JPH03505123A - 距離測定装置 - 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】 距離測定装置 発明の分野 本発明は光レーダ装置に関するものであシ、更に詳しくいえば、走査機構を用い て点ごとに距離データを得るのではなく、並列すなわち同時に距離データ点を得 る装置に関するものである。本発明は、周囲の「画像」を得るためにロボットに 対して必要である場合にロボット工学においてとくに有用である。

したがって本発明は短距離だけに一般に応用できる。

先行技術の説明 パルス状照明器、ゲーテッド受信器ビュー装置に関連する従来の開示は、種々の 距離における見られる目標の強さを等しくシ、シかも後方散乱照明の影響をなく すことに最も関連するものである。これは下記の文献に含まれている開示におい て扱われている。

チャーノツチ（Ｃｈｅｒｎｏｅｈ）、米国特許第３，３０５．６３３号には、遠 距離の目標の映像のコントラストを強める装置を開示している。

パンパーク（Ｂａｍｂｕｒｇ　）他、米国特許第３．８９９．２５０号には、出 力パルスと受信器の起動の間の遅れが引続くパルスサイクルにおいて制御されて 、距離にょシ感度に対して既知の修正を行う。

フレンチ（Ｆｒ＠ｎｅｈ）米国特許第４，２２６．５２９号には、特定の距離に おける目標の映像のコントラストラ、種々の距離を見るために調整可能な時間ゲ ート操作で強くするビュー装置が示されている。

コンティニ（Ｃｏｎｔｔｎｔ）他、米国特許第４　、６０３，２５０号には、映 像増強器が受信器として用いられ、その受信器の光電面がゲートされ、マイクロ チャネルプレート電圧を変えるととくよシ受信器の利得を調節するビュー装置が 開示されている。

これは、利得制御される映像増強器に対する焦点の制御がうまく行われなめこと に伴う諸問題を解決する。その利得は光電面の電圧だけで制御される。

ゲート制御される映像増強器の動作の詳細も開示している。

パルス状照明を用いる距離データの表現を得るという問題に対する手法は下記の ものを含む。

クレイダー（Ｋｌｓｉｄｅｒ）米国特許第４．０６６．１２４号はパルス状照明 技術と１列に並べられ九ＣＣＤセンサの組合わせを用いて、固定された距離にお ける線状の障害物を検出する。

メイエランド（Ｍｓｙｅｒａｎｄ）他の米国特許第３．４６３゜５８８号は、（ 光の伝わる向きに沿って）ある光景を縦方向に走査するパルス状照明器ビュー装 置が記載されている。出力パルスと受信器の起動パルスの間の時間遅れがオペレ ータにょシ変見られ、その結果として、その時間遅れに対応する距離にある物体 だけを装置は検出する。それから、与えられた遅延、したがって距離に対して物 体はその距離にある場合だけ見ることができる。

エンド−（Ｅｎｄｏ）米国特許！　ＣＢ　２，１３９．０３６　Ａには、光景に 照射されたレーザ光パルスの戻シ反射を検出するために、上に光景の焦点が合わ される、光ダイオードのプレイが用いられる、乗物用の光レーダが開示されてい る。各ダイオードは起動させられ、光が光源から反射物体へ進み、および光ダイ オードへ戻るために要する時間が測定される。反射時間は、特定のダイオードが 焦点を合わされている光景内の物体まで光が達するまでの時間、したがって距離 をしたがって、本発明の目的は、先行技術装置の前記諸問題を少くとも減少する 改良した光レーダ距離測定装置を得ることである。

したがって本発明の１つの広い態様は、光景を照明するために高速で切換えるこ とができる光源と、前記光景から反射された映像を受け、出力を制御手段へ供給 する高速で切換えることができる映像発生装置と、前記光源と前記映像発生装置 へ接続されて前記光源と前記映像発生装置をトリガするためのパルスをそれぞれ 供給するパルシング手段とを備え、前記制御手段は前記映像発生装置からの映像 情報を格納するための記憶手段と、前記光源の動作をシーケンスするための制御 論理と、データを処理し、前記光景に関連する距離情報を発生する論理回路とを 含む、光レーダ距離情報測定装置を提供するものである。

前記制御論理は切換え装置を動作させ、その切換え装置は前記パルシング手段に より）リガされて前記光源を連続的にオン状態させるようにし、またはオフ状態 に切換えることができるようにすることが好ましい。

