JP2004522147A

JP2004522147A - 赤外線による障害物検出および距離測定のための方法および装置

Info

Publication number: JP2004522147A
Application number: JP2002559710A
Authority: JP
Inventors: エルワンラバレ; ローラントルムル
Original assignee: ワニーソシエテアノニム
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2004-07-22
Also published as: KR20030090628A; EP1354220B1; CN1489702A; HK1055468A1; FR2820216B1; FR2820216A1; BR0206753A; DE60204659D1; IL157092A0; ATE298094T1; DE60204659T2; CA2435325A1; US20040088079A1; WO2002059646A1; EP1354220A1

Abstract

本発明は、第１の対象物（１）と第２の対象物（２）の間の距離を測定するための、ａ）第１の対象物（１）に固定された放射機（４）から前記第２の対象物（２）に向けて赤外波放射（３）を放出するステップと、ｂ）前記第２の対象物（２）によって反射された後で、前記放射の戻りを、前記放射機（４）に最も近い前記第１の対象物（１）に固定された受信機（５）で検出するステップとを含む方法に関する。本発明による方法は、１／前記放射機（１）が放出する赤外線のパワーを、放出された赤外波のパワーに対応する検出パワー（Ｐｓ）に到達するまで徐々に変化させるステップであって、その検出パワーに対して、前記第２の対象物によって反射した放射が前記受信機によって検出されるステップと、２／前記第１の対象物（１）と前記第２の対象物（２）の間の距離（Ｄ）と前記検出パワーとの間の平均相関を確立することにより、前記検出パワーの値から前記距離（Ｄ）を計算するステップとを含むことを特徴としている。また、本発明は、検出および距離測定のためのデバイスにも関している。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の対象物と第２の対象物の間の距離の測定に関する。本発明は、同じく、前記第１の対象物がとりわけロボットであり、前記第１の対象物の近傍の未知の方向に位置する障害物である前記第２の対象物を検出するための方法に関する。本発明は、同じく、障害物を検出し、かつ、第１の対象物と第２の対象物の間の距離を測定するためのデバイスに関する。
【０００２】
より詳細には、本発明は、赤外線放射機および赤外線受信機を使用した、非接触で障害物を検出し、かつ、距離を測定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
様々な非接触距離測定システムが知られており、それらは、ビームタイプ（レーザ、赤外線または紫外線）または測定システムの技術（干渉、横断時間、ビーム遮断、三角測量）のいずれかによって区別することができる。使用されている主なシステムは、以下の通りである。
【０００４】
−赤外線レーザビームを放出し、かつ、反射ビームが重畳するソースを備えた赤外線レーザレンジファインダ。２つの信号の和によって、ビームが横断する距離によって決まる干渉が生成される。この種の測定は、距離の測定精度が極めて高く、かつ、目標とする測定ポイントを完璧に捕えることができるが、このシステムには、極めて費用のかかる複雑な技術が必要であり、また一方では、壊れやすい光学系が必要である。
【０００５】
−超音波領域の音響を放射し、放射した音響が放射機に戻ってくるまでの間の時間を測定する超音波レンジファインダ。空中における音響の速度は遅いため、信号が横断する時間を正確に測定することは容易である。実際に、障害物が存在する場合、放射された超音波ビームが反射し、検出器が超音波のエコーを捕えるのに要する時間により、超音波が伝搬する媒体に応じて、障害物が位置している距離を正確に測定することができるが、空中における超音波の吸収が大きく、超音波が横断する距離が長くなるほど吸収が大きくなる。この技法が、海底を目視化（ソナー）するために、あるいはまた医療画像（超音波検査法）において、吸収性がはるかに小さい、より特定の水性すなわち液体媒体中で使用される理由はそのためである。また、この超音波方式は、指向性の点で極めて劣っている。この超音波方式は、サポートに対する依存性が強く、また、流れ（空気または水）によって妨害されることがある。また一方では、波の全反射が単一方向に存在するため（ミラー効果）、この超音波方式による滑らかな表面に関する情報には誤りが多い。この種の検出器は、メーカＭＵＲＡＴＡ（登録商標）が、ＭＡ４０の製品番号で市販している。
【０００６】
−また、赤外線に基づく遠隔検出および測定方法が知られている。赤外線を必要とする様々な技法は、いくつかのタイプの方法に区別される。
【０００７】
・第１のタイプは、古典的な三角測量の原理に基づいており、商用検出器に極めて広範囲に使用されている。
【０００８】
・第２のタイプは、放射信号と受信信号の間の移相の測定に基づいている。
【０００９】
・最後のタイプは、赤外レーザ光線の横断時間を測定するものであり、この最後のシステムは、極めて高精度ではあるが、極めて複雑かつ高価である。
【００１０】
赤外線三角測量を使用した距離測定システムは、とりわけ商社ＬＹＮＸＭＯＴＩＯＮが、ＩＲＰＤ（登録商標）（赤外線近接検出器）という製品名で販売している。このＩＲＰＤ（登録商標）は、主として、赤外線を放出する２つの電界発光ダイオード、赤外線受信機（ＧＰ１Ｕ５８Ｙ）、および反射をモニタしている２つの電界発光ダイオードに逐次供給することができるマイクロコントローラから構築されている。検出は非同期であり、２つのダイオードは交互に動作している。２つの電界発光ダイオードは、制御可能発振器によって変調されている。検出器のフィルタを含んだ感度により、３８ＫＨｚで変調された赤外線を感応することができ、それにより、自然光などの周囲媒体による妨害の影響を最小化している。このシステムの主な問題は、レンジが短いことにあり、実際に、１５ｃｍから３０ｃｍまでの距離に位置する障害物を検出することはできない。
