JP3590104B2 - Laser distance measuring device - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、配電作業ロボット等、人間が直接作業できなかったり危険な作業を自動化するに際し、対象物までの距離を測定するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば配電作業ロボットを例にとると、従来の配電作業ロボットによる配電作業は、作業者がバケットに乗り作業対象物を目で見てロボットを操作して行っていた。このような従来の配電作業ロボットはバケット搭乗形であるため、作業対象物までの距離は作業者の目によって確認をしていた。ところが、近年においては、高所での作業や感電事故から作業員を解放するため、バケットに作業者が乗る代わりにテレビカメラを移動架台に搭載し、オペレータは操縦席でモニターを見ながらロボットの操作を行う装置が開発されている。
例えば特開昭６１−４５９１０号公報においては、異なる位置に２台のテレビカメラを搭載する２つの２軸架台および画像追尾装置を設けた３次元位置計測装置が開示されている。具体的には、各テレビカメラが出力する、目標を含むビデオ信号を画像追尾装置に入力し、デジタル画像処理計測を行って、テレビカメラの映像の中心に目標が位置するようにテレビカメラの姿勢を自動制御し、誤差が収斂したところで、２台のテレビカメラの俯仰角，旋回角により移動物体の３次元的位置を計測するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この特開昭６１−４５９１０号公報に記載された方法は、テレビカメラの映像の中心に目標がくるようにテレビカメラの姿勢を自動制御するものであるため、制御回路が複雑化するとともに、テレビカメラの姿勢制御のための３次元駆動機構が２台分必要になるなど、コストアップの要因が大きいという問題があった。特に、対象物の距離を測定した後に、オペレータがロボットで作業を行う場合においては、対象物の距離の測定を完全自動化することにコストを多く費やすことは、バランス的に問題となる。
本発明が解決すべき課題は、ロボットの、対象物への自動アプローチ作業を向上するため、屋外での対象物の位置検出を可能とするレーザ距離計測装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明レーザ距離計測装置は、スリット状のレーザ光を発射するレーザ光源と、このレーザ光源のレーザ光軸と同軸上に視野を有する照準用の第１のカメラと、この第１のカメラと一体に支持され、光学フィルタを装着し、当該第１のカメラの視野を異なる位置から斜め方向に観察する第２のカメラとを備え、前記レーザ光源、第１及び第２のカメラを取り付ける架台の位置及び角度を操作する操作装置と、前記レーザ光源を照射したときと照射しないときの前記第２のカメラで撮像された画像の差信号に基づいて対象物と第１のカメラとの距離を演算する演算装置とを備えたものである。
【０００５】
【作用】
第１のカメラのモニタ画面を見ながら、レーザ光が当たっている対象物が画面の中央に来るように架台を操作する。画像処理により、レーザ照射時に第２のカメラで撮像した画像とレーザ照射を停止した時に第２のカメラで撮像した画像の差分をとり、レーザが当たっている部分の抽出を行う。この画面上の位置から、対象物までの距離を求める。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明を実施例を参照しながら具体的に説明する。
図１は本発明の実施例の概略図を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。図中、１はレーザ投光器、２は第１のカメラ、３は第２のカメラ、４は架台、５は架台４の位置及び角度を操作するためのマニピュレータ（ロボット）、６は対象物である。
レーザ投光器１からはスリット光を発射する。測定距離を長くするには、減衰量の少ないスポット光が適するが、スポット光は点であるため対象を捉えることが困難である。またスポット光に比べ、スリット光を拡散させ、安全性を高めた。また、レーザの波長としては、赤外光等の不可視光が用いられることが多いが、可視レーザ光は照射部分が見えるため光軸合わせなどが容易にできる利点がある。
カメラのレンズとしては、レーザ光源〜カメラ間の距離を２５０ｍｍとしたとき、測定範囲（９２０−２４７０ｍｍ：図３参照）を測定可能なレンズを選定する。
