JPH075242A - 移動体の位置計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 移動体の位置計測装置に関し、特に反射手段
を有する標識位置から該装置にいたる距離及び方位を光
ビーム及び画像処理を用いて計測する装置に関するもの
である。 【構成】 主投射光の基準方向との角度と、標識よりの
反射光と上記投射光との位相差より標識に対する移動体
の位置を検出する光波測距手段と、光学センサを利用し
て物体の存否を確認する物体検出手段と、物体の画像よ
り物体と移動体の距離、及び物体の形状を検出する画像
処理手段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、移動体の位置計測装置
に関し、特に反射手段を有する標識位置から該装置にい
たる距離及び方位を光ビーム及び画像処理を用いて計測
する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、移動体を自立走行させるために
は移動体が自己の位置に認識出来る様にする必要があ
る。移動体の自己位置を認識させるために移動体の移動
エリア内に反射手段を有する標識を設け、移動体上にも
搭載した回転する光ビームを該標識に向けて投射し、そ
の反射波を受光して、その時の回転ビームの投射角度か
ら該標識と移動体のなす角度を、また送信ビーム光の位
相と受光波の位相との位相差から標識と移動体の距離を
求めている。

【０００３】この方法では、反射手段を有する標識の数
が３ケあれば、三角測量の方法で、ある基準位置からの
自己位置が計測出来るので、移動体の移動エリアが広い
場合には、４つ以上の標識を移動エリア内に設けてい
る。

【０００４】この様に光波測距方式の原理だけを用いた
ものでは移動体の近傍の障害物、動いている物体、野外
での複雑な形状の田圃の畦などを識別できなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の方式（光波
測距方式）では、移動エリアの境界線が直線である場合
には問題が無いが、複雑な形状になると、それを識別す
るために、多くの標識を必要とするようになる。この様
になると自己の位置を計測するのに必要な３つの標識を
選び出すのが困難になる場合が生じる。

【０００６】また、移動エリアに人などの障害物がある
ような場合には、光波測距器とは独立した赤外線センサ
とか、超音波センサなどを必要としていた。本発明では
光波測距器の光源に人体に直接照射しても安全な赤外線
発光ダイオードを使用し、この該赤外線発光ダイオード
を赤外線センサ、及びビデオカメラの光源とすることに
よって装置を簡略化することを狙い、また、ビデオカメ
ラを用いて移動体の近傍を能率よく検出するようにしよ
うとする移動体の位置計測装置を提供することを目的と
するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明発明は上記もくて
きを達成するために以下の手段を採用している。即ち、
主投射光の基準方向との角度と、標識よりの反射光と上
記投射光との位相差より標識に対する移動体の位置を検
出する光波測距手段と、光学センサを利用して物体の存
否を確認する物体検出手段と、物体の画像より物体と移
動体の距離、及び物体の形状を検出する画像処理手段と
を備えた構成とする。

【０００８】上記、光波測距手段の光源を、該測距手段
のスキャナ用反射ミラーをチルトさせることにより、該
測距手段の受光手段を物体検出手段の光学センサとする
物体検出機能の高原とするとともに、ビデオカメラの光
源として利用する構成とすることができる。

【０００９】上記光学センサの出力により障害物の有無
を検知し、障害物があったときのみ画像処理手段を作動
させる構成とすることができる。上記光波測距手段の光
源をビデオカメラの光源として光学画像を得る上記画像
処理手段を備えた構成とすることがきる。

【００１０】

【作用】光波測距手段の光源に赤外線発光ダイオードを
用いることによって、該光波測距手段の光源と障害物等
を検出する赤外画像を得るための光源とを同じくする光
学スキャナを構成し、該光源を使って赤外線センサによ
る障害物の検出を行い得て、同様にその光源を対象物に
照射することにより周囲の明るさに影響されないビデオ
カメラによる赤外画像が得られる。

