JPS6046363B2

JPS6046363B2 - 傾き検出器

Info

Publication number: JPS6046363B2
Application number: JP5017680A
Authority: JP
Inventors: 健介長谷川; 良介増田; 修一佐々
Original assignee: Motoda Electronics Co Ltd
Current assignee: Motoda Electronics Co Ltd
Priority date: 1980-04-16
Filing date: 1980-04-16
Publication date: 1985-10-15
Also published as: JPS56147006A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、０〜１００ＴＷＬ程度の範囲にある物体
の傾きを検出するための傾き検出器に関する。

以下にこの発明を説明する。この発明は位相情報を
利用した傾き検出器に関し、対象物体の表面に対向して
配設された１つの受光装置と、この受光装置に対して対
称に配列されると共に、互いに９００位相のずれた２つ
の繰返信号で発光される各２個１対の第１の発光装置及
び第２の発光装置と、これら第１及び第２の発光装置の
発光を切換える切換装置とを設け、第１及び第２の発光
装置からの照射光が対象物体の表面’で反射され、受光
装置に入力される光のパワーと繰返信号との位相差から
、受光装置及び対象物体の表面の間の第１の距離データ
を求め、第１及び第２の距離データに基づいて対象物体
の表面の傾きを検出し得るようにしたものである。

第１図はこの発明を理解するに当たつて必要な距離検出
器の原理を示すものである。

１及び２は散光性の強い一様に拡がる光を放射する発光
ダイオード（たとえばＧａＡｓ上ＥＤ）であり、それぞ
れ９００だけ位相のずれた２つの繰返信号で駆動される
。

これら発光ダイオード１及び２が取付けられている取付
板３の中途部には指向性の強い受光装置としてのフォト
トランジスタ４が設けられており、フォトトランジスタ
４の前方には距離ｘを検出すべき対象物体５がある。こ
こにおいて、発光ダイオード１及び２からの照射光のう
ち、対象物体５の表面Ｐで乱反射されたものだけがフォ
トトランジスタ４で受光され、また、信号処理の段階で
のフィルタリングを考慮して基本周波数成分のみを考え
れば、発光ダイオード１及び２は正弦波及び余弦波で周
期的に明るさが変化すると考えればよい。したがつて、
発光ダイオード１及び２の明るさＧ１及びＧ２はＡ，Ｂ
を定数とすればと表ｉされ、対象粉体５の表面のＰ点に
おける発光ダイオード１及び２による寄与Ｌ１及びしは
対象物体５の反射率をＣとすれば、となばまた、でありであるから、上記（２）式は下式のようになる。

ここで、Ｐ点の明るさＬｐはと表わされるので、これに
（５）式を代人すれば結局次のようになる。

ただしである。

この（７）〜（９）式から明らかなように、位相ψは距
離ｘだけ（Ａ，Ｂ，ａ，ｂはそれぞれ定数）の関数とな
り、対象物体５の表面の反射率Ｃによつて影響を受けな
い。したがつて、Ｐ点における明るさＬｐをフォトダイ
オード４で検出して２つの光の位相差ψを求めればこれ
から逆に距離ｘを測定することができる。なお、光を受
光するフォトダイオード４のＳ点における明るさＬｓは
、Ｐ点における明るさＬｐに比例し、その比例定数をｋ
とすれはとなり、上記（７）式の位相ψに影響すること
はない。

次に、第２図乃至第６図を参照して、距離検出器を具体
的に説明する。第２図は距離検出器の回路構成図である
。２５吐の矩形波を発振する発振器１０の出力は発光ダ
イオード１に入力されると共に、移相器１１を経て発光
ダイオード２に入力される。

移相器１１では位相が９００だけ進め（又は遅らせ）ら
れ、発光ダイオード１及び２はそれぞれ正弦、余弦に対
応する矩形波の繰返信号で駆動発光される。第３図Ａは
発光ダイオード１によるＰ点の明るさの例を示すもので
あり、第３図Ｂには発光ダイオード２によるＰ点の明る
さの例を示すものであり、この楊合におけるＰ点の明る
さは第３図Ｃのように合成され階段状となる。かかる階
段状の明るさはフォトトランジスタ４で光電的に検出さ
れ、増幅器１２で増幅された後にバンドパスフィルタ１
３で高調波及び低調波が除去されて正弦波となり、自動
利得回路（ＡＧＣ）１４で所定レベルに維持された信号
が位相差検出回路２０に入力される。位相差検出回路２
０には発振器１０からの基準矩形波が入力されており、
この基準矩形波に対する位相のずれが検出される。具体
的には自動利得回路１４の正弦波出力を矩形波変換回路
（たとえばコンパレータ）２１で０レベルをスレッショ
ルドとする矩形波に変換し、この矩形波信号と発振器１
０からの基準矩形波とを乗算回路２２で乗算してその積
信号から位相差を求める。かくして求められた位相差信
号は表示装置３０に送られ、ここで位相差から距離の換
算を行一なつて距離の表示をすると共に、必要に応じて
その距離信号を別途処理する。なお、位相検出回路２０
としては、さらに第４図Ａ及びＢに示す構成のものが考
えられる。