レンズ中心付近に比べ、レンズの端になればなるほど歪が大きくなる。そのため画面の中央付近に測定点が撮像されることが望ましい。したがって図３のようにレーザとカメラの光軸が１３５０ｍｍの位置で交差するように配置した。
マニピュレータの動作範囲を測定範囲とするには、図３のようにカメラの焦点距離が３５ｍｍ以下でなければならない。しかし精度は焦点距離が大きくなるほど良くなるため、３５ｍｍのレンズを選択した。
精度の向上を考えると、ズームアップできるレンズが望ましい。しかし可変焦点レンズは、正確な焦点距離がわからない。ズームにより光軸がずれる。焦点距離が大きくなるとレンズの歪が顕著に出てくる。などの理由から、固定焦点レンズを選定した。
【０００７】
この実施例による計測手順を説明する。
１ 対象物をねらう
対象物が第１のカメラ２のモニタ画面のセンター（レーザスリット光が当たるところ）に来るようにジョイスティック等でカメラ架台４を動かす（図２（ａ））。
２ レーザを発射し、画像を取り込む。
（１）レーザスリット光を発射し、それを第２のカメラ３で画像１を取り込む（図２（ｂ））。
（２）レーザスリット光をオフし、それを第２のカメラ３で画像２を取り込む（図２（ｃ））。
（３）さらに（１），（２）を繰り返し、画像３，４を取り込む。
３ 計測対象を選ぶ。
（１）これらの画像に対し、下記の画像処理を行う。
処理画像←（‘画像１’−‘画像２’）ＡＮＤ（‘画像３’−‘画像４’）
（２）求められた差画像から計測対象を探す。
（３）ノイズ等の影響で候補が複数あるとき、人の判断により選択する。
（４）この計測対象の画像上の位置（横方向が距離（奥行）になっている）から距離を求める。
【０００８】
以下に、３次元距離検出の処理フローを示す。
▲１▼ センサ部のレーザ受光カメラによって受光された画像は画像処理装置に取り込まれる。
▲２▼ 後述するレーザ検出原理に基づきレーザ部分のみを検出する。
▲３▼ 画像処理（２値化、重心検出など）を行い、検出対象となる位置の画素を求める。
▲４▼ ３次元距離を求める。
図４に処理ブロック図を示す。
【０００９】
次に、レーザ検出原理について図５を参照しながら説明する。
屋内においてレーザを受光する場合、受光カメラにフィルタを装着し、絞りを適切に設定することによって、レーザが照射されている部分のみの画像を容易に得ることができる。しかし、屋外では照明条件の変化等の原因によって、レーザが照射されている部分のみの画像を得ることができない場合がある。
本実施例のレーザ距離センサでは、レーザオン画像とレーザオフ画像の画像を取り込み、これらの画像間の差分をとる処理を行っている。
このためレーザオン画像とレーザオフ画像の背景部分に変化がなければ、レーザが照射されている部分のみを検出することが可能となる。
本実施例のレーザ距離センサの精度試験の結果、センサから測定対象までの距離が２ｍのとき、約±４ｍｍの精度が得られ、当初の目標を達成することができた。また、屋外におけるレーザ照射部分の検出方法として、レーザオン・オフ画像の差分演算方法を用いた。
【００１０】
【発明の効果】
上述したように、本発明のレーザ距離計測装置によれば下記の効果を奏する。
（１）レーザ光軸と同軸上に視野を設けた照準用カメラを設け、操作者がこのカメラモニタを見ながらジョイスティックを用いてカメラ架台を動かし、距離計測対象位置を決めることができる。
（２）ノイズ光を除去できない場合、複数の計測候補の中から人の判断により選択できる。
（３）１回の照準で計測できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】カメラで撮像した画面の例を示す。
【図３】第２のカメラによる測定範囲を示す説明図である。
【図４】本発明の３次元距離検出の処理ブロック図である。
【図５】レーザ検出原理の説明図である。
【符号の説明】
１ レーザ投光器、２ 第１のカメラ、３ 第２のカメラ、４ 架台、５ マニピュレータ（ロボット）、６ 対象物[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an apparatus for measuring a distance to a target object when automating a dangerous task that cannot be directly performed by a human, such as a power distribution work robot.
