JPH0650728Y2 - 空間フィルタによる距離測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本考案は空間フィルタを用いた距離測定装置において精
度を向上させたものである。

B.考案の概要 空間フィルタを用いた距離測定装置において走行路面か
らの反射光が急変したために注目する空間フィルタの周
波数成分が減少し、その結果移動距離に対応する位相平
面上のベクトルの絶対値が小さくなり精度が悪くなるお
それがあったが、本考案では位相を異ならせた正弦波，
余弦波による２種類空間フィルタを用いるために、位相
空間内において絶対値の大きなベクトルを利用すること
により測定精度を向上させることができる。

C.従来の技術 従来、無人搬送車などの自動運転にあたって、走行路上
に電磁誘導線や光学式反射テープを布設して走行ガイド
を形成する方式や、車軸，計測輪にエンコーダやタコジ
ェネレータを取り付けて、車軸の回転に応じたパルス又
はアナログ電圧から無人車の速度、移動距離を計測する
方式がある。

しかしながら、これらの方式は路面に誘導線や反射テー
プ等を布設する走行路の加工を必要とし、その加工作業
が面倒であると共に、路面の凹凸、外力等による車輪の
スリップや車輪の摩耗により精度良い計測が出来なかっ
た。

このため、外部からの誘導が不要で、かつ、非接触で移
動距離を測定する方法として、空間フィルタを利用いた
距離測定方法が開発されている。

この空間フィルタによる距離測定方法について第５図〜
第７図を参照して説明する。

第５図，第６図に示されるように、路面１からの反射光
が光学系２によって撮取され、ラインセンサ（CCD）３
によって、所定の周期でサンプリングされて電気信号に
変換されることになる。ここで、路面１からの反射光は
多種類の周波数の組み合わせから構成されるが、路面１
の材料，周囲の環境等が一定ならば、その組み合せはほ
ぼ一定とみなされる。そして、光学系2,ラインセンサ３
等を図示しない車輌の底面に設ければ、車輌の走行に従
って、わずかに変動を繰り返すことになる。

ライセンサ３からの出力は読出回路４を通過した後、空
間フィルタ演算部５に入力されることになる。空間フィ
ルタ演算部５は、光学的にランダムな周波数から構成さ
れる反射光から、任意の周波数成分を抽出し、その時系
列的な変化から、位相空間において移動距離に対応する
ベクトルを求めるものである。即ち、読出回路４を通過
した信号Ｐは、A/D変換器６でデジタル信号に変換され
るが、フーリエ級数に展開すると次の様になる。

但し、x_oは時刻ｔにおける車輌の位置、ｘは読出回路か
ら読み出されるラインセンサ内の位置であり、x_oを基準
とする、 ｋ＝２π/L,i＝0,1,2…,Lはラインセンサの測定範囲で
ある。

そして、フーリエ係級A_i（x_o），B_i（x_o）は次式で示さ
れる。

A_i（x_o）＝（2/L）・▲∫^L _o▼Ｐ・cos（ｋ・ｉ・ｘ）dx
…（２） B_i（x_o）＝（2/L）・▲∫^L _o▼Ｐ・sin（ｋ・ｉ・ｘ）dx
…（３） このような信号Ｐにそれぞれ空間フィルタとして、下式
に示す特定周波数の余弦波，正弦波S₁，S₂を乗算し、所
定範囲で積分する。

S₁＝Ｆ・cos（ｎ・ｋ・ｘ） …（４） S₂＝Ｆ・sin（ｎ・ｋ・ｘ） …（５） ａ（X_o＝▲∫^L _o▼Ｐ・S₂d_x＝Ｆ・B_n（X_o）・L/2 …
（６） ｂ（X_o＝▲∫^L _o▼Ｐ・S₁d_x＝Ｆ・A_n（X_o）・L/2 …
（７） ここで、ラインセンサからの出力Ｐは、路面や環境等の
条件が一定の反射光によるものであれば、あるｎ次の成
分については３角関数的に連続して変化するはずであ
り、例えば下式で示されることになる。

P_n（ｌ）＝Ｇ・sin（ｎ・ｋ・ｌ＋φ） …（８） 従って、ｎ次のフーリエ係数A_n，B_nは次の様に求められ
る。

A_n（X_o）＝（2/L）・▲∫^L _o▼P_n(x_o＋ｘ）・cos（ｋ・
ｎ・ｘ）dx ＝2/L▲∫^L _o▼Gsin｛ｎ・ｋ（x_o＋ｘ）＋φ｝・cos（ｋ
・ｎ・ｘ）dx ＝G/L▲∫^L _o▼sin（2nkx＋nkx_o＋φ）＋sin（nkx_o＋
φ）dx ＝G/L・Ｌ・sin（nkx_o＋φ） ＝Ｇ・sin（nkx_o＋φ） …（９） 同様にして B_n(x_o)＝Ｇ・cos（nkx_o＋φ） …（10） （９）（10）式を上記（６）（７）式に代入して整理す
る次式となる。

