JPS5932071A - 移動機械用物体検出装置 - Google Patents

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】 この発明は、移動ロボット等の移動機械が移動過程で障
害物を検出したり、路面の段差を検出づ゛る場合等に使
用する移動機械用物体検出装置に携するものである。

移動ロボット等は自分自身の視覚系にＪ：り大小の障害
物や地面の段差等を確実に認識し、安全領域内のみを動
きまわることが理想的である。

障害物の検出方法としては受動的方法、能動的方法の二
つに大別プ“ることができる。受動的方法としては、例
えば、外部の情報をＩＴＶカメラ等で取入れて障害物を
検出する方法がある。この方法では外光の形管を受けや
づ−く、また複雑なパターン認識作業を伴うことが多い
。一方、能動的方法としては超音波！！１測法や赤外線
等投光法などがある。この方法の最大の利点は外部環境
にはど／Ｖど存在し得ないような信号を自由に作り出し
て発振あるいは投光することができる点である。しかし
ながら超音波計測法は原理上障害物の有無及びその平均
的な位置を判定づるのには適しでいるか形状を検出する
のには不向きである。また赤外線等を投光ブる方法では
ビーム径を細くして走査していけば障害物の位置、形状
はかなり明確に捕らえることができるが、走査に１１１
間がかかるし信号処理もｍ　ｔｌｔになる。この様なこ
とから、被検出物体の有無とその三次元位置を容易、か
つ確実に検出づる事ができる物体検出装置の開発が望ま
れていｔ、：ｏこの発明の発明者は先に物体位置検出装
置を面□発した（昭和５７年特許願第５１５８０丹参照
）□この新たに開発された物体検出装置は被検出物′俸
の有無とその三次元位置を光学的に容易、かつ確実に検
出づることができるものであるが、光軸合わけが必ずし
も容易でなく、また光源からの光の光路を変操して投光
を形成覆るためのミラーの支持部の存在が一部分に物体
の検出ができない不感帯部を構成する点でなお改良すべ
き点を含／υでいる。

この発明は上記のごとき事情に鑑みてなされたものであ
っ゛Ｃ１被検出物体の有無とその三次元位置を容易、か
つ確実に検出する事ができ、特に光軸あわせが容易で、
かつ、不感帯が存在しない移動機械の物体検出装置を提
供覆ることを目的とづるものである。

この目的に対応して、この発明の移動囲域の物体検出装
置は、光学系と、前記光学系の焦点位置に位置丈る受光
素子と、光源と、光源用電源と、及び光強度変調回路と
を備え、前記光源と前記光源用電源と及び光強度変調回
路とを前記光学系の中心軸の回りに回転させるように構
成し、前記受光素子の大きさにより決定される両角内領
域と前記ことにより前記被検出物体を検出づるように１
？１成したことを特徴とする。

以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面について説
明する。

この発明の移動鵬械用物体検出装置１の原理的な４ｒｉ
成は、第１図及び第２図に示すように、レンズ２等の光
学系と、レンズ２等の光学系の焦点位置に位置する受光
素子３と、及び光源４とを備える。

受光素子３の大きさにより画角内領域５が決定される。

ここで画角内領域というのは、その中に光の照射を受け
ている被検出物体６がある３８合に、その被検出物体６
からの反則光がレンズ２を通して受光素子３に入０１′
Ｔｊることができる領域であって、つまり受光素子３が
光学的に被検出物体６を検出可能な領域を意味する。一
方、光源４を任意の閉曲線１０に沿って動かした時、ぞ
のビーム７は包絡面８（斜線で表示）を形成する。つま
り、？！２検出物体６がこの包絡面８上にあれば、その
被検出物体６は光源４の移動周期に合けてビーム７の照
ｍを受ｃプることになる。したがって、ｎ０記の両角内
領域５と前記の包絡面どの相具体により探索領域−１１
ａ　（ΔＢを直径とし、Ｐを頂点とする円錐の底面を除
く表面）、１１ｂ（ＣＤを直径どし、Ｐを頂点とする円
錐の底面を除く表面）が定まり、この探索領域１１ａ、
１１ｂに被検出物体６が存在すれば、その被検出物体６
はビーム７が照射されかつそのビーム７の反射光を受光
素子３で受光することが可能であるから、その被検出物
体６の検出が可能である。