【００１１】
ＤＩＲＲＳ（登録商標）（ＨＶＷＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓが市販している赤外線距離測定システム）およびＩＲＯＤＳ（登録商標）（同じくＨＶＷＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓが市販している赤外線対象物検出システム）と呼ばれる、中でも最良の性能を有する他のシステムには、同期三角測量の原理が利用されている。このシステムは、恐らくＰＳＤ（位置感応検出器）受信機および赤外線ＩＲ信号を集束させる光学レンズを使用して構築されている。ＰＳＤは、赤外線によるＰＳＤの照射位置に応じて、その出力信号レベルを修正することができるシステムである。これらの２つのデバイスの主な相異は、それらの出力信号のレベルが異なっているのみであり、一方がアナログ（ＩＲＯＤＳ）、もう一方がディジタル（ＤＩＲＲＳ）である。これらの検出器は、検出器の前面における対象物の存在の有無を示すだけではなく、同時に、電圧（ＩＲＯＤＳ）または８ビットのコードナンバ（ＤＩＲＲＳ）のいずれかによって、潜在的な障害物が位置している距離を示すことができ、それにより、わずかに１０ｃｍと８０ｃｍの間の距離を高い信頼性で測定することができる。これらの２つのシステムは、ＤＩＲＲＳ（登録商標）検出器に対しては、ＳＨＡＲＰＧＰ２ＤＯ２（登録商標）によって、また、ＩＲＯＤＳ（登録商標）検出器に対しては、ＳＨＡＲＰＧＰ２ＤＯ５（登録商標）によって動作している。
【００１２】
−他のシステムは、信号の移相に基づいている。これらのデバイスは、近接検出を可能にしている。これらのデバイスは、小型赤外線受信機の頂部に取り付けられ、かつ、例えばロボットの周囲に配列された複数の発光ダイオードから構成されている。発光ダイオードの１つが赤外線を放出すると、その赤外線は、その発光ダイオードの反対側に位置しているあらゆる対象物で反射し、反射した赤外線の強度が受信機によって検出され、検出した赤外線の強度に比例したアナログ電圧に変換される。対象物と受信機を隔てている距離は、放出信号と受信信号の間の位相差を測定することによって決定される。使用されている受信機は、一般的に、３８ＫＨｚ程度の波長に感応するＳＨＡＲＰ（登録商標）（ＧＰ１Ｕ５２ＸまたはＧＰＵ５８Ｘ）（登録商標）である。
【００１３】
これらの様々なシステムの主な相異は、一方では、ロボットの周囲の発光ダイオードの配列にあり、他方では、放出される様々な放射間の可能干渉を考慮することにある。１つの受信機は、その受信機に結合している放射機以外の他の放射機からの反射光線を検出することができる。したがって、その距離による対象物の方向に対するあらゆる評価が歪曲されている。
【００１４】
信号の移相を考慮する方法に基づいたデバイスでは、干渉と距離の測値が一致せず、一方、三角測量では、干渉は、正確な測定の向上に寄与している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的の１つは、家庭用小型ロボットに容易に取り付けることができ、したがって、小型の家庭用ロボットが、その移動性に影響を受けることなく運ぶことができる、十分に軽量でコンパクトな距離測定システムまたは対象物検出システムを提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、高性能対象物検出および距離測定システムを、可能な最低費用で提供することであり、詳細には、分解能が１ｃｍ程度で、検出範囲がとりわけ０ｍないし１０ｍより良好なシステムを提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、出力がディジタルで、かつ、パラレルポートに接続することができ、また、ロボットのコマンドプロセッサから制御することができる検出および測定デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
第１の観点から、本発明は、第１の対象物と第２の対象物の間の距離の検出および測定に関しており、前記プロセスには、
ａ）前記第１の対象物に取り付けられた、電気放出信号が供給される放射機から赤外線を放出するステップと、
ｂ）前記第２の対象物によって反射された後で、前記赤外線の受信機への戻りを検出するステップが含まれている。
【００１９】
前記受信機は、前記放射機の近傍の前記第１の対象物に取り付けられており、受信電気信号を生成している。
【００２０】
前記プロセスは、さらに、
−放出する前記電気信号を制御しつつ、放出される赤外線のパワーが、例えば検出パワー（ＤＰ）に到達するまで、前記放射機によって放出される赤外線のパワーを徐々に変化させるステップであって、この検出パワー（ＤＰ）に対して、前記第２の対象物によって反射された後で、赤外線が前記受信機によって検出されるステップと、
−特に較正により、前記第１の対象物と前記第２の対象物の間の距離（Ｄ）と前記検出パワーとの間の相関を確立することにより、前記検出パワー（ＤＰ）の値から前記距離（Ｄ）を計算するステップとを含むことを特徴としている。
【００２１】
このプロセスは、通常、固体材料の対象物を検出するように、空気中で使用されるが、赤外線を透過する任意の空間に対しても適切である。したがって、利用している物理的な原理は、パワー変調された赤外線信号を放出し、反射によって受信したエネルギーを測定することからなっている。エネルギーは横断距離と共に減少するため、ソースによって放出される波のパワーは、受信機による検出が可能なエコーが得られるまで増加される。したがってこの原理の独創性の１つは、放出された波のパワー（通常、放射機からのコマンド信号の振幅と関係している）が、障害物まで横断すべき距離を考慮して不十分である場合、受信機は反射波を検出せず、したがって、その距離は、障害物によって生成されるエコー信号の戻りを検出し、かつ、受信機が信号を検出するまで、パワーが徐々に増加する放射を放射機に放出させることによって測定される、という事実を利用していることにある。全放出パワーに達しても、システムが依然として何も検出しない場合、これは、調査した方向における重要と考えられる所与の距離には障害物が存在していないことを意味している。一方、受信機がエコーを受信し、検出した場合は、このエコーが実際に放出された信号のエコーであることを検証することが好ましい。
