JPH05240940A - Optical measuring system - Google Patents

Optical measuring system

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JPH05240940A
JPH05240940A JP4076148A JP7614892A JPH05240940A JP H05240940 A JPH05240940 A JP H05240940A JP 4076148 A JP4076148 A JP 4076148A JP 7614892 A JP7614892 A JP 7614892A JP H05240940 A JPH05240940 A JP H05240940A
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JP
Japan
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moving body
light
angle
light source
source station
Prior art date
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Application number
JP4076148A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshihiro Tsumura
俊弘 津村
Nobuo Komatsu
信雄 小松
Kenichi Nishide
健一 西出
Moritomo Hanawa
守智 塙
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of JPH05240940A publication Critical patent/JPH05240940A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain an optical measuring system which can always accurately measure the three-dimensional positional relation between an object to be measured to which a light source station is installed and a measurement reference position to which a reflecting station is installed. CONSTITUTION:A plurality of recurrent reflectors CC are arranged at arbitrary intervals beside the running course 2 of a traveling object 1. The reflectors CC have an optical property which reflects incident light in the direction opposite to the incident direction. A laser measuring instrument 3 mounted on the object 1 makes scanning by turning two surface beams 41 and 42 having different inclination along reference planes belonging to the object 1. The instrument 3 detects the rotational scanning angle when the beam 41 or 42 hits one of the reflectors CC by detecting the reflected light from the reflector CC. The current position and inclined angle of the object 1 in a three-dimensional space are calculated based on the detected rotational scanning angle, inclined angles of the surface beam, and coordinate positions of the recurrent reflectors.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、光計測システムに関
し、より特定的には、光源局とこの光源局から離れた位
置に配置された複数の反射局との間の3次元的な位置関
係を計測するシステムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical measurement system, and more particularly, to a three-dimensional positional relationship between a light source station and a plurality of reflection stations arranged at positions distant from the light source station. System for measuring

【0002】[0002]

【従来の技術】陸上や水上や空中を移動する移動体の位
置と方位を、光の反射を利用して計測するシステムが従
来から種々提案されている。
2. Description of the Related Art Various systems have heretofore been proposed for measuring the position and azimuth of a moving body that moves on land, on the water, or in the air by utilizing the reflection of light.

【0003】たとえば特公平2−48069号公報に
は、入射光方向に光を反射する光反射手段を移動体から
離れた箇所に少なくとも3個設置し、移動体から光ビー
ムを水平に回転走査し、光反射手段からの反射光を移動
体側で検知することにより、移動体の位置と方位を計測
する「移動体の位置方位検知装置」(以下、第1の従来
技術と称する)が開示されている。
For example, in Japanese Examined Patent Publication No. 2-48069, at least three light reflecting means for reflecting light in the direction of incident light are installed at a position apart from a moving body, and a light beam is horizontally rotated and scanned from the moving body. , "A position and orientation detection device of a moving body" (hereinafter referred to as a first conventional technique) for measuring the position and orientation of the moving body by detecting the reflected light from the light reflecting means on the side of the moving body is disclosed. There is.

【0004】また、特公平1−13553号公報には、
特公平2−48069号公報に開示されたような「移動
体の位置方位検知装置」において、光ビームの毎回の走
査毎に各光反射手段での反射光の受光点と光ビーム発射
点との偏差を測定し、その偏差に基づいて、次回の回転
走査における光ビームの上下発射角度を修正するような
「移動体の位置検出方法」(以下、第2の従来技術と称
する)が開示されている。
Further, Japanese Patent Publication No. 1-13553 discloses that
In the "moving body position / orientation detecting device" as disclosed in Japanese Patent Publication No. 48069/1990, a light receiving point and a light beam emitting point of the reflected light at each light reflecting means are obtained for each scanning of the light beam. A "position detecting method of a moving body" (hereinafter referred to as a second conventional technique) is disclosed in which the deviation is measured and the vertical emission angle of the light beam in the next rotation scanning is corrected based on the deviation. There is.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記第1の従来技術
は、移動体が傾いたり上下動した場合に光ビームが光反
射手段に当たらなくなるため、移動体の位置および方位
が計測できないという問題点があった。また、第1の従
来技術は、移動体の2次元的な座標位置は計測できる
が、移動体の3次元的な位置および姿勢を計測すること
ができないという問題点があった。
The first prior art described above has a problem that the position and orientation of the moving body cannot be measured because the light beam does not hit the light reflecting means when the moving body tilts or moves up and down. was there. Further, the first conventional technique has a problem that it is possible to measure the two-dimensional coordinate position of the moving body, but it is impossible to measure the three-dimensional position and orientation of the moving body.

【0006】一方、上記第2の従来技術は、移動体が傾
いたり上下動しても、確実に光ビームを光反射手段に当
てることはできるが、移動体の傾斜や上下動に伴う計測
誤差は補正できないという問題点があった。また、第2
の従来技術は、第1の従来技術と同様に、移動体の3次
元的な位置および姿勢を計測することができないという
問題点があった。
On the other hand, in the above-mentioned second prior art, even if the moving body tilts or moves up and down, the light beam can be surely applied to the light reflecting means, but a measurement error caused by the tilting or up-and-down movement of the moving body. There was a problem that could not be corrected. Also, the second
The conventional technique of No. 1 has a problem that it is not possible to measure the three-dimensional position and orientation of the moving body as in the first conventional technique.

【0007】それゆえに、この発明の目的は、光源局が
設けられた計測対象位置と反射局が設けられた計測基準
位置との間の3次元的な位置関係を常に正確に計測し得
る光計測システムを提供することである。
Therefore, an object of the present invention is to perform an optical measurement capable of always accurately measuring a three-dimensional positional relationship between a measurement target position provided with a light source station and a measurement reference position provided with a reflection station. It is to provide a system.

