JP2007192763A - 自律走行装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定誤差をなくし、より正確に測定対象物の距離を知ることができる自律走行装置を提供することを目的とする。
【解決手段】超音波センサを有する複数のセンサ手段４、５と、センサ手段４、５のセンサ値を入力として測定対象物１の距離を測定する距離測定手段７、８と、走行装置Ａの速度を測定する速度測定手段２０と、距離測定手段７、８の距離と速度測定手段２０の速度を入力として測定対象物領域を確定する測定対象物領域確定手段１０とを備えたものである。これによって、測定時間に相当する距離を補正するので、より正確に測定対象物１の距離を知ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、走行中に超音波センサを有するセンサ手段により測定対象物の位置を測定しながら走行する自律走行装置に関するものである。

従来、この種の自律走行装置としては、超音波センサの送信波と受信波の時間差を測定することにより、超音波センサと測定対象物の距離を測定するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３１８４４６７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、超音波センサを用いて測定対象物までの距離を測定した場合、自律走行装置は測定時間に相当する距離だけ走行しているので、実際の距離と測定した結果に誤差が生じるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、測定誤差をなくし、より正確に測定対象物の距離を知ることができる自律走行装置を提供することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の自律走行装置は、超音波センサを有する複数のセンサ手段と、センサ手段のセンサ値を入力として測定対象物の距離を測定する距離測定手段と、走行装置の速度を測定する速度測定手段と、距離測定手段の距離と速度測定手段の速度を入力として測定対象物領域を確定する測定対象物領域確定手段とを備えたものである。

これによって、測定時間に相当する距離を補正するので、より正確に測定対象物の距離を知ることができる。

本発明の自律走行装置は、測定誤差をなくし、より正確に測定対象物の距離を知ることができる。

第１の発明は、超音波センサを有する複数のセンサ手段と、センサ手段のセンサ値を入力として測定対象物の距離を測定する距離測定手段と、走行装置の速度を測定する速度測定手段と、距離測定手段の距離と速度測定手段の速度を入力として測定対象物領域を確定する測定対象物領域確定手段とを備えた自律走行装置とすることにより、測定時間に相当する距離を補正するので、より正確に測定対象物の距離を知ることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、センサ手段は、隣り合うセンサ手段による測定可能範囲が重なる位置に設置したことにより、測定対象物の存在領域の検知精度を向上させることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、センサ手段は、超音波センサで使用する周波数を可変可能としたことにより、超音波の干渉を防止して安定した受信波を測定することができ、測定対象物の存在領域の検知をより安定した状態で行うことができる。

第４の発明は、特に、第１または第２の発明において、センサ手段は、超音波センサの超音波送出時間を可変可能としたことにより、超音波センサの超音波送出時間をずらして超音波による干渉を防止することができるので、安定して受信波を測定することができ、測定対象物の存在領域の検知をより安定した状態で行うことができる。

第５の発明は、特に、第１の発明において、ホーン手段と、ホーン手段の超音波ホーン範囲を記憶するホーン範囲記憶手段とを備えたことにより、超音波センサによる超音波の送出方向を決定するホーン手段によって超音波による測定範囲を変更することができるので、自律走行装置の形状による測定範囲の死角を最小限に抑え、検知を安定した状態で行うことができる。

第６の発明は、特に、第１の発明において、超音波センサの超音波出力量を決定する出力決定手段を備えたことにより、超音波の出力量を決めることによって、測手範囲も限定することができるので、測定対象物の存在領域の検知精度を向上させることができる。

第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明において、測定対象物領域確定手段は、複数のセンサ手段のセンサ値とセンサ手段が測定することができる超音波センサの超音波範囲を入力としていることにより、あるセンサ手段のセンサ値を分析し測定対象物からの反射波が入力されたと判定すると、そのセンサ手段に対応した超音波センサの超音波範囲を出力し、測定対象物の存在領域の検知精度をより向上されることができる。

第８の発明は、特に、第１〜第７のいずれか１つの発明において、測定対象物領域確定手段による測定対象物領域と距離測定手段による測定対象物距離から測定対象物の位置を決定する測定対象物位置決定手段を備えたことにより、センサ手段の発信方向に対して横方向である測定対象物の存在領域と縦方向である測定対象物の距離を用いて、より精密に測定対象物の位置を測定することができる。