[0002]
[Prior art]
For example, in the case of a power distribution work robot, for example, a power distribution work by a conventional power distribution work robot is performed by an operator riding a bucket and operating the robot while visually observing a work target. Since such a conventional power distribution work robot is of a bucket-mounted type, the distance to the work target is checked by the eyes of the worker. However, in recent years, in order to relieve workers from working at high altitudes and from electric shock accidents, instead of the worker getting on the bucket, a TV camera is mounted on the moving base, and the operator looks at the monitor at the cockpit and looks at the robot. Devices for performing operations have been developed.
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-45910 discloses a three-dimensional position measuring apparatus provided with two two-axis gantry mounting two television cameras at different positions and an image tracking device. Specifically, a video signal including a target output from each television camera is input to the image tracking device, digital image processing measurement is performed, and the posture of the television camera is set so that the target is positioned at the center of the image of the television camera. Is automatically controlled, and when the error converges, the three-dimensional position of the moving object is measured by the elevation angle and the turning angle of the two television cameras.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-45910 automatically controls the attitude of the television camera so that the target is located at the center of the image of the television camera. In addition, there is a problem that the cost increase is large, for example, two three-dimensional drive mechanisms for controlling the attitude of the television camera are required. In particular, when the operator performs a task with a robot after measuring the distance to the target object, spending a lot of cost to completely automate the measurement of the distance to the target object becomes a problem in terms of balance.
The problem to be solved by the present invention is to provide a laser distance measuring device that can detect a position of an object outdoors in order to improve an automatic approach operation of the robot to the object.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the laser distance measuring device of the present invention is a laser light source that emits a slit-shaped laser light, a first camera for aiming having a field of view coaxial with the laser optical axis of the laser light source, A second camera mounted integrally with the first camera , fitted with an optical filter, and obliquely observing the field of view of the first camera from a different position, wherein the laser light source, the first and the second An operation device for operating the position and angle of a gantry on which the camera is mounted, and a target object and a first object based on a difference signal between images captured by the second camera when the laser light source is irradiated and when the laser light source is not irradiated. And an arithmetic unit for calculating the distance to the camera.
[0005]
[Action]
While watching the monitor screen of the first camera, the gantry is operated so that the target irradiated with the laser beam is located at the center of the screen. By the image processing, a difference between an image captured by the second camera at the time of laser irradiation and an image captured by the second camera when the laser irradiation is stopped is obtained, and a portion irradiated with the laser is extracted. From this position on the screen, the distance to the object is determined.
[0006]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.
FIGS. 1A and 1B are schematic views of an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a front view. In the figure, 1 is a laser projector, 2 is a first camera, 3 is a second camera, 4 is a gantry, 5 is a manipulator (robot) for operating the position and angle of the gantry 4, and 6 is an object. .
The laser projector 1 emits slit light. To lengthen the measurement distance, a spot light with a small attenuation is suitable, but it is difficult to catch the target because the spot light is a point. Also, compared to spot light, slit light is diffused to enhance safety. In addition, although invisible light such as infrared light is often used as the wavelength of the laser, visible laser light has an advantage that the optical axis can be easily adjusted because the irradiated portion is visible.
As the lens of the camera, a lens capable of measuring the measurement range (920-2470 mm: see FIG. 3) when the distance between the laser light source and the camera is 250 mm is selected.
Distortion increases as the distance from the center of the lens increases. Therefore, it is desirable that the measurement point is imaged near the center of the screen. Accordingly, as shown in FIG. 3, the laser and the optical axis of the camera are arranged so as to intersect at a position of 1350 mm.
In order to make the operation range of the manipulator a measurement range, the focal length of the camera must be 35 mm or less as shown in FIG. However, since the accuracy increases as the focal length increases, a 35 mm lens was selected.
Considering the improvement in accuracy, a lens that can zoom up is desirable. However, the varifocal lens does not know the exact focal length. The optical axis is shifted by zooming. As the focal length increases, lens distortion becomes noticeable. For these reasons, a fixed focus lens was selected.
[0007]
A measurement procedure according to this embodiment will be described.
1. The camera mount 4 is moved with a joystick or the like so that the target aiming at the target comes to the center of the monitor screen of the first camera 2 (where the laser slit light hits) (FIG. 2A).
2 Launch the laser and capture the image.
(1) A laser slit light is emitted and an image 1 is captured by the second camera 3 (FIG. 2B).
