JP2006030147A - 環境認識システムおよび移動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】
測距ターゲットが移動しているときや測距システムが移動しているときでも、正確に測距ターゲットを認識する。
【解決手段】
環境認識システム１は、変調されたビーム１０２を用いて相対的に移動する物体２を認識する。ビーム発射手段１２は、ビームを発射する。ビーム走査手段１３は、ビームを走査する。物体からの反射ビームをビーム受信手段が１６検出する。ビーム受信手段が受信した信号に基づいて距離画像を距離計測手段１７が取得する。距離計測手段が取得した複数の画像を比較して距離画像に含まれる物体の歪みを歪み除去手段が除去する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、周囲環境を自動的に認識する環境認識システムおよびそれを用いた移動機構に係り、特に、レーザビームを用いて周囲環境における物体を認識する環境認識システムおよびそれを用いた移動機構に関する。

従来の測距システムの例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の測距方法においては、所定の周波数を有する第１のＰＮ符号により符号変調された搬送波を測距ターゲットに発信し、ターゲットから反射された搬送波を受信している。そして第１のＰＮ符号と同一符号で微小に異なる周波数を有する第２のＰＮ符号を作成する。第１、第２のＰＮ符号の相関から第１のバースト状相関信号を、搬送波と第２のＰＮ信号から第２のバースト状相関信号を求め、これらの位相差および第１、第２のバースト状信号を積分した信号の位相差から、ターゲットまでの距離を求めている。

測距装置の他の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載の測距装置では、送信信号発生部が所定チップ長のＰＮ符号を発生し、発光部がＰＮ符号に対応したレーザ光を出射する。ターゲットからの反射波を受光部が受光し、２値化した後ＰＮ符号との相関を取り、距離測定している。その際受信信号から直流分および低周波信号を除去するとともに、送信信号発生部は、受光部が受信してから安定した受信信号を出力するまでＰＮ符号を発生している。

特開２００２−３６８７２０号公報

特開２００２−５５１５８号公報

従来の測距システムでは、レーザを機械的に走査しなければならず、測距ターゲットまでの距離を検出するのに時間がかかり、この測距ターゲットが移動しているときには見落とすおそれがあった。また、測距ターゲットが移動中であったり、測距ターゲットが移動中の物体内にあるときは、検出した測距ターゲット形状が歪んでいる恐れがあった。このため、測距ターゲットが高速に移動していたり、逆に測距システムが高速に移動しているときには、正確に周囲環境を把握することが困難である。また、上記特許文献１または２に記載の測距装置ではたしかに測定した信号の処理については詳述されているものの、上記従来技術の有する不具合を解決することについては何ら考慮されていない。

本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は測距ターゲットが移動しているとき、または測距システムが移動しているときでも、正確に測距ターゲットを認識することにある。本発明の他の目的は、高速に移動する移動体であっても確実に環境認識システムが捕捉することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、変調したビームを用いて相対的に移動する物体を認識する環境認識システムにおいて、ビームを発射するビーム発射手段と、ビームを走査するビーム走査手段と、物体からの反射ビームを検出するビーム受信手段と、このビーム受信手段が受信した信号に基づいて距離画像を取得する距離計測手段と、この距離計測手段が取得した複数の画像を比較して距離画像に含まれる物体の歪みを除去する歪み除去手段とを備えたものである。

そしてこの特徴において、距離画像に含まれる複数の測定点の測定間隔を変更する手段を備えるのが好ましい。測定間隔を変更する手段は、初めに大きな間隔で距離画像全域に測定位置を設定し、この大間隔で測定した距離画像中に相対的に移動する物体を検出したら、その物体を含む近傍についてそれまでの間隔よりも小間隔に測定位置を定めるものであってもよく、距離画像の中央部で測定位置間隔を狭くし、周囲部で測定位置間隔を広くするものでもよい。

また上記目的を達成する本発明の他の特徴は、上記特徴を有する環境認識システムを搭載し、物体に対し相対的に移動可能であり、ビームがレーザ光である移動機構である。

上記目的を達成する本発明のさらに他の特徴は、ビーム発信器と、このビーム発信器から発信されたビームを走査するビーム走査器と、このビーム操作器を制御する操作制御手段と、ビームを受信するビーム受信器と、ビーム発信器がビームを発信してからビーム受信器がビームを受信するまでの経過時間を測定する手段と、この測定された経過時間に基づいて相対的に移動する物体までの距離を測定する距離計測手段とを備える環境認識システムにおいて、距離計測手段が測定した形状情報から物体の位置を検出する移動物体検出手段を設け、走査制御手段に、標準走査領域を走査する標準走査モードと移動物体検出手段が検出した物体の位置を含む標準走査領域の中の部分走査領域を走査する部分走査モードとを切り換える手段を設けるものである。

