JP3959376B2

JP3959376B2 - Object detection apparatus and object detection method

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Publication number: JP3959376B2
Application number: JP2003201682A
Authority: JP
Inventors: 見卓吉; 本大介山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2023-07-25
Also published as: JP2005043151A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は物体検出装置および物体検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来移動ロボットの多くは、そのロボットの動作環境内の障害物を検出するために、ロボット本体に指向性が低い超音波距離センサを搭載している。これにより、ロボットは、その動作環境内の障害物の有無や障害物までの距離を検出することができる。（例えば、非特許文献１を参照。）
【０００３】
また、超音波を利用して対象物を検知する超音波信号処理装置は、指向性の高い超音波ビームを送受信する多数の超音波センサを備えている。各超音波センサは、指向性の高い超音波ビームを対象物へスポット状に照射し、対象物から反射した超音波ビームを検出する。これにより、超音波信号処理装置は、対象物の表面形状を得ることができる。
【０００４】
この超音波信号処理装置を改良した技術として開口合成法がある。開口合成法において、超音波信号処理装置は１つの超音波送信器に対して多数の超音波受信器を有する。超音波送信器は、指向性の低い超音波を対象物に送信する。１つの超音波送信器から送信された超音波は、対象物に反射して多数の超音波受信器によって受信される。この開口合成法によれば、従来の超音波信号処理装置に比べ、超音波信号処理装置の超音波送信器の数を減らすことができる。（例えば、非特許文献２を参照。）
【０００５】
また、より一層の解像度の向上を目指して、複数の超音速送信器から指向性の低い超音波を計測領域に順次広く送る手法が提案されている。（例えば、特許文献１を参考。）
【０００６】
【非特許文献１】
筑波大学、知能ロボット研究室によるロボット「山彦」
インタネット（URL：http://www.roboken.esys.tsukuba.ac.jp/）
【非特許文献２】
永井啓之亮による”超音波ホログラフィ”，日刊工業新聞社，１９８９発行
【特許文献１】
特開平５−２７０８０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の多くの移動ロボットにおける超音波距離センサは、指向性が低いので、障害物の有無や障害物までの距離を広範囲にわたって検出することができる。従って、ロボットに搭載される超音波距離センサの数は比較的少数でよい。一方これら移動ロボットの超音波距離センサは、指向性が低いので、障害物の表面形状や正確な位置を特定することはできない。つまり、移動ロボットに配備された超音波距離センサは、指向性が低く、広範囲に亘って超音波を送信する。従って、この超音波距離センサは、検出領域内に存在し尚且つ超音波距離センサから等距離にある２つの物体を互いに区別することはできない。
【０００８】
更に、開口合成法を用いた超音波信号処理装置が対象物の表面形状を広範囲にわたって尚且つ高解像度で検出するためには、超音波信号処理装置に超音波センサを多数配備しなければならない。これは、超音波信号処理装置を大型化させ、並びに、そのコストを上昇させる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、比較的小型かつ低コストであって、対象物の距離だけでなく、対象物の表面形状を正確に特定することができる物体検出装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に従った実施の形態による物体検出装置は、一定の表面形状を有する物体に対して相対移動し、弾性波によって物体の表面形状を検出する物体検出装置であって、
当該物体検出装置の移動方向に対して垂直の方向を中心として所定の放射角を有する扇形を成す検出領域に弾性波を周期的に送信し、該検出領域を通過する物体によって反射された前記弾性波を逐次受信する弾性波送受信部と、
式１を演算することによって前記弾性波送受信部から前記物体までの距離データＬを算出する演算部であって、
Ｌ＝０．５＊Ｖｅ＊Δｔ（式１）
前記物体検出装置の移動に伴い前記距離データＬが非線形に変化する場合に、式２を演算することによって前記弾性波送受信部に対する前記物体の方向を示す方向データθを算出し、
θ＝θ _０ −２θ _０＊（Ｔ / Ｔ _Ｌ）（式２）
式３および式４を演算することによって前記物体の表面の座標（Ｘｍ、Ｙｍ）を導出し、
Ｘｍ＝Ｘ _０＋Ｌ＊ｓｉｎ（θ）（式３）
Ｙｍ＝Ｌ＊ｃｏｓ（θ）（式４）
（ここで、Ｖｅは、弾性波が前記物体と前記弾性波送受信部との間を伝播する速度であり、Δｔは、前記弾性波送受信部が弾性波を送信してから受信するまでの時間であり、前記検出領域の中心線を０度とした場合に前記放射角が±θ _０であり、Ｔ _Ｌは、前記物体が前記検出領域に入ってからこれを通過するまでの間に、前記距離データが非線形変化している部分の時間であり、Ｔは、前記物体が前記検出領域に入ってから第１の位置に到達するまでの間に、前記距離データが非線形変化している部分の時間であり、Ｘ _０は、前記物体が前記第１の位置にあるときの前記物体検出装置の移動方向に関する座標である）
前記物体検出装置の移動に伴い前記距離データＬが線形に変化する場合には、
弾性波が送受信された或る周期における前記方向データを、その直前の周期における前記方向データθと同一として処理し、
それぞれの弾性波に対応する前記物体の表面の座標（Ｘｍ、Ｙｍ）によって前記物体の少なくとも一部の表面形状を得る演算部と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に従った実施の形態による物体検出方法は、一定の表面形状を有する物体に対して相対移動し、弾性波によって物体を検出する物体検出装置を用いた物体検出方法であって、
前記物体検出装置は、弾性波を送受信する弾性波送受信部と、前記物体の表面形状を検出する演算部とを備え、
当該方法は、
前記弾性波送受信部が、前記物体検出装置の移動方向に対して垂直の方向を中心として所定の放射角を有する扇形を成す検出領域に弾性波を周期的に送信し、該検出領域を通過する物体によって反射された前記弾性波を逐次受信するステップと、
前記演算部が、
式１を演算することによって前記弾性波送受信部から前記物体までの距離データＬを算出し、
Ｌ＝０．５＊Ｖｅ＊Δｔ（式１）
前記物体検出装置の移動に伴い前記距離データＬが非線形に変化する場合に、式２を演算することによって前記弾性波送受信部に対する前記物体の方向を示す方向データθを算出し、
θ＝θ _０ −２θ _０＊（Ｔ / Ｔ _Ｌ）（式２）
式３および式４を演算することによって前記物体の表面の座標（Ｘｍ、Ｙｍ）を導出し、
Ｘｍ＝Ｘ _０＋Ｌ＊ｓｉｎ（θ）（式３）
Ｙｍ＝Ｌ＊ｃｏｓ（θ）（式４）
（ここで、Ｖｅは、弾性波が前記物体と前記弾性波送受信部との間を伝播する速度であり、Δｔは、前記弾性波送受信部が弾性波を送信してから受信するまでの時間であり、前記検出領域の中心線を０度とした場合に前記放射角が±θ _０であり、Ｔ _Ｌは、前記物体が前記検出領域に入ってからこれを通過するまでの間に、前記距離データが非線形変化している部分の時間であり、Ｔは、前記物体が前記検出領域に入ってから第１の位置に到達するまでの間に、前記距離データが非線形変化している部分の時間であり、Ｘ _０は、前記物体が前記第１の位置にあるときの前記物体検出装置の移動方向に関する座標である）
前記物体検出装置の移動に伴い前記距離データＬが線形に変化する場合には、弾性波が送受信された或る周期における前記方向データを、その直前の周期における前記方向データθと同一として処理し、
それぞれの弾性波に対応する前記物体の表面の座標（Ｘｍ、Ｙｍ）によって前記物体の少なくとも一部の表面形状を得るステップと、
を備えている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明による実施の形態を説明する。これらの実施の形態は本発明を限定するものではない。ここでは弾性波として、例えば超音波を用いて説明しているが、これに限定するものではない。
【００１３】