前記光源はレーザダイオードアレイとすることが好ましい。

記憶手段はビデオフレーム記憶装置であることが好ましい。

本発明の別の広い態様は、 （１）　　光源からの連続光で光景を照明し、それから反射された第１の映像デ ータを格納する過程と、■　光源からの高速切換え可能なパル状の光で光景を照 明し、それ、から反射された第２の映像データを格納する過程と、 （３）　　第２の映倫データを第１の映像データで除して、光景の距離情報に関 連する距離情報映像データを得る過程と、 を備え、光景に関連する距離情報を得る方法を提供する。

この方法は、光源からの光がない時に光景から反射された第３の映像データを格 納する過程と、背景照明の影響を除去するように、前記除す過程の前に、第１の 映像データと第２の映像データから第３の映像データを差し引く過程とを更に含 むことが好ましい。

本発明をよシ容易に理解できるようにするために、次に添附図面を参照して特定 の実施例について説明する。

第１図は装置を構成する装置の簡単にしたブロック図、 第２図は第１図の装置の、反射光パルスの時間輪郭と、映像センサの感度を示し 、 第３図および第４図は装置を示すために用いられる実験的な装置のそれぞれ平面 図と側面図を示し、第５図は第３図と第４図の装置を見た時に装置から得た距離 映像を示し、 第６図は第５図の水平断面に対する距離の輪郭を示し、 第７図は第１図の装置のよシ詳しいブロック図、第８図は装置のハードウェアの タイミングの詳細を示すタイミング図、 第９図はレーザダイオードアレイの近似出力と映像増強器の感度をそれぞれ示す グラフである。

光景についての距離情報を取出すために、光源だけが本発明のそれである場合に は、２つの映像を得ることができるように２つの動作モードを必要とする。

動作モードｌ 第１図を参照して、制御ハードウェア１がスイッチ２を選択して、高速光源３が パルス発生器４によシパルスでオン・オフさせられるようにする。パルス発生器 ４は、映像センサ５の感度を制御する回路（第１図には示していない）の駆動も 行う。結果として得られた映像は制御ハードウェアに格納される。

参照番号６はビデオモニタを表す。

このモードにおいては、光源が連続してオンになるようにスイッチ２を選択する 。映像センサから得られた結果としての映像は制御ハードウェア１に再び格納さ れる。

処理 １１をモード１から検出された映像とする。

工２をモード２から検出された映像とする。

工１は光景内の物体の表面選択度に依存する映像を表す。映像輝度は、逆自乗法 則のために、物体までの距離に依存する。映像は、光景からの反射光パルスの重 畳によシひき起されるゲート効果にも依存し、映像センサの「オン」時間も距離 に依存する。

光源が連続してオンの時に工２は得られる。工２は光景内の物体の表百反射率の みに依存する。映像の輝度は、逆自乗法則のために、物体までの距離に依存する 。

Ｒを距離映像、Ｋを一定である較正係数として、Ｒ＝に、１１／１２ であるように、１１と工２の対応する部分の商を形成することにより距離が見出 される。

この処理によシ表面反射率と逆自乗光損失の影響を除く。残っている唯一の影響 は、ゲートされる映像センサとのパルス状の光の重なシ合いすなわちコンボリュ ーションによる影響である。

反射光パルスの理想化した時間輪郭ｒａＪと、映像センサ「ｂ」の感度ｒｂＪと が第２図に示されている。２つのコンボリューションが「Ｃ」として示されてい る。各輪郭は相対的な大きさ対時間のプロットである。

コンボリューション値は受信器における反射パルスの開始と、映像センサの起動 の開始との間の遅延に依存する。この遅延は光がパルス光源から光景内の物体ま で進み、映像センサ５へ戻る１での一巡時間のためである。したがって、その距 離内の任意の画素に対して、コンボリューション関数の形と全体の較正係数Ｋを 知ると、距離測定装置から映像中の任意の点までの距離をＲから直接見出すこと ができる。

較正係数には映像中の全ての点に対して全体的に適用され、既知寸法の光景の距 離映像を得ることにＸ？）見出すことができる。これは１回だけ行う必要がある 。

理想的でない環境における動作を容易にするために、上記動作モード高度にする ことは、処理中に含むために第３の「背景」映像を獲得するための制御ハードウ ェアの延長部である。この映像は、背景照明の影響が記録されるように、光源を オフ状態にして得られる。

Ｉ３を背景影偉として、 Ｒ＝Ｋ　（１１１３）／（Ｉ２−Ｉ３）であるように処理は修正される。これは 、距離値に誤差を生ずる、１１と１２からの背景の影響を除く。

第３図と第４図を参照して、装置を示すために用いられる実験が、互いに１５０ ＋離された６枚の試験カードＡを有する。それらのカードは光源の方向を横切る 方向にもずらされる。第５図はその装置を用いて得た距離映像を示し、第６図は 第５図の映像の水平断面における各種のカードまでの距離の輪郭を示す。

