JP4552799B2

JP4552799B2 - 自律走行装置

Info

Publication number: JP4552799B2
Application number: JP2005218250A
Authority: JP
Inventors: 修江口; 実紀上田; 哲也甲田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2025-07-28
Also published as: JP2007034766A

Description

本発明は、障害物を検知しその回避を行いながら走行する自律走行装置に関するものである。

従来、この種の自律走行装置は送信側と受信側の超音波センサを用いて障害物を検知することが多く行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−３２７８９５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、送信側と受信側の超音波センサにおいて、直接波の影響を回避するために基準電圧を高めに設定し、その結果、感度が悪く、また、超音波の送信から受信波の到達時点までの時間を検知して距離を測定するだけで障害物の大きさの判定までは行われていなかった。さらに、一定時間ごとに検知動作を繰り返すため、近距離で障害物を検知している場合に衝突回避などに必要となる障害物の新たな距離情報は、次の繰り返し周期の時間経過を経なければならず、近距離の障害物に対する距離検知の反応が悪かった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、直接波の影響を回避しつつ常に良好な受信感度とすることができ、また、障害物の大小を推定することができ、さらに、近距離での検知能力を向上させることができる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、本発明の自律走行装置は、超音波を送信および受信する複数の超音波センサと、送信側の超音波センサを駆動する送信手段と、前記受信側の超音波センサの受信信号を増幅・信号処理する受信信号処理手段と、前記送信手段によって超音波の送信後の経過時間を計時する計時手段と、前記受信信号処理手段の出力により本体と障害物との距離を認識する制御手段とを有し、前記受信信号処理手段は、前記制御手段の指示により基準電圧を設定する基準電圧設定手段と、前記基準電圧設定手段が設定した基準電圧と増幅手段の出力とを比較し前記制御手段に出力する基準比較手段とを有し、前記計時手段により計時される時間により前記基準電圧設定手段の基準電圧を変更すると共に、前記基準電圧設定手段は、超音波を送信後一定時間内における超音波センサの受信信号のピーク電圧により基準電圧の初期値を決定し、前記制御手段は、前記基準電圧設定手段の基準電圧を超音波の送信毎に少なくとも２パターン以上切り替えたときの前記基準比較手段の出力により障害物の回避動作の制御を行うようにしたものである。

これによって、直接波の影響を受けないように超音波送信後の経過時間に応じて連続的に基準電圧を変更でき、常に最適な受信感度を持たせることができる。また、障害物を検知した際に異なる基準電圧と受信波とを比較して受信波の振幅の大小判別が行え、その結果により障害物の大小を推定することができる。また、送信側の超音波センサから受信側の超音波センサへ入力される超音波センサ個々の直接波の大きさに応じて基準電圧を設定でき、超音波センサおよび回路特性のばらつきを無視することができる。

本発明の自律走行装置は、直接波の影響を回避しつつ常に良好な受信感度とすることができ、また、障害物の大小を推定することができ、さらに、近距離での検知能力を向上させることができる。

第１の発明は、超音波を送信および受信する複数の超音波センサと、送信側の超音波センサを駆動する送信手段と、前記受信側の超音波センサの受信信号を増幅・信号処理する受信信号処理手段と、前記送信手段によって超音波の送信後の経過時間を計時する計時手段と、前記受信信号処理手段の出力により本体と障害物との距離を認識する制御手段とを
有し、前記受信信号処理手段は、前記制御手段の指示により基準電圧を設定する基準電圧設定手段と、前記基準電圧設定手段が設定した基準電圧と増幅手段の出力とを比較し前記制御手段に出力する基準比較手段とを有し、前記計時手段により計時される時間により前記基準電圧設定手段の基準電圧を変更すると共に、前記基準電圧設定手段は、超音波を送信後一定時間内における超音波センサの受信信号のピーク電圧により基準電圧の初期値を決定し、前記制御手段は、前記基準電圧設定手段の基準電圧を超音波の送信毎に少なくとも２パターン以上切り替えたときの前記基準比較手段の出力により障害物の回避動作の制御を行う自律走行装置とすることにより、直接波の影響を受けないように超音波送信後の経過時間に応じて連続的に基準電圧を変更でき、常に最適な受信感度を持たせることができる。また、障害物を検知した際に異なる基準電圧と受信波とを比較して受信波の振幅の大小判別が行え、その結果により障害物の大小を推定することができる。また、送信側の超音波センサから受信側の超音波センサへ入力される超音波センサ個々の直接波の大きさに応じて基準電圧を設定でき、超音波センサおよび回路特性のばらつきを無視することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、制御手段は、基準電圧設定手段の基準電圧を超音波の送信毎に初期値設定動作で決定したピーク電圧から時間経過とともに減衰する基準電圧Ａと、前記ピーク電圧から電圧を変更しない基準電圧Ｂとに切り替えたときの基準比較手段の出力により障害物の回避動作の制御を行うことにより、小さい障害物で反射された受信波の振幅では基準電圧Ａは越えるが基準電圧Ｂは越えず、大きな障害物の受信波の振幅では基準電圧Ａ、Ｂをともに越えるといったように、障害物の大きさにより受信波の振幅の大きさが異なるのを、種類の異なる基準電圧Ａ、Ｂおよび基準比較手段にて判別し、この基準比較手段の出力結果により障害物の大きさを推定することができる。

