JP3812463B2 - 方向検出装置およびそれを搭載した自走式掃除機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は方向検出装置に係り、特に自走式掃除機や自走式台車に好適な方向検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自走式移動体に用いる従来の位置検出装置の例が、特開平７−３１１０４１号公報に記載されている。この位置検出装置は、自律的に現在位置を把握するために、駆動輪を有する移動体の上面に平面的に所定距離離れた位置に２つの受光部を取り付けている。これらの受光部は旋回可能になっている。それとともに基準局の側面には、平面的に所定距離離れた位置に２つの発光部を取付けている。移動体上の受光部が旋回しながらサンプリングすると受光量が変化する。受光量のピークとなった旋回角に基づいて、相対位置と相対的な姿勢角を求めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載の位置検出方法では、移動体に２組の旋回可能な受光軸を設けているので、受光部の構成が複雑になっている。そのため、家庭用の掃除機等にこれらの受光体を搭載するときには、小型化の阻害要因となっている。
【０００４】
本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は移動体に搭載する方向検出装置を小型化することにある。本発明の他の目的は、安価な方向検出装置を実現することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、光を発光し固設された発光体と、移動体に搭載された光センサユニットとを備えた方向検出装置において、前記光センサユニットに、発光体から発光された光を受光する複数の第１の受光手段と、この第１の受光手段よりも受光可能な入射範囲が狭い第２の受光手段と、を備え、前記移動体を回転させ前記第２の受光手段が前記発光体を検出した方向に基づいて、前記発光体が各方向に存在するときの各前記第１の受光手段の受光強度の比と対応する評価関数の値と評価関数を求めるために前記第１の受光手段のうちどの素子を用いたかが記録される方向検出データベースが構築され、前記発光体の方向は前記方向検出データベースのデータに基づいて検出されるものである。
【０００７】
上記目的を達成するための他の特徴として、移動体を自走式掃除機とし、上記いずれかの特徴の方向検出装置を搭載したものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明に係る方向検出装置の一実施例を、自走式掃除機に搭載した例について図面を用いて説明する。図１に、自走式掃除機の模式図を示す。自走式掃除機４の上部には、赤外線を発光する光センサユニット１が取り付けられている。自走式掃除機４から離れた位置に、発光体５が固定されている。光センサユニット１は、発光体５から照射される変調された赤外線１１を受けるために、広指向角の受光素子２と狭指向角の受光素子３とを備えている。これらの受光素子２、３の個々の受光強度情報は、自走式掃除機４内部に設けた演算手段７に送られる。
【０００９】
演算手段７は、自走式掃除機４を駆動する駆動系の制御部６に接続されている。駆動系は一対の駆動輪１０を有しており、演算手段７は、駆動輪１０の回転速度と回転量を駆動系制御部６に指令する。演算手段７の指令に応じた回転速度と回転量で駆動輪１０が回転すると、駆動系制御部６から演算手段７に実際の駆動輪１０の回転速度と回転量の情報が送られる。自走式掃除機４の前下部には掃除機部８が設けられており、自走式掃除機４の移動とともに床面に散乱したごみ等を吸い込む。演算手段７はこの掃除機部８にも接続されており、掃除機部８の運転と停止を制御する。演算手段７はさらに、記憶手段９と接続されている。記憶手段９は、広指向角の受光素子２の受光強度と、発光体５に対する光センサユニット１の姿勢角の関係についての情報を記憶する。演算手段７の指令情報および記憶手段に記憶される情報は、この自走式掃除機４に設けた図示しない入力手段または、この自走式掃除機４とは別体に設けたリモコンから入力される。
【００１０】
このように構成した自走式掃除機に搭載される光センサユニットの詳細を、図２および図３に示す。図２は、光センサユニットの斜視図である。光センサユニット１は、円筒形状をしており、その外周部に広指向角の受光素子２と狭指向角の受光素子３が配置されている。図３に、光センサユニット１の横断面図を示す。広指向角の受光素子２を、円周方向６０度おきに６個配置する。各受光素子２の受光可能な入射角範囲は、光軸から左右にそれぞれ６０度以上になっており、入射角で１２０度以上の範囲については、発光体５からの赤外光１１を検出できる。これにより、３６０度どの方向に発光体５が存在しても、いずれかの隣り合う２個の広指向角の受光素子２が、赤外光１１を検出できる。
【００１１】
狭指向角の受光素子３は、円周方向に１か所だけ設けられており、広指向角の受光素子２、２の中間に位置している。狭指向角の受光素子３の前面には図示しないスリットが形成されている。このスリットは、発光体５が発光する赤外光１１の受光可能な範囲、すなわち入射角の方向と広さを調整する。これにより、狭指向角の受光素子３の受光範囲を、広指向角の受光素子２の受光範囲に比べて狭くしている。