【0008】この発明の他の目的は、移動体が傾いたり
上下動しても、常に正確に移動体の3次元位置および姿
勢を計測し得る光計測システムを提供することである。
Another object of the present invention is to provide an optical measuring system capable of always accurately measuring the three-dimensional position and orientation of a moving body even if the moving body is tilted or moves up and down.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】請求項1に係る光計測シ
ステムは、光源局とこの光源局から離れた位置に配置さ
れた複数の反射局との間の3次元的な位置関係を計測す
るシステムであって、各反射局は、入射した光を元来た
方向へ反射する再帰反射器を含み、光源局は、光源局に
属する基準面に対してそれぞれ第1および第2の傾斜角
度を有する面状の第1および第2の光ビームを、この基
準面に対して平行に回転走査する回転走査手段と、第1
および第2の光ビームに応答する各反射局からの反射光
を検知するための反射光検知手段と、反射光検知手段か
ら検知出力が得られたときの第1および第2の光ビーム
の回転走査角度を検出するための角度検出手段と、角度
検出手段により検出された回転走査角度と第1および第
2の光ビームの各傾斜角度とに基づいて、光源局と反射
局との間の3次元的な位置関係を演算するための演算手
段とを含むことを特徴とする。
An optical measuring system according to a first aspect of the present invention measures a three-dimensional positional relationship between a light source station and a plurality of reflecting stations arranged at positions distant from the light source station. In the system, each reflection station includes a retroreflector that reflects the incident light in the original direction, and the light source station has a first tilt angle and a second tilt angle with respect to a reference plane belonging to the light source station. Rotary scanning means for rotationally scanning the planar first and second light beams parallel to the reference plane;
And reflected light detecting means for detecting reflected light from each reflecting station in response to the second light beam, and rotation of the first and second light beams when a detection output is obtained from the reflected light detecting means. 3 between the light source station and the reflection station based on the angle detection means for detecting the scanning angle, and the rotation scanning angle detected by the angle detection means and the respective inclination angles of the first and second light beams. And a calculation means for calculating a dimensional positional relationship.

【0010】請求項2に係る光計測システムは、請求項
1に係る光計測システムにおいて、さらに以下のことを
特徴とする。すなわち、請求項2に係る光計測システム
では、光源局は、移動体に設けられ、各反射局は、それ
ぞれ異なる固定位置に配置された複数の固定物体に設け
られる。
An optical measurement system according to a second aspect is the optical measurement system according to the first aspect, further characterized by the following. That is, in the optical measurement system according to the second aspect, the light source station is provided in the moving body, and the reflection stations are provided in the plurality of fixed objects arranged at different fixed positions.

【0011】請求項3に係る光計測システムは、請求項
2に係る光計測システムにおいて、さらに以下のことを
特徴とする。すなわち、請求項3に係る光計測システム
では、各固定物体の絶対座標位置は、予め既知であり、
演算手段は、角度検出手段により検出された回転走査角
度と第1および第2の光ビームの各傾斜角度と各固定物
体の絶対座標位置とに基づいて、3次元空間内での移動
体の絶対座標位置と絶対基準面に対する移動体の傾斜角
度とを演算する。
An optical measurement system according to a third aspect is the optical measurement system according to the second aspect, further characterized by the following. That is, in the optical measurement system according to claim 3, the absolute coordinate position of each fixed object is known in advance,
The calculating means calculates the absolute value of the moving body in the three-dimensional space based on the rotational scanning angle detected by the angle detecting means, the inclination angles of the first and second light beams, and the absolute coordinate positions of the fixed objects. The coordinate position and the tilt angle of the moving body with respect to the absolute reference plane are calculated.

【0012】請求項4に係る光計測システムは、請求項
1に係る光計測システムにおいて、さらに以下のことを
特徴とする。すなわち、請求項4に係る光計測システム
では、光源局は、主移動体に設けられ、各反射局は、そ
れぞれ主移動体の周囲を移動する複数の副移動体に設け
られ、演算手段は、各副移動体に対する主移動体の3次
元的な位置関係を演算する。
An optical measurement system according to a fourth aspect is the optical measurement system according to the first aspect, further characterized by the following. That is, in the optical measurement system according to claim 4, the light source station is provided in the main moving body, each reflecting station is provided in each of the plurality of sub moving bodies moving around the main moving body, and the computing means is The three-dimensional positional relationship of the main moving body with respect to each sub moving body is calculated.

【0013】[0013]

【作用】請求項1に係る発明においては、光源局に属す
る基準面に対してそれぞれ第1および第2の傾斜角度を
有する面状の第1および第2の光ビームを基準面に平行
に回転走査し、第1または第2の光ビームに応答する各
反射局からの反射光を検知したときの第1または第2の
光ビームの回転走査角度を検出することにより、検出さ
れた回転走査角度と第1および第2の光ビームの各傾斜
角度とに基づいて、光源局と反射局との間の3次元的な
位置関係が演算により求められる。
In the invention according to claim 1, the first and second planar light beams having the first and second inclination angles with respect to the reference plane belonging to the light source station are rotated parallel to the reference plane. The rotational scanning angle detected by detecting the rotational scanning angle of the first or second light beam when scanning and detecting the reflected light from each reflection station that responds to the first or second optical beam Based on and the respective inclination angles of the first and second light beams, the three-dimensional positional relationship between the light source station and the reflection station is calculated.

【0014】請求項2に係る発明においては、光源局は
移動体に設けられ、各反射局はそれぞれ異なる固定位置
に配置された複数の固定物体に設けられている。したが
って、移動体と固定物体との間の3次元的な位置関係が
演算により求められる。
In the invention according to claim 2, the light source station is provided on the moving body, and each reflection station is provided on a plurality of fixed objects arranged at different fixed positions. Therefore, the three-dimensional positional relationship between the moving body and the fixed object is calculated.

