JP7498151B2 - 形状認識装置 - Google Patents

Description

本開示は、レーザ光を照射することで対象物の形状を認識する形状認識装置に関するものである。

複雑な形状の対象物に関する３次元形状を認識する方式として、従来からいくつかのものが提案されている。代表的な方式としては、ＴＯＦ法および三角測量法が挙げられる。ＴＯＦ法では、レーザ光を対象物に照射し、対象物からの反射光が戻ってくるまでの時間を測定することで、対象物までの距離を認識する。また、三角測量法では、レーザ光を対象物に照射し、反射光の結像位置から対象物までの距離を認識する。

これらの方式は、いずれも、ある点からレーザ光を発光し、レーザ光が対象物に当たって反射光が戻ってくるまでの時間あるは角度を測定することで、対象物までの距離を認識している。従って、これらの方式では、レーザ光を照射する位置を少しずつ移動させて対象物までの距離データを多数収集することで、対象物の３次元形状を認識することができる。

しかしながら、これらの方式では、対象物までの距離を認識するために、基本的には対象物に対して１点からレーザ光を照射している。このため、対象物の影になる部分にはレーザ光を当てることができず、その部分は死角として形状認識することが難しかった。

図８は、従来技術における死角の問題を示した説明図である。死角となる領域を小さくするためには、レーザスキャナと対象物との距離Ｌを大きくする（図８（ａ）参照）、あるいは複数のレーザスキャナを使用する（図８（ｂ）参照）といった方法を採用することが考えられる。

しかしながら、図８（ａ）あるいは図８（ｂ）のいずれの方法も、死角をなくすことはできない。また、これらの方法を採用する場合には、認識システムが大規模になる、あるいは費用がかかってしまうという問題もあり、完全な死角対策にはなっていない。

このような問題に対して、死角をなくすことができる従来方法がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に係る装置では、回転しながら放射状に検知光を発光し、２つのミラー（反射部材）を介して対象物に向けて発光できる構成を備えている。この結果、対象物に直接発光される検知光に加え、それぞれのミラーを介して対象物に発光される検知光を用いることで、死角の問題の解消を図っている。

特開２０１８－８４４８９号公報

しかしながら、従来技術には以下のような課題がある。
図９～図１１は、従来技術の問題点を説明するための図である。特許文献１に開示された方式のように、２つのミラーのおのおのにレーザ光を反射させて距離を測定することは、図９に示すように、２つのレーザスキャナをそれぞれのミラーの面対称部分に配置させることと同じである。

従って、対象物の全体形状を認識するためには、２つのミラーのいずれかを介して対象物に照射した場合の反射測定データと、ミラーを介さずに対象物にダイレクトに照射した場合の直接測定データとを区別して距離を測定する必要が生じる。しかしながら、対象物の形状が未知であり、凹凸形状が不明の場合には、反射測定データと直接測定データとを区別することができないという問題が生じる。

また、図１０に示したような対象物の場合には、面Ａ１～Ａ４を認識するためには、ミラーＡで反射された反射測定データを使用することとなる。一方、面Ｂ１～Ｂ４を認識するためには、ミラーＢで反射された反射測定データを使用することとなる。従って、図１０に示したような対象物の形状を正確に認識するためには、ミラーＡで反射された反射測定データとミラーＢで反射された反射測定データとを統合する必要があり、データ処理が非常に難しい。

また、ミラーを介して対象物に照射される検知光は、対象物に対して斜め方向から照射されることとなる。従って、図１１に示したように、背の高い２つの凸部に囲まれた部分を有する対象物では、依然として死角となる領域が発生してしまうこととなる。

このように、特許文献１に係る方式は、対象物の大まかな形状があらかじめ判っている場合には有効であるが、未知の形状の対象物に対して形状を正確に測定することは困難であった。

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、１つのレーザスキャナを用いた場合に、死角となる領域が発生することを抑制した上で、対象物の形状を認識することができる形状認識装置を得ることを目的としている。