【００１２】
図４に、図１に示した自走式掃除機４の上面図を示す。光センサユニット１は、２個の駆動輪１０の中央部の真上に位置している。駆動輪１０の一方を正転させ、もう一方を同じ速度で逆転させると、自走式掃除機は光センサユニット１を中心に、その場で回転する。
【００１３】
広指向角の受光素子２の赤外線１１に対する感度Ｓと入射角θの関係を、図５に示す。受光素子２の感度は、受光素子２に垂直な方向からの入射時にピークとなり、入射角が垂直方向からずれるにつれて急激に感度が低くなる。図６および図７を用いて、光センサユニット１の受光範囲を説明する。図６の位置に発光体５が位置した場合には、広指向角の受光素子２ａ、２ｂの２つの受光素子が受光可能である。このときの受光素子２ａ、ｂの感度Ｓ_２ａ、Ｓ_２ｂを示したのが、図５である。
【００１４】
光センサユニット１と発光体５との距離が充分に離れている場合は、各受光素子２ａ、２ｂから発光体５までの距離はほぼ等しいとみなされる。そこで、発光体５までの距離が略等しい関係から各受光素子２ａ、２ｂが光センサユニット１の中央にあると摸擬する。そして、各受光素子２ａ、２ｂの受光強度の比を用いて光センサユニット１の中央部における受光強度を求め、光センサユニット１に対する発光体５の方向を求める。
【００１５】
本方法を用いれば、発光体５がどの方向にあっても広指向角の受光素子２のうち２個以上が受光可能となる。したがって、受光量が上位２個の素子を選んで受光量の比を求めれば、発光体５の方向を定めることができる。さらに円周上に配置した全部の広指向角の受光素子２の受光強度を同時に検出できるようにすれば、自走式掃除機４の走行中にも、発光体５の位置を検出できる。
【００１６】
狭指向角の受光素子３の感度特性を、図８に示す。図８の細い実線は、スリットを形成しないときの感度分布特性であり、太い実線はスリットを形成した場合である。図７にこの狭指向角の受光素子３で発光体５を検出する様子を示す。スリットを形成したことにより、狭指向角の受光素子３は略垂直に入射する発光素子５ｂからの赤外光しか受光できない。すなわち図７に示すように、発光体５が狭指向角の受光素子３の垂直面から離れた方向にある発光体５ａのときは、感度は図８に示すように略０となる。
【００１７】
なお、狭指向角の受光素子３が赤外線１１を検出したかどうかにより、発光体５が光センサユニット１の所定方向にあるかどうかを判別する。狭指向角の受光素子３の分解能は、受光素子３の検出可能な入射角の範囲により定まる。また、受光素子の特性が図８において細線で示したように左右対称であっても、受光可能な入射角の範囲はスリットにより定まる。
【００１８】
図９に、自走式掃除機４が狭指向角の受光素子３を用いて発光体５を検出する例を示す。自走式掃除機４をその場で回転させ、狭指向角の受光素子３が赤外線１１を検出した方向を発光体５の方向とみなす。狭指向角の受光素子３の受光可能範囲が要求される分解能よりも広い場合には、自走式掃除機４をその場で回転させる際に、狭指向角の受光素子３が赤外線１１を検出し始めた方向と赤外線１１を検出できなくなった方向との２つの方向の中間の方向を発光体５の方向とみなす。
【００１９】
図１０に、発光体５の方向を検出する際の情報の流れを示す。狭指向性の受光素子３の受光量に基づいて演算手段７が受光の有無を判定する。受光素子３が受光していると判定したときは、そのときの発光体５の方向を角度情報として記憶し、走行経路を計画するときに用いる。一方、広指向性の受光素子２の受光強度を、記憶手段９に記憶されている方向検出データベースと比較するために、比較可能な形に変換する。つまり、広指向性の受光素子２のなかで最も受光強度が強い素子と、２番目に受光強度が強い素子の受光強度の比から評価関数を決定し、データベースの記憶値と比較する。評価関数は受光強度の比と１対１に対応するものであれば良い。
【００２０】
評価関数の値と評価関数を求めるためにどの素子の受光強度を用いたかの情報とを、方向検出データベースと照合する。方向検出データベースには、発光体５が各方向に存在するときの評価関数の値と評価関数を求めるためにどの素子を用いたかが記録されている。方向検出データベースと評価関数を照合するときは、評価関数の値を求めるのに用いた素子のデータを、データベースから検索する。次に検索されたデータを補間もしくは外挿する。これにより、評価関数の値に対応する方向が求められる。この方向は走行経路を計画するときに用いられる。
【００２１】
広指向角の受光素子２は方向検出データベースのデータに基づいて発光体５の方向を検出する。経年変化や光学系の汚れなどで素子の特性が変化したときは、方向検出データベースを再構築する。図１１に、方向検出データベースの再構築のフローチャートを示す。
【００２２】
ステップ１００で再構築を開始する。狭指向角の受光素子３を用いて、正確な発光体５の方向を検出する(ステップ１１０)。次に上述した評価関数を計算する(ステップ１２０)。発光体５の方向、評価関数の値および評価関数の値を求めるのに用いた広指向角の受光素子２の番号を記憶手段９に記憶する(ステップ１３０)。
【００２３】
