JP5617515B2 - 距離計測装置、距離計測方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、計測対象物までの距離を計測する距離計測装置、距離計測方法、及びプログラムに関するものである。

近年、計測対象物までの距離を計測するための様々な距離計測装置が開発されている。例えば、光パルス信号を計測対象物に対して送出し、その反射光が戻るまでの時間を計測することで距離を計測するＴＯＦ（Time of Flight）型の距離計測装置が知られている。当該距離計測装置においては、サンプリング周波数がＧＨｚ帯のＡＤＣ（Analog to Digital Converter）等が必要となるため、構成が複雑化しコストが増加する。

また、強度を正弦波状に変調した光パルスを計測対象物に対して送出し、送出する光パルス波とその反射波との位相差を計測することで距離を求めるＴＯＦ型の距離計測装置が知られている。当該距離計測装置においては、光パルスの光量調整が必要となり、その光量調整が反射波の強度に大きく影響するため、光学設計が困難となる。

さらに、光パルス信号を計測対象物に対して送出し、その反射光の受光に応じて２つのコンデンサの充放電の切替えを制御し、各コンデンサの静電容量に基づいて距離を計測する距離計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２９１９８５号公報

上記特許文献１に示す距離計測装置においては、光パルス信号の周期に応じて各コンデンサの充放電を高速で切替えるため、高精度な設計が必要となり構成が複雑化する虞がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で計測対象物までの距離を高精度に計測できる距離計測装置、距離計測方法、及びプログラムを提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、第１クロック信号を生成する第１クロック生成手段と、前記第１クロック生成手段により生成された前記第１クロック信号に基づいて、第１ＰＮ符号信号を生成する第１ＰＮ符号生成手段と、前記第１ＰＮ符号生成手段により生成された前記第１ＰＮ符号信号に基づいて、計測対象物に対して、光送信波を送信する送信手段と、前記第１クロック信号の周波数に近い周波数であり、基準となる第２クロック信号を生成する第２クロック生成手段と、前記第２クロック生成手段により生成された前記第２クロック信号に基づいて、第２ＰＮ符号信号を生成する第２ＰＮ符号生成手段と、前記計測対象物により反射された前記光送信波の反射波を受信する受信手段と、前記第２ＰＮ符号生成手段により生成された前記第２ＰＮ符号信号と、前記受信手段により受信された前記反射波と、を乗算して第１相関信号を生成する第１相関信号生成手段と、前記第１相関信号生成手段により生成された前記第１相関信号に対して、積分処理及びローパスフィルタ処理を行うことで第１補正信号を生成する第１補正信号生成手段と、前記第１ＰＮ符号生成手段により生成された前記第１ＰＮ符号信号と、前記第２ＰＮ符号生成手段により生成された前記第２ＰＮ符号信号と、を乗算して第２相関信号を生成する第２相関信号生成手段と、前記第２相関信号生成手段により生成された前記第２相関信号に対して、積分処理及びローパスフィルタ処理を行うことで第２補正信号を生成する第２補正信号生成手段と、前記第１及び第２補正信号生成手段により生成された前記第１及び第２補正信号に基づいて、充放電を行う第１コンデンサと、前記第１及び第２補正信号生成手段により生成された前記第１及び第２補正信号に基づいて、前記第１コンデンサと逆の充放電を行う第２コンデンサと、前記第１コンデンサの静電容量と前記第２コンデンサの静電容量との比に基づいて、前記計測対象物までの距離を演算する距離演算手段と、を備える、ことを特徴する距離計測装置である。この一態様によれば、簡易な構成で計測対象物までの距離を高精度に計測できる。

この一態様において、前記距離演算手段は、前記第１コンデンサの静電容量と前記第２コンデンサの静電容量との比に基づいて、前記第１補正信号と前記第２補正信号との位相差を求め、該求めた位相差に基づいて、前記計測対象物までの距離を演算してもよい。これにより、簡易に計測対象物までの距離を求めることができる。

この一態様において、前記受信手段により受信された反射波に対してハイパスフィルタ処理を行うハイパスフィルタ手段と、前記ハイパスフィルタ処理された反射波を増幅し、該増幅した反射波を前記第２相関信号生成手段に出力する増幅手段と、前記ハイパスフィルタ処理及び前記増幅処理による前記反射波の時間遅れを検出する時間遅れ検出手段と、を更に備え、前記距離演算手段は、前記位相差から前記時間遅れ検出手段により検出された前記時間遅れを減算して、最終的な前記位相差を求めてもよい。これにより、時間遅れを考慮してより高精度に位相差を求めることができる。

この一態様において、一対の前記送信手段及び前記受信手段とからなる複数のセンサ部をアレイ状に配列したセンサ群を備えてもよい。これにより、各センサ部は、光の相互干渉等を起こすことなく、正確な距離計測が可能となる。

この一態様において、一対の前記送信手段及び前記受信手段からなるセンサ部がロボットハンドの各指に夫々配置されていてもよい。これにより、各センサ部は、指間で光の相互干渉等を起こすことなく、正確な距離計測が可能となる。

この一態様において、前記センサ部の送信手段及び受信手段に夫々接続された光ファイバを備え、前記送信手段からの光送信波を前記光ファイバの先端部から送出し、前記受信手段は前記反射波を前記光ファイバの先端から受信してもよい。これにより、スペースの制限を受けることなく、複数のセンサ部を必要な箇所に配置することができる。