そしてこの特徴において、相対的に移動する物体の速度を検出する移動物体速度検出手段と、この移動物体速度検出手段が検出した物体の相対速度に基づいて、距離計測手段が測定した形状情報を補正する形状補正手段とを設けるのが好ましく、ビーム発信器が発信するビームを変調する擬似ノイズ信号を発生する変調信号発生手段を設け、距離計測手段に、変調信号発生手段が発生した変調信号を異なる所定の遅延時間だけ遅延させた遅延変調信号とビーム受信器が受信した受信信号との相関を演算する複数の相関器と、この複数の相関器の中から、それぞれの相関器に設定した閾値よりも出力が大きくかつ遅延時間が最小である一の相関器を選択する選択手段と、この選択手段が選択した一の相関器の出力とこの一の相関器の遅延時間に最も近い遅延時間を有する他の相関器の出力とに基づいて物体までの距離を算出する距離算出手段を設けるのが好ましい。

上記目的を達成するさらに他の特徴は、周囲の物体の形状情報を取得する環境認識システムを搭載し、この環境認識システムが取得した周囲環境の距離画像に基づいて移動経路を制御する移動機構において、環境認識システムは、取得する距離画像において、この移動機構の移動方向である中心部分領域について、周辺部分領域よりも細かい間隔で距離情報を取得するものである。そして、移動機構の移動速度を検出する速度検出手段を設け、環境認識システムにこの速度検出手段が検出した移動機構の移動速度に基づいて距離画像を補正する形状補正手段を設けるのが好ましい。

本発明によれば、ビームを変調して反射させ反射したビームから距離画像を形成し、この距離画像に含まれる歪みを歪み補正手段で補正するので、測距ターゲットが移動しているとき、または測距システムが移動しているときでも、正確に測距ターゲットを認識できる。

以下、本発明に係る環境認識システムの一実施例を、図面を用いて説明する。図１は、環境認識システムのブロック図である。環境認識システム１は、変調信号１０１を発生する変調信号発生器１１を有する。レーザ発信器１２は、発生した変調信号１０１を用いて変調されたレーザビーム１０２を発信する。変調されたレーザビーム１０２は、ミラー駆動装置１４が駆動する可動ミラー１３により向きを偏向させられ、走査される。可動ミラー１３の角度は、ミラー角度センサ１８で検出される。

レーザ発信器１２から出射されたレーザビーム１０３は、測距ターゲットである外部の物体２に反射して反射光１０４となる。この反射光１０４は、ビームスプリッタ１５で出射光１０３等と分離される。分離されたたレーザビーム１０５は、レーザ受信器１６で受信される。レーザ受信器１６から出力される受信信号１０６は、距離計測回路１７に送信される。距離計測回路１７には、変調信号発生器１１が発生した変調信号１０１も入力されている。距離計測回路１７は、変調信号１０１とレーザ受信器１６の受信信号１０６とから、物体２までの距離１０８を計測する。この測定結果は、計測制御装置１９に送られる。計測制御装置１９はミラー駆動装置１４のような本システム構成する各機器を制御する。

各構成部品の詳細は、以下のとおりである。矩形状の可動ミラー１３は、中心部に位置する矩形の可動ミラー３１と、この可動ミラー３1との間に間隙をもって配置された第１の枠体１３ａと、この第１の枠体１３ａとさらに間隙をもって配置された第２の枠体１３ｂとを有する。可動ミラー３１の対向する２辺と、その辺に対向する第１の枠体１３ａの辺間にねじりバネ３２を配置し、可動ミラー３１を第１の枠体１３ａが回動可能に支持する。

第１の枠体１３ａの外側の辺であって、可動ミラー３1が第１の枠体１３ａに支持される辺に直交する方向の辺と，この辺に対向する第２の枠体１３ｂの辺２箇所間にばね３３を配置し、第１の枠体１３ａを第２の枠体１３ｂが回動可能に支持する。可動ミラー１３は、電磁力または静電力によりこの可動ミラー３１を駆動する図示しない駆動機構を有する。そして、電気的に可動ミラー３１の角度を、縦および横の２方向に自由に変化させる。

