JPH0248707A - 移動体の障害物検出装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、移動ロボット等の移動体に搭載され、この
移動体が障害物を避けて走行するのに必要な情報を提供
する装置に関する。

〔従来の技術〕

従来において、移動ロボット等の移動体を所定の走行コ
ースに沿って誘導走行させる方法として以下２種の方法
がある。

■　床面にたとえば誘導磁界を発生する誘導線を敷設し
、上記移動体に配設されたピックアップコイルで上記誘
導線から発生する磁界を検出して、上記誘導線に対する
移動体の横方向のずれ量を求め、これに基づいて上記移
動体を上記誘導線に倣って誘導させる方法。

■　移動体の進行方向および移動量を検出し、該検出値
によって移動体の現在位置を逐次算出し、この算出値に
基づき移動体が予め教示された予定走行経路上を辿るよ
うに移動体の走行を制御する方法。

上記いずれかの誘導走行方法を用いて移動体を走行させ
る場合、それが特に工場内、オフィス等々狭所において
使用された場合にあっては、移動体が壁等の設備に衝突
する可能性が高くなる。また、移動体の走行経路上に当
の移動体以外の他の移動体等々の障害物が出現すること
がある。こうした状況下では、移動体とこれら障害物と
の衝突を避けるために、上記■、■の走行制御を中止し
て、移動体の走行コースを変更する必要がある。

そのためには、当の障害物を検出、つまり障害物の位置
情報を得る必要がある。

この位置情報としては、単に移動体と障害物との距離の
みならず、移動体に対する障害物の方向をも含んでいる
。すなわち、障害物がいずれの方向にいずれの距離だけ
離れて存在しているかという障害物の位置情報を得るこ
とができれば、移動体としては、この障害物の存在して
いない方向にいずれの時点で方向変換をすべきであると
いう事ト断をすることが可能になる。

こうした障害物（の位置）を検出する装置としては、従
来において、レンジ・ファインダ方式と呼称されるもの
が開発され、公知であり、大別して以下２つの方式があ
る。

１）移動体より水平方向にスリット光を発射するととも
、該スリット光を平面内の各方向に走査して障害物に当
て、これにより発生する光の筋をＴＶカメラ等の視覚手
段によって撮像し、該ＩＩ像結果に基づき、障害物まで
の距離を求める方式。

２）移動体の周囲に複数の超音波送受信機を配設し上記
各超音波の反射波を上記センサで検出し、この検出結果
に基づいて、障害物の方向、位置を求める方式。

〔発明が解決しようとする課題） ところで、上記１）の方式は、カメラ等の視覚手段の撮
像結果から障害物の距離を求めるまでの各処理、特に両
会処理は多大な時間を要するという欠点がある。このた
め、リアルタイムに障害物を検出できないことがあろう
し、またリアルタイムに検出すべく上記処理時間を考慮
して、移動体の走行速度を低下させなくてはならないと
いう不都合がある。

また、上記方式２）とても、各センサ間で干渉が生じた
り（ビームを細く絞りにくいため）、障害物の超音波反
射面の傾き具合によっては、反射波が移動体に戻って来
なくなったり等して正確な障害物の検出を行なうことが
できないという不都合がある。さらに、超音波を使用し
ているため、その伝搬速度の低速度に起因して、計測処
理は、多大な時間を要しく５ｍ先の障害物まで超音波が
往復するのに約１Ｑｉｓｅｃ要す）、リアルタイムに障
害物を検出することができないという不都合も上記１）
の方式と同様に招来する。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたもので、障害
物をリアルタイムで、かつ正確に検出することのできる
障害物検出装置を提供することをその目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

そこでこの発明では、移動体に前記障害物に光を投光す
るための光源と、前記光を略水平平面内において回転投
光させる投光方向変化手段と、前記光の投光方向を検出
する投光方向検出手段と、前記光の障害物からの反射光
を受光して該反射光の受光位置を検出する受光位置検出
手段と、前８ご受光位置検出手段によって前記反射光の
受光位置が検出された際に、前記投光方向検出手段およ
び前記受光位置検出手段の各出力に基づいて、前記移動
体に対する前記障害物の方向および前記移動体と前記障
害物との距離を演算するＰｆ４算手段とを具えるように
する。