ａ（x_o）＝（FL/2）・Gcos（nkx_o＋φ） …（11） ｂ（x_o）＝（FL/2）・Gsin（nkx_o＋φ） …（12） このようにして得られるａ（x_o）,b（x_o）は、３角関数
的に振動するものであり、その後移動距離演算部７へ入
力される。

ここで、移動距離演算部７は、ａ（x_o）,b（x_o）を２次
元の座標とするベクトルＡの第８図に示す位相平面上で
の原点を中心とする回転角ρを求める。即ち、第８図に
示すようにａ（x_o）,b（x_o）を２次元の座標とするベク
トルＡは、移動距離X_oに比例した回転角nkx_oで回転す
る。このため第８図から次の関係式が成り立つ。

nkx_o＋φ＝２πｍ＋ρ …（13） 但し、ｍは原点を中心とした回転数、 ρ＝arctaR（ｂ（x_o）/a（x_o））、 （Ｏ≦ρ≦２π） φは初期値つまりρ_ｔ＝０である。

従って、（13）式を変形すれば、求めようとする移動距
離x_oが次式で示される。

x_o＝ｍ・ｐ＋（ρ−φ）p/2π …（14） 尚、ｐはフィルタピッチ（＝L/n）である。第５図中、C
PU8,RAM9,ROM10により上記空間フィルタ演算部５及び移
動距離演算部が構成されている。更に移動距離x_oを時間
微分して速度を求めることも行なわれる。

D.考案が解決しようとする課題 しかしながら、上記従来方法では路面からの反射光が不
規則な所や、急変するところでは、注目する周波数成分
の出力が減小し、第８図に示す位相平面内のベクトルＡ
の絶対値が縮小することとなっていた。ベクトルＡの絶
対値が小さくなっても、ベクトルＡの回転角ρ及び回転
数ｍの測定には理論上何んら差し障わりはないのである
が、実際にはベクトルＡの絶対値が小さくなればなるほ
ど、測定精度が低下することとなっていた。

本考案は、路面からの反射光が不規則となり急変した場
合であっても、位相平面内の大きな方のベクトルを使用
することにより、測定精度を向上させることのできる空
間フィルタによる距離測定装置に関する。

E.課題を解決するための手段及び作用 本考案では空間フィルタとして使用する正弦波，余弦波
の位相を異ならしめた２種類の空間フィルタ演算部を設
けて、これら空間フィルタ演算部で得られた２つのベク
トルのうち絶対値の大きなものを使用して移動距離を求
めている。従って、空間フィルタの位相のずれた範囲内
で反射光の急変する部分がある結果、一方のベクトルが
小さくなっても、他方のベクトルを使用するので、測定
精度が向上することとなる。

F.実施例 以下、本考案の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。

第１図に本考案の一実施例を示す。同図に示すように、
本実施例では、第１、第２の空間フィルタ演算部9,10が
設けられている。即ち、路面１からの反射光は光学系２
によって撮取され、ラインセンサ３によって所定の周期
でサンプリングされ、読出回路４を通過し、A/D変換器
６によってデジタル信号とされた後、第１空間フィルタ
演算部９、第２空間フィルタ演算部10に入力される。第
1,第２空間フィルタ演算部9,10は、前述した従来技術の
空間フィルタ演算部５と同様な構成であるので、その演
算過程については繰り返さないが、空間フィルタとして
使用する正弦波，余弦波の位相が異なっている。即ち、
従来の空間フィルタは第７図に示すように正弦波イ，余
弦波ロがライセンサの全範囲をカバーするのであるが、
本実施例では、位相が２周期ずれている正弦波ハ，ニ及
び余弦波ホ，ヘを一部重ね合せてラインセンサの全範囲
をカバーすることとなる。尚、第３図，第７図は、正弦
波，余弦波をハニング窓に通したので測定範囲の先後部
において収束するが、このようなハニング窓を通さなく
ても良い。

第1,第２の空間フィルタ演算部9,10におけるフローチャ
ートは第２図に示すように、第１空間フィルタ、第２空
間フィルタの演算処理を順次行い、ラインンセンサ（CC
D）の素子数だけ繰り返す。

このようにして得られた信号a_n，b_n，c_n，d_nはそれぞれ
ローパスフィルタ11,12,13,14を通過した後、前回値a
_n-1，b_n-1，c_n-1，d_n-1と共に位相演算部15,16へ入力さ
れる。ここで、信号の添字はサンプリングの回数を示す
ものである。

