JPH0676887B2 - 距離算出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、移動ロボット等に搭載される距離センサで
あって、光を用いた小型軽量な距離センサに適用して好
適な距離算出方法に関する。

［従来の技術］ 近年、生産ラインの無人化の進展に伴って、ライン内に
用いられるロボットにもより知能化が求められるように
なってきた。

なかでも、ワーク搬送等を行う移動ロボットにとって
は、外界の環境を絶えず認識する視覚機能を備え付ける
ことが、生産ラインに導入するための基本的な条件とな
っており、この視覚機能を与える手段として、ロボット
と障害物との距離を計算する距離センサが用いられる機
会が増えている。

この距離センサには従来より大別して、超音波を利用す
るものと、光を利用するものがあり、以下両者を第１図
及び第２図と、第７図ないし第９図を用いて説明する。

第７図は、超音波を利用する距離センサを示すものであ
り、符号１は距離センサ、符号２は測定対象物である。
距離センサ１は、超音波ビームを測定対象物２に照射す
る発信部1aと、測定対象物２に反射されて戻ってくる超
音波ビームを受信する受信部1bと、これら発信部1a及び
受信部1bと接続された処理部1cとからなるものであり、
発信部1aと受信部1bは、測定対象物２までの距離が互い
にほぼ等しくなるように配置されている。また、処理部
1cは、距離計算を行うためのものである。

上記距離センサ１を用いて測定対象物２までの距離を測
定するには、超音波ビームの往復伝導時間を測定すれば
求められる。すなわち、発信部1aから照射された超音波
ビームが、測定対象物２に反射されて受信部1bに戻って
くるまでの時間を処理部1cで測り、この時間に、あらか
じめ求めておいた超音波ビームの速度を乗じれば、送信
部1aから受信部1bまでの往復距離が求められ、よって、
その半分が測定対象物２までの距離となるのである。

上記距離センサ１は、測定原理が極めて単純で、また、
その処理もいたって簡単であるために、従来より広く用
いられているものである。

一方、光を用いる距離センサとしては、第１図に示すも
のが知られている。

第１図において、符号３は、距離センサである。この距
離センサ３は、スリット光源４、撮像手段５及び画像処
理手段６とからなるものである。スリット光源４は、そ
の内部に設けられた光源から発された光をレンズを通し
て水平面内に広がるスリット光に変換するものである。
また、撮像手段５は、上記スリット光の測定対象物７上
での反射光を図示しないレンズによって捕らえてその撮
像面に測定対象物７の画像を映し出すものであり、撮像
面の横軸は、上記スリット光と平行となるように設けら
れている。そして、画像処理手段６は、上記撮像手段５
の撮像面全体の画像を、第８図に示すようにｐ階調のｎ
×ｍ個の画素により表現された画像5aとして取り込ん
で、反射光の画像5bを示す画素5cと他の画素5dの階調の
相違に基づいて、反射光の画像5bの位置を選び出し、測
定対象物７までの距離を算出するものである。

上記距離センサ３により、測定対象物７までの距離を求
めるには、スリット光源４からスリット光を測定対象物
７に照射し、スリット光の測定対象物７上での反射光を
撮像手段５のレンズで捕らえて、その撮像面に反射面の
画像5bを映し出し、画像処理手段６によりこの画像5bの
位置を選別し、この位置に対応する距離を三角測量の原
理を用いて計算する。

すなわち、第２図に示すように、撮像手段５のレンズ中
心線をｘ軸にとり、撮像面をｕ−ｖ座標系で表現し、測
定対象物７をｘ−ｙ−ｚの座標系で表現した場合、測定
対象物７上の反射点Ａ（x,y,d）に対応する撮像面の点
Ｂの座標は（u,v）で与えられ、従って、この時の測定
対象物７の座標（x,y）は、Ｌ＝ｄ・cotθより、 ｘ＝Ｌ・cosα≒ｒ・d/u ｙ＝Ｌ・sinα≒ｄ・v/u L;反射点からレンズ中心までの距離 r;レンズ中心から撮像面まで距離 d;スリット光源からレンズ中心までの距離 で与えられ、以上より撮像面内の反射光位置の座標（u,
v）を求めることにより、２次元空間ｘ−ｙ座標系上で
の測定対象物７までの距離が計算できる。

