JPH03200086A - レーザ受光装置 - 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〕 本発明は、レーザ受光装置に係り、とくに、レーザ発振
側装置としていわゆるレーザ灯台を用いた移動体の位置
測定システム等における受光側装置として好適なレーザ
受光装置に関する。

〔背景技術〕

最近、レーザ灯台を用いて無人移動体の位置把握や誘導
を自動化するため、移動体の位置、方位等を計測する種
々の方法が各方面で研究されている。かかるレーザ灯台
を用いた位置、方位計測システムは、例えば、海峡や港
を通過する船舶、空港内で走行・滑走中の航空機、工場
や農場の移動作業機械、建設作業機械、建設作業ロボッ
ト等の監視や誘導に利用できるものである。

第７図に、このレーザ灯台を用いた位置、方位（機首方
位）計測システムの一例を示す。

この図において、符号５１は基準点０に設置されたレー
ザ灯台を示し、符号５２は移動体を示し、矢印Ｈは移動
体５２の進行方向を示し、矢印Ｎは基準方位（例えば北
とした）を示す。

レーザ灯台５１は、一定角速度でその出力するレーザ光
を同一水平面内で旋回させているものとした。

移動体５２上には、三角形の頂点をなす位置にレーザ光
受光用の光センサＳ　ＩＩ＋　　Ｓｌ□、Ｓｌ、がそれ
ぞれ配置されている。これらの光センサＳ　Ｉ　ｌ　＋
ＳＩｚ、Ｓ１３は移動体５２上に固定されている。点Ｍ
はこれらの光センサＳ　＋＋　Ｓ　１ｚＳ　Ｂから構成
される三角形の内心を示す。

この図において、移動体５２の位置を決める要素は、基
準点Ｏと点Ｍ（移動体５２の代表点とした）との間の距
離Ｒと、基準方位を示す矢印Ｎと線分ＯＭとのなす角θ
１とである。また、機首方位（ヘディング）を決める要
素は、矢印Ｈと矢印Ｎとのなす角θ、であり、この角θ
３は線分ＯＭの延長線と矢印Ｈとのなす角θ２が判れば
、θ３＝θ１＋θ２より容易に求まる。

これらの要素Ｒ１θ１．θ２を求める手法として、例え
ば、基準方位（矢印Ｎで示す）線上に、レーザ光を受光
する光センサを含んで構成され、この光センサの検出信
号を受は基準方位情報信号を無線にて出力するリファレ
ンス用センサ装置を設置して、この基準方位情報信号が
出力された時刻と移動体５２上に固定された３つの光セ
ンサＳ１１＋ＳＩ□、Ｓｌ、の受光時刻とのそれぞれの
時間差に基づき、レーザ灯台５１のレーザ光の角速度及
び各光センサの位置関係が既知であることを利用して、
例えば、レーザ光の角速度ωより、第８図に示す角θ４
．θ、は容易に算出できるので、幾何学的及び解析学的
（三角関数等による）にＲ２θ１．θ２を求めることが
なされている。

例えば、特開昭５６−１１４７７３号等がある。

〔発明が解決しようとした課題〕

しかしながら、上記従来例にあっては、第９図に示すよ
うに、レーザ灯台５Ｉと２つの光センサ３１！＋　　３
１３が一直線状に並んだ場合には、光センサＳ＋Ｚには
前の光センサ３１１が障害となってレーザ光が届かなか
い（死角が生じる）ので、測定不能となる場合が生じる
という不都合があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、かかる従来例の有する不都合を改善し
、とくに、簡単な構成で光センサの死角に起因する上記
測定不能状態を解消し得るレーザ受光装置を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では、レーザ発振側装置から同一角速度にて旋回
しつつ発振され送られてくるレーザ光を受光する相異な
る位置に配置された少な（とも３つの光センサを有する
受光部と、各光センサの受光時間差を計測する計時手段
と、この計時手段の出力段に併設された演算制御部とを
備えている。