すなわち、第４図Ａは矩形波変換回路２１からの出力を
モノマルチ２３に入力して位相ずれ信号の立上りを検出
すると共に、発振器１０からの基準信号をモノマルチ２
４に入力する。しかして、カウンタ２５はクロックパル
スＣＰを計数してモノマルチ２４の出力によつてクリア
され、その計数値は，モノマルチ２３の出力をラッチ信
号としてラッチレジスタ２６にラッチされるようになつ
ている。かかるラッチレジスタ２６からの並列ディジタ
ル信号が表示装置３０に入力され、ここで位相差がディ
ジタル値で表示される。また、第４図Ｂは矩形波変換回
路２１からの位相ずれ信号及び発振器１０からの基準信
号をそれぞれエク予クルーシブオア回路２７に入力し、
この出力をローパスフィルタ２８を介して表示装置３０
Ａに入力するもので、この場合の位相差出力はアナログ
値となつている。ここで、距離ｘを１ｃＴｒｔ／７）ｔ
？１０ｃｍまで変えた場合における位相ずれの計算値を
示すと第５図の如くなる。

図は上記（１）式における定数Ａ及びＢが等しく、ａ＝
１ｃｍの場合であり、特性１はｂ＝１ｃｍ１特性■はｂ
＝２Ｃ１ｎ１特性■はｂ＝３ｃｍ１特性■はｂ＝４ｃｍ
１特性■はｂ＝５Ｃ！ＴＬの場合をそれぞれ示している
。また、実際の位相ずれを計算値と比較すると第６図の
ようになる。図において、特性０印はａ＝１ＣＷＬ．ｂ
＝３ｃ７７！の場合であり、特性×印はａ＝１Ｃ７７！
、ｂ＝４Ｃ７ｎの場合である。さらに、位相すれを利用
して距離Ｘを計算し、実際の距離ｘと比較すると第７図
のようになつた。ここにおいて、第７図のｏ印はａ＝１
Ｃ７ｒＬ．．ｂ＝３ｃｍの場合であり、×印はａ＝１ｃ
１ｎ，．ｂ＝４ｃ７ｎの場合である。以上、第１図乃至
第７図を参照して説明した距離検出技術を前提にして、
傾き検出の原理および傾き検出器を具体的に説明する。
第８図に示すように、面Ｓ１に対して垂直な光が、面Ｓ
１と角度０をなす面Ｓ２を照らす場合を考える。ここに
、１１及び１。を面Ｓ１及びＳ２の単位面積当りの光の
パワーとすれば、面Ｓ１及びＳ２を通過する全パワーは
等しいのでが成り立つ。

また、前述の検出器の場合の光源Ｑ及び受光部Ｓは第９
図のように簡略化され、上記の議論を適用すると、Ｋに
垂直な面ｋ上のＰ点での単位面積当りの光のパワー１１
はとなる。

ただし、光源ＱのパワーをＧｑとする。また、面１上で
の単位面積当りの光の．パワー１２はであり、各面での
反射は乱反射と仮定しているので、反射率をＣ，向方向
のパワーを１３とすれば、が成り立つ。

よつて、上記（１２）〜（１迫式よりとなり、面の傾き
の影響はという係数の中に現われてくることが分る。

なお、かかる議論はδの符号、Ｏ及びδの大きさの．関
係によらず成立する。ここで、面の傾きと位相ずれの関
係をグラフで示すと第１０図のようになる。この例はａ
＝１『、ｂ＝３−の場合を示している。このような前提
から、第１１図に示すように、ノ１つの受光素子として
のフォトトランジスタ４１（位置Ｓ）と、このフォトト
ランジスタ４１から各等距離対称でかつ直線上の位置Ｑ
−Ｑ″，Ｒ一Ｒ″に配列された発光ダイオード４２，４
３及び４４，４５とで構成されたシステムを考え得る。

