JPH05113312A

JPH05113312A - 三次元変位計

Info

Publication number: JPH05113312A
Application number: JP27424791A
Authority: JP
Inventors: Fumio Asakura; 史生浅倉; Kenji Ogata; 健二緒方
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1991-10-22
Filing date: 1991-10-22
Publication date: 1993-05-07

Abstract

(57)【要約】【目的】精度よく位置測定を行うことができる三次元
変位計を提供することにある。【構成】ダミーの胸部において、赤外ＬＥＤ８〜１１
を胸骨に固定し、カメラ１７〜２０を背骨に取り付けて
ＬＥＤ８〜１１からの光を受光してＬＥＤ８〜１１の三
次元位置を二次元の平面に投射するようにする。コンピ
ュータ３６は、複数のカメラ１７〜２０によるＬＥＤ８
〜１１の二次元データを、実測によるＬＥＤ８〜１１の
位置マップ（二次元マップ）を用いて補正して、複数の
カメラ１７〜２０によるＬＥＤ８〜１１の二次元データ
から両眼立体視法によるＬＥＤ８〜１１の三次元位置を
算出して、ＬＥＤ８〜１１の三次元位置のズレから三次
元変位を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、三次元変位計に係
り、例えば、車両の正面衝突実験用ダミーの胸部変位を
三次元に計測する装置等に適用できるものである。

【０００２】

【従来の技術】交通事故等における乗員の胸部傷害につ
いては、従来、胸部に作用する加速度で議論されてきた
が、近年、この加速度に代わる新しい胸部傷害指標とし
ての胸撓みが重要視されてきている。このような状況の
中で、正面衝突用として新たに開発されたダミーには、
胸部撓み計測装置が設けられており、衝突試験における
胸部傷害評価ツールとして広く活用されている。

【０００３】しかしながら、この撓み計測装置では、胸
骨中央部１点の１方向（胸前後方向）撓みしか検出でき
ないため、この１点の撓みと、他の胸骨各部の撓みとの
関係がどうなっているのか、という疑問が存在してい
た。

【０００４】これらの関係を調査するために、種々の条
件下でのダミー胸部静的圧縮試験を実施した結果、前後
方向以外にも変位する事が明らかになった。そこで、三
次元変位計として、肋骨に発光素子を固定してその発光
素子からの光を複数の撮像素子にて受光して発光素子の
三次元位置を二次元の平面に投射させ、この二次元デー
タから両眼立体視法による発光素子の三次元位置を算出
し、発光素子の三次元位置のズレから三次元変位を算出
することが考えられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、撮像素子と
してＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤ
ｅｖｉｃｅ：半導体位置検出素子）カメラを使用した場
合、ＰＳＤの受光面上のスポット位置に相当する電圧が
出力されるが、レンズの球面収差やＰＳＤの非線形性の
ため、図１１に示すような出力になる。つまり、実際に
は破線のように出力されなければならないが、実線のよ
うに樽型になって周辺部で誤差が大きくなってしまう。

【０００６】そこで、この発明の目的は、精度よく位置
測定を行うことができる三次元変位計を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、予め定めら
れた空間内において被変位測定材に固定された発光素子
と、前記空間内に配置され、前記発光素子からの光を受
光して当該発光素子の三次元位置を二次元の平面に投射
するための複数の撮像素子と、前記各撮像素子による前
記発光素子の二次元データから、実測による前記発光素
子の位置マップを用いて補正しながら、発光素子の三次
元位置を算出する三次元位置算出手段と、前記三次元位
置算出手段による発光素子の三次元位置のズレから三次
元変位を算出する三次元変位算出手段とを備えた三次元
変位計をその要旨とする。

【０００８】

【作用】発光素子の発する光は、複数の撮像素子にて受
光されて当該発光素子の三次元位置が二次元の平面に投
射される。そして、三次元位置算出手段にて各撮像素子
による発光素子の二次元データから、実測による発光素
子の位置マップを用いて補正しながら、発光素子の三次
元位置が算出され、三次元変位算出手段にて三次元位置
算出手段による発光素子の三次元位置のズレから三次元
変位が算出される。つまり、実測による発光素子の位置
マップにて発光素子の位置データの補正が行われる。

