JPH09511060A - 自律した装置のために障害物を感知する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は自律した装置の近接領域の方位決定用の方法及びシステムを提供し、遅い伝搬の第１の周波数を持つ屈折波を利用し、それによって近接領域内の障害物からの反射が検出される。本発明によれば、遅い伝搬の周波数を反射する障害物までの三次元方向を簡単な方法で得るために、受信手段は傾斜した面に、あるいは好ましくは湾曲した基準線に沿って配置される。それに加えて、少なくとも１つの受信手段の上に吸収体もしくはスクリーン、またはその組合せが配置され、それによってそれが受信手段において上から来る望ましくない反射を減衰させる「出窓」として作用する。加えて、一般的に湾曲した基準線に沿った少なくとも１つの受信手段が残りの受信機に対して高さが異なるように配置され、好ましくは三次元分解能の改良のために、一般的に湾曲した基準線に沿った受信機の列の各々の側の最も外側の受信機手段が、残りの受信機に対して高さが異なるように配置される。

Description

【発明の詳細な説明】 自律した装置のために障害物を感知する方法及び装置 技術的分野 本発明は自律した装置に関するもので、例えば、自律して、かつ自己修正をす る真空掃除機の形態で使用される。より正確には、遅い伝搬波の周波数用の送信 機を備えた感知システムと、自律した装置の進路にある障害物の位置と高さを感 知し判断するという利点を提供する外面的形態を持った受信システムによる、隣 接環境における方位測定の方法及び装置に関する。 発明の背景 長年の間、自律した装置、例えば床掃除のためのものが望まれていた。特に、 船のレーダーのようなものに類似した水平に掃印する感知システムによって制御 される真空掃除機を提供することが望まれていた。 そして、その要求は、その装置が、例えば、所定のパターンまたは所定の戦略 に従って掃除機能を果たすことができるように、部屋の中において自身で方位決 定でき、同時に部屋に配置されているかもしれない異なる障害物との衝突を避け 、また部屋の壁にぶつかることも避けることができるものである。 １９６９年の特許文書ＳＥ３１３、４０９は、床掃除用の自主的に操作する装 置が開示されており、それは電 気モーターで駆動される一対の車輪を備えている。この装置は障害物があった時 、一方の車輪がバネの作用に対して自動的に解放でき、それによって一対の車輪 が垂直軸のまわりで回転でき、装置の移動方向を変更でき、それに加えて、装置 が原則として移動でき、障害物を避けることができるように、車輪の回転方向を 切り換えることができるという特徴がある。加えて、装置は一般的に掃除すべき 表面にわたって装置の移動をガイドする自動制御装置によって導かれる。 更に、特許文書ＳＥ３６４、５７４は、対応する装置を開示しており、それは 電気信号を送り、それによって装置の進路にある障害物の幅を決定できる感知手 段を備えた障害物検出装置がその前部に設けられている。感知手段は完全に機械 的に操作し、マイクロスイッチで構成されていることが好ましい。 １９７２年の出願から優先権のあるＧＢ１、４０３、８６０には、自動的処理 、例えば、制限された領域の掃除用のプロセスと装置が開示されており、それに よって装置は全領域にわたって移動し、自動的に境界部分でその進路を変更する 。いずれにしても、装置は制限された領域内に存在する他の障害物を事前に検出 することができず、原則として制限された領域の全表面をカバーする所定のプロ グラムに従って動作する。 他にも、そのような装置系が更に１９７３年の出願ＤＥ２、３６０、００２に 優先権を有する１９７３年の特 許文書ＣＨ６１９、７９９に開示されている。この装置は２つの車輪によって駆 動され、幾つかのビーム入力と出力を表示する電子光学測定装置が配置されてい る。測定装置は部屋を制限する壁上の測定点と装置の間の距離を測定する働きを する。測定点は座標計算プロセッサーに入力され、座標計算プロセッサーは測定 点の座標を各々計算し、相関させ、制御し、これらの計算された値を方位記憶装 置に記憶する。車輪に接続された進路カウンターによって、装置の動きが付加的 に計算され、装置は表面を掃除するためにこの情報によって自動的かつ系統的に 床の全表面を移動するように導かれる。 ここでの欠点は、電子光学感知システムが、高速伝搬速度のために、非常に短 時間で測定できる測定システムを要求するので、電子光学感知システムとして床 の全面にわたる移動において装置の進路に存在するかもしれない障害物の位置を 突き止めることが難しいことである。 まず、このようなシステムは、電子工学やコンピューター技術で起きている最 近の開発を以てしても、非常に高価で、特に価格の面からは大衆が利用できるも のではない。このように、満足できる分解能で短い距離を測定するそのような電 子光学方法にはまだ技術的な困難がある。加えて、障害物が滑らかな角度の付い た表面を呈している場合には、電子光学感知パルスはそのような方向に反射して しまうかもしれないので、反射された信号が受信機によって捕らえられず、従っ て、障害物の指示が 得られないので、装置はその移動中に障害物に衝突することになる。 James L．Crowleyによって１９８４年に書かれた、「知的移動式ロボット用の 位置概算」（"Position Estimation for Intelligent Mobile Robot"）と題した 文書、The Laboratory for Household Robotics，Carnegie-Mellon University において、ロボットが公知あるいは未知の環境において移動する時、ロボットの 位置概算を維持するという問題の解決について更に説明されている。それに加え て、その文書はこれに関連した模型製作に使用される異なるアルゴリズムに対す る多数の参照を提供しており、それはかかるロボットをガイドするためにデータ プロセッサーをプログラムするために使用され得る。