JP2009008528A - 距離測定装置および走行体位置検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】 床下点検システム等に用いられるロボットの位置検出を正確に行えるようにする。
【解決手段】
ロボット１０は、遠隔制御される走行体１１と、走行体１１に回動可能に搭載されたカメラアッセンブリ３０を備えている。このカメラアッセンブリ３０のカメラ３４は水平方向と上下方向に回動できる。カメラ３４には超音波距離計４０が設けられており、カメラ３４と一緒に回動できるようになっている。床下空間において、上記超音波距離計４０が上下方向に回動され、上下回動範囲での計測距離の最大値が、布基礎壁面１００ａまでの実際の距離として決定される。さらに、超音波距離計４０の水平回動に伴って求めた複数方向での布基礎壁面１００ａまでの実際の距離に基づき、ロボット１０の現在位置を演算する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波距離計を用いた距離測定装置および、この距離測定装置を搭載した走行体の位置検出を行うシステムに関する。

近年、家屋の床下空間等の点検を行う点検システムの需要が高まっている。特許文献１に開示された点検システムでは、床下空間にレールを配置し、このレールに沿って走行体を走らせ、走行体に設置したカメラで床下空間内を撮影し、その画像を外部の表示装置に表示させるようになっている。走行体にはＩＣタグリーダが設けられ、このＩＣタグリーダが、レールの所定位置に設けたＩＣタグから位置情報を得ることにより、走行体の現在位置を表示装置で確認できるようになっている。

上記特許文献１の点検システムでは、床下空間にレールを設置したり、ＩＣタグを配置する等、インフラを整備する必要があるため、点検システムのコストが高くなる欠点があった。また、点検の自由度も低かった。

そこで、遠隔制御により自由に走行するロボットを用いることが考えられる。この場合、ロボットの現在位置を確認する必要があるが、このロボットの位置検出を簡単かつ正確に行うシステムが開発されていなかった。

そこで本発明者等は、ロボットにビデオカメラと超音波距離計を搭載して、超音波距離計によるロボットと布基礎の壁面との間の距離情報を用いてロボット位置を検出するシステムを開発した。（特願２００７−９１９４１号）

ところで、上記超音波距離計はレーザー距離計に比べて小型かつ安価であるが、指向性が悪かった。この超音波距離計の指向性は、例えば特許文献２に記載されているように直線的に延びる超音波通路を形成してなる吸音部材を利用することにより改善される。
特開２００７−５６５０４号公報 実公平４−４５３４７

しかし、上記特許文献１のように吸音部材を装着した超音波距離計でも、超音波は所定角度範囲の広がりを持っているため、狭い空間では距離を正確に測定できないおそれがあった。
例えば、上述したように床下空間で用いる場合、床板構造の下面に凹凸がある場合に、そこからの反射波を拾ったり、地面にある障害物からの反射波を拾ったりする可能性がある。また、ロボット自体が前後いずれかに傾いて布基礎壁面に対して真直ぐ向いていない場合にも床板構造の下面や地面からの反射波を拾ってしまうこともある。
その結果、超音波距離計は、布基礎壁面までの実際の距離より短い距離を計測してしまい、ひいてはロボットの位置が誤って認識されてしまう。

上記課題を解決するため、本発明は距離測定装置において、超音波距離計と、この超音波距離計を少なくとも１つの軸を中心に回動させる回動手段と、この超音波距離計による所定回動範囲の計測距離の最大値を、測定対象までの実際の距離として決定する距離決定手段とを備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、超音波距離計の指向性が比較的低くても、測定対象より近い部位からの反射波による計測距離情報を排除でき、測定対象までの距離を正確に求めることができる。

好ましくは、上記超音波距離計には吸音部材が装着され、この吸音部材は、一端が上記超音波距離計の発信部および受信部に連なり他端が外部に開放された直線的に延びる超音波通路を有している。
これによれば、超音波距離計の指向性を吸音部材で高めることができ、より一層正確な距離測定を行うことができる。
なお、理論上は吸音部材の超音波通路を長くすればするほど指向性が高まるが、それに反比例して受信する超音波の検出レベルが低下してしまう。しかし、上記超音波距離計の回動と組み合わせることにより、超音波通路を過度に長くすることなく正確な距離測定を行うことができる。

好ましくは、床下空間において、測定対象としての布基礎壁面までの距離を測定するために用いられ、上記回動手段は超音波距離計を上下に回動させ、上記距離決定手段は、上下回動範囲での計測距離の最大値を布基礎壁面までの距離として決定する。
床下空間は上下方向の寸法が短く、布基礎の上方及び下方からの超音波反射を受ける可能性があるが、超音波距離計による上下方向の所定回動範囲の計測距離の最大値を求めることにより、布基礎壁面までの距離を正確に得ることができる。

