JPH01167609A - 距離算出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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するに好適な、光を
用いた小型軽爪な距離センサに関する。

［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測する距離センサが用いられる機会
が増えている。

この距離センナ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ｌ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！ｂと、これら発信部１
ａ及び受信部！ｂ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！ｂ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ＩＣ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達時間を測定すれば
求められる。すなわち、発信部ｌλ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！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、符号先は、距離センサである。

この距離センサＬ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ｐｍ
調のｎＸｍ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、この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
光の［ｉ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−ｃｏｔｏより、ｘ＝Ｌ・ｃｏｓ
α＃ｒ＠ｄ／ｕ ｙ＝ＬＬ１ｓｉｎα＃ｄＩＩｖ／ｕ Ｌ二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Ｍ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ｎＸｍの画素側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５
ｃ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１．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、１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５
ａ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コ 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３０ｍｓ　ｅ　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１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、この値は側底実用
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ｌや、光を利用する距離センサ先は、
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、小型軽量で、なおかつ
精度の高い距離センサ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、光を用いる距離センサを、測定対象物に対し
てスリット光を照射するスリット光源と、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す撮像手段と、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
画像として取り込んで、該画像内の上記反射光を示す画
素列と交わる方向の任意の画素列から反射光の画像を表
す画素の範囲を選別し、この範囲内の各画素の階調差に
基づいて該画素列における反射光画像の位置を算出し、
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
る画像処理手段とから構成し、上記問題点の解決を図っ
ている。

［作用］ 上記構成によれば、画像処理手段において、反射光を示
す画像の列と交わる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す画素の範囲を選び出し、その範
囲内の各画素の階調差に基づいて反射光画像の中心位置
を計算して反射光画像の位置を求めるため、各画素列に
おける反射光画像の位置は、最も階調の高い画素に隣接
する画素の階調の違いによって、画素中心位置から偏る
。

従って、測定精度は、範囲選別により選び出す画素の数
、すなわち試料数と、中心位置計算の精度に拘束される
のである。よって、これら、試料数と計算精度を向上さ
せることにより、測定精度を、最も階調の高い画素の中
心を反射光位置とみなした従来の距離センサより上げる
ことができる。また、撮像面の反射光の画像が、その幅
方向に数個の画素に渡うて映ることがあっても計算によ
り、反射光位置を定めることができ、従って、撮像手段
においては、画像の焦点を正確に合わせる必要がなくな
るため、その剛性や精度を上げる必要がなくなる。

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

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Ｌ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Ｃ
ＯＤ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位置演算部での処理を、実際
に距離計算をする場合の処理手順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２
５６１ｖｒ調の２５６Ｘ２４０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５
ｇ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、例えは第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図に示す画像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５１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。次にこの階調の分布に基づき、反射光の画像５
ｇ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５１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５１までの個数を比較して、
基準の画素５ｊ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図に示すように反射光の画像５ｇの中心に
位置する画素５１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５１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ａＧ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５にと、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５１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１列中
心線との交点の座標が、ｊ列における反射光の画像５ｇ
の中心位置Ｇとなり、座’ｅｊＡＣｕ、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ｅＡＣｕ、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（ｕＳｖ）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とずれていても同
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１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３二より、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１ｆ
ｌｆｆｌｒ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ｃ
ｍ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２０　ｍ　Ｗ　ｓ波長７８
０ｎｍのレーザダイオードを用いて、レンズにより約４
０°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措成し、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
ット搭載にふされ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Ｌ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、この発明は、画像処理手段におい
て、撮像面内の反射光の画像と交わる画素列を走査して
反射光を示す複数の画素の範囲を選び出し、この範囲内
の各画素の階調差に基づい該画素列の反射光の画像の中
心位置を計算することにより、撮像面内における反射光
の位置を、画素単位以上の精度で求めることができる。

従って、撮像手段においては、その撮像面に正確に焦点
距離が合った反射光の画像を映し出す必要がないことか
ら、その剛性やレンズ精度をあげる必要が無くなって、
距離センサ本体を、移動ロボット等に搭載するに好適な
小型軽量なものとすることができ、また、その測定精度
も大幅に向上する。

【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、Ｃ
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、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 測定対象物に対してスリット光を照射するスリット光源
   と、 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す撮像手段と、 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んで、該画像内の上記反射
   光を表す画素列と交わる方向の任意の画素列から反射光
   の画像を表す画素の範囲を選別し、この範囲内の各画素
   の階調差に基づいて該画素列における反射光画像の中心
   位置を算出し、この位置に基づいて上記測定対象物まで
   の距離を計算する画像処理手段とを具備してなる距離セ
   ンサ。