また、発光ダイオード４２及び４３は正弦波で駆動され
、発光ダイオード４４及び４５は余弦波で駆動されるよ
うになつている。ここにおいて、フォトディテクタ４１
の出力は２組の発光源たる発光ダイオード４２−４４及
び４３−４５からの光，同様に、他の光源の組４３−４
５によるＰ点におけるχλｌ−Ｃｆェ．′＾Ｉ＾＼Ｓ
ｉｎ（りＬここにおいて、Ｐ点における丙方向への全パ
ワーＭは（１７）式及び（１８）式の和として表わされ
るｊただし、である。

ここで、対象物体の表面を傾けた場合の影響の様子を示
すと、光源を２組にしたときには第１２図の・印の特性
のようになり２０と程度まで全く影響のないことが分る
。

なお、第１２図における特性Ａ（点線）は光源（発光ダ
イオード）を１組（ベア）にした場合の理論値を示し、
Ｏ印はその実測値の例を示している。かくして、前述の
ように光源（発光ダイオード）を２組にした装置を用い
ることにより、受光装置の位置Ｓから対象物体の表面Ｐ
までの距離ｘを、傾きの影響を受けるこ．となく正確に
計測することができる。 ★ＭＱＲ：Ｃ′ ，
′二、−″゜．ｉ＋Ｃ◆−ーーλ二。一″・？ｂ′
〜Ｗ ν
＼！１′ただし、
Ｋ２＝ｎ？＝！＋Ａ２＝１２・・・・（２２）−したが
つて、面が傾いている時、つまりδＸＯならば位相ずれ
ψは４５いからずれる。ａ＝３−の８の、傾いた面１で
の反射光の和になる。したがつて、光源の組４２−４４
によるＰ点におけるＳ方向への反射光のパワーＭ１は、
上記（１５拭を用いて次のようになる。ＰＳ方向への反
射光のパワー隅は、次の（１８）式のようになる。

一ＣＯＳωｔ、 ★から、次式のようになる。

Ｍ＝Ｍ１＋Ｍ２＼ＵＩΔノＨ（υＩΔノＱ ☆ このように、１組の光源を用いた場合には面の傾き
にほぼ比例した情報を含む距離データが得られ、光源を
２組にすることによつて面の傾きの影響を受けずに、対
象表面までの距離を測定することができる。

したがつて、この２つの距離データの差は面の傾きに比
例することになるので、２組の光源を切換えることによ
つて面の傾きを測定することができる。ここにおいて、
第１図の配置でａ＝ｂとする場合、すなわち第１３図の
ように受光素子Ｓに関して対称に発光ダイオードＱ，Ｒ
を配置し、ＳｌｎωＴ，ｃＯｓωｔ（矩形波）で駆動す
る場合を考える。

この時、面がδだけ傾いているとすると、受光素子Ｓで
受光する光のパワーＭ，Ｒは次式で求められる。：；＝
ニ云卜π（ＣＯｓ（δ−０）●Ｓｉｎωｔ＋ＣＯｓ（δ
＋０）●ＣＯＳ６）ｔ）場合の実際の位相ずれψをグラ
フで示すと第１４図のようになる。

このことから、位相ずれを検出することにより面の傾き
の方向や大きさを知ることができる。

特にθ＝４５方の場合、すなわち対象までの距離ｘが間
隔ａに等しい場合、となる。

よつて、のように完全に線形化できることが分る。

ここで、第１図、第１１図と第１３図を対比して説明す
ると、第１図は対象物体表面の反射率の影響を受けない
ようにしたときの配置図である。ところが前述のように
、第１図の配置では面の傾きの影響が現れてしまう。そ
こで、第１１図のように配置して２組（４個）の発光ダ
イオードを異なる繰返信号で発光させ、面の傾きの影響
を取り除いた距離を求めるようにしている。従つて第１
１図の構成で２組の発光ダイオードにより傾きデータの
含まれない距離のみのデータを求め、次にそのうちの１
組の発光ダイオードを第１図のように発光させて傾きデ
ータを含む距離データを求め、次にこれらを演算処理す
ることにより傾きデータのみを求めることができる。第
１３図は更に面の傾きを容易に求めようとするもので、
フォトトランジスタの受光軸に対して対称な一対の発光
ダイオードを異なる繰返信号で発光させるようにしたも
のである。