他方、上記目的を達成するための本発明の一態様は、第１クロック信号を生成するステップと、前記生成された第１クロック信号に基づいて、第１ＰＮ符号信号を生成するステップと、前記生成された第１ＰＮ符号信号に基づいて、計測対象物に対して、光送信波を送信するステップと、前記第１クロック信号の周波数に近い周波数であり、基準となる第２クロック信号を生成するステップと、前記生成された第２クロック信号に基づいて、第２ＰＮ符号信号を生成するステップと、前記計測対象物により反射された前記光送信波の反射波を受信するステップと、前記生成された第２ＰＮ符号信号と、前記受信された反射波と、を乗算して第１相関信号を生成するステップと、前記生成された第１相関信号に対して、積分処理及びローパスフィルタ処理を行うことで第１補正信号を生成するステップと、前記生成された第１ＰＮ符号信号と、前記生成された第２ＰＮ符号信号と、を乗算して第２相関信号を生成するステップと、前記生成された第２相関信号に対して、積分処理及びローパスフィルタ処理を行うことで第２補正信号を生成するステップと、前記生成された第１及び第２補正信号に基づいて、第１コンデンサが充放電を行うステップと、前記生成された第１及び第２補正信号に基づいて、第２コンデンサが前記第１コンデンサと逆の充放電を行うステップと、前記第１コンデンサの静電容量と前記第２コンデンサの静電容量との比に基づいて、前記計測対象物までの距離を演算するステップと、を含む、ことを特徴する距離計測方法であってもよい。

さらに、上記目的を達成するための本発明の一態様は、第１クロック信号に基づいて、第１ＰＮ符号信号を生成する処理と、前記生成された第１ＰＮ符号信号に基づいて、計測対象物に対して光送信波を送信する処理と、前記第１クロック信号の周波数に近い周波数であり基準となる第２クロック信号に基づいて、第２ＰＮ符号信号を生成する処理と、前記計測対象物により反射された前記光送信波の反射波と、前記生成された第２ＰＮ符号信号と、を乗算して第１相関信号を生成する処理と、前記生成された第１相関信号に対して、積分処理及びローパスフィルタ処理を行うことで第１補正信号を生成する処理と、前記生成された第１ＰＮ符号信号と、前記生成された第２ＰＮ符号信号と、を乗算して第２相関信号を生成する処理と、前記生成された第２相関信号に対して、積分処理及びローパスフィルタ処理を行うことで第２補正信号を生成する処理と、前記生成された第１及び第２補正信号に基づいて充放電を行う第１コンデンサの静電容量と、前記第１コンデンサと逆の充放電を行う第２コンデンサの静電容量と、の比に基づいて、前記計測対象物までの距離を演算する処理と、をコンピュータに実行させる、ことを特徴するプログラムであってもよい。

本発明によれば、簡易な構成で計測対象物までの距離を高精度に計測できる距離計測装置、距離計測方法、及びプログラムを提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る距離計測装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 第１及び第２ＰＮ符号生成部により生成される第１及び第２ＰＮ符号信号の符号列の一例を示す図である。 第１及び第２相関信号生成部により生成される第１及び第２相関信号の一例を示す図である。 第１及び第２積分回路から出力される出力波形の一例を示す図である。 （ａ）第１及び第２ローパスフィルタから出力される第１及び第２補正信号の一例を示す図である。（ｂ）第１及び第２コンデンサの充放電状態の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る距離計測装置の処理フローの一例を示すフローチャートである。 一対の発光部及び受光部からなる複数のセンサ部をアレイ状に配列したセンサ群の一構成例を示す図である。 ロボットハンドの各指に一対の発光部及び受光部からなるセンサ部を夫々設けた一構成例を示す図である。 発光部からの光送信波を光ファイバの先端部から送出し、受光部はその反射波を光ファイバの先端から受信する一構成例を示す図である。 移動ロボットの外面に一対の発光部及び受光部からなる複数のセンサ部を設けた一構成例を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係る距離計測装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る距離計測装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る距離計測装置１は、計測対象物に対して光送信波を送出してから、その計測対象物によって反射された光受信波を受信するまでの時間を計測することで、計測対象物までの距離を計測するＴＯＦ（Time of Flight）型の距離計測装置である。

なお、距離計測装置１は、例えば、制御処理、演算処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）、処理データ等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等からなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。

距離計測装置１は、基準発振器２と、第１及び第２位相同期部（ＰＬＬ）３、４と、第１及び第２クロック生成部５、６と、第１及び第２ＰＮ符号生成部７、８と、駆動回路９と、発光部１０と、受光部１１と、ハイパスフィルタ１２と、増幅回路１３と、定バイアス回路１４と、第１及び第２相関信号生成部１５、１６と、第１及び第２積分回路１７、１８と、第１及び第２ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１９、２０と、タイミング制御部２１と、第１及び第２コンデンサ２２、２３と、距離演算部２４と、を備えている。

基準発振器２は、水晶振動子やセラミック発振子などを発振させて、基準となる基準信号を生成する。基準発振器２は、第１及び第２位相同期部３、４に夫々接続されており、生成した基準信号を第１及び第２位相同期部３、４に対して出力する。