さらに本発明は、走行体位置検出システムにおいて、遠隔操作される走行体に搭載される超音波距離計と、この超音波距離計を垂直軸を中心に水平回動させる第１回動手段と、水平軸を中心に上下回動させる第２回動手段と、距離決定手段と、位置演算手段とを備え、 上記距離決定手段は、上記超音波距離計による上下方向の所定回動範囲での計測距離の最大値を、測定対象までの実際の距離として決定し、上記位置演算手段は、上記超音波距離計の水平回動に伴って求めた複数方向での測定対象までの実際の距離に基づき、走行体の現在位置を演算することを特徴とする。

上記構成によれば、超音波距離計による上下方向の回動範囲での計測距離の最大値から実際の距離を求めることにより、走行体の上下の少なくとも一方からの予期しない超音波反射に起因した距離の誤検出を防止でき、水平方向の回動に伴う複数の方向での実際の距離の情報から走行体の現在位置を正確に把握することができる。

好ましくは、上記走行体にはカメラアッセンブリが搭載され、このカメラアッセンブリは、カメラと、このカメラを回動させる上記第１、第２回動手段を備え、上記超音波距離計がこのカメラに設けられて、カメラと一緒に回動されるようになっている。
これによれば、カメラと超音波距離計のための回動手段を兼用でき、構成を簡略化することができる。

本発明によれば、安価で小型の超音波距離計を用いても、正確に距離を測定することができる。また、走行体に搭載する場合に、その位置検出を正確に行うことができる。

以下、本発明に係わる床下点検用ロボットの位置検出システム（走行体位置検出システム）の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１、図２に示すように、ロボット１０は遠隔制御装置２０により遠隔制御される。

上記ロボット１０は、クローラ１１（走行体）と、クローラ１１に搭載された通信機１２とを備えている。

上記遠隔制御装置２０は、装置本体としてのパソコン２１（距離決定手段、位置演算手段、カメラ制御手段、表示制御手段）と、このパソコン２１に接続されたディスプレイ２２、ジョイスティックコントローラ２３（走行制御手段、カメラ制御手段）と、通信機２４とを備えている。本実施形態では、通信機２４は上記ロボット１０の通信機１２と無線で通信を行うが、光ファイバー等により有線で通信を行ってもよい。

上記ジョイスティックコントローラ２３の操作信号は、パソコン２１で処理され通信機２４を介して通信機１２で受信され、クローラ１１のモータドライバに送られ、これによりクローラ１１の前進、後退、左右への方向転換を行えるようになっている。

図1、図３に示すように、上記クローラ１１には、カメラアッセンブリ３０が搭載されている。
このカメラアッセンブリ３０は、クローラ１１に固定された基台３１と、この基台３１に垂直軸Ｌ１を中心にして水平回動可能に載せられた回動台３２と、この回動台３２に固定されて起立する一対のサポート３３と、これらサポート３３の上端部に、水平軸Ｌ２を中心にして上下方向の回動可能に設けられたビデオカメラ３４（カメラ）とを備えている。

回動台３２およびビデオカメラ３４はそれぞれ独立したモータ３５、３６（第１、第２の回動手段）により回動される。
操作者によるジョイスティックコントローラ２３の操作や、キーボード、マウス、ディスプレイ２２のタッチキー等の操作により、上記モータ３５，３６を制御して、上記ビデオカメラ３４を水平回動、上下回動できるようになっている。

上記カメラアッセンブリ３０のビデオカメラ３４には、超音波距離計４０が設けられている。本実施形態では、この超音波距離計４０はビデオカメラ３４の例えば上面に取り付けられている。これにより超音波距離計４０は、ビデオカメラ３４と一緒に水平回動および上下回動をするようになっている。

超音波距離計４０は、周知かつ市販のものであるので詳細な説明を省略するが、上記ビデオカメラ３４に固定された本体４０ｘと、この本体４０ｘからビデオカメラ３４の撮影方向に突出した発信部４０ａおよび受信部４０ｂとを有している。

上記超音波距離計４０には吸音部材４５が取り付けられている。この吸音部材４５は、発泡スチロールやウレタン等の発泡樹脂や多孔質材からなり、互いに平行をなす２つの直線的に延びる貫通穴を有している。

上記吸音部材４５は、これら２つの穴の一端を上記発信部４０ａ、受信部４０ｂにそれぞれ嵌め込むようにして、超音波距離計４０に装着されている。これら穴において、発信部４０ａ，受信部４０ｂの突出端から穴の開放端までの空間が、超音波通路４５ａ，４５ｂとして提供される。

