JP2008512674A - レンジおよび速度を検出するシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、領域内のターゲット用として、少なくとも１つの速度成分を計算するために使用される方法と装置に関係がある。本発明は、選択されたソース周波数を備えた周期的なパターンにおいて、活性化システムを使用して活性化されるエネルギー・ソースを使用する。レシーバもシールド・システムと共に用いられ、これにより、選択されたレシーバ周波数での周期的なパターンで、ターゲットから反射されたエネルギーを検出することを妨げるように、このシールド・システムが形成される。本発明は、レシーバによって受信されたときの、エネルギー・ソース信号のソース周波数における周波数変動の測定を通じて動作し、そして、既知の移動方向において測定された周波数変動に基づいて、ターゲットの速度成分を決定する。この発明は、さらなるエネルギー・ソースを追加することにより、二つあるいは三つの次元の速度ベクトルを提供できるように拡張されうる。

Description

この発明は、レンジおよび速度を検出するシステムに関係している。好ましくは、本発明は、マシン・ビジョンの応用のために入力システムを供給することができ、それによって、機械またはロボットが環境についてのフィードバックを与えられる。しかしながら、マシン・ビジョン以外への応用も予見されるのであり、前記した言及は、この明細書全体を通して、制約であるとみなされるべきではない。

１つのターゲットあるいはポイントへのレンジを素早く決定することができる、単純なレンジ検出システムはよく知られている。これらのシステムは、ゴルファーがプレーしているホールへの、ゴルファーの距離を決定することから、特定の目標あるいはポイントの間の距離を計算するための測量に応用することまで、使用されることができる。

これらのシステムは、通常は、レーザー・レンジ・ファインディング・システム（laser range finding system）を使用しており、ここでは、レーザー光線が、選択されたターゲット（target）上に照準される。そして、システムに関連付けられたレシーバは、レーザー光線の伝播遅延によって、ターゲットへの距離あるいはレンジを計算する。

しかしながら、これらのシステムは必ずしも、「多数のターゲットへのレンジを、同時にあるいは非常に短い時間間隔で計算する必要があるところ」では、簡単には使用できない。「単一ターゲット」レンジファインダというこれらのタイプは、例えば、シーンにおけるレンジ情報を、総てのターゲットのために、対象物特定アルゴリズムへの入力として使用するというマシン・ビジョンの応用においては、必ずしも有効に使用されない。

上に記述されたように、そのような応用にレンジ・ファインダ・システムを供給するという１つの試みにおいては、実質的に、レーザー距離計を使用することができる。それは、関心のある領域、及び、そのような領域内の総ての対象に渡って、レーザー光線を走査する。しかしながら、このアプローチは理想的ではない。というのは、レーザ・ソース（laser source）を物理的に動かして必要な走査動作を提供するために、機械的システムが要求されるからである。さらに、かなりの計算あるいは処理能力も、多くの個別のターゲットのレンジを計算するために要求され、そこでは、レーザー光線の多数の走査に関連した伝播遅延を使用する。レーザのそれぞれの走査動作のために、レンジ情報も別個に計算されなければならない。それは、高い機能のコンピュータ処理能力を要求し、これによって、有効あるいは利用可能な速さでレンジ情報が供給されることを確保する。

上の走査レーザシステムに関する議論は、米国特許第5,638,164およびDTu, "Range Image Acquisition for Machine Vision", Optical Engineering, 37(9), pp 2531-5,1998において見出すことができる。

別の代替レンジ検出システムも、走査レーザー・レンジ・ファインディング・システムに関連した問題に取り組むために開発されており、米国特許No. US 6,100,517で議論されている。このシステムは、光かエネルギーのソース（source；源）、及び、関連する光かエネルギーのセンサを使用しており、それら双方は、同じ周波数において、脈動的（パルス的）にオン・オフされる。パルス・ソースからのエネルギーは、特別のエリアか領域内のターゲットから戻されて、エネルギー・センサの方へ反射される。それは、パルス方式で再び可能化又は活性化され、そして、この反射された光が、センサが活性化されたときのみに検出されるようになっている。

センサの選択的な活性化は、センサとシーン内の任意のターゲットとの間に置かれたシャッタかゲートによって実装される。また、このシャッタは、要求された正確なパルシング周波数（pulsing frequency）で開閉される。周波数(ソースとセンサはそれで脈動される)が選択されることによって、離れたターゲットから反射された光量が、設定された伝播遅延の後に、カットオフされるようになっている。これは、近いターゲット(それらはより低い伝播遅延を持っている)から反射された光とは対照的である。光は、より離れたオブジェクトから反射されたか散乱された光よりも長い時間、近いオブジェクトから受け取られるだろう。したがって、離れたターゲットよりも、近いターゲットから、より多くの光が受け取られるだろう。それは、あるターゲットのために、光強度の値あるいは読みを与え、それは、センサからのそのレンジに比例する。

この種のシステムは比較的に低コストのコンポーネントで実装することができ、そして、上で議論したような、走査レーザー距離計が要求する計算処理能力レベルを必要としない。しかしながら、このシステムの操作環境の中には、追加の変数が存在し、それは、結果的に得たデータ中に不正確さあるいはエラーを引き起こすことができる。

周辺光レベル(したがってセンサによって受け取られた光量)の変化は、得られた結果におけるオフセット・エラーを提供するだろう。さらに、相対的に高いか又は低い反射率特性を持っている、特定のシーン内のターゲットは、得られた出力におけるエラーをも生成するだろう。それは、センサからのターゲットのレンジとは関係なしに、センサによって受け取られる光量が変わりうるからである。強度情報からレンジ値を導き出すようなシステムも、使用されたセンサのダイナミックレンジによって、距離分解能については、結局、制約されている。低コストか低品質のセンサであれば、導出されたレンジ値のパフォーマンス又は精度は、この場合、悪化する。

さらに、シーンあるいは領域内において移動するオブジェクトの速度を検出することができることも、いくつかの実例において望ましい。そのような速度情報は、オブジェクトの三次元中の速度の表示を望ましく与えるかもしれず、それは、追跡されるべきオブジェクトの動き、及び、計画されるべきその軌道を可能にする。さらに、自動機械中のレンジ検出システムと結合して使用された場合には、そのような速度検出設備はさらに有利だろう。

