JPH05312941A - 物標の中心位置を求める超音波距離測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 移動体に搭載され、移動している移動体から
その側面方向の物標に超音波の送受信を行ない、逐次測
定した物標までの距離情報から該物標の中心位置を求め
ることができる超音波距離測定装置。 【構成】 前記移動体の移動方向と直角方向に超音波を
送信する超音波送信手段１及び３と、該送信された超音
波の反射波を前記超音波送信の位置から前記移動体の移
動方向とその反対方向に等距離を隔てた両側の位置にお
いて個別に受信する一対の超音波受信手段２Ａ，４Ａ及
び２Ｂ，４Ｂと、前記超音波送信時刻と一対の超音波の
受信時刻との間の時間から個別に物標までの距離を計測
する一対の距離計測部６Ａ及び６Ｂと、前記計測された
一対の距離情報の差データから物標の中心位置を算出す
る演算処理部７とを備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動体に搭載され、移
動している移動体からその側面方向の物標に超音波の送
受信を行ない、逐次測定した物標までの距離情報から該
物標の中心位置を求める超音波距離測定装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】現在、工場や倉庫等において、部品や荷
物を運ぶ無人搬送ロボットが使用されている。この無人
搬送ロボットはある地点から目的地まで物品を搬送する
ことが本来の目的である。この場合に、あらかじめ走行
ルート上の特定位置（例えば十字路の通路やその近傍
等）に識別物標（例えば識別信号を発生する信号発生物
標）を設けておき、移動ロボットが内蔵センサにより前
記識別物標を検出して、前記特定位置にあることを認識
し、ロボットの位置や進行方向を較正しながら目的地ま
で到達するものが多い。これは移動ロボットの走行に応
じ、その内蔵する方位センサや距離センサに基づいて算
出されるロボットの位置や方位の累積誤差が大きくなる
ので、所定間隔での較正を行なうためである。しかし床
面を清掃するロボットや、床面上にセメントのコテ仕上
げをするロボットのような床面作業ロボットの場合に
は、与えられたすべての領域を余す所なく、且つ重複す
る所なく掃引（移動）して作業をすることが本来の目的
であるため、その走行ルートやその近傍に前記識別物標
を設けることは、単にコストが増加するのみならず、作
業領域の一部が未作業部分として残ったり、また識別物
標との衝突回避動作を要したりするので、好ましくな
い。

【０００３】従って、前記の識別信号を発生するような
特定の識別物標を走行ルートやその近傍に設けなくと
も、移動ロボット等の移動体が作業現場にある既知の物
標の位置を正確に測定し、この測定した物標位置を参照
にして、相対的に実平面について設定された絶対座標系
における自分の方位及び位置を較正できることが望まし
い。それ故、作業現場の壁面から突出する柱などの物標
を参照物標として用い、この参照物標の中心位置を正確
に測定したいという要望が従来からあった。このため、
従来は移動ロボット等の移動体を壁面と並行に移動させ
ながら、該移動体に搭載された超音波距離測定装置を用
いて移動体の側面方向にある壁面に超音波の送受信を行
ない、該壁面までの距離を逐次測定し、この測定距離が
短くなった箇所、即ち壁面からの突出部を柱の位置とし
て測定していた。しかしこの場合には、柱の開始点と終
了点の位置が不明確で、特定できない場合が多いので、
これまでは柱などの参照物標の中心位置を正確に求める
ことは困難であった。以下実際の測定例によりこれを説
明する。

【０００４】図５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
動子などの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は超音波送信部、４は超音波受信部であ
り、例えば、増幅器４１、バンドパスフィルタ（以下Ｂ
ＰＦという）４２、検波器４３及び比較器４４を含む。
５はタイミング制御部、６は距離計測部である。図６は
図５の装置の動作を説明するための波形図である。図７
は図５の装置を搭載した移動体と壁面及び柱との水平面
における位置関係を示す図であり、走行中の移動体の側
面において、送波センサ１から送信された超音波の反射
波が受波センサ２に受信される状態を示している。

