JPH032241B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明は、傾斜角計測システムに関し、特に
たとえば移動体が予め定められた基準線に対して
なす角度を計測するシステムに関する。

先行技術の説明 従来、土木機械や農業機械などのために種々の
傾斜角検出装置が提案されまたは実現されてい
る。しかしながら、従来の傾斜角検出センサは、
精度の低いものが多く、逆に精度の高いものは装
置が大形かつ高価であるという欠点があつた。

発明の目的 それゆえに、この発明の主たる目的は、簡単な
構成で精度の高い計測が行なえる全く新規な傾斜
角計測システムを提供することである。

発明の構成 この発明は、要約すれば、入射した光を同一方
向に反射しかつその光反射鏡面の所定の領域にマ
スクが形成された光反射手段を設け、物体からは
指向性の鋭い光ビームを回動走査し、光反射手段
から反射された光を物体側で受光し、その受光出
力に基づいて、了め定められた基準線に一致する
ように光ビームが形成する光走査面を変位させ、
そのとき変位手段が光走査面を変位した量を検出
することによつて物体が基準線に対してなす角度
を検出するようにしたものである。

この発明の上述の目的およびその他の目的と特
徴は、図面を参照して行なう以下の詳細な説明か
ら一層明らかとなろう。

実施例の説明 第１図はこの発明に用いられる光反射手段の一
例のコーナキユーブを示す外観斜視図である。こ
のコーナキユーブCCの内部には、たとえば第２
図に示すように、３枚の鏡１，２および３を立体
的に組合わしたものが収納される。これら鏡１〜
３は、それぞれの反射鏡面１ａ，２ａおよび３ａ
が互いに直交するように組合わされる。このよう
な構成によって、コーナキユーブCCは、以下に
説明するような光学的性質を有する。

すなわち、コーナキユーブCCは入射した光を
入射方向と同一方向に反射する。今、コーナキュ
ーブCCに入射角度θ１で入射した光Ｌ１を考え
てみる。この入射光Ｌ１は、コーナキユーブ１の
内部の光反射鏡面１ａ〜３ａで複数回（２回）反
射され、コーナキユーブCCの光軸Ｏに対して対
称な位置から出射する。このとき、反射光Ｌ１は
入射光Ｌ１と平行であり、その反射角度は入射光
Ｌ１の入射角度と等しい。したがって、反射光Ｌ
１は、入射光Ｌ１が入射してきた方向と同一の方
向に反射される。この関係は、入射光の入射角度
にかかわらず成立する。たとえば、入射光Ｌ２と
反射光Ｌ２とは互いに平行であり、かつ入射光Ｌ
２の入射角度と反射光Ｌ２の反射角度は共にθ２
と等しい。

第３図はこの発明の一実施例を用いて移動体Ｖ
の傾斜角を測定している状態を示す図である。第
４図は移動体Ｖの上方からビームスキヤナBSを
見た図であり、光ビームの走査状態を示してい
る。第５図はコーナキユーブCCに形成されるマ
スクMAとその反射光との関係を示す図である。

まず、この発明の実施例の詳細を説明する前に
第３図ないし第５図を参照して実施例の原理につ
いて説明する。

第３図に示すように、コーナキユーブCCが所
定の位置に固定される。一方、移動体Ｖの前部に
は、ビームスキヤナBSが設けられる。このビー
ムスキヤナBSは、たとえばレーザ光のような指
向性の鋭い光ビームを発生し、第４図に示すごと
くコーナキユーブCCに向けて回動走査する。

一方、コーナキユーブCCの光反射鏡面の所定
の領域には、たとえば塗料や紙などでマスクMA
が形成される。第５図の例では、光反射鏡面３ａ
の一辺から中心角45度の扇状の領域（なお、上面
図では中心角60度の扇状の領域）にマスクMAが
形成されている。なお、マスクMAは、コーナキ
ユーブCCの中心部および周辺部が露出するよう
に形成される。マスクMAが形成された部分に入
射した光は、光反射鏡面３ａに当たらないため、
入射方向と同一の方向には反射されない。

ところで、第５図において点線で示した領域
MA′およびMA″はマスクMAによって影となる
領域である。すなわち、これら領域MA′および
MA″に入射した光は、一旦は光反射鏡面で反射
されるが、２回目あるいは３回目の反射のときに
マスクMAに当たるため、入射光方向と同一方向
には反射されない。