その文書に示されている装 置は、その移動を決定するためにロボットの車輪の所では符号器を一部利用し、 約７．５ｃｍの出発点直径と約３°の広がりを持つビームを有する外部表面まで の距離を感知する回転センサーを一部利用する。センサーは約５秒当り１回転で 回転し、３ｃｍの分解能に対して６ｍ以内の最も近い表面までその距離を戻る。 それからそれが動作すると思われる世界のガイド付き周遊の間に学習モードに置 かれる。学習モードから始まり、装置はその後ある開始点から今は調査済みの環 境で自動的に方位決定をする。 ＪＰ２００３６０／８３から優先権を有する米国特許Ｎｏ．４、６７４、０４ ８では、移動式ロボット用のガ イドシステムが開示されており、それはその瞬間的な位置を計算し、逐次得られ た位置データを記憶し、その情報がロボットの連続移動のために使用される。そ の後ロボットは指定された領域内の移動パターンを計算し、それによって未移動 の領域を残さずに範囲内を移動し、可能性のある障害物に気付き、その進路を変 更することができる。その上、ロボットはその駆動輪のすべりによる位置誤差ま たはモーターの操作エラーを補償する。 それに加えて、米国特許Ｎｏ．４、１１４、７１１（１９７８）、４、７００ 、４２４（１９８７）、４、８８７、４１５（１９８９）等の多数の他の文書が あり、それらも自動的にガイドされる自律した装置の異なる配置を開示している 。 １９８７年の米国特許Ｎｏ．４、６３８、４４５の別の文書は、作業場での障 害物の位置及びそこまでの距離に関するデータを得るため、少なくとも２列のセ ンサーを使用する移動式ロボット用の視覚システムを開示している。下向きに見 る１つのセンサー列が基本的に近くの物体を見るために使用され、他の列が遠く の物体を見るために主に使用される。この装置はその後モノスタティックセンサ ーとして操作する超音波変換器を利用する。略図が書かれたそのシステムはかな り大きな背の高い装置を要求し、床処理、特に真空掃除機用の自律した装置には ふさわしくない。 最後に、１９９２年に発行された最近の文書である米 国特許Ｎｏ．５、１１１、４０１は、最初の位置から環境内の目的地まで床の上 を移動する自律した車両に指図をする航行制御システムを開示している。車両は 床に適用される少なくとも１つの反射式符号化ストライプに依存する。更に航行 は無線リンクを介して別個に設置されるホストコンピューターに依存し、それは 車両内の局部プロセッサーと共に車両をガイドする。 これら全ての先行技術に共通するのは、その方位付けと舵取りに必要な方法が 多数別々に組み合わされるために、しばしば不体裁な大きさになり、とりわけそ れらは全く複雑で、製造費が高くなる。 従って、自律した装置のシステムに適用され得る方法を提供することが望まれ ている。自律した装置のシステムは、この方法によって経済的な製造原価で製造 することを可能にし、例えば、部屋の自動真空掃除用の既製品を一般大衆が使用 できるような価格で供給することを可能にした。 発明の要約 本発明によれば、自律した装置用の近接感知方法及びシステムが提供され、こ の装置はマイクロプロセッサーシステムと、比較的遅い伝搬の屈折波を利用する 送信機手段と受信機手段を備えた感知システムから成り、それによって近接領域 内の反射が特別な受信機システムによって検出され、前記遅い伝搬波の周波数用 のマイクロプ ロセッサーにつながれる。 本発明の第１の目的によれば、受信手段は、遅い伝搬波を反射する障害物に対 する三次元方向を簡単な方法で得るために、湾曲した基準線に沿って位置付けら れる。 本発明の第２の目的によれば、吸収手段または反射器、またはその組合せが少 なくとも１つの受信手段の上に配置され、それによってこれが、受信手段におい て望ましくない方向からの反射の受信を減衰させる「出窓」として作用する。 本発明の第３の目的によれば、一般的に湾曲した基準線に沿った少なくとも１ つの受信手段が残りの受信機に比べて高さが異なるように付加的に配置され、好 ましくは一般的に湾曲した基準線に沿った受信機の各々の列の最も外側の受信手 段が、残りの受信手段に対して高さが異なるように配置される。 本発明の付加的な目的によれば、装置に近接する障害物を感知するための波は 、比較的遅い伝搬の周波数上で定期的に送られる掃引（チャープされた）信号を 構成し、その信号は所定の間隔で繰り返され、それによって比較的遅い伝搬の波 は縦の波と、主として超音波範囲内の音響周波数とで構成されている。 本発明の付加的な目的によれば、湾曲した基準線に沿った受信手段は、この波 周波数に適合されており、自律した装置内のマイクロプロセッサーに適当なデジ タル信号を作り出すために配置されている別のマイクロフォン 部材から成る。 図面の説明 添付図面を参照して発明を望ましい実施例で説明する。 図１は本発明を真空掃除ロボットとして実施した場合の自律した装置の側面図 を表示し、 図２は図１の真空掃除ロボットの平面図を表示し、 図３は図１の真空掃除ロボットの拡大横断面図を表示し、 図４は多数の能動ビーコンまたはトランスポンダーが設けられた部屋を示し、 そこでは図１の真空掃除ロボットが部屋の壁に沿った最初の一周によって方位決 定しなければならない、 図５は図１による真空掃除ロボットが部屋を調査した後、原則として掃除行為 を行う方法を示し、 図６は内蔵式感知機能によるトランスポンダーの位置の概算のための一般的な 基本図を表示し、 図７は一部分仮説方法により、一部分外面的形態の進路概算によるトランスポ ンダーの位置の概算を示し、 図８は部屋の最初の一周の間のトランスポンダーに向けての方位決定を示し、 図９は別の送信機と受信機を備えた感知の原則、及び送信機とターゲット間、 及びターゲットと受信機間の異なる伝搬時間を表示し、 図１０は本発明の望ましい実施例による送信機と多数 の受信機間の関係を幾何学的に示し、 図１１は典型的に受信される信号、浮動しきい値、そしてマイクロフォンの１ つによって検出される信号を示し、 図１２は図示した実施例において、ロボットの検分領域の区画、前方方向の方 形に関係する前部領域とロボットの右側と左側に置かれた方形に関係する側面領 域を表示し、 図１３は１点から全てのマイクロフォン素子までの距離の計算を行い、それに よって使用される多数のマイクロフォンが航行機能により行われる決定に依存す る方法を表示し、そして 図１４は送信機部材とマイクロフォン間の高さの違いの補償を計算するための 幾何学的な図を表示する。 