一方、上記画像処理手段６によって、ｕ−ｖ座標で定義
された撮像面から反射光を示す画像の座標（u,v）を求
めるには、第８図に示すように、撮像面全体をｐ階調の
ｎ×ｍの画素個の画素により表現された画像5aと置き換
えたときの反射光を示す画素5cと他の画素5dとの階調の
差を利用する。すなわち、反射光を示す画素5cの階調
は、他の画素5dの階調より明らかに高くなり、例えば、
第８図におけるｊ番目の縦列の各画素5c、5dについて、
その階調を読み取ると、その階調の変化には第９図に示
すように、ｉ番目の画素5eにおいて最大値が認められ
る。従って、この画素5eの中央点Ｍを、ｊ列における反
射光の位置とみなして、この時の座標（u,v）を上式に
代入して距離計算を行えば、このｊ列に含まれる反射光
の画像5bに対応する距離が求められる。従って、画像処
理手段６において、撮像面全体の画像5aの総ての縦列
（１番目〜ｍ番目）について上記手順を繰り返せば測定
対象物７までの距離が求められるのである。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、上述した従来の距離センサ１、３において
は、以下に述べる欠点があり、ロボットに搭載するため
には問題があった。

超音波を利用する距離センサ１においては、超音波ビ
ームの指向性が良くないため、測定対象物２が小さい
と、外部環境から測定対象物２を選別することが困難に
なってしまうことがあった。また、超音波ビームの往復
に時間がかかるため（例えば、5mを往復するのに30mse
c）、測定方向を多くすると測定時間がかかり過ぎると
いう問題もあった。さらに、超音波ビームの進行方向に
対し、測定対象物２が傾いていると、受信部1bに反射波
が戻らないため測定不能となってしまうということもあ
った。

光を用いる距離センサ３においては、 画像処理手段６において表現された反射光の画像5bが、
その幅方向に数個の画素に渡って同じ階調だと、縦列を
走査しても反射光を示す画素5aを特定できない。従っ
て、撮像手段５においてはレンズ焦点を撮像面と一致さ
せ、撮像面に映る反射光の画像5bの幅を極力絞り込む必
要がある。このため、撮像手段５の剛性を大きくしてロ
ボットの移動に伴う振動の影響を受けないように配慮し
たり、また高精度のレンズを使用しなければならず、結
果として、撮像手段５が大きく、かつ高価なものとな
り、距離センサ全体の大きさ、価格が、ロボットに搭載
するに適した大きさ、価格から大きく逸脱していた。

また、画像処理手段６において、画像5a内の各列におけ
る反射光位置は、その列を構成する画素の内、最も階調
の高い画素の中心位置Ｍとみなしているため、測定精度
は撮像手段５のレンズ中心から、撮像面までの距離と、
画素5c,5dの間隔によって決まってしまう。従って、測
定精度をあげるには画素5c,5dを小さくすれば良いのだ
が、実用的な範囲内では満足のいく精度は得られなかっ
た。例えば、常識的な値として画素の間隔Δと、レンズ
中心から撮像面までの距離ｒの比を、 Δ/r＝1/325 とし、スリット光源４から撮像手段５のレンズ中心まで
の距離を8cmとした場合、3mの距離を測る場合の誤差
は、約20cmにもなってしまい、この値は到底実用に供す
ことのできる数値ではない。

以上述べたように、従来より用いられている超音波を利
用する距離センサ１や、光を利用する距離センサ３は、
精度面や大きさの点で問題があり、移動ロボットに搭載
するに適切なものではなかったのである。

この発明は、このような背景の下になされたもので、移
動ロボットに搭載できるように、測定装置として用いる
と小型・軽量化が可能であって、なおかつ高精度に対象
物との距離が算出可能な距離算出方法を提供することを
目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上記問題点の解決を図るために、測定対象物
に対してスリット光を照射し、上記スリット光の測定対
象物上での反射光を捕らえて、その撮像面に測定対象物
の画像を映し出し、上記画像を、格子状に配置された任
意階調の画素により表現された画像として取り込み、該
画像内の画素列であって、前記スリット光と交わる方向
の任意の画素列により示される光強度分布のうちの最大
階調となる画素を求め、これを基準とし、この基準の両
側において、再び階調が増加する画素を選択し、該画素
で規定される画素列の階調の重心に相当する座標を、反
射光の中心位置とし、この位置に基づいて上記測定対象
物までの距離を計算することを特徴としている。

［作用］ 上記構成によれば、スリット光の反射光を示す画像のう
ちの、このスリット光と交わる方向の任意の画素列を走
査する場合に、該列における反射光を表わす画素の範囲
を選び出し、その範囲内の各画素における階調の重心に
相当する座標を、反射光の中心位置とするので、撮像面
の反射光の中心位置を画素単位以上の精度で求めること
ができる。

