JP4462220B2 - 自律移動装置、並びに、自律移動システム - Google Patents

Description

本発明は、超音波センサによって周囲の環境を検知して移動する自律移動装置に関するものである。

近年、病院等の施設内における搬送業務を機械化するため、自律移動装置の開発が期待されている。自律移動装置では、軽量で低コストであるという理由から、超音波センサが幅広く使用されており、自律移動装置が移動するための手段としては、壁面に沿って移動する、いわゆる壁沿い走行が広く知られている。

特許文献１では、自律移動装置の前後に測距センサを設置し、その測定距離から側面に対する自律移動装置の位置と姿勢を求め、壁面に沿った移動をする方法が開示されている。具体的には、図１５に示すように、自律移動装置の側面に２つの測距センサを搭載し、それぞれのセンサによって壁面までの距離Ｌ０、Ｌ１が検出される。そして、それぞれのセンサで検出された距離Ｌ０とＬ１とが等しくなるように自律移動装置の移動制御が行われ、壁沿い走行が行われていた。
特開平３−１６０５０７号公報

しかし、上記の自律移動装置では、図１６に示すように壁面の向きが変化する部分では、それぞれのセンサで検出される距離Ｌ０とＬ１とが等しくなることがある。この場合、自律移動装置は壁面に沿って移動していると判断されるため、自律移動装置が壁面に接触してしまうおそれがあった。

そこで本発明は、上記問題点を鑑みて、壁面の形状を検出することができ、簡易でコストのかからない物体検知センサを備えた自律移動装置の提供を課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、物体検知センサで壁面を検知して、壁面に沿って移動する自律移動装置であって、物体検知センサは、壁面に超音波を送信する送波器と、壁面において正反射された超音波を受信して電気信号である受信信号に変換する受波器が複数配置された受波器アレイと、超音波が送波器から送信されて受波器で受信されるまでの時間を求めること、及び各受波器が超音波を受信する時間差に基づいて各受波器が超音波を受信する時間差に基づいて各受波器が受信する超音波の各入射角に応じた、受信信号の合成波を得て前記入射角と前記合成波の最大値との関係を得ることで、前記関係における合成波の最大値の極大値に対応する入射角を求めることにより、壁面の向き及び壁面までの距離を演算する演算部とを備えており、前記演算部は、正反射された超音波が一定の角度範囲の方向から確認された場合には、前記極大値に対応する入射角を前記極大値の半値に対応する入射角に補正し壁面の向き及び壁面までの距離を演算することで、壁面の向き及び壁面までの距離に応じて移動方向が決定されることを特徴とした。

本請求項に係る自律移動装置は、送信した超音波が壁面で反射して戻ってくるまでの時間から壁面までの距離を求めることができる。また、各受波器から出力された受信信号から反射された超音波が受波器アレイに入射する角度を求めることができる。本発明は、超音波が正反射される環境において使用されることが想定されているため、受波器アレイに入射する超音波は壁面で正反射したものだけである。このため、壁面の向きを検知することができる。そして、これらの情報に基づき、自律移動装置を壁面と接触することなく移動させることができる。また、超音波センサは安価であり、１個でも壁面の向きを検知できるため製作のコストを抑えることも可能である。さらに、例えば、凹曲面で構成される壁面が存在する場合であっても、各受波器が超音波を受信する時間差に基づいて各受波器が受信する超音波の各入射角に応じた、受信信号の合成波を得て前記入射角と前記合成波の最大値との関係を得ることで、前記関係における合成波の最大値の極大値に対応する入射角を求め、前記極大値に対応する入射角を前記極大値の半値に対応する入射角に補正するため、自律移動装置が壁面に接触することはない。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、正反射された超音波が複数の方向から確認された場合に、壁面までの距離が最も短い壁面に応じて移動方向が決定されることを特徴とした。