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７は、本発明の実施の形態１における自律走行装置を示すものである。

図１に示すように、自律走行装置の本体１に、送信側の超音波センサ２、受信側の超音波センサ３、送信側の超音波センサ２から超音波を送信する送信手段４、受信側の超音波センサ３の受信信号を増幅し、かつ受信波の検知の処理を行う受信信号処理手段６、送信手段４により超音波センサ２から超音波を送信した後の時間経過を計時する計時手段７、駆動輪９を駆動し従輪１０と協同して本体１を走行させる駆動手段８、受信信号処理手段６の出力より障害物までの距離を算出したり前記送信手段４、受信信号処理手段６、駆動手段８を制御したりする制御手段５を備えている。

前記受信信号処理手段６は、図２に示すように、基準比較手段６ａ、基準電圧設定手段６ｂ、増幅手段６ｃを有する。基準比較手段６ａは、基準電圧設定手段６ｂが設定した基準電圧と増幅手段６ｃの出力とを比較し制御手段５に出力する。基準電圧設定手段６ｂは、制御手段５の指示により基準電圧を設定するとともに、計時手段７により計時される時間により基準電圧を変更する。実際には電子ボリューム（またはデジタル・ポテンショメータ、さらには抵抗ラダー）と抵抗による分圧で基準電圧を発生する。電子ボリュームなどを用いることにより基準電圧を任意に変更できる。増幅手段６ｃは受信側の超音波センサ３の受信信号を増幅する。

以上のように構成された自律走行装置について、その動作、作用を説明する。

まず、本実施の形態の自律走行装置は、図３に示すように、最初に基準電圧設定手段６
ｂの基準電圧を決定する初期動作を行う（Ｓｔｅｐ１）。この初期動作の基準電圧決定の動作について説明する。

図４に示すように、まず最小の基準電圧に設定して（Ｓｔｅｐ２１）超音波を送信する（Ｓｔｅｐ２２）。その後、予め設定された所定時間（例えば２００μｓ）を経過するまで待ち（Ｓｔｅｐ２３）、基準比較手段６ａにより受信波が基準電圧を超えたかどうか判定する（Ｓｔｅｐ２４）。基準電圧を超えていれば基準電圧を増加させ（Ｓｔｅｐ２７）、再度、所定時間（Ｓｔｅｐ２３とは異なる時間、例えば９．８ｍｓ）が経過するまで待ち（Ｓｔｅｐ２８）、超音波を送信する（Ｓｔｅｐ２２）。この一連の動作を基準比較手段６ａにより受信波が基準電圧を超えなくなるまで繰り返す。そして基準比較手段６ａにより受信波が基準電圧を超えなくなるとその時の基準電圧を記憶し（Ｓｔｅｐ２５）、この記憶した基準電圧を基に超音波を送信以降の基準電圧の変更内容を決定する（Ｓｔｅｐ２６）。

図５を用いてこの動作を詳しく説明する。図５の基準電圧に示すように、図４のＳｔｅｐ２１で設定した最小の基準電圧が図５のＴｈ０であり、ここからＳｔｅｐ２７により最初に基準電圧を上げた時の基準電圧がＴｈ１である。