上述のごとくのコーナキユーブCCは、第３図
に示すように所定の位置に固定されるが、その際
にマスクMAの一辺が予め定められた基準線Ｘ−
Ｘ（たとえば水平面に沿う線）と一致するように
調整される。

今、ビームスキヤナBSからの光ビームが第５
図に示すＡ→ＢあるいはＣ→Ｄのようにコーナキ
ユーブCCの光軸中心00を通ってコーナキユーブ
上を走査した場合を考えてみる。光ビームがＡ→
Ｂと走査される場合、すなわちコーナキユーブ
CC上での走査線が基準線Ｘ−Ｘに対して右上が
り（第５図において）となつている場合、その走
査線はマスクMA、領域MA′およびMA″のいず
れの部分も通過しない。したがつて、このときコ
ーナキユーブCCからの反射光は、第５図に示す
ように、幅の広い１個のパルスを含むことにな
る。一方、ビームスキヤナからの光ビームがＣ→
Ｄと走査される場合、すなわちコーナキユーブ
CC上での走査線が基準線Ｘ−Ｘに対して右下が
り（第５図において）の場合、その走査線は領域
MA′およびマスクMA上を通過する。したがつ
て、このときのコーナキユーブCCからの反射光
は、第５図に示すように、３個のパルスを含むこ
とになる。

移動体Ｖでは、上述のようなコーナキユーブ
CCからの反射光を受光し、そのパルスの数を計
数することによつて走査線が基準線Ｘ−Ｘに対し
て右上がりであるか右下がりであるかを判別す
る。そして、その判別結果に基づいて、走査線が
基準線Ｘ−Ｘと一致するように、光ビームの走査
面を回転させる。そのときの光ビームの走査面の
回転角度を検出すれば、基準線Ｘ−Ｘに対する移
動体Ｖの傾斜角度を測定することができる。な
お、第３図では、移動体Ｖの前方に向けて光ビー
ムを回動走査するようにしているため、基準線Ｘ
−Ｘに対する移動体Ｖの左右の傾きを計測するこ
とができる。もし、光ビームを移動体Ｖの右側方
あるいは左側方に向けて回動走査するようにすれ
ば、基準線Ｘ−Ｘに対する移動体Ｖの前後方向の
傾きが測定できる。

以下、第６Ａ図ないし第１１図を参照してこの
発明の一実施例を詳細に説明する。

第６Ａ図および第６Ｂ図は、移動体Ｖに設けら
れるビームスキヤナBSを示す外観図であり、特
に、第６Ａ図はその側面図を示し、第６Ｂ図はそ
の上面図を示す。図において、ビームスキヤナ
BSは、レーザ光源や受光素子が収納された円筒
４と、この円筒４に連結されたロータリエンコー
ダEC１およびモータＭ１とを含む。モータＭ１
は円筒４を回動することによつて、レーザビーム
LBを回動走査させる。ロータリエンコーダEC１
はモータＭ１の回動角度かつしたがつてレーザ光
LBの回動角度を検出する。ロータリエンコーダ
EC１、円筒４およびモータＭ１は保持部材５に
よつて保持される。この保持部材５の側面中央部
には、ロータリエンコーダEC２およびモータＭ
２が連結される。モータＭ２は保持部材５を回動
することによつて、レーザビームLBで形成され
る光走査面を回動させる。ロータリエンコーダ
EC２はモータＭ２の回動角度かつしたがつて上
記光走査面の回動角度を検出する。モータＭ２の
外周側面には、モータＭ３およびロータリエンコ
ーダEC３が連結される。モータＭ３はモータＭ
２を回動することにより、レーザビームLBで形
成される光走査面を第６Ａ図の上下方向に回動さ
せる。ロータリエンコーダEC３はモータＭ３か
つしたがつて上記光走査面の上下方向の回動角度
を検出する。モータＭ３およびロータリエンコー
ダEC３は保持部材６によつて保持される。この
保持部材６は移動体Ｖに固定される。

第７図は第６Ａ図に示す円筒４の縦断面図であ
る。図において、円筒１の内周壁には、たとえば
半導体レーザなどのレーザ光源５が設けられる。
このレーザ光源５から発射されたレーザビーム
LBは、円筒４の側面に形成された孔６から外部
へ出射される。また、円筒４の内部には、レーザ
ビームLBの光路上に、ハーフミラー７がほぼ45
度の角度で配置される。このハーフミラー７は、
レーザ光源５からのレーザビームLBを通過させ
るとともに、コーナキユーブCCに反射されて戻
つてきた光を円筒４の底面４１の方向に反射す
る。円筒４の底面４１には、ハーフミラー７によ
つて反射された光を受光するための受光素子BD
が配置される。この受光素子BDは、第８図に示
すように、半円形の受光素子BD１およびBD２
と、中心部に配置される小円形の受光素子BD０
からなる。