【0015】請求項3に係る発明においては、角度検出
手段により検出された回転走査角度と第1および第2の
光ビームの各傾斜角度と各固定物体の絶対座標位置とに
基づいて、3次元空間内での移動体の絶対座標位置と絶
対基準面に対する移動体の傾斜角度とが演算により求め
られる。
According to the third aspect of the invention, the three-dimensional structure is obtained based on the rotational scanning angle detected by the angle detecting means, the inclination angles of the first and second light beams, and the absolute coordinate positions of the fixed objects. The absolute coordinate position of the moving body in the space and the tilt angle of the moving body with respect to the absolute reference plane are calculated.

【0016】請求項4に係る発明においては、光源局は
主移動体に設けられ、各反射局はそれぞれ主移動体の周
囲を移動する複数の副移動体に設けられる。したがっ
て、演算手段は、各副移動体に対する主移動体の3次元
的な位置関係を演算する。
In the invention according to claim 4, the light source station is provided in the main moving body, and each reflection station is provided in each of the plurality of sub moving bodies moving around the main moving body. Therefore, the calculation means calculates the three-dimensional positional relationship of the main moving body with respect to each sub moving body.

【0017】[0017]

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例につ
いて説明するが、具体的な構成および動作を説明する前
に、後述する実施例の測定原理を図7〜図10を参照し
て説明する。なお、本実施例による光計測システムで
は、たとえば図1に示すように、移動体1の走行コース
2の周囲に複数の再帰反射器CCが任意の間隔で配置さ
れている。各再帰反射器CCは、入射光の入射角度にか
かわらず当該入射角度と同一の出射角度で反射光を出射
するような光学的性質を有している。また、移動体1か
らは再帰反射器CCを検知するために、2本の面状の光
ビーム(以下、面ビームと称する)が発射される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Before describing specific configurations and operations, measurement principles of embodiments described later will be described with reference to FIGS. explain. In the optical measurement system according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, for example, a plurality of retroreflectors CC are arranged around the traveling course 2 of the moving body 1 at arbitrary intervals. Each retroreflector CC has an optical property of emitting reflected light at the same emission angle as the incident angle regardless of the incident angle of the incident light. Further, two planar light beams (hereinafter referred to as planar beams) are emitted from the moving body 1 in order to detect the retroreflector CC.

【0018】(1)本実施例における計測の対象 図7を参照して、固定直交座標系O−XYZにおいて、
移動体座標系o−xyzの原点位置および各軸のずれ角
度は、それぞれ固定直交座標系O−XYZにおける移動
体の位置(XP ,YP ,ZP )および姿勢(Ψ,Θ,
Φ)を示している。また、点Ci は、固定直交座標系O
−XYZにおけるi番目の再帰反射器CCの座標
(Xci,Yci,Zci)を示している。本実施例では、固
定直交座標系O−XYZにおける移動体の位置(XP
P ,ZP )および姿勢(Ψ,Θ,Φ)を求めるもので
ある。
(1) Object of measurement in the present embodiment Referring to FIG. 7, in the fixed Cartesian coordinate system O-XYZ,
The origin position of the moving body coordinate system o-xyz and the displacement angle of each axis are the position (X P , Y P , Z P ) and the posture (Ψ, Θ,) of the moving body in the fixed Cartesian coordinate system O-XYZ, respectively.
Φ) is shown. Further, the point C i is a fixed rectangular coordinate system O.
The coordinates (X ci , Y ci , Z ci ) of the i-th retroreflector CC in −XYZ are shown. In the present embodiment, the position of the moving body in the fixed Cartesian coordinate system O-XYZ (X P ,
Y P , Z P ) and the posture (Ψ, Θ, Φ).

【0019】(2)移動体の3次元位置(XP ,YP
P )および姿勢(Ψ,Θ,Φ)の求め方 図8を参照して、固定直交座標系O−XYZにおける移
動体座標系o−xyzの原点oの位置ベクトルを〈P〉
とし回転行列を〈R〉とすると、固定直交座標系O−X
YZと移動体座標系o−xyzとの座標変換は、次式
(1)で表せる。 〈X〉=〈R〉〈x〉+〈P〉 …(1)
(2) Three-dimensional position (X P , Y P ,
Z P ) and attitude (Ψ, Θ, Φ) determination method Referring to FIG. 8, the position vector of the origin o of the moving body coordinate system o-xyz in the fixed Cartesian coordinate system O-XYZ is <P>.
And the rotation matrix is <R>, the fixed Cartesian coordinate system OX
The coordinate conversion between YZ and the moving body coordinate system o-xyz can be expressed by the following equation (1). <X> = <R><x> + <P> (1)

【0020】したがって、i番目の再帰反射器CCの位
置ベクトル〈Ci 〉=[Xci,Yci,ZciT を、移動
体座標系o−xyzで表した位置ベクトル〈ci 〉=
[xci,yci,zciT は次式(2)で表される。な
お、[ ]T の記号は、[ ]の中身が、転置された行
列であることを示している。 〈ci 〉=〈R〉-1(〈Ci 〉−〈P〉) …(2)
[0020] Thus, the position vector of the i-th retroreflector CC <C i> = [X ci, Y ci, Z ci] to T, the position vectors expressed in the mobile coordinate system o-xyz <c i> =
[X ci , y ci , z ci ] T is expressed by the following equation (2). The symbol [] T indicates that the content of [] is a transposed matrix. <C i> = <R> -1 (<C i> - <P>) ... (2)

【0021】また、位置ベクトル〈ci 〉を単位ベクト
ル〈Li 〉を用いて〈ci 〉=λi〈Li 〉と表すと、
(2)式は(3)式となる。 〈R〉-1(〈Ci 〉−〈P〉)−λi 〈Li 〉=0 …(3)
Further, the position vector using a <c i> a unit vector <L i><ci> = λ i is represented with <L i>,
Expression (2) becomes Expression (3). <R> -1 (<C i >-<P>)-λ i <L i > = 0 (3)

【0022】ただし、(3)式において単位ベクトル
〈Li 〉は、 〈Li 〉=[cos ψi cos θi ,cos ψi sin θi ,sin ψi T である。
However, in the equation (3), the unit vector <L i > is <L i > = [cos ψ i cos θ i , cos ψ i sin θ i , sin ψ i ] T.

