示す図。図１に示す全方位測距装置の断面図。発光部の構成を示す図。ＴＯＦセンサの測距原理を示す図。ＴＯＦセンサからの信号処理を説明する図。全方位測距装置による検知範囲の例を示す図。距離画像の例を模式的に示す図。実施例２に係る全方位測距装置の外観を示す図。図８に示す全方位測距装置の断面図。実施例３に係る全方位測距装置の外観を示す図。ステレオカメラによる距離測定の原理を示す図。

以下、本発明の実施形態を説明する。本発明は複数の測距センサを用いるが、実施例１と実施例２は、測距センサとしてＴＯＦセンサを用いる場合、実施例３は、測距センサとしてステレオカメラを用いる場合について説明する。

図１は、実施例１に係る全方位測距装置１の外観を示す図である。実施例１では、測距センサとしてＴＯＦセンサを用いる。（ａ）はＴＯＦセンサ１０単体について、（ｂ）は全方位測距装置１の全体についての形状を示す。

全方位測距装置１は、複数のＴＯＦセンサ１０を一体的に構成したもので、検知領域内の対象物までの距離を全方位に測定することができる。この例では、４台のＴＯＦセンサ１０を互いに近接させ、中心軸となるＺ軸の周りに放射状に配置し、筐体２で固定している。すなわち、４台のＴＯＦセンサ１０の長辺は、四角形の４辺を形成している。なお、ＴＯＦセンサ１０の台数はこれに限らず任意の台数が可能であり、台数が増えると外形は略円環状になる。

各ＴＯＦセンサ１０は、レーザ光などを出射する発光部１１と、対象物からの反射光を受光する受光部１２とが並べて配置されている。発光部１１の出射方向と受光部１２の受光方向は略一致させており、それぞれ所定の角度幅を有している。以下、この角度幅を視野角（ＦＯＶ：Field of view）と呼び、ＴＯＦセンサの検知領域となる。

全方位測距装置１では各ＴＯＦセンサ１０を一体化するとき、各ＴＯＦセンサ１０の検知領域の重なりを少なくし、かつ検知されない領域が生じないように各ＴＯＦセンサ１０の姿勢を決定する。例えば、全方位測距装置１を天井に取り付けて部屋内の全方位を検知範囲とするときは、各ＴＯＦセンサ１０の検知領域の中心方向（以下、検知中心方向）を、中心軸であるＺ軸に直交する面（すなわち水平面）から下方に所定の角度θだけ傾けて設置する。

図２は、全方位測距装置１の断面図である。（ａ）は、図１（ｂ）のＡ－Ａ位置の断面形状を示す。各ＴＯＦセンサ１０ａ、１０ｂは、筐体２により所定の位置に保持され、一体化されている。筐体２は、各ＴＯＦセンサ１０ａ、１０ｂを保持するため、収納室を有している。これにより、対向するＴＯＦセンサ１０ａ、１０ｂを、所定の間隔で、また検知中心方向を水平面から角度θだけ傾けた姿勢にて保持することができる。

さらに、対向するＴＯＦセンサ１０ａ、１０ｂに挟まれた空間には、各ＴＯＦセンサ１０の信号処理を行う共通のデータ処理部３や、各ＴＯＦセンサ１０に電力を供給する電源部４を配置する。これにより、装置内部の空間を有効に使用することができ、装置の小型化に寄与できる。また、各ＴＯＦセンサ１０からデータ処理部３までの距離が均等化され、センサ毎のばらつきが低減して装置の性能向上に寄与する。

図２（ｂ）は、ＴＯＦセンサ１０ａ、１０ｂを筐体２へ着脱する様子を示したものである。各ＴＯＦセンサ１０は筐体２の収納室に対し、個別に着脱が可能である。測定すべき領域の広さに応じて不必要となるセンサを外したり、故障したセンサのみを個別に交換したりすることができ、効率的である。そして各ＴＯＦセンサ１０は、筐体２の収納室に当接して位置決めされるので、着脱しても位置や姿勢が変化することがなく、全方位測距装置１としての測定精度を維持することができる。

図３は、発光部１１の構成を示す図である。発光部１１には、例えばレーザダイオード（ＬＤ）などの光源１１１を用いるが、その出射ビームの広がり（発散角）は非常に狭いので、そのままでは測距センサとしての視野角（ＦＯＶ）が狭くなってしまう。そこで拡散板１１２を用いて発散角を拡大させ、所望のＦＯＶを得るようにする。拡散板１１２は、例えば入射面に微小レンズがランダムに形成されており、微小レンズの形状を変えることで所望のＦＯＶを得ることができる。なお、ＴＯＦセンサにおけるＦＯＶの大きさと検知距離とは互いに相反関係にあるので、両者のバランスを取ってＦＯＶを決定する。

