JP2011030584A

JP2011030584A - 歩行補助装置

Info

Publication number: JP2011030584A
Application number: JP2009176697A
Authority: JP
Inventors: Shogo Kosuge; 正吾小菅; Yukio Shinoda; 幸雄篠田; Satoshi Hirokawa; 智廣川
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】高精度に障害物の距離および位置を測定し、障害物に関する情報を提示する。
【解決手段】カメラにより得られた、歩行方向に存在する対象物の撮像画像をもとに、当該撮像画像の画素ごとに当該カメラから対象物までの距離を計測する距離計測手段１０６と、前記対象物が接地する平面に前記画素を写像した場合の画素位置と、前記計測された距離とを関連付けた距離情報を格納する格納手段１０７と、前記格納部に格納された距離情報をもとに、前記平面に形成される凹凸の状態を検出する凹凸検出手段１１５と、前記検出された凹凸の状態を歩行者に報知する報知手段１１６と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば目の不自由な人の歩行を補助するために使用される歩行補助装置に関する。

ユーザの歩行を補助するための装置として従来では、３次元的広がりを持つユーザ周囲の空間領域に存在する様々な物体の位置、動きおよび距離といった情報を複数のＣＣＤカメラを用いて検出し、その物体の情報を歩行ユーザに提示する装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。また、ＣＣＤカメラを２台用いて障害物までの距離を検出し、障害物までの距離および位置をユーザに提示する装置も提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。

特開２００２−６５７２１号公報特開２００３−７９６８５号公報

しかしながら、従来の歩行補助装置には以下のような課題があった。すなわち、ＣＣＤカメラを複数用いて距離を測定する場合には、測定可能な距離は各ＣＣＤカメラ間隔に依存する。このため、２台のカメラをヘアーバンドや帽子などの頭部又は衣服に装着する場合には、ＣＣＤカメラ同士の設置間隔を十分に離すことが難しいため、距離を精度良く測定することができない。また、暗闇ではＣＣＤカメラの感度がなく、使用できない。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、通常のＣＣＤカメラでは撮影できない環境においても、距離情報を用いることにより輝度に依らず障害物を識別することができるので、精度よく障害物の距離および位置を測定し、ユーザに対し障害物に関する情報を提示することができる歩行補助装置を提供することを目的とする。また、暗闇でも使用することができる歩行補助装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る歩行補助装置は、カメラにより得られた、歩行方向に存在する対象物の撮像画像をもとに、当該撮像画像の画素ごとに当該カメラから対象物までの距離を計測する距離計測手段と、前記対象物が接地する平面に前記画素を写像した場合の画素位置と、前記計測された距離とを関連付けた距離情報を格納する格納手段と、前記格納部に格納された距離情報をもとに、前記平面に形成される凹凸の状態を検出する凹凸検出手段と、前記検出された凹凸の状態を歩行者に報知する報知手段と、を具備することを特徴とする。

本発明の歩行補助装置によれば、通常のＣＣＤカメラでは撮影できない環境においても、距離情報を用いることにより輝度に依らず障害物を識別することができるので、精度よく障害物の距離および位置を測定し、ユーザに対し障害物に関する情報を提示することができる。また、暗闇でも距離がわかるため、昼夜を通して利用できる。