【0023】いま、移動体座標系o−xyzの原点oの
位置ベクトル〈P〉を、 〈P〉=[xP ,yP ,zP T とし、回転行列〈R〉をオイラー角を用いて次式のよう
に表現するものとする。
[0023] Now, the position vector of the origin o of the mobile coordinate system o-xyz <P>, using the Euler angles <P> = [x P, y P, z P] is T, rotation matrix <R> Shall be expressed as

【0024】[0024]

【数1】 [Equation 1]

【0025】そうすると、最低3個の再帰反射器CCに
ついて(3)式が求められ、それを書き換えると次式
(4)が得られる。 〈F(Ψ,Θ,Φ,xP ,yP ,zP ,λ1 ,λ2 ,λ3 )〉=0…(4)
Then, the equation (3) is obtained for at least three retroreflectors CC, and by rewriting it, the following equation (4) is obtained. <F (Ψ, Θ, Φ, x P , y P , z P , λ 1 , λ 2 , λ 3 )> = 0 (4)

【0026】したがって、単位ベクトル〈Li 〉が得ら
れれば、上式(4)に対してたとえば数値解析の手法
(たとえばニュートンラフソン法)を用いることで、移
動体の3次元位置(XP ,YP ,ZP )および姿勢
(Ψ,Θ,Φ)が求められる。
Therefore, if the unit vector <L i > is obtained, a three-dimensional position (X P , X P , Y P , Z P ) and posture (Ψ, Θ, Φ) are obtained.

【0027】ここで、図9を参照して、オイラー角につ
いて説明する。オイラー角とは次のような3つの順序を
有する回転Ψ,Θ,Φによって定義される。
Here, the Euler angle will be described with reference to FIG. Euler angles are defined by rotations Ψ, Θ, and Φ having the following three orders.

【0028】まず、X0 0 0 系をZ0 軸回りに回転
し、X0 がZ0 とX3 とで定まる面に含まれるようにす
る。このときの回転角をΨとし、この位置にあるX0
0 0 系をX1 1 1 系と名付け、その座標変換行列
をF1 (Ψ)とする。次に、X1 1 1 系をY1 軸回
りに回転し、X1 をX3 に一致させ、これをX2 2
2 系と名付ける。このときの回転角をΘとし、その座標
変換行列をF2 (Θ)とする。最後にX2 2 2 系を
2 軸回りに回転し、X3 3 3 に一致させる。この
ときの回転角をΦとし、その座標変換行列をF3 (Φ)
とする。このように定義された回転角Ψ,Θ,Φをオイ
ラー角と呼ぶ。
First, the X 0 Y 0 Z 0 system is rotated about the Z 0 axis so that X 0 is included in the plane defined by Z 0 and X 3 . Let Ψ be the rotation angle at this time, and X 0 Y at this position
The 0 Z 0 system is named X 1 Y 1 Z 1 system, and its coordinate transformation matrix is F 1 (Ψ). Next, the X 1 Y 1 Z 1 system is rotated around the Y 1 axis so that X 1 coincides with X 3 , and this is set to X 2 Y 2 Z.
Named as system 2 . The rotation angle at this time is Θ, and its coordinate conversion matrix is F 2 (Θ). Finally, the X 2 Y 2 Z 2 system is rotated around the X 2 axis to match X 3 Y 3 Z 3 . The rotation angle at this time is Φ, and the coordinate conversion matrix is F 3 (Φ)
And The rotation angles Ψ, Θ, and Φ defined in this way are called Euler angles.

【0029】(3)移動体からの観測角θi ,ψi の求
め方 図10を参照して、移動体座標系o−xyzにおいて、
原点oを通りxz平面に平行な平面をx軸回りにα
1 (>0)だけ回転させ、さらにz軸回りに回転させi
番目の再帰反射器CCの位置Ci を含む平面をoCi
i とする。このときのz軸回りの回転角をθi1とする。
同様に、原点oを通りxz平面に平行な平面をx軸回り
にα2 (>0)だけ回転させ、さらにz軸回りに回転さ
せi番目の再帰反射CCの位置Ci を含む平面をoCi
i とする。このときのz軸回りの回転角をθi2とす
る。Ci からxy平面に下ろした垂線の足とxy平面と
の交点をDi とし、oDi がx軸となす角をθi ,oC
i とoDi とのなす角をψi とすれば、θi とψi は次
式(5)および(6)で示される。
(3) How to obtain the observation angles θ i and ψ i from the moving body Referring to FIG. 10, in the moving body coordinate system o-xyz,
A plane passing through the origin o and parallel to the xz plane is α around the x axis.
Rotate by 1 (> 0), then rotate around z-axis i
The plane containing the position C i of the th retroreflector CC is oC i A
i . The rotation angle around the z axis at this time is θ i1 .
Similarly, a plane that passes through the origin o and is parallel to the xz plane is rotated about the x axis by α 2 (> 0), and further rotated around the z axis so that the plane including the position C i of the i-th retroreflective CC is oC. i
Let B i . The rotation angle around the z-axis at this time is θ i2 . Let D i be the point of intersection of the foot of the perpendicular line drawn from C i to the xy plane and the xy plane, and let θ i , oC be the angle that oD i makes with the x axis.
If the angle between i and oD i is ψ i , θ i and ψ i are expressed by the following equations (5) and (6).