【０００９】

【実施例】以下、この発明を具体化した一実施例を図面
に従って説明する。本実施例は、車両の衝突試験に供さ
れる人体模擬ダミーの胸部撓みを測定するための三次元
多点胸骨変位計測装置に具体化したものである。つま
り、ダミーの正面衝撃に対する胸骨の三次元変位を計測
するものである。

【００１０】図１にはダミーの胸部の斜視図を示し、図
２にはダミーの肋骨の無い状態での正面図を示す。又、
図３には図２のＡ−Ａ断面を示し、図４にはダミーの側
面図を示す。

【００１１】図１に示すように、ダミーの胸部は６本の
肋骨１〜６と胸骨７と背骨１２にて構成されている。こ
の６本の肋骨１〜６のうちの肋骨２と５の位置の胸骨７
における左右に赤外ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉ
ｎｇＤｉｏｄｅ：発光ダイオード）８，９，１０，１
１がそれぞれ取り付けられている（合計４個取り付けら
れている）。この赤外ＬＥＤ８〜１１は、変位を計測し
たい位置に取付けたものである。又、ダミーの胸部内に
おける背骨１２には４個のブラケット１３〜１６が取り
付けられ、同ブラケットは左右で一対をなし、かつ、上
下に取り付けられている。この各ブラケット１３〜１６
にはＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅ
Ｄｅｖｉｃｅ：半導体位置検出素子）カメラ１７〜２０
と、ミラー２１〜２４が取り付けられている。

【００１２】そして、赤外ＬＥＤ８〜１１の赤外光がミ
ラー２１〜２４に反射して左右のカメラ１７〜２０で撮
られる。例えば、図１での上側の左右のカメラ１７，１
８では肋骨２の位置に取付けた左右の赤外ＬＥＤ８，９
が撮らえられる。このとき、広い計測範囲を精度良く取
れるように、図３のカメラ１７，１８からの視覚範囲Ｐ
１，Ｐ２からカメラ１７，１８の光軸Ｌ１，Ｌ２の交点
は計測範囲Ｚの中心にくるようになっている。同様に、
カメラ１９，２０は肋骨５の位置に取付けた左右の赤外
ＬＥＤ１０，１１を撮らえる。

【００１３】このとき、図３に示すように、肋骨１〜６
が撓んだ場合にブラケット１３〜１６を損傷しないよう
に肋骨１〜６とブラケット１３〜１６との間に間隙ａ〜
ｄが確保されている。

【００１４】カメラ１７〜２０は、外来光をカットする
フィルタと、広角に撮れるように焦点距離の短いレンズ
と、後述のＰＳＤ及びＡＣプリアンプで構成さている。
このようにカメラ１７〜２０は衝撃実験に耐えれるよう
に可動部のないシンプルな構造とし、小型・軽量化され
ている。

【００１５】ＰＳＤは、図５に示すように、二次元ＰＳ
Ｄが使用され、受光面へのスポット光の照射によって２
組の電極２５，２６に流れる電流が、スポット光から各
電極２５，２６までの距離に反比例する特性を利用し
て、受光面上でのスポット光の位置を検出するものであ
る。このＰＳＤは、スポット光の光束の重心位置を正確
に識別でき、一般的な二次元ＰＳＤの位置分解能は、
０．００５〜０．０２０ｍｍ程度である。

