JPH10206544A

JPH10206544A - 測距形光学式測定装置

Info

Publication number: JPH10206544A
Application number: JP1150997A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Nishida; 雅信西田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1997-01-24
Publication date: 1998-08-07

Abstract

(57)【要約】【課題】高安定、高精度の距離測定が行える測距形光学
式測定装置を実現する。【解決手段】基準距離を伝搬する時間に相当する値を、
実際に基準発光器３２から電磁波パルスを発射させて測
定して得る。そして、受光器３３からホールド回路４７
に至る回路を１系統とすることにより、測距発光器３１
の動作に基づく処理と、基準発光器３２の動作に基づく
処理とを共通化した上で、被測定物体までの距離を伝搬
した時間に相当する測定値と合わせて、所定の演算を行
って被測定物体までの距離を求める。【効果】受光器３３ａ，３３ｂの受光動作や測定部４１
−４７の測定動作に潜在的に誤差が含まれていても、処
理、演算においてその誤差を打ち消すことができ、被測
定物体までの正確な距離を求めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁波パルスを物
体に発射して反射波を受光するまでの時間を測定するこ
とにより、その物体までの距離を測定する測距形光学式
測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の測距形光学式測定装置と
して、電磁波パルスの往復時間を電圧に変換し、その電
圧に基づいて距離を求める方式のものが知られている
（例えば、特公昭６３−１２５４３号公報参照）。前記
公報記載の測距形光学式測定装置では、アナログ回路が
受ける温度等の環境条件の影響を受けないようにするた
め、時間間隔を距離電圧に変換するに際して定勾配傾斜
電圧信号を所定時点で保持するサンプリングパルスを同
一の変換回路により別のタイミングで発生し、それぞれ
サンプルホールドして比較演算を行う。これにより、例
え温度によって距離電圧が変化しても同時に基準電圧も
変化することを利用し、その温度等の影響を受けないよ
うにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記の測距形
光学式測定装置では、サンプルホールド回路６におい
て、複数のタイミングでそれぞれホールドし別々に出力
しているので、アナログ処理系統を複数持たなければな
らず、処理系統間の特性のばらつきによる誤差の発生を
避けることができない。

【０００４】そこで、本発明は、サンプルホールド回路
を含めた受光器以後の処理系統をすべて共通化すること
により、高安定、高精度の距離測定が行える測距形光学
式測定装置を実現することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の測距形光学式測
定装置は、装置外部の所定方向に電磁波パルスを発射す
る測距発光部と、測距発光部の動作よりも基準距離相当
分遅延したタイミングで電磁波パルスの発射動作を行う
基準発光部と、測距発光部から発射された電磁波パルス
の反射波、及び基準発光部から発射された電磁波パルス
を受光する受光部と、受光部の受光信号に基づき測距発
光部の動作又は基準発光部の動作から受光するまでの時
間を測定する測定部と、測定部により測定された基準距
離を伝搬する時間に相当する値及び被測定物体までの距
離を伝搬する時間に相当する値に基づいて演算をするこ
とにより被測定物体までの距離を求める演算部とを有す
るものである（請求項１）。

【０００６】前記の構成によれば、基準距離を伝搬する
時間に相当する値を、実際に基準発光部から電磁波パル
スを発射させて測定して得ている。そして、被測定物体
までの距離を伝搬する時間に相当する値と合わせて、所
定の演算を行って被測定物体までの距離を求めているの
で、受光部の受光動作や測定部の測定動作に潜在的に誤
差が含まれていても、演算部における演算においてその
誤差を打ち消すことができる。したがって、被測定物体
までの正確な距離を求めることができる。

【０００７】なお、請求項１記載の構成において、電磁
波の振動数はいくらでもよく、例えば赤外線や可視光線
を使用することができる。「基準距離相当分遅延したタ
イミング」を作りだす回路として、公知の遅延回路を採
用することができる。「電磁波パルスの発射から受光す
るまでの時間を測定する測定部」は、論理回路、比較回
路、積分回路などの公知のものを採用することができ
る。

【０００８】前記受光部から測定部に至る回路を１系統
とすることにより、測距発光部の動作に基づく処理と、
基準発光部の動作に基づく処理とを共通化することが望
ましい（請求項２）。前述したように処理系統を複数持
てば、処理系統間の特性のばらつきによる誤差の発生を
避けることができないが、１系統とすることにより処理
を共通化すれば、誤差を避けることができる。