上記の問題のうちのいずれかあるいは全部について改善されたレンジ検出システムは、有利だろう。特に、次のようなレンジ検出システムは有利であろう。すなわち、比較的に低コストのコンポーネント類を用いて実装されるもの、あるいは、高度の計算処理能力を要求しないもの、あるいは、周辺光レベルもしくはターゲットの反射特性の変動に起因する不正確さの悪影響を受けないものである。さらに、速度測定値あるいは表示を、可能であれば三次元において提供する、改善されたシステムは、さらに有利であるだろう。

この明細書に引用されたいずれかの特許あるいは特許出願を含むすべての参照情報は、参照によってここに組み込まれる。いずれの参照も、先行技術を構成することの容認を構成しない。参照文献についての議論は、それらの著者が何を主張するかを述べるものである。そして、出願人は、引用された文献の正確性及び関連性を議論する権利を留保する。多くの先行技術刊行物がここで参照されるけれども、これらの文献のうちのいずれについても、ニュージーランドにおける、あるいは他の国における共通の一般的な技術的知識の一部を形成するという容認をこの参照が構成しないことは、明白に理解されるだろう。

一般に認められているように、術語「含む」は、様々な管轄において、排他的あるいは包含的な意味を持つと考えられるかもしれない。この明細書の目的においては、特に注記されていない限り、術語「含む」は、包括的な意味を持つものとする―つまり、直接に参照された、掲記されたコンポーネントだけでなく、特定されていない他のコンポーネント又は要素を含むことを意味すると受け取られる。術語「含んだ」あるいは「含む」が、方法あるいはプロセスの１以上のステップに関して使用されたときにも、この原理は使用される。

本発明の目的は、先の問題に取り組むか、あるいは、少なくとも、公共のために有用な選択を提供することである。

本発明のさらなる側面および利点は、単なる例として与えられる、以降の記載から明白になるだろう。

本発明の１つの側面によれば、レンジ検出システムが提供される。それは、以下を含む。すなわち、
領域内における一つ又は複数のターゲットにより反射されうるエネルギーを放出するために用いられる少なくとも一つのエネルギー・ソースと、
前記領域内における前記少なくとも一つのターゲットからの、前記放出されたエネルギーの反射を検出するために用いられる少なくとも一つのレシーバと、
前記少なくとも一つのソースに関連付けられた活性化システムと、ここで、前記活性化システムは、選択されたソース周波数で、周期的なパターンにおいて、エネルギー・ソースを活性化及び非活性化するために用いられており、
前記少なくとも一つのレシーバと関連付けられたシールディングシステムとである。ここで前記シールディングシステムは、ターゲットから反射されたエネルギーの、レシーバによる検出を妨げるために用いられており、前記シールディングシステムは、選択されたレシーバ周波数で、周期的なパターンにおいて、活性化及び非活性化されるようになっており、
ここで、レシーバの出力信号は、参照信号と比較され、ターゲットのための、レシーバからのレンジ値が決定される。ここで、レシーバ信号と参照信号との間の位相差が用いられ、これはレンジ値を示す。

本発明のさらなる側面によれば、上に本質的に記載されたレンジ検出システムが提供され、ここにおいては、前記ソース周波数及びレシーバ周波数が、異なる値から選択される。

本発明におけるさらに別の側面によれば、本質的に上に記載されたレンジ検出システムが提供され、ここにおいては、レシーバの出力信号を参照信号と比較するために処理手段が用いられ、ターゲットのための、レシーバからのレンジ値が決定される。

本発明のさらなる側面によれば、本質的に上に記載されたように、レンジ又は速度のセンシング・システムが提供され、ここにおいては、用いられるソース周波数は、使用されるレシーバ周波数に対して固定された周波数である。

本発明のさらなる側面によれば、本質的に上に記載されたように、レンジ検出システムが提供され、ここにおいては、使用されるソース周波数は、使用されるレシーバ周波数に対して、位相固定となっている。

本発明におけるさらに他の側面によれば、本質的に上に記載されたように、レンジ検出システムが提供され、それは、多数の対になったソースとレシーバ周波数とを使用して、レンジ値が示されうる距離を変化させるために用いられている。

本発明におけるさらに他の側面によれば、領域内における複数のターゲットへのレンジを計算する方法が提供され、これは、以下のステップによって特徴付けられる；
（ｉ）活性化システムを使用して、エネルギー・ソースを活性化すること、ここで、前記ソースは、選択されたソース周波数での周期的なパターンにおいて活性化及び非活性化され、そして
（ｉｉ）シールド・システムを使用して、レシーバを操作すること、ここで、前記シールド・システムは、ターゲットから反射されたエネルギーの検出を、選択されたレシーバ周波数での周期的なパターンで阻止するために用いられ、そして、
（ｉｉｉ）少なくとも一つのターゲットのためのレンジ値を決定するために、レシーバ出力信号を、参照信号と比較すること、ここで、レシーバ出力信号と参照信号との間の位相差は、前記レンジ値を示す。

本発明のさらなる側面によれば、領域内におけるターゲットについての少なくとも一つの速度成分を計算する方法が提供され、これは、以下によって特徴付けられる：
（ｉ）活性化システムを使用して、エネルギー・ソースを活性化すること、ここで、前記ソースは、選択されたソース周波数における、周期的なパターンで、活性化及び非活性化され、そして、
（ｉｉ）シールド・システムを用いてレシーバを動作させること、ここで、前記シールド・システムは、ターゲットから反射するエネルギーの検出を、選択されたレシーバ周波数で、周期的なパターンにおいて妨げるために用いられており、そして
（ｉｉｉ）エネルギー・ソース信号のソース周波数における周波数変動を、レシーバによって受け取られたときに測定すること、そして
（ｉｖ）ソース信号の、測定された周波数変動を使用して、既知の方向におけるターゲットの速度成分を計算すること。