第１位相同期部（ＰＬＬ（１）：Phase-Lock Loop）３は、基準発振器２からの基準信号に基づいて、フィードバック制御等を行い第２位相同期部４と同期した位相同期信号を生成する。第１位相同期部３は、第１クロック生成部５に接続されており、生成した位相同期信号を第１クロック生成部５に対して出力する。

第１クロック生成部５は、第１クロック生成手段の一具体例であり、第１位相同期回路３からの位相同期信号に基づいて、周波数ｆ１の第１クロック信号を生成する。第１クロック生成部５は、第１ＰＮ符号生成部７に接続されており、生成した第１クロック信号を第１ＰＮ符号生成部７に対して出力する。

第１ＰＮ符号生成部７は、第１ＰＮ符号生成手段の一具体例であり、第１クロック生成部５からの第１クロック信号に基づいて、第１ＰＮ符号信号Ｓ１＝ｃｏｓ（２π×ｆ１×ｔ）を生成する。ここで、ＰＮ符号は、自己相関性が高く、相互相関が無い特殊な符号である。第１ＰＮ符号生成部７は、駆動回路９及び第２相関信号生成部１６に夫々接続されており、生成した第１ＰＮ符号信号Ｓ１を駆動回路９及び第２相関信号生成部１６に対して出力する。

第２位相同期部（ＰＬＬ（２））４は、基準発振器２からの基準信号に基づいて、フィードバック制御等を行い、第１位相同期部３と同期した位相同期信号を生成する。第２位相同期部４は、第２クロック生成部６に接続されており、生成した位相同期信号を第２クロック生成部６に対して出力する。

第２クロック生成部６は、第２クロック生成手段の一具体例であり、第２位相同期回路４からの位相同期信号に基づいて、第１クロック信号の周波数ｆ１に近い周波数ｆ２であり基準となる第２クロック信号を生成する。

ここで、例えば、第１クロック信号の周波数ｆ１を３０ＭＨｚとし、第２クロック信号の周波数ｆ２を３０ＭＨｚより３００Ｈｚ低い周波数としているが、これに限らず、後述の如く、周波数（ｆ１−ｆ２）が低周波数帯となれば、第１及び第２クロック信号の周波数ｆ１、ｆ２を任意に設定可能である。第２クロック生成部６は、第２ＰＮ符号生成部８に接続されており、生成した第２クロック信号を第２ＰＮ符号生成部８に対して出力する。

第２ＰＮ符号生成部８は、第２ＰＮ符号生成手段の一具体例であり、第２クロック生成部８からの第２クロック信号に基づいて、第２ＰＮ符号信号Ｓ２＝ｃｏｓ（２π×ｆ２×ｔ）を生成する。第１及び第２ＰＮ符号生成部７、８は、例えば、図２に示すような符号列（Ｍ系列）からなる第１及び第２ＰＮ符号信号Ｓ１、Ｓ２を生成する。

ここで、第１ＰＮ符号信号Ｓ１の符号列と第２ＰＮ符号信号Ｓ２の符号列とは、同一の符号列であり、上述の如く、３００Ｈｚ程度ずれることとなる。また、初期において、第１及び第２ＰＮ符号信号Ｓ１、Ｓ２の周期のずれは小さく、夫々の１周期の符号列には相互相関が成立する。一方、第１及び第２ＰＮ符号信号Ｓ１、Ｓ２の周波数ｆ１、ｆ２に周期ずれが生じると、徐徐に相互相関が無くなるが、符号の１周期分ずれたタイミングで相互相関が再び成立する。このようにＰＮ変調を行うことで、後述の如く、例えば、発光部１０及び受光部１１をアレイ状に配置した場合において、光送信波同士あるいは受信波同士の相互干渉を防止することができる。

第２ＰＮ符号生成部８は、第１及び第２相関信号生成部１５、１６に夫々接続されており、生成した第２ＰＮ符号信号Ｓ２を第１及び第２相関信号生成部１５、１６に対して出力する。

駆動回路９は、発光部１０を駆動し発光させるための回路であり、第１ＰＮ符号生成部７からの第１ＰＮ符号信号Ｓ１に基づいて、発光部１０に対して制御信号を送信する。

発光部１０は、送信手段の一具体例であり、駆動回路９からの制御信号に基づいて発光し、計測対象物に対して光送信波Ｓ１を送出する。発光部１０は、例えば、ＬＥＤ素子、レーザー素子などの発光素子により構成されている。なお、発光部１０は、絞りなどを用いて光量調整を行う必要がないため、従来の距離計測装置と比較して計測時間の大幅な短縮が可能となる。

受光部１１は、受信手段の一具体例であり、計測対象物により反射された光送信波Ｓ１の反射波Ｓ３を受光し、その反射波Ｓ３に応じた受信波Ｓ３を出力する。受光部１１は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）などから構成されている。受光部１１には、受光部１１の動作を安定させるための定バイアス回路１４が接続されている。

受光部１１は、ハイパスフィルタ１２及びコイルアンプなどの増幅回路１３を介して第１相関信号生成部１５に接続されている。受光部１１から出力された受信波Ｓ３＝ｃｏｓ（２π×ｆ１×ｔ＋φ）は、ハイパスフィルタ１２によって所定周波数以下の低周波成分が除去され（ハイパスフィルタ処理）、増幅回路１３によって所定倍率で増幅処理が行われ、第１相関信号生成部１５に入力される。