図に示された望ましい実施例 全般的な説明 図１の右側面の図、そして図２の上平面図において、自律した真空掃除機１０ の実施例が示されており、それは本発明の方法及びシステムを応用したものであ る。真空掃除機１０は原則として２つの駆動輪１２と１３が設けられた円形のハ ウジング１１から成る。ハウジング１１の上には、本技術による装置用の制御と 指示器が設けられた制御パネル１５と、装置の真空掃除ユニット１４からの空気 の出口がある。図３は、真空掃除機１０の横 断面を表示する簡略化された図で、ハウジング１１が原則として３つの区画によ り構成されていることを示す。１つ目の区画である後部区画１７は真空掃除ユニ ット１４の上のほこりを集めるためのもので、２つ目の中央区画１８は例えば蓄 電池や駆動モーター等の重い構成部材用のものであり、そして３つ目の前部区画 １９は残りの設備、例えばマイクロプロセッサーや関連プリント回路基板、そし てその操作の間の真空掃除機の方位決定やガイダンスのための送信機や受信機の ための電子光学部品のためのものである。また図３に見られるように、ハウジン グ１１は付加的に、事前に検出されない障害物と衝突するような場合のために機 械式センサー２１がその前方縁に一般的な方法で設けられている。別の実施例で は、区画１９（図３）の全ハウジングが、例えば真空掃除機がソファーの下等に 入る時のために、高い所にある障害物を感知するためにｘ、ｙ座標において移動 可能な機械式センサーを構成している。ハウジング１１の上部には、超音波送信 機２０が置かれ、それは多数の超音波マイクロフォンと共に、真空掃除機の進路 にある障害物の検出のために使用される。図示した実施例では、超音波送信機は 約１５ｍｍの直径を持つシリンダーで、それはハウジング１１の上に約２０ｍｍ 突き出ており、上部に音吸収板が設けられ、その上に付加的にＩＲ受信機が置か れている。このように、この実施例では、ハウジング１１、超音波送信機２０、 及び機械式センサー２１が一体化さ れた装置を構成している。 図４と図５では、真空掃除機が部屋の自動掃除を行う方法の原則が表示されて いる。図示例の部屋では、一例として、ソファー３０があり、この場合には部屋 には真空掃除機の方位決定のために４つのトランスポンダー３１〜３４が設けら れている。この例では、全てのトランスポンダーは掃除される領域内にあるが、 トランスポンダーは制限された掃除領域の範囲外に配置されてもよいことに注意 すべきである。真空掃除機が部屋の自動掃除を行う時、それは伝統的な方法で、 まず部屋を制限している壁に沿って、トランスポンダー３１または「ビーコン０ 」から開始し、ウォールトラッキングで部屋のまわりを一周する。ウォールトラ ッキングの間に追跡される壁は、常に超音波装置によって登録され、こうして装 置が右回りをしている時常に装置の左側に存在するようになる。加えて、トラン スポンダー３１〜３４がシステムによって登録され、そのシステムではトランス ポンダーが活動し、トランスポンダーが装置から送信された超音波パルスを登録 した時に応答する。図示した実施例では、かかるサウンドパルス、あるいは掃引 パルス（チャープパルス）が１００ミリ秒毎に送信され、その間同時に装置が壁 に沿って移動する。注目すべきことは、チャープ信号を使用する実施例では、独 特なパルスの代わりに全く連続した信号が発せられるように、それを延ばすこと ももちろん可能であることである。実際問題として図示 した実施例において、同じ超音波送信機が近接方位決定のためとトランスポンダ ーとの通信のための両方に使用される。トランスポンダーからの応答と壁に沿っ た動きによって、マイクロプロセッサーが部屋の一種の画像を構築し、その場合 装置がこの方位決定ラウンドの間に移動する距離が長ければ長い程、トランスポ ンダーの正確な位置がより正確に決定されると同時に、カバーされる進路に沿っ て掃除機能を果す。このラウンドの間に、表示した例におけるソファー３０は超 音波装置によって登録され、発生される部屋の「マップ」の中に置かれる。この マップは部屋が真空掃除される時に、更に連続して書き込みされる。 部屋の一周が完了した後、真空掃除機は図５に図示されている部屋の残されて いる表面の自動掃除を自動的に行うための準備が完了される。それからマイクロ プロセッサーは全表面が装置によってカバーされ、同時に適当な少量の重なりを 持つように、移動パターンを計算する。 この操作機能の間、装置は「マップイメージ」を利用し、トランスポンダーの 位置との比較により、また車輪によって登録されるカバーされた進路によって、 装置の移動を確認する。車輪１２、１３の別個の駆動モーター及びそれらの位置 によって、装置はその後ハウジング１１の限界線を構成する円の原点になるその 対称点のまわりを快適に回転することができる。図示した実施例における駆動モ ーターは、例えば日本サーボ株式会社から提 供される製品名ＫＨ５６ＨＭ２−５０１を備えたステップモーターである。 装置が移動すると同時に、超音波システムが範囲０〜４０ｃｍ内の近接領域の 感知を行って、可能性のある障害物を検出し、それはある理由から以前に発生さ れたマッピングイメージでは注目されず、その装置によって駆動させることがで きない。装置の背が低いため、例えばテーブルまたはいすの下を真空掃除するこ とができ、それによってそれらの脚を避けるだけでよい。