以下の実施の形態による物体検出装置は、指向性が低くかつ検出範囲が広い超音波センサを備える。物体検出装置は、周期的に送受信される弾性波のそれぞれについて、物体検出装置に対する物体の距離およびその方向を算出し、これらの距離および方向に基づいてこの物体の表面形状を導出する。
【００１４】
（第１の具体例）
図１は、本発明に係る実施の形態に従った物体検出ロボット１００のブロック図である。物体検出ロボット１００は、超音波センサ１１０およびロボット本体１２０を備えている。超音波センサ１１０は、超音波発信器１１２および超音波受信機１１４を備えている。ロボット本体１２０は、パルスアンプ１２２、発信回路１２４、波形整形回路１２６、受信回路１２８、超音波送受信制御部１３０および演算部１４０を備えている。
【００１５】
発信回路１２４は、超音波制御部１３０の制御を受けて所定の周波数を有する電気信号を送信する。パルスアンプ１２２は、発信回路１２４から電気信号を受信して、この電気信号を増幅する。超音波発信器１１２は、圧電素子を有する振動子から構成されており、この振動子にパルスアンプ１２２からの信号電圧を印加することによって超音波を発生する。超音波発信器１１２は、指向性が比較的低い超音波を発生する。
【００１６】
超音波受信器１１４もまた圧電素子を有する振動子から構成されており、超音波センサ１１０に入来した超音波によって振動する振動子によって電気信号を発生する。波形整形回路１２６は、超音波受信器１１４から電気信号を受けて波形を整形し、さらに、これを増幅する。受信回路１２８は、波形整形回路１２６から電気信号を受信し、超音波発信器１１２から発信された超音波の反射波であることを検出する。受信回路１２８は、超音波発信器１１２から発信された超音波の反射波を受信したことを超音波送受信制御部１３０へ通知する。
【００１７】
超音波送受信制御部１３０は、計時カウンタ１３２を備えている。計時カウンタ１３２は、超音波が発信されてから受信されるまでの時間を計測する。超音波送受信制御部１３０は、この計測結果を演算部１４０へ送信する。超音波送受信制御部１３０は、発信回路１２４を制御して周期的に連続して電気信号を発生させる。
【００１８】
演算部１４０は、距離演算部１４２、方向演算部１４４および形状演算部１４６を備えている。距離演算部１４２、方向演算部１４４および形状演算部１４６は、それぞれ別個のＣＰＵで構成されてよい。一方、演算部１４０を１つのＣＰＵで構成してもよい。この場合、その１つのＣＰＵが距離演算部１４２、方向演算部１４４および形状演算部１４６における演算を時分割等により演算する。
【００１９】
本実施の形態は、弾性波の例として超音波を用いているが、それ以外の音響波を用いてもよい。また、パルスアンプ１２２、発信回路１２４、波形整形回路１２６、受信回路１２８および超音波送受信制御部１３０は、超音波センサ１１０内に設けてもよい。
【００２０】
図２は、物体検出ロボット１００が動作している様子を示す概念図である。物体検出ロボット１００は、物体Ｍに対して相対的に等速で移動している。超音波センサ１１０は、物体検出ロボット１００の移動方向（矢印Ｘの方向）に対してほぼ垂直方向（矢印Ｙの方向）へ超音波を発信する。この超音波は、指向性が低いので、Ｙ方向を中心軸として、±θ_０の放射角に広がりながら進行する。従って、超音波の及ぶ領域、即ち、物体Ｍを検出することができる領域（以下、検出領域という）１５０は、図２に示すように平面上では扇形を成す。物体Ｍは、その表面が一定の形状を有する任意の物である。例えば、物体検出ロボット１００が宅内を移動する場合には、物体Ｍは、家具、壁、柱などである。図２および図３に示す具体例において、物体Ｍは、点に近い球形を有するものとする。
【００２１】
図３は、物体Ｍが検出領域１５０を通過する様子を示した図である。図３では、便宜上、物体検出ロボット１００から見た物体Ｍの動作を示している。物体Ｍは、−Ｘ方向へ移動し、検出領域１５０を横切る。物体Ｍは、位置Ｐ_０において検出領域１５０へ進入し、矢印に沿って検出領域１５０を通過し、位置ＰＹＰ_ｎにおいて検出領域１５０から出る。
【００２２】
図４は、物体検出ロボット１００の動作を示すフロー図である。図３から図６を参照して物体検出ロボット１００の動作を説明する。
【００２３】
超音波センサ１１０は、ある発生周期で連続的に超音波を発生し、物体Ｍが検出領域１５０を通過している間、その発生周期と同じ周期で物体Ｍに反射した反射波を受信する（Ｓ１０）。よって、超音波センサ１１０は、物体ＭがＰ_０の位置に存在するときに物体Ｍに反射した最初の弾性波を受信し、物体ＭがＰ_ｎの位置にあるときに物体Ｍに反射した最後の弾性波を受信する。
【００２４】
計時カウンタ１３２は、各弾性波が送信されてから受信されるまでの時間（以下、送受信時間という）Δｔを計測する（Ｓ２０）。超音波送受信制御部１３０は、各弾性波の送受信時間Δｔを演算部１４０へ送る。
【００２５】
演算部１４０において、距離演算部１４２は、送受信時間Δｔに基づいて超音波センサ１１０から物体Ｍまでの距離Ｌを算出する（Ｓ３０）。超音波が物体Ｍと超音波センサ１１０との間を伝播する速度をＶｅと仮定すると、超音波センサ１１０から物体Ｍまでの距離Ｌは、式１のように表される。
Ｌ＝０．５＊Ｖｅ＊Δｔ（式１）
【００２６】
距離演算部１４２は、物体Ｍが検出領域１５０を通過する間に送受信された総ての弾性波に対応する送受信時間Δｔを式１に代入することによって、物体Ｍが検出領域１５０を通過しているときの距離Ｌを逐次算出することができる。例えば、物体Ｍが位置Ｐ_１に存在すると仮定する。このときの送受信時間をΔｔ_１とすると、超音波センサ１１０から位置Ｐ_１までの距離Ｌ_１は、０．５＊Ｖｅ＊Δｔ_１のように表される。
【００２７】
図５は、物体検出ロボット１００と物体Ｍとの距離Ｌを示すグラフである。図５に示すＬ_０からＬ_ｎは、物体Ｍが図３に示した位置Ｐ_０からＰ_ｎに存在するときのそれぞれの距離Ｌを示している。図３および図５から理解できるように、物体Ｍが検出領域１５０に進入した当初において、物体Ｍは、超音波センサ１１０から比較的遠くに位置する。物体Ｍが位置Ｐ２を通過するまでは、物体Ｍは、超音波センサ１１０に次第に接近し、さらに、物体Ｍが位置Ｐ２を通過してからは、物体Ｍは、超音波センサ１１０から次第に遠ざかる。物体Ｍが検出領域１５０から出るときには、それに進入した当初と同様に、物体Ｍは、超音波センサ１１０から比較的遠くに位置する。
【００２８】
次に、方向演算部１４４が、超音波センサ１１０に対する物体Ｍの方向を演算する（Ｓ４０）。方向演算部１４４は、物体Ｍが位置Ｐ_１に存在する場合の超音波センサ１１０に対する物体Ｍの角度θ_１を算出する。なお、本実施例においては、物体Ｍが検出領域１５０を通過する間に計測される距離データが全範囲で変化していることから、全範囲で距離データが特定のパターンに従って変化していると判断して以下の算出処理を行った。
【００２９】
図３において、Ｙ軸方向を０度として、検出領域１５０の放射角は±θ_０である。また、物体検出ロボット１００が移動することによって物体Ｍが検出領域１５０内を位置Ｐ_０から位置Ｐ_１まで移動する所要時間をＴ_１とする。この時間Ｔ_１は、位置Ｐ_０において物体Ｍに反射した最初の弾性波が受信されてから、位置Ｐ_１において物体Ｍに反射した弾性波が受信されるまでの時間に等しい。即ち、移動時間Ｔ_１は、計時カウンタ１３２が時間Δｔ₀を計測し始めてから時間Δｔ_１を計測するまでの時間と換言してもよい。
【００３０】
さらに、物体Ｍが検出領域１５０に進入してからこれを通過するまでの時間をＴ_Ｌとすると、角度θ_１は、次式のように表される。
θ_１＝θ_０−２θ_０＊（Ｔ_１/Ｔ_Ｌ）
時間Ｔ_Ｌは、物体Ｍが検出領域１５０を通過する所要時間である。
【００３１】
この式を一般化すると式２となる。
θ＝θ_０−２θ_０＊（Ｔ/Ｔ_Ｌ）（式２）
【００３２】
図６は、物体検出ロボット１００のＸ軸座標に対する物体Ｍの角度θを示すグラフである。図６に示す＋θ_０、θ_１、０、−θ_０は、物体Ｍが図３に示した位置Ｐ_０、Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_ｎに存在するときのそれぞれの角度θを示している。このように、式２を用いて、方向演算部１４４は、物体Ｍが検出領域１５０内の任意の位置に存在するときの角度θを算出することができる。物体検出ロボット１００に対する物体Ｍの距離Ｌおよび角度θが算出されることによって、物体検出ロボット１００は、物体Ｍの位置を検出することができる。尚、物体検出ロボット１００が等速で移動する場合、実際には、超音波センサ１１０に対する物体Ｍの角速度（ｄθ／ｄｔ）は一定ではない。しかし、本実施の形態では、この角速度（ｄθ／ｄｔ）が一定であると近似している。従って、図６に示すように、物体検出ロボット１００の移動距離に対して角度θは線形に変化している。
【００３３】
