JPH0128987B2 - - Google Patents

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JPH0128987B2
JPH0128987B2 JP57140791A JP14079182A JPH0128987B2 JP H0128987 B2 JPH0128987 B2 JP H0128987B2 JP 57140791 A JP57140791 A JP 57140791A JP 14079182 A JP14079182 A JP 14079182A JP H0128987 B2 JPH0128987 B2 JP H0128987B2
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JP
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JP57140791A
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JPS5932071A (ja
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Makoto Kaneko
Susumu Tate
Kyoshi Komorya
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、移動ロボツト等の移動機械が移動
過程で障害物を検出したり、路面の段差を検出す
る場合等に使用する移動機械用物体検出装置に関
するものである。
移動ロボツト等は自分自身の視覚系により大小
の障害物や地面の段差等を確実に認識し、安全領
域内のみを動きまわることが理想的である。
障害物の検出方法としては受動的方法、能動的
方法の二つに大別することができる。受動的方法
としては、例えば、外部の情報をITVカメラ等
で取入れて障害物を検出する方法がある。この方
法では外光の影響を受けやすく、また複雑なパタ
ーン認識作業を伴うことが多い。一方、能動的方
法としては超音波計測法や赤外線等投光法などが
ある。この方法の最大の利点は外部環境にほとん
ど存在し得ないような信号を自由に作り出して発
振あるいは投光することができる点である。しか
しながら超音波計測法は原理上障害物の有無及び
その平均的な位置を判定するのには適しているが
形状を検出するのには不向きである。また赤外線
等を投光する方法ではビーム径を細くして走査し
ていけば障害物の位置、形状はかなり明確に捕ら
えることができるが、走査に時間がかかるし信号
処理も複雑になる。この様なことから、被検出物
体の有無とその三次元位置を容易、かつ確実に検
出する事ができる物体検出装置の開発が望まれて
いた。この発明の発明者は先に物体位置検出装置
を開発した(昭和57年特許願第51580号参照)。こ
の新たに開発された物体検出装置は被検出物体の
有無とその三次元位置を光学的に容易、かつ確実
に検出することができるものであるが、光軸合わ
せが必ずしも容易でなく、また光源からの光の光
路を変換して投光を形成するためのミラーの支持
部の存在が一部分に物体の検出ができない不感帯
部を構成する点でなお改良すべき点を含んでい
る。
この発明は上記のごとき事情に鑑みてなされた
ものであつて、被検出物体の有無とその三次元位
置を容易、かつ確実に検出する事ができ、特に光
軸あわせが容易で、かつ、不感帯が存在しない移
動機械の物体検出装置を提供することを目的とす
るものである。
この目的に対応して、この発明の移動機械用物
体検出装置は、光学系と、前記光学系の焦点位置
に位置する受光素子と、光源と、光源用電源と、
光強度変調回路と、固定位置にあるフレームと、
前記フレームに固定されている環状の開口部を有
する支持環と、前記支持環の前記開口部内におい
て前記光学系の中心軸のまわりに回転可能に支持
されている回転環と、前記回転環を回転させる駆
動装置と、前記回転環の回転角度を検出する検出
装置とを備え、前記光源と前記光源用電源と及び
前記光強度変調回路とを前記回転環に固定して前
記光学系の中心軸の回りに回転させるように構成
し、前記受光素子の大きさにより決定される画角
内領域と前記光源が前記光学系の中心軸の回りに
回転した時のビームによる包絡面との相貫体によ
り探索領域を定め、前記探索領域内に存在する被
検出物体からの前記ビームの反射光を前記受光素
子で受光することにより前記被検出物体を検出す
るように構成したことを特徴としている。
以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面に
ついて説明する。
この発明の移動機械用物体検出装置1の原理的
な構成は、第1図及び第2図に示すように、レン
ズ2等の光学系と、レンズ2等の光学系の焦点位
置に位置する受光素子3と、及び光源4とを備え
る。受光素子3の大きさにより画角内領域5が決
定される。ここで画角内領域というのは、その中
に光の照射を受けている被検出物体6がある場合
に、その被検出物体6からの反射光がレンズ2を
通して受光素子3に入射することができる領域で
あつて、つまり受光素子3が光学的に被検出物体
6を検出可能な領域を意味する。一方、光源4を
任意の閉曲線10に沿つて動かした時、そのビー
ム7は包絡面8(斜線で図示)を形成する。つま
り、被検出物体6がこの包絡面8上にあれば、そ
の被検出物体6は光源4の移動周期に合せてビー
ム7の照射を受けることになる。したがつて、前
