JP6584743B2 - 第１の相対参照フレームを規定するグリッドを形成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、第１の物体から複数の変調線を空間に投影する方法に関する。

相対ナビゲーションシステムは、倉庫または工場環境、空中給油、およびスペースドッキングなどにおける自律型ビークルナビゲーションなどの様々な用途のために有用である。いくつかの用途では、２つの物体間の距離だけが必要とされる。他の用途では、２つの物体間の距離および相対姿勢（ピッチ、ヨー、およびロール）の両方が必要とされる。そのような用途では、高信頼性、低重量、および低コストが望ましいはずである。

米国特許第７６８１８３９号明細書

一実施形態では、本発明は、第１の相対参照フレームを規定するグリッドを形成するために第１の物体から複数の変調線を空間に投影する方法であって、第１の物体から空間に投影する水平グリッド線を形成するために第１の方向を有する偏光を投影するステップと、第１の物体から空間に投影する垂直グリッド線を形成するために第１の方向と異なる第２の方向を有する偏光を投影するステップと、変調された第１のグリッドワードによってグリッドの中の水平グリッド線を識別するためのいくつかの変調ビットから成る第１のグリッドワードを搬送するために水平グリッド線を変調するステップと、変調された第２のグリッドワードによってグリッドの中の水平グリッド線を識別するためのいくつかの変調ビットから成る第１のグリッドワードと異なる第２のグリッドワードを搬送するために垂直グリッド線を変調するステップとを含む方法に関する。

本発明の一実施形態による、それぞれ独自の相対参照フレームを有し、ナビゲーションが可能である第１の物体および第２の物体の概略図である。 本発明の一実施形態による空間にグリッドを投影する方法を示す流れ図である。 本発明の一実施形態による水平グリッド線および垂直グリッド線を投影することができるグリッド生成器の概略図である。

図１は、複数の交線などのグリッドを伝送のフィールド１２の中の空間に投影する第１の物体またはグリッド生成器１０を例示する。図では、投影されたグリッドは交線を含む。グリッド生成器１０からある距離離れたところにおいては、これらの交線は、空間におけるグリッドとして観察され、グリッドのサイズはグリッド生成器１０から離れるほど大きくなる。

説明目的のために、グリッド生成器１０は、事実上交線を例示された座標系のｙ方向に投影するとみなされてよい。グリッド生成器１０からある距離Ｒ₁離れたところにおけるｘ−ｚ平面内の交線の投影を観察すると、第１のグリッド１４が観察される。ｘ−ｚ平面内の第１の距離Ｒ₁より大きい距離Ｒ₂離れたところおける交線の同じ投影を観察すると、第１のグリッド１４より比較的大きく見える第２のグリッド１６が観察される。

グリッド生成器１０から距離Ｒ₁離れたところにおける第１のグリッド１４は、第１の垂直線１８および第２の垂直線２０によって水平方向に空間的に限られる。第１の垂直線１８と第２の垂直線２０との間に空間的にかつ時間的に生成された複数の垂直線が存在する。グリッド生成器１０から距離Ｒ₁離れたところにおける第１のグリッド１４は、第１の水平線２２および第２の水平線２４によって垂直方向に空間的に限られる。第１の水平線２２と第２の水平線２４との間に複数の水平線が空間的にかつ時間的に存在する。距離Ｒ₁は、第１のグリッド１４とグリッド生成器１０との間の任意の距離でよい。便宜のために、距離は、図示されているように第１のグリッド１４上の点２６とグリッド生成器１０との間で判定される。

グリッド生成器１０から距離Ｒ₂離れたところにおける第２のグリッド１６は、すべての実際の目的のために第１のグリッド１４と同じであるが、第１のグリッド１４よりグリッド生成器１０から遠い距離のところにある。第２のグリッド１６は、第２のグリッド１６の第１の垂直線２８および第２のグリッド１６の第２の垂直線３０によって水平方向に空間的に限られる。第２のグリッド１６の第１の垂直線２８と第２のグリッド１６の第２の垂直線３０との間に空間的にかつ時間的に生成された複数の垂直線が存在する。グリッド生成器１０から距離Ｒ₂離れたところにおける第２のグリッド１６は、第２のグリッド１６の第１の水平線３２および第２のグリッド１６の第２の水平線３４によって空間的に垂直方向に限られる。第２のグリッド１６の第１の水平線３２と第２のグリッド１６の第２の水平線３４との間に複数の水平線が空間的にかつ時間的に存在する。第２のグリッド１６上の点３６が示されている。

