JPH05240940A - 光計測システム - Google Patents
光計測システムInfo
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- JPH05240940A JPH05240940A JP4076148A JP7614892A JPH05240940A JP H05240940 A JPH05240940 A JP H05240940A JP 4076148 A JP4076148 A JP 4076148A JP 7614892 A JP7614892 A JP 7614892A JP H05240940 A JPH05240940 A JP H05240940A
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- Japan
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- light
- angle
- light source
- source station
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- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 光源局が設けられる計測対象位置と反射局が
設けられる計測基準位置との間の３次元的な位置関係を
常に正確に計測し得る光計測システムを提供することを
目的とする。 【構成】 移動体１の走行コース２の周囲には、複数の
再帰反射器ＣＣが任意の間隔で配置される。これら再帰
反射器ＣＣは、入射光を元来た方向へ反射する光学的性
質を有している。移動体１に搭載されたレーザ計測装置
３は、互いに異なる傾斜角度を有する２つの面ビーム４
１および４２を、移動体１に属する基準面に沿って回転
走査する。レーザ計測装置３は、再帰反射器ＣＣからの
反射光を検知することにより、面ビーム４１または４２
が再帰反射器に当たったときの回転走査角度を検出す
る。この検出された回転走査角度と面ビームの傾斜角度
と再帰反射器の座標位置とに基づいて、移動体１の３次
元空間での現在位置および傾斜角度が演算される。
設けられる計測基準位置との間の３次元的な位置関係を
常に正確に計測し得る光計測システムを提供することを
目的とする。 【構成】 移動体１の走行コース２の周囲には、複数の
再帰反射器ＣＣが任意の間隔で配置される。これら再帰
反射器ＣＣは、入射光を元来た方向へ反射する光学的性
質を有している。移動体１に搭載されたレーザ計測装置
３は、互いに異なる傾斜角度を有する２つの面ビーム４
１および４２を、移動体１に属する基準面に沿って回転
走査する。レーザ計測装置３は、再帰反射器ＣＣからの
反射光を検知することにより、面ビーム４１または４２
が再帰反射器に当たったときの回転走査角度を検出す
る。この検出された回転走査角度と面ビームの傾斜角度
と再帰反射器の座標位置とに基づいて、移動体１の３次
元空間での現在位置および傾斜角度が演算される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、光計測システムに関
し、より特定的には、光源局とこの光源局から離れた位
置に配置された複数の反射局との間の３次元的な位置関
係を計測するシステムに関する。
し、より特定的には、光源局とこの光源局から離れた位
置に配置された複数の反射局との間の３次元的な位置関
係を計測するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】陸上や水上や空中を移動する移動体の位
置と方位を、光の反射を利用して計測するシステムが従
来から種々提案されている。
置と方位を、光の反射を利用して計測するシステムが従
来から種々提案されている。
【０００３】たとえば特公平２−４８０６９号公報に
は、入射光方向に光を反射する光反射手段を移動体から
離れた箇所に少なくとも３個設置し、移動体から光ビー
ムを水平に回転走査し、光反射手段からの反射光を移動
体側で検知することにより、移動体の位置と方位を計測
する「移動体の位置方位検知装置」（以下、第１の従来
技術と称する）が開示されている。
は、入射光方向に光を反射する光反射手段を移動体から
離れた箇所に少なくとも３個設置し、移動体から光ビー
ムを水平に回転走査し、光反射手段からの反射光を移動
体側で検知することにより、移動体の位置と方位を計測
する「移動体の位置方位検知装置」（以下、第１の従来
技術と称する）が開示されている。
【０００４】また、特公平１−１３５５３号公報には、
特公平２−４８０６９号公報に開示されたような「移動
体の位置方位検知装置」において、光ビームの毎回の走
査毎に各光反射手段での反射光の受光点と光ビーム発射
点との偏差を測定し、その偏差に基づいて、次回の回転
走査における光ビームの上下発射角度を修正するような
「移動体の位置検出方法」（以下、第２の従来技術と称
する）が開示されている。
特公平２−４８０６９号公報に開示されたような「移動
体の位置方位検知装置」において、光ビームの毎回の走
査毎に各光反射手段での反射光の受光点と光ビーム発射
点との偏差を測定し、その偏差に基づいて、次回の回転
走査における光ビームの上下発射角度を修正するような
「移動体の位置検出方法」（以下、第２の従来技術と称
する）が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記第１の従来技術
は、移動体が傾いたり上下動した場合に光ビームが光反
射手段に当たらなくなるため、移動体の位置および方位
が計測できないという問題点があった。また、第１の従
来技術は、移動体の２次元的な座標位置は計測できる
が、移動体の３次元的な位置および姿勢を計測すること
ができないという問題点があった。
は、移動体が傾いたり上下動した場合に光ビームが光反
射手段に当たらなくなるため、移動体の位置および方位
が計測できないという問題点があった。また、第１の従
来技術は、移動体の２次元的な座標位置は計測できる
が、移動体の３次元的な位置および姿勢を計測すること
ができないという問題点があった。
【０００６】一方、上記第２の従来技術は、移動体が傾
いたり上下動しても、確実に光ビームを光反射手段に当