本例の全方位測距装置１では、４台のＴＯＦセンサ１０を組み合わせているので、１台のＦＯＶを９０度とすることで、４台をつなぎ合わせて３６０度の視野（全方位）をカバーすることができる。つまり、使用するＴＯＦセンサは、各々のＦＯＶの合計が、測定すべき領域に対応する角度と略同等となるような台数で構成する。測定空間が部屋内等で検知すべき領域が四角形状の場合、この構成が最も効率が高い。なお、１台のＴＯＦセンサ１０のＦＯＶが６０度であれば、６台のＴＯＦセンサ１０を組み合わせることで、３６０度の視野（全方位）をカバーすることができる。言い換えれば、全方位測距装置１に使用するＴＯＦセンサ１０の台数は、拡散板１１２の特性（発散角）を選択することで変更可能である。

図４は、ＴＯＦセンサの測距原理を示す図である。ＴＯＦセンサ１０は、人物や物体などの測定の対象物３０までの距離を測定し、測定した対象物の各部までの距離を２次元の距離データとして出力する。その構成は、発光部１１、受光部１２、距離演算部１４、及び制御部１５を有する。

発光部１１は、レーザダイオード（ＬＤ）などの光源を駆動してレーザ等のパルス状の照射光３１を出射する。受光部１２は、照射光３１が対象物３０で反射して戻ってきたパルス状の反射光３２を検出する。受光部１２は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどを２次元状に配列したイメージセンサ１３で露光し、各画素位置での光強度を電気信号に変換する。

距離演算部１４は、受光部１２からの出力信号から対象物３０までの距離Ｌを演算し、視野内の距離データを生成する。距離Ｌを演算では、照射光３１と反射光３２の時間差ｄＴに基づいて、対象物３０までの距離Ｌを、Ｌ＝ｄＴ×ｃ／２で求めることができる（ここにｃは光速）。なお、時間差ｄＴは、複数の露光期間を設定し、その期間内にイメージセンサ１３に蓄積された電荷量から求めることができる。制御部１５は距離演算部１４を介して、発光部１１からの照射光３１の発光動作と、受光部１２での反射光３２の露光動作を制御する。

図５は、ＴＯＦセンサ１０からの信号処理を説明する図である。ここでは、４台のＴＯＦセンサ１０ａ～１０ｄの場合を示す。複数のＴＯＦセンサ間の測定時の干渉（マルチパスなど）を回避するため、各ＴＯＦセンサは互いに異なる発光パターンで動作させる。各ＴＯＦセンサで測定された距離データは、データ処理部３へ送られる。

データ処理部３は、ＳｏＣ（System on a chip）で構成され、各ＴＯＦセンサの距離データを座標変換によって結合して、１つの共通の座標系のデータとして出力する。また、距離データを距離値に応じて色分けした画像データに変換することも可能である。さらに、距離データから対象物を判定し、特定のデータだけを出力するといった処理も可能である。これにより、例えば店舗において、１日の来店人数を計算して、その値だけを出力することが可能である。

データ処理部３で処理されたデータは、外部機器５（クラウドやサーバ）に転送され、適宜表示、保存される。このように、各ＴＯＦセンサの信号処理を行うデータ処理部３および電源部４を共通化しているので、データ処理の効率化とコスト低減が図れる。

図６は、全方位測距装置１による検知範囲の例を示す図である。（ａ）は全方位測距装置１の場合、（ｂ）と（ｃ）は比較のために１台のＴＯＦセンサ１０の場合を示す。図面左側は測定空間を水平方向に見た側面図、図面右側は測定空間を垂直方向に見た平面図である。

（ａ）は、図１（ｂ）に示した全方位測距装置１（４台のＴＯＦセンサ１０で構成）を天井に設置した場合で、水平方向に広い検知範囲４１が得られる。１台のＴＯＦセンサ１０のＦＯＶを９０度とし、４台のＴＯＦセンサ１０を組み合わせた結果、全方位（３６０度）の測定が調整不要で可能となる。

これに対し（ｂ）と（ｃ）は、１台のＴＯＦセンサ１０を天井に設置した場合である。（ｂ）は視野方向を斜めに設定した場合であり、検知範囲４０は狭く、測定空間の一方向（図面左側）に限定される。（ｃ）は視野方向を真下に設定した場合であり、検知範囲４０’は狭く、ＴＯＦセンサ１０の真下領域に限定される。

このように本実施例の全方位測距装置１によれば、複数のＴＯＦセンサについて相互の検知領域の調整をすることなく、広い検知範囲をカバーすることが可能となる。

図７は、全方位測距装置１により得られる距離画像の例を模式的に示す図である。４台のＴＯＦセンサ１０ａ～１０ｄから得られる距離データを、データ処理部３で距離画像に変換した場合である。それぞれのＴＯＦセンサ１０ａ～１０ｄから得られる距離画像５０ａ～５０ｄは、全測定空間の１／４領域の部分画像である。