【００１６】図６には三次元多点胸骨変位計測装置の電
気的構成を示す。４台のカメラ１７〜２０はそれぞれＰ
ＳＤ２７とＡＣプリアンプ２８とを備えている。ＡＣプ
リアンプ２８はＰＳＤ２７からの微少な光電流を電圧変
換し、誤差の要因となるＤＣの暗電流成分をカットす
る。又、カメラ１７〜２０にはコントローラ２９が接続
され、コントローラ２９は４つの演算回路３０〜３３と
タイミングコントローラ３４からなっている。演算回路
３０はカメラ１７からの信号を入力し、演算回路３１は
カメラ１８からの信号を入力する。又、演算回路３２は
カメラ１９からの信号を入力し、演算回路３３はカメラ
２０からの信号を入力する。各演算回路３０〜３３は、
ＰＳＤ２７の出力電圧をＰＳＤ受光面上の二次元座標に
変換する。タイミングコントローラ３４はＬＥＤ８〜１
１を時分割制御にて所定のタイミングで順次発光動作さ
せる。

【００１７】各演算回路３０〜３３とタイミングコント
ローラ３４はデータデコーダ３５と接続され、データデ
コーダ３５はコンピュータ３６と接続されている。さら
に、コンピュータ３６には表示器３７が接続されてい
る。コンピュータ３６は、サンプル毎に三次元座標を計
算して、座標差を変位として求め、表示器３７にて表示
する。

【００１８】次に、このように構成した三次元多点胸骨
変位計測装置の作用を説明する。１セットのカメラで２
個のＬＥＤ変位を読みとるには、各ＬＥＤを識別する必
要があり、この方法として、ＬＥＤの時分割発光制御を
行う。タイミングコントローラ３４は、まずＬＥＤ８に
よる発光を行わせる。ＬＥＤ８が発光すると、ミラー２
１，２２で反射され、カメラ１７，１８内のフィルタを
通りレンズで集光され、ＰＳＤ２７の受光面に当たる。
ＰＳＤ２７の４端子からは電流が流れ、ＡＣプリアンプ
２８により電圧変換される。演算回路３０，３１では４
電圧を計算してＰＳＤ面のスポット位置に相当する電圧
（Ｖ_A，Ｖ_B）を出力する。

【００１９】次に、ＬＥＤ１０が発光し、カメラ１９，
２０に対応する演算回路３２，３３からＬＥＤ１０によ
るＰＳＤ面上のスポット位置の電圧が出力される。次
に、ＬＥＤ９が発光し、カメラ１７，１８に相当する演
算回路３０，３１からはＬＥＤ９によるＰＳＤ面上のス
ポット位置電圧が出力される。

【００２０】以後、ＬＥＤ１１→ＬＥＤ８→ＬＥＤ１０
・・・の順に発光していく。このＬＥＤが発光される毎
にＰＳＤ面のスポット位置とタイミングコントローラ３
４のタイミングパルスがデータレコーダ３５に記録され
ていく。

【００２１】計測後にコンピュータ３６はデータレコー
ダ３５からデータを読み取り、タイミングパルスをもと
にＬＥＤ別に演算回路３０〜３３の出力が分けられる。
そして、コンピュータ３６は例えば、ＬＥＤ８の場合、
カメラ１７，１８からの位置データを読み取ってから各
ＰＳＤのスポット位置の補正を行なう。

【００２２】この補正を次に説明する。つまり、二次元
マップを用いた補正が行われる。図７に示すように、Ｐ
ＳＤカメラ内のレンズ３８（ｆ：焦点距離）の主点０_L
から距離Ｄ（実装したＰＳＤカメラのレンズから赤外Ｌ
ＥＤまでの距離）の位置に二次元の平面４０を仮想す
る。この平面４０はＰＳＤの受光面３９の大きさ（一辺
の長さ：Ｓ１）に対してレンズの主点０_Lからの距離Ｄ
に比例するように定義したものであり、平面４０の一辺
の長さＳはＳ１・Ｄ／ｆとなる。そして、平面４０内に
おいてＬＥＤを等間隔Ｓｄに格子（縦・横の格子数；
ｊ）上に動かす。（ｊ・ｊ＝Ｎの格子点）。