可動ミラー１３は、微細デバイス技術（ＭＥＭＳ）を用いて製作される。可動ミラー３１の一辺は、１０ｍｍ以下に形成されている。可動ミラー３１を小型化したので、可動ミラー３１の慣性質量が低減され、ミラー触れ角度を高速に変化させることが可能となり、レーザビーム１０３を高速に走査することができる。

計測制御装置１９はレーザビーム１０３の走査領域を制御するために、ミラー触れ角度をミラー駆動装置１４に指示する。ミラー駆動装置１４は、ミラー角度センサ１８が検出した可動ミラー３1の検出角度を参照して、計測制御装置１９からの指示に応じて可動ミラー３１を駆動する。変調信号１０１が変調したレーザビーム１０３は、可動ミラー３１により曲げられ、物体２を含む領域に照射される。そして、物体２で反射されてレーザ受信機１６に到達し、受信信号１０６に変換される。距離計測装置１７は、変調信号１０１と受信信号１０６との差時間である遅れ時間から、環境認識システム１から物体２までの距離１０８を求める。計測制御装置１９は、距離計測装置１７が求めた物体２までの距離の２次元情報から、走査領域における物体２の形状情報を取得する。

図２に、図１に示した環境認識システム1を搭載した移動機構３の側面図を断面図で示す。移動機構３は、前側および後ろ側に配置され、モータ４１により駆動される複数の車輪４５と、底面側にこの車輪４５を取り付けた基台部４６とを有する。基台部４６上には、モータ４１の回転等を制御する移動制御装置４４と、この移動機構３の回転速度を検出するジャイロ４３とが搭載されている。

基台部４６の下面には、車輪４５の回転数を計測して移動機構３の移動速度を検出する速度センサ４２が取り付けられている。移動機構３の上部であって進行方向前側には、移動機構３の周囲にある物体２の形状情報を取得する環境認識システム１が取り付けられている。移動機構３の基台部４6よりも上部側は、カバー５７で覆われている。移動制御装置４４は、環境認識システム１が取得した周囲の物体２の形状情報に基づいて、移動機構３を周囲の物体との接触を回避して目的地に移動させる。

図３に、環境認識システム１に搭載した距離計測回路１７の詳細構成を、ブロック図で示す。変調信号発生器１１は、０あるいは１のビットをランダム的に複数（Ｎ個）並べた符号列を繰り返す擬似ランダム信号（ＰＮ符号）を発生する。変調信号発生器１１の変調信号１０１は、時間Ｔ毎に０あるいは１の信号を発生し、Ｎ×Ｔの周期で同じ信号を繰り返す。変調信号発生器１１から送信された変調信号１０１をレーザ発信機１２は受信し、受信した変調信号１０１の値が１のときは、レーザビーム１０２を発信する。変調信号が０のときは、レーザビーム１０２を停止する。レーザ発信機1２から発信されたレーザビーム１０２は可動ミラー部１３で出射光１０３となり、物体２に到達する。その後、物体２で反射され、反射光１０４がレーザ受信器１６の受信信号１０６として検出される。

レーザ受信器１６受信信号１０６は、距離測定回路１７に送信される。距離測定回路１７は、Ｍ個の相関器Ｕ_０〜Ｕ_Ｍ−１と（Ｍ−１）個のディレイＤ_１〜Ｄ_Ｍ−１を備えている。ここでＭは、ＰＮ符号の長さＮ以下の整数である。ディレイＤ_１〜Ｄ_Ｍ−１は、変調信号１０１から、遅延時間Ｔずつ遅延させた遅延変調信号Ｓ_１〜Ｓ_Ｍ−１を生成する。なお、変調信号１０１は、遅延時間０、すなわち遅延がない遅延変調信号Ｓ_０である。相関器Ｕ_０〜Ｕ_Ｍ−１は、遅延変調信号Ｓ_０〜Ｓ_Ｍ−１と受信信号１０６との相関値Ｒ_０〜Ｒ_Ｍ−１を演算する。