【００２２】
本明細書において使用されている「受信機」という用語は、十分な強度の赤外線を受信した場合に電気信号を放出するデバイスを意味するものと理解されたい。一般的に、これらの赤外線受信機は、フォトトランジスタまたはフォトダイオードから構成されており、赤外線を電圧に変換する原理に基づいて動作している。
【００２３】
本発明によるプロセスでは、
ａ）赤外線は、電界発光ダイオードを備えた（および／または電界発光ダイオードからなる）放射機によって、好ましくは８５０ｎｍと９５０ｎｍの間の特定の波長で放出されること、および、
ｂ）受信機は、フォトトランジスタまたはフォトダイオードを備えた（および／またはフォトトランジスタまたはフォトダイオードで構成された）、とりわけ前記波長を検出する受信機が使用されることが好ましい。
【００２４】
放射ソースと、同じ波長で放出する他のソースとを区別するために、受信機は、とりわけ、パルス方式で放出される、所与の特定のパルス周波数（「搬送周波数」とも呼ばれる）の赤外波を検出する受信機が使用され、かつ、放出される前記パルスモードの赤外波は、不連続電源から前記放射機へ、方形波信号の形で生成されることが好ましい。
【００２５】
実際に、従来、パルス方式で放出される、所与の特定のパルス周波数の電磁波を受信するための、赤外波の波長に関して、また、従来、３０ｋＨｚから６０ｋＨｚまで、詳細には３８ｋＨｚである電源の搬送周波数に関して二重の特異性を特徴とする特定の受信機が市販されている。したがって、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである電気主幹線周波数用の特定の受信機を使用する必要はない。
【００２６】
方形波を使用して前記放射機のための電力を生成するために、前記放射機は、通常、トランジスタに結合されている。
【００２７】
より正確には、有利な実施形態によれば、ステップは以下のように実行される。
【００２８】
ａ）所与のパルス周波数を提供するモードで前記赤外線を放出する。
【００２９】
ｂ）反射波が同じパルス周波数を有している場合にのみ、前記受信機が受信した反射波を検出する。
【００３０】
パルスモードで放出するダイオードに印加する電力によって、ダイオードのレンジをかなり広くすることができる。実際に、波を放出する時間が短時間であれば、放出波のパワーを大きくすることができる。実際、赤外線ダイオードを高パワーで動作させることができるのは、ごく短時間の間であり、一時的に過負荷に耐えることができる。したがって、ピックアップから遠く離れた対象物を検出することができる。
【００３１】
また、赤外波をパルスモードで放出することにより、赤外線を取り囲んでいる空間の飽和を回避することができるため、互いに妨害することなく、他のシステムによる測定が可能である。
【００３２】
特に、同じタイプの他のデバイスが、同じ搬送周波数で波を放出している放射機の近傍で動作している場合に、デバイスの特異性をさらに向上させるために、前記放射機に供給する電気信号にディジタルシグネチャ（すなわちコード）が挿入されており、したがって放射機によって放出される赤外線には、その識別シグネチャが含まれている。所与のビット数、詳細には少なくとも４ビットのこのディジタルシグネチャは、前記パルス周波数に重畳（および／または結合）させることができる。
【００３３】
放出された信号のシグネチャと同じシグネチャの信号を受信機が受信すると、これは、障害物が検出されたことを示している。次に、放射パワーから、また、場合によっては、信号を検出するために展開された感度から、ピックアップから障害物までの距離が推定される。検出された信号のシグネチャが異なっている場合、その受信信号は他のソースからのものであり、障害物が検出されたとは見なされない。
【００３４】
したがって、本発明による方法の有利な実施形態では、
−前記放射機および前記受信機は、トランジスタを備えているかあるいはトランジスタに結合されており、したがって論理「０」または「１」電気信号は、放射機が波を放出したか否かによって与えられ、かつ、前記受信機が波を検出したか否かによって与えられ、また、
−パルス赤外波の前記脈動モードは、方形波電気信号を生成している前記放射機の電源によって、詳細には所与の脈動周波数すなわち３８ｋＨｚの搬送周波数で生成され、前記放射機に供給される前記電気信号には、前記ディジタルシグネチャが含まれている。また、
−放射機に送達された電気信号と、前記受信機によって実質的に同時に供給された電気信号とを比較することにより、前記受信機によって供給されたパワーの電気シグネチャに、前記放射機に供給された電気信号のディジタルシグネチャと同じディジタルシグネチャが含まれているかどうかがチェックされている。
【００３５】
したがって、１つまたは複数の放射機および１つまたは複数の受信機に接続された電子回路は、同じ瞬間における検出を試行する赤外線信号の放出を開始する。測定すべき最大距離は１０ｍ程度であるため、本発明による方法の他の革新的かつ有利な点は仮定にあり、その仮定によれば、赤外波が１０ｍ程度以内の距離を横断する時間を無視することができる（１０ｍを往復する波の速度は、６８ｎｓであるため）。
【００３６】
本発明によるプロセスの一実施形態では、
ａ）可変パワーの光線が、ｎ^２個の異なる増加値で強度が増加する電流を放射機に供給することができる電界効果トランジスタによって制御されるｎ個の異なる値の抵抗からの２^ｎ個の異なる放射パワーレベルで放出され、該２^ｎ個の異なる放射パワーレベルが、ｎ個のトランジスタのｎ個の論理コマンドに対応するｎビットの符号化ディジタル信号でトランジスタを制御することによって放出パワーが徐々に変化するよう、これらのトランジスタの論理コマンドによって調整され、また、
ｂ）第１の対象物と第２の対象物の間の距離Ｄは、前記検出パワーに対応するディジタル信号（測定を実行するシステムの記憶装置に記録されている）に基づいて、予め較正によって決定されている２^ｎ個の距離の値の中から決定されている。
【００３７】
