JPH05273334A - 超音波式障害物検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 検出対象領域内に存在する障害物は、その形
状や姿勢等に関係なく、超音波を用いて確実に検出する
ことができる超音波式障害物検出装置。 【構成】 複数の送波センサと受波センサとを、同一面
にマトリックス状に配置したマトリックス配置送波及び
受波センサ群１０と、前記複数の送波センサをすべて並
列駆動してそれぞれ超音波を送信させる送信部３と、前
記送信された超音波の反射波を前記複数の各受波センサ
を介してそれぞれ個別に受信して検出信号を出力する受
信部４ａ〜４ｅと、各受信部が出力する検出信号から障
害物の検出判別を行なうと共に、各受信部が出力する検
出信号の最先着信号から障害物までの距離を計測する障
害物検出及び距離計測処理部６とを備えたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波の送受信を行な
い障害物を検出し、該障害物までの距離を測定できる障
害物検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば移動ロボット等に搭載する
障害物検出装置としては、超音波の送受信を行ない、検
出領域内の障害物を検出すると共に、該障害物までの距
離を測定できる超音波距離測定装置が一般に使用されて
いた。図４は従来の超音波距離測定装置の構成を示すブ
ロック図であり、図において、１は例えば圧電振動子な
どによる超音波の送波センサ、２も同様な素子による受
波センサ、３は送信部、４は受信部であり、例えば、増
巾器４１、バンドパスフィルタ（以下ＢＰＦという）４
２、検波器４３及び比較器４４を含む。５はタイミング
制御部、７は距離計測部である。

【０００３】図５は、図４の送波及び受波センサによる
送波及び受波ビームと物標との水平面における位置関係
を示す図であり、同図の（ａ）及び（ｂ）は物標が送受
波基準面と平行の場合及び角度のある場合をそれぞれ示
している。図５において重要なことは、送波センサ１に
より形成される超音波の送波ビームと、受波センサ２に
より形成される受波ビームは、ほぼ同一領域にオーバラ
ップしており、この共通の音場を検出領域として物標を
検出することである。図６は図４の装置の動作を説明す
るための波形図である。

【０００４】図５及び図６を参照し、図４の動作を説明
する。図４のタイミング制御部５の発生する所定時間
（例えば数ミリ秒）の送信ゲート信号（図６の（ａ）を
参照）により、送信部３は所定周波数（例えば２０ｋＨ
ｚ）の送信駆動信号（図６の（ｂ）を参照）を送波セン
サ１に供給し、これを駆動する。送波センサ１は駆動さ
れると図５に示す送波ビームの指向特性の超音波を送出
する。ここで物標が図５の（ａ）に示すように、送波及
び受波ビームの共通領域に存在し、且つ物標の表面が送
受波基準面と平行の場合には、物標から反射される超音
波は受波センサ２で受波され、電気信号に変換された受
信信号（図６の（ｃ）を参照）が受信部４に供給され
る。受信部４は、内蔵する増巾器４１で受信信号を増巾
後、前記送信周波数を中心にしてその前後に所定の通過
帯域を有するＢＰＦ４２を通して、検波器４３で検波
し、該検波信号（図６の（ｄ）を参照）を所定のしきい
値と比較器４４で比較し、該しきい値を越えた２値化信
号を検出信号（図６の（ｅ）を参照）として出力する。
そして距離計測部７は内蔵するカウンタにより前記送信
ゲート信号の立上り時刻から前記検出信号の立上り時刻
までの時間Ｔ（図６の（ｆ）を参照）を計数する。そし
てこの計数時間Ｔと超音波の空中伝播速度から物標まで
の距離情報を算出して出力する。

