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図面 (4)

課題

複数の変調線を空間に投影する方法を提供する。

解決手段

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複数の変調線を第1の物体から空間に投影する方法であって、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ステップ102と、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を投影するステップ104と、それぞれ第1のグリッドワードおよび第2のグリッドワードを搬送するために水平グリッド線および垂直グリッド線を変調するステップ106,108とを含む方法。

概要

背景

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。

概要

複数の変調線を空間に投影する方法を提供する。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複数の変調線を第1の物体から空間に投影する方法であって、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ステップ102と、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を投影するステップ104と、それぞれ第1のグリッドワードおよび第2のグリッドワードを搬送するために水平グリッド線および垂直グリッド線を変調するステップ106,108とを含む方法。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項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って前記グリッドの中の前記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って前記グリッドの中の前記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前記垂直グリッド線を変調するステップとを含む方法。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項5

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む、請求項1記載の方法。

請求項6

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5記載の方法。

請求項7

前記照明源はレーザである、請求項5記載の方法。

請求項8

前記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ために検流計を利用するステップをさらに含む、請求項5記載の方法。

請求項9

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8記載の方法。

請求項10

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記載の方法。

請求項11

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10記載の方法。

請求項12

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14記載の方法。

請求項13

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12記載の方法。

請求項14

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記載の方法。

請求項15

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記載の方法。

技術分野

0001

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。

背景技術

0002

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。

先行技術

0003

米国特許第7681839号明細書

0004

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。

図面の簡単な説明

0005

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。

実施例

0006

図1は、複数の交線などのグリッドを伝送フィールド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。

0007

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。

0008

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。

0009

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。

0010

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。

0011

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。

0012

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。

0013

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。

0014

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。

0015

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。

0016

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。

0017

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シーケンス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。

0018

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。

0019

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。

0020

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。

0021

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。

0022

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。

0023

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。

0024

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。

0025

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。

0026

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。

0027

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。

0028

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

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