投影されたグリッド線の場合にはグリッド１４と１６の相似は明らかになり、この場合、第２のグリッド１６はグリッド生成器１０からより遠い距離において観察され、それによって第２のグリッド１６は第１のグリッド１４より大きく見えるようになるという点を除けば、第２のグリッド１６は第１のグリッド１４を形成する同じ線によって形成される。この意味では、第２のグリッド１６は、距離Ｒ₂においてグリッド生成器１０によって生成されたグリッド線の外観であるが、一方、第１のグリッド１４は、距離Ｒ₁におけるグリッド線の外観である。

グリッド１４および１６は、任意の数の線から成ってよい。図では、グリッド１４および１６は、１０本の垂直線と１０本の水平線から成る。より大きい数の交線から成るグリッドのほうが、より少ない数の交線から成るグリッドより、伝送の固定フィールド１２およびグリッド生成器１０からの距離のための検出角度分解能が良くなる可能性がある。グリッド１４および１６は、正方形として図示されているが、これは本発明の方法および装置のための要件ではない。グリッドは、長方形、長円形、または円形を含めて任意の形状でよい。さらに、グリッド１４および１６の交線は直交するように図示されているが、これは、本発明の方法および装置のための要件ではない。交線間の角度は、グリッドの異なる部分において直角でも、鋭角でも、または鈍角でもよい。

示されている例はデカルト座標を使用しているが、グリッド生成およびグリッド検出の両方のために、極座標系、円柱座標系、または球座標系を含めて、任意の適切な座標系が使用されてよい。例えば、極座標表示が容易にできるグリッドを形成するために、一連の同心円およびそれらの円の中心から放射状に広がる線がグリッド生成器によって空間に投影されてよい。

第２の物体または検出器モジュール３８は、グリッド生成器１０の伝送のフィールド１２の中にあってよく、検出器モジュール３８がグリッドを「見る」ことができるようにする。検出器モジュール３８は、グリッドを「見る」ように任意の適切な方法で構成されてよい。

本発明の諸実施形態は、第１の相対参照フレームを規定するグリッドを形成するために、第１の物体またはグリッド生成器から複数の変調線を空間に投影することを含む。本発明の一実施形態によれば、図２は、グリッドを空間に投影するために使用され得る方法１００を例示する。用語「空間」は、外部空間に限定されず、グリッドは、屋内および屋外を含めて任意の適切な空間に投影され得ることが理解されるであろう。方法１００は、１０２において、第１の物体から投影する水平グリッド線を形成するために第１の方向を有する偏光を投影することから開始する。１０４において、第１の物体から投影する垂直グリッド線を形成するために第１の方向と異なる第２の方向を有する偏光が投影されてよい。水平グリッド線および垂直グリッド線は、グリッドの一部を形成するために交差してよい。

用語偏光は、本明細書で使用される場合は、光波が伝播するときにその電場の方向によって規定される光の偏光状態を指すことを意味する。光偏光状態は、２つの方向における変化の任意の所望の程度によって変わり得る。しかし、使用の容易さのために、１つの偏光が、適切に設計された偏光フィルタまたは偏光器で遮断され、それでもなお対応する直交偏光が伝送されることができるようにすることができるように、２つの異なる方向が直交対として選択されてよい。

例えば、直線偏光された光は、その電場を垂直にまたは水平に偏光され得る。したがって、第１の方向は水平でよく、第２の方向は垂直でよい。２つの電場ベクトルは、垂直または直交なので、それらは相互に干渉する可能性はなく、偏光軸のアライメントに応じて直線偏光器によって遮断または伝送されることが可能である。