次に、第７図に示されているよシ詳しいブロック図を参照する。パルス発生器１ １がタイミングを計られたトリガ信号を、映像増強器９のゲートを駆動する映像 増強器ドライバ１２へ供給スル。バ／ｌ／　ス発生器はレーザダイオ−′ドアレ イと関連する駆動回路１７をもトリガする。用すられるレーザダイオードはシャ ープＬＴＯ１５ＭＦ型である。レーザダイオードアレイからの光は光景（図示せ ず）へ向って送られる。

光景から反射された光は、外部光源からの光の影響を減少するために、フィルタ ７を通じて映像発生装置に入る。主レンズ８が戸先された光を、バロ（Ｖａｒｏ ）５７７２型、映像増強器９上に集束する。その映像増強器は、ＮＥＣＴＩ　２ ２Ｃであるテレビカメラ１０により観察される出力を生ずる。テレビカメラ１゜ の出力はフレーム記憶装置１４と同期プロセッサ１３へ接続される。装置制御器 １５が、ダイオードアレイ１７をパルスモード（位置ａ）、連続モード（位置ｂ ）、および完全にターンオフされる（位置Ｃ）で動作させるようにする電子スイ ッチ１６のモードを選択する。制御器１５ば、レーザダイオードアレイの３つの 動作モードで得た映像に対応する、フレーム記憶装置１４内の３つのフレーム記 憶バッファの１つも選択する。

フレーム記憶装置１４からの３つの出力はデジタル論理回路１８によシ処理され て、光景についての距離情報を表すデータを生ずる。これはデジタル−アナログ 変換器１９によりアナログ信号へ変換される。そのデジタル−アナログ変換器の 出力は回路２０によシ、同期プロセッサ１３からのビデオ同期情報に組合わされ る。その結果としての情報がビデオモニタ２１で表示される。

映像増強器９はＱＶから一６０Ｖへ、およびＱＶへ３０　ｎ５ｅｃで変化する駆 動電圧を有する。マイクロチャネルプレートへ一８５０ｖが供給され（ＭＣＰア ウトからＭｃＰイン）、蛍光スクリーン加速電圧が５ＫＶである（スクリーンか らＭＣＰアウ　トへ）。

受光レンズ光学装置８は手動調節される焦点レンズと、検流計で制御される開口 部で構成される。フィルタはコダック参うッテン（Ｋｏｄａｋ　Ｗｒａｔｔｅｎ ）フィルタφ８７である。

第８図は装置のハードウェアの関連するタイミングの詳細を示す。タイミング信 号（２３）、（２４）、（２５）は、そ−ドスイッチを動作させ、ルーム記憶装 置１４内のフレームバッファ記憶選択を支配するための選択信号を示す。それら の選択信号は、テレビカメラ１０からの飛越し走査されるビデオ信号２２の奇数 フィールドと偶数・フィールドに関連して示されている。制御信号が表明される 時は「活動」時であって、参照番号２６で示されている。活動時には、信号２３ はレーザアレイのパルスモードを選択する。信号２４が活動状態であると、それ はレーザアレイの連続モードを選択し、活動状態にある信号２５は背景モードを 選択し、その時間中はレーザアレイはアイドルである。どの選択も活動状態にな い時（時間間隔２１）はレーザアレイもアイドルである。

選択信号のための活動時間は、長さが２ビデオフイ一ルド時間すなわち２０ｍ５ ｅｃである。信号２２の低い状態によシ表されている飛越し走査させられるビデ オの奇数フィールド中に映像は捕えられる。

参照番号２７はモードの間の回復時間を表す。これにより映像増強器の蛍光体が 、次の選択の前に、中性状態へ戻ることができるようにされる。回復時間も２フ イ一ルド時間である。それらのタイミング値は映像発生装置の持続する特性に従 って調整される。

第８図は、パルスモード中にレーザダイオードを駆動し、かつ映像増強器を駆動 する波形のタイミングも示す。駆動パルスの長さ２８は３０　ｎ　Ｓｅｅのオー ダーである。オフ時間は３０ｎＳｅｃＯ間で変えることができ、１００　！ｌ　 Ｓｅｅよシ長い。映像増強器９はレーザアレイと同じパルス持続時間およびデユ ーティ・サイクルを有する。遅延時間３２は＋または一１５ｎＳ＊ｅの範囲でＩ ＥＩＩＭできる。その理由は、レーザアレイと映像増強器の間で回路の遅延と長 手方向の変位を補償するためである。装置が製作された後でその遅延は１回設定 され、再較正が求められなければ、それ以後は調整されない。