装置が障害物を登録し た時、それはまず回転して全ての何もない表面の掃除を続ける。その後、もし可 能であれば、次の障害物に進む前に、例えば、障害物のまわりを一周して障害物 のまわりの掃除をする。掃除を完了した後、ロボットは充電のために開始位置に 戻る。 こうして、この全般的に説明したシステムで、真空掃除機または「ダストロボ ット」が得られ、それは自動的に開始位置で、そのコマンドを受け取った後、部 屋の１点から自動的に部屋の真空掃除を行うことができる。図示した実施例では 、「ビーコン０」が装置用のドッキングポイントを構成し、そこでは装置は通常 休んでいる状態で、その内蔵蓄電池を再充電することができる。また、蓄電池の 以前の充電によって、装置が全部屋の真空掃除を完了することができない場合に は、付加的な充電のために戻ることもできる。この場合に、トランスポンダー３ １〜３４は付加的に活性タイプのものであり、それは バッテリー、あるいは例えば利用できるコンセントに接続されることによって自 身の電源を持っており、また、説明された実施例では蓄電池用の充電電流を得る ためのドッキングトランスポンダー３１に適用できる。図４、５、６及び８にお いて、トランスポンダー３４は典型的にバッテリーによって自立しており、一方 ドッキングトランスポンダー３１のようなトランスポンダー３２、３３は利用可 能なコンセントに接続される。トランスポンダー３２、３３は外観は小さなラン プ装置を連想させ、それは時には暗闇でガイディングライトを発生させるために コンセントに差し込まれる。このように、原則として、床上からの高さに関して 、トランスポンダーは自由に配置されてよく、必要性から壁の上及び床になけれ ばならない唯一のものは、開始・ドッキングトランスポンダー３１であろう。と にかく、望ましい実施例によれば、超音波送信機から上向きの放射を減少させ得 るためには、トランスポンダーの高さは例えば床上１ｍに制限され、それによっ て一般的な騒音背景の原因となる、上からの望ましくない反射の数を減少させる 。 ここでは図示した実施例として真空掃除機を説明しているが、発明は如何なる 自律したロボット、例えば、床みがきのような他の種類の掃除機能のための自律 したロボットにも適用できることはもちろんである。 方位決定機能の簡単な説明 方位決定機能のためには、方位決定装置ＰＯＭ（位置マネージャー）が使用さ れ、一部分はロボットを２０ミリ秒毎にガイドするため、そして一部分は位置付 けのために、その装置のマイクロプロセッサー用の多数のサブルーチンを付加的 に含んでいる。方位決定用の開始点として使用され、それ自体の座標システムで 原点を構成するトランスポンダー３１、つまり「ビーコン０」を除き全てのトラ ンスポンダーの位置は、ウォールトラッキングの開始時点で、未知である。図６ には、サウンドパルスが「ビーコン３」、つまりトランスポンダー３４によって 登録される開始位置が示されている。例えば、超音波パルスが真空掃除機１０の 超音波送信機２０からトランスポンダー３４まで伝搬する時間により、トランス ポンダーまでの距離を測定できる。次にトランスポンダーは真空掃除機の受信機 に別の周波数、例えば光パルスとか無線パルスで超音波パルスを送り返すことに よって、超音波パルスを検出したことを認識する。この電磁波が伝搬して戻る時 間は比較的に無視できる程度のものであり、パルスが送信されてからトランスポ ンダーにより検出されるまでの時間間隔から推測され、トランスポンダーまでの 距離ｄ１が得られる。そして送信機２０を原点としｄ１に等しい半径を持った円 に沿ったどこかにトランスポンダーが位置することが明らかである。 トランスポンダーを位置付ける１つの方法は仮定法によるものである。図７に 描かれた仮定法は、各トランス ポンダーのために、多数の、例えば４つの平行したカルマンフィルターを使って みることを意味する。（カルマン方程式の完全な説明は、例えば、A．Gelb "App lied Optimal Estimation"，MIT Press，1975 及びH.Sorenson "Kalman Filteri ng: Theory an Application"，IEEE Press，1985に述べられている。）更に他の タイプのフィルターももちろん利用できる。このように、これは図７において、 ４つの異なる仮定に対応し、その１つが徐々に選ばれる。トランスポンダー距離 ｄ１が得られると、各々のフィルター内のトランスポンダーの初期の位置が（ｘ_robot ＋ｄ_1,ｙ_robot）、（ｘ_robot,ｙ_robot＋ｄ₁）（ｘ_robot,ｙ_robot−ｄ₁）そ して（ｘ_robot−ｄ_1,ｙ_robot）に指定される。もしどのフィルターも収束しなけ れば、全ての仮定が拒絶され、その方法が繰り返される。「最善の見積り」を見 い出した後、集められた全ての値が再び使用されるが、逆の順序である新しい計 算集合にこの値が使用される。その後得られた結果は最初に得られたものより高 い精度を持っている。 トランスポンダーを位置付ける別の方法は、幾何学的進路決定によって行われ る。この方法も図７及び図８に描かれており、２つの「脚」ｓ１、ｓ２が作られ 、それがトランスポンダー距離ｄ１、ｄ２、ｄ３と共にトランスポンダー位置を 三角法で計算するための基礎を形成するまでロボットが移動するように作用する 。それから進路決定が好ましくはカルマンフィルターに対する初期の 値を形成する。充分な精度を得るために、この方法はｓ１、ｓ２が充分な長さが あり、ある最小の角度で交差することを必要とする。この方法は、測定された全 ての位置１と２の間のトランスポンダー距離を記憶しなければならない（それら は初期値が最終的に決定された後フィルタリングされる）ので、一部冗漫である 。その上、好ましくない備品と組み合わされた特定の外面的形態が、トランスポ ンダーだけが時折見えることを暗示し、それは２本の「脚」が発生していないこ とを知らせるかもしれない。 １つのトランスポンダー３４の位置付けが図６に示されており、それによって 、検出されるそれぞれのトランスポンダーのためにシーケンスを完全に実行しな ければならない。かかるシーケンスの主な要素は、例えば、下記のようである。 ａ）ロボットはトランスポンダー３１から動き、トランスポンダー３４までの 距離を得る。最初の測定値ｄ₁がサンプル１で得られる。 ｂ）４つのカルマンフィルターを備えた図（実際には図示した実施例）におい て、マイクロプロセッサー内のフィルタープログラムを開始する。各フィルター の初期位置は半径ｄ₁の円上に均一に分布される。 ｃ）各々の新しいサンプルをそれぞれのフィルターに入力する。図において、 ４つのフィルターは同じデータ（サンプル１、２、３、．．．）と平行して操作 する。 ｄ）サンプル１、２、３、．．．（トランスポンダー距離）はロボット位置と 共に記憶される。これらは後に最善の仮定のフィルタリングを繰り返す時に使用 される。 ｅ）フィルターが一部構築され（所定の精度に達する）、一部収束されるまで 、つまり、予想されたトランスポンダー距離と測定されたトランスポンダー距離 との差の留数が所定の値以下になるまで、フィルタリングを続ける。 ｆ）最善の仮定の結果は見込みに関してはチェックされる。その後トランスポ ンダーの初期値として最善の仮定の出力データで再フィルタリングを行い、それ によってより正確な精度が得られる。最後にトランスポンダー位置を（例えば、 マップイメージの形態で）航行部分に送り、ロボットの位置付けのために使用す る。 ロボットが部屋を一周し終わると、図示した実施例における全てのトランスポ ンダーの位置が部屋の壁で制限されている「マップイメージ」に優れた精度で入 力され、また近接範囲用の超音波システムがこの一周の間に発見した可能性のあ る他の障害物も入力される。この後、ロボットが部屋の全表面をカバーするよう に計算されたパターンに従って、そのマップイメージにより、その掃除機能を開 始する。 この移動パターンは、進路発生モジュールによって作られ、多数のセグメント に分けられる通路に従う。これらのセグメントは直線または弓形のどちらかであ る。進路トラッキングでは３つの座標系が使用される。 ＊部屋をカバーし、最初の参照トランスポンダーに原点を置いた１つの固定さ れた部屋座標系、 ＊車両参照点、つまり望ましくはその中心に原点を置いた１つの車両固定座標 系、そして ＊部屋の中で動かされるセグメントの位置を提供する１つのセグメント固定座 標系。 全ての計算は、整数の算術を使用する図示した実施例において実行されており 、それによって下記の表に従ってスケーリングが応用される。「スケーリング」 とは、最も重要でないビット値を意味し、一方「語の長さ」は量を表すために使 用されるビット数を意味する。 本発明の方法及びシステムの望ましい実施例において、反射された超音波を受 信するために真空掃除機１０の前方ケースに配置される多数の受信手段によって 、ロボットの前の近接領域を感知するために、同じ超音波パルスが当然の結果と して使用される。かかる各々の受信手段は時間スロット内で操作し、それは、例 えば、超音波パルスの送信の後、すぐ近くの領域に対応し、部屋の最初の調査の ための一周では発見されなかった付加的な障害物を発見する働きをする。加えて 、少なくともこれらの 受信手段のうちの１つは、最初の調査のために右回りに回転しているときは、左 側にある壁の周囲を制御するために使用される。超音波レーダーが衝突の危険が ある障害物を発見した時には、例えば、図示した実施例のロボットはその速度を ０．４ｍ／ｓから、例えば、０．１ｍ／ｓに落とす。この速度では、機械式セン サー２１は障害物にぶつかるかもしれず、機械式センサーの弾力のある距離内に ロボットを停止させるための時間が残されている。 近接感知システムの詳細な説明 図示された望ましい実施例での近接感知システムは、１つの送信部材とマイク ロフォン素子の形態をした５個の受信手段を備えた超音波レーダーとして構築さ れる。 換言すれば、幾つかの同時モノスタティックノンコヒーレント感知システムで 操作される他の装置とは逆に、本装置はコヒーレントバイスタティックレーダー として操作する。マイクロプロセッサーは超音波パルスの送信時間を決定する。 パルス長は信号プロセッサーによって決定され、それは送信部材を３５ｋＨｚの １期間または数期間まで励起する。次のパルスまたは掃引パルス（チャープ信号 ）が約１００ミリ秒の後に送信される。この時間間隔は完全な超音波レーダーサ イクルに対応し、それは次のパルスが送信される前に、可能性のあるターゲット の位置が計算され、報告されることを意味する。 マイクロフォン信号は受信された信号の振幅復調の後、４０ｋＨｚで各々サン プリングされる。チャネル毎のサンプル数は２００に制限される。これは５ミリ 秒の時間または音速が３４０ｍ／ｓに指定される場合は、１７０ｃｍの音響伝搬 路に対応する。 各マイクロフォン信号の検出は別個に行われる。検出時間は図９に従って、送 信素子からマイクロフォンＭまでの反射点Ｒ１を介した伝搬時間Ｔ１＋Ｔ２に対 応し、それは伝搬路に対応する。Ｔ１は送信機Ｓから反射点Ｒ１までの信号の伝 搬時間に対応し、Ｔ２は反射点Ｒ１から受信機Ｍまでの信号の伝搬時間に対応す る。この伝搬幾何学は各チャネルにとって、各々の楕円の焦点に送信機と受信機 を持つ楕円に等しく、図６の類推において、トランスポンダーの位置に関する楕 円上のターゲットに等しい。受信機の異なる位置で異なる楕円が得られ、それは ポイントＲ１において互いに交差する。 検出可能な物体までの方向（ｘ、ｙ、ｚ）を設定するために、幾つかのマイク ロフォンが利用される。図１０において、図示した実施例として、部分的に上面 図で、部分的に拡大側面図で、可動車両上の送信素子及びマイクロフォン素子の 位置のための適切な幾何が表示されている。図の座標系はターゲット位置の計算 のために利用される。ターゲット位置はｘとｙの座標を持った航行機能に与えら れる。