【0030】[0030]

【数2】 [Equation 2]

【0031】以下、上記原理を利用した、この発明の一
実施例の構成および動作について説明する。
The configuration and operation of one embodiment of the present invention utilizing the above principle will be described below.

【0032】図1は、この発明の一実施例に係る光計測
システムの全体構成を示す斜視図である。図において、
移動体1の走行コース2の周囲には、複数の再帰反射器
CCが任意の間隔で配置されている。なお、再帰反射器
としては、たとえばコーナキューブが用いられる。周知
のごとく、コーナキューブは、互いに直交する3つの光
反射面を備えており、入射光の入射角度にかかわらず入
射角度と同一の出射角度で反射光を出射する光学的性質
を有している。すなわち、反射光は入射光の経路を逆に
たどり、元来た方向へと戻る。
FIG. 1 is a perspective view showing the overall construction of an optical measurement system according to an embodiment of the present invention. In the figure,
A plurality of retroreflectors CC are arranged at arbitrary intervals around the traveling course 2 of the moving body 1. A corner cube, for example, is used as the retroreflector. As is well known, a corner cube has three light reflecting surfaces that are orthogonal to each other and has an optical property of emitting reflected light at the same exit angle as the incident angle regardless of the incident angle of the incident light. .. That is, the reflected light follows the path of the incident light in the opposite direction and returns to the original direction.

【0033】一方、移動体1には、レーザ計測装置3が
搭載されている。このレーザ計測装置3は、図2に示す
ように、ビーム発射器5と、回転駆動装置6と、演算装
置7とを含む。回転駆動装置6および演算装置7は、ハ
ウジング30の内部に収納されている。ビーム発射器5
は、回転軸62と一体的に構成された回転プレート61
の上に取り付けられており、回転駆動装置6により移動
体1に属する基準面(移動体座標系のxy平面)に沿っ
て回転する。したがって、ビーム発射器5から発射され
る2つの面ビーム41および42は、回転軸62を中心
にして上記基準面に平行に回転走査される。
On the other hand, a laser measuring device 3 is mounted on the moving body 1. As shown in FIG. 2, the laser measuring device 3 includes a beam emitting device 5, a rotation driving device 6, and a computing device 7. The rotary drive device 6 and the arithmetic device 7 are housed inside a housing 30. Beam launcher 5
Is a rotary plate 61 integrally formed with the rotary shaft 62.
It is mounted on the rotary body 6 and is rotated by the rotation drive device 6 along a reference plane (xy plane of the mobile body coordinate system) belonging to the mobile body 1. Therefore, the two surface beams 41 and 42 emitted from the beam emitter 5 are rotationally scanned about the rotation axis 62 in parallel with the reference plane.

【0034】ビーム発射器5は、再帰反射器CCを検知
するために、面ビーム41および42を発射する同一構
成の2組の投受光ユニット8Aおよび8Bを備えてい
る。各投受光ユニットは、図3に示されるようにハウジ
ング80の内部に光源の一例のレーザダイオード81
と、コリメートレンズ82と、シリンドリカルレンズ8
3と、集光レンズ84と、受光素子の一例のフォトダイ
オード85とが図示のように配置されて構成されてい
る。なお、光源は指向性の鋭いものであれば良く、レー
ザダイオード81に代えて発光ダイオードや気体レーザ
などが用いられても良い。
The beam projecting device 5 includes two sets of light projecting / receiving units 8A and 8B having the same structure for projecting the surface beams 41 and 42 in order to detect the retroreflector CC. As shown in FIG. 3, each light emitting / receiving unit has a laser diode 81, which is an example of a light source, inside a housing 80.
, Collimating lens 82, and cylindrical lens 8
3, a condenser lens 84, and a photodiode 85, which is an example of a light receiving element, are arranged as shown in the figure. It should be noted that the light source only needs to have a sharp directivity, and a light emitting diode, a gas laser, or the like may be used instead of the laser diode 81.

【0035】レーザダイオード81から出射された光は
コリメートレンズ82で平行光とされた後、所定の角度
だけ傾けられたシリンドリカルレンズ83によって2次
元方向に広げられ、所定の広がり角と所定の傾きを有す
る面ビーム41(または42)となって外部へ出射され
る。面ビーム41の傾き角はα1 であり、面ビーム42
の傾き角はα2 である。なお、2組の投受光ユニット8
Aおよび8Bの代わりに1つの投受光ユニットを設け、
シリンドリカルレンズ83を回転させることにより、上
記傾き角α1 ,α2 を有する2つの面ビーム41および
42を得るようにしても良い。
The light emitted from the laser diode 81 is collimated by a collimator lens 82 and then spread in a two-dimensional direction by a cylindrical lens 83 which is tilted by a predetermined angle so as to have a predetermined spread angle and a predetermined tilt. It becomes the surface beam 41 (or 42) which it has, and it radiate | emits outside. The inclination angle of the surface beam 41 is α 1 , and the surface beam 42
The inclination angle of is α 2 . It should be noted that two sets of light emitting / receiving unit 8
One light emitting and receiving unit is provided instead of A and 8B,
By rotating the cylindrical lens 83, the two surface beams 41 and 42 having the inclination angles α 1 and α 2 may be obtained.