第９の発明は、特に、第８の発明において、測定対象物位置決定手段による測定対象物の位置の変化から測定対象物の相対速度を決定する測定対象物相対速度決定手段を備えたことにより、測定対象物の存在領域、位置に加えて測定対象物の相対速度を求めることができ、より多くの測定対象物の情報を得ることができる。

第１０の発明は、特に、第９の発明において、測定対象物位置決定手段の測定対象物位置と測定対象物相対速度決定手段の測定対象物の相対速度から測定範囲の測定対象物の位置マップを作成する測定対象物位置マップ作成手段を備えたことにより、測定対象物が超音波センサの設置されている走行装置に向かっているか、走行装置が測定対象物にぶつかりそうかどうかなどの色々な環境情報を得ることができる。

第１１の発明は、特に、第１０の発明において、測定対象物位置マップ作成手段による測定対象物位置マップから部屋全体のマップを作成する全***置マップ手段を備えたことにより、超音波センサが設置されている走行装置の環境全体を知ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
図は、本発明の実施の形態における自律走行装置を示すものである。

図１に示すように、測定対象物１は走行装置Ａが配備された部屋内に位置している。第一、第二のホーン手段２、３は、超音波センサの超音波範囲を決定するものであり、この第一、第二のホーン手段２、３の構成を変えることにより、超音波センサを有する第一、第二のセンサ手段４、５が発生する送信波の送信範囲を変更することができるものである。このホーン手段２、３の構成によると、走行装置Ａの形状が変化した場合でもホーン手段２、３の構成を変えるだけで送信波の送信範囲を変更できるので、センサ手段４、５の位置を大幅に変更することが必要ない。

第一のセンサ手段４は、第一のセンサ出力決定手段６による第一のセンサ出力で超音波を送信する。また、第一のセンサ手段４のセンサ値を入力として測定対象物１の距離を測定する第一の距離測定手段７は、第一のセンサ出力決定手段６による第一のセンサ出力タイミングと第一のセンサ手段４による第一の受信波入力タイミングから測定対象物１の距離を測定し、第一の測定対象物距離信号を出力する。

同様に、第二のセンサ手段５は、第二のセンサ出力決定手段９による第二のセンサ出力で超音波を送信する。また、第二のセンサ手段５のセンサ値を入力として測定対象物１の距離を測定する第二の距離測定手段８は、第二のセンサ出力決定手段９による第二のセンサ出力タイミングと第二のセンサ手段５による第二の受信波入力タイミングから測定対象物１の距離を測定し、第二の測定対象物距離信号を出力する。そして、第一、第二のセンサ手段４、５は、測定対象物１の存在領域の検知精度を向上させるために、隣り合うセンサ手段による測定可能範囲が重なる位置に設置している。

測定対象物領域確定手段１０は、第一、第二の距離測定手段７、８の距離と、走行装置Ａに設けて走行装置Ａの速度を測定する速度測定手段２０による速度とを入力として測定対象物領域を確定し、測定対象物領域信号を出力する。

なお、測定対象物領域確定手段１０は、第一、第二のセンサ手段４、５のセンサ値と、超音波センサの超音波範囲を決定するホーン手段２、３の超音波ホーン範囲を記憶するホーン範囲記憶手段２１のホーン範囲とを入力とすることにより、ホーン手段２、３のホーン形状を変更して第一、第二のセンサ手段４、５による測定可能範囲を任意に変更することで、センサ手段の数を増やすことなく測定可能範囲の変更に対応することができ、正確に測定対象物１の存在領域を測定することができる。また、測定対象物領域確定手段１０は、第一、第二のセンサ手段４、５のセンサ値と、第一、第二のセンサ出力決定手段６、９の超音波出力とを入力とすることにより、第一、第二のセンサ手段４、５の出力を変更して測定可能範囲を任意に変更することで、センサ手段の数を増やすことなく測定可能範囲の変更に対応することができ、正確に測定対象物１の存在領域を測定することができる。

また、測定対象物位置決定手段１１は、第一、第二の距離測定手段７、８による第一、第二の測定対象物距離信号と測定対象物領域確定手段１０による測定対象物領域信号を入力し、入力された距離、存在領域から測定対象物１の位置を決定し、測定対象物位置信号を出力する。すなわち、第一、第二のセンサ手段４、５の発信方向に対して横方向である測定対象物１の存在領域と縦方向である測定対象物１の距離を用いることにより、測定対象物１の存在領域に加えて測定対象物１の位置を測定することができる。