てることはできるが、移動体の傾斜や上下動に伴う計測
誤差は補正できないという問題点があった。また、第２
の従来技術は、第１の従来技術と同様に、移動体の３次
元的な位置および姿勢を計測することができないという
問題点があった。
いたり上下動しても、確実に光ビームを光反射手段に当
てることはできるが、移動体の傾斜や上下動に伴う計測
誤差は補正できないという問題点があった。また、第２
の従来技術は、第１の従来技術と同様に、移動体の３次
元的な位置および姿勢を計測することができないという
問題点があった。
【０００７】それゆえに、この発明の目的は、光源局が
設けられた計測対象位置と反射局が設けられた計測基準
位置との間の３次元的な位置関係を常に正確に計測し得
る光計測システムを提供することである。
設けられた計測対象位置と反射局が設けられた計測基準
位置との間の３次元的な位置関係を常に正確に計測し得
る光計測システムを提供することである。
【０００８】この発明の他の目的は、移動体が傾いたり
上下動しても、常に正確に移動体の３次元位置および姿
勢を計測し得る光計測システムを提供することである。
上下動しても、常に正確に移動体の３次元位置および姿
勢を計測し得る光計測システムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る光計測シ
ステムは、光源局とこの光源局から離れた位置に配置さ
れた複数の反射局との間の３次元的な位置関係を計測す
るシステムであって、各反射局は、入射した光を元来た
方向へ反射する再帰反射器を含み、光源局は、光源局に
属する基準面に対してそれぞれ第１および第２の傾斜角
度を有する面状の第１および第２の光ビームを、この基
準面に対して平行に回転走査する回転走査手段と、第１
および第２の光ビームに応答する各反射局からの反射光
を検知するための反射光検知手段と、反射光検知手段か
ら検知出力が得られたときの第１および第２の光ビーム
の回転走査角度を検出するための角度検出手段と、角度
検出手段により検出された回転走査角度と第１および第
２の光ビームの各傾斜角度とに基づいて、光源局と反射
局との間の３次元的な位置関係を演算するための演算手
段とを含むことを特徴とする。
ステムは、光源局とこの光源局から離れた位置に配置さ
れた複数の反射局との間の３次元的な位置関係を計測す
るシステムであって、各反射局は、入射した光を元来た
方向へ反射する再帰反射器を含み、光源局は、光源局に
属する基準面に対してそれぞれ第１および第２の傾斜角
度を有する面状の第１および第２の光ビームを、この基
準面に対して平行に回転走査する回転走査手段と、第１
および第２の光ビームに応答する各反射局からの反射光
を検知するための反射光検知手段と、反射光検知手段か
ら検知出力が得られたときの第１および第２の光ビーム
の回転走査角度を検出するための角度検出手段と、角度
検出手段により検出された回転走査角度と第１および第
２の光ビームの各傾斜角度とに基づいて、光源局と反射
局との間の３次元的な位置関係を演算するための演算手
段とを含むことを特徴とする。
【００１０】請求項２に係る光計測システムは、請求項
１に係る光計測システムにおいて、さらに以下のことを
特徴とする。すなわち、請求項２に係る光計測システム
では、光源局は、移動体に設けられ、各反射局は、それ
ぞれ異なる固定位置に配置された複数の固定物体に設け
られる。
１に係る光計測システムにおいて、さらに以下のことを
特徴とする。すなわち、請求項２に係る光計測システム
では、光源局は、移動体に設けられ、各反射局は、それ
ぞれ異なる固定位置に配置された複数の固定物体に設け
られる。
【００１１】請求項３に係る光計測システムは、請求項
２に係る光計測システムにおいて、さらに以下のことを
特徴とする。すなわち、請求項３に係る光計測システム
では、各固定物体の絶対座標位置は、予め既知であり、
演算手段は、角度検出手段により検出された回転走査角
度と第１および第２の光ビームの各傾斜角度と各固定物
体の絶対座標位置とに基づいて、３次元空間内での移動
体の絶対座標位置と絶対基準面に対する移動体の傾斜角
度とを演算する。
２に係る光計測システムにおいて、さらに以下のことを
特徴とする。すなわち、請求項３に係る光計測システム
では、各固定物体の絶対座標位置は、予め既知であり、
演算手段は、角度検出手段により検出された回転走査角
度と第１および第２の光ビームの各傾斜角度と各固定物
体の絶対座標位置とに基づいて、３次元空間内での移動
体の絶対座標位置と絶対基準面に対する移動体の傾斜角
度とを演算する。
【００１２】請求項４に係る光計測システムは、請求項
１に係る光計測システムにおいて、さらに以下のことを
特徴とする。すなわち、請求項４に係る光計測システム
では、光源局は、主移動体に設けられ、各反射局は、そ
れぞれ主移動体の周囲を移動する複数の副移動体に設け
られ、演算手段は、各副移動体に対する主移動体の３次
元的な位置関係を演算する。
１に係る光計測システムにおいて、さらに以下のことを
特徴とする。すなわち、請求項４に係る光計測システム
では、光源局は、主移動体に設けられ、各反射局は、そ
れぞれ主移動体の周囲を移動する複数の副移動体に設け
られ、演算手段は、各副移動体に対する主移動体の３次
元的な位置関係を演算する。
【００１３】
【作用】請求項１に係る発明においては、光源局に属す
る基準面に対してそれぞれ第１および第２の傾斜角度を
有する面状の第１および第２の光ビームを基準面に平行
に回転走査し、第１または第２の光ビームに応答する各
反射局からの反射光を検知したときの第１または第２の
光ビームの回転走査角度を検出することにより、検出さ
れた回転走査角度と第１および第２の光ビームの各傾斜
角度とに基づいて、光源局と反射局との間の３次元的な
位置関係が演算により求められる。
る基準面に対してそれぞれ第１および第２の傾斜角度を
有する面状の第１および第２の光ビームを基準面に平行
に回転走査し、第１または第２の光ビームに応答する各
反射局からの反射光を検知したときの第１または第２の
光ビームの回転走査角度を検出することにより、検出さ
れた回転走査角度と第１および第２の光ビームの各傾斜
角度とに基づいて、光源局と反射局との間の３次元的な
位置関係が演算により求められる。
【００１４】請求項２に係る発明においては、光源局は
移動体に設けられ、各反射局はそれぞれ異なる固定位置