【００１１】赤外センサで受光したセンサ出力波形によ
り障害物の存在する方向が分かり、この方向に関するデ
ータを用いて、その時のビデオカメラによる赤外画像を
処理する場合、画像の切り出し位置を推定することが出
来るので、画像処理も簡単になる。また、該赤外線セン
サの出力が基準レベルより低い場合には画像処理のシー
ケンスをスキップすることによって、高速な位置計測が
可能になる。

【００１２】

【実施例】第１図は本発明の位置計測装置を搭載した自
立移動体及び該自立移動体が作業する領域に設置された
４つの反射板の配置状態を示すものである。

【００１３】第２図に該計測装置を搭載した移動体Ａの
概念を示し、図１０及び図１１はその更に詳しい実施例
を示すものであり、更に、図３はその回路図である。該
移動体Ａは光学スキャナ１００、ビデオカメラ２００、
縦スリット光発生部３００、位置計測主制御装置４００
等からなる。

【００１４】光学スキャナ１００を構成するスキャン用
反射ミラー１を３６０度回転させて円周方向に主投射ビ
ームを、作業領域に配設されている反射板（標識）２１
〜２４に向けて照射をする。該反射板２１〜２４からの
反射光を光学スキャナ内の受光器１２によって受光す
る。この時の反射波を受光した光学スキャナ１００の回
転角から移動体Ａと反射手段を有する標識２１〜２４と
のなす角度を求め、また、送光波と受光波の位相差から
該標識２１〜２４と移動体Ａとの距離を求める。

【００１５】送光波と受光波は位相差検出部４０１に入
り、位相差信号を発生し、この信号を距離検出部４０２
に入力して基準クロックを用いて距離データを発生す
る。一方、このタイミングに光学スキャナの回転軸に接
続されているエンコーダ７の出力パルスをカウントして
いるカウンタ４０３の内容を読み取り、受光波と共に角
度検出部４０４に入力し、角度データを発生する。この
一対の信号をマイクロコンピュータ制御部５００の進行
方向、位置演算部５０１に入力して、移動体Ａの現在位
置及び進行方位を求める。

【００１６】一方、マイクロコンピュータ制御部５００
から出力されるスキャナ用反射ミラーチルト指令によ
り、該反射ミラー１をふ角θで斜め下向きにして光ビー
ムを投射する。この時の回転ビームを横スリット光とし
ている。該横スリット光で移動体Ａの周囲を照射して、
移動体Ａの近くに存在する障害物とか、柱、壁などを検
知しようとするものである。

【００１７】障害物からの反射光は、受光器１２に入力
され、また、回転するスキャナ用反射ミラー１がビデオ
カメラの視野角の範囲にある時は、該反射光はビデオカ
メラ２００にも入力される。受光器１２からの出力であ
る受光波出力は前記カウンタ４０３の内容と共に角度検
出部４０４に入力され、基準レベルと比較され、該出力
波の波高値が該基準レベルを越えていると、障害物検出
部４０５の出力はマイクロコンピュータ制御部のＡ／Ｄ
変換器部５０２を経てディジタル化され、このときの角
度データとともにＲＡＭ５１０に収納される。また、こ
のタイミングでビデオカメラに取り込まれている障害物
等のスリット光により赤外画像も該制御部のＡ／Ｄ変換
器５０３を経て、該ＲＡＭ５１１に格納される。そし
て、これら該ＲＡＭ５１０、５１１に格納されているデ
ィジタル化されている障害物検出ありを示す波高値、及
びこの時の角度データを利用してＲＡＭ５１１に格納さ
れている赤外光によるスリット光画像に対して画像処理
を行って障害物と移動体Ａの距離、障害物の横幅、高さ
などを求める。

【００１８】この時ＲＡＭ５１１に格納されている障害
物ありを示す波高値と、角度データを用いてスリット光
画像の変化点（柱などのエッジに対応する場合が多い）
を推定して、画像処理の時間を短縮する。

