JP2004325373A - 距離測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】測定対象物0に対して測定信号を発信した時にカウンタ手段13にスタート信号を発信し、測定対象物から反射された測定信号を受信した時にカウンタ手段にストップ信号を発信し、ストップ信号が発せられた時に、クロック信号発生手段1によって発生したクロック信号及びN個のクロック信号遅延手段2によって発生したクロック信号のうち、最も近いクロック信号の立上りまたは立下りを認識し、カウンタ手段によるスタート信号受信時からストップ信号受信時までのカウント値を補正して測定対象物までの距離を測定する。これによって、クロック信号発生手段によって発生したクロック信号をカウンタ手段でカウントする場合に比較してN倍の測定精度を得る。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、距離測定装置に関し、特に、パルス状のレーザ光を測定対象物に照射した時刻と、測定対象物から反射したレーザ光を検知した時刻との時間差を検出して測定対象物までの距離を測定する距離測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
測定対象物にレーザ光を照射し、その反射光を受光するまでの時間を測定することにより、測定対象物までの距離を算出する技術が種々存在する。
【0003】
例えば、特許文献1に記載の距離測定装置は、レーザ光の発光によってスタート信号を与え、対象物からの反射レーザ光を受光した時点でストップ信号を与え、この間の時間を、例えば10個のカウンタでカウントする。ここで、各カウンタは、複数のクロックのクロックパルスに従ってカウントし、これらのクロックは、一定の位相差を有し、その位相差の総和は、クロック周期T1に略々等しく設定されている。このため、ストップ信号が与えられた時点での各カウント値にもずれが生じ、各カウント値を平均化処理することによって、クロック周期T1の1/10の分解能と同様の計測結果を得ることができ、安価で高性能の距離測定装置を提供することができる。
【0004】
また、特許文献2に記載の距離測定装置は、高周波のカウンタを使用せず、広範囲、高精度の距離測定を可能にするため、レーザダイオードなどの発光素子からレーザ光を照射し、測定対象物からの反射光をフォトダイオードなどの受光素子で受光して電気信号に変換し、このレーザ光の発光から受光までの時間を計測することにより、測定対象物までの距離を算出するにあたって、レーザ光の照射が検出されると同時に、デジタルカウンタへクロックパルスを入れ、レーザ光の照射が検出されてから、最初のクロックパルスがデジタルカウンタに入りデジタルカウンタが計数を開始するまでの間の時間を積分器などを使用したアナログ回路で測定している。
【0005】
【特許文献1】
特開平7−294642号公報
【0006】
【特許文献2】
特開2001−83250号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献1に記載の距離測定装置では、分解能を向上させると多数のカウンタが必要になるという問題があった。また、特許文献2に記載の距離測定装置では、反射パルス受信タイミングとクロックパルスの立上りまでの時間を計測する終端積分器による測定結果を、デジタルカウンタによる計数結果と同時にマイクロコンピュータへ送信し、マイクロコンピュータで最終的な測距データを算出処理するため、処理が複雑になるとともに、マイクロコンピュータを使用するため、消費電力が大きくなるという問題があった。
【0008】