本開示に係る形状認識装置は、光を反射する放物面を有する放物面鏡と、放物面鏡の焦点位置に設置され、放物面に向けてレーザ光を照射することで、放物面鏡を介して平行となったレーザ光を対象物の真上から照射させるレーザスキャナと、レーザスキャナの走査制御を実行する制御部とを備え、制御部は、平行となったレーザ光に垂直、かつレーザスキャナが設置された面を基準面とした場合に、対象物に対して平行となったレーザ光が照射されるようにレーザスキャナの走査制御を実行することで、基準面から対象物までの距離の測定結果から対象物の形状を認識し、放物面鏡は、レーザスキャナが第１の軸方向において走査された際に発光されたレーザ光を、レーザスキャナを通過せずに対象物に真上から照射させるように反射することができる経路が得られるように、基準面と接する部分を両端部として、放物面鏡の放物反射面の一部をスライスした領域部分によって構成されており、制御部は、レーザスキャナを第１の軸方向に走査制御し、平行となったレーザ光を経路によって対象物に対して照射させることで、対象物の１スライス分の点群データを収集するものである。

本開示によれば、１つのレーザスキャナを用いた場合に、死角となる領域が発生することを抑制した上で、対象物の形状を認識することができる形状認識装置を得ることができる。

本開示の実施の形態１に係る形状認識装置の構成を説明するための図である。 本開示の実施の形態１に係る形状認識装置を用いた形状認識方法を説明するための図である。 本開示の実施の形態１に係る放物面鏡の構成を説明するための断面図であり、照射されるレーザ光に沿った断面図である。 本開示の実施の形態１に係る放物面鏡の構成を説明するための断面図であり、基準面から放物面鏡側を見た状態を示した断面図である。 本開示の実施の形態１に係る図３および図４で説明した放物面鏡を用いて、３次元形状を認識する方法を説明するための図である。 本開示の実施の形態１におけるヘリカルスキャン方式に関する説明図である。 本開示の実施の形態１における補正ヘリカルスキャン方式に関する説明図である。 従来技術における死角の問題を示した説明図である。 従来技術の問題点を説明するための図である。 従来技術の問題点を説明するための図である。 従来技術の問題点を説明するための図である。

以下、本開示の形状認識装置の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。本開示に係る形状認識装置は、放物面鏡を用いて対象物の真上からレーザ光を照射できる構成を備えている点に技術的特徴を有し、このような構成を有することで、形状があらかじめ判らない対象物に対しても、対象物による死角を抑制して、レーザ光の照射範囲全域にわたって形状認識することが可能となる効果を実現できるものである。

実施の形態１．
図１は、本開示の実施の形態１に係る形状認識装置の構成を説明するための図である。本実施の形態１に係る形状認識装置は、放物面鏡１０およびレーザスキャナ２０を備えて構成されている。放物面鏡１０は、光を反射するための放物面を有している。

レーザスキャナ２０は、放物面鏡１０の焦点位置に設置され、対象物１の形状認識を行うために必要なレーザ光を発光する。ここで、本実施の形態１に係るレーザスキャナ２０は、対象物１に対してレーザ光を直接照射するのではなく、放物面に向けてレーザ光を照射し、放物面鏡１０を介して平行となったレーザ光を対象物に間接的に照射することを特徴としている。

換言すると、本開示におけるレーザ光は、放物面鏡１０を介して間接的に対象物１に照射されることで、対象物１の真上から、平行に照射されることとなる。この結果、１つのレーザスキャナを用いた簡易な構成により、対象物による影（死角）を抑制することが可能となる。

図２は、本開示の実施の形態１に係る形状認識装置を用いた形状認識方法を説明するための図である。図２は、設置面Ｐ１上に置かれた対象物１に対して、レーザスキャナ２０から放物面鏡１０を介してレーザ光が照射された状態を、断面図として示したものである。

放物面鏡１０の焦点位置に設置されたレーザスキャナ２０は、図２に示したように基準面Ｐ２上に配置されている。すなわち、基準面Ｐ２とは、放物面鏡１０によって平行となったレーザ光に対して垂直な面であり、かつ前記レーザスキャナが設置されている焦点位置を含む面に相当する。