全体で２００のターゲットを報告できる。 ターゲット検出のためのアルゴリズムは受信された信号に立ち上がりフランク が検出されることを暗示する。 １つのサンプルは、浮動しきい値と固定されたマージナルによって作られる信 号レベルと比較される。サンプルがこの検出レベルを越えている場合、検出が行 われ、サンプルを１に設定し、そうでない場合は０に設定する。浮動しきい値は 信号の低域フィルタリングである。 図１１は、受信された信号が１つのチャネルのために持っている外見の例を表 示している。受信されたレベル以外は実線で書かれており、更に、作られたしき い値レベルも点線によって示されている。検出値はダッシュ線で記されている。 最初の検出は送信素子からマイクロフォン素子までの直線路から始まり、第２の 検出はターゲット反射から始まる。浮動しきい値はパルスに存在する呼出信号を 検出するのを避けるためである。それに加えて、このしきい値の設定は、振幅対 時間の変化が同様に作用する限り、チャネル間の振幅レベルの差はあまり重要で はないことを暗示している。 サンプルが検出される時、以前のサンプルも「１」に設定される。図１１にお いて、例えば、サンプル６３で検出が行われる場合、サンプル６２と６３が「１ 」に設定される。この方法で、１回の検出が２つのサンプルに対応し、位置付け を粗野なものにする。ターゲットエコーが最終的に検出されると、図１１に示さ れた実線信号レベルは付加的な検出が認められる前に、点線しきい値 レベル以下に低下する。 検出後、信号ベクトルは多くの「１」と「０」で構成され、それによって「１ 」が検出に対応する。各検出は時間に対応する。この時間は、図９によれば、楕 円の各々の焦点に送信機Ｓと受信機Ｍを備えた楕円上の位置に対応する。 ５つのチャネルから楕円間の交差を計算することによって、ターゲットの位置 を概算することができる。しかしながら、この計算はきびしいものである。位置 付けはもっと簡単な方法で行うことができる。超音波レーダーに関する要求は、 ロボットの前及び側面の領域内でターゲットを検出し、位置決めすべきであると いうものである。この領域はｘとｙ方向における限界によって限定され、指摘さ れる。 図１２ａと１２ｂにおいて、１つの前部分、１つの左部分及び１つの右側部分 から成る図示された望ましい実施例の領域分割を示している。各々の領域は可能 性のあるターゲット位置の四角に仕切られたポイントスクリーンに分割される。 プログラムコードではこれらのポイント間の距離が与えられる。スクリーンの分 解能はｘとｙ方向において同じ様に任意に選択される。全てのポイントで、ター ゲットが存在するか否かの決定が行われる。前領域が図１２ａにおいて４つの定 数で拡大されるのと同じ方法で、側面領域が図１２ｂにおいて４つの定数で拡大 される。アルゴリズムの操作を表示するため、図１ ３は図１２ａのスクリーンポイントの１つを表示している。 図１３は上から見た時の、例えば、スクリーンポイントｘ３、ｙ３から見た時 の幾何学的形態の外観を示している。この基本的な考察において、思考ターゲッ トは反射が常に予想される結果を生じるシリンダーであると仮定する。他のター ゲットのためにも幾何学的形態を予想することができ、その場合反射される縦の 波面は、例えば、物体の２つの表面から同時に反射される波の間におこる消去に より、常に受信機に戻るとは限らないという危険性があるだろう。選択されたポ イントの位置は公知であり、それは、図１３においては、送信機までの距離Ｒｓ が計算されるということに導く。 マイクロフォンの位置も公知であり、定数としてプログラムコードに入力され 、所望される場合には、Ｒ１からＲ５は計算され得ることを暗示する。ＲｓをＲ １〜Ｒ５に加えることによって５つの距離が得られる。 正しいサンプル数を得るために、距離は送信機と受信機間の高さの差により補 償されなければならず、それによって図１４は幾何学の１例を表示している。 実際の伝搬路Ｒ’は以下の式によって与えられる。 式中、Ｒ’は高さの補償を含む実際の伝搬路であり、ｈは送信機素子とマイク ロフォン素子間の高さであり、ＲはＲｓ＋Ｒｍに等しく、ｍは１、２、３、４、 ５である。 上記の式は確立されている技術により、各チャネルに対して１回づつ、実行の 際に２次のオーダーの多項式によって近似される。各々の距離は検出後に記憶さ れる１つの信号ベクトルにおいてサンプル数に対応する。伝搬路は以下の式によ って実際のマイクロフォン用のサンプル数に転換される。 式中Ｎ_sはサンプル数であり、Ｒ’は幾何学的距離であり、ｖは音速であり、 ｆ_sはサンプリング周波数である。 また、受信機チャネルにおける遅延のために補償が含まれなければならない。 Ｎ＝Ｎ_s＋Ｎ_d、式中Ｎは実際のサンプルであり、Ｎ_sは計算されるサンプル数で あり、Ｎ_dは測定される遅延である。 条件として、セルがターゲットを含んでいようと、含んでいなかろうと、企図 されるセルに対応するサンプルのための検出を含まなければならない観察済みの チャネルがどれほどあるかが述べられている。例において考えられるマイクロフ ォンの数は１と５の間で選択可能であ り、航行機能によって選択される。 アルゴリズムは条件が満たされる（ターゲットが検出される）場合に、あるい は条件が遂行され得ない（ターゲットが検出されない）ことが解るとすぐに、次 の計算ポイントに進む。例において、最大５つのマイクロフォンで前方方向が調 査された後、側面領域が最大３つのマイクロフォンを用いて調査される。 上述のようにサンプル数の計算のために、右半分と左半分の平面間に存在する 対称が利用される。右半分の平面は対応するセルとマイクロフォンのために同じ サンプル数を与えるので、左半分の平面用のサンプル数を計算するだけで充分で ある。 ターゲット位置が記憶され、要求があれば、航行機能に送られる。 レーダーアルゴリズムが関連データを作成するために、多数の定数に値が与え られなければならない、つまり、ロボットのマイクロプロセッサー用の現行のサ ブルーチンを初期設定しなければならない。