第９図はレーザ光出力３３と映像増強器３４の近似グラフを示す。駆動回路の応 答時間が限られているために、それらは理想的な方形波からずれている。

それらの不完全さが最後の距離指示に及ぼす影響は装置から容易に較正される。

好適な実施例においては、３回の映像サンプリング操作の後で完全な距離映像が 決定されるのに対して、従来の装置は、光の伝わる方向に沿って長手力向く繰返 えしサンプリングして光景を走査することにょシ距離情報を得る点（メイエラン ド（Ｍｅｙｅｒａｎｄ）他）が、本発明が従来技術と異なることがわかるであろ う。

サンプル回数を減した結果、光景の距離表現がはるかに迅速に得られる。

パルス状照明器、ゲーテッド映像発生装置の３つのそ−ドから得られた映像は、 特殊な・・−ドウエアに組合わされて、見られる光景についての距離データの表 現を生ずる。この装置は、各モードから１つずつの、ちょうど３つの映像を用い て、見られる映像の完全な距離映像を獲得する。

全く受は容れることができる結果を依然として発生する動作の簡単にされた態様 においては、背景映像を測定する過程をなくすことができ、とぐに背景光のレベ ルが低いときにその過程をなくすことができる。

大発明の要旨と範囲内の！更は歩業者が容易に行えるから、本発明は上で例とし て説明した特定の実施例に限定されるものではないことを理解すべきである。

Ｆｉｇｕｒｅ　１゜ Ｆｉｇｕｒｅ　２゜ Ｆｉｇｕｒｅ　３゜ Ｆｉｇｕｒｅ　４゜ Ｆｉｇｕｒｅ　７゜ 国際調査報告 ＡＮＮＥＸＴ口’ｒｌ（Ｅ　Ｍ’ＥＩｍＴ丁ｍｓ乙ＩＪ’ＩＯ１ｒ　ＣＮ工■ワ 畠ＴＩＣｍＬ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＹ（７）Ｎｏ、　３虹成型り匹且ＧＢ２１２５ ６４９ＨＫ５２３／８６ＪＰ５９０５８３０フｕＳ４４９００３フ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光景を照明するために高速で切換えることができる光源と、前記光景から反 射された映像を受け、出力を制御手段へ供給する高速で切換えることができる映 像発生装置と、前記光源と前記映像発生装置へ接続されて前記光源と前記映像発 生装置をトリガするためのパルスをそれぞれ供給するパルシング手段とを備え、 前記制御手段は前記映像発生装置からの映像情報を格納するための記憶手段と、 前記光源の動作をシーケンスするための制御論理と、データを処理し、前記光景 に関連する距離情報を発生する論理回路とを含む、光レーダ距離測定装置。 ２．請求項１記載の光レーダ距離測定装置において、前記制御論理は切換え装置 を動作させ、その切換え装置は前記パルシング手段によりトリガされて前記光源 を連続的にオン状態させるようにし、またはオフ状態に切換えることができる光 レーダ距離測定装置。 ３．請求項１記載の光レーダ距離測定装置において、光源はレーザダイオードア レである光レーダ距離測定装置。 ４．請求項１記載の光レーダ距離測定装置において、記憶手段はビデオフレーム 記憶装置である光レーダ距離測定装置。 ５．（１）光源からの連続光で光景を照明し、それから反射された第１の映像デ ータを格納する過程と、（２）光源からの高速切換え可能なパル状の光で光景を 照明し、それから反射された第２の映像データを格納する過程と、 （３）第２の映像データを第１の映像データで除して、光景の距離情報に関連す る距離情報映像データを得る過程と、 を備え、光景に関連する距離情報を得る方法。 ６．請求項５記載の方法にかいて、（４）光源からの光がない時に光景から反射 された第３の映像データを格納し、過程（３）の前に、第１の映像データと第２ の映像データから第３の映像データを差し引く別の過程を含む方法。 ７．請求項５記載の方法において、請求項１〜３のいずれか１つに記載の光レー ダ距離測定装置を用いる方法。 ８．請求項６記載の方法において、請求項１〜３のいずれか１つに記載の光レー ダ距離測定装置を用いる方法。 ９．添附図面を参照して先にほぼ説明した光レーダ距離測定装置。 １０．添附図面を参照して先にほぼ説明した光景に関連する距離情報を得る方法 。