相関値Ｒ_０〜Ｒ_Ｍ−１は、遅延変調信号Ｓ_０〜Ｓ_Ｍ−１と受信信号１０６を掛け合わせた後、積分して得られる。距離演算部５１は、相関値Ｒ_０〜Ｒ_Ｍ−１を用いて、変調信号１０１に対する受信信号１０６遅れ時間ｔを検出し、この遅れ時間ｔに基づいて環境認識システム１から物体２までの距離１０８を求める。

距離測定回路１７が物体２までの距離を求める具体的な方法を、以下に説明する。受信信号１０６は変調信号１０１よりも、環境認識システム１から物体２までの往復距離に応じた時間ｔだけ遅れる。光速度をｃとすると、環境認識システム１から物体２までの距離Ｌは、遅れ時間ｔを用いて次式で表される。
Ｌ＝ｃ×ｔ／２
遅れ時間ｔを測定すれば、距離Ｌを求めることができる。

ＰＮ符号はランダム信号であるから、強い自己相関性を有する。そのため、あるＰＮ符号の信号と、そのＰＮ符号の信号を時間ｔだけ遅らせた信号との相関を求めると、時間遅れｔが１ビットの時間Ｔに比して小さいときは相関値が大きい。一方、時間遅れｔが１ビットの時間Ｔ以上であると、相関値がほぼ０になる。したがって、受信信号１０６の遅れ時間ｔと相関器Ｕ_０〜Ｕ_Ｍ−１の出力である相関値Ｒ_０〜Ｒ_Ｍ−１の関係は、図４に示すように、基準の山形の波形を時間ｔ軸方向に移動させた波形を重ね合わせた波形で表される。

すなわち、Ａを受信信号１０６の振幅により定まる値として、以下の関係となる。
（ｉ−１）×Ｔ≦ｔ≦ｉ×Ｔ のとき
Ｒ_ｉ＝Ａ×（ｔ／Ｔ−ｉ＋１）
ｉ×Ｔ＜ｔ≦（ｉ＋１）×Ｔ のとき
Ｒ_ｉ＝Ａ×（ｉ＋１−ｔ／Ｔ）
ｔ＜（ｉ−１）×Ｔ または （ｉ＋１）×Ｔ＜ｔ のとき
Ｒ_ｉ＝０
図４では、Ａを一定と仮定している。ＰＮ符号はＮビット毎に繰り返されるので、遅れ時間がＴ×Ｎに近づくと再び相関値のピークが現れる。そこで、遅れ時間ｔがＴ×Ｎよりも小さいものと仮定した。

相関値Ｒ_０〜Ｒ_Ｍ−１が求められたので、距離演算部５１は遅れ時間ｔを演算する。隣り合う２個の相関値Ｒ_ｉとＲ_ｉ＋１の和をＷ_ｉとするとき、相関値の和Ｗ_ｉの中から予め定めた閾値Ｈ_ｉよりも大きくかつ最大のものを選択する。この選択された相関値の和Ｗ_ｉに対応する並び順番ｉを、ｋとする。これにより、遅れ時間ｔはｋ×Ｔと（ｋ＋１）×Ｔとの間にあると判定する。閾値Ｈ_ｉは、空気中の塵や霧などにより反射された光が物体２までの距離検出を乱すのを防止するために設定する。受信される反射光１０４の強度が距離の２乗に反比例するので、閾値Ｈｉは遅延時間に対応する並び順番ｉに対応して以下のように定める。

Ｈ_ｉ＝Ｈ_０／（ｉ＋１）^２
ここで、Ｈ_０は最も近距離における相関値の和Ｗ_０の閾値であり、実験から定める。２個の相関値Ｒ_ｋとＲ_ｋ＋１を用いて、次式から遅れ時間ｔを求める。
ｔ＝Ｔ×（（（Ｒ_ｋ＋１−Ｒ_ｋ）／（Ｒ_ｋ＋Ｒ_ｋ＋１）＋１）／２＋ｋ）
ここで、相関値Ｒ_ｉの和と差の比を用いて遅れ時間ｔを求めているから、受信信号１０４の光量の影響、すなわち、物体２の表面の反射率の影響が除かれる。次式を用いて、遅れ時間ｔから距離Ｌを求める。
Ｌ＝ｃ×ｔ／２
本実施例によれば、物体２表面の反射率や空気中の塵および霧の影響を受けずに正確に距離を検出できる。なお、本実施例における演算を、アナログ回路とデジタル回路を有するハードウェアで実行してもよいし、マイクロコンピュータとソフトウェアを用いて実行してもよい。