第１相関信号生成部１５は、第２ＰＮ符号生成部８からの第２ＰＮ符号信号（基準波）Ｓ２と、増幅回路１３からの受信波Ｓ３とに基づき、ミキサ回路等を用いて、第１相関信号Ｍｉｘ１を生成する。具体的には、第１相関信号生成部１５は、下記（１）式のように、第２ＰＮ符号信号Ｓ２と受信波Ｓ３とを乗算して相関を行い、第１相関信号Ｍｉｘ１を生成する。
（数１）
Ｍｉｘ１＝Ｓ２×Ｓ３
＝ｃｏｓ（２π×ｆ２×ｔ）×ｃｏｓ（２π×ｆ１×ｔ＋φ）
＝０．５×[ｃｏｓ｛２π（ｆ１＋ｆ２）ｔ＋φ｝＋ｃｏｓ｛２π（ｆ１−ｆ２）ｔ＋φ｝] （１）式

第１相関信号生成部１５は、第１積分回路１７に接続されており、生成した第１相関信号Ｍｉｘ１を第１積分回路１７に対して出力する。

第２相関信号生成部１６は、第１ＰＮ符号生成部７からの第１ＰＮ符号信号（光送信波）Ｓ１と第２ＰＮ符号生成部８からの第２ＰＮ符号信号（基準波）Ｓ２とに基づき、ミキサ回路等を用いて、第２相関信号Ｍｉｘ２を生成する。具体的には、第２相関信号生成部１６は、下記（２）式のように、第１ＰＮ符号信号Ｓ１と第２ＰＮ符号信号Ｓ２とを乗算して相関を行い、第２相関信号Ｍｉｘ２を生成する。
（数２）
Ｍｉｘ２＝Ｓ２×Ｓ１
＝ｃｏｓ（２π×ｆ１×ｔ）×ｃｏｓ（２π×ｆ２×ｔ）
＝０．５×[ｃｏｓ｛２π（ｆ１＋ｆ２）ｔ｝＋ｃｏｓ｛２π（ｆ１−ｆ２）ｔ｝] （２）式

このように、第１及び第２ＰＮ符号信号Ｓ１、Ｓ２を用いることで、ＰＮ符号の強い相関特性を利用して、光干渉や外乱光などによるノイズにあまり影響されない距離計測が可能となる。

第２相関信号生成部１６は、第２積分回路１８に接続されており、生成した第２相関信号Ｍｉｘ２を第２積分回路１８に対して出力する。

第１及び第２相関信号生成部１５、１６は、例えば、図３に示すような第１及び第２相関信号Ｍｉｘ１、Ｍｉｘ２を生成する。第１及び第２相関信号Ｍｉｘ１、Ｍｉｘ２は、図３に示すように、所定周期Ｔｄ毎に鋭いピーク状態を繰り返す。また、所定周期Ｔｄは、第１及び第２ＰＮ符号信号Ｓ１、Ｓ２の符号列周期と第１及び第２クロック信号の周波数ｆ１、ｆ２の差で決定される。そして、第１相関信号Ｍｉｘ１と第２相関信号Ｍｉｘ２との波形の時間差ΔＴが計測対象物までの距離に相当している。

本実施の形態に係る距離計測装置１は、上述したように、発光部１０から計測対象物に対して光送信波Ｓ１を送信してから、その計測対象物により反射された光送信波Ｓ１の反射波Ｓ３が受光部１１によって受光されるまでの時間差ΔＴを計測することで、その計測対象物までの距離Ｒを、下記（３）式を用いて求める、ＴＯＦ型の距離計測装置である。したがって、光送信波Ｓ１及び反射波Ｓ３の光パルスの有無のみを判定し、そのレベルが問題とならないため、計測対象物の反射率の影響を受け難いというメリットがある。
(数３)
位相差φ＝２π×ｆ１×ΔＴ
距離Ｒ＝０．５×Ｃ（光速度）×ΔＴ （３）式

ここで、上記光速度Ｃは非常に高速であり、周波数ｆ１において時間差ΔＴは非常に微小となる。したがって、従来の距離計測装置においては、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）のサンプリング周波数をＧＨｚレベルに増加させる必要が生じ、高性能なＡＤＣが必要となっている。なお、光速度Ｃは高速であるため、直接的に時間差ΔＴを計測できない。また、周波数を低下させても位相差φは変化しない。

そこで、本実施の形態に係る距離計測装置１においては、第１及び第２クロック生成部５、６により生成された第１及び第２クロック信号に基づいて第１及び第２ＰＮ符号信号を生成（ＰＮ変調）し、ダウンビート法（時間伸張法）を用いて、光送信波（第１ＰＮ符号信号）Ｓ１と基準波（第２ＰＮ符号信号）Ｓ２とを相関した第２相関信号Ｍｉｘ２と、基準波Ｓ２と受信波Ｓ３とを相関した第１相関信号Ｍｉｘ１と、を夫々低い周波数帯に低下させて位相差φを求める。

具体的には、第１相関信号生成部１５から出力された第１相関信号Ｍｉｘ１は、第１積分回路１７で積分処理され（図４）、第１ローパスフィルタ１９で所定周波数以上の高周波数帯が除去されることで、上述した低い周波数帯（ｆ１−ｆ２）の第１補正信号ＬＭｉｘ１＝ｃｏｓ｛２π（ｆ１−ｆ２）ｔ＋φ｝が生成される。このように、例えば、上記第１ローパスフィルタ１９及び第１積分回路１７により第１補正信号生成手段が構成される。

