JPH0361914B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、自動台車等の車輌や移動ロボツト
など自走能力のある移動物において、障害物に衝
突するのを避けるための障害物検知センサに関す
る。

自走能力のある移動物が障害物に衝突するのを
紡ぐための障害物検知センサとしては、従来光を
利用したものや超音波を利用したものがある。光
を利用した障害物検知センサの原理は、発光ダイ
オードなどの発光部から発した光が障害物に反射
して戻つて来るのを、フオトダイオード等の受光
センサで検知するものである。この光を利用した
障害物検知センサでは障害物の色によつて反射光
の量が大幅に異なるため、動作が非常に不安定で
あるといつた欠点がある。一方、超音波を利用し
た障害物検知センサの原理は、超音波発生器から
発した超音波が障害物に反射して戻つて来る迄の
時間差を計時して、障害物と移動物本体との距離
を検出するものである。この超音波を利用した障
害物検出センサは、環境に存在する超音波を検出
し誤動作するこがあり、指向性も強くて１個の障
害物検知センサだけでは障害物の検知範囲が狭
い。また、指向性の欠点を除去するために複数個
の障害物検知センサを設け、互いに障害物を検知
する範囲をオーバーラツプさせるようにすると、
障害物検知センサ同志の干渉によつて誤検出の可
能性が高まる。さらに、超音波を利用した障害物
検知センサの原理としては、トツプラ効果を用い
ることも考えられるが、これは障害物及び移動物
本体の速度に左右されるため汎用性がない。

この発明は上述のような事情からなされたもの
であり、光や超音波を用いずに障害物との間の浮
遊容量や抵抗損失などの変化を利用し、自走能力
のある移動物に最適な障害物検知センサを提供す
ることを目的としている。

以下にこの発明を説明する。

この発明は、障害物との間の浮遊容量や抵抗損
失などの変化を利用した障害物検知センサに関
し、移動物の障害物に対向する部分に設置された
第１の感知板と、この第１の感知板との間隔を平
行に保つて設置された第２の感知板と、前記第１
の感知板に接続されたローデイングコイルと、こ
のローデイングコイル及び第２の感知板に接続さ
れた高周波発振回路と、この高周波発振回路の出
力レベルを検知して障害物の有無を検知するため
の上記高周波発振回路に接続されたスイツチ回路
とで構成したものである。

先ず、この発明に用いる発振回路とスイツチ回
路との原理を説明すると、第１図に示すように、
第１の感知板３Ａ及び第２の感知板３Ｂと、この
２枚の感知板３Ａ及び３Ｂを発振素子の一部とす
ると共に、それら感知板３Ａ，３Ｂ間に配設され
た高周波発振（例えば１〜20MHz）回路４Ａと、
感知板３Ａと高周波発振回路４Ａの入力部との間
に介挿されたローデイングコイルＬ２及び抵抗Ｒ
４と、高周波発振回路４Ａの出力レベルを検知し
て制御対象物を制御するための、高周波発振回路
４Ａに接続されたスイツチ回路６と高周波発振回
路４Ａとスイツチ回路６との間に結線される電源
線ｌ１，ｌ２及び信号線ｌ３にそれぞれ介挿され
たチヨークコイルＬ３，Ｌ４及びＬ５とで構成さ
れている。

なお、高周波発振回路４Ａはコルピツツ型発振
回路であり、２枚の感知板３Ａ，３Ｂの間隔は一
定で、スイツチ部を任意部所に配設しても大幅な
発振条件の違いが生じないようになつている。し
かして、C_cは感知板３Ａ，３Ｂ間の浮遊容量、
R_cは感知板３Ａ，３Ｂ間の高周波リーク抵抗で
あり、Ｃ２及びＣ３はデバイドコンデンサであ
る。また、Ｃ６はコイルＬ１と同調して発振周波
数を調整するためのコンデンサである。また、チ
ヨークコイルＬ３〜Ｌ５は電源線への高周波の洩
れを防ぐためのものであり、電源部が電池のよう
に安定したものであればなくても良い。

ここにおいて、感知板３Ａはアンテナとして機
能するものであり、感知板３Ａ，３Ｂ間において
は固有の共振周波数があることが実験で確かめら
れている。たとえば約１ｍ四方の感知板の場合、
25〜30MHz位で共振する。しかして、高周波発振
回路４Ａの発振周波数をこの共振周波数に調整す
ると、安定な発振動作を行なう。ここにおいて、
第２図は対地容量の大きいアンテナ１０を示して
いるが、これ自体に容量C′があるので、アンテナ
１０と感知板１１との間の共振周波数は低下する
はずであるが、近接スイツチ構造のアンテナでは
L′となるべき部分が板となつているため非常に小
さい。このため、発振部１２からアンテナ１０に
接続するリード線にローデイングコイルを介挿し
て発振周波数近辺にアンテナの共振点を調整する
と、アンテナ１０の感度が向上し有効となる。