レーダーアルゴリズムが操作を開始 すべき時には、以下の入力データが存在しなければならない： ＊送信機に関連するマイクロフォン位置、それは原点（０，０，０）に位置す ると仮定される。（必ずしもロボットの原点ではない）。マイクロフォン位置の ｚ座標は、サンプル数の計算において補正多項式として実行される。 ＊どの領域が企図されているか。 ＊企図された領域の分解能。 ＊測定された時間遅延。 ＊距離の転換 -サンプル。 測定されたデータ ＊利用できるチャネルからのサンプルベクトル（例えば５）。 以下のパラメーターは航行機能から制御される。 ＊前方方向の近接感知において使用されるマイクロフォン数（例では最大５） 。 ＊前方方向における現行のセル用の検出を含まなければならない最低のチャネ ル数に対する需要。 ＊検出のためのマージナル。 ＊側面領域の近接感知のために使用されるマイクロフォン数。 ＊側面領域における現行のセル用の検出を含まなければならない最低のチャネ ル数に対する需要。 以下の出力データが得られるであろう。 ＊座標ｘ、ｙ及びｚにおけるターゲット位置。最大２００のターゲットが１つ のパルス掃引から報告され得る（信号プロセッサーの性能によって制限される） 。航行機能からの初期設定後に送信が行われる。 発明によれば、好ましくは、マイクロフォンを傾斜した面に、あるいは適切に 湾曲した基準線に沿って置くことによって、ターゲットの高さに関する情報が伝 搬路の 比較によって得られる。なぜなら、関係するターゲットからのエコーを指示する 全てのマイクロフォンから測定される路がターゲットの概算された位置と一致し なければならないからである。図示した実施例の湾曲した基準線はロボットの円 形形状によって自然な方法で決定される。もちろん、このマイクロフォンを含む 表面は、同時に傾斜するように設計されてもよい。このように、ターゲット用の 高さを導入し、このための伝搬路を補正することにより、そのために各受信手段 またはマイクロフォンにおける全ての測定された距離が一致する高さが得られ、 それによって、ターゲットまでの距離を除き、ロボットによって横切られる表面 上にターゲットがあるかどうかの判断が得られる。この高さ分解能は更に、少な くとも１つの受信手段を残りの受信手段に対して高さが異なるように配置するこ とによって改善される。望ましい実施例では、例えば、マイクロフォン１と５が 、各々（図１３）残りのマイクロフォン２、３、４より高い位置に置かれる。 図示した実施例では、近接感知装置は、半径４０ｃｍの前方に向けられた環状 扇形の約２００°以内の障害物を「見る」。近接感知のために、それは送信され た音パルスの後の３ミリ秒の受信時間に対応する。これは更に、次の超音波パル スが送信される前に、データを処理し、解釈し、記憶するため、プロセッサーシ ステムが別の９７ミリ秒を持っていることを意味する。加えて、前述の トランスポンダーも、例えば、ＩＲ信号によって応答を送る前に一定の時間を待 つ。それが、トランスポンダーからの信号が現われ始める前に、プロセッサーシ ステムが近接感知システム用のデータの処理のために、超音波パルスの後の４０ ミリ秒のオーダーを利用する理由である。換言すれば、送信された音パルスがト ランスポンダーによって検出された後、トランスポンダーの応答が４０〜９５ミ リ秒間の信号周波数用の受信手段に届くであろう。図示した実施例において、こ の応答のための受信機手段は超音波レーダー送信機素子２０の上に置かれる（図 １）。超音波用に使用されるアルゴリズムによる物体までの近接感知距離の分解 能は５ｍｍ以上であるという目標を持っている。 加えて、近接感知装置には受信手段の列の少なくとも１つの受信手段の上に吸 収体またはスクリーンが設けられ、それによって吸収体またはスクリーンが上及 び／もしくは側面からの望ましくない反射を減衰させ、受信手段上の出窓として 作用する。図示した実施例におけるこの吸収体またはスクリーンはその視界を上 向きに制限するため、受信手段の上に置かれる単に小さな板である。この板が吸 収体またはスクリーンとして作用するかどうかは、主としてその板が製造される 材料の機能である。 この装置は、例えばロボットが正確に通るのを許すような高さである家具の下 を通る時に無くてはならないもので、それによってロボットの直接近接した周囲 内でエ コーが発生し、そうでなければそのエコーを正確に位置付けるのが困難であろう 。既に述べられたことによれば、ロボットは衝突の危険を意味する物体を発見し た時、減速する。この場合、臨界範囲内に存在するエコーにも関わらず、減速を することは絶対的に必要なこととは限らない。受信機には、別のエコーの外観を 与える出窓が設けられているため、プロセッサーはエコーがロボットの上の表面 から来るのかどうかを判断することができるであろう。なぜなら、通常の高さの 分解能がロボットの前方の扇形内に来るエコーのために主として作用するからで ある。 更に近接感知を改善するために、その受信機手段には信号減衰可能性、例えば −２０ｄＢが提供され、それは近接して置かれたターゲットからのエコーが強く なって、受信手段が飽和される危険がある時にスイッチが入れられる。 当業者であれば、添付クレームによって限定される本発明の精神及び範囲から 逸脱することなく、本発明に様々な修正及び変更を加えられることが理解できる であろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．