次に、形状演算部１４６が、物体Ｍの表面の座標（Ｘｍ,Ｙｍ）を導出する（Ｓ５０）。式１および式２によって得られた距離Ｌおよび角度θを用いて、座標（Ｘｍ,Ｙｍ）は、式３および式４のように表される。
Ｘｍ＝Ｘ_０＋Ｌ＊ｓｉｎ（θ）（式３）
Ｙｍ＝Ｌ＊ｃｏｓ（θ）（式４）
ここで、Ｘ_０は、物体Ｍが或る位置に存在するときのＸ方向における物体検出ロボット１００の座標である。物体Ｍが物体検出ロボット１００に対して相対的に移動すると考えると、Ｘ_０は、物体ＭのＸ方向における座標の絶対値と換言してもよい。
【００３４】
例えば、図３において、位置Ｐ_０をＸ軸の原点と仮定する。物体Ｍが位置Ｐ_１に存在するとき、Ｘ_０は、位置Ｐ_０から位置Ｐ_１までの長さに等しい。また、式３において、Ｌ_１＊ｓｉｎ（θ_１）は、位置Ｐ_１から位置Ｐ_２までの長さに等しい。従って、式３によって、位置Ｐ_１のＸ座標は、位置Ｐ_２のＸ座標に等しくなる。さらに、式４によって、位置Ｐ_１のＹ座標は、位置Ｐ_２のＹ座標に等しくなる。
【００３５】
本実施の形態おいて、物体Ｍは、図示するように、点に近い球形である。よって、式３および式４を用いて、位置Ｐ_０から位置Ｐ_ｎまでの各位置における座標を変換すると、位置Ｐ_２の座標に一致する。これにより、位置Ｐ_２に静止した物体Ｍの表面形状を示し、物体Ｍは、点に近い形状であることがわかる。
【００３６】
（第２の具体例）
図７は、物体Ｍが直方体である場合に、物体検出ロボット１００が物体Ｍを検出している様子を示した図である。この具体例では、超音波センサ１１０は、物体Ｍの底面Ｓａが検出領域１５０に進入してから上面Ｓｃが検出領域１５０から出るまでの間、超音波の送受信により距離が計測される。
【００３７】
図８は、第２の具体例における物体検出ロボット１００に対する物体Ｍの距離Ｌを示すグラフである。ここで、距離Ｌは、部物体Ｍと物体検出ロボット１００との最短距離を示す。尚、図８は実測データを示している。物体Ｍが直方体である場合も、距離演算部１４２は式１を用いて距離Ｌを演算する。その結果、物体Ｍの底面Ｓａおよび端部Ｅ_０が検出領域１５０内に進入してから、端部Ｅ_０が図３に示す位置Ｐ_２に至るまでは、距離Ｌは次第に低下している（Ｘ_１０からＸ_１１）。端部Ｅ_０が位置Ｐ_２を通過した後、端部Ｅ_ｎが位置Ｐ_２を通過するまでの間は、物体Ｍの側面Ｓｂが位置Ｐ_２を通過するので、距離（最短距離）Ｌが一定なる。（Ｘ_１１からＸ_１２）。その後、端部Ｅｎおよび上面Ｓｃが検出領域１５０を出るまで距離Ｌは次第に上昇する（Ｘ_１２からＸ_１３）。
【００３８】
図９は、第２の具体例における物体検出ロボット１００対する物体Ｍの角度θを示すグラフである。本実施例においては、図８よりわかるように、物体Ｍが検出領域１５０を通過する間に計測される距離データが変化しているところと変化していないところがあり、変化しているところで距離データが特定のパターンに従って変化していると判断して角度θの算出処理を行った。したがって、超音波センサ１１０に対する物体Ｍの距離Ｌがほぼ一定である場合とそれが変化する場合とにおいて、方向演算部１４４は互いに異なる処理を実行する。
【００３９】
座標Ｘ_１０からＸ_１１および座標Ｘ_１２からＸ_１３においては、方向演算部１４４は式２を用いて角度θを演算する。
【００４０】
一方で、座標Ｘ_１１からＸ_１２において超音波センサ１１０が受信する超音波は、図３に示す位置Ｐ_２において物体Ｍの側面Ｓｂに反射した超音波である。即ち、最短距離Ｌの方向は、Ｙ軸方向で一定であるので、角度θは一定（０度）である。このとき、方向演算部１４４は、座標Ｘ_１１からＸ_１２までの或る周期における物体Ｍの角度θを、その直前の周期における物体Ｍの角度θに等しいものとして処理する。
【００４１】
尚、座標Ｘ_１２からＸ_１３において角度θを演算する際、角度θが一定である期間については、式２の時間ＴおよびＴ_Ｌに含めない。即ち、式２の時間ＴおよびＴ_Ｌは、角度θが変動している期間を示す。
【００４２】
図１０は、図８の各データに対して式３および式４を適用した結果を示すグラフである。尚、図１０は、図８の各データを演算した実際の演算結果を示している。図１０に示すように、物体Ｍの表面形状の一部とその演算結果とは適合する。形状演算部１４６は、式１および式４を用いて、図８に示す各データを変換する。これにより、図１０に示すように、物体Ｍの表面形状が正確に表現され得る。
【００４３】
本具体例のように、超音波センサ１１０に対する物体Ｍの距離Ｌがほぼ一定である場合とそれが変化する場合とにおいて、方向演算部１４４は互いに異なる処理を実行する。形状演算部１４６がこれにより得られた物体Ｍの方向データを演算する。その結果、物体Ｍが平面を有する場合であっても、物体検出ロボット１００はその平面形状を正確に特定することができる。
【００４４】
（第３の具体例）
図１１は、直方体の物体Ｍが物体検出ロボット１００に対して傾斜している場合に、物体検出ロボット１００が物体Ｍを検出している様子を示した図である。この具体例では、超音波センサ１１０は、物体Ｍの端部Ｅ_０が検出領域１５０に進入してから上面Ｓｃが検出領域１５０から出るまでの間、超音波の送受信により距離が計測される。この具体例では、物体Ｍの側面Ｓｂが、検出領域１５０の一辺に対して垂直方向（破線Ｋ−Ｋ）よりも超音波センサ１１０側に傾斜している。
【００４５】
図１２は、第３の具体例における距離Ｌを示すグラフである。図１２は、実測データを示している。端部Ｅ_０が検出領域１５０に進入したとき（座標Ｘ_２０）、最短距離Ｌは、端部Ｅ_０と超音波センサ１１０との間の距離に等しい。その後、座標Ｘ_２０からにＸ_２１おいて、最短距離Ｌは、検出領域１５０の一辺Ｆ（図１１参照）に沿った超音波センサ１１０から側面Ｓｂまでの距離となる。このとき、最短距離Ｌは、物体Ｍが進入するに従ってほぼ定率で短くなる。よって、端部Ｅ_０が検出領域１５０に進入してから端部Ｅｎが検出領域１５０に進入するまでの間、距離Ｌはほぼ線形に低下する。
【００４６】
端部Ｅｎが検出領域１５０に進入した後、距離Ｌは、端部Ｅｎと超音波センサ１１０との間の距離になる（Ｘ_２１からＸ_２３）。
【００４７】
座標Ｘ_２０からＸ_２１において距離Ｌは線形に変化し、座標Ｘ_２１からＸ_２３において距離Ｌは非線形に変化する。距離Ｌが線形に変化する部分とこれが非線形に変化する部分との境は、座標Ｘ_２１である。座標Ｘ_２１に対応する距離Ｌ_２１は座標Ｘ_２３に対応する距離Ｌ_２３に等しい。
【００４８】
図１３は、第３の具体例における超音波センサ１１０に対する物体Ｍの角度θを示すグラフである。本実施例においては、図１２よりわかるように、物体Ｍが検出領域１５０を通過する間に計測される距離データが非線形に変化しているところと線形に変化しているところがあり、非線形に変化しているところで距離データが特定のパターンに従って変化していると判断して角度θの算出処理を行った。したがって、方向演算部１４４は、距離Ｌが線形に変化する場合（座標Ｘ_２０からＸ_２１）とこれが非線形に変化する場合（座標Ｘ_２１からＸ_２３）とにおいて異なる処理を実行する。
【００４９】
座標Ｘ_２０からＸ_２１においては、側面Ｓｂが検出領域１５０に進入する。この間、最短距離Ｌは、検出領域１５０の一辺Ｆの方向へ送信された超音波によって計測される。従って、座標Ｘ_２０からＸ_２１において、角度θはθ_０で一定である。換言すると、座標Ｘ_２０からＸ_２１においては、或る周期における物体Ｍの角度θは、その直前の周期における物体Ｍの角度θに等しい。
【００５０】
その後、座標Ｘ_２１からＸ_２３においては、方向演算部１４４が、式２を用いて角度θを演算する。尚、座標Ｘ_２１からＸ_２３において角度θを演算する際、角度θが一定である期間については、式２の時間ＴおよびＴ_Ｌに含めない。即ち、式２の時間ＴおよびＴ_Ｌは、角度θが変動している期間を示す。
【００５１】
図１４は、図１３の各データに対して式３および式４を適用した結果を示すグラフである。尚、図１４は、図１３の各データを演算した実際の演算結果を示している。形状演算部１４６は、式１および式４を用いて、図１３に示す各データを変換する。これにより、図１４に示すように、物体Ｍの表面形状が正確に表現され得る。
【００５２】
本具体例のように、超音波センサ１１０に対する物体Ｍの距離Ｌがほぼ線形である場合と非線形である場合とにおいて、方向演算部１４４は互いに異なる処理を実行する。それによって、平面を有する物体Ｍが超音波センサ１１０に対して傾斜している場合であっても、物体検出ロボット１００はその平面形状を正確に特定することができる。
【００５３】
（第４の具体例）
図１５は、物体Ｍが球形または円筒形である場合に、物体検出ロボット１００が物体Ｍを検出している様子を示した図である。
【００５４】