測定できる距離の範囲は、単位時間Ｔと相関器の数Ｍによる。測定できる遅れ時間ｔは（Ｔ×Ｍ）以下であるから、最大測定距離Ｌ_ｍａｘはＬ_ｍａｘ＝（ｃ×Ｔ×Ｍ／２）である。距離測定の分解能は、ＰＮ符号を用いた変調における単位時間Ｔと、変調の長さＮに依存する。遅れ時間ｔの測定分解能は、概ねＴ／Ｎになるから、距離測定分解能Ｌ_ｒｅｓはＬ_ｒｅｓ＝ｃ×Ｔ／Ｎ／２となる。測定時間Ｔｍは、相関演算の時間により決定される。最小の相関演算時間はＰＮ符号の周期に等しいので、測定時間ＴｍはＴｍ＝Ｔ×Ｎである。

例えば、Ｔ＝１ｎｓ＝１０^−９ｓ，Ｍ＝１００、Ｎ＝１００であれば、光速ｃはｃ＝３×１０^８ｍであるから、最大測定距離Ｌ_ｍａｘはＬ_ｍａｘ＝０．５×３×１０^８×１×１０^−９×１００＝１５ｍである。距離測定分解能Ｌ_ｒｅｓはＬ_ｒｅｓ＝０．５×３×１０^８×１×１０^−９／１００＝１．５×１０^−３ｍ＝１．５ｍｍである。測定時間Ｔｍは、Ｔｍ＝１×１０^−９×１００＝１００ｎｓである。

上記最大測定距離Ｌ_ｍａｘ、距離測定分解能Ｌ_ｒｅｓおよび測定時間Ｔｍの式から分かるように、ＰＮ符号変調の単位時間Ｔを短くし符号の長さを長くすれば、高速かつ高分解能で距離を測定することができる。また、相関器Ｕ_ｉの数を増せば、距離測定範囲が広がる。

次に、環境認識システム１がレーザ光１０２を走査する走査モードについて説明する。図５に、異なる２つの走査モードにおける物体２を含む領域６１とその領域６１内の距離測定点６３、６６の例を示す。環境認識システム１は、標準走査モードと部分走査モードを備える。図５（ａ）に示す標準走査モードでは、可動ミラー１３の触れ角をを大きくする。レーザビーム１０３を標準走査領域６１の中に定めた走査線６２に沿い右から左、またはその逆に動かす。その際、走査線6２を中心にして２次元にジグザグに走査する。走査中に、予め定めた時間間隔で計測点６３において周囲の物体２までの距離を計測し、距離画像を得る。

図５（ｂ）に示す部分走査モードでは、可動ミラー１３の触れ角小さくし、レーザビーム１０３を標準走査領域６１の中から選択した部分走査領域６４の中だけで走査する。この場合、標準走査モードよりもレーザビーム１０３の走査線６５の間隔を狭める。それとともに、レーザビーム１０３の移動速度を遅くし、計測点６６の間隔を狭める。

これらの２つの走査モードを、下記の手順で切り換えて使用する。
初めに標準走査モードを選択し、物体２を含む広い領域（標準領域）の中から物体の形状情報すなわち距離画像を粗く取得する（ステップ１００）。この距離画像の取得を繰り返す。異なる時刻に取得した距離画像を比較し、その変化から移動している物体２の位置を検出する（ステップ１１０）。検出した移動物体２を中心に部分走査領域を設定する。そして部分走査モードに切り換え、移動している物体２の形状情報を高分解能にに取得する（ステップ１２０）。取得した移動物体２の形状情報に基づいて、移動物体２の種別を認識する。
本方法によれば、標準領域から部分走査領域へと走査領域を狭めているので、高分解能で走査するときでも走査に要する時間はほとんど変わらず、高速にかつ高分解能で移動する物体を認識できる。

上記移動する物体２の認識においては、レーザ走査の開始時と終了時との時間差に起因して、物体２の形状をゆがんだ形状として認識する恐れがある。すなわち、レーザ走査中に物体２も移動しているので、形状認識においては物体２の運動成分が含まれる。そこで、このゆがみを補正して真の物体形状を認識する。この様子を、図６を用いて説明する。図６（ａ）は、ある瞬間における移動物体２と距離測定点との関係を示す図であり、同図（ｂ）は距離測定した結果得られた移動する物体２の形状情報である。