そこで、本発明は、上記従来の距離測定装置における問題点に鑑みてなされたものであって、多数のカウンタを必要とすることなく、また、取得データのデジタル化やCPUなどによる複雑な処理を行うことなく、低電力で、高精度の距離測定を可能にする距離測定装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、距離測定装置であって、測定対象物に対して測定信号を発信する測定信号発信手段と、該測定対象物で反射された、前記測定信号発信手段から発せられた測定信号を受信する測定信号受信手段と、前記測定信号発信手段による測定信号の発信から前記測定信号受信手段による前記測定信号の受信までに要する時間に基づいて、前記測定対象物までの距離を算出する距離算出手段とを備え、該距離算出手段は、クロック信号を発生させるクロック信号発生手段と、該クロック信号発生手段によって発生したクロック信号に複数の異なる遅延時間を持たせた信号を発生させる複数のクロック信号遅延手段と、スタート信号が与えられてからストップ信号を与えられるまでの、前記クロック信号発生手段によって発生したクロック信号のクロック数をカウントして出力するカウンタ手段と、前記測定信号発信手段が測定対象物に対して測定信号を発信した時に前記カウンタ手段に前記スタート信号を発信するスタート信号発信手段と、前記測定信号受信手段が前記測定対象物から反射された測定信号を受信した時に前記カウンタ手段に前記ストップ信号を発信するストップ信号発信手段と、該ストップ信号発信手段によって発信されたストップ信号が発せられた時に、前記クロック信号発生手段によって発生したクロック信号及び前記クロック信号遅延手段によって発生した複数のクロック信号のうち、最も近いクロック信号の立上りまたは立下りを認識するとともに、該最も近いクロック信号を特定するクロック信号特定手段とを備え、前記カウンタ手段によるカウント値と、前記特定されたクロック信号と前記クロック信号発生手段で発生したクロック信号の遅延時間とに基づいて前記測定対象物までの距離を算出することを特徴とする。
【0010】
そして、本発明によれば、ストップ信号が発せられた時に、クロック信号発生手段によって発生したクロック信号及びN個のクロック信号遅延手段によって発生したクロック信号のうち、最も近いクロック信号の立上りまたは立下りを認識することにより、クロック信号発生手段によって発生したクロック信号をカウンタ手段でカウントする場合に比較して、N倍の測定精度を得ることができる。また、従来のように、多数のカウンタを必要とすることもない。
【0011】
前記クロック信号特定手段は、前記ストップ信号をラッチする複数のフリップフロップと、該複数のフリップフロップのいずれかがストップ信号をラッチしたときに後段のフリップフロップにラッチ信号を出力するOR回路とを含むようにすることができる。これによって、ストップ信号が発せられた時に、最も近いクロック信号の立上りまたは立下りを有するクロック信号を特定することができ、構成が簡単で低消費電力の距離測定装置を提供することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【0013】
図1は、本発明にかかる距離測定装置の一実施の形態を示し、この距離測定装置は、クロック発生器1と、ディレイライン(1〜N)2と、パルス発生部3と、レーザ光発生部4と、送光光学系5と、受光光学系6と、検知器7と、フリップフロップ回路(FF0〜N−1,2)8と、ORゲート9と、フリップフロップ(FF)10と、2N→Nエンコーダ11と、下位レジスタ12と、測距カウンタ13と、上位レジスタ14とで構成される。
【0014】
クロック発生器(クロック信号発生手段)1は、測距対象物0に対して照射するパルスレーザ光の発生及び照射した時刻から受光信号の受信時刻までの時間を測定する各種クロック信号を発生する。
【0015】
クロック信号遅延手段としてのディレイライン(1〜N)2は、クロック発生器1により発生した「サンプルクロック信号0」にN通りの遅延時間を与える。「サンプルクロック0」の周期をTとすると、ディレイライン(1〜N)2は、各々T×N/(N+1)の遅延時間を持つ。ここで、ディレイライン数Nは、必要な測距分解能に応じて決定する。サンプルクロック0〜Nは、各々後述するクロック信号特定手段を構成するフリップフロップ回路(FF0〜N−1,2)8のラッチタイミングを与える。
【0016】
パルス発生部3は、クロック発生器1からのクロック信号に基づき、レーザ光発生部4のレーザ発生に必要なレーザ発射制御信号を生成すると同時に、測距カウンタ13(カウンタ手段)のクリア信号を発生する。
【0017】
レーザ光発生部4は、サンプルクロック0に同期したレーザ発射制御信号がパルス発生部3より出力されると、パルスレーザを発生し、このレーザは、送光光学系5を通って測距対象物0に向けて照射される。また、レーザ光発生部4は、スタート信号発信手段として機能し、パルス発生タイミングを認識させるスタート信号を測距カウンタ13へ出力する。
