JPH03223687A - 位置測定方法及びその装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、位置測定方法及びその装置に係り、特にレー
ザビームを使用して、例えば土木用作業車や作業ロボッ
ト等の位置を求めるのに好適な位置測定方法及びその装
置に関するものである。

〔従来の技術〕 従来より、広い範囲で移動する作業車や作業ロボットの
位置を測定するためのレーザビームを用いた位置測定装
置としては第１０図および第１１図に示すものがある。

この従来例においては、互いに反対方向に回転する高さ
の異なる２本のレーザビームを投光する２基のレーザ灯
台１００と、位置を測定する測定物に搭載してレーザビ
ームを受光して信号を発する受光部５０と、この信号に
基づいて受光部５０が受光した時間間隔を測定する計時
装置（図示せず）と、この受光時間間隔およびレーザビ
ームの回転速度等を用いて２つの基準点Ａ、、Ｂ、から
の角度を求め、この２点からの角度によって位置を算出
するコンピュータ（図示せず）とを装備している。

ここで、レーザ灯台１００は、レーザ発生器５１、回転
テーブル５２．鏡５３１分光器５４．固定鏡５５から構
成される。回転テーブル５２の中央には貫通穴５２Ａが
形成されており、レーザ発生器５１が第１０図における
下方からこの貫通穴５２Ａにむけて鉛直上方にレーザビ
ームを発生させる。この回転テーブル５２の貫通穴５２
．Ａの上には、鏡５３が回転テーブル５２に固定されて
おり、回転テーブル５２と共に回転するようになってい
る。また、回転テーブル５２の周辺部には分光器５４が
配設され、この分光器５４をそのまま透過するレーザビ
ームＡと、この分光器５４に当たって９０°方向をかえ
て上方に向かって分光器５４内部を通過し、さらに反射
面に当たって９０°方向をかえて回転テーブル５２の中
心に向かうレーザビームＢとに分光される。

さらに、回転テーブル５２中央部の回転テーブル５２と
共に回転する鏡５３の上方には、回転しない固定鏡５５
が回転テーブル５２とは独立に固定されている。前述の
分光器５４からでたレーザビームＢは固定鏡５５に当た
って、基準線に対してレーザビームＡと線対称の光を発
する。このため、レーザビームＡは回転テーブル５２と
共に回転し、レーザビームＢは固定鏡５５に反射してレ
ーザビームＡよりも１段高い回転面内をレーザビームＡ
とは反対方向に回転することになる（第１０図の状態）
。

一方、第１１図に示すように、２基のレーザ灯台１００
は、各々の基準線を一致させて、互いに向かい合って設
置されているため、測定範囲は２基のレーザ灯台１００
に挟まれた範囲となる。この測定範囲内にある測定物５
０に搭載された受光部５０Ａでは、分離板の表裏２面に
受光センサが装着されており、各々一方のレーザ灯台１
００からのレーザビームのみを受光するように設定され
ている。そして、これら受光センサはレーザビームを受
光すると、受光信号を発する。測定物５０には、さらに
、受光部５０Ａで発生した受光信号に基づいて信号間隔
を計時する計時装置（図示せず）と、この計時装置によ
って得られた計時デー夕を直接入力して即座に座標を算
出するコンピュータ（図示せず）が装備されている。

〔発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、上記従来例においては、レーザ灯台を２
基用いなければならないため装置が大型化して高価なも
のになるという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、このような従来例に見られる不都合を
改善し、安価な装置で広範囲にある測定物の位置を測定
することのできる位置測定方法及びその装置を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では、一方の点からは、水平回転面上で一定の角
度を保った２本のレーザビー・−ムＡ、Ｂが一定角速度
で回転されながら投光出力される。また、前記水平回転
面と同軸の他の水平回転面上で所定の基準線に対し２本
のレーザビームＡ、Ｂの内の一方と対称的に反対方向に
回転するレーザビームＣが投光出力される。また、他方
の点に位置する被測定物に装備された受光部は、レーザ
ビームＡ、Ｂを順次受光して距離情報を得るとともに、
同じくレーザビームＣを受光して方位角情報を得る。そ
して、これらの距離情報および方位角情報に基づいて前
記一方の点を基準とした被測定物の位置を算出する。