さらに、受光部に当該受光部を回動せしめる受光部駆動
手段を併設している。そして、演算制御部が、受光時間
差と既知のレーザ光の旋回角速度とに基づき各光センサ
がレーザ発振側装置を中心としてなす相対角度を演算す
る相対角度演算機能と、演算された相対角度相互の関係
が一定の条件を満足しない場合に受光部駆動手段を介し
て受光部を所定角度往復回動せしめるステッピング制御
機能とを有している等の構成を採っている・。これによ
って、前述した目的を達成しようとしたものである。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第６図に基づい
て説明する。

この実施例は、本発明に係るレーザ受光装置を受光側装
置として使用した移動体の位置測定システムに関するも
のである。

第２図には、レーザ発振側装置としてのレーザ灯台５１
と、測定対称である移動体５２とが示されている。

レーザ灯台５１は、レーザ光（ＣＷ）を発振するととも
に該レーザ光（ＣＷ）を同一水平面内で一定角速度ωで
時計回りに旋回させる機能を有している。このレーザ灯
台５１は、実際には、図示しないレーザ発振器、ミラー
、回転台等を備えて構成されている。

移動体５２上には、三角形状の支持板３とこの支持板３
により形成される三角形の各頂点に配置された３つの光
センサｓ、、Ｓ２．Ｓ３　とからなる受光部４と、この
受光部４を回転自在に支持する支持柱５とが設けられて
いる。各光センサ５ＩＳ２．Ｓｚとしては、本実施例で
は、３６０゜の視野を有するいわゆる全方位対応型のも
のが使用されている。支持柱５は、光センサＳｔ　、　
　ＳｔＳ、から形成される三角形Ｓ＋　Ｓｔ　Ｓ３の内
心Ｍ（第３図参照）にその中心が位置する状態で支持板
３に一端が植設されている。また、支持柱５は、受光部
駆動手段６（第１図参照）の一部をなすもので、移動体
５２によってその他端が軸支され、該移動体５２に内蔵
された図示しない動力伝達ギヤ機構を介して駆動源とし
てのモータ（図示せず）により回動せしめられるように
なっている。

本実施例では、これらの支持柱５．動力伝達ギヤ機構、
モータ等により受光部駆動手段６が構成されている。

前記受光部４の出力段には、第１図に示すように、入力
部７が併設され、この入力部７には計時手段としてのタ
イムカウンタ９が併設されている。

さらに、このタイムカウンタ９の出力段には、演算制御
部１０が併設されている。そして、本実施例では、これ
らの受光部４．タイムカウンタ９及び演算制御部１０と
によりレーザ受光装置１が構成され、このレーザ受光装
置ｌの全体が移動体５２に搭載されている。

前記入力部７は、後述するリファレンス用センサ装置か
ら送られてきた基準方位情報信号（ＦＭ信号）及び光セ
ンサＳ、、Ｓ、、Ｓ、より送られてきた受光信号をそれ
ぞれデジタル波形に整形する波形整形回路（図示せず）
を含んで構成され、整形された各信号を次段のタイムカ
ウンタ９に出力する。タイムカウンタ９は、入力部７か
ら基準方位情報信号を受けてから時間計測を開始し、入
力部７から送られてくる各光センサｓ、、Ｓｔ　。

Ｓ、の受光信号が入力されるまでの時間１＋、１２、ｔ
、を図る。そして各時間データがそろってから演算制御
部１０に送る。当該演算制御部１０では、タイムカウン
タ９の出力である時間データを取り込み、それをもとに
所定の演算を行って基準方位Ｎ（第３図参照）と各光セ
ンサＳｌ、ＳｔＳ、の方位角を求め、後述するようにし
て移動体５２の位置（受光部４とレーザ灯台５１との距
離及び移動体の方位角）を算出する。また、この演算制
御部１０は、受光時間差と既知のレーザ光の旋回角速度
ωとに基づき各光センサＳｔ、ＳｚＳ、がレーザ灯台５
１を中心としてなす相対角度を演算しく相対角度演算機
能）、演算された相対角度相互の関係が後述する一定の
条件を満足しない場合に受光部駆動手段６を介して受光
部４を所定角度（例えば３０°）往復回動せしめるステ
ッピング制御機能を有している。