【0036】外部へ出射された面ビーム41および42
は、いずれかの再帰反射器CCに当たると、点線で示す
反射光43(または44)となって投受光ユニット8A
(または8B)にそれぞれ戻って来る。この反射光43
(または44)は、集光レンズ84で集光され、フォト
ダイオード85で検知される。なお、反射光43(また
は44)は、面ビームとなって戻って来るので、フォト
ダイオード85はレーザダイオード81の光軸から少し
ずれて配置されていても反射光43(または44)を検
知できる。
Surface beams 41 and 42 emitted to the outside
When it hits one of the retroreflectors CC, it becomes reflected light 43 (or 44) indicated by a dotted line, and the light emitting / receiving unit 8A
(Or 8B) respectively. This reflected light 43
(Or 44) is condensed by the condenser lens 84 and detected by the photodiode 85. Since the reflected light 43 (or 44) returns as a surface beam, the reflected light 43 (or 44) can be detected even if the photodiode 85 is arranged slightly displaced from the optical axis of the laser diode 81. ..

【0037】次に、図4および図5を参照して、上記実
施例の3次元空間での幾何学的関係を説明しておく。い
ま、移動体1の上に搭載されたレーザ計測装置3内のビ
ーム発射器5から発射される面ビームのうち、α1 傾い
て出射した面ビーム41を移動体1の基準面内で回転す
れば、再帰反射器CCに当たる回転角度としてθi1が求
められ、α2 傾いて出射した面ビーム42を移動体1の
基準面内で回転すれば、再帰反射器CCに当たる回転角
度としてθi2が求められる。したがって、これらθi1
よびθi2を前述の(5),(6)式に代入することによ
り移動体1からの観測角θi ,ψi が求められる。そし
て、この観測角の計測動作を、少なくとも3個の再帰反
射器CCに対して行えば、前述の(4)式から面ビーム
の回転中心の3次元位置(固定座標系O−XYZにおけ
る3次元位置)および姿勢が求められる。
Next, with reference to FIGS. 4 and 5, the geometrical relationship in the three-dimensional space of the above embodiment will be described. Now, of the surface beams emitted from the beam emitter 5 in the laser measuring device 3 mounted on the moving body 1, the surface beam 41 emitted with an inclination of α 1 is rotated within the reference plane of the moving body 1. For example, θ i1 is obtained as the rotation angle that hits the retroreflector CC, and if the surface beam 42 that is emitted with an inclination of α 2 is rotated within the reference plane of the moving body 1, θ i2 is obtained as the rotation angle that hits the retroreflector CC. Be done. Therefore, by substituting these θ i1 and θ i2 into the above equations (5) and (6), the observation angles θ i and ψ i from the moving body 1 can be obtained. If this observation angle measurement operation is performed on at least three retroreflectors CC, the three-dimensional position (three-dimensional position in the fixed coordinate system O-XYZ) of the center of rotation of the surface beam can be calculated from the equation (4). Position) and attitude are required.

【0038】次に、図6を参照して、上記実施例の電気
回路部分の構成を説明する。図において、ビーム発射器
5は2組の投受光ユニット8Aおよび8Bを備えてい
る。それぞれの投受光ユニット8Aおよび8Bは、レー
ザダイオード810,811と、フォトダイオード82
0,821とを含む。演算装置7はレーザダイオード8
10,811を発光させるための駆動回路710,71
1と、フォトダイオード820,821の出力をそれぞ
れ増幅するための増幅器720,721と、増幅器72
0,721の出力をそれぞれ波形整形するための波形整
形回路730,731と、回転駆動装置6内に設けられ
回転角に応じてパルスを発生する装置、たとえばロータ
リエンコーダ63からのパルスをカウントするカウンタ
740と、移動体1の3次元位置および姿勢を演算する
CPU760と、CPU760へ角度データを受け渡す
ためのインタフェイス750とを含む。なお、CPU7
60は、外部記憶装置9と接続されている。外部記憶装
置9には、CPU760のための動作プログラムが格納
されている。
Next, the configuration of the electric circuit portion of the above embodiment will be described with reference to FIG. In the figure, the beam emitter 5 is provided with two sets of light emitting / receiving units 8A and 8B. Each of the light emitting / receiving units 8A and 8B includes a laser diode 810, 811 and a photodiode 82.
0,821. The arithmetic unit 7 is a laser diode 8
Driving circuits 710 and 71 for causing 10, 811 to emit light
1 and amplifiers 720 and 721 for amplifying the outputs of the photodiodes 820 and 821, respectively, and an amplifier 72.
Waveform shaping circuits 730 and 731 for shaping the waveforms of the outputs 0 and 721, respectively, and a device that is provided in the rotary drive device 6 and generates a pulse according to the rotation angle, for example, a counter that counts the pulses from the rotary encoder 63. 740, a CPU 760 that calculates the three-dimensional position and orientation of the moving body 1, and an interface 750 that transfers angle data to the CPU 760. The CPU7
Reference numeral 60 is connected to the external storage device 9. The external storage device 9 stores an operation program for the CPU 760.