この場合、レーザビームＡ、　　Ｂの回転出力に際して
は、第１の回転投光手段が用いられる。また、レーザビ
ームＣの回転投光にさいしては第２の回転投光手段が用
いられる。この第１および第２の回転投光手段は、所定
間隔をおいて同軸上に装備されている。さらに、被測定
物側には、レーザビームＡ、Ｂ、Ｃを受光する受光部と
、これらの受光部で受光した情報に基づいて当該被測定
物の位置を算出する演算部とが装備されている。これに
よって前述した目的が達成されるようになっている。

〔作　　用〕

一定の回転速度で回転しながら、２本のレーザビームＡ
、Ｂが回転平面内に一定の角度をもって投光されると、
被測定物側では、このレーザビームＡ、Ｂが一定時間を
おいて順次受光される。レーザビームＡまたはＢと対称
的に回転移動する投光されたレーザビームＣも、受光部
にて受光される。そして、レーザビームＡ、Ｂからはレ
ーザビーム投光側と被測定物との間の距離が算定され、
レーザビームＣからは被測定物の位置する方位が算定さ
れる。これらの演算は、被測定物側に装備された演算部
にて行われる。そして、これら各演算結果より被測定物
の現在位置が算定される。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の第１実施例を第１図ないし第４図に基づ
いて説明する。

この第１図に示す実施例においては、水平回転面上で一
定の角度を保った２本のレーザビームＡ。

Ｂを投光しながら一定速度で回転する第１の回転投光手
段１０と、この第１の回転投光手段ｌＯと同回転軸の水
平回転面上を所定の基準線に対し２本のレーザビームＡ
、Ｂの内の一方と対称的に回転するレーザビームＣ投光
用の第２の回転投光手段２０とを有するレーザ灯台を備
え、これが測定系全体の座標原点に装備されている。ま
た、被測定物３０には、該被測定物３０が搭載されて３
本のレーザビームＡ、Ｂ、Ｃを受光して受光信号を発生
する受光部３１と、この受光部３１に当該受光部３１か
ら出力される受光信号に基づいて距離情報■および方位
角情報■等を求めるとともに。

これらの情報■、■を基に受光部の位置を算出する演算
部４０とが装備されている。

これをさらに詳述すると、第１の回転投光手段１０は、
所定位置に配設された図示しないレーザ発生器、第１の
回転テーブル１１．第１のプリズム１２及び第１の複合
プリズム１３等を有している。第１の回転テーブル１１
の中心には貫通穴１１Ａが形成されており、その下方に
はレーザ発生器（図示せず）が配設されている。第１の
回転テ−プルｌｌ上の貫通穴１１Ａの上には第１のプリ
ズム１２が固定されており、第１の回転テーブル１１の
周縁付近には第１の複合プリズム１３が配設されている
。

ここで、第１のプリズム１２によって９０″向きを変え
て第１の回転テーブル１１面に平行に進んだレーザビー
ムは、第１の複合プリズム１３によって２本に分割され
る。この２本のレーザビームＡ、　Ｂは、第４図に示さ
れるように、投光方向と逆方向に延長してその交点が第
１の回転チーフル１１中央にある第１のプリズム１２の
位置にくるように設定されている。