【０００５】図６及び図７を参照し、図５の動作を説明
する。図５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、超音波送信部３は所定周波数（例えば２
０kHz)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
されると所定のビーム指向特性の超音波を壁面に向けて
送信する。ここで図７の位置関係のように移動体の進行
方向と壁面とがほぼ平行の場合には、送信された超音波
は壁面から反射される。そしてこの反射波の一部は受波
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）が超音波受信部４に供給され
る。超音波受信部４は、内蔵する増幅器４１で受信信号
を増幅後、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
までの距離データを算出して出力する。

【０００６】図８及び図９は図７の移動体が移動しなが
ら測定した柱近傍の距離データ例１及び例２を示す図で
ある。同図の横軸は測定時間であるが、移動速度が一定
の場合には、移動体の座標位置（横軸上の座標位置）と
等価である。縦軸は測定した距離データである。図８に
おいて、超音波距離測定装置はほぼ変化点Ｄの近傍で柱
をとらえ、また変化点Ｅの近傍で柱が終了したことを検
出しているが、前記変化点Ｄ及びＥの前後のデータは変
動が大きいので、柱の開始点と終了点は余り正確ではな
い。図９においては、柱の端面等の影響で、複雑な測定
結果となり、柱の開始点と終了点を明確に特定できな
い。従って柱の中心も正確に算出することができない。

【０００７】

【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、これを移動体に搭載し、移動し
ている移動体からその側面方向にある壁面に超音波の送
受信を行ない、該壁面までの距離を逐次測定し、壁面か
ら突出する柱などの物標の中心位置を求める場合に、前
記突出物標の開始点と終了点が特定できないため、正し
い中心位置が求められない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、移
動体に搭載され、移動している移動体からその側面方向
の物標に超音波の送受信を行ない、逐次測定した物標ま
での距離情報から該物標の中心位置を求めることができ
る超音波距離測定装置を得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
物標の中心位置を求める超音波距離測定装置は、移動体
に搭載され、移動している移動体からその側面方向の物
標に超音波の送受信を行ない、該物標までの距離を逐次
測定する超音波距離測定装置において、前記移動体の移
動方向と直角方向に超音波を送信する超音波送信手段
と、前記超音波送信の位置から前記移動体の移動方向と
その反対方向に等距離を隔てた両側の位置に設置され、
前記超音波送信手段が送信し物標から反射された超音波
を個別に受信する一対の超音波受信手段と、前記超音波
送信手段による送信波発生時刻と、前記一対の超音波受
信手段からそれぞれ得られる受信波検出時刻との間の時
間からそれぞれ前記物標までの距離を計測する一対の距
離計測手段と、前記一対の距離計測手段からそれぞれ得
られる一対の距離情報の差データを逐次算出し、該逐次
算出される差データの変化率データから前記物標の中心
位置を算出する演算処理手段を備えたものである。

【０００９】本発明の請求項２に係る物標の中心位置を
求める超音波距離測定装置は、前記請求項１に係る装置
において、前記一対の距離計測手段からそれぞれ得られ
る一対の距離情報の差データを逐次算出する減算器と、
該減算器から逐次得られる差データを記憶するメモリ
と、該メモリから読出した差データの単位時間当りの変
化率を算出する微分器と、該微分器から得られる変化率
データの変極点近傍のデータのみの平均値を算出する平
均値算出器と、該平均値算出器が算出した平均値を基準
レベルとして、前記メモリから読出した差データが前記
基準レベルと交差する２つの交点を、計測開始点側から
交差する第１の交点及び計測終了点側から交差する第２
の交点として求め、前記第１の交点と第２の交点との間
の中点を物標の中心位置として算出する中心位置算出器
とを含む演算処理手段を備えたものである。

