JP2006030173A - Distance-measuring apparatus and autonomous traveling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波を利用し被測定物からの反射波より被測定物との距離を測定する距離測定装置およびこれを搭載した自律走行装置に関するものである。 The present invention relates to a distance measuring device that measures a distance from a measured object from a reflected wave from the measured object using ultrasonic waves, and an autonomous traveling device equipped with the distance measuring device.
従来、この種の距離測定装置は、自律走行装置に搭載する際、測定範囲を広げるために水平方向に可変、または鉛直方向に回動、あるいは昇降可能にするとともに、複数設置している(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, when this type of distance measuring device is mounted on an autonomous traveling device, it is variable in the horizontal direction, or can be rotated in the vertical direction, or can be moved up and down, and a plurality of such distance measuring devices are installed (for example, , See Patent Document 1).
図6、図7は従来の自律走行装置を示すものであり、自律走行装置の本体20の下部に駆動輪21および従輪22が設けられ、本体20は矢印A1、A2の方向に前進後退が可能になっている。また、左右の駆動輪21の回転数または回転方向を変えることで自律走行装置の本体20が旋回できるようになっている。そして、自律走行装置の本体20には右方、前方、左方に向けて超音波を発し、被測定物(障害物)で反射した反射波を受信することで本体20周囲の被測定物の有無と、被測定物までの距離を測定する距離測定装置23〜25が取り付けられ、この距離測定装置23〜25により右方、前方、左方の被測定物との距離を順次測定し、被測定物を回避して自律走行を行うようになっている。また、距離測定装置23〜25は、図7に示すように距離測定が可能な視野角θを有している。
しかしながら、前記従来の構成では、距離測定装置は、自律走行装置に搭載する際、測定範囲を広げるために水平方向に可変、または鉛直方向に回動、あるいは昇降可能にする構成とするものであるので、可動部の構成が複雑になり、被測定物を乗り越える際の衝撃などに弱く故障しやすいという課題を有していた。また、距離測定装置は自律走行装置に多数配置する必要があるという課題もあった。 However, in the conventional configuration, when the distance measuring device is mounted on the autonomous traveling device, the distance measuring device is configured to be variable in the horizontal direction, rotated in the vertical direction, or movable up and down to widen the measurement range. Therefore, the structure of the movable part is complicated, and there is a problem that the movable part is vulnerable to an impact or the like when getting over the object to be measured and is easily damaged. In addition, there is a problem that a large number of distance measuring devices need to be arranged in the autonomous traveling device.
本発明は、前記従来の課題を解決するために、広い範囲の方向にある被測定物(障害物)の距離が可動部を必要とすることなく測定できる距離測定装置を提供することを目的とする。 In order to solve the above-described conventional problems, an object of the present invention is to provide a distance measuring device capable of measuring the distance of an object to be measured (obstacle) in a wide range direction without requiring a movable part. To do.
また、本発明は、少ない距離測定装置で、広範囲の方向にある被測定物を検知し、被測定物との距離を正確に測定して被測定物の回避走行を行う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。 Further, the present invention is an autonomous traveling device that can detect an object to be measured in a wide range of directions with a small distance measuring apparatus, accurately measure the distance to the object to be measured, and perform avoidance traveling of the object to be measured. The purpose is to provide.
前記従来の課題を解決するために、本発明の距離測定装置は、送信用超音波振動子からの超音波の送信は、超音波を水平方向の全方位に反射させる全方位反射手段を介して行うようにしたものである。 In order to solve the above-described conventional problems, the distance measuring device according to the present invention transmits ultrasonic waves from a transmitting ultrasonic transducer via omnidirectional reflecting means for reflecting ultrasonic waves in all horizontal directions. It is what I do.
これによって、広い範囲の方向にある被測定物の距離が可動部を必要とすることなく測定できるものである。 As a result, the distance of the object to be measured in a wide range of directions can be measured without requiring a movable part.
また、本発明の自律走行装置は、超音波を水平方向の全方位に反射させる全方位反射手段を介して行う距離測定装置を備え、これにより測定される距離に基づき走行手段を制御
するようにしたものである。
In addition, the autonomous traveling device of the present invention includes a distance measuring device that performs an omnidirectional reflection unit that reflects ultrasonic waves in all directions in the horizontal direction, and controls the traveling unit based on the distance measured thereby. It is a thing.