また、第２の回転投光手段２０は、上述の第１の回転投
光手段１０と同軸でその上方に設けられており、第２の
回転テーブル２１．第２のプリズム２２．第２の複合プ
リズム２３および固定鏡２４を有している。ここで、第
２の回転テーブル２１の中央（回転軸位Ｗ）には貫通穴
２４Ａが形成されており、この貫通穴２１Ａの上に第２
のプリズム２２が固定されている。さらに、第２の回転
テーブル２１上面の周縁付近には第２の複合プリズム２
３が固定されており、前述の第２のプリズム２２ととも
に第２の回転テーブル２１と一体に回転する。また、第
２のプリズム２２の上方（回転軸上）には、固定鏡２４
が第１．第２の回転投光手段２０と独立に固定されてい
る。

また、位置を測定する被測定物３０に配設されている受
光部３１は、レーザ灯台１の第１の回転投光手段１０か
ら投光される２本のレーザビームＡ、Ｂに対応した高さ
に配設されてこれらを受光するＷ２Ｏ幅の受光センサ３
２と、同じくレーザ灯台１の第２の回転投光手段２０か
ら投光されるレーザビームＣに対応した高さに配設され
てこれを受光する受光センサ３３とを有している（第２
図参照）。さらに、これら受光センサ３２，３３からの
信号を受けて各々受光信号を発信する受光信号発生部３
４．３５が受光部３１に装備されている。ここで、受光
センサ３２．３３には、フォトダイオード、フォトトラ
ンジスタ等の半導体素子が用いられている。

次に、第１図ないし第４図に基づいて動作説明をする。

図示しないレーザ発生器によって発生された１本のレー
ザビームは、第１の回転テーブル１１の下方から鉛直上
方に発せられ、第１の回転テーブル１１に形成された貫
通穴１１Ａを通って第１のプリズム１２に入射する。入
射したレーザビームは、この第１のプリズム１２によっ
て９０°進行方向を変えられて第１の回転テーブル１１
上面に平行に進む第１のレーザビームと、第１のプリズ
ム１２を透過してさらに鉛直上方に直進する第２のレー
ザビームとに分離される。

第１のレーザビームは、第１の回転テーブル１１に装備
された第１の複合プリズム１３の一方の端部付近に入射
する。そして、この第１の複合プリズム１３を通過して
さらに直進するレーザビームＡと、第１の複合プリズム
１３の内部を通り、その他端付近でさらに方向を変えて
同じ水平面内でレーザビームＡと角度θ。（第４図参照
）だけ回転したレーザビームＢとに分割される。

また、第２のレーザビームは、第２の回転テーブル２１
に形成された貫通穴２１Ａを通って第２のプリズム２２
に入射する。そして、９０’進行方向を変えて（上述の
レーザビームＡと平行）第２の回転テーブル２１上面に
沿って平行に進み、第２の複合プリズム２３の下端部に
入射する。このレーザビームは第２の複合プリズム２３
内を通って上方に移動し、さらに進行方向を変化して再
びレーザ灯台１の求心方向に進んで固定鏡２４に当たっ
て反射する（これをレーザビームＣとする）。従って、
このレーザビームＣは、前記レーザビームへの回転に伴
って、固定鏡２４の鏡面に直交する基準線に対して対称
に回転する。

このように、レーザ灯台１は、図示しないモータによっ
て第１および第２の回転テーブル２１を一定の角速度で
時針回転方向に一体的に回転させることにより、レーザ
ビームＡ、Ｂは一定の角度θ。を保って同方向に回転し
ながら投光し、レーザビームＣはレーザビームＡ、Ｂと
反対方向（反時針方向）に回転しながら投光する。

一方、受光センサ３２は、レーザビームＡ、　　Ｂを次
々に受光して受光信号を受光信号発生部３４に発信し、
これに伴って受光信号発生部３４が第３図に示されるよ
うな受光信号■を演算部４０の時間差演算部４１に伝達
する。時間差演算部４１は、この受光信号■に基づいて
、レーザビームＡが受光されている時間Δｔｌ　と、レ
ーザビームＡが受光され始めた時間からレーザビームＢ
が受光され始めた時間までの時間差である受光時間差Δ
ｔ２とを算出し、これらの計時データ■を距離演算部４
２に伝達する。さらに、時間差演算部４１は、レーザビ
ームＡが受光された時間を基準時間信号■として角度演
算部４３に伝達する（第３図参照）、。