に配置された複数の固定物体に設けられている。したが
って、移動体と固定物体との間の３次元的な位置関係が
演算により求められる。
移動体に設けられ、各反射局はそれぞれ異なる固定位置
に配置された複数の固定物体に設けられている。したが
って、移動体と固定物体との間の３次元的な位置関係が
演算により求められる。
【００１５】請求項３に係る発明においては、角度検出
手段により検出された回転走査角度と第１および第２の
光ビームの各傾斜角度と各固定物体の絶対座標位置とに
基づいて、３次元空間内での移動体の絶対座標位置と絶
対基準面に対する移動体の傾斜角度とが演算により求め
られる。
手段により検出された回転走査角度と第１および第２の
光ビームの各傾斜角度と各固定物体の絶対座標位置とに
基づいて、３次元空間内での移動体の絶対座標位置と絶
対基準面に対する移動体の傾斜角度とが演算により求め
られる。
【００１６】請求項４に係る発明においては、光源局は
主移動体に設けられ、各反射局はそれぞれ主移動体の周
囲を移動する複数の副移動体に設けられる。したがっ
て、演算手段は、各副移動体に対する主移動体の３次元
的な位置関係を演算する。
主移動体に設けられ、各反射局はそれぞれ主移動体の周
囲を移動する複数の副移動体に設けられる。したがっ
て、演算手段は、各副移動体に対する主移動体の３次元
的な位置関係を演算する。
【００１７】
【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例につ
いて説明するが、具体的な構成および動作を説明する前
に、後述する実施例の測定原理を図７〜図１０を参照し
て説明する。なお、本実施例による光計測システムで
は、たとえば図１に示すように、移動体１の走行コース
２の周囲に複数の再帰反射器ＣＣが任意の間隔で配置さ
れている。各再帰反射器ＣＣは、入射光の入射角度にか
かわらず当該入射角度と同一の出射角度で反射光を出射
するような光学的性質を有している。また、移動体１か
らは再帰反射器ＣＣを検知するために、２本の面状の光
ビーム（以下、面ビームと称する）が発射される。
いて説明するが、具体的な構成および動作を説明する前
に、後述する実施例の測定原理を図７〜図１０を参照し
て説明する。なお、本実施例による光計測システムで
は、たとえば図１に示すように、移動体１の走行コース
２の周囲に複数の再帰反射器ＣＣが任意の間隔で配置さ
れている。各再帰反射器ＣＣは、入射光の入射角度にか
かわらず当該入射角度と同一の出射角度で反射光を出射
するような光学的性質を有している。また、移動体１か
らは再帰反射器ＣＣを検知するために、２本の面状の光
ビーム（以下、面ビームと称する）が発射される。
【００１８】（１）本実施例における計測の対象 図７を参照して、固定直交座標系Ｏ−ＸＹＺにおいて、
移動体座標系ｏ−ｘｙｚの原点位置および各軸のずれ角
度は、それぞれ固定直交座標系Ｏ−ＸＹＺにおける移動
体の位置（ＸP ，ＹP ，ＺP ）および姿勢（Ψ，Θ，
Φ）を示している。また、点Ｃi は、固定直交座標系Ｏ
−ＸＹＺにおけるｉ番目の再帰反射器ＣＣの座標
（Ｘci，Ｙci，Ｚci）を示している。本実施例では、固
定直交座標系Ｏ−ＸＹＺにおける移動体の位置（ＸP ，
ＹP ，ＺP ）および姿勢（Ψ，Θ，Φ）を求めるもので
ある。
移動体座標系ｏ−ｘｙｚの原点位置および各軸のずれ角
度は、それぞれ固定直交座標系Ｏ−ＸＹＺにおける移動
体の位置（ＸP ，ＹP ，ＺP ）および姿勢（Ψ，Θ，
Φ）を示している。また、点Ｃi は、固定直交座標系Ｏ
−ＸＹＺにおけるｉ番目の再帰反射器ＣＣの座標
（Ｘci，Ｙci，Ｚci）を示している。本実施例では、固
定直交座標系Ｏ−ＸＹＺにおける移動体の位置（ＸP ，
ＹP ，ＺP ）および姿勢（Ψ，Θ，Φ）を求めるもので
ある。
【００１９】（２）移動体の３次元位置（ＸP ，ＹP ，
ＺP ）および姿勢（Ψ，Θ，Φ）の求め方 図８を参照して、固定直交座標系Ｏ−ＸＹＺにおける移
動体座標系ｏ−ｘｙｚの原点ｏの位置ベクトルを〈Ｐ〉
とし回転行列を〈Ｒ〉とすると、固定直交座標系Ｏ−Ｘ
ＹＺと移動体座標系ｏ−ｘｙｚとの座標変換は、次式
（１）で表せる。 〈Ｘ〉＝〈Ｒ〉〈ｘ〉＋〈Ｐ〉 …（１）
ＺP ）および姿勢（Ψ，Θ，Φ）の求め方 図８を参照して、固定直交座標系Ｏ−ＸＹＺにおける移
動体座標系ｏ−ｘｙｚの原点ｏの位置ベクトルを〈Ｐ〉
とし回転行列を〈Ｒ〉とすると、固定直交座標系Ｏ−Ｘ
ＹＺと移動体座標系ｏ−ｘｙｚとの座標変換は、次式
（１）で表せる。 〈Ｘ〉＝〈Ｒ〉〈ｘ〉＋〈Ｐ〉 …（１）
【００２０】したがって、ｉ番目の再帰反射器ＣＣの位
置ベクトル〈Ｃi 〉＝［Ｘci，Ｙci，Ｚci］T を、移動
体座標系ｏ−ｘｙｚで表した位置ベクトル〈ｃi 〉＝
［ｘci，ｙci，ｚci］T は次式（２）で表される。な
お、［ ］T の記号は、［ ］の中身が、転置された行
列であることを示している。 〈ｃi 〉＝〈Ｒ〉-1（〈Ｃi 〉−〈Ｐ〉） …（２）
置ベクトル〈Ｃi 〉＝［Ｘci，Ｙci，Ｚci］T を、移動
体座標系ｏ−ｘｙｚで表した位置ベクトル〈ｃi 〉＝
［ｘci，ｙci，ｚci］T は次式（２）で表される。な
お、［ ］T の記号は、［ ］の中身が、転置された行
列であることを示している。 〈ｃi 〉＝〈Ｒ〉-1（〈Ｃi 〉−〈Ｐ〉） …（２）
【００２１】また、位置ベクトル〈ｃi 〉を単位ベクト
ル〈Ｌi 〉を用いて〈ｃi 〉＝λi〈Ｌi 〉と表すと、
（２）式は（３）式となる。 〈Ｒ〉-1（〈Ｃi 〉−〈Ｐ〉）−λi 〈Ｌi 〉＝０ …（３）
ル〈Ｌi 〉を用いて〈ｃi 〉＝λi〈Ｌi 〉と表すと、
（２）式は（３）式となる。 〈Ｒ〉-1（〈Ｃi 〉−〈Ｐ〉）−λi 〈Ｌi 〉＝０ …（３）
【００２２】ただし、（３）式において単位ベクトル
〈Ｌi 〉は、 〈Ｌi 〉＝［cos ψi cos θi ，cos ψi sin θi ，sin ψi ］T である。
〈Ｌi 〉は、 〈Ｌi 〉＝［cos ψi cos θi ，cos ψi sin θi ，sin ψi ］T である。
【００２３】いま、移動体座標系ｏ−ｘｙｚの原点ｏの
位置ベクトル〈Ｐ〉を、 〈Ｐ〉＝［ｘP ，ｙP ，ｚP ］T とし、回転行列〈Ｒ〉をオイラー角を用いて次式のよう
に表現するものとする。