〔作用〕

すなわち、移動体の光源から投光される光の投光方向が
２次元平面内において変化されると、やがて上記光が移
動体の周囲に存在する障害物に投光される。この時、光
が障害物によって反射され、この反射光は、移動体で受
光され、その受光位置が検出される。ここに、この受光
位置と移動体障害物間の距離とは、上記投光方向をパラ
ン・−夕として所定の幾何学的関係が成立するから、受
光位置に基づいて障害物までの距離を演算することがで
きる。また、移動体に対する障害物の方向は、光が障害
物に投光された時の投光方向を検出することによって求
めることができる。こうして、障害物の上記距離、方向
が障害物の位置情報として求めることができたならば、
この位置情報に基づいて、移動体を障害物に衝突させな
いように走行制御することができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明に係る移動体の障害物検出装置の一実
施例を概念的に示すブロック図で、第２図は、移動体と
障害物との距離と、移動体に対する障害物の方向を得る
ための本発明に適用される原理を説明するために用いる
図である。

第１図に示す実施例の装置は、移動ロボット等の移動体
１に搭載される。

同図に示すミラー駆動部１０は、上記移動体１の前部（
進行方向）の所定位置に配設され、ミラー１１を鉛直軸
Ａを中心軸として回転させて、レーザ光を２次元平面内
の各方位に投光するものである。

すなわち、上記ミラー駆動部１０は、光源である近赤外
領域のスペクトル成分を有するレーザ光を鉛直方向に投
光するレーザ・ダイオード１２と、このレーザ・ダイオ
ード１２から投光されるレーザ光を所要の細いビーム光
に絞る作用をなすレンズ１３と、レンズ１３を介して下
方から入射されるレーザ光を水平方向に反射させる４５
°の傾斜角を有するミラー１１と、このミラー１１を減
速ギヤ１４を介して鉛直軸Ａを中心に回動させるモータ
１５と、モータ１５の回転量に対応した数のパルスを出
力するパルスエンコーダ１６と、このエンコーダ１６の
出力パルスをカウントするカウンタ１７とを備えた構成
をもつ。

なお上記モータ１５は、図示していないコントローラの
指令に基づき、図示していないドライバによって駆動さ
れる。

一方、上記ミラー１１によって反射され、２次元平面内
の各方位に投光されたレーザ光が同平面内に存在する障
害物２に当たると、同障害物２の投光位置にスポット像
が形成される。このスポット像は、反射光として受光部
２０にて受光される。

すなわら、受光部２０は、障害物２から反射される反射
光を入光するとともに、可視光領域のスペクトル成分を
カットする光学フィルタ２１と、このフィルタ２１を介
して入光される反射光を集光するレンズ２２と、このレ
ンズ２２を介して集光される反射光を該反射光の入光方
向に応じた位置に結像させるＰＳＤ（ポジション　セン
サデバイス）２３と、ＰＳＤ２３の検出信号を増幅して
、ディジタル信号に変換するアンプ２４、Ａ／Ｄコンバ
ータ２５とから成っている。

ここに、上記ＰＳＤ２３としては、単結晶シリコンを受
光素子として使用しているものを用いている。この場合
、結像すべき当のレーザ光の周波数帯域（近赤外領域）
の感度が良いので、Ｓ／Ｎ比の向上が図られる。また、
可視光領域の成分をカットする光学フィルタ２１を介し
ているので、上記Ｓ／Ｎ比の向上がより一層図られてい
るのがわかる。

上記ＰＳＤ２３で検出された受光部ｌｘを示す信号は、
アンプ２４を介して、Ａ／Ｄコンバータ２５によってデ
ィジタル信号（Ｘ）に変換され、ＣＰＵ３０に加えられ
る。

また、一方、上記ミラー１１の回転角度θ（モータ１５
の回転角度）は、パルスエンコーダ１６を介して、カウ
ンタ１７で検出され、この検出された回転角度θは、Ｃ
ＰＵ３０に加えられる。なお、ＣＰＵ３０に、特定の値
たとえばθ−０を示す回転角度信号が加えられると、こ
の信号は、ＣＰＵ３０で行なわれる後述するフローチャ
ートの割込信号として使用される。