ここにおいて、この発明では第１図に示すよう
に、発振回路４Ａの入力部にローデイングコイル
Ｌ２及び抵抗Ｒ４を介挿する。しかして、発振回
路４Ａの発振周波数はインダクタンスL₁と容量
C_a C_a＝C₆＋C₂・C₃／C₂＋C₃ ……(1) ただし、C₂≫C₃ とで定まる。発振回路４Ａの入力部にローデイン
グコイルL₂及び抵抗Ｒ４を介挿しているので、
発振回路４Ａの発振周波数はインダクタンスL₁
と容量C_aとで定まる。感知板３Ａ，３Ｂ側はロ
ーデイングコイルL₂、浮遊容量C_c、デバイドコ
ンデンサC₃を共振させれば良いので、その調整
が極めて容易となつている。すなわち、第１図の
発振回路４Ａ及び感知板３Ａ，３Ｂの共振系の等
価回路を示すと第７図のようになり、発振回路４
Ａ側の共振周波数f_p1は となり、感知板３Ａ，３Ｂ側の共振周波数f_p2は となり、f_p1≒f_p2とすれば良いことが分る。なお、
抵抗Ｒ４は、人間のように純導体でない物が接近
した場合にはＱが低下するが、金属等の導電体が
接近した場合には抵抗がほとんど０になるため、
周波数のみが変化して出力レベルが高くなること
を避けるためのものである。したがつて、抵抗Ｒ
４はローデイングコイルＬ２に直列でも、並列で
も良い。

このように、発振回路４Ａの製作時に、上記(1)
式の関係から容量Caを定め、ローデイングコイ
ルＬ２のインダクタンス、つまりコアの巻数を調
整すれば安定した発振を得ることができる。

一方、発振回路４Ａには電源線ｌ１，ｌ２及び
チヨークコイルＬ３，Ｌ４を経て電源が供給さ
れ、発振回路４Ａからスイツチ回路６には信号線
ｌ３及びチヨークコイルＬ５を経て信号が与えら
れる。

しかして、スイツチ回路６は自動復帰型増幅部
とコンパレータ部とで成つており、自動復帰型増
幅部は、直流増幅部６１の非反転入力端子に発振
回路４Ａからのレベル信号が入力されると共に、
反転入力端子に抵抗Ｒ５を介してコンデサＣ８が
接続され、直流増幅器６１の出力V₀はコンパレ
ータ６２の一方に入力されると共に、抵抗Ｒ６を
介して反転入力端子に、ダイオードＤ２を介して
コンデンサＣ８及び抵抗Ｒ５の接続点に印加され
るようになつている。また、コンパレータ６２の
他方には可変抵抗器Ｒ７からの電圧が基準用とし
て与えられており、コンパレータ６２の出力は抵
抗Ｒ８を経てトランジスタＱ２のベースに入力さ
れ、トランジスタＱ２のコレクタにはリレーの励
磁巻線RYがサージ吸収用のダイオードＤ３と共
に接続されている。しかして、直流増幅器６１の
出力V₀は非反転入力をV₁、反転入力をV₂とする
と、 V₀＝R₆／R₅（V₁−V₂）＋V₁ ……(3) である。しかしながら、コンデンサＣ８の電荷が
０の場合を考えると、反転入力は−Ｖなので出力
V₀は V₀＝R₆／R₅（V₁＋Ｖ）＋V₁ ……(4) となる。すなわち、出力V₀は＋Ｖに飽和してお
り、出力V₀よりダイオードＤ２を通してコンデ
ンサＣ８を充電し始め、V₂がほぼV₁に等しくな
ると出力V₀はほぼV₁となり、ダイオードＤ２を
通じて充電されなくなる。コンデンサＣ８のリー
ク電流により充電する分があつて反転入力V₁が
低下すると、これはV₁−V₂の差として現われ、
出力V₀はR₆／R₅・（V₁−V₂）＋V₁となるので直
ちにダイオードＤ２を通じて充電する。このよう
なことが繰返されて、出力V₀はほぼ非反転入力
V₁の電圧となつて安定する。この状態で電圧V₁
を−ΔV₁だけ変化させると、出力V₀は V₀＝R₆／R₅（−ΔV₁）＋V₁−ΔV₁ ＝V₁−ΔV₁・A₁ ……(5) となる。ただし、A₁＝１＋R₆／R₅である。同様
に、電圧V₁を＋ΔV₁だけ変化させると出力V₀は V₀＝R₆／R₅ΔV₁＋V₁＋ΔV₁＝V₁＋ΔV₁・A₁ ……(6) となるが、出力V₀が反転入力V₂より大きくなる
ので、ダイオードＤ２を通じてコンデンサＣ８へ
の充電が行なわれ、出力V₀は非反転入力V₁＋
ΔV₁に等しくなつて安定する。すなわち、非反転
入力が正方向変化の場合、この直流増幅器６１の
出力は増幅率１となり、負方向変化の場合にのみ
変化ΔV₁が増幅率A₁で拡大される。そして、負
方向変化時、コンデンサＣ８に充電された電圧が
コンデンサのリーク電圧や直流増幅器６１の入力
インピーダンスなどによつて次第に放電され、
ΔV₁だけ下がつた時はV₁−ΔV₁で安定すること
になる。つまり、ΔV₁は微小値であるからほとん
ど変化時の状態に復帰したものと考えて良く、そ
の間の時間は適当に設定することができる。