水平グリッド線は、１０６において変調グリッドワードによってグリッドの中の水平グリッド線を識別するためのいくつかの変調ビットから成る第１のグリッドワードを搬送するために変調されてよく、１０８において変調グリッドワードによってグリッドの中の水平グリッド線を識別するためのいくつかの変調ビットから成る第２のグリッドワードを搬送するために垂直グリッド線を変調する。第２のグリッドワードは、第１のグリッドワードと異なってよい。例えば、グリッドワードによって、グリッドの構造または特徴は、検出器モジュールによって読み取られ得るまたは検出され得るデータまたは情報を提供することが意味される。さらに、グリッドワードは、任意の数の開始ビットもしくは停止ビット、データビット、またはエラーチェックビット、訂正ビットもしくはパリティビットを含めて、任意の数のビットから成ってよい。データビットは、垂直線および水平線をビットの一意のシーケンスでエンコードすることができる。グリッドの中の位置は、検出器モジュールによるこれらのビットの検出時に、およびプロセッサ、マイクロコントローラ、または他の回路による処理時に判定され得る。振幅変調（ＡＭ）、周波数変調（ＦＭ）、直交振幅変調（ＱＡＭ）、またはそれらの組合せを含むがそれらに限定されない任意の数の知られている変調方法が、グリッドワードを水平グリッド線および垂直グリッド線にエンコードするために使用されてよい。グリッドワードをエンコードする１つの方法は、線を形成するために使用されるビームを変調することによる。変調は、ある程度周期的にビームの強度を変更することおよび／またはビームを遮断することにより実行され得る。

グリッドを形成する方法は柔軟であり、例示されている方法１００は単に例示目的のためのみであることが理解されるであろう。例えば、図示されているステップの順序は、例示目的のためのみであり、これらのステップは本発明の諸実施形態を損なうことなく異なる論理的順序で進行してもよく、または追加もしくは介在ステップが含まれてもよいことが理解されるように、決して方法１００を限定することを意味するものではない。例えば、方法１００は、グリッドの追加の部分を形成するために、追加の交差水平グリッド線および垂直グリッド線を空間に投影するステップを含んでよい。追加の交差水平グリッド線および垂直グリッド線は、空間において相互に物理的に間隔を置いて配置されてよい。そのような追加の線も変調されてよい。より詳細には、これらの線のそれぞれは空間をスキャンするので、光は、垂直スキャンおよび水平スキャンのそれぞれの間に、光の位置と同期された一意のコードで変調されてよい。これは、点の二次元グリッドを示し、各点は、順次水平スキャンおよび順次垂直スキャンの結果として生じる水平成分および垂直成分によって一意に表される。交差する投影線のそれぞれが別々にエンコードされてもよく、または交差する線のグループが同様にエンコードされてもよい。

図３は、１００の方法の一実施形態によって動作することができるグリッド生成器２００を例示する。レーザ２０４およびビーム整形器２０６を含むビーム生成器２０２、ならびにミラー２１０を有する検流計２０８、検流計駆動装置２１２、回転偏光器または偏光回転子２１４、同期装置２１６、偏光ビームスプリッタ２２０、第１のミラー２２２、および第２のミラー２２４が含まれてよい。ビーム生成器２０２は、レーザ２０４およびビーム整形器２０６を含むように例示されているが、ビーム生成器２０２は、任意の適切な照明源を含んでよい。図の例では、水平グリッド線および垂直グリッド線は、光の単一ビームを放出するレーザ２０４などの照明源から投影されてよい。代替として、水平グリッド線および垂直グリッド線は、２つの照明源または２つの光のビームを投影する照明源から投影されてもよい。

ミラー２１０を有する検流計２０８は、水平グリッド線および垂直グリッド線の少なくとも１つを形成するために、ビーム生成器２０２からの光の単一ビームをスキャンするために利用され得る。より詳細には、検流計駆動装置２１２は、検流計２０８がビームをビームスプリッタ２２０の部分に沿ってスキャンすることができるように、検流計２０８を作動させることができる。偏光回転子２１４は、直線偏光された光ビームの偏光軸を好みの角度だけ回転させる光デバイスである。偏光回転子２１４は、電子的に制御され、検流計２０８の前かまたは検流計２０８のすぐ後のいずれかに、レーザビーム経路に挿入されることが可能である。検流計２０８の前に偏光回転子２１４を配置することは、最良の偏光動作のためのスキャニング中偏光回転子２１４への零度入射角を維持するために好ましいはずである。図の例では、同期装置２１６は、グリッド生成器２００のための変調、検流計スキャン角、偏光制御、および電子同期を制御するために利用され得る。

ビームスプリッタ２２０は、ウォラストンプリズムなどの偏光キューブビームスプリッタでよい。そのようなビームスプリッタ２２０は、直線偏光の１つの状態をキューブを通して一直線に伝送し、直交直線偏光状態をキューブ対角界面から９０度の偏向角度で反射する特性を有する。第１のミラー２２２および第２のミラー２２４は、偏光水平グリッド線および偏光垂直グリッド線を同じ方向および同じ平面に向けるために利用され得る。