位置ベクトル〈Ｐ〉を、 〈Ｐ〉＝［ｘP ，ｙP ，ｚP ］T とし、回転行列〈Ｒ〉をオイラー角を用いて次式のよう
に表現するものとする。
【００２４】
【数１】
【００２５】そうすると、最低３個の再帰反射器ＣＣに
ついて（３）式が求められ、それを書き換えると次式
（４）が得られる。 〈Ｆ（Ψ，Θ，Φ，ｘP ，ｙP ，ｚP ，λ1 ，λ2 ，λ3 ）〉＝０…（４）
ついて（３）式が求められ、それを書き換えると次式
（４）が得られる。 〈Ｆ（Ψ，Θ，Φ，ｘP ，ｙP ，ｚP ，λ1 ，λ2 ，λ3 ）〉＝０…（４）
【００２６】したがって、単位ベクトル〈Ｌi 〉が得ら
れれば、上式（４）に対してたとえば数値解析の手法
（たとえばニュートンラフソン法）を用いることで、移
動体の３次元位置（ＸP ，ＹP ，ＺP ）および姿勢
（Ψ，Θ，Φ）が求められる。
れれば、上式（４）に対してたとえば数値解析の手法
（たとえばニュートンラフソン法）を用いることで、移
動体の３次元位置（ＸP ，ＹP ，ＺP ）および姿勢
（Ψ，Θ，Φ）が求められる。
【００２７】ここで、図９を参照して、オイラー角につ
いて説明する。オイラー角とは次のような３つの順序を
有する回転Ψ，Θ，Φによって定義される。
いて説明する。オイラー角とは次のような３つの順序を
有する回転Ψ，Θ，Φによって定義される。
【００２８】まず、Ｘ0 Ｙ0 Ｚ0 系をＺ0 軸回りに回転
し、Ｘ0 がＺ0 とＸ3 とで定まる面に含まれるようにす
る。このときの回転角をΨとし、この位置にあるＸ0 Ｙ
0 Ｚ0 系をＸ1 Ｙ1 Ｚ1 系と名付け、その座標変換行列
をＦ1 （Ψ）とする。次に、Ｘ1 Ｙ1 Ｚ1 系をＹ1 軸回
りに回転し、Ｘ1 をＸ3 に一致させ、これをＸ2 Ｙ2Ｚ
2 系と名付ける。このときの回転角をΘとし、その座標
変換行列をＦ2 （Θ）とする。最後にＸ2 Ｙ2 Ｚ2 系を
Ｘ2 軸回りに回転し、Ｘ3 Ｙ3 Ｚ3 に一致させる。この
ときの回転角をΦとし、その座標変換行列をＦ3 （Φ）
とする。このように定義された回転角Ψ，Θ，Φをオイ
ラー角と呼ぶ。
し、Ｘ0 がＺ0 とＸ3 とで定まる面に含まれるようにす
る。このときの回転角をΨとし、この位置にあるＸ0 Ｙ
0 Ｚ0 系をＸ1 Ｙ1 Ｚ1 系と名付け、その座標変換行列
をＦ1 （Ψ）とする。次に、Ｘ1 Ｙ1 Ｚ1 系をＹ1 軸回
りに回転し、Ｘ1 をＸ3 に一致させ、これをＸ2 Ｙ2Ｚ
2 系と名付ける。このときの回転角をΘとし、その座標
変換行列をＦ2 （Θ）とする。最後にＸ2 Ｙ2 Ｚ2 系を
Ｘ2 軸回りに回転し、Ｘ3 Ｙ3 Ｚ3 に一致させる。この
ときの回転角をΦとし、その座標変換行列をＦ3 （Φ）
とする。このように定義された回転角Ψ，Θ，Φをオイ
ラー角と呼ぶ。
【００２９】（３）移動体からの観測角θi ，ψi の求
め方 図１０を参照して、移動体座標系ｏ−ｘｙｚにおいて、
原点ｏを通りｘｚ平面に平行な平面をｘ軸回りにα
1 （＞０）だけ回転させ、さらにｚ軸回りに回転させｉ
番目の再帰反射器ＣＣの位置Ｃi を含む平面をｏＣi Ａ
i とする。このときのｚ軸回りの回転角をθi1とする。
同様に、原点ｏを通りｘｚ平面に平行な平面をｘ軸回り
にα2 （＞０）だけ回転させ、さらにｚ軸回りに回転さ
せｉ番目の再帰反射ＣＣの位置Ｃi を含む平面をｏＣi
Ｂi とする。このときのｚ軸回りの回転角をθi2とす
る。Ｃi からｘｙ平面に下ろした垂線の足とｘｙ平面と
の交点をＤi とし、ｏＤi がｘ軸となす角をθi ，ｏＣ
i とｏＤi とのなす角をψi とすれば、θi とψi は次
式（５）および（６）で示される。
め方 図１０を参照して、移動体座標系ｏ−ｘｙｚにおいて、
原点ｏを通りｘｚ平面に平行な平面をｘ軸回りにα
1 （＞０）だけ回転させ、さらにｚ軸回りに回転させｉ
番目の再帰反射器ＣＣの位置Ｃi を含む平面をｏＣi Ａ
i とする。このときのｚ軸回りの回転角をθi1とする。
同様に、原点ｏを通りｘｚ平面に平行な平面をｘ軸回り
にα2 （＞０）だけ回転させ、さらにｚ軸回りに回転さ
せｉ番目の再帰反射ＣＣの位置Ｃi を含む平面をｏＣi
Ｂi とする。このときのｚ軸回りの回転角をθi2とす
る。Ｃi からｘｙ平面に下ろした垂線の足とｘｙ平面と
の交点をＤi とし、ｏＤi がｘ軸となす角をθi ，ｏＣ
i とｏＤi とのなす角をψi とすれば、θi とψi は次
式（５）および（６）で示される。
【００３０】
【数２】
【００３１】以下、上記原理を利用した、この発明の一
実施例の構成および動作について説明する。
実施例の構成および動作について説明する。
【００３２】図１は、この発明の一実施例に係る光計測
システムの全体構成を示す斜視図である。図において、
移動体１の走行コース２の周囲には、複数の再帰反射器
ＣＣが任意の間隔で配置されている。なお、再帰反射器
としては、たとえばコーナキューブが用いられる。周知
のごとく、コーナキューブは、互いに直交する３つの光
反射面を備えており、入射光の入射角度にかかわらず入
射角度と同一の出射角度で反射光を出射する光学的性質
を有している。すなわち、反射光は入射光の経路を逆に
たどり、元来た方向へと戻る。
システムの全体構成を示す斜視図である。図において、
移動体１の走行コース２の周囲には、複数の再帰反射器
ＣＣが任意の間隔で配置されている。なお、再帰反射器
としては、たとえばコーナキューブが用いられる。周知
のごとく、コーナキューブは、互いに直交する３つの光
反射面を備えており、入射光の入射角度にかかわらず入
射角度と同一の出射角度で反射光を出射する光学的性質
を有している。すなわち、反射光は入射光の経路を逆に
たどり、元来た方向へと戻る。
【００３３】一方、移動体１には、レーザ計測装置３が
搭載されている。このレーザ計測装置３は、図２に示す
ように、ビーム発射器５と、回転駆動装置６と、演算装
置７とを含む。回転駆動装置６および演算装置７は、ハ
ウジング３０の内部に収納されている。ビーム発射器５
は、回転軸６２と一体的に構成された回転プレート６１
の上に取り付けられており、回転駆動装置６により移動
体１に属する基準面（移動体座標系のｘｙ平面）に沿っ
て回転する。したがって、ビーム発射器５から発射され
る２つの面ビーム４１および４２は、回転軸６２を中心
にして上記基準面に平行に回転走査される。
搭載されている。このレーザ計測装置３は、図２に示す
ように、ビーム発射器５と、回転駆動装置６と、演算装