また、本発明では、測定対象物の画像を映し出す際に、
画像の焦点が正確に合致した状態を前提とせず、むしろ
焦点が多少ズレた状態を前提として、複数の画素から反
射光の中心位置を求めている。このため、測定対象物の
画像を映し出す撮像手段においてその剛性や精度を上げ
る必要もなく、また、理想的なスリット光を照射する必
要もない。

［実施例］ 以下、第１図ないし第４図を参照して、本発明の実施例
を説明する。

本実施例の距離センサは、第１図に示すように、従来の
光を用いた距離センサ３と同様にスリット光源４、撮像
手段５及び画像処理手段６の各構成単位により構成され
るものであるが、各構成単位の内部には相違点があり、
以下その相違点について説明する。

まず、スリット光源４はレーザダイオードから発せられ
たレーザ光を、凸レンズとシリンドリカルレンズとで構
成されるレンズ系に通すことにより、水平面内に広がる
スリット光を得ている。また、撮像手段５は、２次元CC
Dカメラ（以下、カメラと略称する）と近赤外透過用フ
ィルタ（以下、フィルタと略称する）とで構成され、後
述する理由により、カメラのレンズの焦点はその撮像面
から外されている。また、上記フィルタは、撮像面に映
し出された測定対象物７の画像から、外乱光により映し
出された画像を取り除くために設けられたものである。

そして、画像処理手段６は、従来の距離センサと同様
に、撮像手段５の撮像面全体の画像を、画素で表現され
た画像として取り込み、該画像から反射光の画像の位置
を求め、三角測量の原理を用いて距離計算を行うもので
あるが、撮像面内の反射光画像の位置を、従来の画素中
心位置よりさらに細かく求めて測定精度を向上させるた
めに、反射光画像範囲選別部（以下、範囲選別部と略称
する）と中心位置演算部とが付加されている。従って、
以下、上記範囲選別部と中心演算部での処理を、実際に
距離計算をする場合の処理手段に従いながら具体的に説
明する。

範囲選別部での処理に先立ち、本実施例では、まず、撮
像手段５の撮像面全体の画像を、第３図に示すように25
6階調の256×240個の画素によって表現された画像5fと
して取り込む。なお、この時、後述の理由により各縦列
について画像平滑化が行われ、さらに撮像手段５のレン
ズ焦点が外されているために、各縦列についてみると反
射光の画像5gは複数個の画素5h、5iによって表現されて
いる。

次に、これら各縦列を走査して、反射光の画像5gの位置
に対応する距離を三角測量の原理によって計算するので
あるが、このためには各縦列の反射光の中心位置を定め
ねばならない。ここで、例えば第３図のｊ列についての
階調分布を示す第４図を参照すると、従来のように最も
階調の高い画素5iの中心位置を反射光の画像5gの中心位
置とすると、その上下に隣り合う画素5hの階調が無視さ
れて、測定精度が画素単位の誤差を伴ったものとなって
しまう。従って、本実施例では、反射光の中心位置を画
素単位以上の精度で定めるために、まず範囲選別部にお
いて、第３図に示す画素5fの縦列から反射光の画素5gを
表す画素5h、5iを選び出す処理を行い、この範囲につい
て、中心位置演算部で画像中心を計算することにより、
最も高い階調の画素5iの上下に続く画素5hの階調をも計
算の対象に取り入れ、画素単位以上の精度で反射光の画
像5gの中心位置を求めており、以下、まず、範囲選別部
の処理を、第３図及び第４図を用いて説明する。

範囲選別部では、まず、第３図の画像5fの内でｊ番目の
縦列を走査して、第４図に示す各画素の階調分布を読み
取る。次にこの快調の分布に基づき、反射光を画像5gを
表す範囲を決定する。すなわち、第４図に基づいて説明
すると、まず、最大階調の画素5iを選び出し、この画素
5iを範囲選別の基準として、上下に続く画素の階調の変
化を読み取って、再度階調が増加する画素5jを選び出す
（図では、上に３つ目、下に４つ目で階調が増加す
る）。そして、これら画素5jから基準の画素5iまでの個
数を比較して、基準の画素5iから近い方の画素5j（図で
は、上側の画素5j）を選択する。そして、この階調が増
加する画素5jの手前の画素までを反射光の画像5gを表す
画素5hとして選び出し、反対方向にも同じ個数の画素を
選び出し、両者を反射光の画像5gを表す画素5hとして選
別するのである。なお、本実施例では、上記処理を行う
場合の処理時間を短くするため、第４図に示すように適
当なスレッシュホルドレベルを設定することにより、階
調の読み取り対象となる画素の個数を減らしている。

