JPH02102481A - 超音波誘導装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 策術分野 本発明は、障害物を避けながら超音波信号源が設けられ
た目標体を追尾する超音波誘導装置に関する。

従速」１礼 一般に、この種の超音波誘導装置を実現するためには、
移動体に前方障害物を検知する視覚機能およびその検知
された障害物を避けるような操舵を行なわせる自動操舵
機能をもたせ、またその移動体に目標体までの距離およ
び方向を検知しながら前記移動体をその目標体にしたが
って移動させる追尾機能をもたせる必要がある。

しかして従来では、複数のレーダを用いて視ユを機能お
よび追尾機能をそれぞれ発揮させるようにしているが、
前方の所定領域をレーダにより走査して高分解能をもっ
て障害物と目標体とをそれぞれ識別しながら検知させる
ようにするには全体の構成が複雑になってしまうととも
に、障害物または目標体の検知に時間を要するものとな
っている。

１眞 本発明は以上の点を考慮してなされたもので。

障害物および目標体に対する距離、方向を迅速に、かつ
高分解能をもって精度良く検知して、障害物を避けなが
ら超音波信号源が設けられた目標体を最適に追尾するこ
とができるようにした超音波誘導装置を提供するもので
ある。

ｌ威 本発明はその目的を達成するため、複数の超音波送信器
および超音波送信器における各超音波振動子をアレイ状
に配設して得られる長方形状のビームパターンによる超
音波ビームを走査しながら超音波ビームの送信および障
害物からの反射ビームの受信をなして前方障害物の検知
を行なわせる移動体に搭載された第１の手段と、目標体
がら送られでくるトリガ電波および超音波信号を受信し
て、トリガ電波が受信されてから超音波信号が受信され
るまでの時間を計測することによって目標体までの距離
を求めるとともに、超音波受信器を複数設置して三角測
量の原理によって目標体の方向を求める前記移動体に搭
載された第２の手段と、第１の手段から与えられる障害
物の情報にしたがって、その障害物を避けるように移動
体の操舵を行なうとともに、第２の手段から与えられる
前記目標体に対する距離および方向の情報にしたがって
その目標体を追尾するように移動体の操舵を行なわせる
第３の手段とをとるようにしている。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施例について詳
述する。

本発明では、障害物の検知を行なわせる第１の手段とし
て、以下のような超音波レーダ手段を用いるようにして
いる。

その超音波レーダ手段としては、第１図および第２図に
示すように、ｙ軸上に例えば３つの超音波送信器Ｔ１〜
Ｔ３を並設するとともに、・Ｘ軸上に超音波送信器Ｔ１
〜Ｔ３の列が中央にくるように例えば９つの超音波受信
器Ｒ１〜Ｒ９を並設し、制御回路ＣＮＴの制御下におい
て、各超音波送信器Ｔ１〜Ｔ３の送信動作を同時に行な
わせるとともに、各超音波受信＠Ｒ１−Ｒ９の受信動作
を時系列的になして物体○からの反射ビームの受信走査
を行なわせるようにしている。

各超音波送信器ＴＩ−Ｔ３としては、第３図に示すよう
に、それら各超音波送信器Ｔ１〜Ｔ３における超音波振
動子ｂ１〜ｂ３が長方形状のビームパターンによる超音
波ビームが得られるようにアレイ状に配設されており、
またそれら各超音波振動子ｂ１〜ｂ３に移相器ＰＳ１〜
ＰＳ３がそれぞれ設けられて、各移相器ＰＳ１〜ＰＳ３
により送信ビームの位相を適宜変化させることにより送
信ビームの指向性を制御して、長方形状の超音波ビーム
をＸ方向に走査しながら送信することができるようにな
っている。

また各超音波受信器Ｒ１〜Ｒ９としては、超音波受信器
Ｔ　１−Ｔ　３の場合と同様に、それぞれの超音波振動
子がアレイ状に配設されて、それら各超音波振動子に移
相器がそれぞれ設けられており、各超音波振動子による
ビーム受信の位相制御をなすことにより超音波ビームの
受信走査をなすことができるようになっている。

第４図に、このように構成された本発明による超音波レ
ーダ装置における３つの超音波送信器ＴＩ−Ｔ３による
送信ビームの走査領域Ａおよび９つの超音波受信器Ｒ１
〜Ｒ９による受信走査領域Ｂを示している。なお、図中
矢印Ｓｔは送信ビームの走査方向を、Ｓｒは受信走査方
向をそれぞれ示している。

