〈理

Mirror rotated 

by a iIght scanner  F司eceptor

同静岡

f Xcot ()  d 

図 28 三 角 測 量 に よ る 距 離 の 計 測 原 理

元 形 状 計 測 の 有 効 で あ る .

本 章 の 構 成 は ， 以 下 の と お り で あ る . ま ず 4.2節 で 三 角 測 量 に よ る 走 査 型 レ ン ジ セ ン サ を 小 型 化 す る た め に 勘 案 す べ き 技 術 的 要 素 に つ い て 考 察 す る . 4.3節 で は ， そ の 考 え に 基 づ く 一 つ の 解 決 策 と し て ， 新 た に 提 案 す る 小 型 光 偏 向 器 を 用 い た 極 細 レ ン ジ セ ン サ の 実 現 形 態 に つ い て 述 べ ， さ ら に 4.4節 で そ の 試 作 機 を 用 い た 実 験 結 果 を 示 す と と も に ， そ れ か ら 認 め ら れ る 有 効 性 に つ い て 検 討 す る . 4.5節 で は ， 得 ら れ た 知 見 を ま と め る と

と も に ， 今 後 の 課 題 を 示 す .

4.2  小 型 化 の た め の 技 術 的 要 素

直 線 状 に レ ー ザ 光 を 走 査 し 三 角 測 量 に よ り 断 面 デ ー タ を 計 測 す る レ ン ジ セ ン サ の 計 測 原 理 を 簡 略 化 し ， 図 28に 示 す . な お ， 投 光 側 の 光 の み 走 査 す る レ ン ジ セ ン サ の 測 定 方 式 を 想 定 し て お り ， 受 光 側 を 同 期 し た ミ ラ ー で 反 射 す る 方 式 は 考 え て い な

い . こ の 図 よ り ， レ ン ジ セ ン サ の 断 面 積 の 光 走 査 方 向 の 大 き さ ( 一 辺 の 長 さ ) は ， 受 光 器 の 大 き さ に 起 因 す る d

，

基 線 長Bや 光 偏 向 器 の ミ ラ ー の 大 き さ で 決 ま る こ と が わ か る . 受 光 器 の 部 品 な ど は 限 定 さ れ る た め ， 一 般 に dな ど は 制 約 さ れ る か ら ， 主 に 灯 光 器 と 受 光 器 開 の 距 離 で あ る 基 線 長Bが レ ン ジ セ ン サ の 光 走 査 方 向 の 大 き さ を 決 め る 要 素 と な る .

な お ， 三 角 測 量 で は 測 定 対 象 物 表 面 で 乱 反 射 し た 光 を 受 光 器 土 の 位 置dで 受 け た 場 合 ， 以 下 の 式 で 距 離Dが 決 定 さ れ る .

一﹄u

一 + f

一

θB一t

‑ O  

‑c  

一r

tJ

D 

一 一

こ こ で / は 対 物 レ ン ズ の 焦 点 距 離 で あ り ， あ る 光 学 系 の も と で は 定 数 で あ る . 距 離Dは ， 対 象 物 上 で 乱 反 射 し た 増 の 受 光 器 上 で の 結 像 位 置dか ら 算 出 さ れ る が ， 実 際 に は dは あ る 分 解 能 の も と で ( 離 散 的 に ) し か 測 定 で き な い と 考 え る の が 妥 当 で あ る . し た が っ て ， 基 線 長 を 短 く す る た め に は 高 分 解 能 の 受 光 素 子 を 採 用 す る 必 要 が あ る .