【０００９】本発明において、前記測距発光部、基準発
光部、受光部及び測定部を、道路の上方所定位置に設置
された投受光装置に搭載し、投受光装置と演算部との間
をケーブルで接続することが望ましい（請求項３）。こ
れによれば、ケーブルを伝送する信号は、測定部の測定
値、すなわち電磁波パルスの発射から受光するまでの時
間に相当する信号とすることができる。したがって、受
光部により得られた電磁波パルス受光信号をそのまま送
るよりも低周波で済み、ケーブルの伝送容量の制約を受
けることがない。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、車両感
知用の測距形光学式測定装置の設置例を示す図である。
測距形光学式測定装置は、投受光装置１１及び本体制御
部１２からなり、投受光装置１１は道路車線の真上の所
定位置に設置され、本体制御部１２は道路の脇の柱等に
設置される。投受光装置１１の感知領域１３は、当該車
線の中に設定される。

【００１１】図２は、投受光装置１１の断面図であり、
図２(a) は側断面図、図２(b) は底面断面図である。投
受光装置１１は、発光基板２１、受光基板２２及び制御
基板２３を有し、発光基板２１には縦横マトリクス状に
測距発光器３１が配列されている。受光基板２２にはレ
ンズ３４を通して２つの受光器３３ａ，３３ｂが並び、
受光器３３ａ，３３ｂのそばに基準発光器３２が配置さ
れている。

【００１２】前記測距発光器３１及び基準発光器３２に
は発光ダイオード(LED) やレーザダイオードが使用さ
れ、前記受光器３３ａ，３３ｂにはＰＩＮダイオード、
インパットダイオード等の受光ダイオードが使用され
る。なお、受光器が２つあるのは、道路に感知領域を２
種類設定するためである。２種類設定することにより車
両の速度測定等ができるようになる。

【００１３】図３は、投受光装置１１の回路構成を示す
ブロック図である。受光基板２２には、受光器３３ａ、
受光器３３ｂを切り換える切換えスイッチＳＷ１、増幅
器４１、Ｓ／Ｎを向上させるためのバンドパスフィルタ
４２、出力レベルを一定に保つＡＧＣ増幅器４３、パル
ス化回路４４、時間差パルス化回路４５が設けられてい
る。

【００１４】前記パルス化回路４４は、比較回路であっ
て、受光器３３ａ又は受光器３３ｂにより変換されバン
ドパスフィルタ４２を通った正弦波反射信号をパルス化
するものである。前記時間差パルス化回路４５は、論理
積回路であって、タイミング制御ロジックから供給され
る基準パルス信号と前記パルス化回路４４の出力パルス
との共通部分をとり、これを時間差信号として出力す
る。

【００１５】一方、制御基板２３には、前記時間差信号
を積分する積分器４６が設けられ、積分器４６の出力は
切換えスイッチ４を通してホールド回路４７ａ又はホー
ルド回路４７ｂに供給される。また、本体制御部１２か
らのスタート信号に基づいて各種切換えスイッチＳＷ１
−ＳＷ４の切換え時点の設定、積分器４６のクリア時点
の設定、基準パルス信号の発生を行うタイミング制御ロ
ジック４８が設けられている。さらに、測距発光器３１
の発光か基準発光器３２の発光かを切り換える切換えス
イッチＳＷ３が設けられ、切換えスイッチＳＷ３と基準
発光器３２との間には切換えスイッチＳＷ２及び光が一
定の距離（例えば１０ｍ）を往復する時間を遅延させる
遅延回路４９が設けられている。

【００１６】なお、本発明で「受光部から測定部に至る
回路を１系統とする」という意味は、受光器３３ａ又は
受光器３３ｂからホールド回路４７ａ又はホールド回路
４７ｂまでが１系統になるということである。図４は、
本体制御部１２の回路構成を示すブロック図である。本
体制御部１２は、１５〜３０ｍのケーブルを通して投受
光装置１１と結ばれており、ホールド回路４７ａ及びホ
ールド回路４７ｂのホールド電圧信号をディジタル化す
るＡ／Ｄ変換器５１、スタート信号を発生し、同期信号
を受けるタイミング回路５２、及び後述する演算処理を
行うＣＰＵ５３を有している。

【００１７】前記ケーブルを伝送する信号は、ホールド
回路４７ａ及びホールド回路４７ｂのホールド電圧信
号、すなわち測距信号である。この測距信号は、切換え
スイッチＳＷ４により時分割の形で送られる。図５は、
受光基板２２及び制御基板２３の各部の信号波形の関係
を示す波形図である。