同様にして、第２相関信号生成部１６から出力された第２相関信号Ｍｉｘ２は、第２積分回路１８で積分処理され（図４）、第２ローパスフィルタ２０で所定周波数以上の高周波数帯が除去されることで、上述した低い周波数帯（ｆ１−ｆ２）の第２補正信号ＬＭｉｘ２＝ｃｏｓ２π（ｆ１−ｆ２）ｔが生成される。このように、例えば、上記第２ローパスフィルタ２０及び第２積分回路１８により、第２補正信号生成手段が構成される。

上述のように、第１及び第２積分回路１７、１８と第１及び第２ローパスフィルタ１９、２０とを用いたダウンビート法により、第１及び第２相関信号Ｍｉｘ１、Ｍｉｘ２から、低い周波数帯（ｆ１−ｆ２）の第１及び第２補正信号ＬＭｉｘ１、ＬＭｉｘ２を生成することができる。従って、図４に示すように、低い周波数帯（ｆ１−ｆ２）の第１及び第２補正信号ＬＭｉｘ１、ＬＭｉｘ２に基づいて、後述のように第１及び第２コンデンサ２２、２３の充放電を切替えるため、極めて簡易な構成（例えば、一般の回路設計）で位相差φを求めることができる。

第１ローパスフィルタ１９から出力された第１補正信号ＬＭｉｘ１は、第１及び第２コンデンサ２２、２３に夫々入力され、第２ローパスフィルタ２０から出力された第２補正信号ＬＭｉｘ２は、タイミング制御部２１に入力される（図５（ａ））。ここで、第１補正信号ＬＭｉｘ１と第２補正信号ＬＭｉｘ２との間には、上記位相差φに相当する時間差ΔＴ１が生じる。

タイミング制御部２１は、第１及び第２コンデンサ２２、２３に接続されており、第２ローパスフィルタ２０からの第２補正信号ＬＭｉｘ２に基づいて、第１及び第２コンデンサ２２、２３の充放電を制御する。より具体的には、図５（ｂ）に示すように、タイミング制御部２１は、第２ローパスフィルタ２０からの第２補正信号ＬＭｉｘ２に基づいて、例えば、第１コンデンサ２２が放電する場合は第２コンデンサ２３が充電するように、あるいは、第１コンデンサ２２が充電する場合は第２コンデンサ２３が放電するように、第１及び第２コンデンサ２２、２３が反対の動作を行うようにその充放電を制御する。

距離演算部２４は、第１コンデンサ２２の静電容量Ｑ１と第２コンデンサ２３の静電容量Ｑ２とに基づいて、式φ＝α×（Ｑ１／Ｑ２）を用いて位相差φを演算する。なお、上記式において、αは、第２補正信号ＬＭｉｘ２の信号周期Ｔｑ（Ｔｑ＝１／（ｆ１−ｆ２））のデューティ比により決定される値であり、予め計測された設計値Ｔａの時間に基づいて決定される値である。さらに、距離演算部２４は、求めた位相差φと上記（３）式を用いて、計測対象物までの距離Ｒを演算する。

上述のように、第１及び第２積分回路１７、１８と第１及び第２ローパスフィルタ１９、２０とを用いたダウンビート法により、第１及び第２相関信号Ｍｉｘ１、Ｍｉｘ２から、低い周波数帯（ｆ１−ｆ２）の第１及び第２補正信号ＬＭｉｘ１、ＬＭｉｘ２を生成する。さらに、低い周波数帯（ｆ１−ｆ２）の第１及び第２補正信号ＬＭｉｘ１、ＬＭｉｘ２に基づいて、上述のように第１及び第２コンデンサ２２、２３の充放電を切替えて、位相差φを求めることで、構成を簡素化することができる。これにより、例えば、後述のように、一対の発光部１０及び受光部１１からなるセンサ部２５をアレイ状に複数配列したセンサ群２６を簡易に実現できる。

次に、本実施の形態に係る距離計測装置による距離計測方法について、詳細に説明する。図６は、本実施の形態に係る距離計測装置の処理フローの一例を示すフローチャートである。

基準発振器２は、基準となる基準信号を生成し（ステップＳ１０１）、第１及び第２位相同期部３、４は、基準発振器２からの基準信号に基づいて位相同期信号を生成し、第１及び第２クロック生成部５に対して出力する。

第１クロック生成部５は、第１位相同期回路３からの位相同期信号に基づいて、周波数ｆ１の第１クロック信号を生成し（ステップＳ１０２）、生成した第１クロック信号を第１ＰＮ符号生成部７に対して出力する。

第１ＰＮ符号生成部７は、第１クロック生成部５からの第１クロック信号に基づいて、第１ＰＮ符号信号Ｓ１を生成し（ステップＳ１０３）、生成した第１ＰＮ符号信号Ｓ１を駆動回路９及び第２相関信号生成部１６に対して出力する。

第２クロック生成部６は、第２位相同期回路４からの位相同期信号に基づいて、周波数ｆ２の第２クロック信号を生成し（ステップＳ１０４）、生成した第２クロック信号を第２ＰＮ符号生成部８に対して出力する。

第２ＰＮ符号生成部８は、第２クロック生成部８からの第２クロック信号に基づいて、第２ＰＮ符号信号Ｓ２を生成し（ステップＳ１０５）、生成した第２ＰＮ符号信号Ｓ２を第１及び第２相関信号生成部１５、１６に対して出力する。