このようにすると式（２３）が成立するので、傾きを求
める演算が容易である。なお、第１１図の配置で第１３
図の関係を実現するためには、例えば第１１図の発光ダ
イオード４４をＳｉｎωｔで駆動し、発光ダイオード４
５をＣＯｓＯ）ｔで駆動すればよい。次に、このような
傾き検出器の構成例を第１１図及び第２図に対応させて
示すと第１５図のようになる。この図において、切替回
路３２は位相ずれのない距離データの検出と、位相ずれ
を含んだ距離データの検出とを切替えるものであり、距
離補正回路３３は上記各距離データをそれぞれ一旦メモ
リに記憶し、その差を求めるようになつている。また、
第１５図の構成例によつて第１３図の配置関係を実現す
るためには、例えばゲート回路３１Ｃに０ＳＣ１０から
のＳｉｎωｔと移相器１１からのＣＯｓＯ）ｔを選択的
に入力できる切換回路を設ければよい。以上のように、
この発明の傾き検出器によれば測定値が対象物体の表面
までの距離及び反射率によらず、装置が小形、軽量であ
ると共に、信号処理が容易である。

よつて、ロボットハンドの近接センサとして応用できる
他、物体認識における３次元情報検出器等に利用するこ
とができる。なお、上述では発光素子として発光ダイオ
ードを、受光素子としてフォトトランジスタを用いてい
るが、他の素子によることも可能であり、発光素子を駆
動する繰返信号としては矩形波の他に、三角波等も可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の基本原理を示す構成図、第２図はそ
の制御回路例を示すブロック図、第３図Ａ，Ｂ，Ｃは発
光及び受光の位相関係を示す図、第４図Ａ，Ｂはそれぞ
れこの発明に用いる位相差検出回路の他の例を示すブロ
ック図、第５図は距離ｘに対する位相ずれの計算値を示
す図、第６図はその実際値を示す図、第７図は距離に換
算した場合の実際値及び測定値を比較する図、第８図及
び第９図はこの発明の動作原理を説明するための図、第
１０図は面の傾きと位相ずれの関係を示す．図、第１１
図はこの発明の一実施例を示す図、第１２図はその対象
表面の傾きの影響を示す図、第１３図はこの発明の傾き
検出器を説明するたの図、第１４図はその傾きと位相ず
れとの関係を示す図、第１５図はこの発明の傾き検出器
の一構成）例を示すブロック図である。１，２・・・発光ダイオード、３・・・取付板、４・・
・フォトトランジスタ、５・・・対象物体、１０・・・
発振器、１１・・・移相器、１２・・・増幅器、１３・
・・バンドパスフィルタ、１４・・・自動利得回路、２
０・・・位相７差検出回路、２１・・・矩形波変換回路
、２２・・・乗算回路、２３，２４・・・モノマルチ、
２５・・・カウンタ、２６・・・ラッチレジスタ、３０
，３０Ａ・・・表示装置、４１・・ウオトトランジスタ
、４２〜４５・・発光ダイオード、５１・・・フォトト
ランジスタ、５フ２，５３・・・発光ダイオード。

Claims

【特許請求の範囲】

１対象物体の表面に対向して配置された１つの受光装
置と、この受光装置の受光軸に対して対称に配置された
第１および第２の発光装置と、前記受光軸に対して対称
に配置された第３および第４の発光装置と、前記第１、
第２、第３および第４の発光装置に第１の繰返信号もし
くはこれと９０゜位相のずれた第２の繰返信号のいずれ
かを送出する駆動手段と、前記第１、第２、第３および
第４の発光装置と前記駆動手段の間に設けられ、前記第
１および第２の発光装置を前記第１の繰返信号で発光さ
せると共に前記第３および第４の発光装置を前記第２の
繰返信号で発光させる第１のモードと、前記第１、第２
、第３および第４の発光装置のうちの任意の２個の発光
装置からなるペアのみ発光させかつ発光させられるペア
の一方の発光装置には第１の繰返信号を入力し他方の発
光装置には第２の繰返信号を入力する第２のモードとを
切り換える切換装置と、前記第１のモードでは前記対象
物体の表面で反射されて前記受光装置に入力される光の
パワーと前記第１のおよび第２の繰返信号との位相差か
ら前記受光装置と対象物体の表面との間の第１の距離デ
ータを求め、前記第２のモードでは前記対象物体の表面
で反射されて前記受光装置に入力される光のパワーと前
記第１および第２の繰返信号との位相差から前記受光装
置と対象物体の表面との間の第２の距離データを求める
第１の演算手段と、前記第１のおよび第２の距離データ
にもとづいて前記受光装置の受光軸に対する前記対象物
体の表面の傾きを検出する第２の演算手段とを備える傾
き検出器。