【００２３】この平面４０での座標を（Ｒ_Ai，Ｒ_Bi）と
すると、光学的な幾何学関係からＰＳＤ面のスポット位
置（Ａ_i，Ｂ_i）は式（１）のようになる。Ａ_i＝Ｒ_Ai・ｆ／Ｄ，Ｂ_i＝Ｒ_Bi・ｆ／Ｄ・・・（１）このようにして、ＰＳＤ面でのスポット位置（Ａ_i，Ｂ
_i）と演算回路の出力（Ｖ_Ai，Ｖ_Bi）との関係を表すマ
ップが作られる。そして、演算回路の出力がＰ（Ｖ_A，
Ｖ_B）になった時、式（２）の計算をｉ＝１〜Ｎに対し
て行なう。

【００２４】ｄ＝（Ｖ_A−Ｖ_Ai）²＋（Ｖ_B−Ｖ_Bi）²・・・（２）そして、ｉの中でｄ値の最も小さいマップのポイント
（格子点）Ｐ_iを探す。即ち、Ｐ（Ｖ_A，Ｖ_B）が最も
近い格子点を選択する。

【００２５】尚、図１１においてマップポイントは右上
隅のＰ１から下にＰ２、Ｐ３・・・と並んでおり、Ｐ１
の左隣がＰ２２となり、さらに、その下がＰ２３，Ｐ２
４・・・と並ぶ。

【００２６】さらに、その最も近い格子点の近傍での位
置決定のための近似処理を行う。つまり、図８におい
て、Ｐ（Ｖ_A，Ｖ_B）を囲むマップポイント４点
（Ｐ_i，Ｐ_i- ₁，Ｐ_i-j，Ｐ_i-j-1）を使用して近似す
る。Ａ座標についてはＰ_iとＰ_i-jの中心の点Ｐ’
₁と、Ｐ_i-1とＰ_i-j-1の中心の点Ｐ’₂とを結ぶ直線
の右側か左側かを求める。左側の場合、Ｐ_iとＰ’₁の
中心点Ｐ’₁₁と、点Ｐ_i-1と点Ｐ’ ₂の中心点Ｐ’₂₂と
を結ぶ直線の右側か左側かを求める。以下、順々に必要
とする精度まで細かくしていき、例えば最終的にＰ’
₁₁₁₁とＰ’₁₁₁₁₁の間の場合、点ＰのＡ座標をＡ＝
（Ａ’₁₁₁₁＋Ａ’₁₁₁₁₁）／２とする。Ｂ座標も同様に
行なう。

【００２７】図９には、このような補正を使用した場合
と使用しない場合のカメラ単体の誤差を示す。このよう
にして、各ＰＳＤのスポット位置の補正を行ない、図１
０に示すように、スポット位置Ａ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２
を求める。これら４個のスポット位置と三次元座標上の
カメラ１７，１８のレンズの主点座標計算を行なって、
座標差から変位を求める。即ち、データレコーダ３５に
記録された２個のカメラ（ＰＳＤ）の各二次元座標をコ
ンピュータ３６に取り込み、両眼立体視による三角計量
法によりＬＥＤの三次元位置を算出する。つまり、図１
０に示すように、対象とする三次元空間内の点を、互い
に平行でない２つの平面に投影し、それらの二次元座標
から対象点の三次元座標を求める。その結果、各ＬＥＤ
の三次元変位、即ち、胸骨の撓みを得ることができる。

【００２８】この両眼立体視による三角計量法は、構造
がシンプルで可動部がない事、外部騒音ノイズの影響を
受け難い事、計測処理速度が高く、精度が高い事、等の
理由から好ましいものである。

【００２９】さらに、コンピュータ３６はその測定結果
を表示器３７にて表示する。このように本実施例では、
ＬＥＤ８〜１１（発光素子）を予め定められた空間、即
ちダミーの胸部内において胸骨７（被変位測定材）に固
定し、その空間内にＬＥＤ８〜１１からの光を受光して
当該ＬＥＤ８〜１１の三次元位置を二次元の平面に投射
するための複数のカメラ１７〜２０（撮像素子）を配置
して、コンピュータ３６（三次元位置算出手段、三次元
変位算出手段）は、複数のカメラ１７〜２０によるＬＥ
Ｄ８〜１１の二次元データを、実測によるＬＥＤ８〜１
１の位置マップ（二次元マップ）を用いて補正して、複
数のカメラ１７〜２０によるＬＥＤ８〜１１の二次元デ
ータから両眼立体視法によるＬＥＤ８〜１１の三次元位
置を算出して、ＬＥＤ８〜１１の三次元位置のズレから
三次元変位を算出する。その結果、実測による位置マッ
プを用いたＬＥＤ８〜１１の位置データの補正を行うこ
とにより精度よく位置測定を行うことができることとな
る。