本発明のさらなる側面によれば、速度検出システムが提供され、これは以下を含む。すなわち
領域内の一つまたはそれ以上のターゲットによって反射されうるエネルギーを放出するために用いられる少なくとも一つのエネルギー・ソース、そして
放出されたエネルギーの、領域内における少なくとも一つのターゲットからの反射を検出するために用いられる少なくとも一つのレシーバ、そして
前記少なくとも一つのエネルギー・ソースに関連付けられた活性化システム、ここで、前記活性化システムは、エネルギー・ソースを、選択されたソース周波数で、周期的パターンにおいて活性化及び非活性化するために用いられ、そして
前記少なくとも一つのレシーバに関連付けられたシールド・システム、ここで、前記シールド・システムは、ターゲットから反射されたエネルギーの、レシーバによる検出を阻止するために用いられ、前記シールド・システムは、選択されたレシーバ周波数で、周期的パターンにおいて活性化及び非活性化され、前記ソース周波数及びレシーバ周波数は、異なる周波数の値から選択されており、そして
少なくとも一つのエネルギー・ソース信号のソース周波数における周波数変動を、レシーバに受信されたときに測定するために、そして、前記少なくとも一つの測定された周波数変動から、既知の方向におけるターゲットの速度成分を計算するために構成された処理手段。

本発明は、好ましくは、領域内の複数のターゲットについて、同時に又は短時間でレンジ値を供給するレンジ検出システムを提供するために用いられる。さらに好ましい実施形態においては、本発明は、マシン・ビジョンの応用において使用されうる。そこでは、そのような複数のターゲットからのレンジ情報を、オブジェクト同定アルゴリズムにおいて用いることができる。

本発明は、好ましくは、速度検出システムを提供するために用いられても良く、それは、ターゲットの速度を、少なくとも一つの既知の方向において測定するために使用されうる。さらに、本発明は、多数の方向におけるターゲットの速度を測定することに拡張されることができ、これにより、ターゲットのための二次元あるいは三次元の速度ベクトルの計算を容易とする。

この明細書の全体にわたる参照は、レンジ及び／又は速度検出システムとして使用される本発明についてもなされており、それは、好ましくは、マシン・ビジョンの応用において使用される。しかしながら、当業者が認識するべきことは、本発明についての他の構成が予想されることであり、そして、前記への参照は、この明細書のみにおいては、制約とみなされてはならないことである。

当業者が理解するべきことは、本発明が、スタンドアロンのレンジ検出システム、又は、スタンドアロンの速度検出システム、又は、レンジ及び速度の両方を計測するシステムを実装するために使用されうることである。下記の明細書中において、レンジ検出又は速度検出システムとして実装された本発明への参照がなされる。しかし、当業者が理解すべきことは、レンジ検出システムを実装するための装置と実質的に同様のものが、速度検出システムの実装のために使用されうることであり、逆についてもまた同様である。

さらに、この明細書における参照は、領域内の複数のターゲットのために、同時に、レンジの値又は表示を供給する目的で使用される本願発明に対してなされる。当業者が理解すべきことは、いくらかの、伝播あるいは処理の遅延が、そのような値の供給において、使用される装置の技術的制約のために、存在しうることである。この明細書の全体にわたって言及された術語「同時に（simultaneously）」は、本質的に同時に生じる出来事を参照する。

好ましくは、本発明は、少なくとも一つのエネルギー・ソースを用いており、それは、選択された領域内でターゲットから反射又は散乱されうるエネルギーの形態を放出するために用いられる。使用されたエネルギー・ソースは、本発明が使用されるべき特定の応用によっては、様々な数の異なるスペクトルあるいはエネルギーを、多様な周波数において放出することができる。さらに、ソースから放出されたエネルギーは、いくつかの実施形態において、実質的に拡散されるかもしれず、あるいは、選択的には、他の実施形態において、必要であれば、凝集されたビームになるように集められるかもしれない。

さらに好ましい実施形態においては、本発明は、単一のエネルギー・ソースを含みうるのであり、それは、それが生成しあるいは放出するエネルギーのために、実質的に拡散する放出パターンを有している。そのような単一のエネルギー・ソースは、興味のある総ての領域を、ターゲットによる反射が可能なエネルギーにさらすために使用されうる。

さらに好ましい実施形態では、使用されたエネルギー・ソースは、可視光線スペクトルからのエネルギーを放射するかもしれない。可視光線エネルギーの放出器（エミッタ）はよく知られており、しかも、生産又は取得するのに安価でもある。さらに、例えば通常のＬＥＤのような可視光線エネルギー・ソースを容易に構成し、そして操作して、興味のある領域を照らすことができる。

この明細書の全体における参照が、可視光の拡散するパターンを放出するＬＥＤの形態における単一の可視光エネルギー・ソースを使用する本発明についてなされる。しかしながら、当業者が理解すべきことは、エネルギーについての異なるスペクトル又は周波数を放出できる他の構成の又は多数のエネルギー・ソースを、この発明に関連して、必要であれば使用できることである。

好ましい実施形態では、本発明は、興味ある領域内の前記少なくとも一つのターゲットからの、放出されたエネルギーの反射を検出するために用いられる少なくとも一つのレシーバをも含む。当業者が理解すべきことは、使用されるレシーバのタイプは、用いられるエネルギー・ソースにより放出されるエネルギーのスペクトル又は周波数によって決定されることである。例えば、エネルギー・ソースとして光放出ダイオード（ＬＥＤ）が使用されるという、さらに好ましい実施形態では、可視光感応性のセンサ（単数又は複数）が、本発明に関連して、使用されうる。

他の光センサーは、ＣＭＯＳカメラ、ビジコン・チューブ、フォトダイオードの配列（アレー）および光電子増倍管の配列を含むことができる。

さらに好ましい実施形態では、本発明は、単一のレシーバのみを用いるかもしれない。単一のレシーバが、興味のある領域についての適切な適用範囲を提供するために構成されうるのであり、これにより、提供されるシステムの設計が実質的に単純化され、そして、その製造コストを低減することができる。

好ましい実施形態では、使用されるレシーバは、一種の電荷結合素子（ＣＣＤ）の形態（例えばよく知られているＣＣＤカメラのようなもの）によって提供されるかもしれない。そのようなデバイスあるいはカメラは、多様な用途を有し、そして、比較的安価で大量に生産されている。さらに、ＣＣＤカメラは、大きいかあるいは広い興味領域のために有効な適用範囲を、そのような領域内におけるターゲットからの可視光の反射を検出することによって、提供することができる。