位相差演算部15,16は前回のサンプリング時から今回の
サンプリング時までの移動距離に対応する回転角Δ
ρ_１，Δρ_２を演算する。まず、Δρ_１については第１
図（ｂ）に示すように、ベクトル（a_n，b_n）、ベクトル
（a_n-1，b_n-1）の内積、外積の絶対値を求める。

同様にしてΔρ_２は次の様にして求められる。

一方、振幅演算部17,18に信号a_n，b_n，c_n，d_nが入力さ
れ、（a_n，b_nを座標値とするベトクルA₁の絶体値及び
（c_n，d_nを座標値とするベクトルA₂の絶体値が下式のと
おり計算される。

この絶体値A₁，A₂はそれぞれローパスフィルタ19,20を
通過し、コンパレータ21で比較される。コンパレータ21
は、A₁がA₂よりも大きれば（第１図（ｂ）（ｃ）に示す
ように）Δρ_１を選択するスイッチを投入し、逆にA₁が
A₂よりも小さければ、Δρ_２を選択するスイッチを投入
する。選択されたΔρ_１又はΔρ_２は累算器22によって
積分されてρが得られる。その後は前述した従来技術と
同様にして移動距離を求める。尚、以上の計算は第３図
のフローチャートに従って行なわれる。

ここでΔρ_１とΔρ_２とは論理的には同じ値であるが、
ベクトルの絶体値が小さいと比較的誤差が大きくなり、
これを用いて移動距離を演算すると精度が低下すること
となる。特に路面からの反射光が急変する場合では、注
目する周波数成分の出力が減少し、その結果、いずれか
のベクトルの絶体値が小さくなることがあるが、他方の
ベクトルによるΔρを使用すれば、測定精度が低下する
ことがない。また、逆に反射光が急変するために注目す
る周波数成分の出力が増大し、いずれかのベクトルの絶
体値が大きくなるときは、大きい方のベクトルによるΔ
ρを使用する測定精度が向上することになる。尚、コン
パレータ21によるベクトルの絶対値A₁，A₂の比較はサン
プリング毎に行うようにすると良い。

G.考案の効果 以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本考
案では、空間フィルタの位相を異ならせた２種類の空間
フィルタ演算部を設けて、得られた２つのベクトルのう
ち絶対値の大きなものを使用して移動距離を求めるの
で、反射光の急変する場所においても精度を維持し、あ
るいは向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本考案の一実施例を示すブロック図、第
１図（ｂ）（ｃ）は位相平面内におけるベクトルの回転
を示す説明図、第２図は第1,第２空間フィルタ演算部の
フローチャート、第３図は本考案の空間フィルタを示す
グラフ第４図は移動距離に対応する回転角ρを演算する
フローチャート、第５図は従来の移動距離測定装置の構
成図、第６図は同装置のブロック図、第７図は従来の空
間フィルタを示すグラフ、第８図は位相平面内でのベク
トル及びその回転角を示す説明図である。 図面中、 １は路面、 ２は光学系、 ３はライセンサ、 ４は読出回路、 ６はA/D変換器、 ９は第１空間フィルタ演算部、 10は第２空間フィルタ演算部、 11,12,13,14,19,20はローパスフィルタ、 15,16は位相差演算部、 17,18は振幅演算部、 21はコンパレータ、 22は累算器である。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】車体底面に配設され走行路面で反射した光
   を撮取し、所定の周期でサンプリングして電気信号に変
   換する光検出変換部と、該光検出変換部からの電気信号
   に正弦波，余弦波をそれぞれ乗算し、所定範囲内で積分
   することにより任意の周波数成分を抽出し、該周波数で
   振動する正弦波，余弦波信号a,bを求める空間フィルタ
   演算部と、該空間フィルタ演算部からの正弦波，余弦波
   信号a,bを２次元の座標とするベクトルA₁の位相平面上
   での原点を中心とする回転角から前記車体の移動距離を
   算出する走行距離演算部とを有する空間フィルタによる
   距離測定装置において、上記光検出変換部からの電気信
   号に上記正弦波，余弦波と位相を異ならしめた正弦波，
   余弦波を乗算し、所定範囲内で積分することにより上記
   周波数と同じ周波数成分を抽出し、該周波数で振動する
   正弦波，余弦波信号c,dを求める空間フィルタ演算部を
   増設し、該正弦波，余弦波信号c,dを２次元の座標とす
   るベクトルA₂の絶対値と前記ベクトルA₁の絶対値とを比
   較する比較器を設け、絶対値の大きなベクトルA₁又はA₂
   を選択的に用いて前記走行距離演算部により前記車体の
   走行距離を算出することを特徴とする空間フィルタによ
   る距離測定装置。