【0039】次に、上記実施例の動作について説明す
る。いま、ロータリエンコーダ63の回転基準位置と投
受光ユニット8Aからの面ビーム41の出射方向とが合
わせてあり、移動体座標系のx軸正方向に面ビーム41
が向いたときカウンタ740がロータリエンコーダ63
からのリセット信号によりリセットされるものとする。
投受光ユニット8Aおよび8Bが回転駆動装置6により
移動体1に属する基準面に沿って回転すると、回転軸6
2の回転と同期してロータリエンコーダ63からパルス
が出力される。このパルスは、カウンタ740により計
数される。面ビーム41が再帰反射器CCに当たると、
その反射光43がフォトダイオード820で検知され
る。フォトダイオード820の検知信号は、増幅器72
0および波形整形回路730を介してラッチ信号として
カウンタ740に送られる。このときのカウンタ740
の計数データすなわち角度データは、インタフェイス7
50を介して受光判別信号とともにCPU760に送ら
れる。同様の動作が、少なくとも3個の再帰反射器CC
に対して各面ビームごとに行われる。
Next, the operation of the above embodiment will be described. Now, the rotation reference position of the rotary encoder 63 and the emitting direction of the surface beam 41 from the light emitting / receiving unit 8A are aligned, and the surface beam 41 is moved in the positive direction of the x-axis of the moving body coordinate system.
The counter 740 turns the rotary encoder 63 when
Shall be reset by a reset signal from.
When the light emitting / receiving units 8A and 8B are rotated by the rotation driving device 6 along the reference plane belonging to the moving body 1, the rotation shaft 6 is rotated.
A pulse is output from the rotary encoder 63 in synchronization with the rotation of 2. This pulse is counted by the counter 740. When the surface beam 41 hits the retroreflector CC,
The reflected light 43 is detected by the photodiode 820. The detection signal of the photodiode 820 is supplied to the amplifier 72.
It is sent to the counter 740 as a latch signal via 0 and the waveform shaping circuit 730. Counter 740 at this time
The count data, that is, the angle data of the
It is sent to the CPU 760 together with the light reception determination signal via 50. A similar operation is the same for at least three retroreflectors CC
For each surface beam.

【0040】次に、CPU760は、上記のようにして
求めた角度データθi1,θi2(i=1,2,3)を、前
述の(5)(6)式に代入して観測角θi とψi (i=
1,2,3)を計算する。次に、CPU760は、計算
された観測角θi とψi (i=1,2,3)を前述の
(4)式に代入し、移動体座標系o−xyzにおける移
動体の3次元位置(xP ,yP ,zP )と姿勢(Ψ,
Θ,Φ)を計算する。さらに、(1)式を用いて固定直
交座標系O−XYZにおける移動体の位置(XP
P ,ZP )および姿勢(Ψ,Θ,Φ)を計算する。
Next, the CPU 760 substitutes the angle data θ i1 , θ i2 (i = 1, 2, 3) obtained as described above into the above equations (5) and (6) to observe angle θ. i and ψ i (i =
1, 2, 3) is calculated. Next, the CPU 760 substitutes the calculated observation angles θ i and ψ i (i = 1, 2, 3) into the above equation (4) to calculate the three-dimensional position of the moving body in the moving body coordinate system o-xyz. (X P , y P , z P ) and posture (Ψ,
Calculate Θ, Φ). Further, using the equation (1), the position (X P ,
Y P, Z P) and attitude (Ψ, Θ, Φ) is calculated.

【0041】なお、上記実施例では、移動体の一例とし
て道路上を走行する車両について示したが、この発明は
水上を移動する船舶や空中を移動する航空機等の位置計
測や姿勢計測にも適用が可能である。
In the above embodiments, the vehicle running on the road is shown as an example of the moving body, but the present invention is also applied to the position measurement and attitude measurement of a ship moving on the water or an aircraft moving in the air. Is possible.

【0042】また、上記実施例では、再帰反射器を固定
位置に設けるようにしたが、たとえば主移動体と編隊を
組んで移動する複数の副移動体に再帰反射器を設けるよ
うにしても良い。この場合、主移動体と各副移動体との
間の3次元的な位置関係および姿勢を計測することがで
きる。
In the above embodiment, the retroreflector is provided at a fixed position. However, for example, the retroreflector may be provided on a plurality of sub-moving bodies that move in a formation with the main moving body. .. In this case, the three-dimensional positional relationship and orientation between the main moving body and each sub moving body can be measured.

【0043】[0043]

【発明の効果】請求項1に係る発明によれば、光源局と
反射局との間の3次元的な位置関係を正確に計測するこ
とができる。
According to the invention of claim 1, it is possible to accurately measure the three-dimensional positional relationship between the light source station and the reflection station.

【0044】請求項2に係る発明によれば、移動体と固
定物体との間の3次元的な位置関係を正確に計測するこ
とができる。
According to the second aspect of the invention, it is possible to accurately measure the three-dimensional positional relationship between the moving body and the fixed object.

【0045】請求項3に係る発明によれば、3次元空間
内での移動体の絶対座標位置と絶対基準面に対する移動
体の傾斜角度とを計測することができる。したがって、
移動体の傾斜や上下動にかかわらず常に正確な位置およ
び姿勢の計測が可能である。
According to the invention of claim 3, it is possible to measure the absolute coordinate position of the moving body in the three-dimensional space and the tilt angle of the moving body with respect to the absolute reference plane. Therefore,
Accurate measurement of position and posture is possible regardless of the inclination or vertical movement of the moving body.

【0046】請求項4に係る発明によれば、たとえば編
隊を組んで移動する主移動体と副移動体との間の3次元
的な位置関係を正確に計測することができる。
According to the invention of claim 4, for example, it is possible to accurately measure the three-dimensional positional relationship between the main moving body and the sub moving body moving in a formation.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明の一実施例に係る光計測システムの全
体構成を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing an overall configuration of an optical measurement system according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1における移動体に搭載されるレーザー計測
装置の構成を示す一部断面図である。
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing the configuration of a laser measuring device mounted on the moving body in FIG.

【図3】図2におけるビーム発射器に搭載される投受光
ユニットの構成を示す一部破断斜視図である。
FIG. 3 is a partially cutaway perspective view showing a configuration of a light emitting / receiving unit mounted on the beam emitter shown in FIG.

【図4】図1に示す実施例において移動体と再帰反射器
との間の3次元空間での幾何学的関係を示す図解図であ
る。
FIG. 4 is an illustrative view showing a geometrical relationship in a three-dimensional space between a moving body and a retroreflector in the embodiment shown in FIG.