【００１０】

【作用】本請求項１に係る発明においては、移動体に搭
載され、移動している移動体からその側面方向の物標に
超音波の送受信を行ない、該物標までの距離を逐次測定
する超音波距離測定装置において、超音波送信手段は前
記移動体の移動方向と直角方向に超音波を送信する。一
対の超音波送信手段は、前記超音波送信の位置から前記
移動体の移動方向とその反対方向に等距離を隔てた両側
の位置に設置され、前記超音波送信手段が送信し物標か
ら反射された超音波を個別に受信する。一対の距離計測
手段は、前記超音波送信手段による送信波発生時刻と、
前記一対の超音波受信手段からそれぞれ得られる受信波
検出時刻との間の時間からそれぞれ前記物標までの距離
を計測する。演算処理手段は前記一対の距離計測手段か
らそれぞれ得られる一対の距離情報の差データを逐次算
出し、該逐次算出される差データの変化率データから前
記物標の中心位置を算出する。

【００１１】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、前記演算処理手段は、減算
器、メモリ、微分器、平均値算出器及び中心位置算出器
とを含み、前記減算器は前記一対の距離計測手段からそ
れぞれ得られる一対の距離情報の差データを逐次算出
し、メモリは前記減算器から逐次得られる差データを記
憶する。微分器は前記メモリから読出した差データの単
位時間当りの変化率を算出し、平均値算出器は前記微分
器から得られる変化率データの変極点近傍のデータのみ
の平均値を算出する。中心位置算出器は前記平均値算出
器が算出した平均値を基準レベルとして、前記メモリか
ら読出した差データが前記基準レベルと交差する２つの
交点を、計測開始点側から交差する第１の交点及び計測
終了点側から交差する第２の交点として求め、前記第１
の交点と第２の交点との間の中点を物標の中心位置とし
て算出する。

【００１２】

【実施例】図１は本発明に係る物標の中心位置を求める
超音波距離測定装置のブロック図であり、図において、
１は超音波の送波センサ、２Ａは＃１受波センサ、２Ｂ
は＃２受波センサであり、これらの配置は図２で説明す
る。３は超音波送信部、５はタイミング制御部であり、
それぞれ図５と同一の機器である。４Ａ及び４Ｂはそれ
ぞれ前記受波センサ毎に設けられた＃１及び＃２超音波
受信部である。この２つの超音波受信部４Ａ及び４Ｂは
図５の超音波受信部４と同一の機器であり、それぞれ増
幅器４１、ＢＰＦ４２、検波器４３及び比較器４４を含
んでいる。６Ａ及び６Ｂはそれぞれ＃１及び＃２距離計
測部であり、図５の距離計測部６と同一の機器である。
図１の７は本発明に係る演算処理部であり、内部に減算
器７１、メモリ７２、微分器７３、平均値算出器７４及
び中心位置算出器７５を含んでいる。また上記７１〜７
５の各機器は、実施する演算処理の各機能別の機器とし
て設けた場合の例を示しており、実際のハードウェアと
しては、例えばマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）、制御プ
ログラムを記憶するＲＯＭ、データを一時記憶するＲＡ
Ｍ、及びデータの入出力インタフェース等により演算処
理部７を構成することができる。なお、上記１〜７の機
器により本発明に係る超音波距離測定装置は構成され、
移動体に搭載される。

【００１３】図２は図１の装置を搭載した移動体と壁面
及び柱との水平面における位置関係を示す図である。同
図においては、移動体の側面のほぼ中央に送波センサ１
を設置し、その前方（進行方向）と後方に等しい距離ｄ
を隔てて＃１受波センサ２Ａと＃２受波センサ２Ｂとを
設置している。従って＃２受波センサ２Ｂ、送波センサ
１及び＃１受波センサ２Ａは同一直線上に配列され、こ
のセンサの配列方向（即ち移動体の進行方向）と直角方
向に送波センサ１は超音波を送信する。いま図２に示す
移動体の位置では、＃１受波センサ２Ａは柱からの反射
波を主に受信し、＃２受波センサ２Ｂは壁面からの反射
波を主に受信している状態を示している。しかし移動体
がもう少し前進した位置では、＃１及び＃２受波センサ
２Ａ及び２Ｂは共に壁面からの反射波を主に受信する状
態となる。図２のセンサ間隔ｄは、超音波の送受波周波
数及び指向特性等により、検出距離及び検出角度が最適
と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 とした場合の最適間隔として
ｄ＝２５cmが選択されている。