上記超音波通路４５ａ，４５ｂは、発信部４０ａ，受信部４０ｂと同軸をなしている。超音波通路４５ａ，４５ｂの長さは、例えば発信部４０ａ，受信部４０ｂの径が１０ｍｍ、発信周波数が４０ＫＨｚ、最大検出距離３ｍの場合、２０〜１００ｍｍとするのが好ましい。

後述する自動位置検出モードでは、パソコン２１により、カメラアッセンブリ３０のモータ３５，３６を自動制御して、上記ビデオカメラ３４を上下回動、水平回動させ、ひいてはビデオカメラ３４に固定された超音波距離計４０を回動するようになっている。

ビデオカメラ３４からの映像信号や距離計４０からの測定信号は、通信機１２、２４を介してパソコン２１に送られるようになっている。映像はそのままディスプレイ２２に表示される。

図５は、点検対象となる建造物の１階のマップを示している。本実施形態では、このマップは、単に紙面に描画した図とする。このマップにおいて太線は壁を表すが、この壁の位置は床下空間での布基礎１００（床下空間における壁、測定対象）に対応している。換言すれば、この太線は床下空間の布基礎１００を表している。このマップはＣＡＤによる作図や図示しないスキャナー等（デジタルカメラ撮影でも可）で読み込まれ、パソコン２１で画像編集ソフトを用いて画像処理され、マップデータとしてパソコン２１の記憶媒体に記憶される。

上記マップデータは、Ｘ−Ｙ座標の多数の画素によるデータであり、布基礎１００に相当する画素が指定された色（例えば青）に色づけされる。なお、この布基礎１００はＸ座標軸またはＹ座標軸と平行になるように修正されている。

次に、上記システムにより実行される床下点検の工程を、ロボット１０の位置検出を中心にして説明する。例えばリビングルームの床下空間を点検する場合について説明する。

操作者がマップデータ読込の指令をパソコン２１の操作により行うと、パソコン２１は記憶媒体からマップデータを読み込むとともに、このマップデータをディスプレイ２２に表示する。表示されたマップデータは、図５のマップ（ただし、布基礎１００が青色をなしている）に相当する。パソコン２１は、この布基礎１００の壁面１００ａの位置を認識する。

次に、操作者がスケール設定をパソコン２１の手動操作により行う。すなわち、操作者はディスプレイ２２に表示された図５のマップにおいて、スケール２００の開始点２０１と終了点２０２を指定するとともに、このスケールの設定長さの数値を入力する。これにより、パソコン２１は、上記スケール２００と設定長さの情報に基づき、上記マップの実寸（換言すればマップの縮尺）を認識することができる。

操作者は、ロボット１０を制御して、リビングルームの床下まで運ぶ。例えば、図５に点線で示すように、ロボット１０を台所の床下の地面に置き、ロボット１０の前方をリビングに向ける。

次に、ビデオカメラ３４がロボットの前方を向くように制御し、ビデオカメラ３４からの映像をディスプレイ２２で見ながらロボット１０をリビングルームの床下まで前進させる。図５の破線で示す矢印Ａ参照。

操作者は、ディスプレイ２２の映像を見てリビングルームの床下にロボット１０が入ったことを確認した後で、パソコン２１の手動操作によりビデオカメラ３４を３６０°回してディスプレイ２２の映像を見ながら、布基礎１００以外の障害物の有無をチェックする。大きな障害物がある場合にはロボット１０を移動させる。また、ロボット１０の前後方向を布基礎１００の壁面１００ａとほぼ平行になるように向きを調節する（なお、壁面１００ａと垂直になるように調節してもよい。）

次に、操作者はパソコン２１の手動操作により、図５に示すように、ディスプレイ２２に表示されたマップ上でスキャンエリア３００（探査エリア）の指定を行う。このスキャンエリア３００は、ロボット１０が位置する可能性がある範囲に相当する。操作者はディスプレイ２２に表示された床下の映像情報から、ロボット１０の現在位置を大まかに推定できるので、このようなスキャンエリア３００の指定が可能である。

上記スキャンエリア３００が指定されると、パソコン２１は、以下に述べるロボット１０の自動位置検出モードを実行する。

最初に、距離計４０により、ロボット１０の前後方向および左右方向に位置する布基礎１００の壁面１００ａまでの実際の距離を測定し、記憶する。

上記距離測定について詳述する。まず前方向（第１方向）における距離測定を行う。カメラアッセンブリ３０のモータ３５を制御して、超音波距離計４０の測定方向をロボット１０の前方向に一致させる。なお、既に超音波距離計４０の測定方向が前方向に一致している場合には、このモータ３５の制御は省略される。