続いて、距離演算部４２では、時間差演算部４１から送
られてくる受光時間ΔＬ＋　と受光時間差Δｔ２および
設定条件である２本のレーザビームＡ、Ｂのなす角度θ
。および受光センサの幅Ｗ１を用いて以下のようにして
距離を算出する。

求めたい２点間の距離をＬと仮定すると、第４図（１）
に示すように、Ｌを半径としてθ。の角度を持つ円弧の
長さり、は、 Ｌ、−２πＬ×θ。／３６０・・・・・・（１）で表さ
れる。

一方、レーザ灯台１の回転角速度ω。は一定であるので
、 Ｗ＋／Δｔ＋　＝Ｌ＋　／Δ１ｔ・・・・・・（２）が
成り立つ。従って、（１）式を（２）式に代入してまと
めると、 Ｌ＝Ｗ、／Δｔ、ＸΔｔｚ／（２πθ。／３６０）・・
・（３）となって距離りが求められる。

以上の計算において、Ｗｌは厳密には第４図（１）に示
すように、レーザ灯台１を中心とした半径りの弦の長さ
ｉｌであるが、この時の中心角をθ。とすると、「２π
θＯ／３６０＜＜１」とみなすことができるため、Ｌ＋
　＝ＷＩ　（＝ｌＩ　）としても誤差は無視することが
できる。

また、第４図（２）に示すように受光部３１が距離の測
定を行うためのレーザビームＡ、Ｂの入射方向に対して
δ（ｒａｄ：ｌ（’ＩＪＩいている場合には、あたかも
巾がＷ、の受光部のように見える。ここで、Ｗ、＞Ｗ、
であるのでΔｔ１が小さくなり、（３）弐より距離りが
大きくなったような結果となる。これが距離の誤差とな
るのであるが、δが小さい範囲では　Ｗ、＝Ｗ、となる
ため、誤差は無視し得る。ここで、δを小さくするには
、受光部３１がレーザ灯台ｌに対して正対する様にすれ
ば良い。すなわち、ΔＬ１がその位置で最大になる様に
制御すれば正確な距離を得ることができる。

以上の距離を求める動作と並行して、受光センサ３３は
、レーザビームＣを受光して受光信号を受光信号発生部
３５に伝達し、この受光信号発生部３５は第２図に示さ
れる時間信号■を角度演算部４３に伝達する。角度演算
部４３は、この時間信号■と前述の時間差演算部４１か
ら伝達される基準時間信号■とに基づいて、以下のよう
にして測定物３０の方位角を算出する。

一般に、第５図（１）に示すように、第１象限における
被測定物３０の方位角θは、レーザビームＡを受光して
からレーザビームＣを受光するまでの時間をｆｌ＋、レ
ーザビームＣを受光してからレーザビームＡを受光する
までの時間をｔ２とすれば（第５図（２）参照）、 ｉｌ θ＝　　　　　　　ｘｉｓｏ・・・・・・（４）１、＋
１゜ で算出できる。

位置演算部４４は、以上のようにして距離演算部４２に
より得られた距離情報〔（３）式〕■および角度演算部
４３により得られた方位角情報〔（４）式〕■を入力し
て、以下の式から被測定物３０の座標位置を算出する（
第６図参照）。

ここで、Ｘ軸は前述の基準線と一致するように設定され
ている。

このように本実施例によれば、１基のレーザ灯台１を用
いて被測定物３０の位置を測定することができるため、
装置が小型化して、安価なものとなる。さらに、レーザ
灯台１のセットを容易に行うことができる。また、土木
作業車や作業ロボットに搭載した受光部３１側で位置デ
ータが得られるため、土木作業車等の駆動装置に直接位
置データを入力して移動を制御することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
以下に示すような変形をも含むものである。