より詳細には、所与の最大放射パワーＰ１を放出することができるダイオード放射機、および所与の最小放射パワーＰ２を検出することができる受信ダイオードが使用されている。Ｐ１およびＰ２の値は、０．５ｍと５ｍの間の距離、好ましくは０．１ｍと１０ｍの間の距離を測定することができる値であり、詳細にはＰ１は、２５０ｍｗ／Ｓｒから５００ｍｗ／Ｓｒまで変化させることができ、また、Ｐ２は、０．１ｍｗ／Ｓｒから１０ｍｗ／Ｓｒ（ステラジアン当たりのミリワット）まで変化させることができる。
【００３８】
より詳細には、以下の放射機および受信機を使用することができる。
【００３９】
【表１】
【００４０】
【表２】
多数のパワー増加パルスが放出され、また、場合によっては、Ｉ＝１からｎである異なるＲｉ値の抵抗数ｎが、前記２^ｎ個の連続する可能距離の間を分離することにある測定の精度が、少なくとも１０ｃｍの精度、好ましくは少なくとも１ｃｍの精度になる数であることが好ましい。
【００４１】
前記Ｒｉ抵抗の数ｎは、障害物を測定する感度を決定している。
【００４２】
前記第１の対象物に接続された基準システムに対する１つまたは複数の第２の対象物の位置を決定するためのプロセスの一実施形態によれば、プロセスには、さらに、
−前記第１の対象物から、前記第１の対象物の周囲に適切に分散した複数の方向、好ましくは少なくとも４つの方向、より好ましくは少なくとも８つの方向に赤外線を放出するステップが含まれ、
各方向に結合した前記赤外線が、頂点角度が５°と９０°の間である円錐中に、
前記第１の対象物の周囲に位置する前記第２の対象物が検出され、かつ、第１の対象物に接続された基準システムに対するそれらの位置を計算することができるように放出される。
【００４３】
また、本発明は、その主題として、第１の対象物と第２の対象物の間の距離を検出し、測定するためのデバイスを有しており、前記デバイスは、さらに、
−前記第１の対象物に取り付けられた、電気放出信号が供給される赤外線放射機と、
−前記第２の対象物によって反射された後で、前記赤外線の戻りを検出する受信機とを備え、
前記受信機は、前記放射機の近傍の前記第１の対象物に取り付けられ、受信を表す電気信号を生成している。
【００４４】
前記デバイスは、
−前記放射機が放出する赤外線パワーを徐々に変化させることができる、放出を表す前記電気信号を制御するための手段であって、放出される赤外線のパワーが検出パワー（ＤＰ）に到達するまで前記電気放出信号を制御し、この検出パワー（ＤＰ）に対して、前記第２の対象物によって反射された後で、赤外線が前記受信機によって検出される手段と、
−とりわけ前記第１の対象物と前記第２の対象物の間の前記距離（ｄ）と前記検出パワー（ＤＰ）との間の較正によって予め確立されている相関を使用して、前記検出パワー（ＤＰ）の値から前記距離（Ｄ）を計算するための手段とを備えている。
【００４５】
より詳細には、本発明によるデバイスは、
−とりわけ所与の赤外波長で放出する電界発光ダイオードを備えた放射機と、
−とりわけ前記所与の赤外波長、好ましくは、とりわけ前記所与のパルス周波数でパルス化された波を検出するフォトトランジスタを備えた受信機とを備えている。
【００４６】
デバイスの好ましい実施形態によれば、
−前記放射機が放出する赤外線のパワーを徐々に変化させることができる前記電気信号を制御するための前記手段は、前記赤外線がシグネチャを含んだ特定のモードに従って放出されるよう、前記電気放出信号を制御する第１のプロセッサを備えており、
−前記第１のプロセッサは、前記放射機の特定の放出モードが、前記シグネチャを特徴とする所与のパルス周波数を有するパルス放出モードであるようにプログラムされ、
−前記電気放出信号を制御している前記第１のプロセッサは、前記放射機の特定の放出モードが、ディジタルシグネチャを含んだパルス放出モードであるようにプログラムされ、
−前記第１のプロセッサは、放射機の特定の放出モードが、前記シグネチャを特徴とする所与のパルス周波数を有するパルス放出モードであるようにプログラムされ、
−前記電気放出信号を制御している前記第１のプロセッサは、前記放射機の特定の放出モードが、ディジタルシグネチャを含んだパルス放出モードであるようにプログラムされ、
−前記第１のプロセッサは、前記電気放出信号が方形波信号であり、かつ、前記赤外線の前記ディジタルシグネチャが、前記方形波信号が放射機に供給されているか否かに基づいて（「１」）または（「０」）から構成される論理信号の形で出現するようにプログラムされ、
−前記第１のプロセッサは、受信機が特定の対象物から受信した反射赤外線が、前記確定対象物上に位置する放射機から発信されたものであるかどうかを決定するために、前記シグネチャを検証するための手段を備えており、それにより前記確定対象物上の放射機からの反射赤外線と、他の対象物から直接的または間接的に入射する赤外線とを判別することができ、
−前記シグネチャを検証するための手段は、前記確定対象物から放射機に供給される電気信号と、同じ前記確定対象物から受信機によって与えられる電気信号とを比較するための手段を備え、
−前記第１のプロセッサ、詳細にはマイクロコントローラ、および第２のプロセッサすなわち外部プロセッサが互いに接続され、かつ、前記放射機および前記受信機に、
^＊前記放射機、詳細には電界発光ダイオードが放出する赤外線パワーが２^ｎ個の増加値を担うことができるよう、ｎビットのディジタル信号によって、前記第１のプロセッサが、電界効果トランジスタを介して、前記放射機の電源回路内に設置された値が異なるｎ個の抵抗を制御し、
^＊受信機に接続されている前記第１のプロセッサが、受信機によって供給される電気信号に同じシグネチャ、詳細には前記ディジタルシグネチャが含まれていることを検証し、
^＊前記第１のプロセッサが、２^ｎ個の前記検出パワー（ＤＰ）の可能値の中から検証された１つを表す、ｎビットからなる信号を第２のプロセッサに転送し、また、
^＊前記第２のプロセッサが、２^ｎ個の検出パワー値に対する２^ｎ個の可能距離値の較正によって得られる相関によって、第１の対象物と第２の対象物の間の距離を計算するように接続されている。
【００４７】
本発明による方法およびデバイスは、例えば以下に列記するような距離測定を必要とする任意のアプリケーションに使用することができる。
【００４８】
−安全運転のための自動車両間の距離の測定
−容器内の充填レベルの測定
−生産ラインにおける対象物の計数