【０００５】しかしこの従来の超音波距離測定装置で
は、物標の形状や姿勢等により物標を検出できない場合
がある。例えば物標が板状で、その面が図５の（ｂ）の
ように送受波基準面とある角度をもっている場合には、
物標からの反射波は受波センサ２に到達しないので検出
することができない。このように送波及び受波ビームで
形成される検出対象領域内に物標が存在していても、こ
れを検出することができないことがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の超
音波距離測定装置では、物標の形状や姿勢等によって、
検出対象領域内にある障害物を検出できないことがあ
る。従ってこの超音波測定装置を移動ロボット等に搭載
して障害物検出装置として使用すると、実際には障害物
が存在しているのに、これを検出できずにそのまま直進
して衝突する等の危険があるという問題点があった。本
発明はかかる問題点を解決するためになされたもので、
装置の検出対象領域内に何らかの障害物が存在する場合
には、その障害物の形状や姿勢等にかかわらず、超音波
を用いて確実に検出することができる超音波式障害物検
出装置を得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
超音波式障害物検出装置は、超音波の送受信を行ない障
害物を検出し、該障害物までの距離を測定できる障害物
検出装置において、複数の送波センサと受波センサと
を、同一面に縦横所定間隔で個別に配置して構成したマ
トリックス配置送波及び受波センサ群と、該マトリック
ス配置送波及び受波センサ群に含まれる全送波センサを
並列駆動してそれぞれ超音波を送信させる送信手段と、
前記送信された超音波の反射により前記マトリックス配
置送波及び受波センサ群に含まれる各受波センサが受波
した出力信号を、それぞれ個別に受信して各受波センサ
毎の検出信号を得る受信手段と、該受信手段から得られ
る各受波センサ毎の検出信号から障害物存在の判別を行
ない障害物検出信号を得ると共に、前記各受波センサ毎
の検出信号のうちの最先着信号の発生時刻と前記超音波
の送信開始時刻との間の時間から障害物までの距離を計
測する障害物検出及び距離計測手段とを備えたものであ
る。

【０００８】本発明の請求項２に係る超音波式障害物検
出装置は、前記請求項１に係る超音波式障害物検出装置
において、複数の送波センサと受波センサとを、同一面
に縦横所定間隔で、同種センサが隣合わないように交互
に配置して構成したマトリックス配置送波及び受波セン
サ群を備えたものである。

【０００９】

【作用】本請求項１に係る発明においては、超音波の送
受信を行ない障害物を検出し、該障害物までの距離を測
定できる障害物検出装置において、マトリックス配置送
波及び受波センサ群は、複数の送波センサと受波センサ
とを同一面に縦横所定間隔で個別に配置して構成され
る。送信手段は前記マトリックス配置送波及び受波セン
サ群に含まれる全送波センサを並列駆動してそれぞれ超
音波を送信させる。受信手段は前記送信された超音波の
反射により前記マトリックス配置送波及び受波センサ群
に含まれる各受波センサが受波した出力信号を、それぞ
れ個別に受信して各受波センサ毎の検出信号を得る。障
害物検出及び距離計測手段は前記受信手段から得られる
各受波センサ毎の検出信号から障害物存在の判別を行な
い障害物検出信号を得ると共に、前記各受波センサ毎の
検出信号のうちの最先着信号の発生時刻と前記超音波の
送信開始時刻との間の時間から障害物までの距離を計測
する。

【００１０】本請求項２に係る発明においては、前記請
求項１に係る発明において、マトリックス配置送波及び
受波センサ群は複数の送波センサと受波センサとを、同
一面に縦横所定間隔で、同種センサが隣合わないように
交互に配置して構成される。