さらに、この演算制御部１０には、前輪１２Ａの操舵及
び後輪１２Ｂの回転駆動を行う前・後輪駆動手段１１が
併設されている。そして、演算制御部１０では、この前
・後輪駆動手段１１を介して前輪１２Ａの操舵及び後輪
１２Ｂの回転をも制御するようになっている。

次に、本実施例による移動体５２の位置測定の原理につ
いて第３図に基づいて説明する。

第３図において、レーザ灯台５１は測定の基準点０に設
置されている。

そして、このレーザ灯台５１からレーザ光（ＣＷ）が出
力されるとともに、水平面内に一定角速度ωで旋回され
ている。

このレーザ灯台５１の基準方位（矢印Ｎで示す）線上に
、リファレンス用センサ装置（図示せず）が設置されて
いる。このリファレンス用センサ装置は、レーザ光を受
光する光センサとＦＭ発振器とをを含んで構成され、こ
の光センサの検出信号を受は基準方位情報信号（ＦＭ信
号）を無線にて出力するものである。

この第３図において、角θ７．θ７．θ、は光センサＳ
＋　、Ｓｚ　、Ｓｉの方位角をそれぞれ示し、矢印Ｈは
移動体５２の進行方向を示す。また、点Ｍは光センサＳ
、、Ｓ、、Ｓ、から構成される三角形の内心を示す。

この図において、移動体５２の位置を決める要素は、基
準点Ｏと点Ｍ（移動体５２の代表点とした）との間の距
離Ｒと、基準方位を示す矢印Ｎと線分ＯＭとのなす角θ
、とである。

ここで、距離Ｒと角θイの求め方を簡単に説明する。

レーザ光ＣＷの旋回角速度ω（一定）は既知であるとし
たと、各光センサの方位角θ３．θ２゜θ、は、次のよ
うにして求まる。

θ、＝ωｔ１　　　　　　　　　　　　・・・・・・■
θ２＝ωｔｚ　　　　　　　　　　　　　・・・・・・
■θ３＝ωｔ３　　　　　　　　　　　　・・・・・・
■また、基準点０を中心として光センサＳｌと５２Ｓ１
とＳ、、ＳｉとＳｉがそれぞれなす角θ４θ２．θ６は
、 θ４＝θ２−θ、　　　　　　　　　　・・・・・・■
θ、−θ３−θ１　　　　　　　　　　・・・・・・■
θ６＝θ３−θ２　　　　　　　　　・旧・・■により
求まる。

一方、基準点０と各光センサＳ、、Ｓ２．ｓ。

との距離は、上記θ１〜θ、及び各光センサ相互の関係
（三角形Ｓ＋　Ｓｚ　Ｓｉの辺の長さと角度が既知であ
る）から、正弦定理を用いて容易に算出することができ
る。ここでは、具体的な計算式は省略する。

このようにして、各光センサの位置（極座標）が求まり
、これに基づいて各光センサ相互の関係から内心Ｍの座
標、即ち、距ｉ！！ｉＩＲと角θ、が求められる。

次に、本実施例における演算制御部１０の主要機能であ
るステッピング制御の原理について第４図ないし第５図
を参照して説明する。

演算制御部１０では、上記０．０式を用いて、第４図に
示すθ６．θ６を演算する。

そして、これらのθ３．θ、が、 ＬＳＩθ６／θ、１くＨ・・・・・・■（ここで、Ｌ、
Ｈは闇値である） を満足するか否かを判断し、満足されない場合には、受
光部駆動手段６を構成する図示しないモータを制御して
受光部４を一定角度（ここでは、３０°）何れかの方向
に回転させることより、２つの光センサが一直線上に並
ぶのを回避できる。

即ち、上記０式で、Ｌ＝Ｏの状態は、光センサＳｔ、Ｓ
ｚとレーザ灯台５１とが一直線上に並んだ状態に相当し
、Ｈ＝１の状態は、光センサＳＩ、Ｓｉとレーザ灯台５
１とが一直線上に並んだ状態に相当する。このため、例
えば、閾値Ｌ＝０．２Ｈ＝０．８等に設定し、上記０式
の条件を満足しなくなった場合に、３０°受光部４を回
転させることにより何れか２つのセンサが一直線上に並
ぶのを避けることができる。