送信ビームの走査領域Ａは、ｙ軸方向の長方形状のビー
ムパターンＰｔをＸ軸方向に走査させた領域からなって
いる。受信走査領域Ｂは、Ｘ軸方向の長方形状のビーム
パターンＰｒをｙ軸方向に走査させた領域からなってい
る。

なおここでは、受信走査されるビームパターンＰｒによ
って送信ビームの走査領域Ａにおける走査幅が網羅され
るような関係をもって、超音波送信器Ｔ１〜Ｔ３および
超音波受信器Ｒ１−Ｒ９の各設置数が決定されている。

しかしてこのような超音波レーダでは、第５図に示すよ
うに、レーダ監視面（送信ビーム領域Ａ）をＸ軸方向に
９等分の小エリア■〜■に分割して。

左端の小エリア■から右端の小エリア■まで各小エリア
内に物体が存在するか否かの検知を順次行なうことがで
きるようになる。

通常、そのレーダ監視面が、ｙ軸方向のひろがり角度０
１が１５６程度に、Ｘ軸方向のひろがり角度θ２が３０
″程度になるように設定される。

したがって、制御回路ＣＮＴにおいて、例えば物体から
の反射ビームが超音波受信器Ｒ４によって受信されるこ
とによってその物体がレーダ監視面の小エリア■内に存
在することがわかるなど、そのレーダ監視面におけるＸ
軸方向の位置関係をもって物体の検知が行なわれる。

また検知される物体との距離は、制御回路ＣＮＴにおい
て、各超音波送信器Ｔ１〜Ｔ３から超音波ビームが送信
されてから、各超音波受信器Ｒ１〜Ｒ９によって物体か
らの反射ビームが受信されるまでの時間をそれぞれ計測
することによって求められる。

なお、ｙ軸方向が水平になるように超音波送信器Ｔ１〜
Ｔ３および超音波受信器Ｒ１〜Ｒ９を設置して、垂直方
向に受信走査を行なわせるようにすれば、レーダ監視面
内において上下の位置関係をもって物体の検知を行なわ
せることができるようになる。

その際、特に、第６図に示すように１階段における各段
のエツジ部分でそれぞれ反射ビームが得られ、それによ
り階段の検知を行なわせることが可能になる。

また本発明では、目標体に対する距離、方向を求める第
２の手段として、以下のような超音波測距手段を用いる
ようにしている。

その超音波測距手段としては、第７図に示すように、目
標体側に設けられた送信部Ｔと、その目標体の測定側に
設けられた受信部Ｒとからなっている。

送信部Ｔは、バースト波による超音波信号を超音波振動
子１から送信する超音波送信器２と、微弱電波によるパ
ルス状のトリガ電波をアンテナ３から送信するトリガ電
波送信器４と、超音波（４号の送信とトリガ電波の送信
との同期をとるべく各送信器２，４の送信制御を行なわ
せる制御回路５とによって構成されている。

受信部Ｒは、超音波信号を超音波振動子６を介して受信
する超音波受信器７と、トリガ電波をアンテナ８を介し
て受信するトリガ電波受信器９と、それら各受信Ｉ７，
９によってそれぞ４Ｌ受信されるトリガ電波と超音波信
号との各受信のずれ時間を計測して目標体までの距離を
所定の演算によって求める演算回路１０とによって構成
されている。

このように構成されたものにあって、第８図に示すよう
に、ｔｏの時点で送信部Ｔからトリガ電波と超音波信号
とを同時に送信させると、受信部Ｒにおいて１１の時点
でトリガ電波が受信され、続いてｔ２の時点で超音波信
号が受信される。

このトリガ電波が受信されてから超音波信号が受信され
るまでの所要時間Ｔｘは、電波と超音波との伝播速度の
違いから生ずるもので、送信部Ｔと受信部Ｒとの間の距
離に比例して変化することになる。

しかして、受信部Ｒの演算回路１０において、トリガ電
波が受信されてから超音波信号が受信されるまでの時間
Ｔｘを計測し、その計測された時間Ｔｘにしたがって次
式の演算処理を行なわせることにより、目標体までの距
１ｉＬｘを算出する。