動作中、レーザ２０４は光のビームを生成し、このビームは、ビーム整形器２０６を通して伝送され、検流計２０８によって回転させられているミラー２１０から反射される。検流計２０８は、空間ビームスキャニング機能を実行する。ビーム生成器２０２から出て来る光は、高度に偏光されているはずである。代替として、偏光器は、光のビームが偏光器を通過するときに偏光され得るようにレーザ２０４と偏光回転子２１４との間のどこかに挿入されてもよい。偏光回転子２１４は、同期装置２１６によって検流計駆動装置２１２およびレーザ変調と同期される電子駆動信号の制御下で偏光ビームスプリッタ２２０の２つの偏光軸に沿って交互に入力偏光を偏光ビームスプリッタ２２０と一直線に合わせることにより動作する。

偏光ビームスプリッタ２２０は、回転している検流計２０８から反射され、偏光回転子２１４を通るビームの経路にある。偏光回転子２１４からの光の偏光に応じて、偏光ビームスプリッタ２２０は、偏光ビームスプリッタ２２０を通してビームを伝送するか、またはビームは、偏光ビームスプリッタ２２０対角界面において反射される。したがって、光のビームは、検流計２０８から偏光ビームスプリッタ２２０への光の偏光を交互に回転させる偏光回転子２１４を通過させ、それによって偏光ビームスプリッタ２２０から出て来る水平グリッド線および垂直グリッド線を交互に生成することにより、偏光ビームスプリッタ２２０によって交互に伝送されるかまたは反射されることが可能である。

第１の方向を有する偏光を投影することは、第１の方向を有する光の偏光ビームを投影することを含んでよく、第２の方向を有する偏光を投影することは、第２の方向を有する光の偏光ビームを投影することを含んでよいことが理解されるであろう。第１の方向を有する光の偏光ビームは、水平グリッド線を形成するために偏光ビームスプリッタ２２０の対角界面から反射されてよく、第２の方向を有する光の偏光ビームは、垂直グリッド線を形成するために偏光ビームスプリッタを通過させられてよい。このようにして、第１の方向を有する偏光は、グリッド生成器から空間に投影する水平グリッド線を形成するために投影されてよく、第１の方向と異なる第２の方向を有する偏光は、グリッド生成器から空間に投影する垂直グリッド線を形成するために投影されてよい。

偏光回転子２１４から偏光ビームスプリッタ２２０への入力アライメントに応じて、光は第１のミラー２２２または第２のミラー２２４のどちらかに伝送される。第１のミラー２２２は、偏光ビームスプリッタ２２０を通して伝送されるビームの経路に配置される。図の例における第１のミラー２２２は、スキャニングビームが図のページからビューアに向けて送出されるように配置されてよい。スキャニング動作は、ビューアから見ると垂直である。第２のミラー２２４は、偏光ビームスプリッタ２２０から反射され、時計回りに９０度回転させられること以外は第１のミラー２２２と同様に向けられたビームの経路に配置される。第２のミラー２２４は、スキャニングビームがやはり図のページから外側へ反射されるように向けられてよい。ビームは、水平であるスキャニング動作を有し、ビーム形状は、やはり垂直スキャニングビームから９０度回転させられる。したがって、２つの平行ビームが交互に生成され、それぞれ垂直および水平の別々の方向にスキャンする。対応するビーム形状はまた、相互に９０度回転させられる。第１のミラー２２２および第２のミラー２２４からの反射後に、水平グリッド線および垂直グリッド線を形成する２つの平行ビームは、同じ方向を有する偏光を含んでよい。

前述の諸実施形態は、水平グリッド線および垂直グリッド線が異なる方向を有する偏光を含む場合に、諸実施形態は水平グリッド線および垂直グリッド線が投影されることを可能にすることを含めて、様々な利益を提供した。これは、そのようなグリッド線を伝送するために非常に小さくコンパクトなグリッド生成器を利用することができるようにする可能性があり、これは、小さい空間に特に適し得るより低コストのグリッド生成器を可能にするはずである。

本明細書は、ベストモードを含めて、本発明を開示するために、さらに、当業者なら誰でも任意のデバイスまたはシステムを作成し使用すること、および任意の組み込まれた方法を実施することを含めて本発明を実施することができるようにするために、実施例を使用する。本発明の特許可能な範囲は、請求項によって規定され、当業者に思いつかれる他の実施例を含んでよい。そのような他の実施例は、請求項の文字言語と異ならない構造要素を有する場合、または請求項の文字言語と事実上異ならない同等の構造要素を含む場合は、請求項の範囲内にあるものとする。