ま た ， 光 を 走 査 す る た め に 光 偏 向 器 を 使 う が ， こ の 大 き さ ( 光 偏 向 の 軸 長 ) が レ ン ジ セ ン サ の 断 面 積 の も う 一 辺 ( 光 走 査 面 の 法 線 方 向 ) の 長 さ を 決 定 す る . す な わ ち ， ミ ラ ー と 駆 動 系 を あ わ せ た 軸 長 が な る べ く 小 さ な 光 偏 向 器 を 採 用 す る こ と が 必 要 と な る . た と え ば 投 光 す る 向 き を 制 御 す る た め に ， ガ ル パ ノ ミ ラ ー ， な い し は 回 転 多 面 体 ミ ラ ー が よ く 利 用 さ れ る が ， こ れ は 一 般 に ミ ラ ー の 下 部 に サ ー ボ 制 御 可 能 な モ ー タ を 取 り 付 け た 構 成 と な る た め ， 軸 長 の 大 き な 部 品 に な っ て し ま う . な お ト ラ ッ キ ン グ 作 業 に お い て は ， 倣 う べ き 曲 線 状 の 縁 な ど に 対 し 垂 直 に 光 は 走 査 さ れ る こ と が 多 い の で ， 光 偏 向 器 の 軸 長 は ロ ボ ッ ト の 進 行 方 向 の 大 き さ に な る . 進 行 方 向 に 障 害 物 が 在 在 す る 場 合 ， 先 読 み 距 離 と あ わ せ て こ の 軸 長 が ， ど こ ま で 作 業 を 進 行 し て い

け る か を 決 め る . し た が っ て ， ト ラ ッ キ ン グ 作 業 遂 行 の 効 率 の 観 点 か ら も ， 光 偏 向 器 の 軸 長 の 短 縮 は 重 要 で あ る .

Light scanner 

PSD 

図 29 提 案 す る レ ン ジ セ ン サ の 構 成

図 30 光 偏 向 器

4.3  極 細 セ ン ジ セ ン サ の 一 実 現 形 態 4.3.1 ハ ー ド ウ ェ ア

4.2節 で の 考 察 に 従 い ， ま ず 小 型 の 光 偏 向 器 を 考 案 し た . そ の 基 本 構 造 は 図 29の 一 部 に 示 す よ う に ， コ イ ル と 弾 性 体 ， 鉄 片 ， ミ ラ ー か ら な る も の で ， コ イ ル に 電 流 を 流 す こ と に よ り 弾 性 体 に 張 り 付 け た 鉄 片 が コ イ ル に 引 き 寄 せ ら れ ， 同 じ く 弾 性 体 に 張 り 付 け た ミ ラ ー に よ り レ ー ザ 光 が 偏 向 す る . そ の 動 作 は 基 本 的 に 交 流 用 ブ ザ ー と 同 ー で あ り ， コ イ ル に 断 続 電 流 を 流 す こ と に よ り 光 を 走 査 す る こ と が で き る . な お 低 消 費 電 力 化 と 振 動

図

3 1

極 細 レ ン ジ セ ン サ の 試 作 機

の 安 定 性 を 考 慮 し ， 弾 性 体 の 機 械 的 な 共 振 振 動 数 を 電 流 の 駆 動 周 波 数 に 一 致 さ せ 駆 動 さ せ て い る . こ の 方 式 は ミ ラ ー 駆 動 の た め に 非 常 に 簡 単 な 構 成 を 採 っ て お り ， か つ 駆 動 部 が 光 の 投 光 方 向 に 対 し て 後 部 に あ る 構 造 の た め ， 対 物 面 ， す な わ ち レ ン ジ セ ン サ の 断 面 に つ い て は 特 に 小 面 積 の 光 投 光 器 と な る . 図 30 に 試 作 し た 光 投 光 器 を 示 す . こ の 光 投 光 器 の 大 き さ は 外 接 直 方 体 で ， 幅 llmmX高 さ 10mmX奥 行 き 17mmで あ る .

し か し な が ら ， 今 回 採 用 し た 方 式 は 自 由 振 動 に 基 づ く の で ， 光 の 偏 向 角 度 を 制 御 で き な い 方 式 で あ る . そ こ で 光 偏 向 器 の ミ ラ ー に よ り 偏 向 し た 光 を ビ ー ム ス プ リ ッ タ に よ り 走 査 方 向 に 垂 直 な 方 向 に 一 部 ， 分 光 し ， そ の 光 の 進 行 方 向 に 受 光 器 を 置 い て 光 の 偏 向 角 度 に 対 応 す る 信 号 を 逐 次 観 測 す る 必 要 が あ る . 光 偏 向 器 の 駆 動 電 流 の 周 波 数 は 弾 性 体 の 共 振 周 波 数 に 適 応 さ せ て い る が ， 共 振 周 波 数 は 温 度 に よ り 変 動 す る の で ， こ の 光 偏 向 角 度 信 号 を 参 照 し て フ ィ ー ド パ ッ ク を か け て ， 必 要 な 光 偏 向 角 度 を 得 ら れ る よ う な 安 定 な 駆 動 を 実 現 す る .