この基準電圧が受信波を越えない限り、基準電圧は図４のＳｔｅｐ２２〜Ｓｔｅｐ２８までの動作により毎回増加していき、図５の基準電圧Ｔｈｎ−１まで増加される。そして基準電圧Ｔｈｎに設定後、図４のＳｔｅｐ２４の動作で基準比較手段６ａにより受信波（直接波）が基準電圧を超えたかどうか判定すると、図５にように判定しなくなる（基準電圧がＴｈ０からＴｈｎ−１までは反転する）。

この基準比較手段６ａの出力が反転しなくなった時の基準電圧Ｔｈｎを基準電圧設定手段６ｂは記憶する。そして直前の基準電圧Ｔｈｎ−１での検知時間Ｔｄｎ−１により受信波のピーク電圧の時間を示すので、このピーク電圧と検知時間により通常動作時の基準電圧を以下のように決定する。まず、超音波を送信後、ピークの検知時間Ｔｄｎ−１までは基準電圧をピーク電圧Ｔｈｎとし、ピークの検知時間Ｔｄｎ−１以降は経過時間に応じて一定の減衰となるように基準電圧を設定する（例えば基準電圧Ｖ、ピーク電圧Ｖｐ、時間ｔとするとＶ＝Ｖｐ・ｅｘｐ（−ｔ／０．５）＋所定電圧Ｖｏｆｓｔ）。このように設定された基準電圧は、図５の基準電圧Ａに示すように時間とともに減衰するものとなる。

次に、基準電圧決定の初期動作後における通常の動作を図３、図６および図７を用いて説明する。

図６は自律走行装置の本体１から同じ距離に大きさの異なる障害物を置いた場合における超音波センサの受信波の様子を示すものである。また、図７は送信手段４の駆動条件の切り替えを示す。

まず、障害物検知のため送信手段４により超音波を送信する（Ｓｔｅｐ２）。そして、障害物の大小判別のための基準電圧２種類を超音波の送信毎に切り替えながら障害物の検知を行う（Ｓｔｅｐ３）。ここで２種類の基準電圧とは、図６に示すように初期設定動作で決定した時間経過とともにピーク電圧から減衰する基準電圧Ａと基準電圧のピーク電圧から電圧を変更しない基準電圧Ｂの２つである。つまり、最初に時間経過とともにピーク電圧から減衰する基準電圧Ａとし、次回のＳｔｅｐ２における超音波送信では基準電圧のピーク電圧を変更しない基準電圧Ｂとする。そして、その次は再度、基準電圧Ａというように超音波の送信毎にこれを繰り返す。このように基準電圧を変更しない基準電圧Ｂを（Ｓｔｅｐ３）と（Ｓｔｅｐ７）で発生し、時間経過とともに減衰する基準電圧Ａを所定時間経過（例えば１００μｓ）毎（Ｓｔｅｐ５）に基準電圧を変更して発生する（Ｓｔｅｐ
６）。

図６に示すように、これら基準電圧Ａ、Ｂのどちらか一方を超音波の送信毎に選択した場合（Ｓｔｅｐ３）、小さい障害物で反射された受信波では基準電圧Ａは越えるが基準電圧Ｂは越えず、大きな障害物の受信波では基準電圧Ａ、Ｂをともに越える。このように障害物の大きさにより受信波の振幅が異なり、それにより基準比較手段６ｂの出力も異なってくる。

また、計測周期である所定の計測時間（例えば１０ｍｓ）が終了すると（Ｓｔｅｐ８）、基準比較手段６ａの出力が反転したかどうかを判定し、判定していた場合は、その超音波送信から検知までの検知時間に基づいて障害物までの距離を算出する（Ｓｔｅｐ９）。この検知時間から障害物までの距離は音速を基に算出する。

そして、算出した障害物までの距離を判定し（Ｓｔｅｐ１０）、予め設定された距離よりも近い場合（例えば２０ｃｍ以下）、制御手段５は次回の超音波の駆動条件を図７に示すように１０Ｖから５Ｖへ駆動電圧の低減（Ｓｔｅｐ１４）、駆動波数を５波から３波へ低減（Ｓｔｅｐ１５）、駆動周期を１０ｍｓから５ｍｓへ短縮する（Ｓｔｅｐ１６）。