【００１１】

【実施例】図１は本発明に係る超音波式障害物検出装置
の構成を示すブロック図である。図において、１ａ、１
ｂ、１ｃ及び１ｄは、それぞれ＃１、＃２、＃３及び＃
４送波センサ、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ及び２ｅはそれ
ぞれ＃１、＃２、＃３、＃４及び＃５受波センサであ
り、前記４個の送波センサ１ａ〜１ｄと、５個の受波セ
ンサ２ａ〜２ｅは同一平面に縦横所定間隔でマトリック
ス状に配置される。即ちマトリックス配置送波及び受波
センサ群１０に含まれている。図１の３は送信部、５は
タイミング制御部であり、それぞれ図４と同一の機器で
ある。４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ及び４ｅはそれぞれ前記
受波センサ毎に設けられた＃１、＃２、＃３、＃４及び
＃５受信部であり、この各受信部は図４の受信部４と同
一の機器であり、それぞれ増巾器４１、ＢＰＦ４２、検
波器４３及び比較器４４を含んでいる。６は本発明に係
る障害物検出及び距離計測処理部である。

【００１２】図２は図１のマトリックス配置送波及び受
波センサ群１０の配置及び装着例を示す図であり、同図
の（ａ）は各センサの配置例を示す平面図であり、
（ｂ）はマトリックス面の装着例を示す斜視図である。
図２の各マトリックス面では、４個の送波センサと５個
の受波センサが縦横所定間隔ｄで同種センサが隣合わな
いように交互に配列されている。また前記所定間隔ｄ
は、超音波の送波及び受波センサの送受波周波数及び指
向特性により、一対の送波及び受波センサによる検出距
離及び検出角度が最適になるように選ばれる。この実施
例においては、超音波の送受波周波数を２５ｋＨｚとし
た場合の最適な所定間隔としてｄ＝２５ｃｍが選択され
ている。

【００１３】図３は図１のマトリックス配置送波及び受
波センサ群１０の上段一列のセンサによる送波及び受波
ビームと物標との水平面における位置関係を示す図であ
り、同図の（ａ）及び（ｂ）は物標がマトリックス面と
平行の場合及び角度のある場合をそれぞれ示している。

【００１４】図２及び図３を参照して図１の動作を説明
する。図２の（ａ）に示されるように、合計９個の送波
センサ及び受波センサが同一平面にマトリックス状に配
列されたマトリックス配置送波及び受波センサ群１０
は、例えば図２の（ｂ）に示されるように、移動ロボッ
ト等の進行方向である前面に装着される。そしてタイミ
ング制御部５の発生する所定時間の送信ゲート信号（図
６の（ａ）を参照）により、送信部３は所定周波数（こ
の例では２５ｋＨｚ）の送信駆動信号（図６の（ｂ）を
参照）を＃１〜＃４送波センサ１ａ〜１ｄにそれぞれ供
給して、これらを並列駆動する。

【００１５】図２のセンサ配置例においては、４個の送
波センサ１ａ〜１ｄと５個の受波センサ２ａ〜２ｅと
が、同一面に縦横所定間隔で、同種センサが隣合わない
ように交互に配置されている。そしてこのように配列さ
れた４個の送波センサが同時に駆動され、各送波センサ
からそれぞれ超音波が送出される。従って上下方向と左
右方向の広範な領域に超音波が送出され、その結果障害
物の検出対象領域を広げることができる。いま前記障害
物検出領域内に存在する物標が、平面形状で且つ図３の
（ａ）のようにマトリックス面と平行の場合に、送波セ
ンサ１ａに隣合う受波センサ２ａ及び２ｂには、信号強
度の十分なる反射超音波が入力し、それぞれの受波セン
サから受信信号が得られるようにセンサ間隔ｄは設定さ
れている。

【００１６】しかし一般的な物標は種々の形状や姿勢を
しているため、物標からの反射波は、物標の形状や姿勢
によって種々の方向に反射し、時には散乱したりすると
共に、反射波の強度が反射方向によってそれぞれ異な
る。このように反射物標の形状や姿勢により反射波の方
向及び強度が異なっても、この反射波を確実に受波する
ため、図２の（ａ）に示すように縦横所定間隔で送波セ
ンサと受波センサとを交互に配置し、各受波センサはそ
れぞれ種々の方向から反射される超音波を個別に受波で
きるようになっている。図３の（ｂ）は平面形状の物標
がマトリックス面とある角度をもっている場合に、＃１
送波センサ１ａの送信した超音波の反射波は、＃２受波
センサ２ｂには受波されないが、＃１受波センサ２ａに
より受波される状態を示している。

