JPH08271227A - 段差検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 移動装置が進行方向前方の段差に進入する
際、段差に対する進入角として簡単に検出し、安全性の
高いかつコンパクトな段差検出装置を提供する。 【構成】 移動装置１の移動方向前方に前記光ビームの
スポット群をＭ行×Ｎ列アレイ状に配置形成するように
照射する複数の発光素子２と、前記形成された光ビーム
スポット群の夫々からの反射ビームを検出する受光素子
群４と、前記受光素子群からの信号出力を処理する信号
処理装置５とを有し、該信号処理装置５が、前記受光素
子群からの出力値に基づき算出された段差稜線部と予め
設定された前記光ビームスポット群の行間間隔と列間間
隔とから算出される幾何学的値とを比較判断し、前記段
差稜線部と前記移動装置の移動方向との相対角度を演算
処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動装置が段差に進入
する時に、その進入角度を検出する装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来の自走式移動装置は、路面状態が平
坦で段差がない整備された工場内など限られた環境で使
用されていた。その路面検出法は、床に設置された磁気
テープや光学的な反射テープを専用の装置で検出するな
ど予め決められた走行経路によって誘導していた。しか
しながら最近になり、決められた経路でなく自由度をも
った移動装置の検討がなされている。移動装置が、走行
する際、平坦な所ばかりでなく傾斜や段差ならびに階段
などのある複雑な路面を安全に走行できるか否かを事前
に判断する必要がある。従来、移動装置が移動する方向
の路面状態を事前に検出する段差検出手段を備えた路面
検出装置に関するものとして、例えば特開昭６２−１６
２１１２号公報に記載されているものがある。この段差
検出法は、１つの光ビームや複数の光ビームを用いて、
三角測量の原理から路面の凹凸を検出する方法である。

【０００３】また、段差や階段などの不整地を走行する
移動装置として、クローラ式移動装置がある。特に、こ
の方式で階段の昇降を安全に行わせるためには、適切な
角度で階段（または段差）に進入することが重要であ
る。この移動装置の進入角度の判断は、人間の視覚的判
断により行われているのが現状である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光ビームを用いて三角測量の原理から段差を検出する方
法では、段差の高さ情報は得られるが、水平方向の情報
が直接的に得ることができず、段差が階段であるかどう
かの判断ができないという欠点がある。また、前記のよ
うなクローラ式移動装置が段差部に進入し昇降する際、
人間の目測のみに頼って正しい角度で進入するため、走
行可能な段差に対する進入角度が大きいとクローラが段
差にかみ合わずに、移動装置が転倒してしまい危険であ
るという安全性の問題がある。

【０００５】本発明の目的は、移動装置が進行方向前方
の段差に進入する際、段差に対する進入角度を簡単に検
出し、安全性の高いかつコンパクトな段差検出装置を提
供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１は、移動装置に設けられた発光素子から照
射された光ビームにより、移動装置に対する段差の方向
位置を検出する段差検出装置において、移動方向前方に
前記光ビームのスポット群をＭ行×Ｎ列アレイ状に配置
形成するように照射する複数の発光素子と、前記形成さ
れた光ビームスポット群の夫々からの反射ビームを検出
する受光素子群と、前記受光素子群からの信号出力を処
理する信号処理装置とを有し、該信号処理装置が、受光
素子群からの出力値に基づき算出された段差稜線部と予
め設定された前記光ビームスポット群の行間間隔と列間
間隔とから算出される幾何学的値とを比較判断し、前記
段差稜線部と前記移動装置の移動方向との相対角度を演
算処理することを特徴とする。

【０００７】さらに、請求項２は請求項１に付け加え、
前記発光素子群は、予め設定された段差稜線部に対する
移動装置の進入角度に基づいて、光ビームスポット群が
Ｍ行×Ｎ列アレイ状に配置形成するように照射し、前記
設定された進入角度と前記受光素子群から得られた信号
出力値とを比較判断して、前記段差稜線部に対する移動
装置の進入の可否を判断することを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明においては、前記光ビームスポット群を
有する簡単な構成にしたことにより、非常に単純なアル
ゴリズムで瞬時に進入角度の良否が判断できる。また、
光ビームの照射スポット位置の変更や光ビーム数の増減
が容易にできるので、種々の状況に応じて検出できる角
度を容易に調整できるようになった。本発明の段差検出
装置を備えた移動装置は、階段のような段差のテンプレ
ートを持つことに相当し、段差を高速かつ的確に判断で
きるようになった。

