JPH0651050A - 移動体の姿勢及び3次元位置測定装置 - Google Patents

移動体の姿勢及び3次元位置測定装置

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JPH0651050A
JPH0651050A JP4202330A JP20233092A JPH0651050A JP H0651050 A JPH0651050 A JP H0651050A JP 4202330 A JP4202330 A JP 4202330A JP 20233092 A JP20233092 A JP 20233092A JP H0651050 A JPH0651050 A JP H0651050A
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laser light
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JP4202330A
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Yasuhiro Nakahara
康博 中原
Tetsuya Ishii
徹哉 石井
Makoto Hirano
信 平野
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Sekisui Chemical Co Ltd
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Sekisui Chemical Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 不整地面上を移動する移動体の各時点の6自
由度姿勢及び3次元位置の測定装置を提供する。 【構成】 このため、一基準点に設置されて一定角速度
ωで旋回するレーザ光発信装置11と、無指向性信号発
信装置13とを設けると共に、移動体12上には、前記
無指向性信号受信用アンテナ15a及び上下動テーブル
20上に配設した少なくとも3個のライン形光センサ1
6,17,18と、これらの前記レーザ光19受光時刻
信号39,40,41及び受光位置信号45,46,4
7等より移動体12の3つの座標情報と3つの姿勢情報
をCPU51により演算/算出するよう構成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、移動体の姿勢及び3
次元位置を測定するための装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、例えば走行車両や船舶もしくは特
殊な飛翔体等の移動体の姿勢及びその3次元位置を測定
するための方法の提案が特願平4−66942号により
開示されている。この提案においては、一基準点より発
する旋回レーザ光を少なくとも3個のライン形センサで
受光して得られる受光時刻情報と、これら各光センサか
らの出力により求められる光センサ上の受光位置情報か
ら移動体の姿勢及び3次元位置を測定するものであっ
た。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来提案にあっては、その上を移動体が移動する表面が例
えば不整地や波浪の高い海面等で凸凹や勾配等が比較的
大きい場合など、前記旋回レーザ光がライン形光センサ
の受光部から外れた時には、移動体の姿勢や3次元位置
の測定は不可能となる。
【0004】この発明は、以上のような問題点にかんが
みてなされたもので、その上を移動体が移動する地面等
が比較的大きい起伏や勾配等を有する場合でも、前記測
定を可能とするこの種の測定装置の提供を目的としてい
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】このため、この発明にお
いては、この種の移動体の姿勢及び3次元位置測定装置
を、一基準点に設置され、実質的に一定の旋回角速度で
レーザ光を発信するためのレーザ発信手段と、そのレー
ザ光が特定の方向に発信させたとき無指向性信号を出力
するための信号発信手段と、測定すべき移動体上に装着
され、前記レーザ光照射位置と照射時刻の情報を含む信
号を出力するための少なくとも3個の光センサと、前記
無指向性信号を受信するための受信手段と、前記光セン
サからの出力より、各光センサ上の受光位置を求めるた
めの信号処理手段と、前記各光センサのレーザ光受光時
刻と前記無指向性信号の受信時刻との差を測定するため
の少なくとも3個の計時手段と、その計時情報と、レー
ザ受光位置情報から前記移動体の姿勢及び3次元位置を
算出するための演算手段と、前記各センサを特定の位置
に配設するためのテーブルと、このテーブルを必要距離
だけ上下動させるための駆動機構と、前記各光センサの
内の1個の出力より前記レーザ光がこれらセンサから外
れないよう駆動機構を制御するための制御手段と、前記