発光部１０は、駆動回路９からの第１ＰＮ符号信号Ｓ１基づく制御信号に応じて発光し、計測対象物に対して光送信波Ｓ１を送出する（ステップＳ１０６）。

計測対象物により反射された光送信波Ｓ１の反射波Ｓ３は、受光部１１で受信され（ステップＳ１０７）、ハイパスフィルタ１２でハイパスフィルタ処理され、増幅回路１３で増幅処理され（ステップＳ１０８）、第１相関信号生成部１５に入力される。

第１相関信号生成部１５は、第２ＰＮ符号生成部８からの第２ＰＮ符号信号Ｓ２と、増幅回路１３からの受信波Ｓ３と、に基づいて、第１相関信号Ｍｉｘ１を生成し（ステップＳ１０９）、生成した第１相関信号Ｍｉｘ１を第１積分回路１７に対して出力する。

第２相関信号生成部１６は、第１ＰＮ符号生成部７からの第１ＰＮ符号信号Ｓ１と、第２ＰＮ符号生成部８からの第２ＰＮ符号信号Ｓ２と、に基づいて、第２相関信号Ｍｉｘ２を生成し（ステップＳ１１０）、生成した第２相関信号Ｍｉｘ２を第２積分回路１８に対して出力する。

第１相関信号生成部１５から出力された第１相関信号Ｍｉｘ１は、第１積分回路１７で積分処理され、第１ローパスフィルタ１９でローパスフィルタ処理され、低い周波数帯（ｆ１−ｆ２）の第１補正信号ＬＭｉｘ１が生成される（ステップＳ１１１）。生成された第１補正信号ＬＭｉｘ１は、第１及び第２コンデンサ２２、２３に入力される。

第２相関信号生成部１６から出力された第２相関信号Ｍｉｘ２は、第２積分回路１８で積分処理され、第２ローパスフィルタ２０でローパスフィルタ処理され、低い周波数帯（ｆ１−ｆ２）の第２補正信号ＬＭｉｘ２が生成される（ステップＳ１１２）。生成された第２補正信号ＬＭｉｘ２は、タイミング制御部２１に入力される。

タイミング制御部２１は、第２ローパスフィルタ２０からの第２補正信号ＬＭｉｘ２に基づいて、第１及び第２コンデンサ２２、２３が反対動作するようにその充放電を制御する（ステップＳ１１３）。

距離演算部２４は、第１コンデンサ２２の静電容量Ｑ１と第２コンデンサ２３の静電容量Ｑ２とに基づいて、式φ＝α×（Ｑ１／Ｑ２）を用いて位相差φを演算し、演算した位相差φと上記（３）式を用いて、計測対象物までの距離Ｒを演算する（ステップＳ１１４）。

次に、本実施の形態に係る距離計測装置の実際の適用例について、詳細に説明する。
図７に示すように、一対の発光部１０及び受光部１１からなる複数のセンサ部２５をアレイ状に配列したセンサ群２６を構成してもよい。距離計測装置１は、例えば、センサ群２６をロボットなどの移動体に取付け、そのロボットに接近する障害物等を検出する近接センサとして適用することができる。

ここで、センサ部２５毎に異なるＰＮ符号を夫々用いることで、光の干渉や混信を防止することができるため、各センサ部２５が正確な距離計測を夫々行うことができる。また、光送信波Ｓ１及び受信波Ｓ２の光路設計を行うことなく各センサ部２５を配置できるため、よりコンパクトな配置が可能となる。さらに、各センサ部２５の発光部１０から送出される光送信波Ｓ１が相互干渉しないように時間分割する必要もないため、同時に広範囲の距離計測が可能となる。

なお、本実施の形態に係る距離計測装置１は、上述の如く、ＰＮ変調方式、ダウンビート法、及び、静電容量位相差を同時に利用しているため、距離Ｒを求めるための位相差φを、高度な半導体レベルの設計を用いること無く、一般的な回路設計レベルの非常な簡易な回路で演算することができる。したがって、複数のセンサ部２５をアレイ状に配置した回路設計を行った場合でも、簡易かつコンパクトな設計が可能となる。

図８に示すように、ロボットハンド１００の各指１０１に一対の発光部１０及び受光部１１からなるセンサ部２５を設けてもよい。例えば、距離計測装置１は、ロボットハンド１００が各指１０１で物体を把持する際に、その物体までの距離を計測することができる。このとき、各指１０１間において光の干渉が発生しないため、より安定した精度での距離計測が可能となる。また、ＴＯＦ型の距離計測装置１であるため、計測対象物の色などの影響を受けることがない。

なお、図９に示すように、各センサ部２５の発光部１０及び受光部１１に光ファイバ２７を夫々接続し、発光部１０からの光送信波Ｓ１を光ファイバ２７の先端部から送出し、受光部１１はその反射波Ｓ３を光ファイバ２７の先端から受信してもよい。例えば、各センサ部２５をロボットの腕部１０３などに配置し、発光部１０及び受光部１１に夫々接続された各光ファイバ２７を各指１０１まで敷設してもよい。これにより、センサ部２５を配置する際にそのスペースの制約を受けることがないため、設計の自由度が増し、例えば、狭いスペースに複数のセンサを配置することも可能となる。