【００１４】図３は本発明に係る一対の距離計測情報間
の差データの説明図であり、図４は図１の演算処理部に
おける演算処理の説明図である。図３及び図４の横軸は
測定時間（移動体が定速の場合は、座標位置と等価）で
あり、縦軸は距離の差データまたはその微分値である。
図１の超音波距離測定装置は、移動体に搭載され、いま
図２に示す位置関係のように、壁面と並行に移動しなが
ら移動体側面に設けられた送波センサ１から超音波を逐
次送信する。送波センサ１と進行方向の前後に設けられ
た＃１及び＃２受波センサ２Ａ及び２Ｂは、それぞれ壁
面からの反射波を受信し、この２つの受信信号はそれぞ
れ対応する＃１及び＃２超音波受信部、並びに＃１及び
＃２距離測定部６Ａ及び６Ｂで個別に受信測定される結
果、壁面までの距離データとして、２つの距離データＤ
_A 及びＤ_B が得られる。

【００１５】いま、前記２つの距離データＤ_A 及びＤ_B
の差データΔＤ＝Ｄ_B −Ｄ_A に注目すると、移動体と壁
面及び柱との相対位置が、（ａ）２つの受波センサ２Ａ
及び２Ｂが共に壁面または柱からの反射波を受信する位
置では、差データΔＤの値は小さい。但し距離データは
壁面と柱では差がある。（ｂ）一方の受波センサは柱か
らの反射波を受信し、他方の受波センサは壁面からの反
射波を受信する位置（例えば図２の位置）では、ΔＤの
絶対値は大きい。但し極性は正または負の２通りがあ
る。従って移動体の側面が壁面、柱、壁面と変化する
と、前記相対位置は、前記（ａ），（ｂ），（ａ），
（ｂ），（ａ）の順序で変化するから、差データΔＤは
図３のように変化する。図３の黒丸は移動体が壁面とほ
ぼ並行移動の場合の差データであり、この黒丸を結ぶ曲
線は０の値を境に逆極性となる。図３の白丸は移動体が
並行移動から多少ずれて、壁面とある角度をもって移動
した場合であり、この白丸を結ぶ曲線は０の値を横切ら
ない場合がある。

【００１６】図１の演算処理部７は＃１及び＃２距離計
測部６Ａ及び６Ｂからそれぞれ距離データＤ_A 及びＤ_B
が入力されると、 （１）まず減算器７１は、前記距離の差データΔＤ＝Ｄ
_B −Ｄ_A を逐次算出し、この逐次算出した差データをメ
モリ７２に一時記憶する。 （２）次に微分器７３は、メモリ７２に一時記憶された
前記差データを逐次読出し、差データが単位時間でどれ
だけ増加または減少したか、その変化率を求める。この
演算は前記差データの微分値を算出することになる。図
４の（ａ）は前記並行移動と多少ずれている場合の白丸
を結んだ差データ曲線であり、（ｂ）は差データの微分
値を示している。 （３）次に平均値算出器７４は、微分器７３が演算した
前記微分値データの変極点近傍（即ち図４の（ｂ）のピ
ーク値近傍で微分値の増加及び減少のなくなる部分）の
みのデータの平均値を算出し、この平均値を基準レベル
とする。図４の（ｃ）はこの基準レベルを示しており、
移動体が物標と平行でなく、ある角度をもって移動する
場合に、その角度により決まるレベル値になる。 （４）次に中央位置算出器７５は、メモリ７２から読出
した前記差データを結ぶ差データ曲線が前記基準レベル
と交差する２つの交点を、計測開始点から終了点に向う
交点Ａと、計測終了点から開始点に向かう交点Ｂとして
求め、前記交点ＡとＢの間の中点Ｃを算出し、この中点
Ｃの位置を柱の中心位置とする。そしてこの物標中心位
置情報を出力する。

