JP2008139068A - 距離測定装置および自律走行装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波送信範囲が所望の範囲に特定することができる距離測定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】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４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、送信用超音波振動子４からの超音波を全方位に反射させる全方位反射手段１１と、全方位反射手段１１によって反射される一部の超音波の反射方向を特定方向に限定可能なストレート形成部１２ａを有する超音波送信用の反射方向特定手段１２とを備えたものである。これによって、一部の超音波の反射方向を超音波送信用の反射方向特定手段１２のストレート形成部１２ａにより特定方向に限定することができるため、理想的な被測定物の距離測定ができるものである。
【選択図】図３

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距離測定装置を搭載した自律走行装置に関するものである。

従来、この種の距離測定装置および自律走行装置としては、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、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を回避走行できるというものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−３０１７３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、広い範囲の方向にある被測定物との距離が測定できるが、垂直（高さ）方向の測定は限定されるものである。理想的には、自律走行装置の装置本体の高さにある被測定物は検知でき、装置本体より高い位置にある被測定物は検知できないことが望ましいが、垂直方向の測定が限定される従来の構成ではこれができない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、超音波送信範囲が所望の範囲に特定することができる距離測定装置および自律走行装置を提供することを目的とする。

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、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、送信用超音波振動子からの超音波を全方位に反射させる全方位反射手段と、全方位反射手段によって反射される一部の超音波の反射方向を特定方向に限定可能な超音波送信用の反射方向特定手段とを備えたものである。

これによって、一部の超音波の反射方向を超音波送信用の反射方向特定手段により特定方向に限定することができるため、理想的な被測定物の距離測定ができるものである。

また、この距離測定装置を搭載した自律走行装置は、被測定物を回避しながら効率的な走行が可能なものである。

本発明の距離測定装置および自律走行装置は、理想的な被測定物の距離測定と効率的な走行が可能なものである。

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、送信用超音波振動子からの超音波を全方位に反射させる全方位反射手段と、全方位反射手段によって反射される一部の超音波の反射方向を特定方向に限定可能な超音波送信用の反射方向特定手段とを備えた距離測定装置とすることにより、一部の超音波の反射方向を超音波送信用の反射方向特定手段により特定方向に限定することができるため、理想的な被測定物の距離測定ができるものである。

第２の発明は、特に、第１の発明において、反射方向特定手段は、垂直方向の反射方向を限定するようにしたことにより、高さ方向において所望の範囲にある被測定物との距離を測定することができる。

第３の発明は、特に、第２の発明において、反射方向特定手段は放物線形状の反射板とし、かつ、放物線上の任意の点から接線となるストレート形状部を有する構成としたことにより、送信用超音波振動子から送信される超音波は、反射板で反射した成分が、全て放物線形状の開口部より準線と平行方向に送信され、さらに接線のストレート形状部で反射した成分は、放物線形状で反射した成分と干渉することなく異なった方向に送信することができ、高さ方向において所望の範囲にある被測定物との距離を測定することができる。

第４の発明は、特に、第２または第３の発明において、受信用超音波振動子は、超音波の反射方向を特定方向に限定する超音波受信用の反射方向特定手段を用いて被測定物からの反射波を受信するようにしたことにより、小さな被測定物で超音波の反射波が弱くても、反射方向特定手段より焦点に超音波を集めるため、確実に被測定物との距離を測定することができる。

第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明における距離測定装置を、走行手段を有する装置本体に備え、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自律走行装置とすることにより、被測定物との距離を正確に測定し、被測定物を回避しながら効率的な走行が可能なものである。また、距離測定装置に可動部がないため段差やでこぼこした床面を走行する場合の衝撃に対しても強く耐久性能が向上する。

第６の発明は、特に、第５の発明において、距離測定装置における反射方向特定手段のストレート形状部が装置本体の上部になるように配置したことにより、自律走行装置は床面を被測定物と誤検知することなく、自律走行装置の高さまでの位置にある被測定物を検知することができ、反射方向特定手段を小さくすることが可能となる。

第７の発明は、特に、第５または第６の発明において、超音波送信用の反射方向特定手段より超音波受信用の反射方向特定手段の位置を高く配置したことにより、自律走行装置の高さ付近にある被測定物から反射した超音波を確実に受信することでき、被測定物に衝突することなく効率的に走行することができる。

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１）
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これを搭載した自律走行装置を示すものである。