この明細書の全体にわたる参照は、単一のＣＣＤカメラを、反射されたエネルギーのレシーバとして単に用いる本発明に対してなされる。しかしながら、当業者が理解すべきことは、本発明の他の構成、すなわち、異なるタイプ及び数のレシーバを用いるものも予想され、そして、上における参照は、この明細書にわたって、制約であるとみなされてはならないことである。

好ましい実施形態では、本発明はさらに活性化システムを使用する。そのような活性化システムは、エネルギー・ソースへと関連付けられて、周期的なパターンにおいてソースを活性化及び非活性化することができる。活性化システムは、特定の規則的なソース周波数で断続的にエネルギー又は光のソースを脈動させるために形成することができる。

上記において議論されたような活性化システムは、本発明のための特定の用途に応じた、多様で異なるやり方で実装されうる。例えば、１つの実例では、活性化システムは、単純にエネルギー・ソースのための電源あるいはパワー供給（power supply）から構成されうるのであり、ここで、使用されるソース周波数は、エネルギー・ソースへの電力供給あるいはパワーの供給をソース周波数において可能化しさらに不可能化するために用いられる。しかしながら、当業者が理解すべきことは、活性化システムの他の実装が予想され、上記への参照は、この明細書にわたって、制約であるとみなされてはならないことである。

好ましくは、本発明は、シールド・システムを含みうるのであり、それは、使用されるレシーバに関連付けられる。そのようなシールド・システムは、興味のある領域内のターゲットによって反射された光を検出するレシーバを妨害するために、操作されうる。シールド・システムは、周期的なパターンで活性化され、そして非活性化されうるのであり、今度は、反射された光の検出を、周期的パターンにおいて、妨害又は可能化する。シールド・システムは、したがって実際にはレシーバは、選択されたレシーバ周波数で操作されうるのであり、したがって、周期的な効果を、レシーバからの出力に提供する。

本発明に関連して使用されたシールド・システムは、多くの異なるやり方で実装されるかもしれない。例えば、１つの可能な実施形態では、ゲートやシャッタのような物理的な障壁が、レシーバの前方に配置されうるのであり、ここで、シャッタは、選択されたレシーバ周波数で開閉される。選択的には、他の実施形態では、シールド・システムは、レシーバを提供するためにも用いられるコンポーネントにより実装されうる。例えば、ＣＣＤカメラがレシーバとして使用される場合、そのようなシールド・システムは、カメラに組み込まれた制御エレクトロニクスによって実装されうるのであり、このカメラは、選択された特定のレシーバ周波数において、光の検出を可能化し、そしてその後に不可能化する。さらに、当業者が理解すべきことは、ＣＭＯＳや焦点面の配列トランスデューサのような、レシーバの他のタイプも、使用されるトランスデューサ・アセンブリに組み込まれた制御エレクトロニクスを通じて、シールド・システムを実装させることである。さらに、他の実施形態においては、必要なら、利得変調イメージ増倍管（gain modulated image intensifier）を介して、シールド・システムが実装されうる。

この明細書の全体にわたる参照がシールド・システムに対してなされており、ここでは、シャッタ開閉あるいはゲート制御を行う要素（それは、使用されるレシーバ周波数にいて脈動的に開閉する）から形成されている。しかしながら、当業者が理解すべきことは、本発明の他の構成が予想され、そして、上記についての参照は、この明細書にわたって、制約であるとみなされてはならないことである。

好ましい実施形態では、使用されるソースとレシーバの周波数は、異なる周波数から選ばれるかもしれない。これらの周波数は、好ましくは互いからわずかにオフセットされうるのであり、ここでは、周波数差のサイズは、比較的に低いコストの信号処理及びイメージ取得装置により使用される動作周波数とほぼ等しくなっている。

当業者が理解すべきことは、多数の異なるタイプの、選択された周波数での波形あるいは波動の関数が使用されうるのであり、これにより、ソース周波数及びレシーバ周波数の一方あるいは両方が供給されることである。選択された周波数信号は、活性化を駆動するのに使用され、シールド・システムは、例えば、パルス方形波、三角波、正弦波、あるいは要求された正確な周波数を示す他の要求されたタイプの波動の関数から形成されうる。

さらに好ましい実施形態では、活性化システムおよびシールド・システムの両方は、単一信号ジェネレータによって生成された、レシーバとソースの周波数によって駆動されうる。そのような実施形態では、生成されたレシーバとソースの周波数は、互いに関して固定された周波数とすることができる。

さらに好ましい実施形態では、使用された信号ジェネレータは、同じ装置で生成されるソース周波数に対して位相が固定されているレシーバ周波数を生成することができる。

好ましい実施形態では、使用されたレシーバは、レシーバ出力信号を供給するために用いられており、そのレシーバ出力信号が分析されて、本発明から要求されるレンジ値又は表示が決定される。わずかにオフセットされた周波数でレシーバとソースを駆動することによってもたらされる波動の混合効果により、結果としてのレシーバ出力は、駆動レシーバとソース周波数との間における周波数の差に等しい周波数で得られる。この出力信号は、ソース又はレシーバ周波数よりも実質的に低い周波数を持ちうるのであり、したがってそれは、比較的に低いコストの信号処理及び画像取得コンポーネントにより、容易に分析されかつ操作されうる。

このように、本発明は、光学的あるいは画像のヘテロダインシステムを提供することができ、それは、レシーバ及びソース周波数に比較して相対的に低い周波数で機能するために使用される信号処理装置を可能にする。使用された光学的な混合効果は、結果としての、興味のある周波数を、容易に解析又は操作できる低い周波数に下降（downshift）させるために使用されうる。

好ましい実施形態では、レシーバからの出力信号は、参照信号と比較されて、領域内の特定のターゲットに対するレンジ値の表示を提供する。レシーバから得られた出力信号は、特定のターゲットによって反射された光から生成されてもよく、そして、ほとんどの実例においては、レシーバとしてのＣＣＤカメラの使用により生成された画素によって表わされるだろう。したがって、特定の領域内における単一のターゲットかオブジェクトは、多数の画素により表現されうるのであり、各ピクセルは、ターゲットの成分部分についてのレンジ情報を表す。