次に、モータ３６を制御して、超音波距離計４０を上下方向に所定角度範囲Θ１にわたって回動させる。この際、所定角度間隔毎に発信部４０ａから超音波を発し、反射した超音波を受信部４０ｂで受ける。その発信時から受信時までの経過時間を計測し、その経過時間に見合った計測距離情報を得る。

パソコン２１では、上記所定角度間隔毎の多数の計測距離のうち最大値のものを、ロボット１０の前方に位置する布基礎壁面１００ａまでの実際の距離として決定する。このようにして決定された布基礎壁面１００ａまでの距離は正確である。その理由を以下に説明する。

図１に示すように、超音波距離計４０はレーザー距離計と比較すれば指向性が低く、吸音部材４５により指向性を高めても符号Θ２で示す広がりをもっている。しかも、床板構造１５０の下面１５０ａに凹凸がある場合に、そこからの反射波を拾ったり、地面１６０にある障害物からの反射波を拾ったりする可能性がある。また、ロボット１０自体が前後いずれかに傾いて布基礎壁面１００ａに対して真直ぐ向いていない場合にも床板構造１５０の下面や地面１６０からの反射波を拾ってしまうこともある。このような場合、計測距離が布基礎壁面１００ａまでの実際の距離より短くなってしまう。

しかし、上記のように上下方向に所定角度範囲Θ１にわたって距離を計測すれば、上記予期しない反射波の影響を受けずに布基礎壁面１００ａからの反射波に基づいて正確に距離を計測できる角度または角度範囲がある。この正確な距離は、多数の計測距離のうち最大値となることは、図１から明らかである。

上記のようにして前方向の距離を決定したら、モータ３５を駆動して超音波距離計４０を時計回りに９０°水平回動し、その測定方向をロボット１０の右方向に向ける。この状態で上記と同様にモータ３６を駆動して超音波距離計４０を上下方向に回動しながら距離測定を行い、その最大値を右方向に位置する布基礎壁面１００ａまでの実際の距離として決定する。

同様にして、超音波距離計４０を９０°ずつ水平回動し、ロボット１０の後方向に位置する布基礎壁面１００ａまでの距離、左方向に位置する布基礎壁面１００ａまでの距離を求める。なお本実施形態では、超音波距離計４０が距離測定可能範囲の３ｍ以上の測定距離を示す場合には、測定不能として処理する。

パソコン２１は、上記４方向の距離情報を得た後、ロボット１０の向きおよび位置の演算を行う。
簡単に説明すると、最初にマップ上におけるロボットの向き（前後左右の４方向のうちの１つ）を推定し、さらに上記スキャンエリア３００内の１つの座標を推定して、マップ上における４方向の布基礎壁面１００ａまでの距離を演算し、この演算距離情報と上記４方向の実測距離情報とを照合する。そして、上記スキャンエリア３００内の全ての座標についてスキャンし、4方向の演算距離と実測距離が一致する座標がない場合には、ロボット１０の推定方向を変更して同様の演算を行う。

なお、上記照合において、演算距離が例えば３ｍｍ以上の場合には、実測距離が「測定不可能」を示す場合に一致と判断する。

上記演算距離と実測距離が一致した時には、推定した方向および座標がロボット１０の実際の方向及び位置であると認識し、図５に示すように、ディスプレイ２２のマップ上に、ロボット１０の位置と方向を示すマーク４００を表示する。図示のマーク４００は、ロボット１０の前方向がマップにおいて下方向（１８０°）であることを示している。

上記のようにしてディプレイ２２に表示されたマーク４００によりロボット１０の位置および方向を認識した操作者は、さらにロボット１０を走行させ、同様にして位置検出を実行してディスプレイ２２にマーク４００’を表示させる。

上記のように、操作者はディスプレイ２２でロボット１０の現在位置と向きを認識しながら、ロボット１０の走行制御を行うことができるとともに、ビデオカメラ３４の映像により布基礎壁面１００ａの状態を点検することができる。そのため、布基礎壁面１００ａに異常がある場合には、その箇所を正確に特定できる。また、位置確認ができずにロボット１０を戻すことが困難になるような不都合も生じない。

上記布基礎壁面１００ａに異常を発見した場合には、その箇所をディスプレイ２２に表示し、その異常個所の位置と映像を記憶するようにしてもよい。

上記説明では、ロボット１０を台所床下の地面に置いてしばらく走行させてからリビングルームの位置検出を行なったが、最初にロボット１０を置いた場所で位置検出を行うようにしてもよいことは勿論である。