また、本発明は、第１の対象物の近傍の未知の方向に位置する第２の対象物を検出するための、複数のピックアップを使用した複数の測定を特徴とする方法および装置に関している。ピックアップの各々は、放射機と受信機の組合せを備え、放射機および受信機は互いに対して固定され、上で定義した本発明による距離測定プロセスによって、前記放射機は、前記光線を前記第１の対象物の周囲の空間の複数の方向、好ましくは少なくとも４つの方向、より好ましくは少なくとも８つの方向に放出するようになされ、また、前記放射機は、頂点が前記放射機と一致する、頂点角度が５°と９０°の間である円錐を画定している空間内の方向に光線を放出し、それにより、前記第１の対象物の近傍に位置する前記第２の対象物が検出され、かつ、第１の対象物に接続されている基準のフレームに対するそれらの位置が計算される。
【００４９】
同様に、本発明は、前記第１の対象物に取り付けられ、かつ、上で定義したようになされた複数の放射機−受信機ユニットを備えた、障害物検出および距離測定デバイスに関している。前記放射機−受信機ユニットは、前記第１のプロセッサおよび前記第２のプロセッサに接続されている。
【００５０】
他の観点から、本発明により、障害物を検出し、かつ、障害物を回避することができる移動ロボットが提供される。移動ロボットは、上で定義した、距離を検出し、かつ、計算するためのデバイスを備えた手段によって制御される移動手段を備えており、したがって、
・前記移動ロボットの近傍に１つまたは複数の障害物が存在し、かつ、
・前記移動ロボットが、前記障害物が位置している方向の１つに一致する方向に移動している場合、また、
・前記移動ロボットと前記障害物の間の測定距離が、とりわけ前記移動ロボットの移動速度に対して決定された値より短い場合、
前記デバイスは、近傍に位置している他のあらゆる障害物を考慮して、経路の変更をスケジュールしている。
【００５１】
また、本発明は、上で定義した本発明による測定プロセスを含むことを特徴とする、移動体、詳細にはロボットによる障害物の検出および回避プロセスに関し、
・前記移動体は、前記第１の対象物に対応し、
・前記障害物は、第２の対象物に対応し、また、
・測定した距離が所与の値、詳細には前記障害物を回避することができない値より短い場合、前記移動体の移動速度を考慮して、前記移動体、詳細にはロボットのコースの修正が指令される。
【００５２】
同様に、本発明は、本発明による障害物検出および距離測定装置を備えた移動体、詳細にはロボットに関している。
【００５３】
本発明の他の特徴および利点については、以下に示す詳細な実施形態を参照することにより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
図１は、空間の８つの方向に分散した、ロボット１などの移動体上の８つのピックアップを略図で示したもので、放出される光線の円錐１３および障害物２で反射して受信機５に戻る光線１４が示されている。
【００５５】
図２は、放射機ダイオードを流れる８つの電流レベル（１６レベルのうちの）を示したもので、したがって放射機ダイオードによって放出される波の８つのパワーレベル（１６レベルのうちの）は、１０ビットのディジタル構造「１１１０１１１１０１」に対応している。波は、３８ｋＨｚのパルスモードで放出されている。
【００５６】
図３は、電子アセンブリの略図を示したもので、マイクロコントローラ８に接続された８つの放射機ダイオード４（Ｄ１〜Ｄ８）、８つの受信機５（Ｕ５〜Ｕ１２）、および外部プロセッサ９（Ｕ１３）が示されている。プロセッサ８と９の間の通信は、オープンコレクタ出力を備えたフリップフロップ型レジスタ１１（Ｕ３）の媒体を介して処理されている。
【００５７】
構築された距離測定システムは、８つのピックアップ（Ｃ_ｐ０〜Ｃ_ｐ７）を備えており、したがって、８つの放射機４と８つの受信機５のセットからなっている。ピックアップの各々は、ロボット１に取り付けられている。受信機５の各々は、対応する放射機４の頂部に取り付けられている。放射機４は、前記第１の対象物の周囲の空間に均一に分散した８つの方向に赤外線を放出するようになされている。放射機の各々は、頂点が前記放射機と一致する、頂点角度が２０°の円錐１３を画定している空間の方向に放射線を放出している。
【００５８】
このシステムは、前記第１の対象物を形成しているロボット１による障害物の検出および回避に有用である。障害物を検出し、かつ、障害物までの距離を測定すると、測定した距離が所与の値より短い場合、通常、ロボットはそのコースを変更する。
【００５９】
放射機４の各々（Ｄ１〜Ｄ８）は、ＳＩＥＭＥＮＳ（登録商標）ＬＤ２７４なる製品名の赤外線電界発光ダイオードによって構成されている。受信機５の各々（Ｕ５〜Ｕ１２）は、製品番号ＴＥＭＩＣ（登録商標）ＴＳＯＰ１８３８（登録商標）なる高利得フォトトランジスタである。放射機ダイオードＬＤ２７４の特性は、放出角度２＝２０°、電流Ｉ＝１００ｍＡ、波長８＝９５０ｎｍ、放射束密度Ｗ＝３５ｍＷ／Ｓｒである。受信機ＴＳＯＰ１８３８の特性は、受信角度２＝９０°、波長８＝９５０ｎｍ、放射束密度Ｗ＝０．３ｍＷ／Ｓｒ、搬送周波数ｆ＝３８ｋＨｚである。
【００６０】
同じ電流が放射機ダイオードの各々に同時に印加され、同じ赤外線が生成される。
【００６１】
マイクロコントローラ８（Ｕ１）および外部プロセッサ９（Ｕ１３）は、レジスタ（Ｕ３）１１を介して互いに接続されている。マイクロコントローラ８と外部プロセッサ（９）の間のインタフェースは、レジスタ１０（Ｕ４）によって同期化されている。最後に、マイクロコントローラ８は、８つの放射機４を直接操作し、かつ、レジスタ（Ｕ１２）を介して８つの受信機５によって送達されるデータを解析している。
【００６２】
使用されている部品の参照は、次の通りである。
【００６３】
【表３】
赤外線ダイオードの放出は、方形波信号を供給しているマイクロコントローラ８によって、振幅変調された３８ｋＨｚの搬送周波数で、パルスモードで制御され、一方では、放射機の各々に結合したディジタルシグネチャを画定し、他方では、ダイオードの放出レベルを制御している。ステップの高さ（図２）に対応しているダイオードの放出レベルは、トランジスタＱ１〜Ｑ４の状態によって変化する。各列に対して、ダイオードに供給される信号には、図２に図式的に示すように、ここでは１０ビットでフォーマット化された、「１１１０１１１１０１」に等しいディジタルシグネチャが含まれている。値「１」の各ビットは、搬送周波数の９つのパルス列に対応し、その長さの合計は、この実施例では約２３７ミリ秒に等しく、また、値「０」の各ビットは、同じ時間長さにおけるダイオードパワーの遮断に対応している。