テーブルの基準位置からの高さを検出するための検出手
段を備えるよう構成することにより前記目的を達成使用
とするものである。
【0006】
【作用】以上のような本発明構成により、移動体の6自
由度の姿勢や3次元位置を測定することができる。ま
た、ヘディング角,ピッチング角,ローリング角等の姿
勢情報が不要の場合にも、その姿勢とは無関係に各時点
の位置を正確に求めることができるため、凹凸のある面
上を移動するときの位置認識用に最適である。また、前
記上下動テーブルの高さを、前記各光センサの中心で旋
回レーザ光を受光できるよう制御しているため、凸凹や
勾配の比較的大きい移動面でも、前記測定が可能であ
る。
【0007】
【実施例】以下に、この発明を実施例に基づいて説明す
る。図1にこの発明に係るこの種の計測システムの一実
施例の概要説明図を示す。この図は、後述するレーザ光
旋回面に平行な方向から視た図である。
【0008】(構成)12は、不整地面G上を移動する
不整地走行車両等の移動体、11は、地上Gの一測定基
準点に配設された実質的に一定の角速度ωで一平面上を
旋回するレーザ光19を発信するためのレーザ発信装
置、14は、ある基準方向を指向して配設された光セン
サ、13はレーザ光19がある方向を指向してこれを横
切ったとき光センサ14により無指向性の無線信号を発
生するための信号発生装置、13aはその発信用アンテ
ナである。
【0009】一方、移動体12上には、前記無指向性信
号を受信するための受信機(不図示)と、そのセンサと
してのアンテナ15aを備え、また、移動体12の上面
には、これと平行な上下動テーブル20が設けられ、そ
の上面に垂直に少なくとも3個のライン形センサ16,
17,18が互いに一直線上とならないような位置関係
に配設されて、それぞれレーザ光19の受光時刻(t
0 ,t1 ,t2 )と受光位置(ζ'0,ζ'1,ζ'2)の情
報を出力し得るよう、図2にその測定系及び信号処理回
路のブロック図を示すように、それぞれの光センサ1
6,17,18に対して各信号処理回路35,36,3
7、計時手段としての各タイマ42,43,44、演算
手段としてのCPU51等を備えている。
【0010】また、図3に上下動テーブル20を必要な
距離だけ上下動させるための駆動機構の垂直断面図を示
す。上下動テーブル20は、ボールねじみぞを備えた垂
直軸23により支持されており、正逆転可能なモータ2
1により、歯車29を介してスリーブ24が回転し、こ
のスリーブ24とボールねじ機構で連結されて軸23が
それぞれ上/下に変位し得る。32,33は、上下動テ
ーブル20が、スリーブ24と共に回転することを防止
するための各回り止め軸である。また、22は、このテ
ーブル20の基準位置からの上/下移動量Zの検出機を
示す。
【0011】前記各ライン形センサ16,17,18と
しては、光位置検出素子(PSD)や光センサアレイ等
が挙げられ、また上下動テーブル20移動量検出機22
は、その基準位置からの移動情報を含む信号を出力し得
るよう構成され、この検出手段としては、モータ21の
回転角度を測定するためのロータリ・エンコーダ等が挙
げられる。
【0012】(動作)つぎに、図1〜図3ならびに、図
2の信号処理装置からの出力信号波形図の一例を示す図
4を参照して動作説明する。各ライン形光センサ16,
17,18に順次入射された旋回レーザ光19は、それ
ぞれの信号処理回路35,36,37を通って各受光時
刻信号39,40,41と、各ラインセンサ上での受光
信号位置信号45,46,47に変換される。一方、ア
ンテナ13aからの無指向性の無線入号は、アンテナ1
5aで受信されて処理回路34に入力されると、直ちに
パルス信号38を発生する。各受光時刻信号39,4
0,41と、このパルス信号38との各時間間隔t0 ,
t1 ,t2 は、それぞれ計時手段としての各タイマ4
2,43,44で、計測されてそれぞれディジタル信号
に変換される。
【0013】一方、レーザ光受光位置情報45,46,
47は、各信号処理回路35,36,37において、各
受光位置ζ'0,ζ'1,ζ'2にそれぞれ比例した電圧に変
換され、それぞれA/D変換器48,49,50により
ディジタル信号に変換される。また、ライン形光センサ
16からの受光位置信号45は、上下動テーブル20の
高さ(移動量Z)を、旋回レーザ光19が光センサ16
のほぼ中心に入射するように駆動制御するためにも利用
されており、制御回路52により上下動テーブル20の
移動量Zが決定され、モータドライバ53に指令してモ
ータ21を駆動制御し、エンコーダ22からカウンタ5
4により、上下動テーブル20の移動量を計測する。こ
れらの7つのディジタル信号は、CPU51で演算/処
理されて、移動体12の3つの座標情報(r,θ,z)
と、3つの姿勢情報、すなわち、ヘディング角,ピッチ
ング角,ローリング角(φ,σ,ρ)に変換される。
【0014】(位置/姿勢の算出)つぎに、前記座標/
姿勢情報の各量を求めるための演算式を説明する。図5
