JPH0224590A - 振幅変調形測距装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 振幅変調された変調波を対象物に照射し、その反射波と
変調波との位相差を測定することによって対象物までの
距離を高速かつ高精度に得る撮幅変調形渕距方法および
装置に関し。

できるだけ広い計測範囲にわたって、より少ないサンプ
リング回数で、高速かつ高精度に距離を計測することを
目的とし７ 所定の変調周波数で振幅変調された変調波を対象物に向
けて照射し、対象物からの反射波と該変調波との位相差
を測定することによって距離計測を行う振幅変調形測距
方法において、変調周波数が変化可使に構成され、低い
変調周波数を用いて距離計測が行われ、この距離計測の
結果に基づいてより高い変調周波数が決定され、この高
い変調周波数を用いて更に距離計測が行われることによ
って距離計測が逐次的に高精度化されるように構成され
る。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、振幅変調された変調波を対象物に照射し、そ
の反射波と変調波との位相差を測定することによって対
象物までの距離を高速かつ高精度に得る振幅変調形測距
方法および装置に関する。

かかる測距装置は例えばロボットの視覚装置として用い
られており、ロボットによる物体のハンドリング作業で
はロボットの眼となる視覚装置を通して物体の正確な位
置・姿勢および形状を高速かつ高精度に認識できること
が必要とされる。

〔従来の技術〕

かかる測距装置として振幅変調法によるものが知られて
いる。第５図は振幅変調法の原理を説明するための図で
ある。いま、送信光の振幅が次式（１）のように振幅変
調されているものとする。

ＦＴ　　（ｔ）　＝ＦＴ　　（１＋ｍ　ｃｏｓωｔ）こ
こでＦＴは時間平均された振幅２ｍは振幅ファクタでＯ
≦ｍ≦１のもの、シミ（ｄ／２πは変調周波数である。

この時１反射波の振幅は次式（２）％式％ ここでＰｐは反射波の時間平均振幅であり対象物までの
距離ｒや対象物の反射率などの関数である。φが求める
位相差であり、対象物までの距離ｒと個々の測距装置に
固有の定数ａの関数として次式（３）で与えられる。

ω φ−（２ｒ　＋ａ）　　　　　−（３）に こでＣは光速度である。この（３）式に基づいて位相差
φの測定値から距離ｒを求めるわけであるが、一般に（
３）式の位相差φの値は、２πの整数倍だけの不定性を
有している。それゆえ位相差φの情報のみから距ｆｉｒ
を求めようとすると、距離ｒは振幅変調の波長λミ２π
Ｃ／ωの整数倍だけ不定となる。

このため、従来の振幅変調法による測距装置では、振幅
の絶対値などの２次的情報を用いて変調波長λの整数倍
の不定性を取り除くか、あるいは計測範囲を２分の１波
長分の〔０，λ／２〕に限定して計測を行っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

振幅変調法では、変調周波数νを高くするとそれだけ計
測精度が向１される。”４なわち、いま距離「を振幅変
調周波数νの変調波光で計測するものとする。この時、
距離ｒに対する位相差φは。

２πの整数倍の不定性を除いて考えると、　（３）式か
ら。

ω φ＝　　　　　　（２ｒ＋ａ） で与えられる。ゆえに１分解箋一定の位相計を用いて距
離ｒを測定する場合、変調周波数νを高く設定したほう
が位相差φの変動が大きくなり、よって距１ｉ１１ｒの
測定精度を高めることができる。

一方、測定精度を高めるために変調周波数νを高くする
と計測範囲 〔０，λ／２）＝　［０，Ｃ／２ν］ が短くなる。

このように従来法では計測範囲と計測精度とはトレード
オ”２の関係にある。

そこでロボット用視覚装置のように高速、高精度で広い
計測範囲が要求される場合、変調波長λを大きな値に設
定し、これに応し、決まる計測範囲内で計測精度を高め
るために同一測定点に対してかなり多数回のサンプリン
グを行い、この計測結果の平均値を求めている。しかし
、この場合、＋ンブリング回数が非常に多いため計測時
間が長くなるという問題点を有している。

したがって本発明は、できるだけ広い計測範囲にわたっ
て、より少ないサンプリング回数で、高速かつ高精度に
距離を計測することを目的とする、〔課題を解決する手
段〕 第１図は本発明に係る原理ブロック図である。

本発明に係る振幅変調形測距方法は、所定の変調周波数
で振幅変調された変調波を対象物に向けて照射し、対象
物からの反射波と変調波との位相差を測定することによ
って距離計測を行う振幅変調形測距方法において、変調
周波数が変化可能に構成され、低い変調周波数を用いて
距離計測が行われ、この距離計測の結果に基づいてより
高い変調周波数が決定され、この高い変調周波数を用い
て更に距離計測が行われることによって距離計測が逐次
的に高精度化されるように構成される。