【０００９】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。図１は、
本発明による段差検出装置を搭載した移動装置の構成斜
視図である。また、図２は、本発明の段差検出装置の構
成ブロック図である。本発明の段差検出装置は、複数の
発光素子を一定の照射ビームを形成するように組み込ん
だ発光素子群２、移動装置１前方の路面状態に応じて複
数の発光素子の照射角を制御する照射角制御装置３、光
ビームの路面での反射光を受光する受光素子群４、前記
受光素子からの出力信号を処理する信号処理部及び演算
処理部５（図２に図示）とから構成されている。

【００１０】図１には、本発明の段差検出装置の発光素
子群から照射された光ビームが、移動装置の進行方向前
方の路面上に前後２列のビームスポットを形成する動作
を示した。（図には反射ビームから受光素子までの光路
は示していない）図２のブロック図には、移動装置１と
しての駆動装置６及び操舵装置７も図示してある。ま
た、ビームを真下に照射する発光素子群及び受光素子群
は、移動装置本体に格納できるようにし、必要なときに
本体から前にせりだすような構成としてもよい。

【００１１】次に、本発明の段差検出装置の段差検出方
法について説明する。図３は、１つのスポットに注目し
た照射ビームから段差検出を説明する概念説明図であ
る。発光素子から照射される光ビームの照射角をθiと
し、ビームスポットの位置をＰi、各発光素子からＰiま
での距離をＬi、路面から発光部までの高さをＨとする
と、ＨはθiとＬiとから以下の式で得られる。

【００１２】Ｈi＝Ｌi×ｃｏｓθi θiを固定して平地でＨを記憶しておけば、Ｌiの変化に
よって前方の段差の検出と高さの検出を容易に行うこと
ができる。光ビームを照射する角度は、手動でも状況に
応じて自動的に設定してもいずれでもかまわない。図２
には、照射角度制御装置を示してある。

【００１３】本発明の段差検出方法は、まず検出された
値Ｈiを平地からどの程度変化したときに段差とするか
を判断する基準値を予め設定し、検出された値をその基
準値と比較判断して段差であるか判断する。例えば、基
準値を３ｃｍとすると、平地でのＨの値に対して±３ｃ
ｍ以上の変化があった場合に段差であると判断する。し
かし、昇り段差の場合は垂直面にビームが照射されると
判断を誤り易いので、ビームの照射角は余り大きくしな
い方がよい。

【００１４】図４（ａ）は、移動装置本体の前方に照射
されたＭ行×Ｎ列のアレイ状の複数の光ビームスポット
配列の代表的な例として５行×２列アレイ状のスポット
配列を示したものである。各列は平行に配列されてお
り、この図では各列５個のビームスポットの位置をＰ1
i、２列目のビームスポットの位置をＰ2iとする。ま
た、ビームスポットの１列目と２列目との間の距離をＤ
とする。

【００１５】図４（ｂ）は、進入角度を検出するための
ビーム配列の説明である。１列目の各スポットをＰ1iと
し、最端スポットであるＰ11から各Ｐliまでの距離をｄ
iとする。２列目の最端スポットであるＰ21と１列目の
任意のスポットＰliを結んだ直線と、１列目の各スポッ
トを結んだ直線で形成される角度をαiとすると、次の
関係式が成り立つ。

【００１６】αi＝ｔａｎー1（Ｄ／ｄi） ここで、Ｐ21からＰ1iを結んだ線分を段差の稜線と考え
ると、αiは段差に対する進入角度を表すことになる。
αiは、予めスポットの配置により決まっているため、
どのスポットが段差を検出したか大まかな進入角度を知
ることができる。

【００１７】１列目と２列目から２点間の距離が最大に
なるように対角のスポット２点を結んで得られる角度
が、この配列構成で検出できる最小角度である。図４
（ｂ）の場合は、α5の値が検出可能な最小角度であ
る。図５（ａ）は、図４（ａ）の配列を利用して、移動
装置が段差に対して垂直に進入したときのビームスポッ
トの位置を示したものである。斜線部は段差を表してい
る。平地を検出したビームスポットは黒丸、段差を検出
したスポットは白丸で表している。段差に対して移動装
置が垂直に進入した場合、段差の稜線部（稜線は直線で
あると仮定する）と各列のスポットの並びは平行にな
る。つまり、同じ列の発光素子から照射される光ビーム
は同時に段差を検出することになるので、列毎に一定の
Ｈが得られる。ビームスポットの各列間はＤだけ離れて
いるので、段差の稜線部がビームスポットの前後列の間
にあるとき、１列目の受光素子からの情報では段差を検
出し、２列目は平地を検出することになる。この時、進
入角度はα5より小さいことは明かである。