これによって、少ない距離測定装置で、広範囲の方向にある被測定物を検知し、被測定物との距離を正確に測定して被測定物の回避走行を行う自律走行装置が提供できる。 As a result, an autonomous traveling device that detects an object to be measured in a wide range of directions with a small number of distance measuring devices, accurately measures the distance to the object to be measured, and performs avoidance traveling of the object to be measured can be provided.
本発明の距離測定装置は、広い範囲の方向にある被測定物の距離が可動部を必要とすることなく測定できる。 The distance measuring device of the present invention can measure the distance of an object to be measured in a wide range without requiring a movable part.
また、本発明の自律走行装置は、少ない距離測定装置で、広範囲の方向にある被測定物を検知し、被測定物との距離を正確に測定して被測定物の回避走行を行うことができる。 In addition, the autonomous traveling device of the present invention can detect an object in a wide range of directions with a small distance measuring device, accurately measure the distance to the object to be measured, and perform avoidance traveling of the object to be measured. it can.
第1の発明は、被測定物へ向けて超音波を送信する送信用超音波振動子と、被測定物からの反射波を受信する受信用超音波振動子と、前記受信用超音波振動子の受信信号を処理する受信信号処理手段と、超音波が送信されてから前記受信信号処理手段で受信されるまでの時間を計時する計時手段と、前記計時手段が計時した時間から被測定物までの距離を算出する距離算出手段とを備え、前記送信用超音波振動子からの超音波の送信は、超音波を水平方向の全方位に反射させる全方位反射手段を介して行うようにした距離測定装置とすることにより、広い範囲の方向にある被測定物の距離が可動部を必要とすることなく測定できるものである。 According to a first aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic transducer for transmission that transmits ultrasonic waves toward an object to be measured, an ultrasonic transducer for reception that receives a reflected wave from the object to be measured, and the ultrasonic transducer for reception Received signal processing means for processing the received signal, time measuring means for measuring the time from when the ultrasonic wave is transmitted until it is received by the received signal processing means, from the time measured by the time measuring means to the object to be measured A distance calculating unit that calculates the distance of the ultrasonic wave, and transmitting the ultrasonic wave from the transmitting ultrasonic transducer via an omnidirectional reflecting unit that reflects the ultrasonic wave in all horizontal directions By using the measuring device, the distance of the object to be measured in a wide range of directions can be measured without requiring a movable part.
第2の発明は、特に、第1の発明において、全方位反射手段は、放物線の一部を回転させてできる放物線回転体形状としたことにより、送信用超音波振動子から送信される超音波は、その鉛直方向の視野を絞って略水平方向の全方位に反射させることができる。 According to a second aspect of the invention, in particular, in the first aspect of the invention, the omnidirectional reflecting means has a parabolic rotator shape formed by rotating a part of a parabola, so that the ultrasonic wave transmitted from the transmitting ultrasonic transducer is transmitted. Can be reflected in all directions in a substantially horizontal direction by narrowing the visual field in the vertical direction.
第3の発明は、特に、第2の発明において、送信用超音波振動子は、全方位反射手段における放物線の焦点位置に設置したことにより、送信用超音波振動子から送信される超音波は、その鉛直方向の視野を絞って略水平方向の全方位に確実に反射させることができ、例えば、受信用超音波振動子は床から反射される不要受信波を受信することがなくなり、高さの低い被測定物でも正確に距離を測定することができる。 According to a third aspect of the invention, in particular, in the second aspect of the invention, since the ultrasonic transducer for transmission is installed at the focal position of the parabola in the omnidirectional reflection means, the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer for transmission is The vertical field of view can be narrowed down and reliably reflected in almost all horizontal directions. For example, the receiving ultrasonic transducer does not receive unnecessary received waves reflected from the floor, It is possible to accurately measure a distance even with a low measurement object.
第4の発明は、特に、第1〜第3のいずれか1つの発明において、全方位反射手段によって反射される超音波の反射方向を特定方向に限定する反射方向限定手段を備えたことにより、使用者は使用目的に応じて超音波の反射方向を限定することが可能となり、使い勝手が向上する。 According to a fourth aspect of the invention, in particular, in any one of the first to third aspects of the invention, by including a reflection direction limiting unit that limits a reflection direction of the ultrasonic wave reflected by the omnidirectional reflection unit to a specific direction, The user can limit the reflection direction of the ultrasonic wave according to the purpose of use, and the usability is improved.