また本発明に係る振幅変調形渕距装置は、所定の変調周
波数の変調波を発生して対象物に照射する送信手段３１
．対象物からの反射波を受信する受信手段３２．受信手
段３２で受信された反射波と変調波との位相差を計測す
る位相差計測手段３３、位相差計測手段３３で計測され
た位相差情報に基づき新たな変調周波数を算出する変調
周波数算出手段３４．送信手段３１の変調周波数を変調
周波数算出手段３４で算出された変調周波数に変更する
よう制御する変調周波数変更手段３５．および１位相差
計測ｆ段３３で得られた位相差情報および変更された変
調周波数情報に基づき対象物までの距離を求める距離算
出手段３６を具備してなる。

〔作用〕

振幅変調周波数νは低い値から高い値まで段階的または
連続的に任意の値に設定されることができる。変調周波
数νがνＣ〔νｗｉｎ　、　　νｗｒａｘ　）の範囲を
取り得る場合、変調周波数νの値を低くとればとる程、
それだけ広い計測範囲が得られることになる。

いま、変調周波数νを最も低い周波数ν０に設定して計
測を行い１位相差φ０を得たものとする。

この計測は同一の測定点に対して１回サンプリングして
行うものとする。ここでｉは任意の整数とする。変調周
波数ν０を用いた場合、計測範囲は。

（０，Ｃ／２ν０〕 となる。

ここで一般的に１位相差φ□は変調周波数ν□を用いて
測定を行って得られた値を表す、また。

ｒｎは位相差φ。を前述の（３）式に代入して得られる
距離であり、変調波長λ。の整数倍の不定性を含んでい
るものとする。ここで、この不定な距離をＲｎで表し、
Ｒｎ＝にλ。とする。ｋは後述するように一意的に定ま
る整数である。

計測された位相差φ０を前述の（３）式に代入して距離
「。を求める。サンプリングは１回行ゎれており、それ
により得られた測定値のうちの最小値をｒ　ｏ　ｍＩｎ
　＋最大値をｒｏｌｌａＸとする。すなわち。

ｒＯＥ　［ｒ□　ｓｉｎ　＊　　ｒＯ＋ｌａｘ　）とな
る。

ここで＋　　（ｒＯｗａｘ　−ｒ□　ｗｉｎ　）は変調
周波数ν。を用いて計測した場合の計測誤差であり、こ
の値により計測精度が決まる。そこで変調周波数ν０で
は得られなかった分解能を実現するために。

新たに変調周波数νを設定し直す。すなわら。

（ｒｏ　ｍａＸ　　　　ｒｏ　　１１ｔｎ　　）　　＜
　　λ／２を満たすように、変調周波数νを新たに設定
し直す、これをν１とする。この変調周波数νｌを用い
て再度、同一の測定点の計測をｎ回行う。これにより得
られた最大値をｒ　１１１ａＸ　、最小値をｒ１ｓ＋ｉ
ｎとする。

変調周波数ν１を用いた場合、変調波長λｌの整数に倍
の距離Ｒ，＝にλ１の不定性が生じる。

よって対象物までの距＃ｉｒは。

ｒＥ（ｋλ１　＋　ｒ　ｌ　ｌ１Ｉｎ　＋　　ｋλ＋　
＋　ｒ　１　ｗａｘ　）となる。ここで。

ｒＥ　（ｒＯｎ＋ｉｎ　、　　ｒｏｍａＸ　）であり、
かつ （ｒＯｗａｘ　−ｒＯｗｉｎ　）　＜λ、／２の条件が
存在するから、にλ、の整数にの値は一意的に決定され
、したがって不定な距離Ｒ１も一意的に定まる。

以上に述べたと同様な操作を変調周波数ν１を用いて求
めた距Ｍｒｌ ’１　”　（ｒｌ　ｗｉｎ　＋　　ｒｌ　鋼ａｘ　）に
ついても行い。

（ｒｌ珊ｉｎ　　ｒ　１ｗａｘ　）　＜λ／２を満たず
新たな変調周波数ν２を設定する。そしてに′　λ２＝
Ｒ２を求めるゆここにに′も一意的に定まる整数である
。この場合の誤差は。

（ｒ２ｓａｘ−ｒ２ａｉｉｎ　） となり、その値は変調周波数ν、を用いた場合よりも小
さくなり、よって計測精度は向上される。

以下、同様にして逐次に変調周波数ν、ｌを設定し直し
つつ変調波長λ。の整数倍の不定距離Ｒｎを求めると、
対象物までの距離ｒは。

ｒ＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋−−−−−−＋Ｒｎ＋で求まる
ことになる。この結果、計測範囲を（０，Ｃ／２ν０〕 に保ったまま、変調周波数νを設定し直す毎に計測精度
を逐次に高めていくことができる。