上 記 の 偏 向 角 度 を 観 測 す る 受 光 器 以 外 に ， 対 象 物 表 面 で 反 射 し て き た 光 の 位 置 を 観 測 す る 受 光 器 も 必 要 で あ る . 4.2節 に お け る 解 析 で 基 線 長 を 短 く す る た め に は ， 分 光 器 の 分 解 能 が 問 題

表 8 極 細 レ ン ジ セ ン サ 試 作 機 の 仕 様 Sensor head size 

Sensor head weight  Measurement Reriod  Measurement range  Working distance  Range resolution  SRacial resolution  Laser beam Rrojection  Data/signal transmission  Controler 

30(W) x 29(H) x 168(D )[mm] 

approx.8()[g]  4[ms]/256[pts]  土1O(W) x土10(D)[mm]

75[mm] 

O.01[mm] 

approx.O.1 [mm] 

wavelength 680[nm ，]output 20[mW] 

digital transmission via optical fiber  IBM PC compatible (ISA bus board) 

に な る が ， そ の 点 で 現 状 で は お そ ら く 最 適 で あ ろ う 1次 元 の

PSD

を 受 光 器 に 採 用 し た . こ れ は 受 光 位 置 算 出 に 必 要 な 計 算 量 も 少 な い の で ， 高 速 性 の 点 で も 有 利 で あ る .

試 作 機 の セ ン サ ヘ ッ ド の 様 子 を 図 31に ， ま た そ の 仕 様 を 表 8 に 示 す . 内 部 に は 光 偏 向 器 等 の 光 学 系 ( 基 線 長 20mm) だ け で な く ， 棒 状 に 実 装 し た 電 気 回 路 を 搭 載 し て い る . デ ー タ 転 送 等 に 使 用 す る 光 フ ァ イ パ の コ ネ ク タ 形 状 の 大 き さ を 含 め ， 長 手 方 向 は 168mmと 長 め に な っ た が ， 断 面 は 想 定 通 り 20mmX30mm

と 非 常 に 小 さ く す る こ と が で き た . な お ， 表 8中 に 示 し た 距 離 分 解 能 (Range resolution) は ， セ ン サ 出 力 の 仕 様 と し て の 分 解 能 で あ り ， 実 効 分 解 能 で は な い .

4.3.2 キ ャ リ プ レ ー シ ョ ン

採 用 し た 光 偏 向 器 は 弾 性 体 の た わ み を 利 用 し て い る の で ， 光 の 走 査 を お こ な う 軸 を 厳 密 に は 決 定 で き な い . し た が っ て ， 一 つ の 受 光 器 の 受 光 位 置 ( 乙μ)か ら 距 離 断 面 (x，z) = (F(乙μ)，G(乙μ))を 算 出 す る 変 換 を 決 定 す る キ ャ リ プ レ ー シ ョ ン に お い て ， パ ラ メ ー タ を 組 み 込 む べ き 返 還 式 は 少 な く と も 三 次 以 上 の 高 次 式 に な る . そ こ で ， 返 還 式 を あ え て 解 析 的 に 求 め て ， 観 測 値 か ら そ の 変 換 式 の 係 数 な ど を 決 定 す る キ ャ リ プ レ ー シ ョ ン 手 法 を 用 い ず ， ル ッ ク ア ッ プ テ ー ブ ル (LUT) に よ り 変 換 す る 方 法 を 適

用 し た .