請求項２に係る自律移動装置は、複数の方向の壁面が存在する場合であっても、自律移動装置に最も近い壁面を選択して、その壁面に沿って移動することができるので、自律移動装置が壁面と接触するおそれがない。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、複数の前記物体検知センサが、自律移動装置の移動方向に対して前方及び側方に配置されていることを特徴とした。

これにより、物体検知センサが一つだけの場合よりも、特に前方の領域を検知することができ、検知可能な領域が広がるため、自律移動装置の周囲にある壁面をより正確に検知することができる。その結果、自律移動装置が壁面に接触することを防止することができる。

請求項４の発明は、前記壁面となる反射手段を設置することで移動経路を形成し、超音波を反射手段に正反射させることにより請求項１〜３のいずれか一項に記載の自律移動装置を前記移動経路に沿って走行させることを特徴とした。

これにより、超音波は確実に正反射されるため、自律移動装置の壁面を検知する精度が向上し、自律移動装置の走行を安定させることができる。

本発明に係る自律移動装置は、軽量で低コストな超音波センサを用いて、超音波センサの検知領域内に存在する壁面の法線方向及び壁面からセンサまでの距離を検出し、これらの情報に基づいて壁面に沿った移動をすることができる。

図１は、壁面１０に沿って移動する本実施形態に係る自律移動装置１を示す説明図であり、図２は、本実施形態に係る自律移動装置１の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る自律移動装置１は、物体検知センサ２と、移動制御部３と、駆動部５とを備えている。

自律移動装置１は、物体検知センサ２によって常時、周囲に存在する壁面１０を検知している。そして、物体検知センサ２の検知結果に基づいて移動制御部３が駆動部５を制御し、自律移動装置１の移動方向を変える。駆動部５は、例えば、左右のモータによって構成され、左右のモータの回転を制御することにより、自律移動装置１の移動方向を変えることができる。

図３は、本実施形態に係る物体検知センサ２を示す説明図である。物体検知センサ２は、送波器６と、受波器アレイ７と、演算部９とを備えており、壁面１０と対向するように、自律移動装置１の側面に設置される。

送波器６は、検知する領域に対してパルス状の超音波（以下、「パルス波」という。）を送信する。受波器アレイ７は、対象物で反射した超音波（以下、「反射波」という。）を受信し、受信した超音波の音圧を電気信号である受信信号に変換する。本発明では、対象物として壁面１０を想定している。演算部９では、受波器アレイ７からの受信信号、及び、パルス波が送信されて反射波が受信されるまでの時間Ｔに基づいて演算が行われる。物体検知センサ２は、演算部９によって、壁面１０の自律移動装置１に対する相対的な向き及び自律移動装置１から壁面１０までの距離を演算することができる。

図４は、送波器６から送信されるパルス状の超音波の一例を示すグラフである。本実施形態では、図４に示すように、送波器６から周波数が４０ｋＨｚのパルス波が検知領域に対して送信される。なお、物体検知センサ２は、常時壁面１０を検知するため、送波器６からはパルス波が間欠的に送信される。ここで、周波数が４０ｋＨｚのパルス波であれば、その波長は約８．５ｍｍであり、このレベル以下の凹凸は超音波の反射に対してほとんど影響を与えない。そのため、建物内の壁面１０や家具の表面等は、前記超音波の波長に対してなめらかな面とみなすことができ、送波器６から送信されたパルス波は、壁面１０で正反射するとみなすことができる。

このような条件の下では、壁面１０で反射された反射波は、壁面１０の法線方向からのものだけが、物体検知センサ２に戻り受波器アレイ７によって受信される。なお、後述するように反射手段を設けて自律移動装置１を走行させることもできる。

受波器アレイ７を構成する受波器８としては、音波をピエゾ効果により電気信号に変換するものや、音波を静電容量の変化に変換するものが広く知られており、いずれを使用してもよい。本実施形態における受波器アレイ７は、複数（図示したものは３つ）の受波器８ａ〜８ｃが、自律移動装置１の移動方向に沿って直線状に等間隔で並べられている。また、各受波器８ａ〜８ｃは、水平方向からの反射波を受信できるよう自律移動装置１の外側に向けて配置されている。