【００１７】図１の＃１〜＃５受波センサ２ａ〜２ｅ
は、物標から超音波の反射波が得られると、それぞれ個
別に受波して、電気信号に変換した受信信号（図６の
（ｃ）を参照）をそれぞれ対応する＃１〜＃５受信部４
ａ〜４ｅに供給する。各受信部４ａ〜４ｅは、それぞれ
図４で説明したように、増巾、帯域通過濾波、検波及び
しきい値との比較による信号検出を得ない、それぞれの
検出信号を、障害物検出及び距離計測処理部６に供給す
る。

【００１８】障害物検出及び距離計測処理部６では、障
害物の検出判別とその距離計測処理を行なう。この障害
物の検出判別法としては、まずマトリックス配列された
各受波センサにそれぞれ対応する５つの受信部４ａ〜４
ｅから最低限１つでも検出信号が得られれば、検出対象
領域内に障害物が存在する可能性があると判別する。
（即ち検出信号の論理和演算処理である。）しかし検出
信号が１つの場合には、例えば床面からの超音波反射信
号を誤って障害物であると判別する場合もあり得るの
で、やや信頼度の低い障害物検出信号（障害物と衝突の
可能性のある潜在的な危険信号）と判別される。次に５
つの受信部４ａ〜４ｅから得られる検出信号の数を計数
して、これが２つ以上あれば、より信頼度の高い障害物
検出信号と判別し、さらに３つ以上あれば、確実な障害
物検出信号と判別する。この５個のセンサから３個以上
の検出信号を得る検出方法は、多数決（過半数）演算処
理に相当し、マトリックス配置される受波センサの数が
増加するときわめて有効な方法である。このように５つ
の受信部４ａ〜４ｅより得られる検出信号の数から推定
される信頼度の伴なう障害物検出信号が得られると共
に、その検出位置により障害物の高さや形状をある程度
は推定することもできる。従って推定情報ではあるが、
ある程度の信頼度や形状情報を伴う障害物検出情報が得
られることになる。

【００１９】次に障害物までの距離計測は、複数の受信
部からそれぞれ得られる検出信号のうちの最先着信号に
より行なう。即ち障害物検出及び距離計測処理部６は、
内蔵するカウンタにより、前記送信ゲート信号の立上り
時刻から時間の計数を開始すると共に、前記＃１〜＃５
受信部４ａ〜４ｅからそれぞれ入力される検出信号のう
ちの最先着信号（時間的に一番最初に入力された検出信
号）を検出し、該最先着信号の立上り時刻により前記時
間の計数を停止する。そしてこの送信ゲート信号の立上
り時刻から最先着信号の立上り時刻までの計数時間Ｔと
超音波の空中伝播速度から障害物までの距離を算出し、
この算出した距離情報を、前記障害物検出情報と共に出
力する。