【００１９】また、図５に示すような突起部のある作業
エリアに対しては、移動体Ａが行う初期の計測位置を該
突起部の近くで、且つ該突起部がビデオカメラの視野内
に入る位置として初期データを計測し、標識２１，２
２，２３，２４の座標と共に、突起部の座標（Ｘｅ，Ｙ
ｅ）を定めて、該突起部の形状を把握しておく。

【００２０】突起部の検出は横スリット光、縦スリット
光を使って画像処理により検出する。田圃の畦のように
赤外光線を反射し難い突起部の場合は、例えば図６に示
すような反射手段を有する標識と、その形状や反射率の
異なる（反射率は小さくしておく）マーカを置く。突起
部の座標（Ｘｅ，Ｙｅ）が読み取られた後、移動体Ａに
よる作業が始まる前にマーカを取り除いておく。

【００２１】上記一連の計測動作を図４に従って説明す
る。ステップＳ１０、Ｓ１１で光学スキャナを低速で回
転させながら、初期計測地点に移動する。移動体Ａが停
止後にステップＳ１３で作業エリアに配設されている標
識の数をカウントすると共に、角標識と移動体Ａがなす
角度を計測する。

【００２２】標識２１〜２４の数と角度が求まると、ス
テップＳ１４で各標識２１〜２４と移動体Ａ間の距離を
求め、突起部がある場合はその位置を計測する（Ｓ１
６）。これが終わると、例えば標識２１を原点に、標識
２１、２２を結ぶラインを基準線（Ｘ軸）として移動体
Ａを中心にして求めた各標識、突起部の位置を標識２１
を原点とする座標に変換する。

【００２３】ステップＳ１８、Ｓ１９で光学スキャナを
高速回転しながらスタート地点に移動して停止する。作
業が始まると、ステップＳ３１で位置計測に必要な３つ
の標識と移動体Ａのなす角度を求め（標識から移動体ま
での距離は計測しない）て、移動体Ａの現在位置、及び
進行方位を三角計量の原理で算出する。

【００２４】ステップＳ３２でこの動作がＮ回目になっ
たかどうかをチェックする。Ｎ回目でなければこの計測
動作を繰り返す。Ｎ回目であればステップＳ３３に入
り、ふ角θでスキャナ用反射ミラー１をチルトさせて一
回転横スリット光を発生する。

【００２５】ステップＳ３４で次の横スリット光のふ角
としてθにデルタθを加算する。ステップＳ３５で、Ｓ
３３にて受光器１２で受光した出力に対して前述したご
とく、障害物あり無しのチェックを行う。障害物無しな
らばステップＳ３６に進み、横スリット発生がＫ回目か
どうかをチェックする。Ｋ回目であればふ角θを初期チ
ェックにセットして、また上方向から下に向けて順次横
スリットを発生し得るようにしておく（Ｓ３８）。障害
物ありであれば横スリット光一回転と縦スリット光を同
時に発生する。そして、Ｓ３８に進み作業終了で無けれ
ばＳ３１からの計測動作を繰り返す。

【００２６】図８に横スリット光、反射波の受光波形、
スリット光画像取り込みの関係を図示している。横スリ
ット光を１，２…，ｉ，…ｋと順次発生させている状態
にあって、受光波形が基準レベルを越えていない状態が
第ｉ回目迄継続し、その後第１回目に基準レベルを越え
たとき（）、該受光波形の波高値、その時の角度デー
タ、及びその時のスリット光画像をＲＡＭ５１１に取り
込む。

【００２７】そして、次の第ｉ＋１回目の横スリット光
発生の時に横方向特徴を持つ物体、例えば壁と廊下の境
目などを能率よく抽出するために、縦スリット光を同時
に発生し、受光波形の角度データとスリット光画像を
ＲＡＭ５１１に格納する。上記スリット画像、を合
成したものがスリット光画像であり、これとＲＡＭに
格納している反射波の受光波形，を参照して画像処
理を行い、障害物までの距離、障害物の概ねの形状、大
きさを判別する。（実際の画像処理ではスリット光画像
、を合成せずに各々を解析することになる。）この
例では障害物ありを検出したとき、二本の横スリット光
で障害物の形状を求めようとしているが、更に詳しく障
害物の形状を求めようとすれば、障害物ありを検出して
からの横スリットを発生する回数を増やせばよい。