第９図はこの発明の一実施例の概略ブロツク図
である。図において、CPU１０には、ROM１１
およびRAM１２が接続される。ROM１１は、
たとえば第１０図に示すような動作プログラムを
記憶し、CPU１０はこの動作プログラムに従つ
て動作を行なう。CPU１０には、さらにインタ
ーフエイス１３が接続される。このインターフエ
イス１３には、受光素子BD１，BD１およびBD
２からの受光出力が与えられる。また、これら受
光素子BD０，BD１およびBD２の出力は、OR
ゲート１４を介してインターフエイス１３に与え
られる。さらに、インターフエイス１３には、駆
動回路１５，１６および１７が接続される。各駆
動回路１５〜１７は、インターフエイス１３を介
してCPU１０から与えられる制御信号に基づい
て、モータＭ１〜Ｍ３を駆動する。さらに、イン
ターフエイス１３には、エンコーダEC１〜EC３
からの角度出力が与えられる。

第１０図は第９図に示すCPU１０の動作を説
明するためのフローチヤートである。

以下、この発明の一実施例の動作を説明する。

まず、第１０図に示すステツプ（図示ではＳと
略す）１において、駆動回路１５が能動化され、
モータＭ１によるレーザビームLBの回動走査が
開始される。続いて、ステツプ２において、受光
素子BDの受光出力のパターンが読取られる。す
なわち、ORゲートの出力は、サンプリングされ
てRAM１２に記憶されており、CPU１０は、モ
ータＭ１によるレーザビームLBの１回の走査が
終了するごとに、そのとき記憶された受光出力の
パターンをRAM１２から読取る。続いて、ステ
ツプ３に進み、コーナキユーブCC上の走査線が
コーナキユーブCCの光軸中心00を通つたか否か
が判断される。この判断は、レーザビームLBの
１回の走査の間に、受光素子BD０が受光出力を
導出したか否かによつて判断される。すなわち、
コーナキユーブCCの光軸中心00（第５図参照）付
近に入射した光は、入射光と全く同一の光路を辿
つてビームスキヤナBSに戻つてくる。このよう
にして戻つてきたレーザ光は、ハーフミラー７に
よつて反射され、受光素子BDの中心部に位置す
る受光素子BDに当たる。したがつて、レーザビ
ームLBの１回の走査の間に受光素子BD０から受
光出力が導出されれば、コーナキユーブCC上の
走査線が光軸中心00上を通過していることにな
る。

上述のステツプ３において、コーナキユーブ
CC上の走査線が光軸中心00上を通過していない
と判断された場合は、ステツプ４に進む。このス
テツプ４では、走査線が基準線Ｘ−Ｘよりも上側
（第５図において）にずれているか否かが判断さ
れる。もし、走査線が基準線Ｘ−Ｘよりも上側に
ずれていると判断すれば、ステツプ５に進み、モ
ータＭ３を第６Ａ図において時計方向（矢印Ｒの
方向）に回動させる。これによつて、コーナキユ
ーブCC上の走査線が徐々に下がる。一方、ステ
ツプ４において、走査線が基準線Ｘ−Ｘよりも下
側にずれていると判断されれば、ステツプ６に進
む。このステツプ６では、ステツプ５とは逆に、
モータＭ３を第６Ａ図において反時計方向（矢印
Ｌの方向）に回動させる。これによつて、走査線
が徐々に上がる。上述のステツプ５および６の後
は、再びステツプ２以下の動作が繰返される。