さらに、測定対象物相対速度決定手段１２は、測定対象物位置決定手段１１による測定対象物位置信号から測定対象物１の相対速度を計算し、測定対象物相対速度信号を出力する。つまり、この測定対象物位置決定手段１１による測定対象物１の位置の変化から測定対象物１の相対速度を決定するものであり、測定対象物１の相対速度を求めることにより、測定対象物１の存在領域、位置に加えて測定対象物１の相対速度を求めることができ、より多くの測定対象物１の情報を得ることができる。

測定対象物位置マップ作成手段１３は、測定対象物位置決定手段１１による測定対象物位置と測定対象物相対速度決定手段１２による測定対象物速度信号から測定範囲内に存在する測定対象物１のマップを作成し、測定対象物位置マップ信号を出力する。

全***置マップ手段１４は、測定対象物位置マップ作成手段１３による測定対象物位置マップ信号を入力として、測定範囲内に存在する測定対象物１のマップから走行装置Ａが存在する部屋全体のマップを作成する。

次に、本実施の形態における自律走行装置の動作について説明する。

まず、超音波の送信波、受信波、直接波について、図９、図１０で説明する。

図９に示すように、超音波発生のために、距離測定開始手段１５、送信信号出力手段１６、超音波送信センサ１７、超音波受信センサ１７および距離測定手段１９を備えているものであり、距離測定手段１９から距離出力信号が出力される。なお、距離測定手段１９は、図１の第一、第二の距離測定手段７、８に相当するものである。

また、図１０に示すように、一般に約４０ｋＨｚの超音波領域に属する超音波を測定対象物１に対して送信信号送信センサ１７から発信される。測定対象物１から反射した超音波の反射波は、受信波が発信されてから時間差Δｔに超音波受信センサ１８で受信される。超音波送信センサ１７と超音波受信センサ１８は同じ走行装置Ａに設定されているので、送信波が走行装置Ａのボディ、プリント基板を介して時間Δｔ１の直接波となって超音波受信センサ１８に伝搬する。

まず、超音波による距離測定の原理について説明する。

超音波送信センサ１７から測定対象物１までの距離をＬ１、測定対象物１から超音波受信センサ１８までの距離をＬ２とすると、時間差Δｔは、Δｔ＝（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｖと計算することができる。ただし、Ｖは音波の速度であり、Ｖ≒約３４０００（ｃｍ／ｓｅｃ）となる。

超音波送信センサ１７と超音波受信センサ１８の設定位置が同じ場所であるとすると、Ｌ＝Ｌ１＝Ｌ２となるから、
Ｌ（ｃｍ）＝Δｔ（ｍｓｅｃ）・１７（ｃｍ／ｍｓｅｃ）・・・（１）
と変形することができ、（１）式に測定した時間差Δｔを代入することにより走行装置Ａと測定対象物１の距離Ｌを求めることができる。

次に、測定対象物領域確定手段１０の動作を図２に基づき説明する。

図２は、超音波を発生する第一のセンサ手段４と第二のセンサ手段５で測定できる測定範囲を示している。また、同時に、第一のホーン手段２、第二のホーン手段３も示した。

これにより、第一のホーン手段２により超音波で距離を測定できる範囲、すなわち第一の領域を決定することができる。同様に、第二のホーン手段３により超音波で距離を測定できる範囲、すなわち第三の領域を決定することができる。

図２（ａ）に示す位置に測定対象物１が存在している場合、第一のセンサ手段４でのみ測定対象物１までの距離を測定でき（第一の領域）、第二のセンサ手段５で測定対象物１の距離を測定することができない。また、図２（ｂ）に示す位置に測定対象物１が存在している場合、第一のセンサ手段４で測定対象物１までの距離を測定することができるし、第二のセンサ手段５でも測定対象物１までの距離を測定することができる（第二の領域）。さらに、図２（ｃ）に示す位置に測定対象物１が存在している場合、第一のセンサ手段４で測定対象物１までの距離を測定することができないが、第二のセンサ手段５で測定対象物１までの距離を測定することができる（第三の領域）。したがって、測定対象物１による超音波の受信波を受信したセンサ手段を知ることにより測定対象物１が存在する領域を決定することができる。すなわち、測定対象物領域確定手段１０は、上述したように第一のセンサ手段４による第一のセンサ値と第二のセンサ手段５による第二のセンサ値と超音波センサの測定範囲から測定対象物１が存在する領域を確定する。