図３に示した受波器アレイ７は、３個の受波器８ａ〜８ｃから構成されているが、本発明は受波器８の個数について限定があるわけではない。受波器８は複数であれば発明の目的を達成することができる。受波器８の個数が少ないと十分な角度の分解能が得られないが、個数が多いとコストが高くなる。そのため、受波器８の個数については、これらの点を考慮して任意に選択される。

演算部９は、プログラムを記憶する記憶手段及びＣＰＵ等を備えたコンピュータである。演算部９からは、送波器６に対しパルス波の送信を指示する信号であるパルス波送信信号が出力される。このパルス波送信信号が出力されると、演算部９内ではタイマ動作が開始され、受波器アレイ７から演算部９に受信信号が入力されるとタイマ動作を停止して、パルス波の送信から反射波の受信までの時間Ｔが測定される。また、演算部９では、受波器アレイ７からの受信信号、及び、パルス波が送信されて反射波が受信されるまでの時間Ｔに基づいて、壁面１０の法線方向及び自律移動装置１から壁面１０までの距離Ｌが演算される。演算部９で行われる演算の工程については後述する。

物体検知センサ２の演算部９から演算結果が出力されると、その演算結果は、移動制御部３に入力される。移動制御部３は、自律移動装置１全体の動作を制御するものであり、具体的には、プログラムを記憶する記憶手段及びＣＰＵ等を備えたコンピュータである。そして、物体検知センサ２の演算結果に基づいて、移動制御部３からモータ等で構成される駆動部４に指令が出され、自律移動装置１は、壁面１０に沿って移動することとなる。

以下、演算部９で行われる演算について説明する。図５は、受波器アレイ７に反射波が入射する状態を示す説明図であり、図６（ａ）は、各受波器８ａ〜８ｃの受信信号ｆａ，ｆｂ，ｆｃを同じ時間軸で表示したグラフであり、図６（ｂ）及び（ｄ）は、遅延後の各受波器８ａ〜８ｃの受信信号ｆａ，ｆ’ｂ，ｆ’ｃを表示したグラフであり、図６（ｃ）及び（ｅ）は、加算後に得られた合成波Ｆを表示したグラフである。

図５に示すように、音速をｃとし、等間隔に並んだ受波器８ａ〜８ｃの間隔をｄとし、直線状に並列された受波器８ａ〜８ｃに対する垂線と反射波との角をθとする。自律移動装置１の移動方向を前方とした場合に、前方からの入射角θは正であり、後方からの入射角θは負である。このとき、後方からの反射波は、図６（ａ）に示すように、まず受波器８ｃで受信され、その後受波器８ｂにおいて時間差Δｔ＝ｄ・ｓｉｎθ／ｃだけ遅れて受信され、受波器８ａでは受波器８ｃよりも時間差２Δｔだけ遅れて受信されることになる。

そのため、受波器８ｃの受信信号ｆｃを２Δｔだけ遅延させ、受波器８ｂの受信信号ｆｂをΔｔだけ遅延させると、図６（ｄ）のように、全ての受信信号の位相を一致させることができる。このとき、遅延後の全ての受信信号ｆａ，ｆ’ｂ，ｆ’ｃを加算すると、図６（ｅ）に示すように、振幅が各受波器８ａ〜８ｃの受信信号の略３倍の合成波Ｆが得られる。また、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、受信信号の位相が一致しないときに、遅延後の全ての受信信号を加算しても、合成波Ｆの振幅は大きくならない。