し か し な が ら ， 採 用 し た 光 偏 向 器 の 方 式 で は ， 想 定 し た 方 向 に 光 を 向 け る 制 御 は で き な い . す な わ ち ， あ る xの 値 に 対 応 す る

PSD

上 で の 受 光 位 置 を 意 図 的 に 観 測 す る こ と は で き な い . そ こ で ， ま ず セ ン サ の 光 偏 向 器 を 利 用 し て 走 査 し た レ ー ザ 光 を 用 い ず 対 象 物 平 面 上 に 外 部 レ ー ザ 光 源 か ら レ ー ザ 光 を あ て ， そ れ を 既 知 の 3次 元 座 標 の 観 測 対 象 物 と し てμを算出し，

f(x，z) 

=

μ 

な る 関 係 式 を 求 め る . こ の 関 数 の 逆 関 数 が 存 在 す る と し て ，

f‑1(Z;μ)=x  (27) 

を 求 め る . そ の 後 に 既 知 の 距 離zに あ る 平 面 を セ ン サ で 観 測 し て ，

(z;乙μ)の 三 つ 組 を 求 め ， 先 の 式

( 2 7 )

を 用 い て

，

(x 

= 

f‑l(Z;μ)

，

z;乙μ)の 四 つ 組 に 変 換 す る .

上 記 の よ う に 観 測 値 か ら 求 め る 四 つ 組 デ ー タ は 離 散 的 な も の で あ り ， 精 度 を 満 た す 分 解 能 で ， あ る 既 知 の 3次 元 ( 断 面 ) 座 標 (x，z)に対する(乙μ)の 値 を す べ て ， す な わ ち LUTの 全 エ ン ト

リ ー を あ ら か じ め 観 測 に よ り 求 め て お く こ と は で き な い . そ こ で

，

F

， 

Gの 関 数 そ れ ぞ れ を 局 所 的 な 滑 ら か さ の 仮 定 の も と で 以 下 の エ ネ ル ギ ‑E(u)を 最 小 化 す る よ う に ， 内 挿 し て 滑 ら か な 3 次 元 曲 面Uとして求め， LUTの エ ン ト リ ー を 算 出 す る .

E(u) = (1ー λ)Ed(u，d)十λEp(u)

ここで， dは 観 測 さ れ た 部 分 デ ー タ で あ り ， ん は ペ ナ ル テ ィ 汎 関 数 と 呼 ば れ デ ー タ の 適 合 性 の 度 合 い を 示 し

，

Epは 安 定 化 汎 関 数

と 呼 ば れUの 滑 ら か さ を 拘 束 す る 量 で あ る . た と え ば ，

U(u ， d ) = i z i ^仰

^(X

川 ‑

^dJ2 

Ep(u) 

= 切

^[w1(ui

⁺

^{呼)十w2(uix}

^{+ 叫}

^y

⁺  u~y

^{)]dxdy  (28)} 

と す る こ と で 局 所 的 に 二 次 微 分 ま で 連 続 な 曲 面 を 求 め る こ と が で き る . こ こ で

，

iは 観 測 さ れ た デ ー タ に 付 与 さ れ た イ ン デ ッ

(a)  ( ︑b) 

図 32 内 挿 に よ り 得 ら れ た キ ャ リ プ レ ー シ ョ ン 結 果 :(a)観 測 値 お よ び (b)L UTと す る 内 挿 結 果

1st  stage: 

use extemaJ light source，  move theh官adinaplane 

l/f 

~ / '1 

Transform triplets(z;μ，0 

into quadruplets(x，z;μ，主)

図 33 LUTを 算 出 す る キ ャ リ プ レ ー シ ョ ン 法 の 流 れ

クス

，

(Xi^! Ydは そ の デ ー タ を 展 開 す る 2次 元 平 面 座 標

，

Ciは デ ー タ が 存 在 す る と き に し そ れ 以 外 の と き は 0の 値 を と る 重 み で あり

，

Wl'  Wzは 滑 ら か さ の 特 性 を 制 御 す る 重 み で あ る . 上 記 の 内 挿 の 方 法 を 正 則 化 理 論 に 基 づ く ス プ ラ イ ン 曲 面 の 再 構 成 と いう [4‑8J[2‑10J. こ の 内 挿 の 入 力 値 で あ る 測 定 値 と 内 挿 結 果 の 一 例 を 図 32に 示 す . ま た LUTを 算 出 す る キ ャ リ プ レ ー シ ョ ン 全 体 の 流 れ の 概 要 を 図 33に 示 す .

