JPH04147084A

JPH04147084A - 自走作業ロボットの障害物検出装置

Info

Publication number: JPH04147084A
Application number: JP2270338A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Iwata; 和敏岩田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-10-11
Filing date: 1990-10-11
Publication date: 1992-05-20

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、床面清掃ロボットなどのように、作業場所が
固定されず、このため誘導ケーブルなどの誘導手段を定
常的に設置できず、かつ障害物の位置も時間によって変
化する場所で用いられる自走作業ロボットの障害物検出
装置に関するものである。

（従来の技術）例えば、床面清掃ロボットは、車輪に設けたエンコーダ
を用いて走行距離を計測すると共に、内蔵しているジャ
イロを用いて自分の位置を検出し、マイクロコンピュー
タ制御によって、あらかじめ設定された基準コースに沿
って自動走行し、さらに例えば超音波センサを用いて障
害物を検知しながら進路の確認を行い、障害物が発見さ
れるとこれを回避している。

しかしながら超音波で検出できるのは、比較的近距離（
数ｃｍ〜数ｍ）で、かつ障害物が正面に向き合った場合
であり、障害物の方向や形状によっては検出できないこ
とがあり、この場合はロボットが検出できない物体を床
面清掃外の場所にあらかじめ移動させるか、ベニヤ板や
ダンボールなどで障害物を囲って超音波検出の可能な状
態にするなどの必要がある。

また、近距離の障害物検品に限定されるので、作業場の
障害物の位置関係が把握しにくく、前もって作業場内に
散在する障害物の概況をつかむことが困難である。

一方、障害物の検知に光を用いる方法があるがこの場合
はガラスのような透明な物体では光が反射されないので
検出が困難である。、ＣＣＤカメラやステレオカメラを
用いて画像的に検出する方法もあるが、画像処理や座標
変換が複雑となり、検出に時間がかかると共に高価な装
置が必要となる。

（発明が解決しようとする課題）上述のように、床面清掃ロボットなど作業場所が常に固
定されない場所で使用される超音波センサ付きの自動走
行形作業ロボットは、障害物の検出可能距離が短かく、
かつ物体の角の面の検出が困難であり、遠方の障害物ま
でも考慮したロボットの走行経路の設定ができないとい
う問題があり、また光を用いる場合には近距離の測定精
度が低く、かつ光の透過するガラス面などの検出ができ
ないという問題がある。

本発明は、障害物の検出距離範囲を拡大すると共に、障
害物の受光面の状況も判別して確実に障害物を検出でき
る、信頼性の高い自走作業ロボットの障害物検出装置を
提供することを目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段と作用）本発明は、十字形スリットを通してレーザ光を指令され
た目標方向に投射し、レーザ光の障害物からの反射光を
受光し、受光した十字形の像の長さに基づく演算処理に
よって障害物までの距離を計測するレーザ光距離センサ
と、計測制御装置からの指令に応じてレーザ光距離セン
サを制御すると共に種々の目標方向に対応して得られた
距離情報から障害物マツプを作る第１のマイクロプロセ
ッサシステム回路と、超音波を指令された目標方向に投
射し、反射された超音波の受波までの所要時間から障害
物までの距離を計測する超音波距離センサと、計測制御
装置からの指令および上記障害物マツプの情報に応じて
上記超音波距離センサを制御する第２のマイクロプロセ
ッサシステム回路を備えた自動作業ロボットの障害物検
出装置であり、レーザ光と超音波とのそれぞれの長所を
利用して、比較的簡単な装置で、走路の固定していない
自走作業ロボットを障害物を避けて安全に運転できるよ
うにしたものである。

（実施例）本発明の一実施例を第１図および第２図に示す。すなわ
ち、第１図は本発明によるレーザ光距離センサと超音波
距離センサを装備した自刃走行形作業ロボットの一例を
示す側面図であり、第２図は本発明による障害物検出装
置の一例を示すブロック図である。

第１図において、自動走行形作業ロボット１は正面上部
に少なくとも１台のレーザ光距離センサ２が設置され、
センサ２は上下方向に例えば１５０’左右方向に１８０
°、かつ進行方向の回りに３６０°旋回可能である。レ
ーザ光センサ２は真横から前面にわたる光反射体の障害
物の検出を担当する。

また、ロボット１の正面、両側面および裏面の下方にそ
れぞれ２台ずつ計８台の超音波距離センサ３が設置され
て、ロボット１の比較的近傍の障害物を音の反射によっ
て検出□しており、上下および左右に送受波の方向を変
えられるようになっている。