そこで、物体検知センサ２が検知できる角度の範囲を細分化し、各角度に応じた遅延時間を設定する。そして、受波器アレイ７からの受信信号ｆａ，ｆ’ｂ，ｆ’ｃを各遅延時間だけ遅延させて加算し、各角度に応じた合成波Ｆを得る。合成波Ｆの振幅が一定の閾値を超えた場合、受信信号の位相が一致したと考えられる。そして、この合成波Ｆに対応する角度を反射波の入射角θとみなすことができる。反射波は壁面１０で正反射したものだけが受波器アレイ７に戻ってくるため、反射波の入射角θが検知できれば、壁面１０の自律移動装置１の移動方向に対する相対的な角度を導くことができる。

図７は、物体検知センサ２の検知範囲内に一平面から構成される壁面１０ａが存在する場合の、入射角θと合成波の最大値との関係の一例を示すグラフである。物体検知センサ２の検知範囲内に一平面から構成される壁面１０が存在する場合には、図７に示すように、一定の閾値を超える極大値が１つ検出される。この極大値に対応する角度φが反射波の入射角θである。ここで、グラフの曲線のうち、極大値を含み一定の閾値を超える部分をピークという。

図８は、物体検知センサ２の検知範囲内に平面で構成される壁面１０ｂ，１０ｃが二個存在する場合を示す説明図であり、図９は、この場合の、入射角θと合成波の最大値との関係の一例を示すグラフである。

図８に示すように、物体検知センサ２の検知範囲内に平面で構成された壁面１０ｂ，１０ｃが２個存在する場合には、受波器アレイ７ではそれぞれの壁面１０ａ，１０ｂからの反射波を受信して、複数の方向から正反射が確認される。そのため、図９に示すように、グラフではピークが２つ検出される。そして、それぞれの極大値に対応する角度φ１及びφ２が反射波の入射角θである。平面で構成された壁面が三以上複数存在する場合には、ピークも同様に三以上複数検出される。

壁面１０が複数検出された場合、自律移動装置１は、いずれの壁面１０に沿って移動するのかを選択する必要がある。ここで、自律移動装置１が移動の結果、接触する可能性があるのは、最も近い距離にある壁面１０である。そのため、自律移動装置１から最も近い距離にある壁面１０を基準とすれば、自律移動装置１が壁面１０に接触することを防止できる。そこで、演算部９では、複数の壁面１０に対応する時間Ｔが比較され、その中で時間Ｔの最も短い壁面１０が選択される。これにより、自律移動装置１は、最も近い距離にある壁面１０に沿って移動することができる。

図１０は、物体検知センサ２の検知範囲内に凹曲面で構成される壁面１０ｄが存在する場合を示す説明図であり、図１１は、この場合の、入射角θと合成波の最大値との関係の一例を示すグラフである。

壁面１０が凹曲面で構成されている場合、一定の角度範囲の方向から超音波の正反射が確認され、図１１に示すようにグラフではピークが幅広く検出されることになる。前記ピークの幅は曲率によって変化する。この場合、ピーク内の極大値に対応する角度φに基づいて、自律移動装置１を移動させると、壁面１０ｄに必要以上に接近し、場合によっては壁面１０ｄに接触するおそれもある。このため、壁面１０が凹曲面の場合であっても自律移動装置１が壁面１０ｄに接触しないように、自律移動装置１の移動方向を壁面１０ｄから離れる方向に補正することが望ましい。

本実施形態では、ピーク部分の半値幅Ｗを用いた補正角φ’を求めて、この補正角φ’に基づき自律移動装置１を移動制御する。なお、補正角φ’は、検出された一定の角度範囲の中からより小さいものを基準とするために、例えばφ’＝φ−Ｗ／２として求めることができる。

以下、演算部９で行われる演算の流れを、図１２、図１３に示すフローチャートに基づいて説明する。また、本実施形態では、物体検知センサ２の検知可能な角度の範囲を、受波器アレイ７の垂線に対して−９０度〜９０度とし、分解能を５度とする。

演算部９では、反射波の入射角θが、φ０＝−９０度、φ１＝−８５度、・・・、φｎ＝−９０＋５ｎ度と５度間隔に設定されており、角度φｎに対応する遅延時間Δｔ’ｎが予め求められている（ｎ＝０，１，２，・・・，３６）。