図 34 石 膏 像 の 稜 エ ッ ジ の 観 測 結 果

図 35 球 面 ( ピ ン ポ ン 玉 ) の 一 部 の 観 測 結 果

4.4  実 験 結 果 と そ の 考 察 4.4.1 精 度 評 価

4.3節 で 述 べ た 極 細 レ ン ジ セ ン サ の 試 作 機 に つ い て ， そ の セ ン サ と し て の 性 能 を 継 続 実 験 に よ り 評 価 し た . ま ず ， セ ン サ を 光 走 査 方 向 に 垂 直 な 方 向 に 移 動 さ せ つ つ ， 石 膏 像 の 稜 エ ッ ジ 部 分 ( 約 15mm角 ) を 計 測 し た 結 果 を 図 34に 示 す . ま た ， 同 様 な 視 野 で 球 ( ピ ン ポ ン 玉 ) を 計 測 し た 結 果 を 図 35に 示 す . 各 断 面 計 測 デ ー タ は 観 測 点 が 非 等 間 隔 に 並 ぶ た め ， 示 し た 結 果 に

Z[10um] 

400.00 

3∞00  2∞ー∞

100∞ 

O.∞ 

ー1∞.∞

‑ 2!∞.00 

‑300.00 

‑400.00 

.............̲  _{，島、 ..A.  1.、}

晶、 」 者一葦

ま?で之~  .̲.....  _{ー・ 言ートを‑i‑I.......}  ι f一、、 ^~  ... ^{、̲ ....  ...}

. 

^{トF含4、..‑0}

...  ..1ト

. 

^{.. .... 菌、福ト 』、、 .} 

. 

^{.......  ..  I 11岨‑.....}

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~、

1∞.∞ 

ヂヨトー.... 

X[lOum)  2∞.∞ 

図 36 奥行き方向。匡5mm間 隔 の 平 面 の 観 測 結 果

は， 4.3.2で 述 べ た の と 同 様 の 正 則 化 に 基 づ く 内 挿 が 施 し て あ る . そ れ ぞ れ の 立 体 形 状 が 正 し く 計 測 さ れ て お り ， レ ン ジ セ ン サ と

し て 機 能 し て い る の が わ か る . 若 干 ， 球 の 測 定 形 状 が 乱 れ て い る の は ， 対 象 物 が ピ ン ポ ン 玉 で あ り ， 表 面 で 反 射 す る 光 だ け で な く 内 部 に 透 過 す る 光 も セ ン サ が 受 光 し た た め に ， 測 定 誤 差 が 生 じ た か ら で あ る .

ま ず 距 離 に 関 す る 実 効 分 解 能 を 評 価 し た . セ ン サ を XYステ ー ジ に 載 せ ， 対 象 物 か ら 離 れ る 方 向 で 一 定 間 隔 で 移 動 さ せ つ つ 断 面 を 計 測 し ， 距 離 値 変 換 前 の 信 号 の 分 離 状 況 を 目 視 に よ り 確 認 す る と ， 奥 行 き に つ い て O.2mmの 実 効 分 解 能 が 確 認 で き た .

次 に 定 量 的 に 計 測 制 度 を 評 価 し た . こ の 精 度 に は ， 静 止 し た 対 象 物 を 観 測 し た と き に 観 測 値 が ぱ ら つ く 相 対 精 度 と ， セ ン サ 座 標 系 に お い て 正 確 な 既 知 の 位 置 に 対 象 物 を 置 い て 観 測 し た

ドキュメント内 距 離 デ ー タ を 用 い た 知 能 ロ ボ ッ ト の 視 覚 機 能 に 関 す る 研 究 (ページ 63-94)