図２において示した各符号は、以下のように定義される。
θ１：基準面Ｐ１に対して、レーザスキャナ２０から発光されたレーザ光の角度。
Ｌ１：レーザスキャナ２０から放物面鏡１０までの距離であり、放物面鏡１０の設計時点でθの関数として既知となる値。
Ｎ１：放物面鏡１０から基準面までの距離であり、放物面鏡１０の設計時点でθの関数として既知となる値。
Ｋ：基準面Ｐ２と設置面Ｐ１との距離であり、放物面鏡１０の設置位置により既知の値。
Ｈ１：基準面Ｐ２から対象物１の表面までの距離。
Ｍ１：対象物１の高さ。

例えば、角度θ１でレーザ光を照射した際の、レーザスキャナ２０による測定距離は、下式（１）となる。
測定距離（θ１）＝Ｌ１＋Ｎ１＋Ｈ１ （１）

ここで、Ｌ１とＮ１は、放物面鏡１０の設計時点でθ１の関数として既知となる値であるため、上式（１）による測定距離（θ１）の測定結果から、Ｌ１とＮ１をマイナスすることで、角度θ１における距離Ｈ１が判る。従って、既知であるＫの値から、Ｈ１の値をマイナスすれば、対象物１の高さＭ１が求められる。すなわち、下式（２）により、Ｍ１が求められる。
Ｍ１＝Ｌ１＋Ｎ１＋Ｋ－測定距離（θ１） （２）

レーザスキャナによる照射角度θを徐々に変えていき、それぞれの照射角度に対応する対象物１の位置における高さＭを算出することで、対象物１の２次元形状を求めることができる。

なお、２次元形状認識に当たっては、放物面鏡１０の一断面部分のみを反射鏡として使用すればよく、図３～図５を用いて、放物面鏡１０の具体的な構成について詳細に説明する。

図３は、本開示の実施の形態１に係る放物面鏡１０の構成を説明するための断面図であり、照射されるレーザ光に沿った断面図である。また、図４は、本開示の実施の形態１に係る放物面鏡１０の構成を説明するための断面図であり、基準面Ｐ２から放物面鏡１０側を見た状態を示した断面図である。

対象物１の２次元形状を求めるためには、図３および図４において点線として示した放物面鏡のうち、実線として示した一部分のみを放物面鏡１０として使用すれば足りる。すなわち、放物面鏡１０は、レーザスキャナ２０を第１の軸方向で走査させた際に発光されるレーザ光を反射することができる領域部分によって構成することができる。

図５は、本開示の実施の形態１に係る図３および図４で説明した放物面鏡１０を用いて、３次元形状を認識する方法を説明するための図である。ある位置において、レーザスキャナ２０から放物面鏡１０に対して、角度θを順次変更しながらレーザ光を照射することで、一断面における２次元形状を測定することができる。

そして、図５に示したように、放物面鏡１０およびレーザスキャナ２０が設けられた走行装置３０は、レーザスキャナ２０の走査方向である第１の軸方向と直交する第２の軸方向に移動可能な構成を有している。従って、走行装置３０を移動させ、異なる断面位置における２次元形状の測定を繰り返すように制御することで、対象物１の３次元形状を認識することができる。

３次元形状を認識するための走査方式としては、以下の４ケースが考えられる。
＜ケース１：走行装置３０を停止させた状態で１断面の２次元形状の測定を行う方式＞
ケース１の方式では、対象物１へのレーザ光の照射は、走行装置３０を停止した状態で行う。１スライス分の形状認識を行った後、あらかじめ決められたピッチ分、走行装置３０を移動させ、次のスライスでの形状認識を行う。順次、このピッチ送りを繰り返すことで、３次元形状の認識が可能となる。

＜ケース２：ヘリカルスキャン方式＞
ケース２の方式では、走行装置３０を一定速度で移動させながら、対象物１に対して連続的にレーザスキャンを行う。図６は、本開示の実施の形態１におけるヘリカルスキャン方式に関する説明図である。このケース２によるヘリカルスキャン方式では、レーザスキャナ２０のスキャン速度と、走行装置３０の走査速度とを合成した角度で、図６に示すように、対象物１を斜めに輪切りしながら、３次元形状認識を行うこととなる。