【００１８】図５（ｂ）は、段差に対して任意の角度で
移動装置が進入したときのビームスポットの位置を示し
た図である。各列のビームスポットは全て同じ段差を検
出できないので、列毎に一定のＨを得ることができな
い。各列の発光素子が３個以上であれば、段差を検出し
た各スポット位置とＤよりおおよその進入角度を求める
ことができる。この例では、Ｐ14までが段差を検出して
おり、進入角度はα5より大きく、α4より小さい値であ
ることがわかる。

【００１９】理論上は各列のビームスポット間隔が小さ
いほど正確な進入角度を検出できるが、発光素子の数が
不要に多くなってしまう。また、スポット間隔が狭すぎ
ると光の干渉が生じ正確な検出ができなくなる恐れもあ
る。そのため、実用的に安全性に支障をきたさない程度
に発光素子の数を決定し、それら発光素子の配列を適度
に調整できるようにすることが望ましい。

【００２０】次に、本発明の装置の検出最小角度調整
（設定）方法について説明する。本発明の装置は、列間
隔Ｄの値によって検出される最小進入角度を調整（設
定）することができる。図６は、本発明の段差検出装置
の進入角度の精度調整方法の説明図である。図６に示す
ように、各列両端の４個のスポット位置を対角線状に２
本の線分を引く。この線分のスポット列に対する角度は
どちらも同じ値であり、この値をβとし、進入角度制限
値と呼ぶ。この２本の線分をそれぞれ段差の稜線である
とすると、いずれの場合も１列目のスポットが全て段差
を検出し、２列目のスポットは、全て平地を検出するの
で、その進入角度はどちらもゼロであると判断される。
つまり、β以下の進入角度は本方式では検出不可能であ
り、βが小さいほど検出できる最小進入角度が小さくで
きることになる。

【００２１】本発明の装置の進入角度の検出最小角度
は、各列両端のスポット間の距離Ｄによって決定され
る。特に、Ｄを使用して検出最小角度の設定を行うこと
は非常に容易である。実際には、移動装置の進入角度の
制限値がβになるようにＤを設定するようにすればよ
い。次の実施例では、進入角度の良否判定のみ行う方法
について説明する。図７（ａ）は、各列の発光素子が最
小の２個である場合を示したものである。進入角度の制
限値とβが等しくなるように４個のスポット位置を調整
する。これにより、移動装置が進入するか否かの方法は
次の手順により行われる。

【００２２】最初に、１列目のビームスポットが段差を
検出し、次に段差を検出するビームスポットが同じ列の
ものであれば図７（ｂ）に示すように進入角度はβ以下
となるので”良”と判断し、２列目のものであれば図７
（ｃ）に示すように、進入角度度はβより大となるの
で”否”と判断される。このように、この方法は良否判
定のみであるため非常に単純で信頼性も高く、その上高
速でコストも安い利点がある。

【００２３】以上、本発明の実施例では距離検出の発光
ビームの配列Ｍ行×Ｎ列が、５行×２列、２行×２列の
場合で説明したが、発光素子の数を多く、隣との間隔を
干渉しない程度に短く、各列間の距離を小さくすること
によって、進入角度の検出精度を高くすることができ
る。実際に、検出したい段差の仕様や許容誤差範囲、使
用するセンサーの発光ビームのスポット径などを留意し
て発光ビームの数や列間隔で配置するべきである。

【００２４】発光ビームの数は各列３個から５個が好ま
しい。移動装置が段差に進入する角度の良否判定のみを
行う場合は、各列２個の配置構成で十分である。本発明
の段差検出装置の２つの信号処理方法について説明す
る。図８は受光素子が時間分割により信号を検出する場
合の第１の信号処理回路のブロック図である。ここで
は、発光素子を３個、受光素子を１個を用いた例を示し
た。発光素子ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３は時分割点灯回路１１
により、同期クロック１２に同期して図９に示すような
タイミングで一定時間毎に分割して点灯される。 発光
素子ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３から発光された光ビームは、路
面で反射して受光素子ＰＳＤ１に入射する。受光素子Ｐ
ＳＤ１からの信号はヘッドアンプ１３を経てＩ／Ｖ変換
回路１４に送られ電流信号から電圧信号に変換される。
その後に、アナログ演算回路１５で演算され距離情報に
なる。電圧に変換された信号は、Ａ／Ｄ変換回路１６に
送られ、デジタル情報としてラッチ回路１７に送られ、
クロック回路２１からの同期クロック１２を基準にラッ
チタイミング指令回路２３により図９に示すようなタイ
ミングで、Ｄ１〜Ｄ３の各々に図８のＬ１〜Ｌ３の距離
情報データとしてラッチされる。ラッチ回路１７にラッ
チされた距離情報Ｌ１〜Ｌ３はＩ／Ｏポート１８を経
て、演算処理部２２のＣＰＵ１９に取り込まれ、そのデ
ータとビームの照射角度の値θiから、発光素子から点
Ｐ１〜Ｐ３までの水平距離と各々の発光素子の位置から
段差面までの高さＨ１〜Ｈ３とを求める。更に、ＣＰＵ
１９は、求めた水平距離と高さのデータから、図３に示
すように、移動装置前方の路面の距離Ｘの位置に高さＹ
の段差があることを検出することができる。