また、移動体の車幅方向に関するミラー１１とＰＳＤ２
３との距１１ａおよびレンズ２２とＰＳＤ２３との焦点
距離ｆの８値は、図示していないメモリに格納され、上
記フローチャートで行なわれる演算処理で使用される。

ここで、移動体１の走行する２次元平面内に存在する障
害物２と移動体１との距離１およびその障害物２の方向
θを、上記ＰＳＤ２３の受光位置Ｘ、ミラー２の回転角
度θ、これらＰＳＤ２３とミラー１１との距１Ｉｉａお
よび焦点距離ｆの幾何学的関係から演算する原理につい
て、第２図を参照して説明する。第２図は、移動体１の
上面を概念的に示したものである。

同図に示すようにミラー１１から、移動体１の前面Ｂを
基準角度（零）としてレーザ光が角度θをもって投光さ
れて、このレーザ光が距離１１だけ離れた障害物２の前
面Ｃ１に当ったものとすると、同レーザ光は、同図に一
転鎖線で示す経路で反射され、この反射光はレンズ２２
を介して、ＰＳＤ２３の受光位Ｉｆ　Ｘ　１で受光され
る。

また、上記障害物２がより後方の位置（移動体１の前面
Ｂと障害物２の前面Ｃ２と距離が上記）１よりも大きい
距離Ｊ２）に存在している場合には、レーザ光が同じ角
度θで投光されたとしても、反射光の経路（同図に破線
にて示す）が異なり、その反射光の受光位置が×１より
も小さい×２になる。

このように、移動体１の前面Ｂと障害物２の前面Ｃ１，
Ｃ２との距離Ｊ！１．１２とＰＳＤ２３で検出される受
光位置Ｘ１　、Ｘ２とは、所定の関係があることがわか
る。

上記関係は、同図からも明らかなように三角形の相似性
より、変数であるミラー１１の回転角度θおよび定数ａ
、ｆをパラメータとして、次式、 ）１　　、　２　　　　ａ＋１１．　２　／ｌａｎ　　
θ・・・　（１）′ １１．２ で表わされる。

ここに、ＰＳＤ２３の受光位置、移動体１の前面Ｂと障
害物２の前面との距離をそれぞれｘ、１と一般化し、上
記（１）′　は、次式 で表わされるから、この（１）式を変形すると、上記距
離ｌは、次式 のごとく表わされる。

したがって、ミラー１１の回転角度θを検出することが
できれば、上記（２）式によって、移動体１から障害物
２までの距１１１を求めることができる。

一方、障害物２の方向は、レーザ光が障害物２に当たっ
て反射された時のミラー１１の回転角度、つまりレーザ
光がＰＳＤ２３にて受光された時のミラー１１の回転角
度によって求めることができる。

すなわち、同図に示すようにミラー１１の回転角度θが
Ｃ１からＣ２の範囲にある場合は、レーザ光が障害物２
（前面Ｃ１）に当たって反射され、これによりレーザ光
がＰＳＤ２３において受光される。一方、回転角度θが
上記範囲以外である場合は、レーザ光が障害物２にて反
射されることなく、このため、ＰＳＤ２３にてレーザ光
が受光されない。したがって、障害物２の方向は、ＰＳ
Ｄ２３でレーザ光が受光されている間におけるミラー１
１の回転角度０１〜θ２として検出することができるこ
とがわかる。

上記原理に基づいて、第１図のＣＰＵ３０で行なわれる
処理手順を第３図のフローチャートを参照して説明する
。

なお実施例では、回転角度θが３０°から１５０°の範
囲内において存在している障害物２の位置情報、つまり
距離１およびその方向θを求め、これによって後述する
障害物マツプを作成するようにしている。確かに、ミラ
ー１１は全方位に回動可能であり、Ｏ≦θ≦３６０と全
周囲に関する障害物マツプを作成することも可能である
が、実際上、移動体１の進行方向およびその周辺の様子
がわかれば移動体１が障害物２を避けるための情報とし
ては、充分であるので、上記のような角度範囲（３０°
≦θ≦１５０”）に設定している。