これらの部分画像５０ａ～５０ｄを、データ処理部３によりオーバーラップ領域５２でつなぎ合わせて合成すると、全方位の１つの距離画像５１を生成することができる。ＴＯＦセンサ１０ａ～１０ｄの最適な配置により、合成後の距離画像５１では、オーバーラップ領域５２が少なく、隣接画像間に隙間が生じることはない。

このように実施例１によれば、複数のＴＯＦセンサを一体化して構成した全方位測距装置とすることで、広い検知範囲をカバーするとともに、複数のＴＯＦセンサについて相互の検知領域の調整が不要になる。よって、本実施例の全方位測距装置を測定現場に設置する際には、設置時に行う姿勢調整等の手間が省かれて作業時間と設置コストの低減が可能となる。

実施例２は、複数のＴＯＦセンサの受光部を共通化した場合である。
図８は、実施例２に係る全方位測距装置１’の外観を示す図である。実施例１と同様に測距センサとしてＴＯＦセンサを用いるが、各ＴＯＦセンサの受光部を共通化している。ここでは２つのタイプを示し、（ａ）は四角形タイプ、（ｂ）は円形タイプである。図面中の符号は実施例１と同様に付与している。

（ａ）に示す全方位測距装置１’は、筐体２の周囲の４辺に４個の発光部１１を配置し、全方位に照射光を出射する。筐体２の下面中央には共通の受光部１２を配置し、全方位からの反射光を受光する構成である。なお、受光部１２の入射位置には魚眼レンズ１２１を配置し、各方向からの反射光を１箇所で集光できるようにしている。本実施例における視野角（ＦＯＶ）は発光部１１の出射方向で決まり、４個の発光部１１の出射中心方向は、実施例１（図１）と同様に、水平面より下方に角度θだけ傾けて設置している。

（ｂ）に示す全方位測距装置１’は、略円形の筐体２の円周上に、複数の発光部１１を等間隔に配置して全方位に照射光を出射する。受光部１２は（ａ）の構成と同様である。

図９は、全方位測距装置１’の断面図であり、図８（ａ）のＡ－Ａ位置の断面形状を示す。対向する発光部１１ａ，１１ｂと、共通の受光部１２は、筐体２により保持されている。発光部１１ａ，１１ｂは、光源１１１と拡散板１１２を有し、受光部１２は、イメージセンサ１３と魚眼レンズ１２１を有する。筐体２の上面側には、データ処理部３や電源部４を配置している。実施例１と異なり、各発光部１１ａ，１１ｂにおける発光タイミングは同一であり、イメージセンサ１３の露光タイミングを基準に設定される。

実施例２によれば、複数のＴＯＦセンサの受光部を共通化して１箇所に集約したので、全方位測距装置の一層の小型化と低コスト化が可能になる。

実施例３は、測距センサとしてステレオカメラを用いた場合である。ステレオカメラによってもＴＯＦセンサと同様に距離測定が可能となる。

図１０は、実施例３に係る全方位測距装置の外観を示す図である。（ａ）は外観斜視図を、（ｂ）と（ｃ）は複数のステレオカメラの配置例を示す平面図である。

（ａ）に示す全方位測距装置１”は、複数のステレオカメラ２０を一体的に構成したもので、この例では、４台のステレオカメラ２０を四角形の４辺に互いに近接させて放射状に配置し、筐体２で保持している。各ステレオカメラ２０は、一対のカメラ２１，２２を並べて配置し、三角測量の原理で前方の物体までの距離を測定するものである。各ステレオカメラ２０の形状は、一対のカメラ２１，２２が配列される方向に長手形状をなす。

ここで、本実施例で採用したステレオカメラ２０は、その長手方向の視野角（ＦＯＶ）がこれと直交する短手方向のＦＯＶよりも大きく得られることから、複数のステレオカメラ２０は、短手方向が放射状となるように配置している。これらの構成により、全方位の測定が可能になる。使用するステレオカメラ２０の台数と姿勢（水平方向からの傾き）は、実施例１のＴＯＦセンサ１０と同様に、使用するステレオカメラ２０のＦＯＶと検知中心方向に応じて決定する。