図１６は、第４の具体例における距離Ｌを示すグラフである。尚、図１６は実測データを示している。図５に示す曲線と比べ、図１６の曲線はＸ方向に広がっている。この理由は、第１の具体例における物体Ｍは点に近い球形であるのに対し、本具体例の物体Ｍは、それよりも大きな球形であるからである。
【００５５】
図１７は、第４の具体例における超音波センサ１１０に対する物体Ｍの角度θを示すグラフである。このグラフは、上述の理由と同様の理由により、図６と比較してＸ方向に広がっている。従って、図１７に示すグラフの傾きは、図６のそれよりも緩やかである。なお、本実施例においては、図１６よりわかるように、物体Ｍが検出領域１５０を通過する間に計測される距離データが全範囲で非線形に変化していることから、全範囲で距離データが特定のパターンに従って変化していると判断して角度θの算出処理を行った。
【００５６】
図１８は、図１６の各データに対して式３および式４を適用した結果を示すグラフである。尚、図１８は、図１６の各データを演算した実際の演算結果を示している。図１８に示すように、物体Ｍの表面形状とその演算結果とが適合する。
【００５７】
以上の具体例において、物体Ｍの形状は、直方体、球形または円筒形であった。物体Ｍが直方体および球形または円筒形を組み合わせた形状を有している場合であっても、超音波センサ１１０が超音波を送受信している間の一連の距離データのパターンに基づいて、その物体の表面形状を特定することができる。
【００５８】
本実施の形態によれば、指向性の比較的低い超音波センサ１１０を用いているので、数少ない超音波センサ１１０によって広範囲の物体を検出することができる。また、本実施の形態によれば、指向性の比較的低い超音波センサ１１０を用いて、物体の距離だけでなく、物体の表面形状をより正確に特定することができる。よって、物体検出ロボット１００の小型化が可能であり、そのコストを低減することができる。
【００５９】
図１９は、ロボット本体１２０に対して移動可能な超音波センサ１１０を配備した外観図である。ロボット本体１２０は、その向きを変えることなく前後左右に移動可能に構成されている。超音波センサ１１０は、このロボット本体１２０の周囲を移動できるように設けられている。これにより、超音波センサ１１０は、ロボット本体１２０の進行方向に対して常に垂直方向へ超音波を発信することができる。
【００６０】
図２０は、物体検出ロボット１００が或る環境内を移動したときに作成した地図データである。この環境内には、静止した物体Ｍ_１からＭ_４が存在する。物体検出ロボット１００は、この環境内をＸ方向に移動する。２つの超音波センサ１１０がロボット本体１２０の両側に設けられ、一方の超音波センサ１１０は−Ｙ方向へ超音波を発信し、他方の超音波センサ１１０はＹ方向へ超音波を発信する。それにより、物体Ｍ_１からＭ_４の位置および表面形状を検出することができる。
【００６１】
物体Ｍ_１からＭ_４の距離データおよび表面形状は、ロボット本体１２０内に設けられた地図データ作成部１６０に記憶される。地図データ作成部１６０は、例えば、メモリなどである。さらに、物体検出ロボット１００の移動経路が地図データ作成部１６０に記録される。例えば、地図データ作成部１６０は、超音波センサ１１０が超音波を発信したときの物体検出ロボット１００の位置座標を記憶する。それによって、物体検出ロボット１００は、その環境内の地図データを得ることができる。
【００６２】
本実施の形態において、ロボット本体１２０は生物検知センサ１７０をさらに備えてもよい。生物検知センサ１７０は、遠赤外線センサや焦電センサなどの生物の存在を検知することができるセンサである。これにより、物体検出ロボット１００により検出された物体Ｍが生物か無生物であるかを検出することができる。生物は一定の表面形状を有さずかつ移動するので、物体Ｍが生物である場合には、地図データ作成部１６０は、物体Ｍの表面形状を記憶しない。一方で、物体Ｍが無生物である場合には、地図データ作成部１６０は、物体Ｍの表面形状を記憶する。このように、ロボット本体１２０に生物検知センサ１７０を設けることによって、本実施の形態は、必要な物体Ｍの表面形状のみを選択的に記憶することができる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明による物体検出装置は、比較的小型かつ低コストであって、対象物の距離だけでなく、対象物の表面形状を正確に特定することができるができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態に従った物体検出ロボット１００のブロック図。
【図２】物体検出ロボット１００が動作している様子を示す概念図。
【図３】物体Ｍが検出領域１５０を通過する様子を示した図。
【図４】物体検出ロボット１００の動作を示すフロー図。
【図５】物体検出ロボット１００のＸ軸座標に対する距離Ｌを示すグラフ。
【図６】物体検出ロボット１００のＸ軸座標に対する物体Ｍの角度θを示すグラフ。
【図７】物体Ｍが直方体である場合に、物体検出ロボット１００が物体Ｍを検出している様子を示した図。
【図８】第２の具体例における物体検出ロボット１００に対する物体Ｍの距離Ｌを示すグラフ。
【図９】第２の具体例における物体検出ロボット１００対する物体Ｍの角度θを示すグラフ。
【図１０】図８の各データに対して式３および式４を適用した結果を示すグラフ。
【図１１】直方体の物体Ｍが物体検出ロボット１００に対して傾斜している場合に、物体検出ロボット１００が物体Ｍを検出している様子を示した図。
【図１２】第３の具体例における距離Ｌを示すグラフ。
【図１３】第３の具体例における超音波センサ１１０に対する物体Ｍの角度θを示すグラフ。
【図１４】図１３の各データに対して式３および式４を適用した結果を示すグラフ。
【図１５】物体Ｍが球形または円筒形である場合に、物体検出ロボット１００が物体Ｍを検出している様子を示した図。
【図１６】第４の具体例における距離Ｌを示すグラフ。
【図１７】第４の具体例における超音波センサ１１０に対する物体Ｍの角度θを示すグラフ。
【図１８】図１６の各データに対して式３および式４を適用した結果を示すグラフ。
【図１９】ロボット本体１２０に対して移動可能な超音波センサ１１０を配備した外観図。
【図２０】物体検出ロボット１００が或る環境内を移動したときに作成した地図データ。
【符号の説明】
１００物体検出ロボット
１１０超音波センサ
１２０ロボット本体
１１２超音波発信器
１１４超音波受信機
１２２パルスアンプ
１２４発信回路
１２６波形整形回路
１２８受信回路
１３０超音波送受信制御部
１４０演算部
１３２計時カウンタ
１４２距離演算部
１４４方向演算部
１４６形状演算部
１５０検出領域
Ｍ物体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an object detection device and an object detection method.
[0002]
[Prior art]
Many conventional mobile robots are equipped with an ultrasonic distance sensor with low directivity in the robot body in order to detect obstacles in the operating environment of the robot. Thereby, the robot can detect the presence or absence of an obstacle in the operating environment and the distance to the obstacle. (For example, refer nonpatent literature 1.)
[0003]
An ultrasonic signal processing apparatus that detects an object using ultrasonic waves includes a large number of ultrasonic sensors that transmit and receive highly directional ultrasonic beams. Each ultrasonic sensor irradiates a target with an ultrasonic beam with high directivity in a spot shape, and detects the ultrasonic beam reflected from the target. Thereby, the ultrasonic signal processing apparatus can obtain the surface shape of the object.