Ｌｘ　＝ＶｓＸＴｘ　　　　　　（１）ここで、Ｖｓは
超音波の空中伝播速度である。

なお、超音波信号の送、受信を行なわせる際に、超音波
送信器２からスペクトラム拡散（Ｍ系列離散）によるラ
ンダム波による超音波信号を送信させ、超音波受信器７
において受信した超音波信号と受信器側に予め記憶され
ている前記ランダム波との相関のピークを求め、その求
められたピークをもって超音波信号の受信とするように
すれば。

ノイズの影響を受けることなくその超音波信号の送、受
信を高精度に行なわせることができる。

第９図に、スペクトラム拡散によるランダム波を用いた
超音波信号の送、受信を行なわせる場合における超音波
送信器２および超音波受信器７の具体的な構成例を示し
ている。

同図の構成にあって、超音波送信器２では、搬送波発振
器２１からの搬送波とランダム波発生器２２からのスペ
クトラム拡散によるランダム波とがバランスミキサ２３
においてミキシングされ、そのミキシング信号が超音波
送信器本体２４から超音波振動子１を介して超音波信号
として送信されるようになっている。

また、超音波受信器７では、超音波振動子６を介して超
音波受信器本体７１において受信された超音波信号がバ
ランスミキサ７２に与えられて、そこでランダム波発生
器７３からのスペクトラム拡散によるランダム波とのミ
キシングがなされたうえで、同期検出器７４において受
信した超音波信号とランダム波発生器７３からのランダ
ム波との相関のピークを求め、距離計数器７５において
ランダム波発生器７３からのランダム波を読み込んで、
同期検出器７４において求められたピークが生ずるまで
の時間を計数することによって距離をわり出すようにし
ている。

このスペクトラム拡散によるランダム波を用いた超音波
信号の送、受信を行なわせるものにあっては、同一の拡
散符号を発生するランダム波発生器２２．７３における
各基本クロックが距離分解能を決定している。

このように本発明に係る超音波測距手段によれば、目標
体に超音波送信器を設置し、その超音波送信器から送信
される超音波信号を測定側の超音波受信器で受信して、
超音波信号の伝達時間から目標体までの距離を測定する
に際して、特に時間計測のトリガとなる微弱電波を用い
て、測定側において、送信側から超音波信号と同時に送
信されてくるトリガ電波が受信されてから超音波信号が
受信されるまでの時間を計測することにより、目標体ま
での距離を正確に測定することができる。ようになる。

その際、特に本発明では、第１０図に示すように、測定
側に超音波受＜Ｓ器７を２台設けて、その各超音波振動
子６Ａ、６Ｂを水平方向に配設して（設置間隔Ｗは既知
となる）、超音波送信器２が設けられた目標体Ｏとの間
の距１１１　Ｌ　ａｘ、　Ｌ　ｂｘをそれぞれ測定する
ようにして、三角測量の原理にしたがって目標体０まで
の距離を正確に求めるとともに、角度α、βから目標体
○の二次元的な位置をもねり出すことができるようにし
ている。

さらに本発明では、第１１図に示すように、測定側に超
音波受信器７を４台設けて、２つの超音波振動子６Ａ、
６Ｂを水平方向に設置するとともに（設置間隔Ｗ１は既
知となる）、それと直交するように２つの超音波振動子
６Ｃ，６Ｄを垂直方向に設置して（設置間隔Ｗ２は既知
となる）、三次元による三角測量の原理によって目標体
０までの距離およびその三次元的な位置、方向をわり出
すことができるようにしている。なおこの場合。

測定側に超音波受信器を４台設けなくとも３台で目標物
Ｏの三次元的なねり出しを行なわせることができ、残り
の１台を補正用とするようにしてもよい。

第１２図に、前述した障害物検知用の超音波レーダ本体
における超音波送、受信器の各超音波振動子アレイＴ１
〜Ｔ３．Ｒ１−Ｒ９および超音波測距手段におけるトリ
ガ電波受信用の平面アンテナ８Ａ〜８Ｄと水平、垂直方
向に設けられる各超音波受信器の超音波振動子６Ａ〜６
Ｄが組み込まれた受信部１３の構造を示している２ なお、受信側に超音波受信器７を複数台設ける場合、各
超音波受信器７ごとにトリガ電波受信器９をそれぞれ設
置することなく、１台のトリガ電波受信器９を共通に設
置すればよい。