置７とを含む。回転駆動装置６および演算装置７は、ハ
ウジング３０の内部に収納されている。ビーム発射器５
は、回転軸６２と一体的に構成された回転プレート６１
の上に取り付けられており、回転駆動装置６により移動
体１に属する基準面（移動体座標系のｘｙ平面）に沿っ
て回転する。したがって、ビーム発射器５から発射され
る２つの面ビーム４１および４２は、回転軸６２を中心
にして上記基準面に平行に回転走査される。
【００３４】ビーム発射器５は、再帰反射器ＣＣを検知
するために、面ビーム４１および４２を発射する同一構
成の２組の投受光ユニット８Ａおよび８Ｂを備えてい
る。各投受光ユニットは、図３に示されるようにハウジ
ング８０の内部に光源の一例のレーザダイオード８１
と、コリメートレンズ８２と、シリンドリカルレンズ８
３と、集光レンズ８４と、受光素子の一例のフォトダイ
オード８５とが図示のように配置されて構成されてい
る。なお、光源は指向性の鋭いものであれば良く、レー
ザダイオード８１に代えて発光ダイオードや気体レーザ
などが用いられても良い。
するために、面ビーム４１および４２を発射する同一構
成の２組の投受光ユニット８Ａおよび８Ｂを備えてい
る。各投受光ユニットは、図３に示されるようにハウジ
ング８０の内部に光源の一例のレーザダイオード８１
と、コリメートレンズ８２と、シリンドリカルレンズ８
３と、集光レンズ８４と、受光素子の一例のフォトダイ
オード８５とが図示のように配置されて構成されてい
る。なお、光源は指向性の鋭いものであれば良く、レー
ザダイオード８１に代えて発光ダイオードや気体レーザ
などが用いられても良い。
【００３５】レーザダイオード８１から出射された光は
コリメートレンズ８２で平行光とされた後、所定の角度
だけ傾けられたシリンドリカルレンズ８３によって２次
元方向に広げられ、所定の広がり角と所定の傾きを有す
る面ビーム４１（または４２）となって外部へ出射され
る。面ビーム４１の傾き角はα1 であり、面ビーム４２
の傾き角はα2 である。なお、２組の投受光ユニット８
Ａおよび８Ｂの代わりに１つの投受光ユニットを設け、
シリンドリカルレンズ８３を回転させることにより、上
記傾き角α1 ，α2 を有する２つの面ビーム４１および
４２を得るようにしても良い。
コリメートレンズ８２で平行光とされた後、所定の角度
だけ傾けられたシリンドリカルレンズ８３によって２次
元方向に広げられ、所定の広がり角と所定の傾きを有す
る面ビーム４１（または４２）となって外部へ出射され
る。面ビーム４１の傾き角はα1 であり、面ビーム４２
の傾き角はα2 である。なお、２組の投受光ユニット８
Ａおよび８Ｂの代わりに１つの投受光ユニットを設け、
シリンドリカルレンズ８３を回転させることにより、上
記傾き角α1 ，α2 を有する２つの面ビーム４１および
４２を得るようにしても良い。
【００３６】外部へ出射された面ビーム４１および４２
は、いずれかの再帰反射器ＣＣに当たると、点線で示す
反射光４３（または４４）となって投受光ユニット８Ａ
（または８Ｂ）にそれぞれ戻って来る。この反射光４３
（または４４）は、集光レンズ８４で集光され、フォト
ダイオード８５で検知される。なお、反射光４３（また
は４４）は、面ビームとなって戻って来るので、フォト
ダイオード８５はレーザダイオード８１の光軸から少し
ずれて配置されていても反射光４３（または４４）を検
知できる。
は、いずれかの再帰反射器ＣＣに当たると、点線で示す
反射光４３（または４４）となって投受光ユニット８Ａ
（または８Ｂ）にそれぞれ戻って来る。この反射光４３
（または４４）は、集光レンズ８４で集光され、フォト
ダイオード８５で検知される。なお、反射光４３（また
は４４）は、面ビームとなって戻って来るので、フォト
ダイオード８５はレーザダイオード８１の光軸から少し
ずれて配置されていても反射光４３（または４４）を検
知できる。
【００３７】次に、図４および図５を参照して、上記実
施例の３次元空間での幾何学的関係を説明しておく。い
ま、移動体１の上に搭載されたレーザ計測装置３内のビ
ーム発射器５から発射される面ビームのうち、α1 傾い
て出射した面ビーム４１を移動体１の基準面内で回転す
れば、再帰反射器ＣＣに当たる回転角度としてθi1が求
められ、α2 傾いて出射した面ビーム４２を移動体１の
基準面内で回転すれば、再帰反射器ＣＣに当たる回転角
度としてθi2が求められる。したがって、これらθi1お
よびθi2を前述の（５），（６）式に代入することによ
り移動体１からの観測角θi ，ψi が求められる。そし
て、この観測角の計測動作を、少なくとも３個の再帰反
射器ＣＣに対して行えば、前述の（４）式から面ビーム
の回転中心の３次元位置（固定座標系Ｏ−ＸＹＺにおけ
る３次元位置）および姿勢が求められる。
施例の３次元空間での幾何学的関係を説明しておく。い
ま、移動体１の上に搭載されたレーザ計測装置３内のビ
ーム発射器５から発射される面ビームのうち、α1 傾い
て出射した面ビーム４１を移動体１の基準面内で回転す
れば、再帰反射器ＣＣに当たる回転角度としてθi1が求
められ、α2 傾いて出射した面ビーム４２を移動体１の
基準面内で回転すれば、再帰反射器ＣＣに当たる回転角
度としてθi2が求められる。したがって、これらθi1お
よびθi2を前述の（５），（６）式に代入することによ
り移動体１からの観測角θi ，ψi が求められる。そし
て、この観測角の計測動作を、少なくとも３個の再帰反
射器ＣＣに対して行えば、前述の（４）式から面ビーム
の回転中心の３次元位置（固定座標系Ｏ−ＸＹＺにおけ
る３次元位置）および姿勢が求められる。
【００３８】次に、図６を参照して、上記実施例の電気
回路部分の構成を説明する。図において、ビーム発射器
５は２組の投受光ユニット８Ａおよび８Ｂを備えてい
る。それぞれの投受光ユニット８Ａおよび８Ｂは、レー
ザダイオード８１０，８１１と、フォトダイオード８２
０，８２１とを含む。演算装置７はレーザダイオード８
１０，８１１を発光させるための駆動回路７１０，７１
１と、フォトダイオード８２０，８２１の出力をそれぞ
れ増幅するための増幅器７２０，７２１と、増幅器７２
０，７２１の出力をそれぞれ波形整形するための波形整
形回路７３０，７３１と、回転駆動装置６内に設けられ
回転角に応じてパルスを発生する装置、たとえばロータ