次に、第一のセンサ手段４、第二のセンサ手段５の動作について図３に基づき説明する。

図３は、第一のセンサ手段４、第二のセンサ手段５の送信波、受信波を、横軸時間ｔ、縦軸信号の振幅Ａ１、Ａ２として示している。

図３に示すように、第一のセンサ手段４による送信波の出力、受信波の入力が終了した後、第二のセンサ手段５による送信波の出力をすることにより、送信波間の相互干渉を防止することできる。このように、送信波送出時間（タイミング）を可変可能とすることにより（ずらすことにより）、誤検知なく、測定対象物１が存在する領域を決定することができる。

また、送信波送出時間（タイミング）を可変可能とすることに代えて、超音波センサで使用する周波数を可変可能とすることにより、超音波の干渉を防止して安定した受信波を測定することができ、測定対象物１の存在領域の検知をより安定した状態で行うことができる。

次に、第一のセンサ出力決定手段６、第二のセンサ出力決定手段９の動作について説明する。

第一のセンサ出力決定手段６による第一のセンサ手段４の送信波出力を変えることにより、第一のセンサ手段４の測定範囲を変更することができる。これにより、第一の距離測定手段７で測定対象物１の距離を測定できる第一のセンサ出力の範囲を知ることにより、測定対象物１の存在範囲を限定することができる。

次に、測定対象物位置決定手段１１の動作について図４に基づき説明する。

図４は、測定対象物１の存在領域と測定対象物１の距離ｒ１を示している。距離ｒ１の円に示すように測定対象物１の距離だけでは測定対象物１の位置を決定することができない。しかし、測定対象物領域確定手段１０による測定対象物１が存在する領域を知ることにより、測定対象物１の位置（ｘ０，ｙ０）を決めることができる。

上記測定対象物位置決定手段１１の動作によると、測定対象物領域確定手段１０による測定対象物１の存在領域と第一の距離測定手段７による第一の測定距離信号、第二の距離測定手段８による第二の測定距離信号を用いることにより、測定対象物１の位置を決定することができる。

また、図５に示すように、測定対象物１が複数個存在する場合でも、センサ手段を増やし、対応する測定対象物１の存在領域と距離測定手段による距離信号を知ることにより、測定対象物１の位置を決定することができる。センサ手段が３つの場合を示しているが、それ以上であってもよいものである。

次に、測定対象物相対速度決定手段１２の動作について図６に基づき説明する。

図６は、測定対象物１の時間ｔの位置（ｘ０，ｙ０）、時間ｔ＋Δｔの位置（ｘ１，ｙ１）を同時に示したものである。図に示すように、時間ｔの時と、ｔ＋Δｔの時との測定対象物１の位置を知ることにより、ｘ方向の速度Ｖｘ、ｙ方向の速度Ｖｙを以下の式で計算することができる。

Ｖｘ＝（ｘ１−ｘ０）／Δｔ
Ｖｙ＝（ｙ１−ｙ０）／Δｔ
この測定対象物相対速度決定手段１２の動作によると、測定対象物位置決定手段１１による測定対象物１の位置から、測定対象物１の相対速度を測定することができる。

次に、測定対象物位置マップ作成手段１３の動作について図７に基づき説明する。

図７は走行装置Ａの周囲における測定対象物１の位置と相対速度を示している。同時に測定対象物１の相対速度ベクトル（Ｖｘ、Ｖｙ）も示している。

図に示すように、測定対象物位置決定手段１１による測定対象物１の位置と測定対象物相対速度決定手段１２による測定対象物１の速度から走行装置Ａの周囲における測定対象物１の位置、速度の２次元情報を得ることができる。よって、図７に示すように、センサ手段の範囲内に存在する測定対象物１のマップを作成することができる。これにより、測定対象物１が超音波センサの設置されている走行装置Ａに向かっているか、走行装置Ａが測定対象物１にぶつかりそうかどうかなどの色々な環境情報を得ることができる。