に、旋回レーザ光19と、上下動テーブル20上の各ラ
イン形光センサ16,17,18との幾何学的配置例を
レーザ旋回面に垂直な方向から視た図を示す。R0,R1
,R2 は各光センサ16,17,18のレーザ光受光
位置、S0 ,S1 ,S2 は、各光センサの中心線を延長
した線が、移動体12の上面と交わる点の位置を示す。
また、Oは図1における旋回レーザ発信装置11の位
置、Pは光センサ14の位置ある。
【0015】レーザ光19の旋回角速度をω、基準方向
からR0 ,R1 ,R2 を見込んだ角度をそれぞれθ1 ,
θ1 ,θ2 とすると、それらは θ0 =ωt0 ……(1) θ1 =ωt1 ……(2) θ2 =ωt2 ……(3) と表される。また、上下動テーブル20の移動量をZと
し、 ζ0 =Z+ζ'0 ……(4) ζ1 =Z+ζ'1 ……(5) ζ2 =Z+ζ'2 ……(6) とおき、各光センサ間の間隔をそれぞれ図5に示すよう
にa,b,cとし、レーザ光受光位置間隔をA,B,C
とすると、 A=(a2 +(ζ1 −ζ0)2)1/2 ……(7) B=(b2 +(ζ2 −ζ0)2)1/2 ……(8) C=(c2 +(ζ2 −ζ1)2)1/2 ……(9) と表わされ、直ちに計測値Z,ζ'0,ζ'1,ζ'2より計
算できる。
【0016】つぎにここで求めたA,B,Cを用いて各
レーザ光受光位置R0 ,R1 ,R2の座標を求める;
【0017】
【数1】
【0018】
【数2】
【0019】
【数3】
【0020】(他の実施例)なお、上記実施例は、ライ
ン形光センサが3個の場合について説明したが、使用す
るセンサの個数はこれのみに限定されるものでなく、そ
れ以上の複数であっても差支えない。また上下動テーブ
ル20の変位機構/駆動手段等も他の変形であってもよ
いことはもちろんである。
【0021】
【発明の効果】以上、説明したように、この発明によれ
ば、この種の移動体の6自由度の姿勢や3次元位置を測
定することができ、また上下動テーブルの高さを適当に
調節制御することにより、比較的大きい凸凹や傾斜の移
動表面に対しても追随して測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 計測システムの一実施例の概要説明図
【図2】 移動体上の測定系及び信号処理回路のブロッ
ク図
【図3】 上下動テーブルの駆動機構垂直断面図
【図4】 図2の信号処理装置からの出力信号波形図の
一例
【図5】 旋回のレーザ光と各光センサとの幾何学的配
置例
【符号の説明】
11 レーザ光発信装置 12 移動体 13 無指向性信号発信装置 16,17,18 ライン形光センサ 20 上下動テーブル 21 モータ 22 上下移動量検出機 34,35,36,37 信号処理回路 38 パルス信号 39,40,41 受光時刻信号 42,43,44 タイマ 45,46,47 受光位置信号 51 CPU

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一基準点に設置され、実質的に一定の旋
    回角速度でレーザ光を発信するためのレーザ発信手段
    と、そのレーザ光が特定の方向に発信させたとき無指向
    性信号を出力するための信号発信手段と、測定すべき移
    動体上に装着され、前記レーザ光照射位置と照射時刻の
    情報を含む信号を出力するための少なくとも3個の光セ
    ンサと、前記無指向性信号を受信するための受信手段
    と、前記光センサからの出力より、各光センサ上の受光
    位置を求めるための信号処理手段と、前記各光センサの
    レーザ光受光時刻と前記無指向性信号の受信時刻との差
    を測定するための少なくとも3個の計時手段と、その計
    時情報と、レーザ受光位置情報から前記移動体の姿勢及
    び3次元位置を算出するための演算手段と、前記各セン
    サを特定の位置に配設するためのテーブルと、このテー
    ブルを必要距離だけ上下動させるための駆動機構と、前
    記各光センサの内の1個の出力より前記レーザ光がこれ
    らセンサから外れないよう駆動機構を制御するための制
    御手段と、前記テーブルの基準位置からの高さを検出す
    るための検出手段を備えたことを特徴とする移動体の姿
    勢及び3次元位置測定装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7042561B1 (en) 1998-11-10 2006-05-09 Damalini Ab Device and method for alignment
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CN113441479A (zh) * 2020-03-25 2021-09-28 中移(上海)信息通信科技有限公司 激光清洗装置和设备

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