〔実施例〕

以下１図面を参照しつつ本発明の詳細な説明する。第２
図は本発明の一実施例としての振幅変調形渕距装置を示
すブロック図である。第２図において、基準発振器１は
測距装置全体の基準クロックを発生する。周波数シンセ
サイザ２は基準クロックを受けて振幅変調信号を出力す
る。この変調信号の変調周波数νはマイクロ・コンピュ
ータ１３からのｊｔｉｌＪ＠信号により任意に可変でき
る。

周波数シンセサイザ２からの変調信号はパワーアンプ３
を介して光源４に送られる。光源４としては直接変調が
かけられるという利点のためにレーザダイオードが用い
られるが１発光ダイオード等も利用可能である。

光源４からの変調波光はビームスキャナ５で対象物に照
射される。このビームスキャナ５は対象物の所定スキャ
ン範囲にわたり変調波光を振り分けるものである。この
ビームスキャナ５のスキャン速度は、一つの測定点につ
きｉ回のサンプリングができるように制御される。なお
玉は適当に定めることができる整数値である。

対象物からの反射光は、ビームスキャナ５．光Ｒ４から
出力されるレーザ光の波長に合った帯域を持つ干渉フィ
ルタ６、入射光の方向をしぼるためのピンホール７等を
介して受光素子８に入射される。この受光素子８として
はアバランシェホトダイオードが使用されている。

周波数シンセサイザ９はマイクロ・コンピュータ１３か
らの制御信号によって出力信号の周波数が可変され、こ
の出力信号はＡＰＤバイアス回路１４からのバイアス電
圧に重畳されると共に位相測定器１２に供給される。こ
の周波数シンセサイザ９はヘテロダイン検波を行うため
の周波数変換器であり、基準発振器１の基準クロックを
受けて参照信号を発生すると共に、受光素子８に作用し
て受信信号の周波数を変換するものである。

受光素子８の受信信号はＡＧＣ回路１０で振幅を一定に
されて帯域フィルタ１１を介して位相測定器１２に供給
される。帯域フィルタ１１は雑音を除去するための帯域
幅の狭いフィルタである。

位相測定器１２は参照ＩＦ傷信号受信ＩＦ信号との間の
位相差を基準発振器１からの基準クロックに基づき測定
する回路である。この測定された位相差情報はマイクロ
・コンピュータ１３に送られる。

マイクロ・コンピュータ１３はこの位相差情報を受けて
対象物までの距離等を算出すると共に。

その算出結果に合わせて変調波の変調周波数を逐次的に
変化させるための制御信号を周波数シンセサイザ１．２
にフィードバックする。

マイクロ・コンピュータ１３における制御手順が第３図
の流れ図を参照しつつ以下に説明される。

ビームスキャナ５の可動範囲全域の各測定点について、
それぞれ距ｉ＠ｒおよび標準偏差σｒを格納するメモリ
領域を設け（ステップＳ１）、この初期値として、ｒ−
０＋　　σｒ＝０を設定する（ステップＳ２）。

次に変調波の変調波長λを、取り得る最大の波長λ。（
すなわち変調周波数νを最も低い値ν。）に設定しくス
テップ５３）１周波数シンセサイザ２．９に制御信号を
送って変調周波数をν０に設定させる。この結果、この
測距装置の最大針側範囲は、　〔０，λｏ／２〕となる
。

次にビームスキャナ５を制御しつつ変調周波数ν０で変
調波ビームを対象物の全画面にわたってスキャンして各
測定点の計測を行い２位相差φ。

を計測する（ステップ３４．）。この際、　　１ｉｊＦ
Ｉ定点につきｉ回のサンプリングを行ってデータを取り
込む・ このようにして取り込んだデータに対し、各測定点にお
ける位相差の測定値φ０を統計処理して。

各測定点毎に位相差φ０の平均値およびその標準偏差σ
０を求める（ステップＳ５）。

次に、前述の（３）式に基づいて、変調周波数がν。の
場合における測定距離中の不定距離Ｒｎ（変調波長λ。

の整数倍）と２位相差の標準偏差σ。から求まる距離の
標準偏差σ（ｒ）ｎを、全測定点について求める（ステ
ップＳ６）、変調周波数が最低のν。の場合は不定性は
存在せず、したがって不定距離Ｒｏはゼロである。

この結果に基づき、全測定点における距離ｒと標準偏差
σｔｒｉのメモリ内容を次式に従って更新する（ステッ
プＳ７）、すなわち、いままで格納されていた内容を、
ｒｏｌｄ＋　　σ（ｒｌ　ｏ　ｌ　ｄとし、新たに更新
する内容を、ｒｎｅ！＋　　σ（ｒｌｎｅｗとすると。