第5の発明は、特に、第4の発明において、反射方向限定手段は、放物線反射板としたことにより、送信用超音波振動子から送信される超音波は、全方位反射手段の放物線で反射して、さらに反射方向限定手段によりその反対方向(超音波の反射方向を限定しようとする方向)に反射され、超音波方向を効率よく限定することができる。
第6の発明は、特に、第5の発明において、送信用超音波振動子は、反射方向限定手段における放物線の焦点を通る線上位置に設置したことにより、反射方向限定手段によりその反対方向(超音波の反射方向を限定しようとする方向)に精度良く超音波信号が同じ方向に反射され、超音波方向を効率よく限定することができる。
In the fifth invention, in particular, in the fourth invention, the reflection direction limiting means is a parabolic reflector, so that the ultrasonic wave transmitted from the transmitting ultrasonic transducer is reflected by the parabola of the omnidirectional reflection means. Further, it is further reflected in the opposite direction (direction in which the reflection direction of the ultrasonic wave is to be limited) by the reflection direction limiting means, and the ultrasonic wave direction can be efficiently limited.
According to a sixth aspect of the invention, in particular, in the fifth aspect of the invention, the transmitting ultrasonic transducer is installed at a position on the line passing through the focal point of the parabola in the reflection direction limiting means, so that the opposite direction (super The ultrasonic signal is accurately reflected in the same direction (in the direction in which the reflection direction of the sound wave is to be limited), and the ultrasonic direction can be efficiently limited.
第7の発明は、特に、第1〜第6のいずれか1つの発明における距離測定装置を、走行手段を有する本体に備え、前記距離測定装置により測定される距離に基づき走行手段を制御することにより、可動部を必要としない距離測定装置で広範囲の被測定物を検知し、被測定物との距離を正確に測定して、走行手段を制御することができる。また、距離測定装
置に可動部がないので乗り越え時の衝撃に強く耐久性能が向上する。
In a seventh aspect of the invention, in particular, the distance measuring device according to any one of the first to sixth aspects is provided in a main body having a running means, and the running means is controlled based on the distance measured by the distance measuring device. Thus, it is possible to detect a wide range of objects to be measured with a distance measuring device that does not require a movable part, accurately measure the distance to the object to be measured, and control the traveling means. In addition, since the distance measuring device has no moving parts, it is resistant to impacts when climbing and durability is improved.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態)
図1〜図5は、本発明の実施の形態における距離測定装置および自律走行装置を示すものである。
(Embodiment)
1 to 5 show a distance measuring device and an autonomous traveling device in an embodiment of the present invention.
図1に示すように、自律走行装置の本体1は、次の各手段を有する距離測定装置を備えている。すなわち、距離測定装置は、被測定物へ向けて超音波を送信する送信用超音波振動子2、被測定物からの反射波を受信する受信用超音波振動子3、送信用超音波振動子2を駆動し超音波を発生させる送信手段4、制御手段5、前記受信用超音波振動子3の受信信号の増幅および検知の処理を行う受信信号処理手段6、送信手段4により送信用超音波振動子2から超音波を送信してから前記受信信号処理手段6で受信信号を検知するまでの時間を計時する計時手段7、前記計時手段7の計時した時間より被測定物までの距離を算出する距離算出手段8を有している。なお、前記制御手段5は、距離算出手段8の出力を受け、送信手段4、駆動手段11を制御するものである。
As shown in FIG. 1, the
また、自律走行装置の本体1は、駆動輪9と従輪10および駆動輪9を駆動し本体1を走行させる駆動手段11からなる走行手段を備えており、制御手段5により制御される。
The
また、図2、図3に示すように、前記送信手段4は、送信用超音波振動子2からの超音波を水平方向の全方位に反射させる全方位反射手段4aと、この全方位反射手段4aを介して反射される超音波の反射方向を特定方向(本実施の形態では主として前方方向)に限定する反射方向限定手段4bを備えている。前記全方位反射手段4aは、放物線の一部を回転させてできる放物線回転体形状としたものであり、送信用超音波振動子2は、全方位反射手段4aにおける放物線の焦点を通る線上位置に設置している。また、前記反射方向限定手段4bは、放物線反射板としている。そして、全方位反射手段4a、反射方向限定手段4bおよび送信用超音波振動子2の支持部は一体的に構成され、送信用超音波振動子2は反射方向限定手段4bにおける放物線の焦点を通る線上位置に設置されている。その結果、全方位反射手段4aの中心(頂点A)は反射方向限定手段4bの焦点を通る線上に位置する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the transmitting means 4 includes an omnidirectional reflecting means 4a for reflecting ultrasonic waves from the transmitting
以上のように構成された距離測定装置および自律走行装置について、以下、その動作、作用を説明する。 The operation and action of the distance measuring device and the autonomous traveling device configured as described above will be described below.