図１０に示すように、移動ロボット１０４の外面に一対の発光部１０及び受光部１１からなる複数のセンサ部２５を設けてもよい。移動ロボット１０４は、距離計測装置１を用いて、段差や障害物などを検出することができる。なお、光の相互干渉を考慮する必要がないため、その制限を受けることなく、複数のセンサ部２５を必要な箇所に配置することができる。

以上、本実施の形態に係る距離計測装置１において、周波数の近い第１及び第２クロック信号に基づいて第１及び第２ＰＮ符号信号Ｓ１、Ｓ２を夫々生成し、第１ＰＮ符号信号Ｓ１に基づいて、光送信波を計測対象物に対して送出し、計測対象物からのその反射波Ｓ３を受信する。そして、距離計測装置１は、第２ＰＮ符号信号Ｓ２と受信波Ｓ３とを乗算した第１相関信号Ｍｉｘ１と、第１ＰＮ符号信号Ｓ１と第２ＰＮ符号信号Ｓ２とを乗算した第２相関信号Ｍｉｘ２と、を夫々低い周波数帯（ｆ１−ｆ２）に低下させた、第１及び第２補正信号ＬＭｉｘ１、ＬＭｉｘ２を生成する。さらに、第１及び第２コンデンサ２２、２３は、第１及び第２補正信号ＬＭｉｘ１、ＬＭｉｘ２に基づいて相互に逆の充放電を行い、距離演算部２４は、第１コンデンサ２２の静電容量Ｑ１と第２コンデンサ２３の静電容量Ｑ２との比に基づいて、位相差φを演算し、計測対象物までの距離Ｒを演算する。これにより、簡易な構成で計測対象物までの距離を高精度に計測できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

上記実施の形態において、ハイパスフィルタ１２におけるハイパスフィルタ処理及び増幅回路１３における増幅処理によって生じた受信波Ｓ３＝ｃｏｓ（２π×ｆ１×ｔ＋φ）の時間遅れＴを予め求め、求めた時間遅れＴを位相差φから減算して最終的な位相差φを求めてもよい。

さらに、使用されるハイパスフィルタ１２及び増幅回路１３の特性や周囲温度条件などにより上記時間遅れＴが変動するため、この時間遅れＴを任意のタイミングで求め、求めた時間遅れＴを、上述のように、位相差φから減算して最終的な位相差φを逐次求める構成であってもよい。

例えば、第１ＰＮ符号生成部７とハイパスフィルタ１２とが接続され（図１１）、第１ＰＮ符号生成部７は、生成した第１ＰＮ符号信号Ｓ１をハイパスフィルタ１２に対しても出力してもよい。入力された第１ＰＮ符号信号Ｓ１は、ハイパスフィルタ１２でハイパスフィルタ処理が行われ、増幅部１３で増幅され、これら処理で時間遅れＴが生じた時間遅れ信号Ｓ１１として第１相関信号生成部１５に入力される。そして、上記受信波Ｓ３と同様の処理によって、時間遅れＴに相当する位相差φを求める。

これにより、ハイパスフィルタ１２及び増幅回路１３による時間遅れＴを考慮して、より高精度に位相差φを求めることができ、従って、計測対象物までの距離をより高精度に計測することができる。

上述の実施の形態では、本発明をハードウェアの構成として説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明は、図６に示す処理を、ＣＰＵにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。

また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

１ 距離計測装置
２ 基準発振器
３ 第１位相同期部
４ 第２位相同期部
５ 第１クロック生成部
６ 第２クロック生成部
７ 第１ＰＮ符号生成部
８ 第２ＰＮ符号生成部
９ 駆動回路
１０ 発光部
１１ 受光部
１２ ハイパスフィルタ
１３ 増幅回路
１４ 定バイアス回路
１５ 第１相関信号生成部
１６ 第２相関信号生成部
１７ 第１積分回路
１８ 第２積分回路
１９ 第１ローパスフィルタ
２０ 第２ローパスフィルタ
２１ タイミング制御部
２２ 第１コンデンサ
２３ 第２コンデンサ
２４ 距離演算部

Claims (8)