【００２５】図１０は、複数個の発光素子それぞれが異
なる周波数で変調した場合の第２の信号処理回路のブロ
ック図である。発光素子及び受光素子の数は前述の実施
例と同様であるが、発光素子ＬＥＤ１１〜ＬＥＤ１３の
発光をそれぞれ異なる周波数で変調して同時に発光させ
る。変調光は段差面で反射して、受光素子ＰＳＤ１１に
入る。受光素子ＰＳＤ１１からの信号はヘッドアンプ２
４を経て、Ｉ／Ｖ変換回路２５に送られ、電流信号から
電圧信号に変換される。電圧信号に変換された信号は、
発光素子を変調したそれぞれの周波数に合わせたバンド
パスフィルター２６〜２８で分離され、さらに、それぞ
れの復調回路２９〜３１で復調され、アナログ演算回路
３２〜３４を経て距離情報に変換される。距離情報は、
更にＡ／Ｄ変換回路３５〜３７でデジタル情報に変換さ
れる。変換された距離情報は、Ｉ／Ｏポート４０を経て
演算処理部３８のＣＰＵ３９に取り込まれる。以後前述
の時分割回路の場合と同様に演算処理される。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、移動装
置は段差部への進入角度の検出及び良否の判定を簡単な
処理で高速に行うことができる。本発明によれば、移動
装置が誤った角度で段差部に進入した際に、それを検出
し、移動装置が段差部に進入する直前で停止制御を行う
ことは十分に可能である。これによって従来問題となっ
ていた段差昇降時の安全性が確保できる。また、検出精
度の調整は各列の発光素子間隔、許容角度の設定は各列
間隔距離を調整することによって使用環境に合った仕様
に調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の段差検出装置を搭載した移動装置の構
成斜視図

【図２】本発明の段差検出装置を搭載した移動装置の構
成ブロック図

【図３】本発明の段差検出装置による進入角度検出方法
のパラメータ説明図

【図４】本発明の段差検出装置の発光素子群の配列説明
図

【図５】本発明の段差検出装置の動作説明図

【図６】本発明の段差検出装置の進入角度の精度調整方
法の説明図

【図７】本発明の段差検出装置による進入角度の良否判
断説明図

【図８】本発明の段差検出装置の第１の信号処理装置の
回路ブロック図

【図９】本発明の段差検出装置の信号処理波形図

【図１０】本発明の段差検出装置の第２の信号処理装置
の回路ブロック図

【符号の説明】

１ 移動装置本体 ２ 発光素子群 ３ 照射角制御装置 ４ 受光素子群 ５ 信号処理装置 ６ 駆動装置 ７ 操舵装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動装置に設けられた複数の発光素子か
   ら照射された光ビームにより、移動装置に対する段差の
   方向位置を検出する段差検出装置において、 移動方向前方に前記光ビームのスポット群をＭ行×Ｎ列
   アレイ状に配置形成するように照射する複数の発光素子
   と、前記形成された光ビームスポット群の夫々からの反
   射ビームを検出する受光素子群と、前記受光素子群から
   の信号出力を処理する信号処理装置とを有し、該信号処
   理装置が、前記受光素子群からの出力値に基づき算出さ
   れた段差稜線部と予め設定された前記光ビームスポット
   群の行間間隔と列間間隔とから算出される幾何学的値と
   を比較判断し、前記段差稜線部と前記移動装置の移動方
   向との相対角度を演算処理することを特徴とする段差検
   出装置。
2. 【請求項２】 前記発光素子群は、予め設定された段差
   稜線部に対する移動装置の進入角度に基づいて、光ビー
   ムスポット群がＭ行×Ｎ列アレイ状に配置形成するよう
   に照射し、前記設定された進入角度と前記受光素子群か
   ら得られた信号出力値とを比較判断して、前記段差稜線
   部に対する移動装置の進入の可否を判断することを特徴
   とする請求項１記載の段差検出装置。