[0004]
A technique for improving this ultrasonic signal processing apparatus is an aperture synthesis method. In the aperture synthesis method, the ultrasonic signal processing apparatus has a large number of ultrasonic receivers for one ultrasonic transmitter. The ultrasonic transmitter transmits ultrasonic waves with low directivity to the object. The ultrasonic waves transmitted from one ultrasonic transmitter are reflected by the object and received by a number of ultrasonic receivers. According to this aperture synthesis method, the number of ultrasonic transmitters of the ultrasonic signal processing apparatus can be reduced as compared with the conventional ultrasonic signal processing apparatus. (For example, see Non-Patent Document 2.)
[0005]
In addition, with the aim of further improving the resolution, a technique has been proposed in which ultrasonic waves with low directivity are sequentially and widely transmitted from a plurality of supersonic transmitters to a measurement region. (For example, see Patent Document 1)
[0006]
[Non-Patent Document 1]
Robot “Yamahiko” by Intelligent Robotics Laboratory, University of Tsukuba
Internet (URL: http://www.roboken.esys.tsukuba.ac.jp/)
[Non-Patent Document 2]
"Ultrasonic Holography" by Hiroyuki Nagai, published by Nikkan Kogyo Shimbun, 1989
[Patent Document 1]
JP-A-5-27080
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Conventional ultrasonic distance sensors in many mobile robots have low directivity, and therefore can detect the presence of an obstacle and the distance to the obstacle over a wide range. Therefore, the number of ultrasonic distance sensors mounted on the robot may be relatively small. On the other hand, since the ultrasonic distance sensors of these mobile robots have low directivity, it is impossible to specify the surface shape or the exact position of the obstacle. That is, the ultrasonic distance sensor provided in the mobile robot has low directivity and transmits ultrasonic waves over a wide range. Therefore, this ultrasonic distance sensor cannot distinguish two objects that exist in the detection region and are equidistant from the ultrasonic distance sensor.
[0008]
Furthermore, in order for the ultrasonic signal processing apparatus using the aperture synthesis method to detect the surface shape of the object over a wide range and with high resolution, a large number of ultrasonic sensors must be provided in the ultrasonic signal processing apparatus. This increases the size of the ultrasonic signal processing apparatus and increases its cost.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an object detection apparatus that is relatively small and low in cost and can accurately specify not only the distance of the object but also the surface shape of the object.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  An object detection device according to an embodiment according to the present invention is an object detection device that moves relative to an object having a certain surface shape and detects the surface shape of the object by elastic waves,
  The elastic wave periodically transmitted to a detection region having a sector shape with a predetermined radiation angle centered on a direction perpendicular to the moving direction of the object detection device, and reflected by an object passing through the detection region An elastic wave transceiver for sequentially receiving waves;
  A calculation unit that calculates distance data L from the elastic wave transmitting / receiving unit to the object by calculating Equation (1),
  L = 0.5 * Ve * Δt (Formula 1)
  When the distance data L changes nonlinearly with the movement of the object detection device, the direction data θ indicating the direction of the object relative to the elastic wave transmitting / receiving unit is calculated by calculating Equation 2,
    θ = θ ₀ -2θ ₀ * (T / T _L (Formula 2)
  Deriving the coordinates (Xm, Ym) of the surface of the object by calculating Equation 3 and Equation 4,
  Xm = X ₀ + L * sin (θ) (Formula 3)
    Ym = L * cos (θ) (Formula 4)
  (Here, Ve is a speed at which an elastic wave propagates between the object and the elastic wave transmitting / receiving unit, and Δt is a time from when the elastic wave transmitting / receiving unit transmits an elastic wave to receiving the elastic wave. Yes, when the center line of the detection area is 0 degree, the radiation angle is ± θ ₀ And T _L Is the time during which the distance data changes nonlinearly from when the object enters the detection area to when it passes through, and T is the time from when the object enters the detection area. 1 is the time during which the distance data changes nonlinearly until reaching the position of 1, ₀ Is a coordinate relating to the moving direction of the object detection device when the object is at the first position)
  When the distance data L changes linearly with the movement of the object detection device,
  The direction data in a certain cycle in which an elastic wave is transmitted and received is processed as the same as the direction data θ in the immediately preceding cycle,
  An arithmetic unit that obtains a surface shape of at least a part of the object by coordinates (Xm, Ym) of the surface of the object corresponding to each elastic wave;
  WithIt is characterized by that.
[0011]
  An object detection method according to an embodiment of the present invention is an object detection method using an object detection apparatus that moves relative to an object having a certain surface shape and detects an object by elastic waves,
  The object detection device includes an elastic wave transmission / reception unit that transmits / receives an elastic wave, and an arithmetic unit that detects a surface shape of the object,
  The method is
  The elastic wave transmitting / receiving unit periodically transmits an elastic wave to a detection region having a fan shape with a predetermined radiation angle centered on a direction perpendicular to the moving direction of the object detection device, and passes through the detection region. Sequentially receiving the elastic waves reflected by the object;
  The computing unit is
  By calculating Equation 1, distance data L from the elastic wave transmitting / receiving unit to the object is calculated,
  L = 0.5 * Ve * Δt (Formula 1)
  When the distance data L changes nonlinearly with the movement of the object detection device, the direction data θ indicating the direction of the object relative to the elastic wave transmitting / receiving unit is calculated by calculating Equation 2,
    θ = θ ₀ -2θ ₀ * (T / T _L (Formula 2)
  Deriving the coordinates (Xm, Ym) of the surface of the object by calculating Equation 3 and Equation 4,
  Xm = X ₀ + L * sin (θ) (Formula 3)
    Ym = L * cos (θ) (Formula 4)
  (Here, Ve is a speed at which an elastic wave propagates between the object and the elastic wave transmitting / receiving unit, and Δt is a time from when the elastic wave transmitting / receiving unit transmits an elastic wave to receiving the elastic wave. Yes, when the center line of the detection area is 0 degree, the radiation angle is ± θ ₀ And T _L Is the time during which the distance data changes nonlinearly from when the object enters the detection area to when it passes through, and T is the time from when the object enters the detection area. 1 is the time during which the distance data changes nonlinearly until reaching the position of 1, ₀ Is a coordinate relating to the moving direction of the object detection device when the object is at the first position)
  When the distance data L changes linearly with the movement of the object detection device, the direction data in a certain cycle in which an elastic wave is transmitted and received is processed as the same as the direction data θ in the immediately preceding cycle. ,
  Obtaining a surface shape of at least a part of the object by coordinates (Xm, Ym) of the surface of the object corresponding to each elastic wave;
  It has.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. These embodiments do not limit the present invention. Here, for example, an ultrasonic wave is used as the elastic wave, but this is not a limitation.
[0013]
An object detection apparatus according to the following embodiment includes an ultrasonic sensor with low directivity and a wide detection range. The object detection device calculates the distance and direction of the object with respect to the object detection device for each elastic wave periodically transmitted and received, and derives the surface shape of the object based on the distance and direction.
[0014]
(First specific example)
FIG. 1 is a block diagram of an object detection robot 100 according to an embodiment of the present invention. The object detection robot 100 includes an ultrasonic sensor 110 and a robot main body 120. The ultrasonic sensor 110 includes an ultrasonic transmitter 112 and an ultrasonic receiver 114. The robot body 120 includes a pulse amplifier 122, a transmission circuit 124, a waveform shaping circuit 126, a reception circuit 128, an ultrasonic transmission / reception control unit 130, and a calculation unit 140.
[0015]
The transmission circuit 124 transmits an electrical signal having a predetermined frequency under the control of the ultrasonic control unit 130. The pulse amplifier 122 receives the electrical signal from the transmission circuit 124 and amplifies the electrical signal. The ultrasonic transmitter 112 is composed of a vibrator having a piezoelectric element, and generates ultrasonic waves by applying a signal voltage from the pulse amplifier 122 to the vibrator. The ultrasonic transmitter 112 generates ultrasonic waves with relatively low directivity.
[0016]
The ultrasonic receiver 114 is also composed of a vibrator having a piezoelectric element, and generates an electric signal by a vibrator that is vibrated by the ultrasonic wave that has entered the ultrasonic sensor 110. The waveform shaping circuit 126 receives the electrical signal from the ultrasonic receiver 114, shapes the waveform, and further amplifies it. The receiving circuit 128 receives the electric signal from the waveform shaping circuit 126 and detects that it is a reflected wave of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter 112. The reception circuit 128 notifies the ultrasonic transmission / reception control unit 130 that the reflected wave of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter 112 has been received.
[0017]
The ultrasonic transmission / reception control unit 130 includes a time counter 132. The time counter 132 measures the time from when an ultrasonic wave is transmitted until it is received. The ultrasonic transmission / reception control unit 130 transmits the measurement result to the calculation unit 140. The ultrasonic transmission / reception control unit 130 controls the transmission circuit 124 to periodically generate an electric signal.