記の画角内領域5と前記の包絡面との相貫体によ
り探索領域11a(ABを直径とし、Pを頂点と
する円錐の底面を除く表面)、11b(CDを直径
とし、Pを頂点とする円錐の底面を除く表面)が
定まり、この探索領域11a,11bに被検出物
体6が存在すれば、その被検出物体6はビーム7
が照射されかつそのビーム7の反射光を受光素子
3で受光することが可能であるから、その被検出
物体6の検出が可能である。
そこで始めに、二次元位置検出素子としての機
能をもつ受光素子3とレンズ2により形成される
画角内領域5への投光方法について検討する。任
意の点から画角内領域5内に投光する場合、検査
域は第1図のように投光aの場合は線分Aが、投
光bの場合は半直線Bがそれぞれ対応する。した
がつて投光位置を一次元的に動かした場合の検査
域は面となる。なお検査域とは、仮にその部分に
物体があるとき、その物体に当たつたスポツト光
の反射光の一部が受光素子3に入光しうる領域と
して定義する。ここで簡単な例として投光位置す
なわち光源4をレンズ系の軸と中心を一致させた
円に沿つて動かす場合を考える。投光方法として
は第3図のように4通り考えられる。ここで斜線
部は受光素子3の利用可能部分で、斜線部の重な
り部は検査域との対応が2:1対応になる領域で
ある。物体からの反射光の強度は距離の2乗に反
比例するため、遠くの物体を検出することは本質
的に困難である。また、の場合Z=∞に近づく
につれて位置検出精度は極端に悪くなる。それに
対しての場合の利点として(1)受光素子表面の有
効利用率が最も高い、(2)位置検出分解能は最も良
い、(3)有限検査域にある物体からの反射光のみが
受光素子上に入るため、限られた領域内の物体の
有無をON、OFF的に調べることができる。した
がつて以後のタイプの投光方法を採用する。
第4図、第5図にはこの発明の一実施例に係わ
る移動機械用物体検出装置が示されており、この
第4図、第5図において、1は移動機械用物体検
出装置であり、移動機械用物体検出装置1はレン
ズ2を備えている。レンズ2は焦点距離fの集光
レンズである。レンズ2の焦点位置に位置検出素
子として機能する受光素子3が置かれている。レ
ンズ2の光軸の外側に光源4が回転環21に取付
けられて配置されている。光源4はその投光が光
軸とP点で交差する方向に向いている。回転環2
1は円環状をなし軸受け22を介して支持環23
に回転可能に支持されていて光軸の回りに回転可
能であり、この回転環21の回転によつて光源4
は光軸の回りに回転する。回転環21及び光源4
の回転角度は支持環23に取付けた回転角度計2
4によつて検出される。回転環21の周囲には歯
車25が設けられており、この歯車25にはピニ
オン26が噛み合つている。ピニオン26はモー
ター27によつて駆動される。光源4を作動させ
るための電源31及び光強度変調回路32も回転
環21に取付けられている。以上のレンズ2、受
光素子3、支持環23及びモーター27はフレー
ム28に固定支持されている。なお光源4として
は散乱等がほとんどないレーザー光が最適で、以
下光源としてレーザーを使用するものとする。こ
の場合、外光の無い場所で使用する場合を除き、
レーザー光による反射光と外光との区別を明確に
するため、レーザー光をパルス的に発振させる方
が良い。なお半導体レーザーには数MHzのパルス
発振可能なタイプもあり、回転環21の回転数を
物理的に可能な領域まで増加させたとしても分解
能の低下は無視できる。
この様な構成において、一定回転数で回転する
光源4からのビームは、第6図に示すように、レ
ンズ系の画角内領域5内に投光される。被検出物
体を検出するための探索領域は点Pを頂点として
CDを直径とする円錐表面の底面を除く部分であ
る。円錐の頂点Pは受光素子3の中心に対応し、
直径CDの円の円周は受光素子3の外周上に対応
する。被検出物体の位置を(x0、y0、z0)とし、
受光素子3上でのスポツトの位置を(r、θ)、
レーザー投光位置の角度をθとするとき x0=−r0・cosθ (1) y0=−r0・sinθ (2) z0={f・l1−r・(f−l2)} /(f・tanβ−r) (3) ただし r0=r{l1−(f−l2)・tanβ} /{f・tanβ−r} (4) 以上の式より被検出物体6の検出位置がわか
る。この移動機械用物体検出装置1を移動ロボツ
トに搭載して被検出物体または路面の凹凸の検出
を行なう状態を第7図、第8図及び第9図に示
す。
まず、路面に凹凸がない場合は前式により、か
つ第10図の流れ図に示すプロセスに従つて障害
物6を検出する。移動ロボツトが障害物6に近づ
くと探索領域11の外にあるときは、レーザー光
が仮に障害物6に当たつてもその反射光は受光素
子3に入つてこないが、ロボツトが前進して障害
物6の一部が探索領域11の円錐PCDの底面を
除く表面の一部に接すると、レーザーの反射光の
一部が受光素子3上で受光され、投光された周波
数と同じ周波数の信号を含んだ出力が得られる。
さらに検出位置の情報を得る場合には、出力信号
をr、θに変換して前述の演算を行なえばよい。
次ぎに第8図に示すように、円錐底面の円の一
部が地面と交わるように設定する。この場合、光
源4が一回転したとき円錐と路面が交差した部分
では反射光が受光素子3上に到達するため、第1
0図の流図に示すプロセスで処理すると、路面を
障害物と見なしてしまう。
一方凹凸がない場合、交差部分のy座標のθ値
によらず、ほぼ−Y0(第8図参照)となる。この