【００１８】図５(a) は受光器３３ａ又は受光器３３ｂ
の受信信号（反射光強度信号Ａという）の波形、図５
(b) はパルス化回路４４の出力パルス信号（反射パルス
信号Ｂという）の波形、図５(c) はタイミング制御ロジ
ック４８で作られる基準パルス信号Ｃの波形、図５(d)
は時間差パルス化回路４５の出力信号（時間差信号Ｄと
いう）の波形、図５(e) は積分器４６の出力電圧信号Ｅ
の波形をそれぞれ示す。

【００１９】図５(c) の基準パルス信号Ｃは、一周期が
約０．３μsec であり、したがって反射光強度信号Ａ、
反射パルス信号Ｂの周期も同じく約０．３μsec であ
る。反射パルス信号Ｂは基準パルス信号Ｃと比べて、光
が測距対象物まで往復する時間だけ遅れている。そこ
で、論理積をとることにより、往復時間分の幅を削った
時間差信号Ｄを作ることができる。そこで時間差信号Ｄ
を積分器４６で積分することにより測距対象物までの距
離を表す電圧信号Ｅを得ることができる。なお、時間差
信号Ｄの作り方が前記のとおりなので、測距対象物まで
の距離が長いほど電圧信号Ｅは小さく現れ、測距対象物
までの距離が短いほど電圧信号Ｅは大きく現れる。積分
器４６の出力は、基準パルス信号Ｃが所定数ｎ個続くま
でリセットされることなく加算される。これにより、ｎ
個分の平均をとったのと同等になり、測距の精度を向上
させることができる。

【００２０】図６は、タイミング制御ロジック４８の行
う各種切換えスイッチＳＷ１−ＳＷ４その他の切換え手
順を示すタイミング図である。スタート信号が入力され
ると、それに引き続き６つのステージが用意される。各
ステージでの発光パルス数（基準パルス数に等しい）は
Ｎ（例えばＮ＝２５６）である。

【００２１】(1) 最初のステージでは、切換えスイッチ
ＳＷ１は受光器３３ａを選択し、切換えスイッチＳＷ２
は遅延回路４９を通さないスルー状態を選択し、切換え
スイッチＳＷ３は基準発光器３２による基準発光を選択
し、切換えスイッチＳＷ４はホールド回路４７ａを選択
する。したがって、基準発光器３２により基準発光がな
され、受光器３３ａによる受光信号が増幅器４１を通
る。積分器４６は、基準パルス信号Ｃを加算するが、基
準発光器３２は受光器と密接しているので、これにより
０ｍの距離に相当する信号を得ることになる。なお実際
には、発光及び受光回路が安定するまで待つために、Ｎ
個の基準パルス信号Ｃを全部加算しないで、Ｎ個のうち
最初の所定数（時間Ｔ₁分）は捨て、残ったパルスｎ個
（ｎ＜Ｎ）についてのみ加算することとしている。

【００２２】(2) ２番目のステージでは、切換えスイッ
チＳＷ１は受光器３３ｂを選択し、切換えスイッチＳＷ
４はホールド回路４７ｂを選択する。したがって、受光
器３３ｂによる受光信号を測定することになる。 (3) ３番目のステージでは、切換えスイッチＳＷ１は受
光器３３ａを選択し、切換えスイッチＳＷ２は遅延回路
４９を通す遅延状態を選択し、切換えスイッチＳＷ３は
基準発光器３２による基準発光を選択し、切換えスイッ
チＳＷ４はホールド回路４７ａを選択する。したがっ
て、基準発光器３２により遅延時間だけずれた時点で基
準発光がなされ、受光器３３ａによる受光信号が増幅器
４１を通る。積分器４６は、基準パルス信号Ｃを加算す
る。基準発光の遅延時間は、光が１０ｍの距離を往復す
る時間としているので、積分器４６の出力に１０ｍの距
離に相当する信号を得ることになる。

【００２３】(4) ４番目のステージでは、切換えスイッ
チＳＷ１は受光器３３ｂを選択し、切換えスイッチＳＷ
４はホールド回路４７ｂを選択する。したがって、受光
器３３ｂによる遅延した受光信号を測定することにな
る。 (5) ５番目のステージでは、切換えスイッチＳＷ１は受
光器３３ａを選択し、切換えスイッチＳＷ３は測距発光
器３１による測距発光を選択し、切換えスイッチＳＷ４
はホールド回路４７ａを選択する。したがって、受光器
３３ａの感知領域１３に存在する物体までの距離に相当
する時間だけずれた時点で受光がなされ、積分器４６の
出力に物体までの距離に相当する信号を得ることにな
る。