レーザ光距離センサ２は第２図に示すように、インタフ
ェースＡ１３を通して伝達された指令を解読してレーザ
光源５をオンオフするレーザ光ドライバ４を有し、レー
ザ光ｇ５のオン・オフによって発生されたレーザ光６を
十字形スリット７を通過させ、十字形スリット状のレー
ザ光８を前方に投射している。

センサ２はさらに、十字形スリット状レーザ光の反射光
９を通過させるフィルタつきのレンズ１０、この光を受
光する二次元ＣＣＤイメージセンサ１１、およびこのイ
メージ信号を処理するイメージセンサドライバ１２を有
し、その出力信号をインタフェースＡ１３を通してＭＰ
Ｕシステム回路Ａ１４へ像の長さ悲として伝達すると共
に回路Ａ１４からインタフェースＡ１３を介してイメー
ジセンサドライバ１２へ指令が出せるように構成されて
いる。

なお、ＭＰＵシステム回路Ａ１４はメモリＡ１５との間
で双方向に情報伝達できるように接続されている。また
センサ２を必要な方向に向けるためにインタフェースＡ
１３にモータドライバ１６．１９．２２が接続され、ド
ライバ１６に上下方向旋回モータ１７が接続されると共
に、モータ１７に回転角検出器１８が接続され１回転角
フィードバックによって上下方向の旋回角を制御してい
る。

同様にモータドライバ１９、左右方向旋回モータ２０、
回転角検出器２１およびインタフェースＡ１３を用いて
左右方向の旋回角を制御し、さらにモータドライバ２２
、光軸方向旋回モータ２３１回転検出器２４およびイン
タフェースＡ１３　を用いて回転角を制御している。

また、ＭＰＵシステム回路１４はインタフェースＡ１３
を介して超音波センサ３Ｂ、　３Ｃ，・・・、　３Ｉの
インタフェースＣ４２，・・・、インタフェースＩ４３
と双方向接続され、さらにインタフェースＡ１３を介し
て計測制御装置２５と双方向接続されている。

超音波距離センサ３は、その代表例３Ｂに示すように、
指令源である計測制御装置２５とインタフェースＢ３１
を介して双方向接続され、インタフェースＢ３１は、さ
らにセンサ３Ｂの計測データ処理の中心となるＭＰＵシ
ステム回路Ｂ３２と双方向接続され、ＭＰＵシステム回
路Ｂ３２はさらにメモリＢ３４と双方向接続されている
。

超音波センサ３Ｂは超音波のオン・オフを行う超音波ド
ライバ２６、超音波３０を出力する送波器２７、反射超
音波３０を受波する受波器２８、送波開始から受波開始
までの時間をカウントするタイムカウンタ２９、および
音速の温度補正をするための温度計３３から構成されて
いる。また、インタフェースＢ３１はタイムカウンタ２
９および温度計８３３とそれぞれ双方向接続されている
。

また超音波センサ３Ｂの送受波方向を任意に変えるため
にモータドライバ３５、上下方向旋回モータ３６、回転
角検出器３７が設けられ、同様にモータドライバ３８、
左右方向旋回モータ３９、回転角検出器４０が設けられ
、それぞれインタフェースＢ３１　を介してＭＰＵシス
テム回路Ｂ３２に接続されて回転角フィードバック制御
ができるようにしている。

また走行床面ば水平とは限らないので、進行方向傾斜角
センサ４４および左右方向傾斜角センサ４５が設けられ
てそれぞれ計測制御装置２５に双方向接続され、さらに
計測制御装置２５は走行制御装置４６とも双方向接続さ
れている。

自動走行形作業ロボット１が作業をしながら徐行運転さ
れると、計測制御装置２５からレーザ光距離センサ２と
超音波距離センサ３とにそれぞれ計測指令が出される。

これによってインタフェースＡ１３を介してレーザ光ド
ライバ４とＭＰＵシステム回路Ａ１４へ計測指令が出さ
れ、ドライバ４はレーザ電源をオンしてレーザ光源５を
点灯させ、その出力であるレーザ光６が十字形スリット
７を通過し、−辺の長さがＬの十字形スリット状のレー
ザ光８となって障害物の方向に投射される。

このレーザ光８が距離ｒの位置にある垂直な平面状の壁
面４１に垂直に投射されると、第３図に示すように基準
距離ｒＨの場合に二次元ＣＣＤイメージセンサ１１にで
きる像の長さＱＲに対して像の長さはＱとなる。