ことを使つて路面の凹凸を調べることができる。
すなわち、θ1<θ<θ2(交差部分)において凹
凸なしの条件は y0=−Y0 (5) 書替えると r=B/{1+(Asinθ/Y0)} (6) A=ftanβ、 B=l1−(f−l2)tanβ したがつて、θ1<θ<θ2において、(r、θ)
が式(6)の関係から大きくずれた場合、そこに段差
があるものと見なす。また第9図に示すように段
差でなく、坂道がある場合でも式(6)の関係から
徐々に外れてくるが、y0の変化率により、段差と
区別することができる。
以上の説明から明らかな通り、この発明によれ
ば、被検出物体の有無とその三次元位置を容易、
かつ確実に検出する事ができる物体検出装置を得
ることができる。特にこの移動機械用物体位置検
出装置では光源からの投光を直接行なうことがで
き、光路変更用のミラーを必要としないから、光
軸合わせが極めて容易であり、かつ、そのミラー
を支持するための支持装置も存在しないから、受
光素子上に不感帯が形成されることもなく、正確
な物体の検出が可能になる。更に、この発明の移
動機械用物体位置検出装置では、支持環と回転環
との組合せからなる回転装置に光源、光源用電源
及び光強度変調回路を取付けているので、これら
の光源、光源用電源及び光強度変調回路が重量の
大きい場合でも、安定して支持することができ、
移動機械に積載した場合にも、正確で安定した回
転を得ることができ、データの処理装置の負担も
軽減されることができ、正確かつ迅速な物体検出
が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は画角内領域と検査域との関係を示す説
明図、第2図は画角内領域と検査域との関係を示
す斜視説明図、第3図は投光方法を示す説明図、
第4図はこの発明の一実施例に係わる移動機械用
物体検出装置の側面説明図、第5図は移動機械用
物体検出装置の正面説明図、第6図は移動機械用
物体検出装置によつて形成される画角内領域と探
索領域を示す斜視説明図、第7図は障害物検出の
状態を示す説明図、第8図は段差検出の状態を示
す説明図、第9図は地面の坂道を検出する状態を
示す説明図、及び第10図は検出操作の手順を示
す流れ図である。 1……移動機械用物体検出装置、2……レン
ズ、3……受光素子、4……光源、5……画角内
領域、6……被検出物体、7……ビーム、8……
包絡面、21……回転環、22……軸受け、23
……支持環、24……回転角度計。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 光学系と、前記光学系の焦点位置に位置する
    受光素子と、光源と、光源用電源と、光強度変調
    回路と、固定位置にあるフレームと、前記フレー
    ムに固定されている環状の開口部を有する支持環
    と、前記支持環の前記開口部内において前記光学
    系の中心軸のまわりに回転可能に支持されている
    回転環と、前記回転環を回転させる駆動装置と、
    前記回転環の回転角度を検出する検出装置とを備
    え、前記光源と前記光源用電源と及び前記光強度
    変調回路とを前記回転環に固定して前記光学系の
    中心軸の回りに回転させるように構成し、前記受
    光素子の大きさにより決定される画角内領域と前
    記光源が前記光学系の中心軸の回りに回転した時
    のビームによる包絡面との相貫体により探索領域
    を定め、前記探索領域内に存在する被検出物体か
    らの前記ビームの反射光を前記受光素子で受光す
    ることにより前記被検出物体を検出するように構
    成したことを特徴とする移動機械用物体検出装
    置。
JP57140791A 1982-08-13 1982-08-13 移動機械用物体検出装置 Granted JPS5932071A (ja)

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JP57140791A JPS5932071A (ja) 1982-08-13 1982-08-13 移動機械用物体検出装置

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JP57140791A JPS5932071A (ja) 1982-08-13 1982-08-13 移動機械用物体検出装置

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JPS5932071A JPS5932071A (ja) 1984-02-21
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Families Citing this family (4)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2625010B1 (fr) * 1987-12-18 1990-04-27 Sodern Illuminateur de forte puissance pour camera
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JPS6312521A (ja) * 1986-06-30 1988-01-19 Shinko Electric Co Ltd 空気輸送装置

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