なお、上記障害物マツプとしては、第４図に示すように
移動体１の進行方向り前方に障害物２がいずれの距離ｌ
たけ離れ、いずれの方向θに存在しているかを示す障害
物マツプ３を作成することを想定している。

第３図のフローチャートは、前記するように、カウンタ
１７のキャリー・ビットにて作成された割込信号（θ＝
Ｏ°）によってスタートするものである。

こうして手順がスタートされると、ステップ１０１では
、カラン、り１７から出力されるミラー１１の回転角度
θを読み込む処理が実行されて、この回転角度θが３０
°以上であるか否かが判断される（ステップ１０２）。

ステップ１０２の判断結果がＹＥＳの場合は、つぎのス
テップ１０３に移行して、回転角度θが１５０°以上で
あるか否かが判断される。

ステップ１０３の判断結果がＮｏの場合、つまり回転角
度θが３０’以上１５０°よりも小さい場合には、ＰＳ
Ｄ２３で検出される受光位［ｉｌｘを読み込む処理が実
行される（ステップ１０４）。

つぎのステップ１０５では、ステップ１０４で読み込ま
れた受光位＠Ｘの値に基づいて、レーザ光のスポット像
が有るか否か、つまりステップ１０１で読み込まれた回
転角度θの方向に障害物２が存在しているか否かが判断
される。

具体的には、上記判断は、ＰＳＤ２３によって受光位置
Ｘが検出されているか否かによって行なう。すなわち、
障害物２が遠方に存在していてＰＳＤ２３で検出される
光量が微少な場合、または障害物２が存在していない場
合には、ＰＳＤ２３にて受光位置Ｘが検出されないので
、この時は、判断結果Ｎｏとなり、手順はステップ１０
６に移行される。ステップ１０６では、障害物２が回転
角度θの方向に存在していないことを示す位置データ（
θ、ｏｏ）を作成し、このデータに基づぎ障害物マツプ
３を作成する処理が実行される。具体的には、たとえば
、第４図に示すごとくマツプ３上に方向θｅに関して、
何ら障害物２に関する情報を記入しないことになる。

一方、ステップ１０５の判断結果がＹＥＳ、つまりＰＳ
Ｄ２３によって受光位置Ｘが検出されている場合には、
手順はステップ１０７に移行され、同ステップ１０７に
おいて、上記ステップ１０１で読み込まれたミラー１１
の回転角度θ、ステップ１０４で読み込まれたＰＳＤ２
３の受光位置Ｘおよび前記定数ａ、ｆに基づいて、前記
（２）式の演算が実行され、移動体１の前面Ｂと障害物
２の前面Ｃとの距離１が求められる。そして、ステップ
１０１で読み込まれた回転角度θ、ステップ１０７で求
められた距離ｌの値を位置データ（θ。

ｉ）として、このデータに基づき障害物マツプ３を作成
する。

具体的には、たとえば、第４図に示すごとく移動体１の
前方、距離１ｒ、方向θ「の位置に障害物２の前面Ｃを
示す点Ｐがプロットされることになる（ステップ１０８
）。

上記ステップ１０１〜１０８の処理が繰り返し実行され
、ステップ１０５の判断結果がＹＥＳである間は、第３
図に示すごとく障害物２の前面Ｃを示す点Ｐ・・・が順
次プロットされていくことになる。

やがて、ステップ１０３の判断結果がＹＥＳ、つまりミ
ラー１１の回転角度が１５０°よりも大きくなった場合
には、移動体１の前方の障害物マツプ３を作成し得たも
のとして、処理が終了する。

こうして−走査（３０°≦θ≦１５０°）が終了して、
このうち回転角度θが、θ１≦θ≦０２の範囲内で、ス
テップ１０５の判断結果がＹＥＳであった場合には、こ
の範囲内で点Ｐ・・・がプロットされることになるから
、これら点を連続して結べば、同図にハツチングで示す
ような障害物２をマツプ３上に記入することが可能にな
る。