比較の対象となる参照信号は、較正手順を通して得ることができ、これにより、参照信号は、レシーバからのターゲットのレンジが知られている出力信号に等しくなる。較正手順は、レンジ値を示すためにレシーバ出力信号と比較される一つ又はそれ以上の参照信号を取得するために、いくつかの実例において使用されうる。

しかしながら、代替の実施形態では、参照信号は、個別の較正手順を通じて必ずしも得られないかもしれない。例えば、別の代替実施形態では、参照信号は、レシーバ周波数およびソース周波数をともに混合することによって得られるかもしれない。これは、結果としての参照信号が、レシーバとソースの周波数間における差のオーダーで得られることを可能にするであろう。そしてそれは、レシーバからの距離が零であるターゲットからおそらく得られる信号を表すであろう。

さらに好ましい実施形態では、使用されたレシーバ出力信号と参照信号の間の位相差は、レシーバに関連したターゲットに対するレンジ値を示しうる。これらの二つの信号間の位相差の程度は、参照信号によって表わされる特定のレンジ値からの、ターゲットの変位を示すだろう。当業者が理解すべきことは、これが、単に一つの可能な仕組みに過ぎず、そして、他の良く知られた仕組み、例えば、しかし制約的でなく、連続波の周波数変調（continuous wave frequency modulation）及び疑似ランダム符号化（pseudo random coding）が、必要に応じて、本発明での動作に使用されうることである。

好ましい実施形態では、参照信号とレシーバからの出力信号との間でなされた比較は、処理手段を用いて遂行されうる。そのような処理手段は、信号処理コンポーネントにおける多数のタイプのうちの一つであって、かつ、必要な入力信号を受け取ってその間の位相差を評価できるものにより、好ましくは実装されうる。さらに好ましい実施形態では、計算機システムが使用されうるのであり、それは、受け取った入力信号からレンジの値あるいは表示を与えるために必要な処理業務を遂行する。そのような計算機システムは、興味のある領域から得られた情報の各ピクセルに、数値的なレンジの値を供給するかもしれない。ここでは、数値データについての、このマトリクスあるいは配列は、本発明のための必要な応用においてさらに処理又は使用されうる。

本発明のこの実装は、現存する先行技術のシステムにおいて知られているところの、周辺光レベルの変化、又は、領域内のターゲットにおける反射特性の変化により引き起こされる複雑さを除去する。参照信号とレシーバの出力信号との間の位相差がレンジを示すために使用されるので、これは、依然として受信されている光強度値の変化により引き起こされた、システムの出力におけるエラーを除去する。位相比較の解像度、そして従って、測定されたレンジの解像度は、解析されている時間の連続の長さにより究極的には制約される。ここで、信号については、検出可能なレベルにあると仮定する。さらに、わずかにオフセットされたレシーバ及びソース周波数の使用によって用いられる混合作用は、そのような位相比較を行うコンポーネント類あるいは装置が比較的に低い周波数で動作すること、そして、それらが比較的低コストのコンポーネントにより供給されることを可能にする。

さらに好ましい実施形態では、活性化システムおよびシールド・システムは、レシーバ及びソースの周波数についての、多数の対になったセットによって駆動されうる。レシーバ及びソースの周波数についての、選択された対は、これらのコンポーネントを駆動して、今度は、本発明が正確にレンジ値を決定できる距離を変化させるために使用されうる。

レンジ値の計算のために位相差が使用されているので、レシーバ及びソース周波数の、単一の選択された対は、有用な情報を、選択された最大のレンジのために供給するだろう。このレンジの外側において、結果としての出力信号と参照信号との間の位相差は、１周期以上を包含しうるのであり、したがって、特定のレンジ値を決定することを困難にする。しかしながら、ソース及びレシーバの周波数の二つ又はそれ以上の対のセットを用いて、システムを動作させることによって、本発明は、特定の領域における多数の最大レンジ値を検査するために動作しうる。これにより、柔軟性と、そして、システムが提供される可能性が改善される。

さらに好ましい実施形態では、これらの、ソースとレシーバの周波数の、二つ又はそれ以上の対のセットは、最大レンジを広げるために使用され、そして、ソース及びレシーバの周波数のセットそれぞれにおける周波数の差が同じでないときには、ただ一つの測定期間の間に、同時に使用されうる。これは、周波数におけるそれぞれの差分が、単一の測定期間の間にあるいはその直後に、独立に処理され、そして、幅広い数の可能なレンジ値についての情報を同時に供給することを可能にする。

好ましい実施形態では、本発明は、観察される領域あるいはシーン内におけるターゲットの速度成分の値を測定、決定あるいはいずれにせよ示すために用いられうる。好ましくは、エネルギー・ソース信号における周波数変動又はドップラーシフトは、そしてしたがって、ソース信号に適用される、変調「ソース周波数」は、既知の方向におけるターゲットの速度成分の測定に用いられうる。したがって、レシーバで検出されたときのソース周波数の変化は、関係するそのターゲットが、観察されるシーン内で動いているということを示すだろう。当業者が理解すべきことは、エネルギー・ソース信号におけるドップラーシフトは、それに適用される低い周波数変調信号においても存在し、そのことは、今度は、測定されるべきターゲットの速度に基づいて与えられるドップラーシフトを比較的容易に可能にすることである。

好ましくは、提供される速度検出システムは、関係する領域内における複数のターゲットのための速度値を表示するために構成されるかもしれない。当業者が理解すべきことは、単一のエネルギー・ソース及びレシーバの対が、選択された、又は特定の方向において、調査される領域内における現存する多数のターゲットのために、同時に、速度成分測定値を表示しうることである。

好ましい実施形態では、単一のエネルギー・ソースからのソース信号は、特定の方向におけるターゲットの単一の速度成分を決定することに使用されうる。この速度成分の既知の方向は、ターゲットからエネルギー・ソースへ延びるベクトルと、ターゲットからレシーバへ延びるベクトルとの両者を二分するベクトルの方向と等しいかもしれない。そして、この二分ベクトルは、測定された速度成分のために示されるべき既知の方向に向かう。