本発明は上記実施形態に制約されず、種々の態様を採用可能である。
例えば超音波距離計は発信部と受信部が一体化したものであってもよい。この場合、吸音部材の超音波通路は一つとなる。

超音波距離計は、カメラアッセンブリから離れて、ビデオカメラとは独立して水平回動、上下回動させてもよい。

上記実施形態では、ロボットの前後方向を壁面に対して平行または垂直にしたが、演算処理の負担が増えてもよい場合には、このロボットの姿勢は制約されず、壁面に対して斜めであってもよい。

ロボットが方位センサを備えていてもよい。この場合、パソコンは方位センサの方位情報によりロボットの向きを特定できるので、ロボットの向きを複数方向に推定する必要がなく、演算を簡略化できる。

上記実施形態ではロボットの前後左右の４方向の実測距離データを求めたが、例えば後ろ方向を省略して３方向の実測距離データを求めてもよい。さらに、例えば９０°間隔離れた２方向の実測距離データを求めてもよい。

また、９０°より細かい角度間隔で距離測定を行って、多数の実測距離データを得てもよい。

上記実施形態ではマップデータを紙面に描いたマップをスキャニング等（デジタルカメラ撮影でも可）して得たが、パソコンにマップデータを直接入力するようにしてもよい。

走行体はクローラの代わりにタイヤ式のものを用いてもよい。

本発明は床下の点検システムに適用したが、建造物で障害物がない室内空間の点検システムに適用してもよい。この場合、部屋を仕切る壁面のマップデータが用いられる。この場合、理論上は超音波距離計が壁面に対して真正面を向いた時の測定距離より上向きの時の測定距離の方が長くなる。そのため、測定距離の最大値が実際の距離より長くなる可能性がある。しかし、首振り角度を制限することにより、測定距離の最大値と実際の距離との差を、許容誤差範囲に抑えることができる。
本発明は、建造物以外でも対象物の位置が固定的である空間例えば工場プラント内を走行するロボットの位置検出に用いることもできる。
本発明は、点検以外の種々の用途に用いることもできる。

本発明を床下点検システムに適用した実施形態を示す概略側面図である。 同床下点検システムのロボットの概略平面図である。 同ロボットに装備されるカメラアッセンブリの側面図である。 同カメラアッセンブリに組み込まれた超音波距離計の平断面図である。 同システムのディスプレイに表示された点検対象となる床下のマップを示す図である。

符号の説明

１０ ロボット
１１ クローラ（走行体）
２０ 遠隔制御装置
２１ パソコン（距離決定手段、位置演算手段、表示制御手段）
２２ ディスプレイ
３０ カメラアッセンブリ
３４ ビデオカメラ（カメラ）
３５ モータ（第１回動手段）
３６ モータ（第２回動手段）
４０ 超音波距離計
４０ａ 発信部
４０ｂ 受信部
４５ 吸音部材
４５ａ，４５ｂ 超音波通路

Claims (5)

1. 超音波距離計と、この超音波距離計を少なくとも１つの軸を中心に回動させる回動手段と、この超音波距離計による所定回動範囲の計測距離の最大値を、測定対象までの実際の距離として決定する距離決定手段とを備えたことを特徴とする距離測定装置。
2. 上記超音波距離計には吸音部材が装着され、この吸音部材は、一端が上記超音波距離計の発信部および受信部に連なり他端が外部に開放された直線的に延びる超音波通路を有していることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
3. 床下空間において、測定対象としての布基礎壁面までの距離を測定するために用いられ、上記回動手段は超音波距離計を上下に回動させ、上記距離決定手段は、上下回動範囲での計測距離の最大値を布基礎壁面までの距離として決定することを特徴とする請求項１または２に記載の距離測定装置。
4. 遠隔操作される走行体に搭載される超音波距離計と、この超音波距離計を垂直軸を中心に水平回動させる第１回動手段と、水平軸を中心に上下回動させる第２回動手段と、距離決定手段と、位置演算手段とを備え、
   上記距離決定手段は、上記超音波距離計による上下方向の所定回動範囲での計測距離の最大値を、測定対象までの実際の距離として決定し、
   上記位置演算手段は、上記超音波距離計の水平回動に伴って求めた複数方向での測定対象までの実際の距離に基づき、走行体の現在位置を演算することを特徴とする走行体位置検出システム。
5. 上記走行体にはカメラアッセンブリが搭載され、このカメラアッセンブリは、カメラと、このカメラを回動させる上記第１、第２回動手段を備え、上記超音波距離計がこのカメラに設けられて、カメラと一緒に回動されるようになっていることを特徴とする請求項４に記載の走行体位置検出システム。

Images