[0018]
The calculation unit 140 includes a distance calculation unit 142, a direction calculation unit 144, and a shape calculation unit 146. The distance calculation unit 142, the direction calculation unit 144, and the shape calculation unit 146 may be configured by separate CPUs. On the other hand, the calculation unit 140 may be configured by one CPU. In this case, the one CPU calculates the calculations in the distance calculation unit 142, the direction calculation unit 144, and the shape calculation unit 146 by time division or the like.
[0019]
Although this embodiment uses ultrasonic waves as an example of elastic waves, other acoustic waves may be used. Further, the pulse amplifier 122, the transmission circuit 124, the waveform shaping circuit 126, the reception circuit 128, and the ultrasonic transmission / reception control unit 130 may be provided in the ultrasonic sensor 110.
[0020]
FIG. 2 is a conceptual diagram showing how the object detection robot 100 is operating. The object detection robot 100 moves relative to the object M at a constant speed. The ultrasonic sensor 110 emits ultrasonic waves in a direction (in the direction of arrow Y) substantially perpendicular to the moving direction of the object detection robot 100 (in the direction of arrow X). Since this ultrasonic wave has low directivity, ± θ with the Y direction as the central axis₀It progresses while spreading to the radiation angle. Accordingly, an area covered by the ultrasonic wave, that is, an area where the object M can be detected (hereinafter referred to as a detection area) 150 forms a fan shape on a plane as shown in FIG. The object M is an arbitrary object whose surface has a certain shape. For example, when the object detection robot 100 moves in the house, the object M is furniture, a wall, a pillar, or the like. 2 and 3, the object M is assumed to have a spherical shape close to a point.
[0021]
FIG. 3 is a diagram showing how the object M passes through the detection region 150. In FIG. 3, for the sake of convenience, the operation of the object M viewed from the object detection robot 100 is shown. The object M moves in the −X direction and crosses the detection area 150. Object M is at position P₀Enters the detection area 150, passes the detection area 150 along the arrow, and the position PYP_nExits from the detection area 150.
[0022]
FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the object detection robot 100. The operation of the object detection robot 100 will be described with reference to FIGS.
[0023]
The ultrasonic sensor 110 continuously generates ultrasonic waves at a certain generation period, and receives a reflected wave reflected by the object M at the same period as the generation period while the object M passes through the detection region 150 ( S10). Therefore, the ultrasonic sensor 110 is configured so that the object M is P₀When the first elastic wave reflected by the object M is received at the position of_nThe last elastic wave reflected on the object M is received at the position.
[0024]
The time counter 132 measures time (hereinafter referred to as transmission / reception time) Δt from when each elastic wave is transmitted to when it is received (S20). The ultrasonic transmission / reception control unit 130 transmits the transmission / reception time Δt of each elastic wave to the calculation unit 140.
[0025]
In the calculation unit 140, the distance calculation unit 142 calculates the distance L from the ultrasonic sensor 110 to the object M based on the transmission / reception time Δt (S30). Assuming that the velocity at which the ultrasonic wave propagates between the object M and the ultrasonic sensor 110 is Ve, the distance L from the ultrasonic sensor 110 to the object M is expressed by Equation 1.
L = 0.5 * Ve * Δt              (Formula 1)
[0026]
The distance calculation unit 142 substitutes the transmission / reception time Δt corresponding to all the elastic waves transmitted / received while the object M passes through the detection region 150 into Equation 1, so that the object M passes through the detection region 150. The distance L can be calculated sequentially. For example, the object M is at the position P₁Assume that The transmission / reception time at this time is Δt₁Then, the position P from the ultrasonic sensor 110₁Distance to₁Is 0.5 * Ve * Δt₁  It is expressed as
[0027]
FIG. 5 is a graph showing the distance L between the object detection robot 100 and the object M. L shown in FIG.₀To L_nIs the position P where the object M is shown in FIG.₀To P_nThe respective distances L are shown in FIG. As can be understood from FIGS. 3 and 5, when the object M enters the detection region 150, the object M is located relatively far from the ultrasonic sensor 110. The object M gradually approaches the ultrasonic sensor 110 until the object M passes the position P2, and further, the object M gradually moves away from the ultrasonic sensor 110 after the object M passes the position P2. When the object M leaves the detection area 150, the object M is located relatively far from the ultrasonic sensor 110, as in the beginning of entering the detection area 150.
[0028]
Next, the direction calculation unit 144 calculates the direction of the object M with respect to the ultrasonic sensor 110 (S40). The direction calculation unit 144 determines that the object M is at the position P.₁Of the object M with respect to the ultrasonic sensor 110₁Is calculated. In the present embodiment, since the distance data measured while the object M passes through the detection region 150 changes in the entire range, the distance data in the entire range changes according to a specific pattern. Judgment was made and the following calculation process was performed.
[0029]
In FIG. 3, the Y-axis direction is 0 degree, and the radiation angle of the detection region 150 is ± θ.₀It is. Further, when the object detection robot 100 moves, the object M moves in the detection area 150 to the position P.₀From position P₁Time required to travel to T₁And This time T₁Is at position P₀After receiving the first elastic wave reflected by the object M at position P₁Is equal to the time until the elastic wave reflected by the object M is received. That is, the travel time T₁Indicates that the time counter 132 has time Δt₀Δt from the start of measuring₁It may be rephrased as the time until measurement.
[0030]
Further, the time from when the object M enters the detection area 150 until it passes through it is expressed as T_LThen the angle θ₁Is expressed as follows:
θ₁= Θ₀-2θ₀* (T₁/ T_L)
Time T_LIs the time required for the object M to pass through the detection region 150.
[0031]
When this equation is generalized, Equation 2 is obtained.
θ = θ₀-2θ₀* (T / T_L(Formula 2)
[0032]
FIG. 6 is a graph showing the angle θ of the object M with respect to the X-axis coordinate of the object detection robot 100. + Θ shown in FIG.₀, Θ₁, 0, -θ₀Is the position P where the object M is shown in FIG.₀, P₁, P₂, P_nEach angle θ is shown in FIG. In this way, using Equation 2, the direction calculation unit 144 can calculate the angle θ when the object M exists at an arbitrary position in the detection region 150. By calculating the distance L and the angle θ of the object M with respect to the object detection robot 100, the object detection robot 100 can detect the position of the object M. When the object detection robot 100 moves at a constant speed, the angular velocity (dθ / dt) of the object M with respect to the ultrasonic sensor 110 is not actually constant. However, in this embodiment, it is approximated that this angular velocity (dθ / dt) is constant. Accordingly, as shown in FIG. 6, the angle θ changes linearly with respect to the moving distance of the object detection robot 100.
[0033]
Next, the shape calculation unit 146 derives the coordinates (Xm, Ym) of the surface of the object M (S50). Using the distance L and the angle θ obtained by Expression 1 and Expression 2, the coordinates (Xm, Ym) are expressed as Expression 3 and Expression 4.
Xm = X₀+ L * sin (θ) (Formula 3)
Ym = L * cos (θ) (Formula 4)
Where X₀Is the coordinates of the object detection robot 100 in the X direction when the object M is present at a certain position. Considering that the object M moves relative to the object detection robot 100, X₀May be rephrased as an absolute value of coordinates in the X direction of the object M.
[0034]
For example, in FIG.₀Is the origin of the X axis. Object M is at position P₁X₀Is at position P₀From position P₁Equal to the length of In Equation 3, L₁* Sin (θ₁) Is at position P₁From position P₂Equal to the length of Therefore, according to Equation 3, the position P₁X coordinate is the position P₂Is equal to the X coordinate. Further, according to Equation 4, the position P₁Y coordinate is the position P₂Is equal to the Y coordinate.
[0035]
In the present embodiment, the object M has a spherical shape close to a point as illustrated. Therefore, using Equation 3 and Equation 4, the position P₀From position P_nWhen the coordinates at each position up to are converted, the position P₂Matches the coordinates of. As a result, the position P₂Shows the surface shape of the stationary object M, and it can be seen that the object M has a shape close to a point.
[0036]
(Second specific example)
FIG. 7 is a diagram illustrating a state in which the object detection robot 100 detects the object M when the object M is a rectangular parallelepiped. In this specific example, the ultrasonic sensor 110 measures the distance by transmission and reception of ultrasonic waves from the time when the bottom surface Sa of the object M enters the detection region 150 to the time when the top surface Sc exits the detection region 150.