すなわち、上記実施例においては、第１の回転投光手段
１０の第１の複合プリズム１３を用いて１本のレーザビ
ームを２本のレーザビームＡ、　　Ｂに分割するととも
に所定の角度ずれさせたが、この第１の複合プリズム１
３の代わりにプリズムと鏡を組み合わせて同様の機能を
果たすこともできる。

また、第２の回転投光手段２０においては、第２の複合
プリズム２３を用いてレーザビームＣを固定鏡２４に入
射させたが、この第２の複合プリズム２３の代わりにプ
リズムと鏡を組み合わせて同様の機能を果たすこともで
きる。

さらに、上記実施例においては被測定物３ｏが、レーザ
灯台１を原点にして基準線をＸ軸とした座標軸に対して
第１象限にある場合について述べたが、第４象限にある
場合も同様にして位置を測定することができる。この場
合には、 より求められる。但し、測定物が第１象限にあるのか第
４象限にあるのかを、レーザビームの旋回方向から判別
して（４）式若しくは（４゛）式を使用しなければなら
ない。

〔第２実施例〕 次に、第２実施例を第７図に基づいて説明する。

この第７図に示す第２実施例においては、第２の回転投
光手段２０に、前述した第１の回転投光手段１０と同角
速度で反転させる反転機構を装備している。このため、
前述の第１実施例において使用した第２の複合プリズム
２３および固定鏡２４を用いずに第２の回転テーブル２
１中夫に装備された第２のプリズム２２のみでレーザビ
ームＣをレーザビームＡ、Ｂの一方と対称的に回転させ
ることができる。このため、第１実施例において示され
た手順と全く同様にして被測定物３０の位置が測定され
る。

このようにすると、レーザ灯台１の構造を一層簡単なも
のにすることができるという効果がある。

さらに、固定鏡２４を使用していないため、レーザビー
ムは３６０°漏れなく投光される。このため、レーザビ
ームを原点にして第１から第４象限までを網羅すること
ができる。

〔第３実施例〕 次に、第３実施例を第８図および第９図に基づいて第３
実施例の説明をする。

この第８図に示す第３実施例においては、第１実施例に
おいて使用した受光センサ３２，３３の肉受光センサ３
２を、２個の受光センサ３２Ａ。

３２Ｂにより構成したものである。このケースは、前述
の第１実施例における受光センサ３２の巾が大きくなっ
た時に、これを２個に分割したケースと考でよい。

この場合の受光信号を第９図に示す。受光センサ３２Ａ
が受光したレーザビームＡの受光信号と受光センサ３２
Ｂが受光したレーザビームＡの受光信号との受光時間差
をΔｔ、とし、さらに受光センサ３２Ａが受光したレー
ザビームＡとレーザビームＢとの受光時間差をΔｔ２と
する。また、受光センサ３２Ａと受光センサ３２Ｂとの
距離をＷ、として、前述した第１実施例における（３）
式の演算を距離演算部４２が行うことによりＬ゛が求め
られる。

この実施例では、Ｗｌの値を大きくとれるため、さらに
精度よく距離りを求めることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によると、１基のレーザ灯
台から投光した３本のレーザビームＡ。

Ｂ、Ｃにより受光部の位置を測定することができるので
、安価な装置によって広範囲にわたり容易に距離が測定
できるという従来にない優れた位置測定方法及びその装
置を提供することができる。

また、請求項４記載の発明においては、２個の回転テー
ブルを機械的に反転させることにより、光学的処理を用
いずに対称に回転するレーザビームを得ることができる
ため、−層簡単な装置により位置の測定が可能となる。