レーザビーム１０３を走査領域６１中の走査線６２に沿ってジグザグに走査しているので、走査の初期の時点と走査の後の時点では、物体７１はその位置を変えている。そのため、高速に移動する移動物体７１について形状情報を取得すると、取得した移動物体７１の形状情報７２に歪みが生じる。図７に歪み補正を説明する図を、以下に歪み補正の手順を示す。

レーザ光１０３を移動物体７１を含む領域内に走査させる。この操作を複数回繰り返し、複数の距離画像７５を得る。得られた複数の距離画像７５を比較し、移動物体７１の移動速度７３と回転速度７４を演算する（ステップ２００）。移動物体７１を含む領域をレーザ走査する。そして、環境認識システム１から移動物体７１の表面上の点Ｐ_ｊまでの距離Ｌ_ｊを測定し、点Ｐ_ｊの３次元座標を求める。同時に、走査開始時刻からの経過時間を計測する（ステップ２１０）。

移動物体７１の移動速度７３と回転速度７４から、点Ｐ_ｊの移動速度ベクトルＶ_ｊを求める。移動速度ベクトルＶ_ｊと走査開始からの経過時間とを用いて、走査開始時刻における点Ｐ_ｊの位置を推定する。推定した点を、点Ｐ_ｋとする（ステップ２２０）。推定した点Ｐ_ｋに対応する距離画像７５上の点Ｑ_ｋの属性データに、環境認識システム１から推定した点Ｐ_ｋまでの距離Ｌ_ｋを書き込む（ステップ２３０）。この操作により、距離画像７５から歪みが除去される。

上記実施例では、環境認識システム１が固定位置に置かれている場合を想定していたが、上述したように環境認識システム１を移動機構３に搭載することもできる（図２参照）。環境認識システム１が移動機構３に搭載されているときは、移動機構３の移動により環境認識システム１が取得した形状情報全体に歪みが生じる。形状情報がゆがんでいると、移動機構３が周囲の物体２に接触する恐れがある。そこで、移動機構３に、歪みを補正する手段を設ける。この様子を、図７を用いて説明する。本実施例では、符号７１で示したものは周囲の物体で移動しないものであり、符号１で示した環境認識システムの方が移動する。

移動機構３に搭載された速度センサ４２とジャイロ４３の出力を用いて、移動制御装置４４が移動機構３の移動速度４５と回転速度４６を演算する（ステップ３００）。周囲の物体７１を含む領域をレーザ光１０３が走査する。そして、移動機構３から周囲の物体７１の表面上の点Ｐ_ｊまでの距離Ｌ_ｊを測定する。移動機構３を基準とした点Ｐ_ｊの相対３次元座標を求める。同時に、走査開始時刻からの経過時間を計測する（ステップ３１０）。

移動機構３の移動速度４５と回転速度４６とを用いて、移動機構３に対する点Ｐ_ｊの相対的な移動速度ベクトルＶ_ｊを求める。移動速度ベクトルＶ_ｊと走査開始からの経過時間とに基づいて、走査開始時刻における点Ｐ_ｊの位置を推定する。この推定した点を、点Ｐ_ｋとする（ステップ３２０）。推定した点Ｐ_ｋに対応する距離画像７５上の点Ｑ_ｋの属性データに、移動機構３から推定した点Ｐ_ｋまでの距離Ｌ_ｋを書き込む（ステップ３３０）。距離画像７５から歪みを除去できるので、移動制御装置４４は、周囲の物体７１に接触することなく移動機構３を移動させることができる。

移動機構３が移動しているときには、移動予定経路は移動方向の前方中央部に出現することが多い。そこで、移動予定経路の延長上にある前方中央について重点的にレーザ光１０３を走査させる中央部重点走査モードを環境認識システム１に設ける。この様子を、図８を用いて説明する。

環境認識システム１は、距離画像８１を取得する。この距離画像８１は属性データとして距離情報を有している。廊下８２や障害物８３までの距離を計測し、属性データに書き込む。遠近法の効果により、移動機構３の近傍の物体は大きく、遠方の物体は小さくなる。移動機構３の現在位置近くの物体は、距離画像８１の全域に現れるが、移動機構３の今後の移動経路近くの物体は、移動機構３の進行方向に対応する距離画像８１上の点８４近くに集中する。