【００１７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、移動体に
搭載され、移動をしている移動体からその側面方向の物
標に超音波の送受信を行ない、該物標までの距離を逐次
測定する超音波距離測定装置において、前記移動体の移
動方向と直角方向に超音波を送信し、該送信された超音
波の反射波を前記超音波送信の位置から前記移動体の移
動方向とその反対方向に等距離を隔てた両側の位置にお
いて個別に受信し、前記超音波の送受信信号間の時間か
ら計測される一対の距離情報の差データを逐次算出し、
該差データの変化率データから前記物標の中心位置を算
出するようにしたので、例えば床面掃引ロボットが壁面
から突出する柱等の物標の中心位置を正確に求め、この
物標の中心位置を参照位置として、移動体が自己の位置
や方位を較正できる効果が得られる。

【００１８】また本発明によれば、前記一対の距離情報
の差データの微分値の変極点近傍のデータのみを平均値
を算出し、該平均値を基準レベルとして、前記差データ
が基準レベルと交差する２つの交点を、計測開始点側か
ら交差する第１の交点及び計測終了点側から交差する第
２の交点として求め、前記第１の交点と第２の交点との
間の中点を物標の中心位置として算出するようにしたの
で、移動体が前記柱等の物標表面と並行ではなく、ある
角度をもって移動する場合にも、物標の中心位置を正確
に求められる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る物標の中心位置を求める超音波距
離測定装置のブロック図である。

【図２】図１の装置を搭載した移動体と壁面及び柱との
水平面における位置関係を示す図である。

【図３】本発明に係る一対の距離計測情報間の差データ
の説明図である。

【図４】図１の演算処理部における演算処理の説明図で
ある。

【図５】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６】図５の動作を説明するための波形図である。

【図７】図５の装置を搭載した移動体と壁面及び柱との
水平面における位置関係を示す図である。

【図８】図７の移動体が移動しながら測定した柱近傍の
距離データ例１を示す図である。

【図９】図７の移動体が移動しながら測定した柱近傍の
距離データ例２を示す図である。

【符号の説明】

１ 送波センサ ２Ａ，２Ｂ ＃１及び＃２受波センサ ３ 超音波送信部 ４Ａ，４Ｂ ＃１及び＃２超音波受信部 ５ タイミング制御部 ６Ａ，６Ｂ ＃１及び＃２距離計測部 ７ 演算処理部 ７１ 減算器 ７２ メモリ ７３ 微分器 ７４ 平均値算出器 ７５ 中心位置算出器

───────────────────────────────────────────────────── 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】 移動体に搭載され、移動している移動体
   からその側面方向の物標に超音波の送受信を行ない、該
   物標までの距離を逐次測定する超音波距離測定装置にお
   いて、 前記移動体の移動方向と直角方向に超音波を送信する超
   音波送信手段と、 前記超音波送信の位置から前記移動体の移動方向とその
   反対方向に等距離を隔てた両側の位置に設置され、前記
   超音波送信手段が送信し物標から反射された超音波を個
   別に受信する一対の超音波受信手段と、 前記超音波送信手段による送信波発生時刻と、前記一対
   の超音波受信手段からそれぞれ得られる受信波検出時刻
   との間の時間からそれぞれ前記物標までの距離を計測す
   る一対の距離計測手段と、 前記一対の距離計測手段からそれぞれ得られる一対の距
   離情報の差データを逐次算出し、該逐次算出される差デ
   ータの変化率データから前記物標の中心位置を算出する
   演算処理手段とを備えたことを特徴とする物標の中心位
   置を求める超音波測定装置。
2. 【請求項２】 前記一対の距離計測手段からそれぞれ得
   られる一対の距離情報の差データを逐次算出する減算器
   と、 該減算器から逐次得られる差データを記憶するメモリ
   と、 該メモリから読出した差データの単位時間当りの変化率
   を算出する微分器と、 該微分器から得られる変化率データの変極点近傍のデー
   タのみの平均値を算出する平均値算出器と、 該平均値算出器が算出した平均値を基準レベルとして、
   前記メモリから読出した差データが前記基準レベルと交
   差する２つの交点を、計測開始点側から交差する第１の
   交点及び計測終了点側から交差する第２の交点として求
   め、前記第１の交点と第２の交点との間の中点を物標の
   中心位置として算出する中心位置算出器とを含む演算処
   理手段を備えた請求項１記載の物標の中心位置を求める
   超音波測定装置。