なお、以上によって、反射光の画像5gを表現する範囲が
求められる理由は、以下のように考えられる。すなわ
ち、反射光の画像5gは、上述のように画像平滑化が行わ
れたことと、撮像手段５のレンズ焦点が外されているこ
とから、そのエッヂがぼやけた画像となっていて、中心
から上下にずれるにつれてその明るさは次第に減少して
いる。従って、第４図に示すような反射光の画像5gの中
心に位置する画素5iについては、その階調が最大とな
り、上下に行くに従って階調が減少するのである。そし
て、反射光の画像5gのエッヂ周辺では、撮像手段５に捕
らえられた外乱光が混ざり込むために、その部分に位置
する画素では階調がむしろ増加し、従って、最大階調の
画素5iの上下において階調が増加する画素5jは、反射光
の画像5gを示す画素5hではないと考えられるのである。

上記範囲選別部により反射光の画像5gを表現する画素5h
の範囲が選別されたら、次は、この範囲から、中心位置
演算部により反射光の画像5gの中心位置Ｇを求めるので
あるが、本実施例では、この中心位置Ｇを、画素5hの範
囲内の画像重心を計算することにより求めており、以下
にその処理を説明する。

まず各画素5h、5iの階調に基づいて、第４図に２点鎖線
で示すように、反射光の画像5gを表す範囲内の階調変化
曲線5kを求める。そして、この曲線5kと、上記スレッシ
ュホルドレベルで囲まれた範囲について縦方向の重心、
すなわち、該範囲の面積を上下に２等分する直線を求め
れば、この直線が、ｊ列における画素5iの上下に続く画
素5hの階調をも計算に取り入れた反射光の画像5gの中心
線となり、従って、この直線とｊ列中心点との交点の座
標が、ｊ列における反射光の画像5gの中心位置Ｇとな
り、座標（u,v）が、画素単位以上の精度で与えられる
のである。

以上によりｊ列における反射光の画像5gの中心位置Ｇの
座標（u,v）を求めたら、従来と同様に、第２図に示す
三角測量の原理を用いて、点Ｇ（ｕ、ｖ）に対応する距
離を計算する。

以上により、ｊ列における反射光の画像5gについて対応
する距離が求められたら、以下、各縦列（１〜240）に
ついて同様手順を繰り返せば、測定対象物７までの距離
がすべて、画素単位以上の精度で計算される。

以上説明したように、本実施例では、撮像手段５の撮像
面に映った反射光の画像5gの中心位置を定めるために、
画像処理手段６に範囲選別部と中心位置演算部とを設け
たことにより以下に述べる効果が得られた。

まず、反射光の画像5gが、第３図に示すようにその幅
方向に複数の画素5hに渡って映っていても、範囲選別部
によって反射光の画像5gを示す画素5hの範囲を特定でき
る。従って、上記従来例のように撮像手段５において撮
像面に映る反射光の画像5gの幅を絞り込む必要がなく、
レンズの焦点が撮像面5gとずれていても何等問題はな
い。よって、レンズ精度や撮像手段５の剛性をあげる必
要もなく、距離センサ３を、小型軽量ななものとするこ
とができる。

反射光の画像5gの中心位置を定める場合の精度は、範
囲選別部で選び出す画素の個数、すなわち、試料数と、
中心位置演算部の重心計算精度により、統計的に決める
ことができ、画素の大きさのみには拘束されない。従っ
て、画素単位を上回る精度で距離を計算することが可能
である。

ちなみに、カメラのレンズ中心から撮像面までの距離ｒ
と画素の間隔Δの比を、 Δ/r＝1/325 とした場合、約3mの距離を測定する場合の誤差を数cm程
度まで小さくすることができた。

また、スリット光源４に出力20mW、波長780nmのレーザ
ダイオードを用いて、レンズにより約40゜のスリット光
に変換し、撮像手段５のカメラを、スリット光源４の上
部8cmの位置に、15゜下方を向けて固定して距離センサ
を構成し、第５図に示すように距離センサ８と測定対象
物９をそれぞれ配置して、距離を測定した時の測定結果
を第６図（Ａ）に示す。この図でも明らかなように、2m
前後の距離を測定した場合の誤差は数cmとなっている。

なお、本実施例においては、撮像手段５のレンズ焦点を
外したことと、画像処理手段６で画像の平滑化を行っ
て、撮像面に映る反射光の画像5gをぼやけさせたため、
以下に述べる理由により距離測定精度が向上した。

すなわち、距離測定精度は、重心計算の確からしさに影
響され、重心計算における確からしさは、範囲選別部に
おいて選び出される画素の個数、すなわち試料数と密接
な関係がある。従って、レンズ焦点を外し、さらに反射
光の画像5gの平滑化を行うことにより、反射光の画像5g
の幅が広がって範囲選別部によって選び出される画素の
個数が増加し、重心計算の確からしさが高くなって、距
離測定精度がより向上するのである。