すなわちレーザ光８の広がりをδ＝０．２＋ｓ　ｒａｄ
とすると、基準距離ｒＲにある基準壁面にできる十字形
スリット光の一辺の長さしＲは、ｒＲにおける広がり分
が△ＬＲ＝δ”ｌ”Ｈ：２　Ｘ　１０−’ｒｌ（どなる
ので、ＬＲ＝Ｌ＋ΔＬＲ：Ｌ＋　２　Ｘ　１０−’ｒＲ
となる。

基準壁面からの反射光９がフィルタ付きレンズ１０を通
ると、波長がレーザ光８と一致する光だけが選択通過し
、二次元ＣＯＤイメージセンサ１１の表面に長さＱＲの
像を作り、これはセンサ１１の表面から距離ｒｃの所に
レンズ１０の焦点があることによる。

任意の距離ｒにある壁面４１にレーザ光８が作る像の一
辺の長さＬ′は、広がり分がΔＬ＝δ・ｒ＝２　Ｘ　１
０−’ｒになるのでＬ’＝Ｌ＋ΔＬ＝Ｌ＋２Ｘ１０−’
ｒとなり、その反射光９がセンサ１１の表面に作る像の
長さｌは下記ω式で与えられる。

上記０式をＱとｒとの関係に書き直すと、ｒ　＝　Ｌ　
／　（−！！−・凰−δ）　　　　　・・・　■ＲｒＲとなる、ここでＱＲｙ　ｒＲｖ　ＬＲｔ　δ、Ｌは既知
の値であり、従ってＱを測定し、０式の演算を行うこと
によって距離ｒが求められる。

このように距離ｒを得るために、二次元ＣＣＤイメージ
センサ１１の画像をイメージセンサドライバ１２のイメ
ージ信号処理部へ送り、像の両端の座標から長さΩを求
め、インタフェースＡ１３を経由してＭＰＵシステム回
路Ａ１４に送り、メモリＡ１５にストアされている６、
　ｒＲ＋　ＬＲｔδ、Ｌを回路Ａ１４に呼び出して０式
の計算を行う。

一方、車輪に設けた走行距離計４７を介して走行制御装
置４６に記録された走行記録から割出された座標値が計
測制御装置２５からＭＰＵシステム回路Ａ１４へ伝達さ
れ、座標値並びに計測の方向と関係づけて距離ｒがメモ
リＡ１５にストアされると同時に計測制御装置１２５に
も伝達され、回路Ａ１４内で作業域の境界や作業域内の
柱の配置と形状などを把握した上でマツプを画いて作業
経路を計画し、さらに後述する超音波センサ３による比
較的近くの情報でマツプを修正しながら、作業経路を修
正して作業を続行する。

第３図で説明した垂直な平面状の壁面にレーザ光８が垂
直に投射される場合は、十字形の両辺が壁面４１上で共
にＬ′の長さになり、これらがイメージセンサ１１の表
面上に両方共長さＱで写し出される。このように両辺の
長さが同一ならば、反射面は垂直な平面状の壁面である
ことが分る。ただし。

ロボット１自身が水平な床面上にある場合に限られる。

ＭＰＵシステム回路Ａ１４はモータドライバ１６にも指
令を与え、上下方向旋回モータ１７を回転角検出器１８
で検出した角θ、がドライバ１６に出した指令値θ、と
一致するまで旋回させる。

第４図は水平距離ｒｆの位置から仰角θで垂直な壁面４
１にレーザ光８が投射された場合を示しており、この場
合はセンサ２と投射面の間の距離はｒ＝ｒｆ　’　ｓｅ
ｅθとなり、レーザ光はθだ傾斜して投射されているの
で、上下方向の像の長さはＬｆＶ＝（Ｌ＋δ・ｒ）ｓｅ
ｅθ、水平方向の像の長さはＬｆｖ＝　Ｌ　十δ・ｒと
なる。従ってＱｆｖ／Ｑｆｈ＝Ｌｆｖ／Ｌ（ｈ＝ｓｅｃ
θの関係からＭＰＵシステム回路Ａ１４によってθが求
められる。

反射面がある曲率で弯曲していたり、円柱であったりす
る場合には、上下方向は直線状の像になるが、水平方向
は真正面から見た場合のみ見かけ上直線に見えるだけと
なり、仰角θが大きくなるほど水平方向の像が大きく曲
って見えるようになる。