（ｂ）と（ｃ）は、４台のステレオカメラ２０を用いた場合の配置例である。（ｂ）は口型配置で、ステレオカメラ２０の長手方向が四角形の各辺に一致するよう配置している。（ｃ）は（ｂ）における各ステレオカメラ２０をさらに近接して配置したもので、１つのステレオカメラの端部２０ｘを、隣接するステレオカメラの長手側面２０ｙに近接させて配置したものである。よって、（ｃ）の近接配置は、（ｂ）の口型配置よりもステレオカメラ同士が接近し、ステレオカメラおよびこれらに囲まれた中央部の占める面積の総和が小さくなることから、全方位測距装置１”のより小型化が可能になる。

ここでは４台のステレオカメラ２０を用いる場合について説明したが、もちろん、ステレオカメラ２０の台数はこれに限らない。（ｃ）の近接配置で台数を増加させた場合は、各ステレオカメラ２０は、１つの端部が他の長手側面に近接するように順次に配置され、全体として略円環状をなすような配置となる。

また、本実施例の全方位測距装置１”の断面は、実施例１（図２）と同様の構成である。全方位測距装置１”の内部中央の空間には、各ステレオカメラ２０の信号処理を行う共通のデータ処理部３や電源部４が配置され、各ステレオカメラ２０は筐体２から着脱可能となっている。

図１１は、ステレオカメラによる距離測定の原理を示す図である。ステレオカメラ２０の左右のカメラ２１，２２の撮像面において、物体が写る位置は視差Ｄだけずれている。ステレオカメラ２０では、２つの撮影画像内で特徴点（エッジなど）のマッチング処理を行い視差Ｄを求める。物体を頂点とした三角形（実線）と焦点を頂点とした三角形（破線）は相似関係にある。カメラの焦点距離をｆ、カメラ間距離をＢとすると、視差Ｄを用いて物体までの距離Ｚは、Ｚ＝Ｂ×ｆ／Ｄで算出される。このようにして、視野内の各物体までの距離を測定する。各ステレオカメラ２０で測定された距離データは、実施例１（図５）と同様にデータ処理されて距離画像が得られる。

なお、ステレオカメラでは、上記した撮影用の一対のカメラの他に、撮影を補助するための照明用の発光部や、特定のパターン画像を投影する投影部を有する構成としてもよい。

実施例３においても、複数のステレオカメラを一体化して構成した全方位測距装置とすることで、広い検知範囲をカバーするとともに、複数のステレオカメラについて相互の検知領域の調整が不要になる。

以上、本発明の各実施例を説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１，１’，１”：全方位測距装置、
２：筐体、
３：データ処理部、
４：電源部、
１０，１０ａ～１０ｄ：ＴＯＦセンサ、
１１，１１ａ～１１ｂ：発光部、
１２：受光部、
１３：イメージセンサ、
１４：距離演算部、
１５：制御部、
２０：ステレオカメラ、
２１，２２：カメラ、
１１１：光源、
１１２：拡散板、
１２１：魚眼レンズ。

Claims

複数の収納室が形成され、前記複数の収納室に対して個別に着脱自在に複数の測距センサが収容される筐体であって、前記複数の測距センサを位置決めして一体的に保持する前記筐体を有し、
対象物までの距離を測定する前記複数の測距センサは、前記収納室に収容された状態において、中心軸の周りに互いに接近して放射状に配置され、且つ、前記複数の測距センサの検知中心方向が前記中心軸に直交する面から所定の角度だけ傾斜した状態で、一体的になるように構成され、
前記測距センサの前記収納室に対する着脱により、前記筐体に収容される前記複数の測距センサの台数を調整可能であり、
前記複数の測距センサは、各々の視野角（以下、ＦＯＶ）の合計が、測定すべき領域に対応する角度と略同等となるような台数で構成されることを特徴とする全方位測距装置。
請求項１に記載の全方位測距装置において、
前記複数の測距センサは、各々のＦＯＶが略９０度であって、測定すべき領域に対応する角度が３６０度のとき、４台で構成されることを特徴とする全方位測距装置。
請求項１に記載の全方位測距装置において、
前記複数の測距センサの信号処理を行うデータ処理部と、
前記複数の測距センサに電力を供給する電源部と、を備え、
前記データ処理部および前記電源部の少なくとも一方は、前記複数の測距センサで共通化されるとともに、
共通化された前記データ処理部と前記電源部は、前記全方位測距装置の中央部に配置されていることを特徴とする全方位測距装置。
請求項１に記載の全方位測距装置において、
前記測距センサは、光の飛行時間により対象物までの距離を測定するＴＯＦセンサ（Time Of Flight）であり、
前記ＴＯＦセンサは、照射光を出射する発光部と、対象物からの反射光を受光する受光部とを備えることを特徴とする全方位測距装置。
請求項４に記載の全方位測距装置において、
前記ＴＯＦセンサの前記発光部は光源と拡散板を有し、
前記拡散板は前記光源から出射する光を発散させてＦＯＶを拡大することを特徴とする全方位測距装置。