[0037]
FIG. 8 is a graph showing the distance L of the object M with respect to the object detection robot 100 in the second specific example. Here, the distance L indicates the shortest distance between the partial object M and the object detection robot 100. FIG. 8 shows actually measured data. Even when the object M is a rectangular parallelepiped, the distance calculation unit 142 calculates the distance L using Equation 1. As a result, the bottom surface Sa and the end E of the object M₀After entering the detection area 150, the end E₀Is position P shown in FIG.₂Until the distance L is reached, the distance L gradually decreases (X₁₀To X₁₁). Edge E₀Is position P₂After passing through end E_nIs position P₂Until the side Sb of the object M passes through the position P.₂, The distance (shortest distance) L is constant. (X₁₁To X₁₂). Thereafter, the distance L gradually increases until the end portion En and the upper surface Sc exit the detection region 150 (X₁₂To X₁₃).
[0038]
FIG. 9 is a graph showing the angle θ of the object M with respect to the object detection robot 100 in the second specific example. In this embodiment, as can be seen from FIG. 8, the distance data measured while the object M passes through the detection region 150 may or may not be changed. Was calculated according to a specific pattern, and the angle θ was calculated. Therefore, the direction calculation unit 144 executes different processes when the distance L of the object M to the ultrasonic sensor 110 is substantially constant and when the distance L changes.
[0039]
Coordinate X₁₀To X₁₁And coordinate X₁₂To X₁₃In, the direction calculation unit 144 calculates the angle θ using Equation 2.
[0040]
On the other hand, the coordinate X₁₁To X₁₂The ultrasonic wave received by the ultrasonic sensor 110 at the position P shown in FIG.₂The ultrasonic wave reflected on the side surface Sb of the object M in FIG. That is, since the direction of the shortest distance L is constant in the Y-axis direction, the angle θ is constant (0 degree). At this time, the direction calculation unit 144 uses the coordinates X₁₁To X₁₂The angle θ of the object M in a certain period until is processed as being equal to the angle θ of the object M in the immediately preceding period.
[0041]
Coordinate X₁₂To X₁₃When calculating the angle θ in FIG. 2, the time T and T in Equation 2 are used for the period during which the angle θ is constant._LNot included. That is, the times T and T of Equation 2_LIndicates a period during which the angle θ varies.
[0042]
FIG. 10 is a graph showing the results of applying Equation 3 and Equation 4 to each data of FIG. FIG. 10 shows an actual calculation result obtained by calculating each data of FIG. As shown in FIG. 10, a part of the surface shape of the object M matches the calculation result. The shape calculation unit 146 converts each data shown in FIG. 8 using Expression 1 and Expression 4. Thereby, as shown in FIG. 10, the surface shape of the object M can be expressed accurately.
[0043]
As in this specific example, the direction calculation unit 144 executes different processes when the distance L of the object M to the ultrasonic sensor 110 is substantially constant and when the distance L changes. The shape calculation unit 146 calculates the direction data of the object M obtained thereby. As a result, even if the object M has a plane, the object detection robot 100 can accurately specify the plane shape.
[0044]
(Third example)
FIG. 11 is a diagram illustrating a state in which the object detection robot 100 detects the object M when the cuboid object M is inclined with respect to the object detection robot 100. In this specific example, the ultrasonic sensor 110 has an end E of the object M.₀The distance is measured by transmission / reception of ultrasonic waves until the upper surface Sc comes out of the detection area 150 after entering the detection area 150. In this specific example, the side surface Sb of the object M is inclined to the ultrasonic sensor 110 side from the direction perpendicular to the one side of the detection region 150 (broken line KK).
[0045]
FIG. 12 is a graph showing the distance L in the third specific example. FIG. 12 shows actual measurement data. Edge E₀Enters the detection area 150 (coordinate X₂₀), The shortest distance L is the end E₀And the distance between the ultrasonic sensor 110 and the ultrasonic sensor 110. Then coordinate X₂₀To X₂₁The shortest distance L is a distance from the ultrasonic sensor 110 to the side surface Sb along one side F (see FIG. 11) of the detection region 150. At this time, the shortest distance L decreases at a substantially constant rate as the object M enters. Thus, end E₀The distance L decreases approximately linearly from the time when the device enters the detection region 150 until the end portion En enters the detection region 150.
[0046]
After the end En enters the detection region 150, the distance L is the distance between the end En and the ultrasonic sensor 110 (X₂₁To X₂₃).
[0047]
Coordinate X₂₀To X₂₁The distance L changes linearly and the coordinates X₂₁To X₂₃The distance L varies nonlinearly. The boundary between the portion where the distance L changes linearly and the portion where this distance changes nonlinearly is expressed by the coordinate X₂₁It is. Coordinate X₂₁Distance L corresponding to₂₁Is the coordinate X₂₃Distance L corresponding to₂₃be equivalent to.
[0048]
FIG. 13 is a graph showing the angle θ of the object M with respect to the ultrasonic sensor 110 in the third specific example. In this embodiment, as can be seen from FIG. 12, the distance data measured while the object M passes through the detection region 150 has a non-linear change and a non-linear change. Then, it was determined that the distance data was changing according to a specific pattern, and the calculation process of the angle θ was performed. Therefore, the direction calculation unit 144 determines that the distance L changes linearly (coordinate X₂₀To X₂₁) And when this changes nonlinearly (coordinate X₂₁To X₂₃) And different processes are executed.
[0049]
Coordinate X₂₀To X₂₁, The side surface Sb enters the detection region 150. During this time, the shortest distance L is measured by ultrasonic waves transmitted in the direction of one side F of the detection region 150. Therefore, the coordinate X₂₀To X₂₁The angle θ is θ₀It is constant at. In other words, the coordinate X₂₀To X₂₁, The angle θ of the object M in a certain cycle is equal to the angle θ of the object M in the immediately preceding cycle.
[0050]
Then coordinate X₂₁To X₂₃In, the direction calculation unit 144 calculates the angle θ using Equation 2. Coordinate X₂₁To X₂₃When calculating the angle θ in FIG. 2, the time T and T in Equation 2 are used for the period during which the angle θ is constant._LNot included. That is, the times T and T of Equation 2_LIndicates a period during which the angle θ varies.
[0051]
FIG. 14 is a graph showing the results of applying Equation 3 and Equation 4 to each data of FIG. FIG. 14 shows an actual calculation result obtained by calculating each data of FIG. The shape calculation unit 146 converts each data shown in FIG. 13 using Expression 1 and Expression 4. Thereby, as shown in FIG. 14, the surface shape of the object M can be expressed accurately.
[0052]
As in this specific example, the direction calculation unit 144 performs different processes depending on whether the distance L of the object M to the ultrasonic sensor 110 is substantially linear or nonlinear. Accordingly, even when the object M having a plane is inclined with respect to the ultrasonic sensor 110, the object detection robot 100 can accurately specify the plane shape.
[0053]
(Fourth specific example)
FIG. 15 is a diagram illustrating a state in which the object detection robot 100 detects the object M when the object M is spherical or cylindrical.
[0054]
FIG. 16 is a graph showing the distance L in the fourth specific example. FIG. 16 shows measured data. Compared with the curve shown in FIG. 5, the curve in FIG. 16 spreads in the X direction. This is because the object M in the first specific example has a spherical shape close to a point, whereas the object M in this specific example has a larger spherical shape.
[0055]
FIG. 17 is a graph showing the angle θ of the object M with respect to the ultrasonic sensor 110 in the fourth specific example. This graph spreads in the X direction compared to FIG. 6 for the same reason as described above. Therefore, the slope of the graph shown in FIG. 17 is gentler than that of FIG. In this embodiment, as can be seen from FIG. 16, the distance data measured while the object M passes through the detection region 150 changes non-linearly over the entire range. The angle θ was calculated by determining that the angle was changed according to a specific pattern.
[0056]
FIG. 18 is a graph showing the results of applying Equation 3 and Equation 4 to each data of FIG. FIG. 18 shows an actual calculation result obtained by calculating each data of FIG. As shown in FIG. 18, the surface shape of the object M matches the calculation result.
[0057]
In the above specific example, the shape of the object M was a rectangular parallelepiped, a sphere, or a cylinder. Even when the object M has a combination of a rectangular parallelepiped and a spherical or cylindrical shape, the object M is based on a series of distance data patterns while the ultrasonic sensor 110 transmits and receives ultrasonic waves. The surface shape can be specified.
[0058]
According to the present embodiment, since the ultrasonic sensor 110 having relatively low directivity is used, a wide range of objects can be detected by the few ultrasonic sensors 110. Further, according to the present embodiment, not only the distance of the object but also the surface shape of the object can be specified more accurately by using the ultrasonic sensor 110 with relatively low directivity. Therefore, the object detection robot 100 can be reduced in size, and the cost can be reduced.
[0059]
FIG. 19 is an external view in which an ultrasonic sensor 110 that can move with respect to the robot body 120 is provided. The robot body 120 is configured to be movable back and forth and right and left without changing its orientation. The ultrasonic sensor 110 is provided so as to be able to move around the robot body 120. Thereby, the ultrasonic sensor 110 can always transmit ultrasonic waves in a direction perpendicular to the traveling direction of the robot body 120.