また、障害物までの距離が予め設定された距離よりも遠い場合には、駆動電圧、駆動波数、駆動周期を通常設定（それぞれ１０Ｖ、５波、１０ｍｓ）にする（Ｓｔｅｐ１１〜１３）。このように検知した障害物までの距離に応じて次の超音波の送信手段４による超音波センサ２の駆動条件を切り替えながら動作を行っていく。

近距離での駆動電圧、駆動波数を低減して超音波送信の強度を弱くする理由は、近距離に障害物が存在する事が判明している場合には、遠くの障害物を検知する必要がなく、超音波送信の強度を弱くすることで超音波が多重反射して正規のタイミングの受信波に影響することを防ぐためである。

以上のように、本実施の形態においては、基準電圧設定手段６ｂが超音波を送信後の時間経過に応じて基準電圧を順次変更していき、直接波の影響を回避しつつ常に良好な受信感度とすることができる。また、本実施の形態では障害物の検知動作毎に基準電圧Ａ、Ｂの２つのパターンを切り替えながら検知を行うことで障害物の大小を推定することができるので、この情報をもとに大きな障害物であれば大きく回避や通常より手前で停止するなどの本体１の回避動作を改善することができる。さらに検知した障害物までの距離に応じて次の送信手段４による超音波センサ２の駆動条件を切り替えることにより、特に、短距離での検知周期が早くなることで短距離での検知能力を向上させることができる。なお、本実施の形態では障害物の検知動作毎に切り替える基準電圧のパターンを２つとしたが、これに限定されるものではなく切り替える基準電圧の種類を多く持たせれば、それだけ障害物の大小判定の精度を上げることも可能である。

（参考の形態１）
次に、本発明の参考の形態１における自律走行装置について説明する。

本参考の形態では、実施の形態１で説明した各手段は、ＣＰＵ（またはマイコン）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、記憶・記録装置、Ｉ／Ｏなどを備えた電気・情報機器、コンピュータ、サーバなどのハードリソースを協働させるプログラムの形態で実施させるものである。

プログラムの形態であれば、磁気メディアや光メディアなどの記録媒体に記録したりインターネットなどの通信回路を用いて配信したりすることで新しい機能の配布・更新やそのインストール作業が簡単にできる。

以上のように、本発明にかかる自律走行装置は、直接波の影響を回避しつつ常に良好な受信感度とすることができ、また、障害物の大小を推定することができ、さらに、近距離での検知能力を向上させることができるので、自走式掃除機やその他のロボットなどに適用できる。

本発明の実施の形態１における自律走行装置の構成を示すブロック図同装置の受信信号処理手段の詳細を示すブロック図同装置の初期動作のフローチャート同装置の通常動作のフローチャート同装置の基準電圧決定動作を示した図同装置において同じ距離に大きさの異なる障害物を置いた場合における超音波センサの受信波の様子を示す図同装置の送信手段の駆動条件切り替え状態を示す図

１本体
２超音波センサ（送信）
３超音波センサ（受信）
４送信手段
５制御手段
６受信信号処理手段
７計時手段
８駆動手段

Claims

超音波を送信および受信する複数の超音波センサと、送信側の超音波センサを駆動する送信手段と、前記受信側の超音波センサの受信信号を増幅・信号処理する受信信号処理手段と、前記送信手段によって超音波の送信後の経過時間を計時する計時手段と、前記受信信号処理手段の出力により本体と障害物との距離を認識する制御手段とを有し、前記受信信号処理手段は、前記制御手段の指示により基準電圧を設定する基準電圧設定手段と、前記基準電圧設定手段が設定した基準電圧と増幅手段の出力とを比較し前記制御手段に出力する基準比較手段とを有し、前記計時手段により計時される時間により前記基準電圧設定手段の基準電圧を変更すると共に、前記基準電圧設定手段は、超音波を送信後一定時間内における超音波センサの受信信号のピーク電圧により基準電圧の初期値を決定し、前記制御手段は、前記基準電圧設定手段の基準電圧を超音波の送信毎に少なくとも２パターン以上切り替えたときの前記基準比較手段の出力により障害物の回避動作の制御を行う自律走行装置。
制御手段は、基準電圧設定手段の基準電圧を超音波の送信毎に初期値設定動作で決定したピーク電圧から時間経過とともに減衰する基準電圧Ａと、前記ピーク電圧から電圧を変更しない基準電圧Ｂとに切り替えたときの基準比較手段の出力により障害物の回避動作の制御を行う請求項１に記載の自律走行装置。