移動制御装置４４は、移動機構３の進行方向の情報を計測制御装置１９に送る。計測制御装置１９は送られた進行方向の情報に基づいて、ミラー駆動装置１４を制御する。その際、図８に示すように進行方向８４を中心とする領域８７については、狭い間隔で低速にレーザ光１０３を走査し、間隔を狭く定めた計測点８５で距離を計測する。それ以外の領域８８については、広い間隔で高速にレーザ光１０３を走査し、間隔を粗く定めた計測点８６で距離を計測する。

本方法によれば、距離画像８１の全域で狭い間隔で定めた計測について、計測する場合に比べ、移動機構３の移動に支障のない範囲で計測点数を減らすことができるので、計測の効率が向上する。また、距離画像８１の全域についてレーザ光１０３を粗く走査するだけで、移動機構３が現在いる位置付近の障害物を検出できる。移動経路に沿った遠方の障害物は、距離画像８１の中央部を細かくレーザ光１０３を走査させれば、検出できる。したがって、移動機構３が走行中に接触するおそれのある障害物を、漏れなく効率良く検出できる。

環境認識システム１を、建物内に設置すれば防犯に利用できる。具体的には、環境認識システム１を部屋の角部情報に取り付ける。部屋の中に、移動する人物が現れると、上記手法に基づいて環境認識システム１は、移動物体として認識する。これにより、室内への侵入者を見落とさずに発見できる。移動物体の検出に伴う歪みを補正するので、侵入者の顔の３次元形状を歪みなく検出でき、高い確度で人を識別することができる。

移動機構３をサービスロボットとすれば、家庭内等の防犯に利用できる。移動機構３は、家庭やオフィス、公共空間においてセキュリティや物流に用いるサービスロボットである。ロボットが、家庭内やオフィス内を徘徊し、高速に物体や人物を認識する。その際、距離画像から得られた物体や人物に歪み補正を施すので、物体や人物を高精度で識別できる。また、障害物検出機能をも有しているので、移動する人物等にロボットが接触する恐れもない。

環境認識システム１を自動車に搭載すれば、衝突事故の防止に利用できる。自動車の後部および／または前部に環境認識システム１を搭載し、前後車との距離を常時測定する。この測定結果をブレーキ等と連動させれば、前車の急ブレーキ等による接触事故を回避できる。また、側面や前方に環境認識システムを搭載すれば、人物の飛び出しにも対応できる。この場合、必ずしも歪み補正をする必要はない。

さらに、レーザ光の走査領域と検出点の間隔を制御すれば障害物を漏れなく検出でき、高速で移動する自動車であっても障害物を確実に検出できる。自動車での距離計測においては、屋外の霧や塵の影響を受けやすい。その場合、擬似ノイズ信号を使用する距離検出方法を用いれば、ロバストに障害物を検出できる。

なお、上記各実施例では、レーザビームを走査するのにＭＥＭＳ技術を応用して製作した可動ミラーを用いている。しかし、可動ミラーに限らず、ガルバノミラーやポリゴンミラーなどの他の可動ミラーをも単独でまたは組み合わせて使用できる。レーザ光を高速で走査するのに、ミラーとねじりバネにより振動共振を発生させてミラーを動かすようにしてもよい。

上記実施例では、１個のレーザ発信器と１個のレーザ受信器を用いているが、複数のレーザ発信器と複数のレーザ受信器を設けて、複数のレーザビームで同時に空間を走査するようにしてもい。その場合、高速に広範囲の物体の形状を取得できる。距離測定にレーザビームを用いたが、ＬＥＤ光やミリ波などの他の波長領域の電磁波や超音波などを用いることもできる。

本発明に係る環境認識システムの一実施例のブロック図。 図１に示した環境認識システムを搭載した移動機構の一実施例の側面断面図。 図１に示した環境認識システムに搭載する距離計測回路のブロック図。 相関信号を説明するグラフ。 走査モードを説明する図。 形状情報の歪みを説明する図。 歪み補正を説明する図。 中央部重点走査モードを説明する図。