第４図に示す障害物マツプ３の内容は、図示していない
メモリに格納される。

上記メモリの内容は、たとえばＣＰＵ３０の後段の移動
体１の操舵輪の方向を制御するコントロ−ラに読み込ま
れる。

このコントローラは、以下のような作用をなす。

たとえば、第４図に示すマツプ３が読み込まれたものと
すると、移動体１の現在の進行方向りのままでは障害物
２に衝突するおそれがあるという情報を得ることができ
る。これとともに、方向θ〉θ２に移動体１を進行させ
れば、障害物２を避けることができるという情報を得る
ことができる。

したがって、これら情報に基づいて移動体１の操舵輪を
移動体１が方向Ｅ（θ〉θ２）となるように制卸して、
移動体１が障害物２を避けて走行させることができる。

以上説明したように実施例によれば、レーザ光をミラー
１１を介して各方位に投光するとともに、障害物２で反
射されたレーザ光をＰＳＤ２３で受光して、ミラー１１
の回転角度とＰＳＤ２３で検出される受光位置に基づく
演算処理によって、障害物２の位置情報を得るようにし
たので、ＴＶカメラ等の視覚手段を使用したり、多数の
センサを移動体１の周囲に設けたり、また音波を使用す
る場合に較べて、障害物２を簡単な構成で、かつリアル
タイムにしかも正確に検出することができる。

このため、上位障害、物２の位置情報に基づいて、障害
物２を避けて移動体１を迅速かつ正確に走行させること
ができる。

なお、実施例では、光源として近赤外レーザ・ダイオー
ド１２を使用しているが、もちろんこれに限定されるこ
となく高輝度ＬＥＤを使用してもよく、さらにいえば光
源としては、レーザ光に限らず直進性に優れた光であれ
ば、これを使用する実施も当然可能である。

また、実施例では、ミラー１１の回転角度を変化させて
、レーザ光の投光方向を変えているが、これに限定され
ることなく、光源（レーザ・ダイオード１２）自身を回
動変化させて、上記投光方向を変えるようにしてもよい
。

要は、レーザ光を２次元平面内の各方位に変化させるこ
とができるのであれば、その方法、装置構成は任意であ
る。

また、レーザ光の投光方向を検出するために、パルスエ
ンコーダ１６の代わりに回転型ポテンシオメータ等所望
の回転角検出手段を使用することも・ｂちるん可能であ
る。

さらに、レーザ光を受光して、その受光部ばを検出する
ために、ＰＳＤ２３に替えてリニア（−次元）ＣＯＤあ
るいはＭＯ３型受光体等の受光素子を使用してもよい。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、移動体の障害物を
簡単な構成で、かつリアルタイムにしかも正確に検出す
ることができるので、上記障害物を迅速かつ正確に避け
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る移動体の障害物検出装置の一実
施例を概念的に示すブロック図、第２図は、本発明に適
用される移動体と障害物との距離と、移動体に対する障
害物の方向を得るための本発明に適用される原理を説明
するために用いた図、第３図は、第１図のＣＰＵで実行
される処理手順を示すフローチャート、第４図は、第１
図のＣＰＵで作成される障害物マツプの内容を例示した
図である。 １・・・移動体、２・・・障害物、３・・・障害物マツ
プ、１０・・・ミラー駆動部、１１・・・ミラー　１２
・・・レーザ・ダイオード、１３．２２・・・レンズ、
１４・・・減速ギヤ、１５・・・モータ、１６・・・パ
ルスエンコーダ、１７・・・カウンタ、２０・・・受光
部、２１・・・光学フィルタ、３０・・・ｃｐｕ０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　障害物に光を投光するための光源と、 前記光を略水平平面内において回転投光させる投光方向
   変化手段と、 前記光の投光方向を検出する投光方向検出手段と、 前記光の障害物からの反射光を受光して該反射光の受光
   位置を検出する受光位置検出手段と、前記受光位置検出
   手段によって前記反射光の受光位置が検出された際に、
   前記投光方向検出手段および前記受光位置検出手段の各
   出力に基づいて、前記移動体に対する前記障害物の方向
   および前記移動体と前記障害物との距離を演算する演算
   手段と を移動体に具えたことを特徴とする移動体の障害物検出
   装置。