本実施形態に係る歩行補助装置を示すブロック図。本実施形態に係る歩行補助装置の使用例を示す図。障害物の検出方法を示す図。表示部における障害物の表示の一例を示す図。第２の実施形態に係る歩行補助装置を示すブロック図。第２の実施形態に係る障害物の表示方法の一例を示す図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る歩行補助装置について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作をおこなうものとして、重ねての説明を省略する。
（第１の実施形態）
この発明の第１の実施形態に係る歩行補助装置の構成について図１を参照して詳細に説明する。
本実施形態に係る歩行補助装置１００は、レーザ発光部１０１と、パルス制御部１０２と、レーザ受光部１０３と、位相検出部１０４と、Ａ／Ｄ変換部１０５と、距離計測部１０６と、距離メモリ１０７と、振幅検出部１０８と、Ａ／Ｄ変換部１０９と、輝度計測部１１０と、輝度メモリ１１１と、ミラー１１２と、Ｘ軸制御部１１３と、Ｙ軸制御部１１４と、アクチュエータ制御部１１５と、表示部１１６とを含む。
なお、レーザ発光部１０１と、パルス制御部１０２と、レーザ受光部１０３と、位相検出部１０４と、Ａ／Ｄ変換部１０５と、距離計測部１０６と、距離メモリ１０７と、振幅検出部１０８と、Ａ／Ｄ変換部１０９と、輝度計測部１１０と、輝度メモリ１１１と、ミラー１１２と、Ｘ軸制御部１１３と、Ｙ軸制御部１１４とをまとめて距離カメラとも呼ぶ。

パルス制御部１０２は、レーザ発光部１０１から発光させるためにパルス状からなる制御信号を生成し、レーザ発光部１０１および位相検出部１０４へ送る。
レーザ発光部１０１は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ−ＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）又はレーザダイオードからなり、パルス制御部１０２から制御信号を受け取り、光をパルス状に発生する。なお、レーザ発光部１０１は、主に赤外光を発生するレーザが考えられるが、これらＬＥＤやレーザダイオードに限らず他の発光素子でもよい。

レーザ受光部１０３は、レーザ発光部１０１が発した光の測定対象となる被写体による反射光を受光して光電変換によりパルス状のアナログ信号（以下、受信信号とも呼ぶ）を得る。また、レーザ受光部１０３に使われる受光素子として、例えばＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）が考えられるが、これに限らず他の受光素子でもよい。

位相検出部１０４は、パルス制御部１０２から制御信号を、またレーザ受光部１０３からは受信信号をそれぞれ受け取る。そして、この受け取った制御信号と受信信号との位相差を検出し、この検出した位相差を表す位相信号を得る。位相信号はＤＣレベルで表されるアナログ信号からなる。

Ａ／Ｄ変換部１０５は、位相検出部１０４から位相信号を受け取り、ディジタル化を行いディジタル信号に変換する。アナログ−ディジタル変換は一般的に行われている手法を用いればよく、ここでの詳細な説明は省略する。

距離計測部１０６は、Ａ／Ｄ変換部１０５からディジタル信号を受け取り、距離カメラから測定対象までの距離を示す情報である距離情報を算出する。距離情報は次のように算出することができる。始めに、ディジタル信号を、レーザが測定対象に到達するまでにかかる時間の往復（２倍）に比例する数値に変換する。次に、この値に光速を乗じて２で割った値が距離情報となる。

距離メモリ１０７は、距離計測部１０６から距離情報を受け取る。またそれと共に、後述するＸ軸制御部１１３およびＹ軸制御部１１４から、ある画素を基準としてＸＹ平面座標に写像した場合の画素位置を示す情報である、Ｘ軸制御情報およびＹ軸制御情報を受け取る。そして、この受け取った距離情報とＸ軸制御情報とＹ軸制御情報とを対応付けて格納する。すなわち、距離メモリ１０７は各画素位置に距離情報を対応付けて格納する。ＸＹ平面座標は、ユーザが接地している平面である歩行面と平行な面とする。ここで、距離メモリ１０７は、例えばＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、レジスタ、ハードディスク、取外し可能ディスク、ＣＤ−ＲＯＭである。なお、これらの例に限らず、その技術分野で知られている記憶媒体であればよい。

振幅検出部１０８は、レーザ受光部１０３から受信信号を受け取り、受信信号のパルスの最大振幅を検出してその検出値を表すアナログ信号を得る。
Ａ／Ｄ変換部１０９は、振幅検出部１０８から最大振幅の検出値を表すアナログ信号を受け取り、ディジタル化を行いディジタル信号に変換する。