車輪とモーターが備えられ、その上特殊な機能を実行するための手段を有 した自律した装置（１０）用の近接感知方法であって、この装置は、近接方位決 定とマイクロプロセッサーシステムの形態で装置をガイドするための手段と、少 なくとも送信手段と受信手段から成る近接感知システムとから成り、 遅い伝搬を持つ波が感知システムの送信手段から送信され、それによって前記 マイクロプロセッサーシステムにより、所定の時間スロットの間、一定の近接領 域に対応して、前記マイクロプロセッサーにデジタル信号を提供するため信号イ ンターフェイスが適切に設けられる多数の受信手段を介して、前記遅い伝搬の波 から反射が検出され、こうしてコヒーレントバイスタティックシステムを形成し 、 前記遅い伝搬の波は連続した扇形内で装置の通常の移動方向に送信され、 前記バイスタティックシステムの前記受信手段は、簡単な方法で前記遅い伝搬 の波を反射する障害物に対する三次元方向を得るために、傾斜した面に、または 好ましくは湾曲した基準線に沿って配置され、 それによって、前記マイクロプロセッサーシステムによる近接領域内で方向付 けがなされ、所定の時間スロット内でこの波周波数上で反射された応答のデジタ ル処理からガイダンスを得る装置の付加的な自動運動において、 連続的に利用されることを特徴とする。 ２．三次元分解能を改善するために、付加的に少なくとも幾つかの前記受信手 段が、残りの受信手段に対して高さが異なるように配置されることを特徴とする 請求項１に記載の方法。 ３．上から及び／もしくは側面からの望ましくない反射を減衰させるために、 前記自律した装置には受信手段の列にある少なくとも１つの受信手段の上に吸収 体が設けられ、前記吸収体は受信手段の上の出窓として作用することを特徴とす る請求項１または２に記載の方法。 ４．上から及び／もしくは側面からの望ましくない反射を減衰させるために、 前記自律した装置には受信手段の列にある少なくとも１つの受信手段の上にスク リーンが設けられ、前記スクリーンは受信手段の上の出窓として作用することを 特徴とする請求項１、２または３に記載の方法。 ５．前記遅い伝搬の波は縦の音響波から成ることを特徴とする請求項１から４ のうちいずれか１項に記載の方法。 ６．前記遅い伝搬の波は超音波の範囲内の周波数を持つ音響波から成ることを 特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項に記載の方法。 ７．前記装置に近接する障害物を感知するために送信される前記遅い伝搬の波 は、短い規則的に繰り返されるパルスまたはその代わりに繰り返される掃引パル ス（チ ャープ信号）から成ることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項に記 載の方法。 ８．前記受信手段の列の各々の側にある最も外側の受信手段は、受信システム の残りの受信手段に対して高さが異なるように配置されることを特徴とする請求 項１から７のうちいずれか１項に記載の方法。 ９．前記受信手段は、遅い伝搬の波の周波数に採用されるマイクロフォン素子 から成ることを特徴とする請求項１から８のうちいずれか１項に記載の方法。 １０．車輪とモーターが備えられ、その上特殊な機能を実行するための手段を 有した自律した装置用の近接感知システムであって、この装置は近接方位決定と マイクロプロセッサーシステムの形態で装置をガイドするための手段と、少なく とも送信手段と受信手段から成る近接感知システムとから成り、 前記送信手段は遅い伝搬を持つ波を送信し、前記マイクロプロセッサーシステ ムは、特定の近接領域に対応する所定の時間スロットの間に、前記マイクロプロ セッサーにデジタル信号を提供するために適切に信号インターフェイスが設けら れ、受信システムの受信手段を介して、異なる障害物から前記遅い伝搬を持つ波 の反射を記録し、こうしてコヒーレントバイスタティックシステムを形成してお り、 前記送信手段は連続した扇形内でこの遅い伝搬の波を装置の通常の移動方向に 送信し、 前記受信システムの受信手段は、前記遅い伝搬の波を反射した障害物に対する 方向分解能を得るために、傾斜した面、または好ましくは湾曲した基準線に沿っ て配置され、 それによって前記マイクロプロセッサーシステムを用いて、所定の時間スロッ ト内で反射された応答のデジタル処理により、自動化された動きにおいて障害物 を避けるために連続して前記装置を前記マイクロプロセッサーを介してガイドす るため、近接領域内で方位決定基準を作ることを特徴とする。 １１．三次元分解能を改良するために、付加的に少なくとも幾つかの前記受信 手段が、残りの受信手段に対して高さが異なるように配置されることを特徴とす る請求項１０に記載のシステム。 １２．前記自律した装置には受信手段の列の少なくとも１つの受信手段の上に 吸収体が設けられ、前記吸収体は、上から及び／もしくは側面からの望ましくな い反射を減衰させ、また受信手段の上の出窓として同様に作用することを特徴と する請求項１０または１１に記載のシステム。 １３．前記自律した装置には受信手段の列の少なくとも１つの受信手段の上に スクリーンが設けられ、前記スクリーンは上から及び／もしくは側面からの望ま しくない反射を減衰させ、また受信手段の上の出窓として同様に作用することを 特徴とする請求項１０、１１または１ ２に記載のシステム。 １４．前記受信手段の列の各々の側にある最も外側の受信手段は、受信システ ムの残りの受信手段に対して高さが異なるように配置されることを特徴とする請 求項１０から１３のうちいずれか１項に記載のシステム。 １５．前記遅い伝搬の波は縦の音響波から成ることを特徴とする請求項１０か ら１４のうちいずれか１項に記載のシステム。 １６．前記遅い伝搬の波は超音波の範囲内の周波数を持つ音響波から成ること を特徴とする請求項１０から１４のうちいずれか１項に記載のシステム。 １７．前記装置に近接する障害物を感知するために送信される前記遅い伝搬の 波は、短い規則的に繰り返されるパルスまたはその代わりに繰り返される掃引パ ルス（チャープ信号）から成ることを特徴とする請求項１０から１４のうちいず れか１項に記載のシステム。 １８．前記受信手段は遅い伝搬の波の周波数に採用されるマイクロフォン素子 から成ることを特徴とする請求項１０から１４のうちいずれか１項に記載のシス テム。