なお、本発明に使用される物体検知センサ２については、特に制限があるわけではない。そのため、検知可能な角度の範囲や分解能については、使用される物体検知センサによって任意に設定することができる。

ステップ１では、演算部９に各受波器８ａ，８ｂ，８ｃから受信信号ｆａ，ｆｂ，ｆｃが入力される。

ステップ２では、ｎ＝０と設定されステップ３に移行する。

ステップ３では、角度φｎ＝−９０＋５ｎ度に対応する遅延時間Δｔ’ｎが予め求められており、受信信号ｆｂの時間成分を遅延時間Δｔ’ｎ遅延させてｆｂ’を求め、受信信号ｆｃの時間成分を遅延時間２Δｔ’ｎ遅延させてｆｃ’を求める遅延処理が行われ、ステップ４に移行する。

ステップ４では、時間成分毎に受信信号ｆａ，ｆｂ’，ｆｃ’の音圧値を加算して合成波Ｆを求める加算処理が行われ、ステップ５に移行する。

ステップ５では、ステップ２の加算結果から、合成波Ｆの最大値Ｐｎ及び最大値Ｐｎに対応する時間成分Ｔｎが検出され、ステップ５に移行する。

ステップ６では、ｎが３６に達しているか、即ち設定されたすべての角度について遅延加算処理が行われたか否かの判断がされる。ｎが３６に達していればステップ８に移行し、そうでなければステップ７に移行する。

ステップ７では、ｎがｎ＋１に置換され、ステップ３に移行する。

ステップ８では、ステップ５で検出されたＰｎ（ｎ＝０，１，２，・・・，３６）が一定の閾値Ｘを超える領域が検出され、ステップ９に移行する。

ステップ９では、ステップ８で検出された領域におけるＰｎの最大値Ｐｍａｘに対応する角度φが検出され、ステップ１０に移行する。

ステップ１０では、Ｐｍａｘに対応する時間成分Ｔに基づいて自律移動装置１から壁面１０までの距離Ｌが求められ、ステップ１１に移行する。自律移動装置１から壁面１０までの距離Ｌは、Ｌ＝ｃＴ／２により演算される。

ステップ１１では、ステップ８で検出された領域の数が判断される。領域の数が２以上であればステップ１２に移行し、領域の数が１の場合にはステップ１３に移行する。

ステップ１２では、複数の領域のうち距離Ｌが最小の領域が選択され、移動制御の基準とし、ステップ１３に移行する。ステップ１２では、Ｐｍａｘに対応する時間成分Ｔを比較してもよい。

ステップ１３では、ステップ８で検出された領域の半値幅Ｗが検出され、ステップ１４に移行する。

ステップ１４では、φ’＝φ−Ｗ／２と補正が行われて、ステップ１５に移行する。

ステップ１５では、φ’及びＬが移動制御部３に送信される。

演算部９では、上記の演算がｆａ，ｆｂ，ｆｃの入力のたびに行われている。

また、本実施形態において、物体検知センサ２は、自律移動装置１の移動方向を前面とした場合の側面に一つだけ設置されているが、本発明はこのような態様に限定されるわけではない。例えば、複数の物体検知センサ２を自律移動装置１の前方及び側方に設置することもできる。物体検知センサ２の数が増加すると、物体検知センサ２が一つだけの場合よりも検知することができる領域が広くなるため、自律移動装置１の周囲にある壁面１０をより正確に検知することができる。

上記の物体検知センサ２では、物体検知センサ２の位置を基準として壁面１０までの距離Ｌ及び壁面１０の向きが検出される。しかし、図１４に示すように、自律移動装置１に物体検知センサ２、２’が複数設置された場合には、基準となる位置が複数存在することになる。そこで、このような場合には自律移動装置１に基準点を設けて、移動制御部３において、物体検知センサ２、２’からの検出結果をかかる基準点に対するものに変換し、自律移動装置１の移動方向を決定する。