リエンコーダ６３からのパルスをカウントするカウンタ
７４０と、移動体１の３次元位置および姿勢を演算する
ＣＰＵ７６０と、ＣＰＵ７６０へ角度データを受け渡す
ためのインタフェイス７５０とを含む。なお、ＣＰＵ７
６０は、外部記憶装置９と接続されている。外部記憶装
置９には、ＣＰＵ７６０のための動作プログラムが格納
されている。
回路部分の構成を説明する。図において、ビーム発射器
５は２組の投受光ユニット８Ａおよび８Ｂを備えてい
る。それぞれの投受光ユニット８Ａおよび８Ｂは、レー
ザダイオード８１０，８１１と、フォトダイオード８２
０，８２１とを含む。演算装置７はレーザダイオード８
１０，８１１を発光させるための駆動回路７１０，７１
１と、フォトダイオード８２０，８２１の出力をそれぞ
れ増幅するための増幅器７２０，７２１と、増幅器７２
０，７２１の出力をそれぞれ波形整形するための波形整
形回路７３０，７３１と、回転駆動装置６内に設けられ
回転角に応じてパルスを発生する装置、たとえばロータ
リエンコーダ６３からのパルスをカウントするカウンタ
７４０と、移動体１の３次元位置および姿勢を演算する
ＣＰＵ７６０と、ＣＰＵ７６０へ角度データを受け渡す
ためのインタフェイス７５０とを含む。なお、ＣＰＵ７
６０は、外部記憶装置９と接続されている。外部記憶装
置９には、ＣＰＵ７６０のための動作プログラムが格納
されている。
【００３９】次に、上記実施例の動作について説明す
る。いま、ロータリエンコーダ６３の回転基準位置と投
受光ユニット８Ａからの面ビーム４１の出射方向とが合
わせてあり、移動体座標系のｘ軸正方向に面ビーム４１
が向いたときカウンタ７４０がロータリエンコーダ６３
からのリセット信号によりリセットされるものとする。
投受光ユニット８Ａおよび８Ｂが回転駆動装置６により
移動体１に属する基準面に沿って回転すると、回転軸６
２の回転と同期してロータリエンコーダ６３からパルス
が出力される。このパルスは、カウンタ７４０により計
数される。面ビーム４１が再帰反射器ＣＣに当たると、
その反射光４３がフォトダイオード８２０で検知され
る。フォトダイオード８２０の検知信号は、増幅器７２
０および波形整形回路７３０を介してラッチ信号として
カウンタ７４０に送られる。このときのカウンタ７４０
の計数データすなわち角度データは、インタフェイス７
５０を介して受光判別信号とともにＣＰＵ７６０に送ら
れる。同様の動作が、少なくとも３個の再帰反射器ＣＣ
に対して各面ビームごとに行われる。
る。いま、ロータリエンコーダ６３の回転基準位置と投
受光ユニット８Ａからの面ビーム４１の出射方向とが合
わせてあり、移動体座標系のｘ軸正方向に面ビーム４１
が向いたときカウンタ７４０がロータリエンコーダ６３
からのリセット信号によりリセットされるものとする。
投受光ユニット８Ａおよび８Ｂが回転駆動装置６により
移動体１に属する基準面に沿って回転すると、回転軸６
２の回転と同期してロータリエンコーダ６３からパルス
が出力される。このパルスは、カウンタ７４０により計
数される。面ビーム４１が再帰反射器ＣＣに当たると、
その反射光４３がフォトダイオード８２０で検知され
る。フォトダイオード８２０の検知信号は、増幅器７２
０および波形整形回路７３０を介してラッチ信号として
カウンタ７４０に送られる。このときのカウンタ７４０
の計数データすなわち角度データは、インタフェイス７
５０を介して受光判別信号とともにＣＰＵ７６０に送ら
れる。同様の動作が、少なくとも３個の再帰反射器ＣＣ
に対して各面ビームごとに行われる。
【００４０】次に、ＣＰＵ７６０は、上記のようにして
求めた角度データθi1，θi2（ｉ＝１，２，３）を、前
述の（５）（６）式に代入して観測角θi とψi （ｉ＝
１，２，３）を計算する。次に、ＣＰＵ７６０は、計算
された観測角θi とψi （ｉ＝１，２，３）を前述の
（４）式に代入し、移動体座標系ｏ−ｘｙｚにおける移
動体の３次元位置（ｘP ，ｙP ，ｚP ）と姿勢（Ψ，
Θ，Φ）を計算する。さらに、（１）式を用いて固定直
交座標系Ｏ−ＸＹＺにおける移動体の位置（ＸP ，
ＹP ，ＺP ）および姿勢（Ψ，Θ，Φ）を計算する。
求めた角度データθi1，θi2（ｉ＝１，２，３）を、前
述の（５）（６）式に代入して観測角θi とψi （ｉ＝
１，２，３）を計算する。次に、ＣＰＵ７６０は、計算
された観測角θi とψi （ｉ＝１，２，３）を前述の
（４）式に代入し、移動体座標系ｏ−ｘｙｚにおける移
動体の３次元位置（ｘP ，ｙP ，ｚP ）と姿勢（Ψ，
Θ，Φ）を計算する。さらに、（１）式を用いて固定直
交座標系Ｏ−ＸＹＺにおける移動体の位置（ＸP ，
ＹP ，ＺP ）および姿勢（Ψ，Θ，Φ）を計算する。
【００４１】なお、上記実施例では、移動体の一例とし
て道路上を走行する車両について示したが、この発明は
水上を移動する船舶や空中を移動する航空機等の位置計
測や姿勢計測にも適用が可能である。
て道路上を走行する車両について示したが、この発明は
水上を移動する船舶や空中を移動する航空機等の位置計
測や姿勢計測にも適用が可能である。
【００４２】また、上記実施例では、再帰反射器を固定
位置に設けるようにしたが、たとえば主移動体と編隊を
組んで移動する複数の副移動体に再帰反射器を設けるよ
うにしても良い。この場合、主移動体と各副移動体との
間の３次元的な位置関係および姿勢を計測することがで
きる。
位置に設けるようにしたが、たとえば主移動体と編隊を
組んで移動する複数の副移動体に再帰反射器を設けるよ
うにしても良い。この場合、主移動体と各副移動体との
間の３次元的な位置関係および姿勢を計測することがで
きる。
【００４３】
【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、光源局と
反射局との間の３次元的な位置関係を正確に計測するこ
とができる。
反射局との間の３次元的な位置関係を正確に計測するこ
とができる。
【００４４】請求項２に係る発明によれば、移動体と固
定物体との間の３次元的な位置関係を正確に計測するこ
とができる。
定物体との間の３次元的な位置関係を正確に計測するこ
とができる。
【００４５】請求項３に係る発明によれば、３次元空間
内での移動体の絶対座標位置と絶対基準面に対する移動
体の傾斜角度とを計測することができる。したがって、
移動体の傾斜や上下動にかかわらず常に正確な位置およ