(2) Turn off the laser slit light, and capture the image 2 with the second camera 3 (FIG. 2C).
(3) Further, (1) and (2) are repeated to capture images 3 and 4.
3 Select the measurement target.
(1) The following image processing is performed on these images.
Processed image ← ('image 1'-'image 2') AND ('image 3'-'image 4')
(2) A measurement target is searched from the obtained difference image.
(3) When there are a plurality of candidates due to the influence of noise or the like, a selection is made by human judgment.
(4) The distance is determined from the position of the measurement target on the image (the horizontal direction is the distance (depth)).
[0008]
Hereinafter, a processing flow of the three-dimensional distance detection will be described.
{Circle around (1)} The image received by the laser receiving camera of the sensor unit is taken into the image processing device.
(2) Only the laser portion is detected based on the laser detection principle described later.
{Circle around (3)} Image processing (binarization, barycenter detection, etc.) is performed to determine the pixel at the position to be detected.
(4) Obtain a three-dimensional distance.
FIG. 4 shows a processing block diagram.
[0009]
Next, the principle of laser detection will be described with reference to FIG.
When laser light is received indoors, an image of only a portion irradiated with the laser can be easily obtained by attaching a filter to the light receiving camera and setting the aperture appropriately. However, in some cases, it may not be possible to obtain an image of only a portion irradiated with a laser due to a change in lighting conditions or the like outdoors.
In the laser distance sensor of the present embodiment, the processing of taking in the images of the laser-on image and the laser-off image and calculating the difference between these images is performed.
Therefore, if there is no change in the background portion between the laser-on image and the laser-off image, it is possible to detect only the portion irradiated with the laser.
As a result of the accuracy test of the laser distance sensor of this example, when the distance from the sensor to the object to be measured was 2 m, an accuracy of about ± 4 mm was obtained, and the initial target was achieved. In addition, as a method of detecting a laser irradiation portion outdoors, a difference calculation method of a laser on / off image was used.
[0010]
【The invention's effect】
As described above, according to the laser distance measuring device of the present invention, the following effects can be obtained.
(1) An aiming camera having a visual field provided coaxially with the laser optical axis is provided, and an operator can move a camera mount using a joystick while looking at the camera monitor to determine a position for distance measurement.
(2) When the noise light cannot be removed, the measurement light can be selected from a plurality of measurement candidates by human judgment.
(3) Measurement can be performed with one aim.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of the present invention, wherein (a) is a plan view and (b) is a front view.
FIG. 2 shows an example of a screen imaged by a camera.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a measurement range by a second camera.
FIG. 4 is a processing block diagram of three-dimensional distance detection according to the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a laser detection principle.
[Explanation of symbols]
1 laser projector, 2 first camera, 3 second camera, 4 gantry, 5 manipulator (robot), 6 object

Claims (2)

スリット状のレーザ光を発射するレーザ光源と、このレーザ光源のレーザ光軸と同軸上に視野を有する照準用の第１のカメラと、この第１のカメラと一体に支持され、光学フィルタを装着し、当該第１のカメラの視野を異なる位置から斜め方向に観察する第２のカメラとを備え、前記レーザ光源、第１及び第２のカメラを取り付ける架台の位置及び角度を操作する操作装置と、前記レーザ光源を照射したときと照射しないときの前記第２のカメラで撮像された画像の差信号に基づいて対象物と第１のカメラとの距離を演算する演算装置とを備えたことを特徴とするレーザ距離計測装置。 A laser light source that emits a slit-shaped laser beam, a first camera for aiming having a field of view coaxial with the laser optical axis of the laser light source, and an optical filter mounted integrally with the first camera and mounted thereon A second camera for obliquely observing the field of view of the first camera from a different position, and an operation device for operating the position and angle of a gantry on which the laser light source and the first and second cameras are mounted; An arithmetic unit that calculates a distance between an object and a first camera based on a difference signal between images captured by the second camera when the laser light source is irradiated and when the laser light source is not irradiated. Characteristic laser distance measurement device. レーザ光は可視光である請求項１記載のレーザ距離計測装置。The laser distance measuring device according to claim 1, wherein the laser light is visible light.

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