輝度計測部１１０は、Ａ／Ｄ変換部１０９からディジタル信号を受け取り、測定対象の輝度に関する情報である輝度情報を算出する。
輝度メモリ１１１は、輝度計測部１１０から輝度情報を受け取ると共に、Ｘ軸制御部１１３およびＹ軸制御部１１４からＸ軸制御情報およびＹ軸制御情報を受け取り、この受け取った輝度情報とＸ軸制御情報およびＹ軸制御情報とを対応付けて格納する。すなわち、輝度メモリ１１１は各画素位置に輝度情報を対応付けて格納する。また、輝度メモリ１１１は、距離メモリ１０７同様、その技術分野で知られている記憶媒体であれば何でもよい。

ミラー１１２は、レーザ発光部１０１から照射されるレーザを反射させて、カメラの撮像可能な全画素位置（以下、検出領域とも呼ぶ）に対応するようにレーザの照射角度を調整する。また、照射角度の調整は、後述するＸ軸制御部１１３およびＹ軸制御部１１４から軸制御情報を受け取ることにより行われる。
Ｘ軸制御部１１３およびＹ軸制御部１１４はそれぞれ、ミラー１１２に対して検出領域に対応する角度制御を行うためのＸ軸制御情報およびＹ軸制御情報を生成する。さらに、Ｘ軸制御部１１３およびＹ軸制御部１１４は、Ｘ軸制御情報およびＹ軸制御情報を距離メモリ１０７および輝度メモリ１１１へそれぞれ送る。Ｘ軸制御情報およびＹ軸制御情報は、例えば、検出領域にある画素をＸＹ平面座標における各点とみなして、（Ｘ，Ｙ）＝（２０００，１０００）のように表される。

アクチュエータ制御部１１５は、距離メモリ１０７から各画素位置における距離情報を、また輝度メモリ１１１からは各画素位置における輝度情報をそれぞれ受け取り、これらの情報からアクチュエータを制御する制御信号を生成し、アクチュエータを制御する。例えば、アクチュエータが圧電素子である場合は、制御信号に応じて印加する電圧レベルを調節することにより、アクチュエータを上下に動作させる。なお、制御信号は、輝度情報を用いずに各画素位置における距離情報のみを用いて生成してもよい。

表示部１１６は、アクチュエータ制御部１１５から制御信号を受け取り、制御信号に応じてアクチュエータを動作させ、ユーザが各画素位置における距離情報を認識できるように表示させる。例えば、圧電素子を利用する場合は、複数の圧電素子をマトリクス状に配置して制御信号に応じて圧電素子に電圧をかけることにより凹凸を形成し、この凹凸により測定対象を表示する。そしてユーザが表示部１１６の凹凸を触れることにより、測定対象を認識する。表示部１１６については、図４を参照して詳細に後述する。

ここで、本実施形態に係る歩行補助装置１００の使用例を図２を参照して説明する。
本使用例では、ユーザ２０１が歩行補助装置１００を片手に掴持し、ユーザ２０１が移動する方向に向けて距離カメラを向け距離を検出する。歩行補助装置１００から放出されている矢印は、距離カメラの検出領域を表す。障害物２０３は、ユーザ２０１が歩行する歩行面２０２より高さが低い状態を示す。高さが低い状態とは、例えば、穴や側溝などの窪み、階段や歩道と車道との分離石の段差などを指す。一方、障害物２０４は、歩行面２０２より高さが高い状態、例えば、車、人、壁、看板、木立などを指す。

次に、距離カメラが撮影した距離に基づくアクチュエータ制御部１１５における制御信号の生成方法について、距離カメラが図２に示す障害物の状態を検出した場合を一例として図３を参照して説明する。
アクチュエータ制御部１１５は、始めに、距離メモリ１０７に格納される各画素位置における距離情報を取得する。図３（ａ）は各画素位置の距離情報をマトリクス状に示し、数値は、距離カメラから歩行面２０２、障害物２０３、または障害物２０４までの距離を示し、数値が大きいほど距離カメラからの距離が遠いことを表す。すなわち、図３（ａ）では、右側にあるユーザ２０１側の画素は距離が短く、左側の列になるほど距離が長くなる。ここで、数値は０．１ｍ単位の距離を表すが、これに限らず任意の距離単位を用いればよい。