【００３０】尚、この発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、例えば、他の三次元変位計の補正方法とし
ては、ミラー及びＰＳＤカメラをブラケットに取付けダ
ミーの背骨に組み込んで、皮膚と肋骨を取り外した状態
で、ＬＥＤを三次元空間に移動可能に取付け、空間内を
求めたい精度（格子数）で、ＬＥＤを三次元に細かく動
かして、三次元テーブル値（Ｘ_Ti，Ｙ_Ti，Ｚ_Ti）のマッ
プを用意しておく。さらに、その三次元マップを二次元
の２点（Ｖ_A1i，Ｖ_B1i），（Ｖ_A2i，Ｖ_B2i）で表す
変換表を用意する。

【００３１】そして、この三次元マップ及び変換表（Ｖ
_A1i，Ｖ_B1i），（Ｖ_A2i，Ｖ_B2i）を用いて、計測に
よりＰＳＤカメラの出力（Ｖ_A1，Ｖ_B1），（Ｖ_A2，
Ｖ_B2）が得られた場合には、次式においてｉ＝１〜Ｎの
中で、ｄが最も小さくなるｉを探しｉ＝ｉ_minとする。

【００３２】ｄ＝（Ｖ_A1−Ｖ_A1i）²＋（Ｖ_B1−Ｖ_B1i）² ＋（Ｖ_A2−Ｖ_A2i）²＋（Ｖ_B2−Ｖ_B2i）² 求める三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（Ｘ_Timin，Ｙ
_Timin，Ｚ_Timin）として算出する。この場合、マップ
ポイントの大小関係に順番のずれがない条件で、マップ
データ取り時間・マップデータ検索時間がかかる反面、
ＰＳＤカメラで生じる誤差の他、カメラ・ミラーの取付
け誤差が取り除かれる。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
精度よく位置測定を行うことができる優れた効果を発揮
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のダミーの胸部の斜視を示す図である。

【図２】ダミーの肋骨の無い状態での正面を示す図であ
る。

【図３】図２のＡ−Ａ断面を示す図である。

【図４】ダミーの側面を示す図である。

【図５】二次元ＰＳＤを示す図である。

【図６】電気的構成を示す図である。

【図７】光学系を示す図である。

【図８】補正方法を説明するための図である。

【図９】距離と最大誤差との関係を示す図である。

【図１０】両眼立体視による三角計量法を説明するため
の図である。

【図１１】位置の歪みを説明するための図である。

【符号の説明】

７被変位測定材としての胸骨８発光素子としてのＬＥＤ９発光素子としてのＬＥＤ１０発光素子としてのＬＥＤ１１発光素子としてのＬＥＤ１７撮像素子としてのカメラ１８撮像素子としてのカメラ１９撮像素子としてのカメラ２０撮像素子としてのカメラ３６三次元位置算出手段、三次元変位算出手段として
のコンピュータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】予め定められた空間内において被変位測
定材に固定された発光素子と、前記空間内に配置され、前記発光素子からの光を受光し
て当該発光素子の三次元位置を二次元の平面に投射する
ための複数の撮像素子と、前記各撮像素子による前記発光素子の二次元データか
ら、実測による前記発光素子の位置マップを用いて補正
しながら、発光素子の三次元位置を算出する三次元位置
算出手段と、前記三次元位置算出手段による発光素子の三次元位置の
ズレから三次元変位を算出する三次元変位算出手段とを
備えたことを特徴とする三次元変位計。