＜ケース３：補正ヘリカルスキャン方式＞
ケース３の方式では、レーザスキャナ２０のレーザ光走査軌跡が、走行装置３０の走査速度をキャンセルする角度だけ、傾いている。図７は、本開示の実施の形態１における補正ヘリカルスキャン方式に関する説明図である。図７に示すように、レーザスキャナ２０によるスキャン方向に傾きを持たせることで、走行装置３０の走行方向に対して垂直方向で対象物１を輪切りにして、３次元形状認識を行うことができる。

なお、上述したケース１～ケース３では、走行装置３０を用いて放物面鏡１０およびレーザスキャナ２０を移動させる場合について説明したが、本開示はこのような構成には限定されない。放物面鏡１０およびレーザスキャナ２０を固定配置し、対象物１側を相対的に移動させるような走行装置３０を用いることによっても、同様に３次元形状認識が可能である。

換言すると、走行装置３０は、放物面鏡１０とレーザスキャナ２０とを搭載して、または対象物１を搭載して、１軸方向に移動できればよい。

＜ケース４：立体スキャン方式＞
ケース４の方式では、先の図３～図５のように放物面鏡の一断面部分のみを放物面鏡１０として使用する代わりに、放物面鏡の全体を放物面鏡１０として使用する。このケース４では、放物面鏡１０およびレーザスキャナ２０の移動、あるいは対象物１の移動を行うことなしに、レーザスキャナ２０として３次元レーザスキャナを用い、レーザ光を放物面鏡の全体にわたって走査させることで、３次元の点群データを収集することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、放物面鏡を用いて対象物の真上からレーザ光を照射できる構成を備えた形状認識装置を構築できる。この結果、対象物に対してレーザ光を照射することができない死角となる領域を抑制して、レーザ光の照射範囲全域にわたって形状認識することが可能となる効果を実現できる。

また、放物面鏡の一断面部分のみを用いることによって、対象物の一断面における２次元形状を認識することが可能となる。さらに、放物面鏡およびレーザスキャナの移動、あるいは対象物の移動を行いながら、２次元形状認識を繰り返すことで、対象物の３次元形状も、簡易な構成により容易に認識することが可能となる。

なお、図示は省略したが、レーザスキャナ２０の走査制御、および走行装置の走行制御は、制御部に相当するコントローラによって実行され、制御部は、用途に応じて、２次元形状認識および３次元形状認識を実現することができる。

１ 対象物、１０ 放物面鏡、２０ レーザスキャナ、３０ 走行装置。

Claims (2)

1. 光を反射する放物面を有する放物面鏡と、
   前記放物面鏡の焦点位置に設置され、前記放物面に向けてレーザ光を照射することで、前記放物面鏡を介して平行となったレーザ光を対象物に真上から照射させるレーザスキャナと、
   前記レーザスキャナの走査制御を実行する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、前記平行となったレーザ光に垂直、かつ前記レーザスキャナが設置された面を基準面とした場合に、前記対象物に対して前記平行となったレーザ光が照射されるように前記レーザスキャナの走査制御を実行することで、前記基準面から前記対象物までの距離の測定結果から前記対象物の形状を認識し、
   前記放物面鏡は、前記レーザスキャナが第１の軸方向において走査された際に発光されたレーザ光を、前記レーザスキャナを通過せずに前記対象物に真上から照射させるように反射することができる経路が得られるように、前記基準面と接する部分を両端部として、前記放物面鏡の放物反射面の一部をスライスした領域部分によって構成されており、
   前記制御部は、前記レーザスキャナを前記第１の軸方向に走査制御し、前記平行となったレーザ光を前記経路によって前記対象物に対して照射させることで、前記対象物の１スライス分の点群データを収集する
   形状認識装置。
2. 前記放物面鏡と前記レーザスキャナとが搭載されるか、または前記対象物が搭載され、前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に移動可能な走行装置をさらに備え、
   前記制御部は、前記走行装置を前記第２の軸方向に沿って移動させることで、前記対象物の３次元形状認識を可能とする
   請求項１に記載の形状認識装置。