JP2005055310A - Calibration method of scanner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、距離センサと回転ミラーを組み合わせて対象物の形状を計測するスキャナ装置に関し、特にスキャナ装置のキャリブレーション方法に関する。 The present invention relates to a scanner device that measures the shape of an object by combining a distance sensor and a rotating mirror, and more particularly to a calibration method for the scanner device.
対象物の形状を計測する手段として、光の伝搬時間から距離を計測する距離センサと回転ミラーとを組み合わせたスキャナ装置が用いられる。これらは、物体の形状計測や移動ロボットの障害物センサなどに用いられている（例えば、特許文献１や非特許文献１参照）。
このスキャナ装置の構成例を図４に示す。距離センサ１は、レーザパルス光を対象物に照射しその反射光を検出して、照射から検出までの間のレーザパルス光の伝搬時間から対象物との距離を計測するセンサである。この距離センサ単体では対象物上の１点のみしか計測できないため、対象物の形状情報を得るためにレーザ光の進路上にミラー２を設置し、ミラー２を回転させレーザ光３を対象物４上に走査して対象物４の表面上の位置を計測している。
As a means for measuring the shape of an object, a scanner device in which a distance sensor that measures a distance from light propagation time and a rotating mirror is used is used. These are used for object shape measurement, obstacle sensors for mobile robots, and the like (for example, see
A configuration example of this scanner device is shown in FIG. The
ここでミラー２の回転軸を原点とし、距離センサ１からミラー２までのレーザ光３の進路をＸ軸とし、Ｘ軸に対する鉛直方向をＹ軸とする２次元の座標系を設定する。レーザ光３の照射方向とＹ軸とのなす角度をθ、距離センサ１の計測値をＲ、距離センサ１の先端からミラー２の回転軸までの距離をｄとすると、対象物４上のレーザ光３の照射点の座標は
Here, a two-dimensional coordinate system is set in which the rotation axis of the
（(R-ｄ)sinθ，(R-ｄ)cosθ） ・・・（１） ((R-d) sinθ, (R-d) cosθ) (1)
となる。ミラー２を回転することで、レーザ光３の照射方向θが変化し対象物４の表面上の点の座標が得られるため、対象物４の形状情報が得られる。この情報を利用して形状を計測したり障害物の位置検出を行ったりする。
It becomes. By rotating the
式（１）による対象物上の点の計測において、距離センサ１の先端からミラー２の回転軸までの距離ｄは通常、設計値を用いるが、実際にはスキャナ装置の組み立て時のメカ的な誤差があるため、ｄが設計値どおりにならず計測に誤差が生じてしまう。この誤差は、移動ロボットで障害物の有無を検出する用途等では問題とならないが、対象物までの距離を正確に求めたい場合や対象物の形状を高精度で計測したい場合には問題となる。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、距離センサからミラーの回転軸までの距離を同定するキャリブレーション方法を提供するものである。
In the measurement of the point on the object according to the equation (1), the distance d from the tip of the
The present invention has been made in view of such problems, and provides a calibration method for identifying a distance from a distance sensor to a rotation axis of a mirror.
上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、対象物に光を照射し、前記対象物からの反射光を検出してその伝搬時間から前記対象物までの距離を計測する距離センサと、前記距離センサの照射する光の進路上に設置され前記光の進行方向を変更する回転ミラーとを備えたスキャナ装置のキャリブレーション方法において、
形状が既知である対象物に対してスキャンを行い、その際の前記距離センサの計測距離と、前記回転ミラーによる光の照射角度とから前記対象物上の３点以上について計測を行い座標位置を計算し、前記３点以上の計測点を繋いだ線を前記対象物の形状に近似して、前記対象物の形状との偏差を算出し、前記偏差が最小となるように前記距離センサから前記回転ミラーの回転軸までの距離を同定することを特徴とするスキャナ装置のキャリブレーション方法である。
また、請求項２に記載の発明は、前記形状が既知である対象物が平面形状の断面を有した形状であり、前記近似が直線近似となることを特徴とするスキャナ装置のキャリブレーション方法である。
さらに、請求項３に記載の発明は、前記形状が既知である対象物が円弧形状の断面を有した形状であり、前記近似が円近似となることを特徴とするスキャナ装置のキャリブレーション方法である。
In order to solve the above problem, the present invention is as follows.
The invention according to
The object having a known shape is scanned, and the coordinate position is measured by measuring three or more points on the object from the measurement distance of the distance sensor at that time and the light irradiation angle by the rotating mirror. Calculating, approximating a line connecting the three or more measurement points to the shape of the object, calculating a deviation from the shape of the object, and from the distance sensor so that the deviation is minimized A scanner apparatus calibration method characterized by identifying a distance to a rotation axis of a rotary mirror.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a calibration method for a scanner device, wherein the object whose shape is known is a shape having a planar cross section, and the approximation is a linear approximation. is there.