第５図は垂直な壁面４１に水平ではあるが、右側に角φ
だけそれて投射された場合を示すもので、上下方向の像
の長さはＬ５ｖ＝Ｌ＋δ・ｒであるが、水平方向の像の
長さはＬｓｈ＝（Ｌ＋δ・ｒ）ｓｅｅφとなるにの場合
も第４図の場合と同様に、回路Ａ１４でＱｓｖ　／　Ｑ
ｓｈ　＝　Ｌｓｖ　／　ＬＳｈ　＝　ｃｏｓφからφが
求められる。この場合、左右の旋回にはドライバ１９．
モータ２０、検出器２１が使われる。

このように、レーザ光センサ２の十字形の短い方の一辺
は距離ｒの情報を持ち、他の長い方の一辺は反射面の状
態の情報を持っている。反射面が平面ならば、２辺とも
直線であり、直線の両端の位置座標だけが分ればよいの
で、ドライバ１２の画像処理は簡単で、迅速に行うこと
ができ、さらに細い棒状の障害物でも発見でき、ロボッ
ト１の近傍から２０〜３０ｍまで容易に検出できる。し
かも、遠方の障害物にすぐ衝突する訳ではないので距離
ｒの精度はそれ程高くなくてもすむ。斜方向の障害物は
モータ２２、モータ２３．検出器２４を用い、適当に十
字形レーザ光８を斜め方向に動かして像を一致させる。

透明体障害物の検出や、予めレーザ光センサ２で検出さ
れた障害物の近距離における精度の高い距離測定は超音
波距離センサ３を用いて行われる。

先ず計測制御装置２５からインタフェースＢ３１を介し
て超音波ドライバ２６とＭＰＵシステム回路Ｂ３２へ超
音波センサ３Ｂを動作させる指令が出されると、ドライ
バ２６が凹面振動子をもつ送波器２７を動作させ、集束
された超音波３０を送波する。同時にドライバ２６がタ
イムカウンタ２９に送波器２７の送波時刻を知らせ、カ
ウンタ２９のタイムカウントを始動させる。

レーザ光センサ２で既に検出されている障害物の距離測
定では、ドライバ２６がこれに合せた長さの送波時間で
送波器２７を動作させ（近所は短時間、遠方は長時間）
、送波器２７を停止させてから受波器２８を受波可能状
態にして反射波の到着を待つ。

反射波が到着するとカウンタ２９がカウントを止め、イ
ンタフェース３１を介してＭＰＵシステム回路Ｂ３２ヘ
カウント値を伝える。同時に温度計８３３から空気中の
温度Ｔが回路Ｂ３２へ伝えられ１回路Ｂ３２ではこのカ
ウント値から所要時間ｔを求め、温度Ｔで補正した空気
中の音速９７と時間ｔ／２の積として障害物までの距離
Ｓを５＝ｙＴ−ｔ／２として求める。

この結果は計測制御装［１２５へ計測位置の座標と方向
を付けて報知され、メモリＢ３４ヘスドアされる。また
、回路Ｂ３２から、必要な方向にセンサ３Ｂを向けるよ
うに、モータドライバ３５および３８へ指令が出され、
上下方向旋回モータ３６および左右旋回モータＢ３９を
動作させ、動作量を検出器３７および４０で検出しチエ
ツクし、所望の方向にセンサ３Ｂを向ける。距離の計測
では、送波器２７の送波時間は超音波３０が設定された
距離を往復するに要する時間よりも短い時間に選ばれる
。

ロボット１の前面にはセンサ３Ｂと３０が配設されてお
り、９０″近くまで旋回できるので、正面でエツジを形
成する障害物でも側面にある広がりがあれば側面の検出
からその存在が分る。ロボット１側面の障害物検出や、
後退時の障害物検出も同様にできる。

進行方向および左右方向傾斜角センサ４４．４５は計測
制御装置１２５の指令により、ロボットｌの傾斜角を測
定し、それぞれ装置２５に報知する。傾斜角センサ４４
．４５としては例えば磁気抵抗素子を円板状に配列し、
中間電極を取出した３端子素子で半円形状の磁石による
磁界を素子に加えると、磁石の位置に対応する磁気抵抗
増加が得られる回転型ポテンショメータが利用できる。

上述のように、センサ２の十字形スリット光８が反射面
に作る像から反射面の状態を推定できる。

例えば曲面であれば一辺は曲った像になる。直線状のス
リット像が２本ある場合は、短い方の１本の長さが距離
測定に関係し、スリット像が曲線１本と直線１本とから
成る場合は直線の長さが距離計測に関係し、基準距離ｒ
ｌとイメージセンサ１１上のスリット光景ＱＲを基準に
して距離ｒを計測することができる。さらにスリット像
の長さの比から反射面とセンサの投射面との角度が分る
。曲線の場合は曲り具合とロボット１の姿勢や投射角の
関係から曲率が推定できる。特徴のある同じ計測対象に
ついて座標が分った異なる２点からの角度とロボット１
の姿勢に関する傾斜角があるので、三角測量の原理から
距離ｒを求めてチエツクできる。