図１に示すように、自律走行装置の装置本体１は、駆動輪２ａと補助車輪２ｂよりなる走行手段２、および被測定物（障害物）の距離を測定する距離測定装置３を有している。

距離測定装置３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４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５と、送信用超音波振動子４を駆動して超音波を発生出力させる送信駆動手段６と、受信用超音波振動子５の受信信号の増幅、変換などの処理をする受信信号処理手段７と、超音波が送信されてから受信信号処理手段７で受信されるまでの時間を計時する計時手段８と、計時手段８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９と、距離算出手段９により算出した距離に基づき被測定物を回避したりするように走行手段２を制御する制御手段１０とを有している。

また、図２、図３に示すように、距離測定装置３は、送信用超音波振動子４からの超音波を全方位に反射させる円錐形状をした全方位反射手段１１、および全方位反射手段１１によって反射される一部の超音波の反射方向を特定方向に限定可能な超音波送信用の反射方向特定手段１２をも備えている。送信用超音波振動子４と全方位反射手段１１は、図示しているように、相対向して配置されている。

図３に詳細構成を示しているように、反射方向特定手段１２は放物線形状の反射板とし、かつ、水平方向をＸ方向とし、上方向で垂直方向をＹ方向とすると、放物線上の任意の点（Ｘ１、Ｙ１）から接線Ａとなるストレート形状部１２ａを有する構成としたものであり、垂直（高さ）方向の反射方向を限定するようにしている。

そして、全方位反射手段１１の中心（頂点）は、反射方向限定手段１２の焦点Ｂ（焦点距離Ｐ）の位置にあり、全方位反射手段１１で反射された超音波のうち、反射方向限定手段１２の放物線面に放射された超音波はＸ方向へ水平に反射される（図３の点線矢印ａ〜ｃ）。反射方向限定手段１２の上部のストレート形状部１２ａに放射された超音波はＸ方向よりやや上方向に反射される（図３の点線矢印ｄ）。これにより、上方向送信出力と水平方向送信出力とに分けて説明することができる。

このように、反射方向限定手段１２で反射される超音波は、干渉することなく水平方向と水平よりやや上方向に超音波を反射させることができるため、図４に示すように、送信用超音波振動子４、全方位反射手段１１、および反射方向特定手段１２を装置本体１に取り付けた場合、装置本体１の走行手段２が接する床面を検知することはなく、また、送信用超音波振動子４の高さより高く、かつ装置本体１の高さまでの位置にある被測定物についても、反射方向限定手段１２の上部のストレート形状部１２ａを利用して被測定物に超音波を当てることができる。

もし、反射方向限定手段１２の上部のストレート形状部１２ａを放物線の接線でなく、適当な傾きにしてしまうと、ストレート形状部１２ａと放物線部で反射される超音波が部分的に干渉してしまう恐れがあるため、接線となるストレート形状とすることで超音波を干渉させないという効果がある。

なお、装置本体１の高さまでの位置にある被測定物に超音波を当てるには、反射方向限定手段１２の高さと装置本体１の天面までの距離によって、接点（Ｘ１、Ｙ１）の位置を決定すればよい。

また、反射方向限定手段１２の最上部を装置本体１の天面と同じ位置に取り付けることが可能であれば、反射方向限定手段１２は全て放物線形状であっても構わないが、あわせて低い位置の被測定物もカバーするには、反射方向限定手段１２が形状的に大きくならざるを得ず、反射方向限定手段１２の上部の一部をストレート形状部１２ａにして最上部が装置本体１の天面よりやや低い位置に取り付ける方が形状的にも小さくてすむ。

なお、受信用超音波振動子５については、図１〜図４に示していないが、超音波送信用の反射方向特定手段１２と同様に、超音波の反射方向を特定方向に限定する超音波受信用の反射方向特定手段を用いて被測定物からの反射波を受信するようにしているものである。これにより、小さな被測定物で超音波の反射波が弱くても、反射方向特定手段より焦点に超音波を集めて、確実に被測定物との距離を測定するようにしている。ここで、当然のことではあるが、受信用超音波振動子５の反射方向特定手段を、超音波送信用の反射方向特定手段１２と同一形状としたが、受信用開口部が送信用開口部と同じとすることができるのであれば、ストレート形状部のない全て放物線形状のものであっても構わない。