この場合に、ステップ回転で採り得る状態は二つあれば
十分なので、本実施例では、３０°の範囲で往復回動す
るようになっている。第５図は、移動体５２が（Ａ）→
（Ｂ）→（Ｃ）と進んで行く間に、受光部４が３０°の
範囲で往復回動している状態を示す。

次に、本実施例の全体的な作用動作を説明する。

測定の基準点０に設置されたレーザ灯台５１から出力さ
れ同一水平面内で旋回するレーザ光ＣＷが、基準線上に
達するとリファレンス用センサ装置から基準方位情報信
号が無指向性で出力される。

この基準方位情報信号が入力部７で受信され、ディジタ
ル信号に波形整形されて後タイムカウンタ９に送出され
る。そして、この基準方位情報信号の出力から微小時間
後、受光部４の各光センサＳ１’ｒ　　Ｓｉ　＋　　Ｓ
ｉで旋回するレーザ光ＣＷが次々に受光され受光信号が
入力部７に送出される。入力部７では、受光部４の各光
センサＳ、、Ｓ、、Ｓ３より送られてきた受光信号を波
形整形して順次タイムカウンタ９に送出する。

一方、タイムカウンタ９では、基準方位情報信号を受け
てから時間計測を開始し、入力部７から送られてくる各
光センサＳ＋　、Ｓｔ　、Ｓｓの受光信号が入力される
までの時間ｔ＋、ｔｚ、ｔ＊を図る。そして各時間デー
タがそろってがら演算制御部１０に送る。当該演算制御
部１ｏでは、タイムカウンタ９の出力である時間データ
を取り込み、それをもとに所定の演算を行って基準方位
Ｎ（第３図参照）と各光センサＳｔ　、Ｓｔ　、Ｓｓの
方位角を求め、前述したようにして移動体５２の位置（
受光部４とレーザ灯台５１との距離Ｒ及び移動体の方位
角０．４）を算出する。

この場合において、演算制御部１ｏでは、上記０式の条
件が満足されていない場合には、上述したようにして受
光部駆動手段６を構成する図示しないモータを制御して
受光部４を３０″何れかの方向に回転させて２つの光セ
ンサが一直線上に並ばないようにして、上記の移動体５
２の位置の演算を行う。次いで、演算制御部１ｏでは、
この演算された結果に基づいて前・後輪駆動手段１１を
介して移動体５２の進行を制御する。

以上説明したように、本第１実施例によると、移動体５
２上に搭載された受光部Ｍ１の受光部４を構成する光セ
ンサＳｔ　、Ｓ２．Ｓ３の内何れか２つがレーザ灯台５
１と一直線上に並ぶ寸前に、演算制御部１０がこれを察
知して受光部４を全体的に水平面内で一定角度（例えば
３０°）ステップ回転させるので、光センサＳｔ　、Ｓ
２．Ｓ３の内何れか２つが一直線上に並ぶのを避けるこ
とができる。これにより、３つの光センサＳｔ、５ｚＳ
３が常にレーザ光を受光できるようにすることができ、
従来問題となっていた光センサの死角に起因する測定不
能状態をほぼ完全に回避することができる。また、一定
角度（例えば３０°）のステップ回転なので、受光部駆
動手段６の構成及びその制御方法が簡単なものでよく、
簡単なギヤ機構とモータにより受光部駆動手段６を構成
することができ、さらには、受光部４の回転範囲が狭い
ので回転のための電気的接続を連続して行うためのスリ
ップリングを使用する必要がないので回動部分の耐久性
を向上せしめることが可能である。

なお、上記実施例では、レーザ発振側装置であるレーザ
灯台５１を基準点に設置し、レーザ受光装置１を移動体
５２側に搭載したが、これと反対にレーザ灯台５１を移
動体５２に搭載し、レーザ受光部Ｗ１を基準点に設置し
て移動体の位置計測を行うことも可能である。