ここで、走査線が上側にずれているか否かは、
１回の走査において受光素子BD１とBD２との
どちらがより長く受光出力を導出したかによつて
判断されるが、その理由を以下に説明する。第１
図で説明したように、コーナキユーブCCに入射
した光は、同一の部分からは出射せず、光軸Ｏを
中心として点対称の位置から出射する。したがつ
て、たとえば第５図のコーナキユーブCCにおい
て、基準線Ｘ−Ｘよりも上側の光反射鏡面に入射
した光は、内部で複数回反射された後、最終的に
は基準線Ｘ−Ｘよりも下側の光反射鏡面で反射さ
れて出射する。逆に、基準線Ｘ−Ｘよりも下側の
光反射鏡面に入射した光は、内部で複数回反射さ
れた後、最終的には基準線Ｘ−Ｘよりも上側の光
反射鏡面で反射されて出射する。これに対して、
受光素子BD１は基準線Ｘ−Ｘよりも下側の反射
鏡面から出射した光を受光するように配置されて
いる。また、受光素子BD２は基準線Ｘ−Ｘより
も上側の反射鏡面から出射した光を受光するよう
に配置されている。今、コーナキユーブCC上の
走査線が光軸中心00に対して上側にずれている場
合を考えると、この場合基準線Ｘ−Ｘを境として
上側の走査線の方が下側の走査線よりも長くな
る。したがつて、コーナキユーブCCから出射す
る反射光は、基準線Ｘ−Ｘを境として下側の光反
射鏡面から出る時間の方が上側の光反射鏡面から
出る時間よりも長くなる。これに応じて、受光素
子BDでは、受光素子BD１の受光時間が受光素
子BD２の受光時間よりも長くなる。そこで、受
光素子BD１からの受光出力の導出時間が受光素
子BD２からの受光出力の導出時間よりも長いと
きは、走査線が光軸中心00に対して上側にずれて
いると判断できる。上述とは逆に、受光素子BD
２からの受光出力の導出時間が受光素子BD１か
らの受光出力の導出時間よりも長いときは、走査
線が光軸中心00に対して下側にずれていると判断
できる。

ステツプ２〜６の動作の繰返しによつて、走査
線がコーナキユーブCCの光軸中心00上を通過す
るようになると、ステツプ３でそのことが判断さ
れ、ステツプ７に進む。このステツプ７では、ロ
ータリエンコーダEC３の角度出力がRAM１２に
記憶される。なお、このときのロータリエンコー
ダEC３の角度出力は、移動体Ｖに対するコーナ
キユーブCCの仰角を表わすものである。次に、
ステツプ８に進み、エンコーダEC２の角度出力
が記憶されるとともに、再び受光素子BDの受光
出力のパターンが読取られる。そして、ステツプ
９に進み、今回読取つた受光出力のパターンと、
前回および前々回の走査終了時に読取つた受光出
力のパターンとが比較される。具体的には、受光
出力に含まれるパルスの数が比較される。もし、
パルスの数が同じであれば、同じパターンとして
判断され、パルスの数が異なれば異なるパターン
として判断される。第５図に示すように、走査線
が右上がりの場合は受光出力は１つのパルスを含
み、逆に右下がりの場合は受光出力は３個のパル
スを含む。続いて、ステツプ１０では、ステツプ
９における比較結果に基づいて、コーナキユーブ
CC上の走査線が基準線ＸーＸと一致したか否か
が判断される。ここで、今回読取つた受光出力の
パターンと前回読取つた受光出力のパターンとが
異なり、かつ今回読取つた受光出力と前々回に読
取つた受光出力のパターンとが同じになるとき
は、走査線が基準線Ｘ−Ｘと一致したと判断され
る。すなわち、この実施例では、走査線が基準線
Ｘ−Ｘの近傍で右上がりの状態と右下がりの状態
を交互に繰返しているとき基準線Ｘ−Ｘと−致し
たと見なしている。

上述のステツプ１０において、走査線が基準線
Ｘ−Ｘと一致していないと判断されれば、ステツ
プ１１に進む。このステツプ１１では、コーナキ
ユーブCC上の走査線が基準線Ｘ−Ｘよりも右上
がり（第５図において）の状態か否かが判断され
る。この判断は、前述のステツプ８で読取つた受
光出力のパターンに基づいて行なわれる。すなわ
ち、受光出力が１個のパルスを含んでいれば、走
査線は右上がりと判断され、受光出力が３個のパ
ルスを含んでいれば走査線は右下がりと判断され
る。もし、走査線が右上がりと判断されれば、ス
テップ１２に進み、走査線が右下がりとなる方向
にモータＭ２が回動される。一方、走査線が右下
がりと判断されれば、ステップ１３に進み、走査
線が右上がりとなる方向にモータＭ２が回動され
る。これらステップ１２および１３の後は、再び
ステップ８以下の動作が繰返される。ステップ８
〜１３の動作の繰返しによって、走査線が基準線
Ｘ−Ｘと一致したと判断されると、ステップ１４
に進む。このステツプ１４では、今回読取つたロ
ータリエンコーダEC２の角度出力と前回読取つ
たロータリエンコーダBC２の角度出力との平均
角度が計算される。そして、その平均角度が基準
線Ｘ−Ｘに対する移動体Ｖの傾斜角度として
RAM１２に記憶される。その後、再びステツプ
２の動作に戻る。