さらに好ましい実施形態では、本発明は、ターゲットのために複数の速度成分を同時に計算することを許容する複数のソースを備えているか、あるいは、それを使用することができる。これらの複数のソースは、好ましくは、互いに、空間的に分離されているか、離間されていて、二分ベクトルの多様な方向を与えており、それは、単一の時間の瞬間における、速度成分の多様な計算を供給するために、使用されうる。ベクトル数学の使用と、好ましくは三つ又はそれ以上のソースの供給によって、関連するターゲットの実際の速度を与える、三次元での正確な速度ベクトルが決定されうる。

複数のソースが供給されるという、好ましい実施形態においては、それぞれのソースは、異なるソース周波数において、変調され、又は、活性化され、又は、非活性化される。好ましくは、選択されたソース周波数は、互いに近いが、しかし同じではない。これにより、別個のソースの間におけるソース周波数の分離を保証しており、そして、それは、異なるソースの信号を、レシーバを介して分別することに使用されうる。単一のレシーバは、三つの、位相が分離されたソース周波数をすべて同時に受け取るのに使用されて、いかなる瞬間においても、ターゲットのための正確な速度ベクトルの計算を可能にするかもしれない。

さらに好ましい実施形態では、速度の値又は表示は、関連するターゲットの加速度の値又は表示の計算に拡張されうる。速度成分の時間微分は、ターゲットのための加速度成分を与え、ここでは、この微分において用いられる時間の変化が、適宜な、便利又は適切な期間から選ばれる。例えば、１つのさらに好ましい実施形態では、時間に基づいた加速度微分が、その時間間隔にわたって計算され、そこでは、有効なレシーバ出力データが、レシーバ出力信号の上に配置されるか、あるいはそこで更新される。そのような実施形態では、レシーバのデータから、レシーバ出力信号のリフレッシュ・レートで、個別の加速度微分が得られうる。

本発明におけるこの設備は、相対的に正確な加速度の値又は表示が、ターゲットのために、最小の処理能力と処理時間遅れにおいて計算されることを可能にしうる。計算は、ターゲットのための加速度成分を用いて、又は、正確な加速度ベクトルを用いてなされる。受信され、ドップラー・シフトされた周波数情報の単純な時間微分は、そのような加速度の値又は表示を、低いコスト又は低い能力の処理コンポーネントを用いて、すばやく取得するために使用されうる。

本発明には、先行技術としてのレンジ検出システムに対する、多くの潜在的な利点がある。

本発明は、相対的に低コストなコンポーネント類を用いてすばやく効果的に動作できるレンジ検出システムを提供するのに使用されうる。レンジ検出システムのそのような実装は、マシン・ビジョンの応用のために有効かつ有用なシステムを供給するのに使用されうる。

レシーバ出力信号の位相を調べることによるレンジ値の検出又は決定を介して、本発明は、様々なターゲット反射率又は関心のある領域内での周辺光レベルの変化に起因して、従来技術のシステムにおいて通常は存在する複雑さを除去する。

さらに、上記において議論された本発明の実装は、比較的に低コストの信号処理装置を使用して、得られた出力信号の結果を分析することを可能にし、これにより、実質的に、そのようなシステムの実装に関連するコストを低減する。

好ましくは、本発明は、調査されるシーン又は領域内のターゲットにおける少なくとも一つの速度成分を検出し、計算し又は他の検知を行うために使用されうる。好ましくは、わずかに変化するソース周波数で変調された多数のエネルギー・ソースが、そのような例において使用されうるのであり、これにより、ターゲットのための正確な速度ベクトルの計算を、様々な瞬間において可能にする。使用されるそれぞれのソースのソース周波数が、ターゲットの速度に応じて、様々な程度にドップラー・シフトされるので、最少の後処理計算の作業だけで、必要な速度値を得ることが可能になる。単に、ソースのために受信された周波数の読みによって、ターゲットにおける速度成分の表示または測定値は、直接に測定されうる。

さらに好ましい実施形態では、本発明は、調査されるシーン又は領域内のターゲットのために加速度値を導出するのに使用されうる。好ましくは、上記の議論のように計算され又は取得された速度値又は表示は、時間微分操作に従って、そのような加速度の表示を、低能力かつ低コストの処理コンポーネントを用いて、しかもすばやく取得することが可能である。

本発明のさらなる側面は、単なる例示として与えられ、そして、添付の図面を参照する以下の説明から明らかになるだろう：
図１は、本発明の一つの実施形態に関連するレンジと速度の検出システムを供給するために使用されるコンポーネントの概略的な図である。 図２ａと図２ｂは、図１に関連して議論されたシステムによって使用され又は生成される信号のための、波動の関数のプロットを表す。 図３は、図１に関連して議論されたシステムにより使用され又は生成される信号のための、波動の関数のプロットを表す。 図４は、本発明における速度の測定の実施形態に関連して計算された速度成分ベクトルを示す。

図１は、レンジと速度のセンシング・システムを提供するために使用される、本発明の一つの実施形態におけるコンポーネントの概略図を示す。

図１は、この実施形態において単一のＬＥＤ（２）として示される単一のエネルギー・ソースを組込んだ、レンジ検出システムを示す。システム（１）は、さらに電荷結合素子カメラ（３）としてこの実施形態の中で示される単一のレシーバを含んでいる。
システム（１）は、さらに信号発生器（４）としてこの実施形態の中で示される活性化システムを組込んでいる。信号発生器４は、駆動信号Ａを提供して光源（２）を操作するために用いられる。この駆動信号Ａは、ソース周波数として定義された周波数を持っている。それは、周期的なパターンにおいて、光源（２）を活性化及び非活性化する。

この信号発生器（４）は、シールド・システムへの駆動あるいは制御信号Ｄ（レシーバ周波数と等しいかあるいはそのように規定された周波数を備える）を提供するためにも用いられており、それは、シャッタ（５）によって、この実施形態において示される。シャッタ（５）のための駆動信号Ｄは、近くのターゲット（６）及びより遠くのターゲット（７）からの反射エネルギーをカメラ（３）により検出することを周期的に妨げるために用いられる。