また、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく
、以下に示すような変形をも含むものである。

すなわち、レーザ発振側装置として、第６図（１）に示
すようなレーザファンビーム（ＬＦＢ）を発振し旋回す
る特殊なレーザ灯台３１を用い、三次元的に配置された
光センサを有する受光部９例えば第６図（２）に示すよ
うに支持板３上に４つの光センサｓ、、ｓ、、ｓ３．ｓ
、が四面体の各頂点に位置するように配置されてなる受
光部３４を用いて上記実施例と同様に受光装置を構成す
ることが可能である。

この場合においても、４つの光センサＳ、、Ｓ２１　３
３１　　Ｓａの内の何れか２つがレーザ灯台３１と一直
線上に並ぶとき、支持柱５回りに受光部を全体的に回転
させて光センサに死角が生じるのを回避することができ
る。

〔発明の効果〕

本発明は、以上のように構成され機能するので、これに
よると、上記実施例のように本発明に係る受光装置を移
動体上に搭載しレーザ発振側装置を基準点に設置して移
動体の位置計測を行う場合等に、受光部を構成する光セ
ンサの内何れが２つがレーザ発振側装置と一直線上に並
ぶ寸前に、制御部の機能により受光部を全体的に同一面
内で所定角度（例えば３０°）ステップ回転させてこれ
を避けることができ、全ての光センサが常にレーザ光を
受光できるようにすることができ、光センサの死角に起
因する測定不能状態をほぼ完全に回避することができる
。また、所定角度（例えば３゜°）のステップ回転なの
で、受光部駆動手段の構成及びその制御方法が簡単なも
のでよく、例えば、上記実施例のように簡単なギヤ機構
とモータにより受光部駆動手段を構成したり、或いは又
簡単なギヤ機構とソレノイドを用いて受光部駆動手段を
構成することもできる。さらには、受光部の回転範囲が
狭いので回転のための電気的接続を連続して行うための
スリップリングを使用する必要がないので回動部分の耐
久性を向上せしめることができるという従来にない優れ
たレーザ受光装置を提供することができる。

６・・・・・・受光部駆動手段、９・・・・・・計時手
段としてのタイムカウンタ、１０・・・・・・演算制御
部、３１．５１・・・・・・レーザ発振側装置としての
レーザ灯台、５２・・・・・・移動体、Ｓｔ　、　　Ｓ
ｔ、Ｓ３．Ｓ４・・・・・・光センサ、ＣＷ・・・・・
・レーザ光、ＬＦＢ・・・・・・レーザファンビーム。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係るレーザ受光装置の構
成を示すブロック図、第２図は第１実施例に係る位置計
測システムを構成するレーザ灯台及び測定対象物である
移動体の外観を示す斜視図、第３図は第１実施例の測定
の原理を示す説明図、第４図ないし第５図は第１実施例
における演算制御部のステッピング制御の原理を示す説
明図、第６図は変形例を示す説明図、第７図ないし第８
図は従来例を示す説明図、第９図は従来例における問題
点を説明するための図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、レーザ発振側装置から同一角速度にて旋回しつ
   つ発振され送られてくるレーザ光を受光する相異なる位
   置に配置された少なくとも３つの光センサを有する受光
   部と、前記各光センサの受光時を計測する計時手段と、
   この計時手段の出力段に併設された演算制御部とを備え
   、 前記受光部に当該受光部を回動せしめる受光部駆動手段
   を併設し、 前記演算制御部が、前記受光時間差と既知のレーザ光の
   旋回角速度とに基づき前記各光センサがレーザ発振側装
   置を中心としてなす相対角度を演算する相対角度演算機
   能と、演算された相対角度相互の関係が一定の条件を満
   足しない場合に前記受光部駆動手段を介して前記受光部
   を所定角度往復回動せしめるステッピング制御機能とを
   有していることを特徴としたレーザ受光装置。
2. （２）、前記演算制御部が、前記演算された相対角度の
   内任意の２つを取り出してそれらの比の絶対値を演算し
   、この絶対値が予め定めた範囲外の値の場合に、前記ス
   テッピング制御を行うことを特徴とした請求項１記載の
   レーザ受光装置。