ｒｎｅｗ　＝　ｒｏｌｄ　＋Ｒｎ σｆｒｌｎｅｗ　＝σ（「）。

となるように更新する。

そして、新たなものに更新された距離の標準偏差σｆｒ
ｌｎｅ−に対し、全測定点中から最大値を検索し、この
値をσ（ｒ）ｍ　ａ　Ｘとする（ステップＳ８）。

ここで、いま目標としている測定精度の設定しきい値σ
ｔｂを定め、この設定しきい値σｔ、ｈに対して、前記
で求めた最大標準偏差σｆｒ１ｍａｘとの大小関係を調
べる（ステップ３８）。すなわち。

σ（ｒ）ｒａａｘ　＜σｔｈ であれば、目標とする測定精度は達成されたものとして
計測を終了するが（ステップ５ｌｌ）、そうでない場合
、すなわち σｔｒ）ｗａｘ　＞σＬｈ であれば。

λ　／２＝２ｋ　　σ（ｒ）ｌＩａＸ （ｋは１より大きい適当な係数） に従って新しい変調波長λを設定して（ステップ５ＩＯ
）、全画面の測定点について計測を繰り返す（ステップ
３４〜３１０）。

以上の操作をσｆｒ）ｗａｘ　＜σ【ｈを満たすまで繰
り返し行う。変調周波数ν。を用いることによる不定な
距離をＲ１’ｌ（変調波長λ□の整数倍）とすると、対
象物までの距離ｒは。

ｒ　＝Ｒ，＋Ｒ２＋Ｒ，＋−−−−＋Ｒｎ＋となり、こ
れは各測定点での距離ｒのメモリ内容である。この時の
標準偏差はもちろん、目標とするσｔｈ以下となる。

第４図は本発明に係る振幅変山形測距装置を片腕ロボッ
トに組み込んだ場合を示す。図中、２１は腕ロボット、
２２はハンド、２３は本発明に係る撮幅変関形測距装置
、４はロボット制御用および距離計測用コンビ、１−夕
であり、測距装置２３はハンド２２の上側に組みつけら
れている。

〔発明の効果〕

以上に説明したように９本発明によれば、振幅変調周波
数を低い値から高い値へ計測結果に応じて逐次的に変化
させることにより、広い計ｆＩ４範囲を保ちながら効率
的に測定精度を高めていくことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る原理ブロック図。 第２図は本発明の一実施例としての振ｌｌ＠変調形測距
装置を示すブロック図。 第３図は実施例装置におけるマイクロ・コンビュータで
の制御手順を示す流れ図。 第４図は本発明にかかる振幅変山形測距装置を片腕ロボ
ットに応用した例を示す図、および。 第５図は振幅変調法による距離計測を説明する図である
。 図において。 １−基準発振器 ２．９・−周波数シンセサイザ ３−パワーアンプ ４−・光源（レーザダイオード） ５−・ビームスキャナ ６・−干渉フィルタ フ−ピンホール ８−・受光素子（アバランシェフォトダイオード）１０
−−Ａ　Ｇ　Ｃ回路 １１・・−帯域フィルタ １２−位相測定器 １３−マイクロ・コンピュータ １４−・ＡＰＤバイアス回路 ２１−腕ロボフ１− ２２−ハンド ２３−振幅変調形渕距装置 ２４・−ロボット制御・距離計測用コンピュータ第１図 莢ぶ！４碧１１ｚあ１アろ希１１ぐ可ト予Ｊ・（第３図 ヰ・発Ｂハ の 力し・出夕；１ 第４回

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所定の変調周波数で振幅変調された変調波を対象物
   に向けて照射し、対象物からの反射波と該変調波との位
   相差を測定することによって距離計測を行う振幅変調形
   測距方法において、 変調周波数が変化可能に構成され、 低い変調周波数を用いて距離計測が行われ、この距離計
   測の結果に基づいてより高い変調周波数が決定され、 この高い変調周波数を用いて更に距離計測が行われるこ
   とによって距離計測が逐次的に高精度化されることを特
   徴とする振幅変調形測距方法。 ２、所定の変調周波数の変調波を発生して対象物に照射
   する送信手段（３１）、 対象物からの反射波を受信する受信手段（３２）、該受
   信手段（３２）で受信された反射波と該変調波との位相
   差を計測する位相差計測手段（３３）、該位相差計測手
   段（３３）で計測された位相差情報に基づき新たな変調
   周波数を算出する変調周波数算出手段（３４）、 該送信手段（３１）の変調周波数を該変調周波数算出手
   段（３４）で算出された変調周波数に変更するよう制御
   する変調周波数変更手段（３５）、および、 該位相差計測手段（３３）で得られた位相差情報および
   変更された変調周波数情報に基づき対象物までの距離を
   求める距離算出手段（３６）を具備してなる振幅変調形
   測距装置。