1. 第１クロック信号を生成する第１クロック生成手段と、
   前記第１クロック生成手段により生成された前記第１クロック信号に基づいて、第１ＰＮ符号信号を生成する第１ＰＮ符号生成手段と、
   前記第１ＰＮ符号生成手段により生成された前記第１ＰＮ符号信号に基づいて、計測対象物に対して、光送信波を送信する送信手段と、
   前記第１クロック信号の周波数に近い周波数であり、基準となる第２クロック信号を生成する第２クロック生成手段と、
   前記第２クロック生成手段により生成された前記第２クロック信号に基づいて、第２ＰＮ符号信号を生成する第２ＰＮ符号生成手段と、
   前記計測対象物により反射された前記光送信波の反射波を受信する受信手段と、
   前記第２ＰＮ符号生成手段により生成された前記第２ＰＮ符号信号と、前記受信手段により受信された前記反射波と、を乗算して第１相関信号を生成する第１相関信号生成手段と、
   前記第１相関信号生成手段により生成された前記第１相関信号に対して、積分処理及びローパスフィルタ処理を行うことで第１補正信号を生成する第１補正信号生成手段と、
   前記第１ＰＮ符号生成手段により生成された前記第１ＰＮ符号信号と、前記第２ＰＮ符号生成手段により生成された前記第２ＰＮ符号信号と、を乗算して第２相関信号を生成する第２相関信号生成手段と、
   前記第２相関信号生成手段により生成された前記第２相関信号に対して、積分処理及びローパスフィルタ処理を行うことで第２補正信号を生成する第２補正信号生成手段と、
   前記第１及び第２補正信号生成手段により生成された前記第１及び第２補正信号に基づいて、充放電を行う第１コンデンサと、
   前記第１及び第２補正信号生成手段により生成された前記第１及び第２補正信号に基づいて、前記第１コンデンサと逆の充放電を行う第２コンデンサと、
   前記第１コンデンサの静電容量と前記第２コンデンサの静電容量との比に基づいて、前記計測対象物までの距離を演算する距離演算手段と、
   を備える、ことを特徴する距離計測装置。
2. 請求項１記載の距離計測装置であって、
   前記距離演算手段は、前記第１コンデンサの静電容量と前記第２コンデンサの静電容量との比に基づいて、前記第１補正信号と前記第２補正信号との位相差を求め、該求めた位相差に基づいて、前記計測対象物までの距離を演算する、ことを特徴とする距離計測装置。
3. 請求項２記載の距離計測装置であって、
   前記受信手段により受信された反射波に対してハイパスフィルタ処理を行うハイパスフィルタ手段と、
   前記ハイパスフィルタ処理された反射波を増幅し、該増幅した反射波を前記第２相関信号生成手段に出力する増幅手段と、
   前記ハイパスフィルタ処理及び前記増幅処理による前記反射波の時間遅れを検出する時間遅れ検出手段と、を更に備え、
   前記距離演算手段は、前記位相差から前記時間遅れ検出手段により検出された前記時間遅れを減算して、最終的な前記位相差を求める、ことを特徴とする距離計測装置。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の距離計測装置であって、
   一対の前記送信手段及び前記受信手段とからなる複数のセンサ部をアレイ状に配列したセンサ群を備える、ことを特徴とする距離計測装置。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の距離計測装置であって、
   一対の前記送信手段及び前記受信手段からなるセンサ部がロボットハンドの各指に夫々配置されている、ことを特徴とする距離計測装置。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか１項記載の距離計測装置であって、
   一対の前記送信手段及び前記受信手段からなるセンサ部と、
   前記センサ部の送信手段及び受信手段に夫々接続された光ファイバと、を備え、
   前記送信手段からの光送信波を前記光ファイバの先端部から送出し、前記受信手段は前記反射波を前記光ファイバの先端から受信する、ことを特徴とする距離計測装置。
7. 第１クロック信号を生成するステップと、
   前記生成された第１クロック信号に基づいて、第１ＰＮ符号信号を生成するステップと、
   前記生成された第１ＰＮ符号信号に基づいて、計測対象物に対して、光送信波を送信するステップと、
   前記第１クロック信号の周波数に近い周波数であり、基準となる第２クロック信号を生成するステップと、
   前記生成された第２クロック信号に基づいて、第２ＰＮ符号信号を生成するステップと、
   前記計測対象物により反射された前記光送信波の反射波を受信するステップと、
   前記生成された第２ＰＮ符号信号と、前記受信された反射波と、を乗算して第１相関信号を生成するステップと、
   前記生成された第１相関信号に対して、積分処理及びローパスフィルタ処理を行うことで第１補正信号を生成するステップと、
   前記生成された第１ＰＮ符号信号と、前記生成された第２ＰＮ符号信号と、を乗算して第２相関信号を生成するステップと、
   前記生成された第２相関信号に対して、積分処理及びローパスフィルタ処理を行うことで第２補正信号を生成するステップと、
   前記生成された第１及び第２補正信号に基づいて、第１コンデンサが充放電を行うステップと、
   前記生成された第１及び第２補正信号に基づいて、第２コンデンサが前記第１コンデンサと逆の充放電を行うステップと、
   前記第１コンデンサの静電容量と前記第２コンデンサの静電容量との比に基づいて、前記計測対象物までの距離を演算するステップと、
   を含む、ことを特徴する距離計測方法。
8. 第１クロック信号に基づいて、第１ＰＮ符号信号を生成する処理と、
   前記生成された第１ＰＮ符号信号に基づいて、計測対象物に対して光送信波を送信する処理と、
   前記第１クロック信号の周波数に近い周波数であり基準となる第２クロック信号に基づいて、第２ＰＮ符号信号を生成する処理と、
   前記計測対象物により反射された前記光送信波の反射波と、前記生成された第２ＰＮ符号信号と、を乗算して第１相関信号を生成する処理と、
   前記生成された第１相関信号に対して、積分処理及びローパスフィルタ処理を行うことで第１補正信号を生成する処理と、
   前記生成された第１ＰＮ符号信号と、前記生成された第２ＰＮ符号信号と、を乗算して第２相関信号を生成する処理と、
   前記生成された第２相関信号に対して、積分処理及びローパスフィルタ処理を行うことで第２補正信号を生成する処理と、
   前記生成された第１及び第２補正信号に基づいて充放電を行う第１コンデンサの静電容量と、前記第１コンデンサと逆の充放電を行う第２コンデンサの静電容量と、の比に基づいて、前記計測対象物までの距離を演算する処理と、
   をコンピュータに実行させる、ことを特徴するプログラム。

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