所定の角度だけ自走式掃除機４を、その場で回転させる。このときの回転の角度は駆動輪１０に取り付けたエンコーダから求める（ステップ１４０）。方向検出データベースの再構築を始めてから、自走式掃除機４を合計３６０度以上回転したか否かを判断する(ステップ１５０)。３６０度以上回転していれば方向検出データベースの再構築を終了する（ステップ１６０）。自走式掃除機４の回転が３６０度に満たない場合は、ステップ１２０に戻る。以下、上述したステップを繰り返す。
【００２４】
以上の動作を実行すると、広指向角のセンサ２が発光体５の方向を正確に検出できる。方向検出データベースをユーザが任意に再構築することもできるし、自走式掃除機４を起動するごとに再構築しても良い。また、狭指向角の受光素子３が発光体５の方向を検出し、広指向角の受光素子２も発光体５の方向を検出したときであって、２種の受光素子２、３の検出角度の差が大きくなったときに自動的に実行するようにしても良い。なお、この場合、データベースを再構築せずに、ユーザに対してデータベースの再構築を促す表示をするようにしてもよい。
【００２５】
図１２に、発光体５を基準にして位置を検出する方法を示す。発光体５ｃ、５ｄを自走式掃除機４の使用環境に設置する。発光体５ｃ、５ｄが発する赤外線１１、１１は、それぞれ異なる変調周波数で変調されている。この変調周波数の違いにより、発光源を区別できる。自走式掃除機４は、図の左方であるＡの位置で発光体５ｃ、５ｄの方向を検出する。この点Ａから距離Ｌだけ右方に離れた位置Ｂまで自走式掃除機４が走行したことを計測するのに、自走式掃除機４の駆動輪１０に取り付けたエンコーダ(図示せず)を使用する。
【００２６】
位置Ｂで、再度発光体５ｃ、５ｄの方向を検出する。この動作により、自走式掃除機４の移動方向に対する発光体５ｃ、５ｄの方向が求められる。すなわち、発光体５ｃの位置Ａにおける方向はθAcであり、発光体５ｄの位置Ａにおける方向はθAdであり、発光体５ｃの位置Ｂにおける方向はθBcであり、発光体５ｄの位置Ｂにおける方向はθBdである。これらの角度と、自走式掃除機４の移動距離Ｌとから、三角測量の原理を用いて、発光体５ｃ、５ｄと自走式掃除機４の相対的な位置関係が求められる。なお、発光体５ｃ、５ｄの座標が既知であれば、位置Ａ、Ｂの座標を求めることもできる。
【００２７】
なお、上記実施例では移動体として自走式掃除機を例に取り説明したが、工場内で使用される無人搬送車や各種自走ロボットに本発明を適用できることは言うまでもない。無人搬送車の場合、発光***置を求めるのが容易であり、かつ通常搬送路は概略定まっているので、高精度に搬送車の位置決め等が可能になる。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、予め設定した発光体の移動体に対する方向角度を三角測量の原理を用いて求めることができるので、方向検出装置の可動部品数を低減でき、方向検出装置の信頼性を高めるとともに、安価に方向検出装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る自走式掃除機の一実施例の模式図。
【図２】図１に示した自走式掃除機に用いられる光センサユニットの斜視図。
【図３】図２の光センサユニットの横断面図。
【図４】図１に示した自走式掃除機の上面図。
【図５】第１の受光手段の感度を説明するグラフ。
【図６】第１の受光手段を説明する図。
【図７】第２の受光手段を説明する図。
【図８】第２の受光手段の感度を説明するグラフ。
【図９】図１に示した自走式掃除機の動作を説明する図。
【図１０】方向検出時の情報の流れを説明するブロック図。
【図１１】方向検出データベースの再構築の手順を説明するフローチャート。
【図１２】図１に示した自走式掃除機の動作を説明する図。
【符号の説明】
１…光センサユニット、２、２ａ、２ｂ…広指向角の受光素子(第１の受光手段)、３…狭指向角の受光素子(第２の受光手段)、４…移動体、５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ…発光体、６…駆動系制御部、７…演算手段、９…記憶手段、１０…駆動輪。

Claims (4)

1. 光を発光し固設された発光体と、移動体に搭載された光センサユニットとを備えた方向検出装置において、前記光センサユニットに、発光体から発光された光を受光する複数の第１の受光手段と、この第１の受光手段よりも受光可能な入射範囲が狭い第２の受光手段と、を備え、
   前記移動体を回転させ前記第２の受光手段が前記発光体を検出した方向に基づいて、前記発光体が各方向に存在するときの各前記第１の受光手段の受光強度比と対応する評価関数の値と評価関数を求めるために前記第１の受光手段のうちどの素子を用いたかが記録される方向検出データベースが構築され、前記発光体の方向は前記方向検出データベースのデータに基づいて検出される方向検出装置。
2. 前記移動体に移動体の移動量を検出する手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の方向検出装置。
3. 前記第１および第２の受光手段は、略円筒上に形成された受光面の外周部に設けられており、前記第２の受光手段を移動体の進行方向またはその逆方向に設けたことを特徴とする請求項１に記載の方向検出装置。
4. 前記移動体が自走式掃除機であり、請求項１に記載の方向検出装置を搭載したことを特徴とする自走式掃除機。

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