【0018】
受光光学系6は、測距対象物0から反射される信号を受信して検知器7に導く。検知器7は、光による微弱な入力信号を電気信号に変換した後、ストップ信号発信手段として、受信信号がピーク値となるタイミングを知らせるストップ信号を測距カウンタ13及びフリップフロップ回路(FF0〜N−1)8へ出力する。
【0019】
図2に、レーザ送受信タイミングと測距対象区間を示す。測距カウンタ13は、スタート信号からストップ信号までの間、サンプルクロック0の立上り毎にカウントを行い、その結果を上位レジスタ14に登録する。この時、レーザ発射制御信号及び発射されるパルスレーザは、サンプルクロック0に同期し、常に固定値となる。求める測定対象距離は、レーザ送信時刻から受信信号がピークとなる時刻までであり、ストップ信号により測距カウンタ13が計数をストップした最後のサンプルクロック0の立上りから受信信号のピーク値までの時間を後述する方法により測定する。
【0020】
フリップフロップ回路(FF0−1〜FFN−1)8は、サンプルクロック0〜Nの立上りタイミングで順にストップ信号をラッチする。ラッチされた信号は、2段目のフリップフロップ回路(FF0−2〜FFN−2)に各々入り、各サンプルクロックの次回の立上りで再度ラッチされる。本2段構成は、ストップ信号とサンプルクロックが非同期であることにより、初段(FF0−1〜FFN−1)のみではラッチ出力が不確定となるリスクを回避する手段となる。
【0021】
フリップフロップ回路(FF0−2〜FFN−2)は、ラッチ出力を、ORゲート9及びフリップフロップ(FF)10に出力する。
【0022】
ORゲート9は、フリップフロップ回路(FF0−1〜FFN−1)8で使用する素子に比べ、高速動作するものを使用し、フリップフロップ回路(FF0−2〜FFN−2)の中で最初にストップ信号を検出したものが“L”レベルから“H”レベルに変化すると、2番目に“H”レベルに変化するフリップフロップ(FF)のラッチ信号が入力される前に“L”レベルから“H”レベルに変化し、その立上りでフリップフロップ(FF)10に入力されたデータをラッチする。ORゲート9は、1回の送受信サイクルで1回のみ立上りを出力し、最初にストップ信号を検出したものだけが“H”レベルの状態でホールドされる。
【0023】
フリップフロップ(FF)10の出力は、2N→Nエンコーダ11に入る。本エンコーダ11は、2のN乗個ある入力の中で唯一“H”レベルとなっているチャンネルをNビットのエンコード値に変換するものである。
【0024】
図3に、ストップ信号のラッチタイミング(本図では便宜上、サンプルクロック1がストップ信号直後に立上るという前提でタイミングを示した)及びエンコーダ11による測距値検出タイミングを示す。エンコーダ11は、2Nチャンネルの入力(CH0〜CH2N−1)とNビットの出力を持ち、入力チャンネル番号をNビットの信号に変換して出力する。エンコーダ11の出力は、下位レジスタ12に登録され、これを上位レジスタ14に登録されたデータと組み合わせることにより求める測距データが得られる。
【0025】
次に、本発明にかかる距離測定装置の実施例として、ディレイラインが7個で受信信号のピークレベル(ストップ信号の立上り)がサンプルクロック1とサンプルクロック2の立上りの間に入った場合について説明する。
【0026】
図4は、本発明の距離測定装置の一実施例の全体構成を示す。この距離測定装置は、クロック発生器31と、ディレイライン(1〜7)32と、パルス発生部33と、レーザ光発生部34と、送光光学系35と、受光光学系36と、検知器37と、フリップフロップ回路(FF0〜7−1,2)38と、ORゲート39と、フリップフロップ(FF)40と、23→3エンコーダ41と、下位レジスタ42と、測距カウンタ43と、上位レジスタ44とで構成される。
【0027】
クロック発生器31は、測距対象物30に対して照射するパルスレーザ光の発生、及び照射した時刻から受光信号の受信時刻までの時間を測定する各種クロック信号を発生する。
【0028】