ここにおいて発振回路４Ａの出力電圧がV₁で
あるとすると、直流増幅器６１の出力V₀は上述
のようにV₁にほぼ等しく、これがコンパレータ
６２の一方に入力される。そして、可変抵抗器Ｒ
７からは基準電圧V₃が他方に入力されており、 V₁＞V₃ ……(7) とされている。このときコンパレータ６２の出力
は負であり、トランジスタＱ２はオフとなつてリ
レー巻線RYに電流が流れずリレー接点はオンし
ている。次に、発振回路４Ａが人や鉄柱等の障害
物を検知してその出力電圧がV₁−ΔV₁に下がつ
たとすると、直流増幅器６１の出力は上述のよう
にV₁−ΔV₁・A₁となりこれがコンパレータ６２
の一方に入力される。基準電圧V₃は(7)式に加え
て V₁−ΔV₁＞V₃＞V₁−ΔV₁・A₁ ……(8) を満たすようにも調整されているため、コンパレ
ータ６２の出力は正となつてトランジスタＱ２は
オンとなり、リレー巻線RYが励磁され、このリ
レー接点がオフとなる。そして、発振回路４Ａの
出力がV₁−ΔV₁の状態を持続すると、コンデン
サＣ８の両端の電圧が次第に下がり、ΔV₁だけ低
下すると直流増幅器６１の出力はV₁−ΔV₁とな
る。この状態では、次段のコンパレータ６２への
出力はV₁−ΔV₁＞V₃であるため、再び入力が反
転されてその出力は負となつてトランジスタＱ２
はオフとなりリレー巻線RYの励磁が遮断されて
リレー接点が再びオンとなる。

この発明は、上述のような発振回路とスイツチ
回路とを自走能力のある移動ロボツト等の移動物
に搭載したものであり、第３図はその一例を示す
外観図であり、移動物１０はアンテナ１１を介し
て受信する指令に従つて車輪１２でＭ方向に走行
するようになつており、この頂部に旋回したり伸
縮したりする作業アーム１３が設けられている。
移動物１０は自動走行するので、作業員や固定
物、柱等との衝突を絶対に避けなければならず、
そのために前面に上述したような原理で動作する
センサ２０が設けられており、その外観構成はた
とえば第４図に示す如くなつている。すなわち、
コの字状に折曲された２枚の感知板２１，２２が
絶縁物２３を挾んで平行に配列されており、この
感知板２１，２２が車のバンパーの如く移動物１
０の前面（又は後面）に取付けられている。この
感知板２１，２２は、必ずしもコの字状に曲折さ
れている必要はないが、本例のように移動物１０
が方向を変えながら自動走行するような場合、斜
め前方の障害物をも確実に検出することができ
る。したがつて、直進のみの場合には真直な２枚
の平板で構成しても良い。そして、感知板２１，
２２は前述の感知板３Ａ，３Ｂにそれぞれ対応す
るものであり、感知板２１，２２の間に前述の発
振回路４Ａにスイツチ回路６が接続されている。
また、この例では外方（前方）に対する感知度を
向上するために、外方の感知板２１の面積（幅）
を内側の感知板２２の面積（幅）よりも小さくし
ている。