【図5】図1に示す実施例において移動体と再帰反射器
との間の3次元空間での幾何学的関係を示す図解図であ
る。
5 is an illustrative view showing a geometrical relationship in a three-dimensional space between a moving body and a retroreflector in the embodiment shown in FIG. 1. FIG.

【図6】この発明の一実施例の電気回路部分の構成を示
すブロック図である。
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of an electric circuit portion according to an embodiment of the present invention.

【図7】固定座標系と移動体座標系との関係を示す幾何
学的模式図である。
FIG. 7 is a geometrical schematic diagram showing a relationship between a fixed coordinate system and a moving body coordinate system.

【図8】固定座標系と移動体座標系との関係を示す幾何
学的模式図である。
FIG. 8 is a geometrical schematic diagram showing the relationship between a fixed coordinate system and a moving body coordinate system.

【図9】オイラー角を説明するための幾何学的模式図で
ある。
FIG. 9 is a geometrical schematic diagram for explaining Euler angles.

【図10】図1に示す実施例において移動体で計測すべ
き再帰反射器の観測角を示す幾何学的模式図である。
FIG. 10 is a geometrical schematic diagram showing an observation angle of a retroreflector to be measured by a moving body in the embodiment shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

CC:再帰反射器 1:移動体 2:走行コース 3:レーザ計測装置 5:ビーム発射器 6:回転駆動装置 7:演算装置 8A,8A:投受光ユニット 41:α1 傾いた面ビーム 42:α2 傾いた面ビーム 63:ロータリエンコーダCC: Retroreflector 1: Moving body 2: Traveling course 3: Laser measuring device 5: Beam emitting device 6: Rotation drive device 7: Computing device 8A, 8A: Emitter / receiver unit 41: α 1 inclined surface beam 42: α 2 Inclined surface beam 63: Rotary encoder

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西出 健一 東京都狛江市和泉本町1丁目35番1号 東 京航空計器株式会社内 (72)発明者 塙 守智 東京都狛江市和泉本町1丁目35番1号 東 京航空計器株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Kenichi Nishide 1-35-1 Izumihonmachi, Komae-shi, Tokyo Within Tokyo Aircraft Instrument Co., Ltd. No. 35-1 Tokio Aviation Instrument Co., Ltd.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光源局とこの光源局から離れた位置に配
置された複数の反射局との間の3次元的な位置関係を計
測する光計測システムであって、 各前記反射局は、入射した光を元来た方向へ反射する再
帰反射器を含み、 前記光源局は、 当該光源局に属する基準面に対してそれぞれ第1および
第2の傾斜角度を有する面状の第1および第2の光ビー
ムを、当該基準面に対して平行に回転走査する回転走査
手段と、 前記第1および第2の光ビームに応答する各前記反射局
からの反射光を検知するための反射光検知手段と、 前記反射光検知手段から検知出力が得られたときの前記
第1および第2の光ビームの回転走査角度を検出するた
めの角度検出手段と、 前記角度検出手段により検出された回転走査角度と前記
第1および第2の光ビームの各傾斜角度とに基づいて、
前記光源局と前記反射局との間の3次元的な位置関係を
演算するための演算手段とを含む、光計測システム。
1. An optical measurement system for measuring a three-dimensional positional relationship between a light source station and a plurality of reflection stations arranged at positions distant from the light source station, wherein each of the reflection stations has an incident angle. The light source station includes a retroreflector that reflects the reflected light in the original direction, and the light source station has first and second planar surfaces having first and second inclination angles with respect to a reference plane belonging to the light source station. Rotation scanning means for rotationally scanning the optical beam of the laser beam parallel to the reference plane, and reflected light detection means for detecting the reflected light from each of the reflection stations in response to the first and second light beams. An angle detection means for detecting a rotation scanning angle of the first and second light beams when a detection output is obtained from the reflected light detection means, and a rotation scanning angle detected by the angle detection means. And each tilt of the first and second light beams Based on the bevel angle and
An optical measurement system, comprising: a calculation unit for calculating a three-dimensional positional relationship between the light source station and the reflection station.
【請求項2】 前記光源局は、移動体に設けられ、 各前記反射局は、それぞれ異なる固定位置に配置された
複数の固定物体に設けられる、請求項1に記載の光計測
システム。
2. The optical measurement system according to claim 1, wherein the light source station is provided in a moving body, and each of the reflection stations is provided in a plurality of fixed objects arranged at different fixed positions.
【請求項3】 各前記固定物体の絶対座標位置は、予め
既知であり、 前記演算手段は、前記角度検出手段により検出された回
転走査角度と前記第1および第2の光ビームの各傾斜角
度と各前記固定物体の絶対座標位置とに基づいて、3次
元空間内での前記移動体の絶対座標位置と絶対基準面に
対する前記移動体の傾斜角度とを演算する、請求項2に
記載の光計測システム。
3. The absolute coordinate position of each of the fixed objects is known in advance, and the arithmetic means includes the rotational scanning angle detected by the angle detection means and the inclination angles of the first and second light beams. The light according to claim 2, wherein an absolute coordinate position of the moving body in a three-dimensional space and an inclination angle of the moving body with respect to an absolute reference plane are calculated based on and the absolute coordinate position of each of the fixed objects. Measuring system.
【請求項4】 前記光源局は、主移動体に設けられ、 各前記反射局は、それぞれ前記主移動体の周囲を移動す
る複数の副移動体に設けられ、 前記演算手段は、各前記副移動体に対する前記主移動体
の3次元的な位置関係を演算する、請求項1に記載の光
計測システム。
4. The light source station is provided in a main moving body, each of the reflecting stations is provided in a plurality of sub-moving bodies that move around the main moving body, and the computing means is provided in each of the sub-moving bodies. The optical measurement system according to claim 1, which calculates a three-dimensional positional relationship of the main moving body with respect to the moving body.
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