第１１図はコーナキユーブCCに形成されるマ
スクの他の例を示す図である。図において、コー
ナキユーブCCの反射鏡面３ａには複数列のマス
クMA１〜MA４が形成されている。なお、コー
ナキユーブCCに形成されるマスクは、第５図お
よび第１１図に示すものに限定されるものではな
く、その他種々のものが考えられる。すなわち、
基準線に対して走査線が右上がりの状態と右下が
りの状態とで反射光のパターンが変わるようにマ
スクを形成すればよい。

なお、上述の実施例では、基準線Ｘ−Ｘに対す
る移動体Ｖの傾斜角度を測るようにしたが、もち
ろん固定された物体の傾斜角度を測ることもでき
る。また、移動体Ｖは、地上を走行するものに限
らず、飛行機のように空中を飛行するものであつ
てもよい。

発明の効果 以上のように、この発明によれば、入射光と同
一の方向に光を反射するという光反射手段の特殊
な光学的性質を利用して物体の傾斜角度を測定す
るようにしたので、極めて正確な傾斜角の測定が
行なえ、しかも装置が簡単かつ安価なものとな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はコーナキユーブの外観斜視図である。
第２図はコーナキユーブの内部に収納される鏡の
立体斜視図である。第３図はこの発明の一実施例
を用いて移動体Ｖの傾斜角を測定している状態を
示す図である。第４図は移動体Ｖの上方からビー
ムスキヤナBSを見た図であり、光ビームの走査
状態を示している。第５図はコーナキユーブCC
に形成されるマスクMAとその反射光との関係を
示す図である。第６Ａ図および第６Ｂ図はこの発
明の一実施例に用いられるビームスキヤナBSを
示す外観図であり、特に、第６Ａ図はその側面図
を示し、第６Ｂ図はその上面図を示す。第７図は
第６Ａ図に示す円筒４の縦断面図である。第８図
は第７図に示す受光素子BDの平面図である。第
９図はこの発明の一実施例の概略ブロツク図であ
る。第１０図は第９図に示すCPU１０の動作を
示するためのフローチヤートである。第１１図は
コーナキユーブCCに形成されるマスクの他の例
を示す図である。 図において、CCはコーナキユーブ、Ｖは移動
体、BSはビームスキヤナ、１ａ〜３ａは光反射
鏡面、MAはマスク、MA′およびMA″はマスク
MAによつてできた影、Ｍ１〜Ｍ３はモータ、
EC１〜EC３はエンコーダ、５はレーザ光源、
BDは受光素子、１０はCPU、１１はROM、１
２はRAMを示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 予め定められた基準線に対して物体がなす角
   度を計測するシステムであって、 立体的に組合わされた複数の光反射鏡面を有
   し、 入射した光を同一方向に反射する光反射手段、 前記光反射鏡面の所定の領域に形成されたマス
   ク、 前記物体に設けられ、指向性の鋭い光ビームを 前記光反射手段に向けて回動走査する回動走査手
   段、 前記回動走査手段に関連して設けられ、前記光
   反射手段からの反射光を受光するための受光手
   段、 前記回動走査手段に関連して設けられ、前記光
   ビームで形成される光走査面を変位させるための
   変位手段、 前記光走査面が前記基準線に一致するように、
   前記受光手段出力に基づいて前記変位手段を駆動
   する駆動手段、および 前記変位手段による前記光走査面の変位量を検
   出することによつて前記角度を検出する手段を備
   える、傾斜角計測システム。 ２ 前記変位手段は、 前記光走査面と直交する方向に該光走査面を変位
   させる第１の変位手段と、 前記光走査面を回転させる第２の変位手段とを
   含み、 前記駆動手段は、前記第１の変位手段を駆動し
   て前記光走査面が前記光反射手段の光軸中心に当
   たるようにした後前記第２の変位手段を駆動して
   前記光走査面を回転させて前記基準線と一致さ
   せ、前記角度検出手段は前記第２の変位手段によ
   る前記光走査面の回転角度を検出する手段を含
   む、特許請求の範囲第１項記載の傾斜角計測シス
   テム。