【００２８】また、横方向の特徴のある物体を能率よく
画像処理で抽出しようとすれば、横スリット光の代わり
に縦スリット光を使えばよい。また、横スリットをθ、
θ＋２＊Δθ、θ＋Δθ、…の様に障害物ありが検出さ
れるまで飛び越し走査を行ってもよい。

【００２９】上記した横スリット光によるビデオカメラ
と物体間の距離の測定の概念図を図９に示す。高さｈの
位置に照射されており、この時のビデオカメラに写って
いる横スリット光の画像の高さをΔｈ（図示せず）とす
ると、 ｈ／１＝Δｈ／ｆ ∴ ｈ＝（１＊Δｈ）／ｆ 一方、１＝（ｄ−ｈ）＊ｃｏｔθ よって、物体表面までの距離１は １＝ｄ＊ｃｏｔθ／（１＋Δｈ＊ｃｏｔθ／ｆ） で求まる。

【００３０】ｄは横スリット光光源とカメラの距離であ
り、機構上決まった値で、ふ角θはスキャン用反射ミラ
ーをチルトさせる角度である。

【００３１】

【光学スキャナ】図１０の上半部は光学スキャナ１００
の更に詳しい実施例を示すものである。赤外線発光ダイ
オード１１よりの出力ビームの一部はハーフミラー１３
で反射されて、回転部３０の中心軸３５の中心穴を介し
てスキャン用反射ミラー１に照射される。また、上記標
識あるいは障害物よりの反射光は、回転部３０の中心軸
３５の周辺にあけられた回転円筒３、固定ミラー９及び
集光レンズ１０を介してフォトセンサ１２に入射され
る。

【００３２】更に、上記ハーフミラー１３の透過光は、
２つのミラーを介して上記集光レンズ１０に入射され、
上記位相差検出部４０１の基準位相を与える。もっと
も、上記基準位相用の入射光はシャッタ１４で通常は遮
散されており、該シャッタ１４を回転することによって
該シャッタ１４に明けられた透過穴を通過したときのみ
フォトセンサ１２に入射される。また、該シャッタ１４
は上記入射光がフォトセンサに入射するときのみ、スキ
ャン用反射ミラー１へのビームの入射を遮断するように
している。

【００３３】通常の計測時は、モータ３１に駆動される
回転機構部３０が高速回転している。この時は赤外発光
ダイオード（発光器）１１の光ビームはミラー１３、上
記回転部３０上に固定されたスキャン用反射ミラー１で
各々９０度反射されて水平ビームとなり、３６０度回転
する主投射ビームとなる。

【００３４】移動体Ａの周辺を照射するときは、位置計
測制御装置４００より送られて来るスキャナ用反射ミラ
ーチルト指令によって、スキャン用反射ミラー１をモー
タ３２とスクリューネジ３３で下向きにチルトさせ、主
投射ビームを横スリット光として使用する。チルト指令
で指定される角度データより横スリット光のふ角θが決
定される。

【００３５】横スリット光を地表に向けて照射したと
き、地表面からの反射光が光波測距手段の受光器１２、
及びビデオカメラ２００に入力される。該受光器１２は
物体、障害物などを検出する赤外線センサとして機能す
る。

【００３６】上記構成によると、一つの赤外発光ダイオ
ード１１を、光波測距手段、赤外線センサ１２、及びビ
デオカメラ２００の光源として利用できることになる。
尚、上記障害物検出用の縦スリットは、赤外線発光ダイ
オード４１の出力をシリンドリカルレンズ４２で形成さ
れ、この縦スリット発生部１６はモータ４３で回転さ
れ、更にビデオカメラ２００もモータ２０１で回転され
るようになっている。