さらに、固定鏡を使用しないため、３本のレーザビーム
Ａ、Ｂ、Ｃは３６０°漏れなく投光することができるた
め、第１〜第４象限まで位置の測定が可能となる。

さらに、請求項６記載の発明においては、２個の受光部
を用いるため、受光時間が長くとれることから一層高精
度の距離測定が可能となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を表す斜視図、第２図は第１
図に示した実施例の受光部および演算部を示すブロック
図、第３図は第１図に示した実施例において得られた受
光信号を示す説明図、第４図（１）は２本のレーザビー
ムＡ、Ｈの位置関係を示す説明図、第４図（２）はレー
ザビームに対して受光センサが傾いている場合を示す説
明図、第５図（１）はレーザビームＡおよびＣの関係を
示す説明図、第５図（２）はレーザビームＡおよびＣの
受光信号を示す説明図、第６図は距離および方位角と位
置の関係を示す説明図、第７図は本発明の第２実施例を
表す斜視図、第８図は本発明の第３実施例を表す斜視図
、第９図は第８図に示した第３実施例の受光信号を示す
説明図、第１０図は従来例を示す斜視図、第１１図は従
来例における計測状況を示す説明図である。 ｌ・・・回転投光手段としてのレーザ灯台、１０・・・
第１の回転投光手段、２０・・・第２の回転投光手段、
３０・・・被測定物、３１・・・受光部、４０・・・演
算部。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）、一方の点から、水平回転面上で一定の角度を保
   った２本のレーザビームＡ、Ｂを一定角速度で回転させ
   ながら投光出力するとともに、前記水平回転面と同軸の
   他の水平回転面上で所定の基準線に対し前記２本のレー
   ザビームＡ、Ｂの内の一方と対称的に反対方向に回転す
   るレーザビームＣを投光出力し、 他方の点に位置する被測定物に装備された受光部が、前
   記レーザビームＡ、Ｂを順次受光して距離情報を得ると
   ともに、同じくレーザビームＣを受光して方位角情報を
   得て、 これらの距離情報および方位角情報に基づいて前記一方
   の点を基準とした被測定物の位置を算出することを特徴
   とする位置測定方法。
2. （２）、水平回転面上で一定の角度を保った２本のレー
   ザビームＡ、Ｂを投光しながら一定速度で回転する第１
   の回転投光手段と、この第１の回転投光手段と同回転軸
   の水平回転面上を所定の基準線に対し前記２本のレーザ
   ビームＡ、Ｂの内の一方と対称的に回転するレーザビー
   ムＣ投光用の第２の回転投光手段とを有するレーザ灯台
   を座標原点に装備し、測定物に搭載されて前記３本のレ
   ーザビームＡ、Ｂ、Ｃを受光して受光信号を発生する受
   光部を備え、 前記受光部に当該受光部から出力される受光信号に基づ
   いて距離信号および方位角信号等を求めるとともに、こ
   れらの信号を基に受光部の位置を算出する演算部を装備
   したことを特徴とする位置測定装置。
3. （３）、前記第２の回転投光手段を、前記第１の回転投
   光手段と同期回転させるとともに、当該第２の回転投光
   手段のレーザビームＣを第１の回転投光手段のレーザビ
   ームＡ、Ｂの一方と対称に回転させる固定鏡を前記第１
   および第２の回転投光手段と別体に装備したことを特徴
   とする請求項２記載の距離測定装置。
4. （４）、前記第２の回転投光手段に、前記第１の回転投
   光手段と同軸かつ同角速度で反転させる反転機構を装備
   したことを特徴とする請求項２記載の距離測定装置。
5. （５）、前記受光部を、前記第１および第２の回転投光
   面に対応した二つの受光部としたことを特徴とする請求
   項３又は４記載の距離測定装置。
6. （６）、前記受光部を、前記第１の回転投光面に対応し
   た２個の受光部と前記第２の回転投光面に対応した１個
   の受光部とから構成したことを特徴とする請求項３又は
   ４記載の距離測定装置。