【００６４】
図２に示すディジタルシグネチャの図式表現は、各列を１０個の時間ユニットに分割した場合、電力（周波数３８ｋＨｚでパルス化された）が、４つ目の時間ユニットおよび９つ目の時間ユニットで遮断されていることを示している。
【００６５】
ディジタルシグネチャ６の検証は、放射機４に送信される電気信号と、対応する受信機５によってレジスタ１２の媒体を介して実質的に同時に供給される電気信号とを比較するマイクロコントローラ８によって達成される。
【００６６】
受信機５の各々は、トランジスタ（図示せず）を備えており、前記搬送周波数でパルス化された波が前記受信機５によって検出されたか否かに基づいて、つまり、前記放射機から波が放出され、次いで前記障害物によって反射されたか否かに基づいて、論理１または０信号を提供している。
【００６７】
放射機４の各々は、以下で説明するように、トランジスタ７_２に結合され、論理１または０信号で制御されている。したがって、前記搬送周波数でパルス化された波が放出されるか否かによって、パルス化された赤外線が放出され、あるいは遮断される。
【００６８】
並列に接続された４つの分岐を有し、かつ、８つの発光ダイオードに共通の電源に挿入されたアセンブリ７_１および７_２は、８つの発光ダイオード４（Ｄ１〜Ｄ８）を流れる１６レベル（すなわち１６ステップ）の電流の生成を可能にしている。分岐の各々は、ＦＥＴトランジスタ（Ｑ１〜Ｑ４）に直列に接続された抵抗（Ｒ１〜Ｒ４）を備えている。
【００６９】
このようなセットアップにより、各ダイオードは、前記トランジスタの論理コマンド（ＣＯＭ０〜ＣＯＭ３）に従って増加する１６個の異なる値で強度が増加する電流を提供することができるトランジスタ７_２（Ｑ１〜Ｑ４）によって制御される、値が異なる（Ｒ１およびＲ４）４つの抵抗７_１からの１６（２^４）個の異なる値（すなわちステップ）の放射パワーを含んだ可変パワーのビームを放出する。放出される前記パワーレベルの各々は、前記４つの抵抗の４つの論理制御に対応する４ビットのディジタル信号に対応している。対応する距離と１６個の可能検出パワーの各々との間の予備較正が実施されており、したがって外部プロセッサ９は、前記検出パワーに対応するディジタル信号に基づいて、トランジスタＱ１〜Ｑ４の１６個の可能制御距離の値の中から、ロボットと任意の障害物の間の距離Ｄを決定することができる（決定された距離は、プロセッサ８によって周期的に供給され、プロセッサ９に転送される）。したがって、Ｒ１〜Ｒ４の４つのコマンドＣＯＭ０〜ＣＯＭ３の論理コマンド（０ボルトまたは５ボルト）に応じて、多少なりとも大きい電流が赤外線放射機ダイオードＤ１〜Ｄ８にセットされ、それにより、パワーが増加した赤外線ビームが、そのタイミングは図２に示すタイミングと同様であるが、各ダイオードに対して同時に生成される。
【００７０】
４つの抵抗７は、トランジスタ７_２によって制御され、その分極は、５ボルトで直接実施されている。ここでは、４つの制御すなわち１６個のパワーゾーンすなわちパワーステップの探索が存在している。抵抗は、２の倍数の異なる値で選択されており、したがって１つの抵抗を流れる電流は、後続する抵抗を流れる電流の２倍になっている。発光ダイオードに共通の電流は、図２に示すように、例えば１０ビットで符号化されたシグネチャを備えている（この場合、１１１０１１１１０１）。
【００７１】
戻り赤外線信号は、集積回路を備えた受信機５を使用して検出される。集積回路は、受信機５が、３８ＫＨｚの周波数でパルス化された９５０ｎｍのＩＲ放射を受信するか否かに応じて、０ボルトまたは５ボルトの論理信号を出力として提供している。受信機の電源変動は、たとえわずかであっても誤った検出をもたらすため、これらの電源は、フィルタ５_１（１０：Ｆのコンデンサと３３０Σの抵抗からなる）でフィルタリングしなければならない。
【００７２】
較正が終了し、放出されるパワーとピックアップから障害物までの距離との間の相関が確立されると、得られる応答に基づいて、距離を数値計測することができる。
【００７３】
次の表４は、抵抗値Ｒ１＝１５Σ、Ｒ２＝３５Σ、Ｒ３＝６８ΣおよびＲ４＝１５０Σを使用して、障害物である白色あら仕上壁に対して実施された測定例を示したものである。
【００７４】
【表４】
図３は、８つのピックアップによって測定された側値の通信および伝送を処理することができる電子回路を示したものである。
【００７５】
図３に示す回路は、それぞれ８ビットのデータをもたらしている８つのピックアップの各々に対応する８つの側値の伝送を可能にしている。そのために、使用されている符号化ユニット分離文字が、４ビットの（１６個のパワー値が４ビットに２進符号化されている）のピックアップの側値と、関連する受信機の識別（同じく４ビットに符号化されている）とを同時に結びつけている。
【００７６】
ここでは８ビットのバスが外部プロセッサ９に使用されているため、測値の伝送モードは並列でなければならない。８つの測値に対応するすべてのデータを８ビットバスに一度に取り出すことは不可能であるため、測値は、１つずつ取り出すことによって単純化されている。したがって８つの別個の測値をもたらす取得シーケンスの場合、外部プロセッサ９には、これらのデータを取得するために８回の読取りが必要である。
【００７７】
マイクロコントローラ８（Ｕ１）と外部プロセッサ９（Ｕ１３）の間のインタフェースは、オープンコレクタ出力を備えたフリップフロップ型レジスタ１１（Ｕ３）によって達成され、ロ−ディング（すなわち測値の書込み）は、マイクロコントローラ８によって実行され、また、エントリ（すなわち測値の読出し）は、外部プロセッサによって実行されている。外部プロセッサは、障害物に対応する距離を計算している。
【００７８】