まず、距離測定装置は、送信手段4により送信用超音波振動子2を駆動すると、被測定物で反射された超音波を受信用超音波振動子3で受け、受信信号処理手段6により増幅などの処理を行い超音波の受信を検知する。計時手段7では送信手段4により超音波を送信してから受信信号処理手段6により受信を検知するまでの時間を計時する。この計時手段7が計時した時間より距離算出手段8で被測定物までの距離を算出する。
First, when the transmission
制御手段5は、送信手段4を制御し超音波を発信させたり、距離算出手段8で算出した被測定物までの距離を基に駆動手段11を制御したりして駆動輪9を動かし本体1を移動させる。
The control means 5 controls the transmission means 4 to transmit ultrasonic waves, or controls the drive means 11 based on the distance to the measurement object calculated by the distance calculation means 8 to move the drive wheels 9 to move the
ここで、図4、図5を用いて送信手段4を詳しく説明する。 Here, the transmission means 4 will be described in detail with reference to FIGS.
図4に示すように、送信用超音波振動子2からの超音波の送信は、超音波を水平方向の
全方位に反射させる全方位反射手段4aを介して行う。すなわち、全方位反射手段4aの放物面で反射して、超音波の鉛直方向の視野を絞って略水平方向の全方位に反射される。送信用超音波振動子2から送信された超音波で焦点を通る超音波(点線矢印a、b)は水平に、送信用超音波振動子2の端から送信され焦点を通らないものは(点線矢印c、d)は、やや上方向に反射される。そして、図5に示すように、全方位反射手段4aの中心(頂点)は放物線反射板とした反射方向限定手段4bの焦点を通る線上の位置にあるので、全方位反射手段4aで反射された超音波のうち、反射方向限定手段4b方向に反射した超音波は、放物線反射板とした反射方向限定手段4bにより、超音波送信方向Dの方向へ同じ向きに反射される(図5の点線矢印h〜k)。
As shown in FIG. 4, the transmission of ultrasonic waves from the ultrasonic transducer for
全方位反射手段4aで反射された超音波のうち、反射方向限定手段4b方向に反射しなかった残りの超音波はそのまま送信される(図5の点線矢印e〜g)。従って、送信用超音波振動子2から送信された超音波は、全方位反射手段4aおよび反射方向限定手段4bにより反射され、超音波送信方向Dの水平方向の広い範囲に送信され、可動部を必要とすることなく、広い範囲の方向にある被測定物の距離が測定できるものである。
Of the ultrasonic waves reflected by the omnidirectional reflecting means 4a, the remaining ultrasonic waves that have not been reflected in the direction of the reflecting direction limiting means 4b are transmitted as they are (dotted arrows eg in FIG. 5). Therefore, the ultrasonic wave transmitted from the transmitting
以上のように、本実施の形態においては、送信用超音波振動子2から送信された超音波を全方位反射手段4aにより水平方向の全方位に反射させる、また反射方向限定手段4bにより任意の方向に超音波を送信することにより、広い範囲の方向にある被測定物の距離が可動部を必要とすることなく測定できるものである。
As described above, in the present embodiment, the ultrasonic wave transmitted from the transmitting
以上のように、本発明にかかる距離測定装置および自律走行装置は、広い範囲の方向にある被測定物の距離が可動部を必要とすることなく測定でき、また、少ない距離測定装置で、広範囲の方向にある被測定物を検知し、被測定物との距離を正確に測定して被測定物の回避走行を行うことができるので、掃除ロボット、監視ロボットあるいは搬送ロボットなどに適用できる。 As described above, the distance measuring device and the autonomous traveling device according to the present invention can measure the distance of an object to be measured in a wide range of directions without the need for a movable part, and can be used in a wide range with a small distance measuring device. Since the object to be measured can be detected and the distance to the object to be measured can be accurately measured to avoid the object to be measured, it can be applied to a cleaning robot, a monitoring robot, a transfer robot, or the like.
1 本体
2 送信用超音波振動子
3 受信用超音波振動子
4 送信手段
4a 全方位反射手段
4b 反射方向限定手段
5 制御手段
6 受信信号処理手段
7 計時手段
8 距離算出手段
9 駆動輪(走行手段)
10 従輪(走行手段)
11 駆動手段(走行手段)
DESCRIPTION OF
10 Follower wheel (traveling means)
11 Driving means (traveling means)
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