【００２４】(6) ６番目のステージでは、切換えスイッ
チＳＷ１は受光器３３ｂを選択し、切換えスイッチＳＷ
４はホールド回路４７ｂを選択する。したがって、受光
器３３ｂの感知領域１３に存在する物体までの距離に相
当する信号を得ることができる。以上のように、ホール
ド回路４７ａ又はホールド回路４７ｂで、０ｍの距離に
相当する信号、１０ｍの距離に相当する信号、及び物体
までの距離に相当する信号が得られると、本体制御部１
２のＣＰＵ５３は、次のような演算を行って物体までの
正確な距離を求める。

【００２５】得られた０ｍの距離に相当する電圧を
Ｖ₀、１０ｍの距離に相当する電圧をＶ ₁₀、及び物体ま
での距離に相当する電圧をＶ_xとすると、物体までの正
確な距離Ｌを、次の式により求める。Ｌ［ｍ］＝１０（Ｖ_x−Ｖ₀）／（Ｖ₁₀−Ｖ₀） (A) 本発明の実施形態では、０ｍの距離に相当する遅延信号
（すなわち遅延のない信号）及び１０ｍの距離に相当す
る遅延信号を、実際に基準発光器３２により発光させて
得ている。したがって、受光器、増幅器４１の位相特
性、パルス化回路４４の応答特性によるオフセット誤差
（時間誤差）や積分器４６の時定数のずれ、電圧変換後
のＡ／Ｄ変換器５１の特性によるゲイン誤差があって
も、それらは前記(A) 式の分子と分母に同じように入る
ため打ち消され、距離Ｌに含まれる誤差を無視すること
ができる。

【００２６】ここで、誤差が打ち消し合われることを説
明する。誤差を含んだ実際の電圧Ｖは、Ｖ＝（１＋ｅ_g）Ｖ_i＋ｅ_off (B) と表される。ここに、Ｖ_iは初期値、ｅ_gはゲイン誤
差、ｅ_offはオフセット誤差である。前記(A) 式は、Ｌ＝１０［｛（１＋ｅ_g）Ｖ_xi＋ｅ_off｝−｛（１＋ｅ_g）Ｖ_0i＋ｅ_off｝］／［｛（１＋ｅ_g）Ｖ_10i＋ｅ_off｝−｛（１＋ｅ_g）Ｖ_0i＋ｅ_off｝］ (C) と書き換えることができる。前記各ステージでの動作は
極めて短い時間で行われるため（６ステージ合わせても
ミリセカンドのオーダー）、ゲイン誤差ｅ_gやオフセッ
ト誤差ｅ_offは一定とみなすことができる。したがっ
て、ゲイン誤差ｅ_gやオフセット誤差ｅ_offはキャンセ
ルされる。

【００２７】なお、本実施形態で最も懸念されるのは、
１０ｍの距離に相当する電圧Ｖ₁₀に含まれる遅延誤差で
あるが、遅延時間が正確で変動の少ない回路を遅延回路
４９に使用することにより、遅延誤差を減らすことがで
きる。例えば、遅延回路４９としてＤ（遅延形）フリッ
プフロップ回路を採用するとすれば、クロックパルス発
振源として水晶発振器を使用することが考えられ、遅延
回路４９としてメタル線（同軸ケーブル等）を使用する
ことも考えられる。

【００２８】次に、図７を用いて、ＡＧＣ増幅器４３に
入る信号レベルの変動をできるだけ低減するために付加
的に使用できる回路構成を説明する。図７は、図３に示
した投受光装置１１の回路構成を改変した回路構成の要
部を示すブロック図であり、図３の回路構成と比べて、
バンドパスフィルタ４２を通った信号を平滑整流する整
流平滑回路６１と、しきい電圧Ｖ_THと比較する比較器６
２と、抵抗分圧回路６３ａ，６３ｂと、タイミング制御
ロジック４８からの分圧切換え信号に基づいて抵抗分圧
回路６３ａ，６３ｂの分圧出力を選択するか全圧出力を
選択するかを切り換える切換えスイッチＳＷ５とを新た
に備えている。

【００２９】受光信号のレベルが大きすぎると、平滑整
流レベルがしきい電圧Ｖ_THよりも大きくなるので、比較
器６２は、タイミング制御ロジック４８にこの旨の信号
を出す。するとタイミング制御ロジック４８は、分圧切
換え信号を出して、切換えスイッチＳＷ５を抵抗分圧回
路６３ａ，６３ｂの分圧出力のほうに切り換える。した
がって、ＡＧＣ増幅器４３に入る信号レベルが過大にな
るのを抑えることができ、ＡＧＣ増幅器４３に負担をか
けることが少なくなる。すなわち、ＡＧＣ範囲を見かけ
の上で拡大することができる。