システム（１）は、さらにマイクロプロセッサ（８）によってこの実施形態の中で実装された処理手段を組込む。マイクロプロセッサ（８）は、カメラ（３）から出力信号を受け取り、そして、システム（１）から要求されたレンジ情報あるいは表示を提供するために、多くの入力信号を処理する。

多数の特定の電気的そしてさらには光学的信号Ａ−Ｊが、示されたシステムによって使用され、あるいは生成される。図２ａおよび２ｂは、時間に関する、これらの信号のプロットを示すもので、ここでは、示された波形の振幅および周波数が、単にシステムの挙動を例証するために近似値として与えられている。

上に議論されるように、信号発生器（４）は、駆動のソース周波数Ａ、並びに、光源（２）及びシャッタ（５）をそれぞれ操作するのに使用される駆動用のレシーバ周波数Ｄを生成するのに使用されている。信号発生器（４）は、駆動の周波数Ａ、Ｄの間で位相を固定するためにも用いられており、その結果、レシーバ周波数は、ソース周波数に対して位相が固定される。信号発生器は、３番めの信号Ｅを提供するためにも用いられ、それは、最初の参照信号Ｅを生成するために共に混合されたレシーバおよびソース周波数Ａ，Ｄの結果である。

示された信号Ｂは、ソース（２）によって生成され、そして、近くのターゲット（６）からシャッタ（５）に向けて反射した変調光を表わす。反対に、信号Ｃは、より離れたターゲット（７）からシャッタ（５）に向けて反射された、ソース（２）からの変調光を表わす。

信号ＧおよびＩは、レシーバ周波数Ｄで開きそして閉じるように駆動されるシャッタ（５）を通過する、変調された光信号Ｂ、Ｃによって生成された１ペアの混合信号を表わす。信号Ｇは、近くのターゲット（６）から反射した光に起因する混合された信号を表す（ここでＢはＤと混合されている）。一方、信号Ｉは、より離れたターゲットから反射した光に起因する光信号に起因する混合された信号を表す（ここでＣはＤと混合されている）。

これら二つの光学的信号及びさらなる入力参照信号Ｅは、カメラ（３）への入力を構成しており、それは、入力としてマイクロプロセッサ（８）に供給される電気的な出力信号Ｈ、ＪおよびＦを生成するためのトランスデューサの役割をする。出力信号Ｈは、近くのターゲット（６）から反射してカメラと交差する光によって生成された信号によって提供される。一方、電気的信号Ｊは、より遠いターゲット（７）から反射してカメラと交差する光により供給される。電気信号Ｆは、初期の参照信号Ｅから生成され、そして、マイクロプロセッサ（８）によるレンジ値の計算における較正又は最終的な参照信号を提供するために用いられている。

信号ＨおよびＪが、カメラのセンサ上へ像を写された光に由来するので、これらの信号の各々は、光が交差している画素の強度を表わす。同様に、カメラのセンサ上の他のすべての画素は、その画素の視野内におけるオブジェクトから反射された光に関係する、同様の波形を生成するだろう。カメラの画素全部からの波形の組合せは、イメージの時系列に帰着するだろう。そこでは、イメージ中の各画素は、波形に対応した、その画素における１つの量子化されたタイムスロットを含んでいる。

マイクロプロセッサ（８）は参照信号Ｆと信号（ターゲット（６）および（７）の各々から反射された光によって生成されたもの）との間の位相差を比較するか分析するために作動する。参照信号Ｆは、カメラ（３）からの距離が零の位置にあるターゲットから反射された光の表現であり、したがって、参照信号Ｆと信号Ｈ及びＪとの間の位相差のサイズが、カメラ（３）からの、ターゲット（６）及び（７）のレンジを示す。

図３は、信号Ｆ、ＪおよびＨの比較を、互いの関係において、より明白に示しており、マイクロプロセッサＡを使用して比較されたものである。

図３から分かるように、信号Ｈは、参照信号Ｆに対して、信号Ｊにおけるよりも小さい位相差を有しており、これにより、ターゲット（７）がターゲット（６）よりもカメラ（３）から遠いことを示している。この位相差の実際のサイズも、マイクロプロセッサ（８）によって計算され、あるいは分析されて、特定の距離値がターゲット（６、７）に割り当てられ、そして、したがって、レンジ値が供給される。

図４は、本発明に係る速度測定の実施形態に関連して計算された速度成分ベクトルを示す。

示された実施形態において、本発明は、三つの別個のエネルギー・ソース、Ｓ１、Ｓ２およびＳ３（その全部は空間的に互いに離間されている）を含んでいる。さらに、各エネルギー・ソースのソース周波数は、互いにわずかに異なっており、レシーバ（Ｒ）によって受け取られたときに、それぞれのエネルギー信号が個別に分解されうるようになっている。

示された状況において、各ソースによって放射されたエネルギーは、ターゲット（Ｔ）に向けられ、そして、これにより散乱される。各ソースＳ１−Ｓ３からのエネルギーはターゲットから散乱され、そして、単一のレシーバ（Ｒ）で検知される。

ターゲット（Ｔ）は、調査中のシーン内において可動であり、そしてしたがって、それぞれのソース周波数Ｓ１―Ｓ３は、ターゲットにおける実際のあるいは現実の速度に依存する周波数となり、あるいは、ドップラーシフトされる。ターゲットの実際の速度の速度コンポーネントは、各ソース周波数が受けたドップラーシフトの測定によって計算される。

計算された速度コンポーネントの方向は、二分された（bisection）ベクトル（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）によって示される。各ソースのための各速度成分の方向は、二分されたベクトル（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）の方向によって決定される。それは、ターゲットからソースへ、及びターゲットからレシーバへと延びる、形成されたベクトルを二分している。

これら三つの別個の速度成分についての測定値を用いて、正確な速度ベクトル（Ｖ（Ｔ））を、Ｖ（Ｔ） ＝ ｆ （ΔＳ１（Ｄ１） ， ΔＳ２（Ｄ２） ，ΔＳ３（Ｄ３）により計算することができる。
ここで、
Ｖ（Ｔ）は、ターゲット（Ｔ）の正確な速度ベクトル
ΔＳ１（Ｄ１）， ΔＳ２（Ｄ２）， ΔＳ３（Ｄ３）は、各ソースおよび示された方向の周波数のドップラーシフトあるいは変化、
ｆ，標準的なベクトル数学を用いて、三次元中のＶ（Ｔ）を計算するために使用される関数
である。