マイクロコントローラ８には、レジスタ１０（Ｕ４）上のフリップフロップ（セット／リセット）の値を読み出すことによって外部プロセッサ９が読出しを実行したことが知らされる。マイクロコントローラが新しい測定値をレジスタに入力すると、このフリップフロップは再初期化される。外部プロセッサへの伝送が開始されると、測定フェーズが停止する。外部プロセッサがビジーの場合、マイクロコントローラは距離測定フェーズに戻る。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】８つの障害物を検出する赤外線ピックアップを備えた、本発明による移動ロボットの略図である。
【図２】本発明による放射機ダイオードに供給される電流を表す８つの「ハッチ」バーで、その増加を図式的に示すクロノグラムの一部である。このクロノグラムは、この電流の周期的な変化のうちの１つの周期（３ビットに符号化されたコマンド信号の場合の）またはそのサイクルの一部（例えば半サイクル）に対応している。
【図３】赤外線放射機−受信機によって交換される信号を解析し、制御し、かつ、処理するための電子回路（図１の参照番号３）の構造を大まかに示す略図である。

Claims

第１の対象物（１）と第２の対象物（２）の間の距離を検出し、かつ、測定するための方法において、
ａ）前記第１の対象物（１）に取り付けられた、電気放出信号が供給される放射機から赤外線（３）を放出するステップと、
ｂ）前記第２の対象物（２）によって反射された後で、前記赤外線の受信機（５）への戻りを検出するステップであって、前記受信機（５）が前記放射機（４）の近傍の前記第１の対象物（１）に取り付けられ、受信電気信号を生成するステップとを含む方法であって、
ｃ）前記電気放出信号を制御することにより、放出される赤外線のパワーが検出パワー（ＰＳ）に到達するまで、前記放射機（４）が放出する赤外線のパワーを徐々に変化させるステップであって、この検出パワー（ＰＳ）に対して、第２の対象物によって反射された後で、赤外線が前記受信機（５）によって検出されるステップと、
ｄ）特に較正により、前記第１の対象物（１）と前記第２の対象物（２）の間の距離（Ｄ）と前記検出パワーとの間の相関を確立することにより、前記検出パワー（ＰＳ）の値から前記距離（Ｄ）を計算するステップとをさらに含むことを特徴とする方法。
前記放射機（４）のシグネチャ指数部を含む特定のモードで前記赤外線を放出する方法である、請求項１に記載の方法。
前記シグネチャが前記放射機（４）の特定の放出モード、特に、所与の脈動周波数を有するパルス放出モードを特徴とする方法である、請求項２に記載の方法。
前記シグネチャがディジタルシグネチャ、特に、パルス放出モードと結合したディジタルシグネチャである方法である、請求項２または３のいずれか一項に記載の方法。
前記電気放出信号が方形波信号であり、前記方法が、前記赤外線のディジタルシグネチャが、放射機に前記方形波信号が供給されているか否かに基づいて（「１」）または（「０」）から構成される論理信号の形で出現する方法である、請求項４に記載の方法。
受信機（５）が特定の対象物（１）から受信した反射赤外線が、前記確定対象物上に位置する放射機（４）から発信されたものであるかどうかを決定するために、前記確定対象物（１）上の放射機（４）からの反射赤外線と、他の対象物から直接的または間接的に入射する赤外線とを判別することができるよう、前記シグネチャを検証する方法である、請求項２から５のいずれか一項に記載の方法。
前記ディジタルシグネチャを検証するために、前記確定対象物（１）の放射機（４）に電力を供給する電気信号と、同じ前記確定対象物（１）上の受信機（５）によって提供される電気信号とを比較する方法である、請求項６に記載の方法。
さらに、より具体的には、前記第１の対象物（１）に接続された基準フレームに対する１つまたは複数の第２の対象物（２）の位置を決定するように設計され、さらに、
前記第１の対象物（１）から、前記第１の対象物の周囲に適切に分散した複数の方向、好ましくは少なくとも４つの方向、また、好ましくは少なくとも３つの方向に赤外線を放出するステップを含み、
各方向に結合した前記赤外線が、頂点角度が５^＊と９０^＊の間である円錐中に、
前記第１の対象物（１）の近傍に位置する前記第２の対象物（２）が検出され、第１の対象物（１）に接続された基準フレームに対するそれらの位置を計算することができるように放出される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
第１の対象物（１）と第２の対象物（２）の間の距離を検出し、測定するための方法であって、前記デバイスが、
前記第１の対象物（１）に取り付けられた、電気放出信号が供給される赤外線放射機（４）と、
前記第２の対象物（２）によって反射された後で、前記赤外線の戻りを検出する、前記放射機（４）の近傍の前記第１の対象物（１）に取り付けられた、受信電気信号を生成する受信機（５）とを備え、
前記デバイスが、
１／前記放射機（４）が放出する赤外線のパワーを徐々に変化させることができる前記電気信号を制御する手段（８）であって、放出される赤外線のパワーが検出パワー（ＰＳ）に到達するまで前記電気放出信号を制御することにより、この検出パワー（ＰＳ）に対して、前記第２の対象物（２）によって反射された後で、赤外線が前記受信機（５）によって検出される手段と、
２／前記第１の対象物（１）と前記第２の対象物（２）の間の距離（Ｄ）と前記検出パワー（ＰＳ）との間の、特に較正によって予め確立されている相関を利用して、前記検出パワー（ＰＳ）の値から前記距離（Ｄ）を計算するための手段（９）とを備えることを特徴とする方法。
前記デバイスが、
前記放射機（４）が、特に所与の赤外波長で発光する電界発光ダイオードを備え、
前記受信機（５）が、特に前記所与の赤外波長波を検出するフォトトランジスタまたはフォトダイオードを備えたデバイスである、請求項９に記載のデバイス。
前記放射機（４）が放出する赤外線のパワーを徐々に変化させることができる前記電気信号を制御する前記手段（８）が、前記赤外線がシグネチャを含んだ特定のモードで放出されるよう、前記電気放出信号を制御する第１のプロセッサ（８）を備えた、請求項９または１０のいずれか一項に記載のデバイス。
前記放射機（４）の特定の放出モードが前記シグネチャを特徴とする所与の脈動周波数を有するパルス放出モードであるように、前記第１のプロセッサ（８）がプログラムされた、請求項１１に記載のデバイス。