図５は、自律走行装置としては清掃機能を備えたものを例示している。

これは、装置本体１の前面に、送信用超音波振動子４を有する超音波送信部４ａを２つ、受信用超音波振動子５を有する超音波受信部５ａを３つそれぞれ備え、さらに、壁沿いの並行走行を蛇行することなく円滑に走行させるため、赤外線センサ１３を右側面に２つ備えている。各超音波送信部４ａと各超音波受信部５ａはいずれも上記したように反射方向限定手段１２を有するものであり、これらは、全て上部の一部が放物線上の任意の点（Ｘ１、Ｙ１）から接線となるストレート形状部１２ａを有するものである。このように全て同じ形状にすることで量産時、コスト低減を可能としている。

また、この例では、走行中の装置本体１を支えるために補助車輪２ｂ（または補助駆動車輪）が２つあり、補助車輪２ｂの１つの走行状態を検知するため走行センサ１４を備えている。さらに、走行方向の角度を把握するためにジャイロセンサ１５を備えており、Ｘ（縦方向）、Ｙ（横方向）の座標位置を記憶することができるようにしている。

そしてまた、装置本体１には、ノズルとブラシと吸引モータで床面にある埃やゴミを吸い取る清掃部１６がある。また、図示しないが、装置本体１の全周部には、万が一、被測定物に衝突したときに衝突を検知する衝突検知部も備え付けられている。

この清掃機能を備えた自律走行装置は、超音波送信部４ａ、超音波受信部５ａによる被測定物の距離測定、各センサ１３〜１５の作用により、装置本体１が被測定物を回避しながら自由に走行し、清掃部１６で床面にある埃やゴミを吸い取ることができるものである。この場合、装置本体１は高さ具合にもよるが机などの家具の下を走行でき、また、床面を被測定物と誤認することなく、効率的な走行が可能なものである。また、距離測定装置３に可動部がないため、段差やでこぼこした床面を走行する場合の衝撃に対しても強く耐久性能が向上する。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における自律走行装置を示すものである。実施の形態１と同一要素については同一符号を付してその説明を省略する。

図に示すように、本実施の形態においては、各超音波受信部５ａは各超音波送信部４ａより距離Ｄだけ垂直方向に高い装置本体１位置に取り付けている。他は実施の形態１と同じである。

このように、各超音波受信部５ａを各超音波送信部４ａより垂直方向に高くすることにより、装置本体１の高さ付近にある被測定物から反射される超音波を超音波受信部５ａで受信できる精度がより向上する。

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、理想的な被測定物の距離測定と効率的な走行が可能なものであるので、掃除ロボット、監視ロボット、搬送ロボットなど被測定物を回避走行する装置に適用できる。

本発明の実施の形態１における距離測定装置を備えた自律走行装置のブロック図 同距離測定装置における超音波送信部の水平方向の断面図 同距離測定装置における超音波送信部の垂直方向の断面図 同距離測定装置を備えた自律走行装置を一部切欠いて示した部分斜視図 同距離測定装置を備えた掃除機能を備えた自律走行装置の模式図 本発明の実施の形態２における自律走行装置の前方から見た模式図

符号の説明

１ 装置本体
２ 走行手段
３ 距離測定装置
４ 送信用超音波振動子
５ 受信用超音波振動子
６ 送信駆動手段
７ 受信信号処理手段
８ 計時手段
９ 距離算出手段
１０ 制御手段
１１ 全方位反射手段
１２ 反射方向限定手段
１２ａ ストレート形成部

Claims (7)

1. 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、送信用超音波振動子からの超音波を全方位に反射させる全方位反射手段と、全方位反射手段によって反射される一部の超音波の反射方向を特定方向に限定可能な超音波送信用の反射方向特定手段とを備えた距離測定装置。
2. 反射方向特定手段は、垂直方向の反射方向を限定するようにした請求項１に記載の距離測定装置。
3. 反射方向特定手段は放物線形状の反射板とし、かつ、放物線上の任意の点から接線となるストレート形状部を有する構成とした請求項２に記載の距離測定装置。
4. 受信用超音波振動子は、超音波の反射方向を特定方向に限定する超音波受信用の反射方向特定手段を用いて被測定物からの反射波を受信するようにした請求項２または３に記載の距離測定装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の距離測定装置を、走行手段を有する装置本体に備え、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自律走行装置。
6. 距離測定装置における反射方向特定手段のストレート形状部が装置本体の上部になるように配置した請求項５に記載の自律走行装置。
7. 超音波送信用の反射方向特定手段より超音波受信用の反射方向特定手段の位置を高く配置した請求項５または６に記載の自律走行装置。

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