本発明では、第１３図に示すように、自動操舵機能をも
った走行ロボット（移動体）１１に、超音波レーダ手段
および超音波測距手段における超音波受信器７．トリガ
電波受信器９が組み込まれた超音波誘導装置１２を搭載
して、前述の平面構造による受信部１３を走行ロボット
１１の前面・に取り付けて、人間（目標体）１４が超音
波送信器２およびトリガ電波送信器４とが組み込まれた
送信装置１５をもって移動したとき、走行ロボッ１へ１
１がその超音波誘導装置１ｔ１２によって、前方の障害
物１６を検知し、その検知された障害物１６を避けなが
ら、送信装置１５に対する距離、方向を求めて、一定の
距離を保って人間１４の移動に追尾させるようにしてい
る。

具体的には、走行ロボット１１にコンピュータ制御によ
る自動操舵手段が設けられており、そのコンピュータの
制御下において、前述の超音波レーダ手段から与えられ
る前方の所定領域内における障害物の検知情報にしたが
って障害物を避けるように走行ロボット１１の操舵が行
なわれ、また前述の超音波測距手段によって求められた
目標体に対する距離、方向の情報にしたがって目標体を
追尾するように走行ロボット１１の操舵が行なわれるよ
うになっている。

その際、特に第１１図の構成による超音波ａｌｌ距手段
を用いて目標体０の位置が垂直方向に連続的に変化する
ことをみるようにすれば、第１３図に示すように、人間
１４が傾斜面を登っていること（または傾斜面を下って
いること）が認識できるようになる。

塁Ｕ長 以上、本発明による超音波誘導装置にあっては、特殊な
超音波レーダ手段および超音波測距手段を用いることに
より、前方障害物および目標体に対する距離、方向を迅
速に、かつ高分解能をもって精度良く検出することが可
能となり、その各検出結果にもとづいて、障害物を避け
ながら超音波信号源が設けられた目標体を最適に追尾す
ることができ、また全体の構成が簡単になるという優れ
た利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波レーダ手段の一構成例を示
すブロック図、第２図はその構成例における超音波送信
器と超音波受信器との設置状態を示す図、第３図は複数
の超音波送信器における各超音波振動子および移相器の
設置状態を示す図。 第４図は同構成例による送信ビーム領域と受信走査領域
とを示す図、第５図は同構成例によるレーダ監視面の各
走査エリアを示す図、第６図は同構成例による階段の検
知状態を示す図、第７図は本発明に係る超音波測距手段
の一構成例を示すブロック図、第８図は同構成例におけ
るトリガ電波および超音波信号の送、受信のタイミング
を示すタイムチャー１−１第９図は超音波送信器および
超音波受信器の具体的な構成例を示すブロック図、第１
０図は二次元的な三角測量の原理による目標体に対する
距離、方向の測定方法を示す図、第１１図は三次元的な
三角測量の原理による目標物に対する距離および方向の
測定方法を示す図、第１２図は本発明による超音波誘導
装置における受信部の一構成例を示す斜視図、第１３図
は本発明による超音波誘導装置による目標体の追尾状態
の一例を示す図である。 ム走査領域（レーダ監視面）　Ｂ・・受信走査領域１．
６・・・超音波振動子　２・・・超音波送信器　３゜８
・・・アンテナ　４・・・トリガ電波送信器　５・・・
制御回路　７・・・超音波受信器　９・・・トリガ電波
受信器１０・・・演算回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数の超音波送信器および超音波受信器における各超音
   波振動子をアレイ状に配設して得られる長方形状のビー
   ムパターンによる超音波ビームを走査しながら、超音波
   ビームの送信および障害物からの反射ビームの受信をな
   して前方障害物の検知を行なわせる移動体に搭載された
   第１の手段と、目標体から送られてくるトリガ電波およ
   び超音波信号を受信して、トリガ電波が受信されてから
   超音波信号が受信されるまでの時間を計測することによ
   って目標体までの距離を求めるとともに、超音波受信器
   を複数設置して三角測量の原理によって目標体の方向を
   求める前記移動体に搭載された第２の手段と、第１の手
   段から与えられる障害物の情報にしたがって、その障害
   物を避けるように移動体の操舵を行なうとともに、第２
   の手段から与えられる前記目標体に対する距離および方
   向の情報にしたがってその目標体を追尾するように移動
   体の操舵を行なわせる第３の手段とによって構成された
   超音波誘導装置。