前記放射機（４）の特定の放出モードがディジタルシグネチャを含んだパルス放出モードであるように、前記電気放出信号を制御している前記第１のプロセッサ（８）がプログラムされた、請求項１１または１２のいずれか一項に記載のデバイス。
前記第１のプロセッサ（８）が、前記電気放出信号が方形波であるように、また、前記赤外線の前記ディジタルシグネチャが、前記方形波信号が放射機に供給されているか否かに基づいて（「１」）または（「０」）から構成される論理信号の形で出現するようにプログラムされた、請求項１３に記載のデバイス。
前記デバイスが、受信機（５）が特定の対象物（１）から受信した反射赤外線が、前記確定対象物上に位置する放射機（４）から発信されたものであるかどうかを決定するために、前記第１のプロセッサ（８）が前記シグネチャを検証する手段を備え、それにより、前記確定対象物（１）の放射機（４）からの反射赤外線と、他の対象物から直接的または間接的に発信される赤外線とを判別することができる、請求項１１から１４のいずれか一項に記載のデバイス。
前記シグネチャを検証する前記手段が、前記確定対象物（１）の放射機（４）の電気信号供給信号と、同じ前記確定対象物（１）から受信機（５）によって与えられる電気信号とを比較するための手段を備えた、請求項１５に記載のデバイス。
前記デバイスが、
前記放射機（４）、詳細には電界発光ダイオードが放出する赤外線のパワーが２^ｎ個の増加値を担うことができるよう、ｎビットのディジタル信号によって、前記第１のプロセッサ（８）が、電界効果トランジスタを介して、前記放射機（４）の電源に取り付けられた値が異なるｎ個の抵抗を制御し、
受信機（５）に接続されている前記第１のプロセッサ（８）が、受信機（５）によって与えられる電気信号に同じシグネチャ、詳細には前記ディジタルシグネチャが含まれていることを検証し、
前記第１のプロセッサ（８）が、２^ｎ個の前記検出パワー（ＰＳ）の可能値の中から見出された１つを表す、ｎビットからなる信号を第２のプロセッサ（９）に送信し、
前記第２のプロセッサ（９）が、２^ｎ個の検出パワー値に対する２^ｎ個の可能距離値の較正によって得られる相関によって、第１の対象物（１）と第２の対象物（２）の間の距離を計算するデバイスである、請求項１１から１６のいずれか一項に記載のデバイス。
前記デバイスが、前記放射機（４）、詳細には発光ダイオードが所与の最大放射パワーＰ１を放出することでき、また、前記受信機（５）、詳細には受信ダイオードが所与の最小放射パワーＰ２を検出することができるデバイスであり、Ｐ１の値が、０．５ｍと５ｍの間の距離、より好ましくは０．１ｍと１０ｍの間の距離を測定することができる値である、請求項１７に記載のデバイス。
検出パワーのステップ数およびＩ＝１である異なるＲｉ値の抵抗数ｎが、前記２^ｎ個の連続する可能距離間を分離することにある測定の精度が、少なくとも１０ｃｍ、好ましくは少なくとも１ｃｍになる数である、請求項１７または１８のいずれか一項に記載のデバイス。
前記デバイスが、さらに、より具体的には、前記第１の対象物（１）に接続された基準フレームに対する１つまたは複数の第２の対象物（２）の位置を決定するように設計され、さらに、
前記第１の対象物（１）の周囲に適切に分散した複数の方向、好ましくは少なくとも４つの方向、より好ましくは少なくとも８つの方向に赤外線を放出し、かつ、受信する複数の放射機（４）および受信機（５）を備え、
各方向に結合した前記赤外線が、頂点角度が５^＊と９０^＊の間である円錐中に、
前記第１の対象物（１）の近傍に位置する前記第２の対象物（２）が検出され、第１の対象物（１）に接続された基準フレームに対するそれらの位置を計算することができるように放出される、請求項９から１７のいずれか一項に記載のデバイス。
障害物を検出し、かつ、障害物を回避する移動ロボットであって、前記移動ロボットは、請求項９から２０のいずれか一項に記載のデバイスを備えた手段によって制御される変位手段を備えており、それにより、
前記移動ロボットの近傍に１つまたは複数の障害物が存在する場合、
前記移動ロボットが、前記障害物が位置している方向の１つに一致する方向に移動している場合、
前記移動ロボットと前記障害物の間の測定距離が、特に前記移動ロボットの移動速度に対する特定の値より短い場合に、
前記デバイスが、近傍に位置している他の障害物を考慮して、経路の変更をプログラムする移動ロボット。
車両、詳細にはロボットによる障害物の検出および回避への、請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法およびデバイスの応用であって、
前記車両が前記第１の対象物（１）に対応し、
前記障害物が前記第２の対象物（２）に対応し、それにより、
前記車両の近傍に１つまたは複数の障害物が存在する場合、
前記車両が、前記障害物が位置している方向の１つに一致する方向に移動している場合、
前記車両と前記障害物の間の測定距離が、特に前記車両の移動速度に基づく確定値より短い場合に、
前記車両が、近傍に位置している他の障害物を考慮して、コースの変更をプログラムする応用。
車両（１）であって、
前記車両に固定して取り付けられた、それぞれ車両の周囲の空間の第１の位置に赤外線を放出することができる放射機と、車両の周囲の空間の第２の位置から受信するあらゆる赤外線に感応する受信機とを備えた、少なくとも２つの赤外線ピックアップと、
放射機に供給する電流の強度を一定の周期で変更し、それにより、各ピックアップの放射機が放出する放射をステップバイステップで増加させるようになされた、放射機に供給する電力を制御する電子手段（８）と、
一方では、前記ピックアップから前記受信機によって送達される信号から、他方では、ピックアップの放射機に供給する電力を制御するための前記電子手段（８）によって送達される信号すなわちデータから、障害物を検出し、かつ／または車両と対象物（２）を隔てている距離（Ｄ）を測定するための電子手段（９）とを備えたことを特徴とする車両。
請求項２１または２３に記載の車両であって、
複数の前記赤外線放射機に供給するための共通ラインと、
前記共通供給ラインに挿入された、それぞれ抵抗（Ｒ１〜Ｒ４）を有し、かつ、スイッチ（Ｑ１〜Ｑ４）を備えた、並列に接続された複数の分岐と、
開ディジタル指令または閉ディジタル指令をスイッチ（Ｑ１〜Ｑ４）に送達するようになされ、それにより、前記放射機に送達される電流を徐々に変化するようにする手段（８）とを備えた車両。