また、本実施例では、撮像面の全縦列について距離計算
を行って、第６図（Ａ）に示すように、測定対象物の全
画像を描き出しているが、画像処理手段６において、距
離計算の出力を常時微分することによって距離の変化点
を選び出し、その変化が大きい場合のみ距離を出力さ
せ、これら変化点の間を線分で近似させれば、距離セン
サからロボットへの距離データの転送量が大幅に少なく
なり、ロボット側の制御部の負担も軽減されて、よりロ
ボット搭載にふさわしい小型軽量な距離センサが提供で
きる。なお、この時の実験結果を第６図（Ｂ）に示す。

また、上記撮像手段５においてレンズ歪みが問題となる
場合は、重心計算後の各列ごとの反射光の画像位置に対
して、あらかじめ求めておいたレンズ歪みのテーブルを
引くことによって補正を行えば良い。

なお、本実施例では、範囲選別部により選び出された反
射光の画像の範囲から反射光の中心位置を求めるため
に、該範囲における画像重心位置を計算しているが、本
発明の距離センサ３は、これに限るものではなく、この
他、平均値や中央値等の値を用いることも容易に考えら
れる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明では、スリット光の反射
光を示す画像のうちの、このスリット光と交わる方向の
任意の画素列を走査する場合に、該列における反射光を
表わす画素の範囲を選び出し、その範囲内の各画素にお
ける階調の重心に相当する座標を、反射光の中心位置と
するので、撮像面の反射光の中心位置を画像単位以上の
精度で求めることができる。

また、本発明では、測定対象物の画像を映し出す際に、
画像の焦点が正確に合致した状態を前提とせず、むしろ
焦点が多少ズレた状態を前提として、複数の画素から反
射光の中心位置を求めている。このため、測定対象物の
画像を映し出す撮像手段においてその剛性や精度を上げ
る必要もなく、また、理想的なスリット光を照射する必
要もない。

したがって、本発明は、測定対象物との距離を算出する
装置において、小型軽量なものとすることが可能とな
り、さらに、その測定精度も大幅に向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は光を用いた距離センサの構成図、第２図は三角
測量の原理を示す図、第３図は本発明の実施例における
撮像面の画像処理手段を説明するための説明図、第４図
は第３図のｊ列における各画素の階調を示す分布図、第
５図は実際に本発明の実施例を用いて距離測定を行った
時の測定対象物の配置図、第６図は第５図の測定対象物
を測定した場合の結果を示す図であり、（Ａ）は撮像面
の各列について距離計算を行った時の結果を示す図、
（Ｂ）は距離変化点のみ出力させて他を線分で近似した
場合の結果を示す図、第７図は、従来の超音波センサの
構成図、第８図は従来の光を用いた距離センサにおける
撮像面の画像処理手段を説明するための説明図、第９図
は第８図のｊ列における各画素の階調を示す分布図であ
る。３ ……距離センサ、４……スリット光源、５……撮像手
段、5f……任意階調の画素により表現された撮像面全体
の画像、5g……反射光の画像、5h、5i……反射光を表す
画素、６……画像処理手段、７……測定対象物、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田畑 秀光 三重県伊勢市竹ケ鼻町100番地 神鋼電機 株式会社伊勢製作所内 (56)参考文献 特開 昭60−3502（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−105002（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−62208（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−162409（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−138204（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（Ａ）測定対象物に対してスリット光を照
   射し、 （Ｂ）上記スリット光の測定対象物上での反射光を捕ら
   えて、その撮像面に測定対象物の画像を映し出し、 （Ｃ）上記画像を、格子状に配置された任意階調の画素
   により表現された画像として取り込み、 （Ｄ）該画像内の画素列であって、前記スリット光と交
   わる方向の任意の画素列により示される光強度分布のう
   ちの最大階調となる画素を求め、これを基準とし、 （Ｅ）この基準の両側において、再び階調が増加する画
   素を選択し、 （Ｆ）該画素で規定される画素列の階調の重心に相当す
   る座標を、反射光の中心位置とし、 （Ｇ）この位置に基づいて上記測定対象物までの距離を
   計算する ことを特徴とする距離算出方法。
2. 【請求項２】前記階調の重心は、 規定された画素列の階調変化曲線と所定の階調値を有す
   るスレッショルドレベルとで囲まれる面積を、前記画素
   列と直交する方向に２等分する中心線で示されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の距離算出方法。