ディレイライン(1〜7)32は、クロック発生器31により発生した「サンプルクロック信号0」に7通りの遅延時間を与える。「サンプルクロック0」の周期をTとすると、ディレイライン(1〜7)32は、各々N×T/8(N=1〜7)の遅延時間を持つ。サンプルクロック0〜7は、各々後述するフリップフロップ回路(FF0〜FF7−1,2)38のラッチタイミングを与える。
【0029】
パルス発生部33は、クロック発生器31からのクロック信号に基づいて、レーザ光発生部34のレーザ発生に必要なレーザ発射制御信号を生成すると同時に、測距カウンタ43のクリア信号を発生する。
【0030】
レーザ光発生部34は、サンプルクロック0に同期したレーザ発射制御信号がパルス発生部33より出力されると、パルスレーザを発生し、このレーザは送光光学系35を通って測距対象物30に向けて照射される。また、レーザ光発生部34は、パルス発生タイミングを認識させるスタート信号を測距カウンタ43へ出力する。
【0031】
受光光学系36は、測距対象物30から反射される信号を受信して検知器37に導く。検知器37は、光による微弱な入力信号を電気信号に変換した後、受信信号がピーク値となるタイミングを知らせるストップ信号を測距カウンタ43及びフリップフロップ回路(FF0〜FF7−1)38へ出力する。
【0032】
測距カウンタ43は、スタート信号からストップ信号までの間、サンプルクロック0の立上り毎にカウントを行い、その結果を上位レジスタ44に登録する。この時、レーザ発射制御信号及び発射されるパルスレーザは、サンプルクロック0に同期し、常に固定値となる。求める測定対象距離は、レーザ送信時刻から受信信号がピークとなる時刻までであり、ストップ信号により測距カウンタ43が計数をストップした最後のサンプルクロック0の立上りから受信信号のピーク値までの時間を後述する方法により測定する。
【0033】
フリップフロップ回路(FF0−1〜FF7−1)38は、サンプルクロック0〜7の立上りタイミングで順にストップ信号をラッチする。ラッチされた信号は、2段目のフリップフロップ回路(FF0−2〜FF7−2)に各々入り、各サンプルクロックの次回の立上りで再度ラッチされる。本2段構成は、ストップ信号とサンプルクロックが非同期であることにより、初段(FF0−1〜FF7−1)のみではラッチ出力が不確定となるリスクを回避する手段となる。
【0034】
フリップフロップ回路(FF0−2〜FF7−2)は、ラッチ出力を、ORゲート39及びフリップフロップ(FF)40に出力する。
【0035】
ORゲート39は、フリップフロップ回路(FF0−1〜FF7−1)38で使用する素子に比べ、高速動作するものを使用し、フリップフロップ回路(FF0−2〜FF7−2)の中で最初にストップ信号を検出したものが“L”レベルから“H”レベルに変化すると、2番目に“H”レベルに変化するフリップフロップ(FF)のラッチ信号が入力される前に“L”レベルから“H”レベルに変化し、その立上りでフリップフロップ(FF)40に入力されたデータをラッチする。ORゲート39は、1回の送受信サイクルで1回のみ立上りを出力し、最初にストップ信号を検出したものだけが“H”レベルの状態でホールドされる。
【0036】
フリップフロップ(FF)40の出力は、23→3エンコーダ41に入る。本エンコーダ41は、2の3乗個ある入力の中で唯一“H”レベルとなっているチャンネルを3ビットのエンコード値に変換するものである。
【0037】
図5に、ストップ信号のラッチタイミング(サンプルクロック2がストップ信号直後に立上るという前提でタイミングを示した)及びエンコーダ41による測距値検出タイミングを示す。エンコーダ41は、8チャンネルの入力(CH0〜CH7)と3ビットの出力を持ち、入力チャンネル番号を3ビットのコードに変換して出力する。例えば、CH0が“H”となれば出力コードは“000”に、本例のようにCH2が”H”となれば出力コードは“010”となる。エンコーダ41の出力は、下位レジスタ42に登録され、これを上位レジスタ44に登録されたデータと組み合わせることにより求める測距データが得られる。
【0038】