【００２０】図２に示した送波及び受波センサのマトリ
ックス配置例では、送波センサの隣りは必ず受波センサ
になるように所定間隔で交互に配置した例を示した。こ
れは換言すれば、１の送波センサの上下及び左右は必ず
受波センサで囲まれた配置であり、その中心に位置する
送波センサから送信された超音波の反射波は、前記送波
センサの上下及び左右に配置された受波センサのいずれ
かによって受波されることを目的として考えられた配置
例である。しかしこのセンサの組合せ方法とその間隔を
決める配置は、使用する超音波の送受波周波数及び指向
特性等により決まるものであり、本発明は必ずしも上記
配置例に限定されるものではない。例えば方位情報をも
得るため超音波の送受波周波数を４０ｋＨｚ程度に高く
して、ビーム巾の狭い指向特性とした場合には、左右に
２個の送波センサを並べて１送波ユニットとして、同様
に左右に２個の受波センサを並べて１受波ユニットとし
て、この送波ユニットと受波ユニットとを交互に配列し
てもよい。このように同種のセンサを隣合うように配列
しても、障害物を確実に検出し、その距離情報やさらに
方位情報をも得られるものであればよい。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、超音波の
送受信を行ない障害物を検出し該障害物までの距離を測
定できる障害物検出装置において、複数の送波センサと
受波センサとを、同一面に縦横所定間隔で個別にマトリ
ックス配置し、該マトリックス配置されたすべての送波
センサを並列駆動して超音波を送信し、該送信された超
音波の反射波を前記複数の各受波センサを介してそれぞ
れ個別に受信して得られた検出信号により障害物の検出
判別を行なうと共に、前記受信して得られた検出信号の
うちの最先着信号により障害物までの距離を算出するよ
うにしたので、障害物の形状や姿勢にかかわらず、検出
対象領域における障害物を確実に検出することができる
効果がある。

【００２２】また本発明によれば、前記超音波式障害物
検出装置において、前記複数の送波センサと受波センサ
とを、同一面に縦横所定間隔で、同種センサが隣合わな
いように交互に配置し、１つの送波センサから送信され
た超音波の反射波は、該送波センサの上下及び左右に配
置された受波センサのいずれかにより受波され受信信号
が得られるようにしたので、障害物の形状や姿勢にかか
わらず、広範な検出対象領域における障害物をより確実
に検出することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波式障害物検出装置の構成を
示すブロック図である。

【図２】図１のマトリックス配置送波及び受波センサ群
の配置及び装着例を示す図である。

【図３】図１のマトリックス配置送波及び受波センサ群
の上段一列のセンサによる送波及び受波ビームと物標と
の水平面における位置関係を示す図である。

【図４】従来の超音波距離測定装置の構成を示すブロッ
ク図である。

【図５】図４の送波及び受波センサにより送波及び受波
ビームと物標との位置関係を示す図である。

【図６】図４の装置の動作を説明するための波形図であ
る。

【符号の説明】

１ａ〜１ｄ ＃１〜＃４送波センサ ２ａ〜２ｅ ＃１〜＃５受波センサ ３ 送信部 ４ａ〜４ｅ ＃１〜＃５受信部 ５ タイミング制御部 ６ 障害物検出及び距離計測処理部 １０ マトリックス配置送波及び受波センサ群

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹内 巨幸 東京都大田区南蒲田２丁目16番46号 株式 会社トキメック内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波の送受信を行ない障害物を検出
   し、該障害物までの距離を測定できる障害物検出装置に
   おいて、 複数の送波センサと受波センサとを、同一面に縦横所定
   間隔で個別に配置して構成したマトリックス配置送波及
   び受波センサ群と、 該マトリックス配置送波及び受波センサ群に含まれる全
   送波センサを並列駆動してそれぞれ超音波を送信させる
   送信手段と、 前記送信された超音波の反射により前記マトリックス配
   置送波及び受波センサ群に含まれる各受波センサが受波
   した出力信号を、それぞれ個別に受信して各受波センサ
   毎の検出信号を得る受信手段と、 該受信手段から得られる各受波センサ毎の検出信号から
   障害物存在の判別を行ない障害物検出信号を得ると共
   に、前記各受波センサ毎の検出信号のうちの最先着信号
   の発生時刻と前記超音波の送信開始時刻との間の時間か
   ら障害物までの距離を計測する障害物検出及び距離計測
   手段とを備えたことを特徴とする超音波式障害物検出装
   置。
2. 【請求項２】 複数の送波センサと受波センサとを、同
   一面に縦横所定間隔で、同種センサが隣合わないように
   交互に配置して構成したマトリックス配置送波及び受波
   センサ群を備えた請求項１記載の超音波式障害物検出装
   置。