Further, the invention according to
請求項１に記載の発明によると、予め形状の分かった物体を利用することで、距離センサとミラーとの距離を同定することができるため、スキャナ装置の計測精度の向上が実現できる。また請求項２に記載の発明によると、室内の壁などの平面部を利用することで容易にスキャナ装置のキャリブレーションを実施できる。さらに請求項３に記載の発明によると、円柱などを利用することで容易にスキャナ装置のキャリブレーションを実施できる。
According to the first aspect of the present invention, since the distance between the distance sensor and the mirror can be identified by using an object whose shape is known in advance, the measurement accuracy of the scanner device can be improved. According to the second aspect of the invention, the scanner device can be easily calibrated by using a flat portion such as an indoor wall. Furthermore, according to the invention described in
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１に本発明の実施例１の処理ブロック図を示す。最初に、壁などの平面形状をスキャナ装置で計測する。このときの距離センサの計測値とミラーの回転角度をメモリに記憶する（処理１０）。次に適当な値をｄの初期値とし（処理１１）、式（１）からレーザ光の照射点の座標Ｘ、Ｙを計算する（処理１２）。得られた座標を直線近似しそのときの偏差を求める（処理１３）。上記の処理１２、１３をｄの値を増減させながら実行し（処理１４、１６）、偏差が最小となるｄの値を求める（処理１５）。求まったｄが誤差を含んだ距離センサとミラーの回転軸との実際の距離の推定値である。
FIG. 1 shows a processing block diagram of
図２に実施例１の原理図を示す。距離センサ１とミラー（図示せず）の組合せによって平面対象物５の形状を計測する。距離センサ１と平面対象物５は平行に配置されているとし、ミラーの回転軸は点Ｂにあるとする。またレーザ光が平面対象物５に対し垂直に照射されたときを照射角度０°とする。
レーザ光は照射角度が−４５°のとき３０に示すＡＢＣの軌跡をたどる。同様に照射角度が０°のときで３１に示すＡＢＤの軌跡，照射角度４５°で３２に示すＡＢＥの軌跡となる。ここでＢＤの距離を１０ｍ、距離センサから回転ミラーまでの距離ＡＢを１ｍ、照射角度をθとすると、照射角度θと距離センサ１の計測値Ｒは図５のようになる。
θ、Ｒおよびｄが分かれば式（１）によりＸＹ座標を計算できるが、距離センサ先端からミラーの回転軸までの実際の距離ｄ（図中の線分ＡＢ）が設計値と異なっていると誤差が生じる。いま設計上の距離センサの位置を点線で示した１’とし、設計上のｄの値を２ｍとする。この値を式（１）に代入して座標を計算すると、図４における点Ｃ’，Ｄ’，Ｅ’の位置となり実際の位置より短く、しかもこれらを繋いだ線６は、図２で示すように直線とはならない。本発明では、ｄを変えながら式（１）により座標を計算し、それらを直線近似したときの偏差が最小となるｄを求めている。
FIG. 2 shows a principle diagram of the first embodiment. The shape of the
The laser beam follows the ABC trajectory shown at 30 when the irradiation angle is −45 °. Similarly, when the irradiation angle is 0 °, an ABD locus shown by 31 is obtained, and when the irradiation angle is 45 °, an ABE locus shown by 32 is obtained. Here, when the distance of BD is 10 m, the distance AB from the distance sensor to the rotating mirror is 1 m, and the irradiation angle is θ, the irradiation angle θ and the measured value R of the
If θ, R, and d are known, the XY coordinates can be calculated by Equation (1). However, if the actual distance d from the tip of the distance sensor to the rotation axis of the mirror (the line segment AB in the figure) is different from the design value. An error occurs. Assume that the position of the designed distance sensor is 1 ′ indicated by a dotted line, and the designed d value is 2 m. When the coordinates are calculated by substituting this value into the equation (1), the positions of the points C ′, D ′, E ′ in FIG. 4 become the positions shorter than the actual positions, and the line 6 connecting them is shown in FIG. It will not be a straight line. In the present invention, coordinates are calculated according to the equation (1) while changing d, and d that minimizes the deviation when they are linearly approximated is obtained.
以下、偏差の求め方について説明する。
適当なｄに対して式（１）によって計算した座標を
Hereinafter, how to obtain the deviation will be described.
The coordinates calculated by equation (1) for the appropriate d
（xi, yi） i = 1,2,…,n ・・・（２） (Xi, yi) i = 1,2, ..., n (2)
とする。これらの点に直線を当てはめることになるが、ここでは各点から直線までの距離の２乗和が最小となる直線を求め、偏差はそのときの距離の２乗和とした。具体的には、上記座標点の重心の位置を (ax, ay)とする。ax, ayは x座標、y座標の平均値であり And A straight line is applied to these points. Here, a straight line that minimizes the sum of squares of the distance from each point to the straight line is obtained, and the deviation is the sum of squares of the distance at that time. Specifically, the position of the center of gravity of the coordinate point is (ax, ay). ax and ay are the average values of x and y coordinates
ax = Σxi/n ・・・（３）
ay = Σyi/n ・・・（４）
ax = Σxi / n (3)
ay = Σyi / n (4)
となる。ここでΣはiが１からｎまでの和である。この重心の位置を原点として新しい座標を(Xi, Yi) i=1,..nとする。この座標変換は、 It becomes. Here, Σ is the sum of i from 1 to n. The new coordinates are (Xi, Yi) i = 1,. This coordinate transformation is
Xi = xi - ax ・・・（５）
Yi = yi - ay ・・・（６）
Xi = xi-ax (5)
Yi = yi-ay (6)
である。このとき、偏差は次の行列の小さい方の固有値となる。 It is. At this time, the deviation is the smaller eigenvalue of the following matrix.