１０ グリッド生成器
１２ 伝送のフィールド
１４ 第１のグリッド
１６ 第２のグリッド
１８ 第１の垂直線
２０ 第２の垂直線
２２ 第１の水平線
２４ 第２の水平線
２６ 第１のグリッド１４上の点
２８ 第２のグリッド１６の第１の垂直線
３０ 第２のグリッド１６の第２の垂直線
３２ 第２のグリッド１６の第１の水平線
３４ 第２のグリッド１６の第２の水平線
３６ 第２のグリッド１６上の点
３８ 検出器モジュール
１００ 方法
１０２ 第１の方向を有する偏光を投影する
１０４ 第２の方向を有する偏光を投影する
１０６ 水平グリッド線を変調する
１０８ 垂直グリッド線を変調する
２００ グリッド生成器
２０２ ビーム生成器
２０４ レーザ
２０６ ビーム整形器
２０８ 検流計
２１０ ミラー
２１２ 検流計駆動装置
２１４ 偏光回転子
２１６ 同期装置
２２０ ビームスプリッタ
２２２ 第１のミラー
２２４ 第２のミラー

Claims (14)

1. 第１の相対参照フレームを規定するグリッドを形成するために第１の物体から複数の変調線を空間に投影する自律型ビークルナビゲーション方法であって、
   前記第１の物体から空間に投影する水平グリッド線を形成するために第１の方向を有する偏光を投影するステップと、
   前記第１の物体から空間に投影する垂直グリッド線を形成するために前記第１の方向と異なる第２の方向を有する偏光を投影するステップと、
   変調された第１のグリッドワードによる、前記グリッドの中の前記水平グリッド線の識別のためのいくつかの変調ビットから成る第１のグリッドワードを帯びさせるために前記水平グリッド線を変調するステップと、
   変調された第２のグリッドワードによる、前記グリッドの中の前記垂直グリッド線の識別のためのいくつかの変調ビットから成る第２のグリッドワードを帯びさせるために前記垂直グリッド線を変調するステップと
   を含み、
   前記水平グリッド線および前記垂直グリッド線を前記投影するステップは、光の単一ビームを放出する照明源から投影するステップを含み、
   前記自律型ビークルナビゲーション方法は、前記光の単一ビームの偏光を交互に回転させるように、前記光の単一ビームが偏光回転子を通過することによって前記光の単一ビームを交互に偏光するステップをさらに含む方法。
2. 前記水平グリッド線および前記垂直グリッド線は、前記グリッドの一部を形成するために交差する、請求項１記載の方法。
3. 前記グリッドの追加の部分を形成するために追加の交差する水平グリッド線および垂直グリッド線を空間に投影するステップをさらに含む、請求項２記載の方法。
4. 前記追加の交差する水平グリッド線および垂直グリッド線は、空間において相互に物理的に間隔を置いて配置される、請求項３記載の方法。
5. 前記光の単一ビームをビーム整形器を通過させるステップをさらに含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 前記照明源はレーザである、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
7. 前記水平グリッド線および前記垂直グリッド線を前記投影するステップは、前記水平グリッド線および前記垂直グリッド線の少なくとも１つを形成するために前記光のビームをスキャンするステップをさらに含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
8. 前記光の単一ビームは、偏光を有する前記水平グリッド線および前記垂直グリッド線の前記少なくとも１つを形成するために偏光される、請求項７記載の方法。
9. 前記第１の方向を有する前記偏光を投影するステップは、第１の方向を有する光の偏光ビームを投影するステップを含む、請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
10. 前記第１の方向を有する前記光の偏光ビームは、前記水平グリッド線を形成するために偏光ビームスプリッタの対角界面から反射される、請求項９記載の方法。
11. 前記第２の方向を有する前記偏光を投影するステップは、第２の方向を有する光の偏光ビームを投影するステップを含む、請求項１０記載の方法。
12. 前記第２の方向を有する前記光の偏光ビームは、前記垂直グリッド線を形成するために前記偏光ビームスプリッタを通過させられる、請求項１１記載の方法。
13. 前記第２のワードは前記第１のワードと異なる、請求項１乃至１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記水平グリッド線および前記垂直グリッド線は、同じ方向を有する偏光を含む、請求項１乃至１３のいずれかに記載の方法。