尚、上記実施例においては、測距カウンタ13、43は、スタート信号からストップ信号までの間、サンプルクロック0の立上り毎にカウントを行うとともに、測定対象までの距離を算出する際などにおいて、ストップ信号により測距カウンタ13、43が計数をストップした最後のサンプルクロック0の立上りから受信信号のピーク値までの時間を測定していたが、サンプルクロック0の立下り毎にカウントを行い、最後のサンプルクロック0の立下りから受信信号のピーク値までの時間を測定してもよい。また、フリップフロップ回路(FF0−1〜FFN−1)8、38によってストップ信号をラッチする場合にも、サンプルクロック0〜Nの立下がりタイミングで順にラッチしてもよい。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、多数のカウンタが不要で、取得データのデジタル化やCPUなどによる複雑な処理も不要で、低電力で、高精度の距離測定を可能にする距離測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる距離測定装置の一実施の形態を示す全体構成図である。
【図2】図1の距離測定装置のレーザ送受信タイミングと測距対象区間の説明図である。
【図3】図1の距離測定装置のストップ信号のラッチタイミングとエンコーダ出力タイミングの説明図である。
【図4】本発明にかかる距離測定装置の一実施例を示す全体構成図である。
【図5】図4の距離測定装置のストップ信号のラッチタイミングとエンコーダ出力タイミングの説明図である。
【符号の説明】
0 測距対象物
1 クロック発生器
2 ディレイライン(1〜N)
3 パルス発生部
4 レーザ光発生部
5 送光光学系
6 受光光学系
7 検知器
8 フリップフロップ回路(FF0〜N−1,2)
9 ORゲート
10 フリップフロップ(FF)
11 2N→Nエンコーダ
12 下位レジスタ
13 測距カウンタ
14 上位レジスタ
30 測距対象物
31 クロック発生器
32 ディレイライン(1〜7)
33 パルス発生部
34 レーザ光発生部
35 送光光学系
36 受光光学系
37 検知器
38 フリップフロップ回路(FF0〜7−1,2)
39 ORゲート
40 フリップフロップ(FF)
41 23→3エンコーダ
42 下位レジスタ
43 測距カウンタ
44 上位レジスタ
Claims (2)
- 測定対象物に対して測定信号を発信する測定信号発信手段と、
該測定対象物で反射された、前記測定信号発信手段から発せられた測定信号を受信する測定信号受信手段と、
前記測定信号発信手段による測定信号の発信から前記測定信号受信手段による前記測定信号の受信までに要する時間に基づいて、前記測定対象物までの距離を算出する距離算出手段とを備え、
該距離算出手段は、
クロック信号を発生させるクロック信号発生手段と、
該クロック信号発生手段によって発生したクロック信号に複数の異なる遅延時間を持たせた信号を発生させる複数のクロック信号遅延手段と、
スタート信号が与えられてからストップ信号を与えられるまでの、前記クロック信号発生手段によって発生したクロック信号のクロック数をカウントして出力するカウンタ手段と、
前記測定信号発信手段が測定対象物に対して測定信号を発信した時に前記カウンタ手段に前記スタート信号を発信するスタート信号発信手段と、
前記測定信号受信手段が前記測定対象物から反射された測定信号を受信した時に前記カウンタ手段に前記ストップ信号を発信するストップ信号発信手段と、
該ストップ信号発信手段によって発信されたストップ信号が発せられた時に、前記クロック信号発生手段によって発生したクロック信号及び前記クロック信号遅延手段によって発生した複数のクロック信号のうち、最も近いクロック信号の立上りまたは立下りを認識するとともに、該最も近いクロック信号を特定するクロック信号特定手段とを備え、
前記カウンタ手段によるカウント値と、前記特定されたクロック信号と前記クロック信号発生手段で発生したクロック信号の遅延時間とに基づいて前記測定対象物までの距離を算出することを特徴とする距離測定装置。 - 前記クロック信号特定手段は、
前記ストップ信号をラッチする複数のフリップフロップと、
該複数のフリップフロップのいずれかがストップ信号をラッチしたときに後段のフリップフロップにラッチ信号を出力するOR回路とを含むことを特徴とする請求項1記載の距離測定装置。
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