また超音波を併用することによって透明な障害物でもロ
ボット１の２〜３ｍ手前で検出できる。

障害物中の特定の位置に対して、超音波センサ３で計測
する場合も、２つ以上の座標値と計測方向の角度から三
角測量の原理で距離ｒを求めてチエツクすることができ
る。センサ２でやや大きなマツプを作り、作業計画を立
ててセンサ３でこのマツプを精密にして行きながら、作
業を修正できる。

また十字形スリット８の端点の座標を求めるのを基本に
しているので、画像処理が簡単で迅速にできる。

上記の実施例では、レーザ光センサ２は十字形スリット
状レーザ光８を用いているが、作業ロボット１が極めて
緩慢に走行するものである場合には、簡単な一字形スリ
ット状レーザ光を用い、−度検出し終ってから９０’回
転して再度−字形スリット状レーザ光で検出するように
してもよい。

また、二次元ＣＣＤイメージセンサ１１を二次元ＣＣＤ
イメージセンサに置換え、センサ１１の幅だけ−次元の
センサを移動させてもよい、速度が極めて緩慢ではない
が、時々立止れる場合には、立止ったときに周囲の障害
物を一字形スリット状レーザ光の９０″回転の組合せや
一次元ＣＯＤイメージセンサのレンズ視野相当分の幅方
向移動によっても同様な効果が得られる。また、レーザ
光センサ２をロボット１の屋根の中央のやＮ高所に置い
て水平方向に３６０°回転させることもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、レーザ光と超音波
とを組合せて相互の長所を利用しているので、障害物の
検出距離範囲を広くとることができて、遠方はや＼精度
が低くなっても近辺では高精度とすることができ、また
十字形スリット像を用いているので画像処理が簡単で迅
速にでき、さらに障害物の反射面の状況が分ると共に透
明体やエツジ状物体も検出できる、合理的な自走作業ロ
ボットの障害物検出装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す自動走行形作業ロボッ
トの側面図、第２図は第１図の作業ロボットの障害物検
出装置の構成を示す系統図、第３図は基準距離と任意距
離における反射面での受光像とセンサ上の像との関係を
示す説明図、第４図は仰角θをもって入射する場合の説
明図、第５図は水平の振れ角φをもって入射する場合の
説明図である。１・・・自動走行形作業ロボット２・・・レーザ光距離センサ３・・・超音波距離センサ　４・・・レーザ光ドライバ
５・・・レーザ光源　　　　６，８・・・レーザ光７・
・・十字形スリット　　９・・・反射光１０・・・フィ
ルタつきレンズ１１・・・二次元ＣＣＤイメージセンサ１２・・・イメ
ージセンサドライバ１３、３１．４２．４３・・・インタフェース１４、３
２・・・ＭＰＵシステム回路１５、３４・・・メモリ１６、１９．２２．３５．３８・・・モータドライバ１
７、２０．２３．３６．３９・・・旋回モータ１８、２
１．２４．３７．４０・・・回転角検出器２６・・・超
音波ドライバ　　２７・・・送波器２８・・・受波器　
　　　　　２９・・タイムカウンタ３０・・・超音波　
　　　　　３３・・・温度計４１・・・壁面　　　　　
　　４４．４５・・・傾斜角センサ４６・・・走行制御
装置　　　４７・・・走行距離計（８７３３）代理人　
弁理士　猪　股　祥　晃（ほか１名）

Claims

【特許請求の範囲】

十字形スリットを通してレーザ光を指令された目標方向
に投射し、レーザ光の障害物からの反射光を受光し、受
光した十字形の像の長さに基づく演算処理によって障害
物までの距離を計測するレーザ光距離センサと、計測制
御装置からの指令に応じてレーザ光距離センサを制御す
ると共に種々の目標方向に対応して得られた距離情報か
ら障害物マップを作る第１のマイクロプロセッサシステ
ム回路と、超音波を指令された目標方向に投射し、反射
された超音波の受波までの所要時間から障害物までの距
離を計測する超音波距離センサと、計測制御装置からの
指令および上記障害物マップの情報に応じて上記超音波
距離センサを制御する第２のマイクロプロセッサシステ
ム回路を備えたことを特徴とする自走作業ロボットの障
害物検出装置。