このような構成において、移動物１０が障害物
に遭遇していなければ内蔵の発振回路４Ａは正常
な出力レベルを保ち、これがスイツチ回路６に伝
えられてリレー接点がオンされており、移動物１
０はその駆動回路が作動して移動することができ
る。ところが、移動物１０が移動中に障害物に近
づくと、障害物と感知板２１及び２２との間の浮
遊容量や抵抗損失などによつて発振回路４Ａの周
波数が変化するときに、Ｑの変化に従つて出力レ
ベルが低下する。そして、この出力レベルの変化
が上述のようにスイツチ回路６に伝えられてリレ
ー接点がオフされ、駆動回路が作動しなくなつて
移動物１０が停止する。ここで、障害物が取除か
れると、発振回路４Ａの出力レベルは再び正常レ
ベルに戻るから、上述のようにスイツチ回路６で
はリレー接点がオンされて移動物１０はその駆動
回路が作動して再び移動し始めることになる。

一方、障害物が取除かれないと、発振回路４Ａ
の出力レベルは低下したままであるかが、スイツ
チ回路６は自動復帰型であり上述したようにコン
デンサC₈が次第に放電し、発振回路４Ａの出力
レベルが低下した状態でもリレー接点をオンして
移動１０は移動を再開することになる。すると、
移動物１０はさらに障害物に接近するから、発振
回路４Ａの出力レベルもそれだけ低下し、これが
スイツチ回路６に伝えられてリレー接点がオフさ
れて移動物１０は停止する。そして、障害物が静
止物のように取除かれないものであればスイツチ
回路６の自動復帰作用により再び移動物１０は移
動し始め、停止、移動を繰返して最後には障害物
と接触することになる。そこで、このような事態
を回避するためには移動物１０の停止回数を計数
して、ある回数以上停止、移動を繰返す場合に
は、移動物１０の移動回路を別に設けたスイツチ
手段によつてオフするようにすれば良い。

ここにおいて、センサ２０の障害物に対する感
知距離を実験によつて求めたところ、人、金属、
動物で約30〜40cmで感知するように設定後、コン
クリート製の柱では約30cmで感知し、コンクリー
トの壁では約30cmで感知し、ゴムタイヤでは約20
cmで感知することがわかつた。また、合成樹脂の
箱等は高周波絶縁の程度によつても異なるが、３
〜４cmで感知できることが確認された。

なお、センサ２０の感知板の形状は、第５図に
示す如く円弧状の感知板２４，２５に曲折しても
良く、移動物１０の外形の形状に合せて任意の形
とすることができる。要は２枚の感知板を平行に
配設すれば良い。

なお、上述のスイツチ回路６は自動復帰型とな
つているが、この代わりに第１図に対応させて第
６図に示すように直流増幅器６１の非反転入力を
接地し、反転入力を抵抗Ｒ９を介して発振回路と
接続し、その出力V₀を抵抗Ｒ６を介して反転入
力にフイードバツクして通常の反転増幅器として
直流増幅器６１Ａを利用すると、前述のような信
号レベルの変化の検出したときにリレーRYが動
作し、このリレー接点によつて移動物１０の走行
を停止する。しかし、この場合には自動復帰型と
なつていないので、障害物が除去されない限り走
行することはない。

以上のようにこの発明の障害物検知センサによ
れば、比較的簡易な構成で人や物体等の障害物を
確実に検出することができ、環境によつて検出精
度が左右されない利点がある。また、感知板の形
状を移動物の形に合せることができ、広範囲にわ
たつて障害物を検知することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の回路例を示す結線図、第２
図はこの発明の動作原理を説明するための図、第
３図はこの発明の一実施例を示す移動物の外観
図、第４図及び第５図はそれぞれこの発明の感知
板の構造例を示す図、第６図はこの発明の他の実
施例を示す結線図、第７図は発振部の等価回路を
示す図である。 ３Ａ，３Ｂ，２１，２２，２４，２５……感知
板、４Ａ……高周波発振回路、６……スイツチ回
路、１０……移動物、２０……センサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 移動物の障害物に対向する部分に設置された
   第１の感知板と、この第１の感知板との間隔を平
   行に保つて設置された第２の感知板と、前記第１
   の感知板に接続されたローデイングコイルと、こ
   のローデイングコイル及び前記第２の感知板に接
   続された高周波発振回路と、この高周波発振回路
   の出力レベルを検知して前記障害物の有無を検知
   するための前記高周波発振回路に接続されたスイ
   ツチ回路とで構成されていることを特徴とする障
   害物検知センサ。 ２ 前記高周波発振回路と前記スイツチ回路との
   間の電源、信号線にそれぞれチヨークコイルを介
   挿した特許請求の範囲第１項に記載の障害物検知
   センサ。 ３ 前記第２の感知板の前記第１の感知板に対向
   する面の面積を、前記第１の感知板の前記第２の
   感知板に対向する面の面積より大きくするように
   した特許請求の範囲第１項に記載の障害物検知セ
   ンサ。