符号の説明

１…環境認識システム、２…物体、３…移動機構、１１…変調信号発生器、１２…レーザ発信器、１３…可動ミラー、１４…ミラー駆動装置、１５…ビームスプリッタ、１６…レーザ受信器、１８…ミラー角度センサ、１７…距離計測回路、１９…計測制御装置、３１…ミラー、３２、３３…ねじりバネ、３４、３５…ミラー駆動機構、４０…本体、４１…駆動機構、４２…速度センサ、４３…ジャイロ、４４…移動制御装置、６１…標準走査領域、６２…走査線、６３…計測点、６４…部分走査領域、６５…走査線、６６…計測点、７１…移動物体または周囲の物体、７２…形状情報、７３…移動速度、７４…回転速度、８１…距離画像、８２…廊下、８３…障害物、８４…進行方向、８５、８６…計測点、１０１…変調信号、１０２〜１０５…レーザビーム、１０６…受信信号。

Claims (10)

1. 変調されたビームを用いて相対的に移動する物体を認識する環境認識システムにおいて、ビームを発射するビーム発射手段と、ビームを走査するビーム走査手段と、物体からの反射ビームを検出するビーム受信手段と、このビーム受信手段が受信した信号に基づいて距離画像を取得する距離計測手段と、この距離計測手段が取得した複数の画像を比較して距離画像に含まれる物体の歪みを除去する歪み除去手段とを備えたことを特徴とする環境認識システム。
2. 距離画像に含まれる複数の測定点の測定間隔を変更する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の環境認識システム。
3. 前記測定間隔を変更する手段は、初めに大きな間隔で距離画像全域に測定位置を設定し、この大間隔で測定した距離画像中に相対的に移動する物体を検出したら、その物体を含む近傍についてそれまでの間隔よりも小間隔に測定位置を定めることを特徴とする請求項２に記載の環境認識システム。
4. 前記測定間隔を変更する手段は、距離画像の中央部で測定位置間隔を狭くし、周囲部で測定位置間隔を広くしたことを特徴とする請求項２に記載の環境認識システム。
5. 請求項1ないし４のいずれかに記載の環境認識システムを搭載し、物体に対し相対的に移動可能であり、前記ビームがレーザ光であることを特徴とする移動機構。
6. ビーム発信器と、このビーム発信器から発信されたビームを走査するビーム走査器と、このビーム操作器を制御する操作制御手段と、ビームを受信するビーム受信器と、前記ビーム発信器がビームを発信してからビーム受信器がビームを受信するまでの経過時間を測定する手段と、この測定された経過時間に基づいて相対的に移動する物体までの距離を測定する距離計測手段とを備える環境認識システムにおいて、前記距離計測手段が測定した形状情報から物体の位置を検出する移動物体検出手段を設け、前記走査制御手段に、標準走査領域を走査する標準走査モードと、前記移動物体検出手段が検出した物体の位置を含む標準走査領域の中の部分走査領域を走査する部分走査モードとを切り換える手段を設けたことを特徴とする環境認識システム。
7. 相対的に移動する物体の速度を検出する移動物体速度検出手段と、この移動物体速度検出手段が検出した物体の相対速度に基づいて、前記距離計測手段が測定した形状情報を補正する形状補正手段とを設けたことを特徴とする請求項６に記載の環境認識システム。
8. 前記ビーム発信器が発信するビームを変調する擬似ノイズ信号を発生する変調信号発生手段を設け、前記距離計測手段に、前記変調信号発生手段が発生した変調信号を異なる所定の遅延時間だけ遅延させた遅延変調信号とビーム受信器が受信した受信信号との相関を演算する複数の相関器と、この複数の相関器の中から、それぞれの相関器に設定した閾値よりも出力が大きくかつ遅延時間が最小である一の相関器を選択する選択手段と、この選択手段が選択した一の相関器の出力とこの一の相関器の遅延時間に最も近い遅延時間を有する相関器の出力とに基づいて物体までの距離を算出する距離算出手段を設けたことを特徴とする請求項６に記載の環境認識システム。
9. 周囲の物体の形状情報を取得する環境認識システムを搭載し、この環境認識システムが取得した周囲環境の距離画像に基づいて移動経路を制御する移動機構において、前記環境認識システムは、取得する距離画像において、この移動機構の移動方向である中心部分領域について、周辺部分領域よりも細かい間隔で距離情報を取得することを特徴とする移動機構。
10. 移動機構の移動速度を検出する速度検出手段を設け、前記環境認識システムにこの速度検出手段が検出した移動機構の移動速度に基づいて距離画像を補正する形状補正手段を設けたことを特徴とする請求項９に記載の移動機構。

Images