【００３７】図１１は光学スキャナの別の実施例を示す
ものである。横スリット光を得るために、上記チルト指
令信号によって赤外線発光ダイオード１１よりの光を、
主投射ビームから横スリット用に切り変え、該横スリッ
ト用のビームを固定ミラー９の中心に設けた透過穴を介
して回転部３０の下側に設けた角錐状多面体ミラー２に
入射する。これによって回転部３０が回転すると、所定
角度範囲の横スリットが得られることになる。

【００３８】物体よりの反射光は上記角錐状多面体ミラ
ー２と固定ミラー９を介してフォトセンサ１２に入射さ
れるようになっている。尚、図５に示すような地形で作
業領域の途中で作業を終了させたい場合、２つの標識を
結ぶライン上に図７に示すような作業終了マーカを配設
しておけば、これを移動体Ａが横スリットを使用し、画
像処理によって該マーカの表面のコードを読み取り、識
別してその地点で作業を終了することが可能になる。

【００３９】マーカ、サブゴールとして反射手段を有す
る標識、及び反射率の異なる反射物体で作成する（反射
率は小さくする）。該反射物体の表面に図６，７に示す
ようにコード化されたマークとすることによって、横ス
リット光、または縦スリット光により画像処理により容
易にそのコードが読み取れる。従って、作業エリア内で
これらのマーカ、サブゴールなどを配設して、移動体Ａ
に指令を与えることが出来る。

【００４０】また、図５の様に突起部のある作業領域の
場合、一回目に突起部の座標を求めているので、その作
業終了時に作業領域の座標データを例えばＩＣカードに
格納しておけば、次の作業時にはこのＩＣカードを位置
計測主制御装置のＩＣカード読み取り器で作業領域の座
標を読み込み、前回と同じ位置に標識２１，２２，２
３，２４を置くだけで、初めのように初期計測しなくて
もよい。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によると突
起物等がある場合でも移動体の自立走行が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の移動体の行動範囲認識のための概念図
である。

【図２】本発明に使用する移動体概念図である。

【図３】本発明の回路図である。

【図４】本発明の手順を示すフロー図である。

【図５】突起部認識のための概念図である。

【図６】突起部マーカの概念図である。

【図７】作業終了マーカの概念図である。

【図８】障害物検出の手順を示すフロー図である。

【図９】突起物検出の状態を示す説明図である。

【図１０】光学スキャナ構成図である。

【図１１】光学スキャナ構成図である。

【符号の説明】

Ａ 移動体 １ スキャナ用反射ミラ− １２ 光学センサ ２１、２２、２３、２４ 標識 ２００ ビデオカメラ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主投射光の基準方向との角度と、標識よ
   りの反射光と上記投射光との位相差より標識に対する移
   動体の位置を検出する光波測距手段と、 光学センサを利用して物体の存否を確認する物体検出手
   段と、 物体の画像より物体と移動体の距離、及び物体の形状を
   検出する画像処理手段とを備えたことを特徴とする移動
   体の位置計測装置。
2. 【請求項２】 光波測距手段の光源を、該測距手段のス
   キャナ用反射ミラーをチルトさせることにより該測距手
   段の受光手段を物体検出手段の光学センサとする物体検
   出手段の高原とするとともに、ビデオカメラの光源とし
   て利用する請求項１に記載の移動体の位置計測装置。
3. 【請求項３】 上記光学センサの出力により障害物の有
   無を検知し、障害物があったときのみ画像処理手段を作
   動させる請求項１に記載の移動体の位置計測装置。
4. 【請求項４】 上記光波測距手段の光源をビデオカメラ
   の光源として光学画像を得る上記画像処理手段を備えた
   請求項１に記載の移動体の位置計測装置。