当業者は、そのような速度ベクトルの時間微分も、関連するターゲットの加速度の数値あるいは指示値を得るために計算されうると理解するべきである。上記で議論されたそれぞれの速度ベクトルの方向における加速度成分は、独立に計算されてもよく、あるいは、選択的には、正確な速度ベクトルＶ（Ｔ）の時間微分が、要求に応じて計算されてもよい。

本発明の側面が、単なる例示を介して記述されてきた。そして、添付の請求項に規定されるような本発明の範囲を離れない限り、それについての変更や追加がなされてもよいことが理解されるべきである。

Claims (21)

1. 速度検出システムであって、以下を含む：
   領域内における一つ又はそれ以上のターゲットにより反射されうる光エネルギーを放出するために用いられる少なくとも一つのエネルギー・ソース、そして
   前記領域内における前記少なくとも一つのターゲットからの、放出された光エネルギーの反射を検出するために用いられる少なくとも一つのレシーバ、そして
   前記少なくとも一つのエネルギー・ソースに関連付けられた活性化システム、ここで、前記活性化システムは、選択されたソース周波数における周期的パターンでエネルギー・ソースの活性化及び非活性化を行うために用いられており、そして
   前記少なくとも一つのレシーバと関連付けられたシールド・システム、ここで、前記シールド・システムは、ターゲットから反射された光エネルギーをレシーバが検出することを妨げるために用いられており、前記シールド・システムは、選択されたレシーバ周波数における周期的パターンで活性化及び非活性化され、前記ソース周波数及びレシーバ周波数は、異なる周波数の値から選択されるようになっており、そして
   少なくとも一つのエネルギー・ソース信号のソース周波数における周波数変動を、レシーバにより受信されたときに測定するために、そして、既知の方向におけるターゲットの速度成分を、少なくとも一つの測定された前記周波数変動から計算するために構成された処理手段。
2. 請求項１に記載の速度検出システムであって、ここにおいては、単一のエネルギー・ソースからのソース信号が使用されて、特定の方向にあるターゲットのための単一の速度成分が決定されるようになっている。
3. 請求項１又は２に記載の速度検出システムであって、ここにおいては、計算された速度成分の既知の方向が、ターゲットからエネルギー・ソースへ延びるベクトルと、ターゲットからレシーバへ延びるベクトルとの両者を二分するベクトルの方向に等しい。
4. 先行するいずれかの請求項に記載された速度検出システムであって、このシステムは、領域内の複数のターゲットのために速度の値を表示するように構成されている。
5. 先行するいずれかの請求項に記載された速度検出システムであって、ここにおいては、使用されるソース周波数は、使用されるレシーバ周波数に対して、位相が固定されている。
6. 請求項５に記載の速度検出システムであって、ここにおいては、単一の信号生成器が、ソース周波数に対して位相が固定されたレシーバ周波数を生成しており、前記ソース周波数は、同じ単一の信号生成器で生成される。
7. 先行するいずれかの請求項に記載された速度検出システムであって、ここにおいては、レシーバの出力信号が、ソース周波数とレシーバ周波数との間における周波数の差分に等しい周波数を有している。
8. 先行するいずれかの請求項に記載された速度検出システムであって、ここにおいては、エネルギー・ソースが、可視光エネルギーを放出する。
9. 請求項８に記載の速度検出システムであって、ここにおいては、エネルギー・ソースが、発光ダイオードから構成されている。
10. 請求項８又は９に記載の速度検出システムであって、ここにおいては、前記レシーバは、電荷結合素子により実装されている。
11. 先行するいずれかの請求項に記載の速度検出システムであって、ここにおいては、速度検出システムは、単一のレシーバのみを含んでいる。
12. 先行するいずれかの請求項に記載の速度検出システムであって、ここにおいては、活性化システムは、エネルギー・ソースへのパワーの供給を制御する。
13. 先行するいずれかの請求項に記載の速度検出システムであって、ここにおいては、前記シールド・システムは、物理的な障壁によって実装されている。
14. 請求項１〜１２のいずれかに記載の速度検出システムであって、ここにおいては、前記シールド・システムは、レシーバの動作のために加えられる可能化信号により実装されている。
15. 先行するいずれかの請求項に記載の速度検出システムであって、このシステムは、ターゲットのための複数の速度成分についての、同時の計算を可能にするために構成された複数の光エネルギー・ソースを含んでいる。
16. 請求項１５に記載の速度検出システムであって、ここにおいては、前記複数の光エネルギー・ソースは、空間的に互いにずらされている。
17. 請求項１５又は１６に記載の速度検出システムであって、ここにおいては、前記複数の光エネルギー・ソースは、異なるソース周波数により活性化及び非活性化される。
18. 先行するいずれかの請求項に記載の速度検出システムであって、ここにおいては、計算された速度成分が時間に関して統合され、計算された速度成分の既知の方向における加速度値を与えるようになっている。
19. 領域内のターゲットの少なくとも一つの速度成分を計算する方法であって、以下のステップを特徴とする；
    ｉ）活性化システムを使用して光エネルギー・ソースを活性化すること、ここで、前記ソースは、選択されたソース周波数において、周期的なパターンで活性化及び非活性化される、そして
    ｉｉ）シールド・システムを用いてレシーバを動作させること、ここで、前記シールド・システムは、選択されたレシーバ周波数における周期的なパターンで、ターゲットから反射された光エネルギーの検出を妨げるために用いられる、そして
    ｉｉｉ）前記エネルギー・ソースの信号のソース周波数における周波数変動を、前記レシーバで受信されたときに測定すること、そして
    ｉｖ）既知の方向における前記ターゲットの速度成分を計算するために、前記ソースの信号についての、測定された周波数変動を使用すること。
20. 添付の図面及び例示を参照して、そして、これらにより示されているような、実質的にここに記載された速度検出システム。
21. 添付の図面及び例示を参照して、そして、これらにより示されているように、領域内のターゲットのために速度成分を計算する方法。

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