障害物２０３および障害物２０４が存在する画素位置では、周辺の歩行面２０２の画素位置の距離情報と比較して、障害物２０３に対しては距離が長く、障害物２０４に対しては距離が短くなる。図３（ａ）の例では、歩行面２０２までの距離が「３０」および「４０」である画素の列に対して障害物２０３がある画素位置では、歩行面２０２よりも高さが低いため距離カメラから歩行面２０２までの距離よりも長くなり、距離がそれぞれ「３５」および「４０」となる。一方、歩行面２０２までの距離が「５０」、「６０」、「７０」および「８０」である画素の列に対して障害物２０４がある画素位置では、歩行面２０２よりも高さが高いため距離カメラから歩行面２０２までの距離よりも短くなり、距離が「４５」となる。

続いて、アクチュエータ制御部１１５は、各画素位置の距離情報を取得した後に、距離カメラから各画素位置の歩行面までの距離（以下オフセット距離とも呼ぶ）を基準として、各画素位置からオフセット距離を減算することで相対距離を算出する。図３（ｂ）は、各画素の縦方向の列ごとに歩行面２０２までの距離を減算し、歩行面２０２からの相対距離を算出した各画素位置の距離である。この処理により、各画素位置における歩行面２０２の高さを０として、歩行面２０２に対して凹凸が存在する画素位置は０以外の数値となる。例えば、距離カメラから歩行面２０２までの距離が「３０」の画素の列に対し、障害物２０３がある画素の距離は「３５」であるので、３５−３０＝５となり、歩行面２０２の高さを基準とした相対距離は「５」となる。同様に、距離カメラから歩行面２０２までの距離が「８０」の画素の列に対し、障害物２０４がある画素の距離は「４５」であるので、４５−８０＝−３５となり、歩行面２０２の高さを基準とした相対距離は「−３５」となる。つまり、障害物２０３のような凹部に対しては相対距離が正の値となり、障害物２０４のような凸部に対しては相対距離が負の値となる。

最後に、アクチュエータ制御部１１５は、上述の計算により算出した相対距離に基づいて、相対距離の値を反転させ、かつ距離情報に応じて値が大きいほど凹凸が大きくなるようにアクチュエータを制御させる制御信号を生成する。また、ユーザ２０１が移動した場合、または障害物が近づいてくる場合、距離カメラのサンプリングレートに応じて凹凸が存在する画素位置がユーザ２０１側に移動するため、ユーザ２０１は障害物の移動を認識することができる。

表示部１１６の動作について図４を用いて詳細に説明する。
表示部１１６は、図４（ａ）に示すように、アクチュエータ制御部１１５からの制御信号により、アクチュエータ４０１に対して電圧を印加し、各画素の距離情報に対応した高さになるように表示ブロック４０２を上下させることで障害物の凹凸を表示する。なお、各画素位置に対応して１つの表示ブロック４０２を用いて障害物の凹凸を表示してよいし、隣接する数画素をまとめて、各距離情報の平均を求め、数画素分の平均値に対応して１つの表示ブロック４０２を用いて障害物の凹凸を表示してもよい。さらに、アクチュエータ４０１は圧電素子に限らず、形状記憶合金や、歯車など表示ブロック４０２に凹凸を表示させる手段であればよい。
図４（ｂ）の例では、表示ブロック４０２をマトリクス状に配列し、表示ブロック４０２の凹凸によって階段を表す。ユーザが表示ブロック４０２を触れることによって、ユーザの前方に階段があることを認識することができる。