[0060]
FIG. 20 is map data created when the object detection robot 100 moves in a certain environment. In this environment, a stationary object M₁To M₄Exists. The object detection robot 100 moves in this environment in the X direction. Two ultrasonic sensors 110 are provided on both sides of the robot main body 120. One ultrasonic sensor 110 transmits ultrasonic waves in the -Y direction, and the other ultrasonic sensor 110 transmits ultrasonic waves in the Y direction. Thereby, the object M₁To M₄Position and surface shape can be detected.
[0061]
Object M₁To M₄The distance data and the surface shape are stored in a map data creation unit 160 provided in the robot body 120. The map data creation unit 160 is, for example, a memory. Furthermore, the movement route of the object detection robot 100 is recorded in the map data creation unit 160. For example, the map data creation unit 160 stores the position coordinates of the object detection robot 100 when the ultrasonic sensor 110 transmits an ultrasonic wave. Thereby, the object detection robot 100 can obtain map data in the environment.
[0062]
In the present embodiment, the robot body 120 may further include a biological detection sensor 170. The organism detection sensor 170 is a sensor that can detect the presence of an organism such as a far-infrared sensor or a pyroelectric sensor. Thereby, it is possible to detect whether the object M detected by the object detection robot 100 is a living thing or an inanimate object. Since the living thing does not have a fixed surface shape and moves, the map data creation unit 160 does not store the surface shape of the object M when the object M is a living thing. On the other hand, when the object M is inanimate, the map data creation unit 160 stores the surface shape of the object M. Thus, by providing the biological body detection sensor 170 in the robot main body 120, this Embodiment can selectively memorize | store only the surface shape of the required object M selectively.
[0063]
【The invention's effect】
The object detection device according to the present invention is relatively small and low-cost, and can accurately specify not only the distance of the object but also the surface shape of the object.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of an object detection robot 100 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing how the object detection robot 100 is operating.
FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which an object M passes through a detection region 150.
4 is a flowchart showing the operation of the object detection robot 100. FIG.
5 is a graph showing a distance L with respect to the X-axis coordinate of the object detection robot 100. FIG.
6 is a graph showing the angle θ of the object M with respect to the X-axis coordinate of the object detection robot 100. FIG.
FIG. 7 is a diagram illustrating a state in which the object detection robot 100 detects the object M when the object M is a rectangular parallelepiped.
FIG. 8 is a graph showing a distance L of an object M to the object detection robot 100 in the second specific example.
FIG. 9 is a graph showing an angle θ of the object M with respect to the object detection robot 100 in the second specific example.
10 is a graph showing the result of applying Equation 3 and Equation 4 to each data in FIG. 8;
11 is a diagram showing a state in which the object detection robot 100 detects the object M when the rectangular parallelepiped object M is inclined with respect to the object detection robot 100. FIG.
FIG. 12 is a graph showing the distance L in the third specific example.
FIG. 13 is a graph showing an angle θ of an object M with respect to an ultrasonic sensor 110 in a third specific example.
14 is a graph showing the result of applying Equation 3 and Equation 4 to each data in FIG. 13;
FIG. 15 is a diagram showing a state in which the object detection robot 100 detects the object M when the object M is spherical or cylindrical.
FIG. 16 is a graph showing the distance L in the fourth specific example.
FIG. 17 is a graph showing an angle θ of the object M with respect to the ultrasonic sensor 110 in the fourth specific example.
18 is a graph showing the result of applying Equation 3 and Equation 4 to each data in FIG. 16;
FIG. 19 is an external view in which an ultrasonic sensor 110 that is movable with respect to the robot body 120 is provided.
FIG. 20 is map data created when the object detection robot 100 moves in a certain environment.
[Explanation of symbols]
100 Object detection robot
110 Ultrasonic sensor
120 Robot body
112 Ultrasonic transmitter
114 Ultrasonic receiver
122 Pulse amplifier
124 transmitter circuit
126 Waveform shaping circuit
128 Receiver circuit
130 Ultrasonic transmission / reception controller
140 Calculation unit
132 clock counter
142 Distance calculator
144 Direction calculation unit
146 Shape calculator
150 detection area
M object

Claims

In an object detection device that moves relative to an object having a certain surface shape and detects the surface shape of the object by elastic waves,
The elastic wave periodically transmitted to a detection region having a sector shape with a predetermined radiation angle centered on a direction perpendicular to the moving direction of the object detection device , and reflected by an object passing through the detection region An elastic wave transceiver for sequentially receiving waves;
A calculation unit that calculates distance data L from the elastic wave transmitting / receiving unit to the object by calculating Equation (1),
L = 0.5 * Ve * Δt (Formula 1)
When the distance data L changes nonlinearly with the movement of the object detection device, the direction data θ indicating the direction of the object relative to the elastic wave transmitting / receiving unit is calculated by calculating Equation 2,
θ = θ ₀ −2θ ₀ * (T / T _L ) (Formula 2)
Deriving the coordinates (Xm, Ym) of the surface of the object by calculating Equation 3 and Equation 4,
Xm = X ₀ + L * sin (θ) (Formula 3)
Ym = L * cos (θ) (Formula 4)
(Here, Ve is a speed at which an elastic wave propagates between the object and the elastic wave transmitting / receiving unit, and Δt is a time from when the elastic wave transmitting / receiving unit transmits an elastic wave to receiving the elastic wave. Yes, when the center line of the detection area is 0 degree, the radiation angle is ± θ ₀ , and T _L is the distance between the time when the object enters the detection area and the time when it passes through the detection area. The time of the portion where the data changes nonlinearly, and T is the time of the portion where the distance data changes nonlinearly after the object enters the detection area and reaches the first position. X ₀ is a coordinate relating to the moving direction of the object detection device when the object is at the first position)
When the distance data L changes linearly with the movement of the object detection device,
The direction data in a certain cycle in which an elastic wave is transmitted and received is processed as the same as the direction data θ in the immediately preceding cycle,
An arithmetic unit that obtains a surface shape of at least a part of the object by coordinates (Xm, Ym) of the surface of the object corresponding to each elastic wave ;
Object detecting apparatus comprising: a.

When the distance data L does not change with the movement of the object detection device,
The object detection apparatus according to claim 1 , wherein the calculation unit processes the direction data in a certain cycle in which an elastic wave is transmitted and received as the same as the direction data θ in the immediately preceding cycle .

An object detection method using an object detection device that moves relative to an object having a certain surface shape and detects the surface shape of the object by elastic waves, wherein the object detection device transmits and receives elastic waves. A transmission / reception unit, and a calculation unit for detecting the surface shape of the object,
The method is
The elastic wave reception section, the elastic wave is transmitted periodically to the detection region forming a sector having a predetermined radiation angle around the direction perpendicular to the moving direction of the object detecting device, passing through the detection area Sequentially receiving the elastic waves reflected by the object;
The computing unit is
By calculating Equation 1, distance data L from the elastic wave transmitting / receiving unit to the object is calculated,
L = 0.5 * Ve * Δt (Formula 1)
Wherein when the distance data L with the movement of the object detecting device changes nonlinearly issues calculate the direction data θ indicating the direction of the object relative to the elastic wave transmitting and receiving unit by calculating the equation 2,
θ = θ ₀ −2θ ₀ * (T / T _L ) (Formula 2)
Deriving the coordinates (Xm, Ym) of the surface of the object by calculating Equation 3 and Equation 4,
Xm = X ₀ + L * sin (θ) (Formula 3)
Ym = L * cos (θ) (Formula 4)
(Here, Ve is a speed at which an elastic wave propagates between the object and the elastic wave transmitting / receiving unit, and Δt is a time from when the elastic wave transmitting / receiving unit transmits an elastic wave to receiving the elastic wave. Yes, when the center line of the detection area is 0 degree, the radiation angle is ± θ ₀ , and T _L is the distance between the time when the object enters the detection area and the time when it passes through the detection area. The time of the portion where the data changes nonlinearly, and T is the time of the portion where the distance data changes nonlinearly after the object enters the detection area and reaches the first position. X ₀ is a coordinate relating to the moving direction of the object detection device when the object is at the first position)
When the distance data L changes linearly with the movement of the object detection device, the direction data in a certain cycle in which an elastic wave is transmitted and received is processed as the same as the direction data θ in the immediately preceding cycle. ,
Obtaining a surface shape of at least a part of the object by coordinates (Xm, Ym) of the surface of the object corresponding to each elastic wave;
An object detection method comprising:

When the distance data L does not change with the movement of the object detection device,
The said calculating part is further provided with the step which processes the said direction data in a certain period with which the elastic wave was transmitted / received as the same as the said direction data (theta) in the period immediately before that. Object detection method.