び姿勢の計測が可能である。
内での移動体の絶対座標位置と絶対基準面に対する移動
体の傾斜角度とを計測することができる。したがって、
移動体の傾斜や上下動にかかわらず常に正確な位置およ
び姿勢の計測が可能である。
【００４６】請求項４に係る発明によれば、たとえば編
隊を組んで移動する主移動体と副移動体との間の３次元
的な位置関係を正確に計測することができる。
隊を組んで移動する主移動体と副移動体との間の３次元
的な位置関係を正確に計測することができる。
【図１】この発明の一実施例に係る光計測システムの全
体構成を示す斜視図である。
体構成を示す斜視図である。
【図２】図１における移動体に搭載されるレーザー計測
装置の構成を示す一部断面図である。
装置の構成を示す一部断面図である。
【図３】図２におけるビーム発射器に搭載される投受光
ユニットの構成を示す一部破断斜視図である。
ユニットの構成を示す一部破断斜視図である。
【図４】図１に示す実施例において移動体と再帰反射器
との間の３次元空間での幾何学的関係を示す図解図であ
る。
との間の３次元空間での幾何学的関係を示す図解図であ
る。
【図５】図１に示す実施例において移動体と再帰反射器
との間の３次元空間での幾何学的関係を示す図解図であ
る。
との間の３次元空間での幾何学的関係を示す図解図であ
る。
【図６】この発明の一実施例の電気回路部分の構成を示
すブロック図である。
すブロック図である。
【図７】固定座標系と移動体座標系との関係を示す幾何
学的模式図である。
学的模式図である。
【図８】固定座標系と移動体座標系との関係を示す幾何
学的模式図である。
学的模式図である。
【図９】オイラー角を説明するための幾何学的模式図で
ある。
ある。
【図１０】図１に示す実施例において移動体で計測すべ
き再帰反射器の観測角を示す幾何学的模式図である。
き再帰反射器の観測角を示す幾何学的模式図である。
ＣＣ：再帰反射器 １：移動体 ２：走行コース ３：レーザ計測装置 ５：ビーム発射器 ６：回転駆動装置 ７：演算装置 ８Ａ，８Ａ：投受光ユニット ４１：α1 傾いた面ビーム ４２：α2 傾いた面ビーム ６３：ロータリエンコーダ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西出 健一 東京都狛江市和泉本町１丁目35番１号 東 京航空計器株式会社内 (72)発明者 塙 守智 東京都狛江市和泉本町１丁目35番１号 東 京航空計器株式会社内
Claims (4)
- 【請求項１】 光源局とこの光源局から離れた位置に配
置された複数の反射局との間の３次元的な位置関係を計
測する光計測システムであって、 各前記反射局は、入射した光を元来た方向へ反射する再
帰反射器を含み、 前記光源局は、 当該光源局に属する基準面に対してそれぞれ第１および
第２の傾斜角度を有する面状の第１および第２の光ビー
ムを、当該基準面に対して平行に回転走査する回転走査
手段と、 前記第１および第２の光ビームに応答する各前記反射局
からの反射光を検知するための反射光検知手段と、 前記反射光検知手段から検知出力が得られたときの前記
第１および第２の光ビームの回転走査角度を検出するた
めの角度検出手段と、 前記角度検出手段により検出された回転走査角度と前記
第１および第２の光ビームの各傾斜角度とに基づいて、
前記光源局と前記反射局との間の３次元的な位置関係を
演算するための演算手段とを含む、光計測システム。 - 【請求項２】 前記光源局は、移動体に設けられ、 各前記反射局は、それぞれ異なる固定位置に配置された
複数の固定物体に設けられる、請求項１に記載の光計測
システム。 - 【請求項３】 各前記固定物体の絶対座標位置は、予め
既知であり、 前記演算手段は、前記角度検出手段により検出された回
転走査角度と前記第１および第２の光ビームの各傾斜角
度と各前記固定物体の絶対座標位置とに基づいて、３次
元空間内での前記移動体の絶対座標位置と絶対基準面に
対する前記移動体の傾斜角度とを演算する、請求項２に
記載の光計測システム。 - 【請求項４】 前記光源局は、主移動体に設けられ、 各前記反射局は、それぞれ前記主移動体の周囲を移動す
る複数の副移動体に設けられ、 前記演算手段は、各前記副移動体に対する前記主移動体
の３次元的な位置関係を演算する、請求項１に記載の光
計測システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4076148A JPH05240940A (ja) | 1992-02-26 | 1992-02-26 | 光計測システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4076148A JPH05240940A (ja) | 1992-02-26 | 1992-02-26 | 光計測システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05240940A true JPH05240940A (ja) | 1993-09-21 |
Family
ID=13596934
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4076148A Pending JPH05240940A (ja) | 1992-02-26 | 1992-02-26 | 光計測システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05240940A (ja) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002221574A (ja) * | 2001-01-25 | 2002-08-09 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 飛翔体の空中位置同定方法及びそのシステム |
| JP2013539531A (ja) * | 2010-07-22 | 2013-10-24 | レニショウ パブリック リミテッド カンパニー | レーザ走査装置および使用方法 |
| CN107356904A (zh) * | 2017-07-25 | 2017-11-17 | 京东方科技集团股份有限公司 | 测量组件以及定位*** |