次に、全***置マップ手段１４の動作について図８に基づき説明する。

図８は走行装置Ａが存在する部屋Ｂ全体の測定対象物１の位置と相対速度を示している。同時に測定対象物１の相対速度ベクトル（Ｖｘ、Ｖｙ）も示している。

図に示すように、走行装置Ａを動かすことにより得られる測定対象物位置マップ作成手段１３による走行装置Ａの複数回数の周囲におけるマップを使用することにより、片隅の定位置に障害物Ｃが設置されている部屋Ｂ全体の測定対象物１の位置と相対速度を知ることができる。

以上のように、本発明にかかる自律走行装置は、測定誤差をなくし、より正確に測定対象物の距離を知ることができるので、掃除ロボット、カメラ搭載ロボットおよび芝刈りロボットなどに適応でき、より性能の高いロボットとすることができる。

本発明の実施の形態における自律走行装置を示すブロック図 同自律走行装置による測定対象物の領域測定動作を示す図 同自律走行装置によるセンサ手段の動作を示す図 同自律走行装置による測定対象物の位置決定方法を示す図 同自律走行装置による測定対象物位置決定動作を示す図 同自律走行装置による測定対象物速度決定動作を示す図 同自律走行装置による測定対象物マップ作成動作を示す図 同自律走行装置による全***置マップ測定動作を示す図 同自律走行装置の超音波発生構成を示すブロック図 同自律走行装置による距離測定動作を示す図

符号の説明

１ 測定対象物
２ 第一のホーン手段
３ 第二のホーン手段
４ 第一のセンサ手段
５ 第二のセンサ手段
６ 第一のセンサ出力決定手段
７ 第一の距離測定手段
８ 第二の距離測定手段
９ 第二のセンサ出力決定手段
１０ 測定対象物領域確定手段
１１ 測定対象物位置決定手段
１２ 測定対象物相対速度決定手段
１３ 測定対象物位置マップ作成手段
１４ 全***置マップ手段
２０ 速度測定手段
２１ ホーン範囲記憶手段
Ａ 走行装置

Claims (11)

1. 超音波センサを有する複数のセンサ手段と、センサ手段のセンサ値を入力として測定対象物の距離を測定する距離測定手段と、走行装置の速度を測定する速度測定手段と、距離測定手段の距離と速度測定手段の速度を入力として測定対象物領域を確定する測定対象物領域確定手段とを備えた自律走行装置。
2. センサ手段は、隣り合うセンサ手段による測定可能範囲が重なる位置に設置した請求項１に記載の自律走行装置。
3. センサ手段は、超音波センサで使用する周波数を可変可能とした請求項１または２に記載の自律走行装置。
4. センサ手段は、超音波センサの超音波送出時間を可変可能とした請求項１または２に記載の自律走行装置。
5. 超音波センサの超音波範囲を決定するホーン手段と、ホーン手段の超音波ホーン範囲を記憶するホーン範囲記憶手段とを備え、測定対象物領域確定手段は、ホーン範囲記憶手段のホーン範囲とセンサ手段のセンサ値を入力としている請求項１に記載の自律走行装置。
6. 超音波センサの超音波出力量を決定する出力決定手段を備え、測定対象物領域確定手段は、出力決定手段の超音波出力とセンサ手段のセンサ値を入力としている請求項１に記載の自律走行装置。
7. 測定対象物領域確定手段は、複数のセンサ手段のセンサ値とセンサ手段が測定することができる超音波センサの超音波範囲を入力としている請求項１〜６のいずれか１項に記載の自律走行装置。
8. 測定対象物領域確定手段による測定対象物領域と距離測定手段による測定対象物距離から測定対象物の位置を決定する測定対象物位置決定手段を備えた請求項１〜７のいずれか１項に記載の自律走行装置。
9. 測定対象物位置決定手段による測定対象物の位置の変化から測定対象物の相対速度を決定する測定対象物相対速度決定手段を備えた請求項８に記載の自律走行装置。
10. 測定対象物位置決定手段の測定対象物位置と測定対象物相対速度決定手段の測定対象物の相対速度から測定範囲の測定対象物の位置マップを作成する測定対象物位置マップ作成手段を備えた請求項９に記載の自律走行装置。
11. 測定対象物位置マップ作成手段による測定対象物位置マップから部屋全体のマップを作成する全***置マップ手段を備えた請求項１０に記載の自律走行装置。