また、超音波をより確実に正反射させて、自律移動装置１の検知の精度を向上させるために、表面がなめらかな反射手段を走行部分に沿って設置して自律移動システムを形成してもよい。反射手段としては、例えば反射テープや反射板が考えられる。対象物に反射テープを貼付したり、走行部分に沿って反射板を設置したりして自律移動装置１の移動経路を形成することができる。

壁面に沿って移動する本実施形態に係る自律移動装置を示す説明図である。 本実施形態に係る自律移動装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る物体検知センサを示す説明図である。 送波器から送信されるパルス状の超音波の一例を示すグラフである。 受波器アレイに反射波が入射する状態を示す説明図である。 （ａ）は、各受波器の受信信号を同じ時間軸で表示したグラフであり、（ｂ）は、遅延後の各受波器の受信信号を表示したグラフであり、（ｃ）は、加算後に得られた合成波を表示したグラフであり、（ｄ）は、時間差Δｔと遅延時間Δｔ’とが一致する場合の遅延後の各受波器の受信信号を表示したグラフであり、（ｅ）は、時間差Δｔと遅延時間Δｔ’とが一致する場合の加算後に得られる合成波を表示したグラフである。 検知範囲内に一平面から構成される壁面が存在する場合の入射角θと合成波の最大値との関係の一例を示すグラフである。 検知範囲内に平面で構成される壁面が二個存在する場合を示す説明図である。 検知範囲内に平面で構成される壁面が二個存在する場合の入射角θと合成波の最大値との関係の一例を示すグラフである。 検知範囲内に凹曲面で構成される壁面が存在する場合を示す説明図である。 検知範囲内に凹曲面で構成される壁面が存在する場合の入射角θと合成波の最大値との関係の一例を示すグラフである。 演算部で行われる演算の流れを示すフローチャートである。 演算部で行われる演算の流れを示すフローチャートである。 物体検知センサを二つ設置した自律移動装置を示す説明図である。 従来の自律移動装置を示す説明図である。 検知領域内に角度が変化する壁面が存在する従来の自律移動装置を示す説明図である。

符号の説明

１ 自律移動装置
２ 物体検知センサ
６ 送波器
７ 受波器アレイ
８ 受波器
９ 演算部
１０ 壁面

Claims (4)

1. 物体検知センサで壁面を検知して、壁面に沿って移動する自律移動装置であって、物体検知センサは、壁面に超音波を送信する送波器と、壁面において正反射された超音波を受信して電気信号である受信信号に変換する受波器が複数配置された受波器アレイと、超音波が送波器から送信されて受波器で受信されるまでの時間を求めること、及び各受波器が超音波を受信する時間差に基づいて各受波器が受信する超音波の各入射角に応じた、受信信号の合成波を得て前記入射角と前記合成波の最大値との関係を得ることで、前記関係における合成波の最大値の極大値に対応する入射角を求めることにより、壁面の向き及び壁面までの距離を演算する演算部とを備えており、前記演算部は、正反射された超音波が一定の角度範囲の方向から確認された場合には、前記極大値に対応する入射角を前記極大値の半値に対応する入射角に補正し壁面の向き及び壁面までの距離を演算することで、壁面の向き及び壁面までの距離に応じて移動方向が決定されることを特徴とする自律移動装置。
2. 正反射された超音波が複数の方向から確認された場合に、壁面までの距離が最も短い壁面に応じて移動方向が決定されることを特徴とする請求項１に記載の自律移動装置。
3. 複数の前記物体検知センサが、自律移動装置の移動方向に対して前方及び側方に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の自律移動装置。
4. 前記壁面となる反射手段を設置することで移動経路を形成し請求項１〜３のいずれか一項に記載の自律移動装置を前記移動経路に沿って走行させることを特徴とする自律移動システム。

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