| JP2018155639A (ja) * | 2017-03-17 | 2018-10-04 | 株式会社東芝 | 移動***置推定システム、装置及び方法 |
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| US11073617B2 (en) | 2016-03-19 | 2021-07-27 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | Integrated illumination and detection for LIDAR based 3-D imaging |
| US11082010B2 (en) | 2018-11-06 | 2021-08-03 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | Systems and methods for TIA base current detection and compensation |
| US11137480B2 (en) | 2016-01-31 | 2021-10-05 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | Multiple pulse, LIDAR based 3-D imaging |
| US11703569B2 (en) | 2017-05-08 | 2023-07-18 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | LIDAR data acquisition and control |
| US11796648B2 (en) | 2018-09-18 | 2023-10-24 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | Multi-channel lidar illumination driver |
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| US11933967B2 (en) | 2019-08-22 | 2024-03-19 | Red Creamery, LLC | Distally actuated scanning mirror |
-
1992
- 1992-02-26 JP JP4076148A patent/JPH05240940A/ja active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| USRE48688E1 (en) | 2006-07-13 | 2021-08-17 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | High definition LiDAR system |
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| US11698443B2 (en) | 2016-01-31 | 2023-07-11 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | Multiple pulse, lidar based 3-D imaging |
| US11137480B2 (en) | 2016-01-31 | 2021-10-05 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | Multiple pulse, LIDAR based 3-D imaging |
| US11822012B2 (en) | 2016-01-31 | 2023-11-21 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | Multiple pulse, LIDAR based 3-D imaging |
| US11550036B2 (en) | 2016-01-31 | 2023-01-10 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | Multiple pulse, LIDAR based 3-D imaging |
| US11073617B2 (en) | 2016-03-19 | 2021-07-27 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | Integrated illumination and detection for LIDAR based 3-D imaging |
| US11874377B2 (en) | 2016-06-01 | 2024-01-16 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | Multiple pixel scanning LIDAR |
| US11561305B2 (en) | 2016-06-01 | 2023-01-24 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | Multiple pixel scanning LIDAR |
| US10983218B2 (en) | 2016-06-01 | 2021-04-20 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | Multiple pixel scanning LIDAR |
| US11550056B2 (en) | 2016-06-01 | 2023-01-10 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | Multiple pixel scanning lidar |
| US11808854B2 (en) | 2016-06-01 | 2023-11-07 | Velodyne Lidar Usa, Inc. | Multiple pixel scanning LIDAR |
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