以上の方法により、図２の例でｄの値を０〜２ｍの範囲で変えたときの偏差を計算した結果を図６に示す。なお、この偏差は照射角度θが―４５°、０°、４５°の時の３点の計測点をもとに計算したものである。
この例で分かるように、ｄ＝１ｍの時に偏差が最も小さくなっており、これによって実際のｄの値が推定できる。このように本実施例では、平面形状の対象物に対する計測データから加工誤差や組み立て誤差によって設計値からのズレが生じた距離センサとミラーの回転軸との距離を同定する手法を提供している。
FIG. 6 shows the result of calculating the deviation when the value of d is changed in the range of 0 to 2 m in the example of FIG. 2 by the above method. This deviation is calculated based on three measurement points when the irradiation angle θ is −45 °, 0 °, and 45 °.
As can be seen from this example, when d = 1 m, the deviation is the smallest, so that the actual value of d can be estimated. As described above, the present embodiment provides a method for identifying the distance between the distance sensor in which the deviation from the design value is caused by the processing error or the assembly error from the measurement data for the planar object and the rotation axis of the mirror. .
図３は本発明の第２実施例の構成を示す図である。ここでは、計測対象物として円柱体６を用いる。ただし、円柱体６の軸方向とミラーの回転軸方向は平行になるようにしておく。実施例１と同様にスキャナ装置で円柱体６を計測し、その結果を円弧で近似すると、距離センサとミラーとの間の距離に誤差が含まれない場合は円となるが、誤差が含まれると円とはならない。そこで、得られた計測データを円近似して、その偏差を指標として、距離センサとミラーの回転軸との距離を同定することができる。 FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the second embodiment of the present invention. Here, the cylindrical body 6 is used as the measurement object. However, the axial direction of the cylindrical body 6 and the rotation axis direction of the mirror are made parallel. When the cylindrical body 6 is measured by the scanner device as in the first embodiment and the result is approximated by a circular arc, if the distance between the distance sensor and the mirror does not include an error, a circle is formed, but the error is included. And not a circle. Therefore, the obtained measurement data is approximated by a circle, and the distance between the distance sensor and the rotation axis of the mirror can be identified using the deviation as an index.
このように、平面形状に限らず形状が既知である対象物を計測し、その形状からの偏差を評価値として用いることで、距離センサとミラーの回転軸との実際の距離を同定することができる。この方法により、キャリブレーション用の装置がないような現場でもスキャナ装置の調整等を実施することができる。 In this way, it is possible to identify an actual distance between the distance sensor and the rotation axis of the mirror by measuring an object having a known shape as well as a planar shape and using the deviation from the shape as an evaluation value. it can. By this method, it is possible to adjust the scanner device even at a site where there is no calibration device.
本発明によって容易にスキャナ装置の計測精度を向上することができるので、高精度の計測が要求される用途にも適用できる。 Since the measurement accuracy of the scanner device can be easily improved by the present invention, it can be applied to applications that require high-precision measurement.
１ 距離センサ
２ 回転ミラー
３ レーザ光
４ 対象物
５ 平面形状の対象物
６ ｄに誤差があるときの計測形状
７ 円柱体の対象物
１０〜１６ 処理ブロック
３０ 照射角度−４５°のレーザ光
３１ 照射角度０°のレーザ光
３２ 照射角度４５°のレーザ光
DESCRIPTION OF
Claims (3)
形状が既知である対象物に対してスキャンを行い、その際の前記距離センサの計測距離と、前記回転ミラーによる光の照射角度とから前記対象物上の３点以上について計測を行って座標位置を計算し、前記３点以上の計測点を繋いだ線を前記対象物の形状に近似して、前記対象物の形状との偏差を算出し、前記偏差が最小となるように前記距離センサから前記回転ミラーの回転軸までの距離を同定することを特徴とするスキャナ装置のキャリブレーション方法。 A distance sensor that irradiates light to the object, detects reflected light from the object and measures the distance from the propagation time to the object, and is installed on the path of the light emitted by the distance sensor In a calibration method of a scanner device comprising a rotating mirror that changes the traveling direction of light,
Coordinate positions are obtained by scanning an object having a known shape and measuring at least three points on the object from the measurement distance of the distance sensor and the light irradiation angle by the rotating mirror. And approximating a line connecting the three or more measurement points to the shape of the object, calculating a deviation from the shape of the object, and from the distance sensor so that the deviation is minimized. A method for calibrating a scanner device, comprising: identifying a distance to a rotation axis of the rotating mirror.
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