以上に示した第１の実施形態によれば、通常のＣＣＤカメラでは撮影できない環境、例えば、夜間または電灯のない屋内若しくはトンネルにおいてＣＣＤカメラで周囲の状況を撮影するために十分な照度がない環境でも、距離情報を用いることにより輝度に依らず障害物を識別することができるので、距離カメラを用いて精度よく障害物の距離および位置を測定し、ユーザに対し障害物に関する情報を提示することができる。

（第２の実施形態）
この発明の第２の実施形態では、歩行補助装置１００に音声信号生成部５０１を新たに具備することが第１の実施形態と異なる。本実施形態に係る歩行補助装置５００を図５を用いて詳細に説明する。
音声信号生成部５０１は、距離メモリ１０７から各画素位置の距離情報を受け取り、距離情報を音声として通知するための音声信号を生成し、外部にある出力装置から音声信号を音声に変換して出力する。出力装置は例えば、スピーカやヘッドフォンなどである。

本実施形態に係る歩行補助装置５００の一例を図６に示す。
ユーザ６０１がスピーカスイッチ６０２を入れることにより、スピーカ６０３から音声情報が出力される。音声情報は、例えば、ユーザ６０１と障害物との距離が閾値（ここではＮ）以下に縮まった場合、「障害物までＮメートルです」といった音声を出力して警告する。なお、音声情報に限らずアラーム音などの電子音を鳴らし、ユーザ６０１が障害物に近づくにつれアラーム音の音量を大きくするなど、ユーザ６０１が障害物を認識できる方法であればよい。
また、表示部１１６にタッチパネル１１７を増設することで、ユーザ６０１が表示部１１６に触れた箇所を音声出力して、「触れている箇所は、前方３ｍ左側２ｍで、高さ０．３ｍの障害があります。」と状況を提供することができる。さらに、タッチパネル１１７に状況確認ボタン１１８を設け、状況確認ボタン１１８を押下することで状況を提供する音声出力の入切制御をさせることができる。

以上に示した第２の実施形態によれば、ユーザに対し障害物に関する情報を凹凸で触感的に表示するだけではなく音声により提示することにより、より確実に周囲の状況を認識することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１００，５００・・・歩行補助装置、１０１・・・レーザ発光部、１０２・・・パルス制御部、１０３・・・レーザ受光部、１０４・・・位相検出部、１０５，１０９・・・Ａ／Ｄ変換部、１０６・・・距離計測部、１０７・・・距離メモリ、１０８・・・振幅検出部、１１０・・・輝度計測部、１１１・・・輝度メモリ、１１２・・・ミラー、１１３・・・Ｘ軸制御部、１１４・・・Ｙ軸制御部、１１５・・・アクチュエータ制御部、１１６・・・表示部、１１７・・・タッチパネル、１１８・・・状況確認ボタン、２０１，６０１・・・ユーザ、２０２・・・歩行面、２０３，２０４・・・障害物、４０１・・・アクチュエータ、４０２・・・表示ブロック、５０１・・・音声信号生成部、６０２・・・スピーカスイッチ、６０３・・・スピーカ。

Claims

カメラにより得られた、歩行方向に存在する対象物の撮像画像をもとに、当該撮像画像の画素ごとに当該カメラから対象物までの距離を計測する距離計測手段と、
前記対象物が接地する平面に前記画素を写像した場合の画素位置と、前記計測された距離とを関連付けた距離情報を格納する格納手段と、
前記格納部に格納された距離情報をもとに、前記平面に形成される凹凸の状態を検出する凹凸検出手段と、
前記検出された凹凸の状態を歩行者に報知する報知手段と、
を具備することを特徴とする歩行補助装置。
前記報知部は、
マトリクス状に配置された複数の接触子を個別に突没させるアクチュエータと、
前記検出された凹凸の状態に応じて前記アクチュエータを駆動して前記複数の接触子を個別に突没させることにより、当該複数の接触子の表面形状を前記凹凸状態に対応する形状に変化させる制御手段と
を具備することを特徴とする請求項１に記載の歩行補助装置。