【００３０】なお、分圧切換え信号は当該ステージの中
でのみ有効とし、ステージが変わる都度判断することが
好ましい。さらに、当該ステージの最初の所定数のパル
スを前述したように捨てているので、分圧切換え信号を
出すタイミングは、この所定数のパルスが終わる前にお
くことが好ましい。なお、本発明の実施は、前記の形態
に限られるものではなく、例えば、受光器の数は２つに
限られず、１つだけでもよい。受光器が１つのときは、
感知領域は１種類しか設定できないが、切換えスイッチ
ＳＷ１、ＳＷ４は不要になり、ホールド回路４７ａ又は
ホールド回路４７ｂは１つで済む。その他、本発明の範
囲内において種々の設計変更を施すことが可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明の測距形光学式測定
装置によれば、基準距離を伝搬する時間に相当する値
を、実際に基準発光部から電磁波パルスを発射させて測
定して得ているので、受光部の受光動作や測定部の測定
動作に潜在的に誤差が含まれていても、演算部における
演算においてその誤差を打ち消し、変動を除去すること
ができる。したがって、測定される被測定物体までの距
離の精度を向上させることができる。

【００３２】また、受光部から測定部に至る回路を１系
統とすることにより、測距発光部の動作に基づく処理
と、基準発光部の動作に基づく処理とを共通化すれば、
誤差をより低減することができる。さらに、投受光装置
と演算部との間をケーブルで接続する構成にすれば、ケ
ーブルの伝送容量が小さくても済むので、車両と路面と
の反射強度の差異により車両を感知していた従来の車両
感知装置に本発明の測距形光学式測定装置を追加すると
き、従来使用していたケーブルを流用することができ
る。また、１本のケーブルで、測定部で得られた信号
（測距信号）を時分割伝送するので、減衰率が同じにな
り、同じ歪みで伝送される。よって、演算部で比率演算
するときに誤差が排除される。

【図面の簡単な説明】

【図１】車両感知用の測距形光学式測定装置の設置例を
示す図である。

【図２】投受光装置の断面図であり、(a) は側断面図、
(b) は底面断面図である。

【図３】投受光装置の回路構成を示すブロック図であ
る。

【図４】本体制御部の回路構成を示すブロック図であ
る。

【図５】受光基板及び制御基板の各部の信号波形の関係
を示す波形図である。

【図６】タイミング制御ロジックの行う各種切換えスイ
ッチＳＷ１−ＳＷ４その他の切換え手順を示すタイミン
グ図である。

【図７】図３に示した投受光装置の回路構成を改変した
回路構成の要部を示すブロック図である。

【符号の説明】

１１投受光装置１２本体制御部２１発光基板２２受光基板２３制御基板３１測距発光器３２基準発光器３３ａ，３３ｂ受光器４１増幅器４２バンドパスフィルタ４３ＡＧＣ増幅器４４パルス化回路４５時間差パルス化回路４６積分器４７ａ，４７ｂホールド回路４８タイミング制御ロジック４９遅延回路５１Ａ／Ｄ変換器５２タイミング回路５３ＣＰＵＳＷ１−ＳＷ４切換えスイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電磁波パルスを物体に発射して反射波を受
光するまでの時間を測定することにより、その物体まで
の距離を測定する測距形光学式測定装置において、装置外部の所定方向に電磁波パルスを発射する測距発光
部と、測距発光部の動作よりも基準距離相当分遅延したタイミ
ングで電磁波パルスの発射動作を行う基準発光部と、測距発光部から発射された電磁波パルスの反射波、及び
基準発光部から発射された電磁波パルスを受光する受光
部と、受光部の受光信号に基づき測距発光部の動作又は基準発
光部の動作から受光するまでの時間を測定する測定部
と、測定部により測定された基準距離を伝搬する時間に相当
する値及び被測定物体までの距離を伝搬する時間に相当
する値に基づいて演算をすることにより被測定物体まで
の距離を求める演算部とを有することを特徴とする測距
形光学式測定装置。
【請求項２】前記受光部から測定部に至る回路を１系統
とすることにより、測距発光部の動作に基づく処理と、
基準発光部の動作に基づく処理とを共通化したことを特
徴とする請求項１記載の測距形光学式測定装置。
【請求項３】前記測距発光部、基準発光部、受光部及び
測定部を、道路の上方所定位置に設置された投受光装置
に搭載し、投受光装置と演算部との間をケーブルで接続したことを
特徴とする請求項１記載の測距形光学式測定装置。