そこで始めに、二次元位置検出素子としての（４能をも
つ受光素子３とレンズ２により形成される画角内領域５
への投光方法について検討する。任意の点から画角内領
域５内に投光する場合、検査域は第１図のように投光ａ
の場合は縮分Ａが、投光すの場合は半直線Ｂがそれぞれ
対応づ゛る。したがって投光位置を一次元的に動かした
場合の検査域は面となる。なお検査域とは、仮にその部
分に物体があるとき、その物体に当たったスボッ１−光
の反射光の一部が受光素子３に入光しうる領域として定
れする。ここで簡単な例として投光位置すなわち光源４
をレンズ系の軸と中心を一致させた円に沿って動かず場
合を考える。投光方法としては第３図のように４通り考
えられる。ここで斜線部は受光素子３の利用可能部分で
、斜線部の車なり部は検査域との対応が２＝１対応にな
る領域である。物体からの反射光の強度は距ｎｔの２乗
に反ＩＬ例するため、遠くの物体を検出覆ることは本質
的に困Ｈである。Ｊ、た、Φ）の場合／−■に近づくに
つれて位置検出素子は１ｉＩｉ端に悪くなる。それに対
して■の場合の利点どしてく１）受光素子表面のイラ効
利用率が最も高い、（２）位置検出分解能は最も良い、
（３）有限検査域にある物体からの反射光のみが受光素
子上に入るため、限られた領域内の物体の有無をＯＮ、
ＯＦＦ的に調べることができる。しｌζがって以後■の
タイプの投光方法を採用づる。

第４図、第５図にはこの発明の一実施例に係わる移・動
機械用物体検出賛同が示されており、この第４図、第５
図においで、１は移ＦＪＪ機械用物体検出予々買であり
、移動機械用物体検出装置１はレンズ２を備えている。

レンズ２は焦点距離ｆの集光レンズである。レンズ２の
焦点位置に位置検出素子として硼能する受光素子３が同
かれている。レンズ２の光軸の外側に光源４が回転環２
１に取付けられて配置されている。光源４はその投光が
光軸とＰ点で交差する方向に向いている。回転環２１は
円環状をなし軸受け２２を介して支持環２３に回転可能
に支持されていて光軸の回りに回転１１Ｕであり、この
支持環２３の回転によって光源４は光軸の回りに回転す
る。回転環２１及び光源４の回転角度は支持環２３に取
付けた回転角度計２４によって検出される。回転環２１
の周囲には歯車２４が設（プられており、この歯車２５
にはビニオン２６が噛み合っている。ピニオン２６はモ
ーター２７によって駆動される。光源４を作動さぽるた
めの電源３１及び光強度変調回路３２も回転環２１に取
付けられている。以上のレンズ２、受光素子３、支持環
２３及びモーター２７はフレーム２８に固定支持されて
いる。なお光源４としては散乱等がほとんどないレーリ
゛−光がＥ１適で、以下光源としてレーザーを使用する
ものとする。この場合、外光の無い場所で使用する場合
を除き、レーザー光にＪ：る反射光と外光との区別を明
確にするため、レーザー光をパルス的に発振させる方が
良い。なお半導体レーザーには数Ｍ　ｔ−１ｚのパルス
発振可能なタイプもあり、回転環２１の回転数を物理的
に可ＯＬな領域まで増加させたとしても分解ＯＬの低下
は無視できる。

この様な４１成において、一定回転数で回転する光源４
からのビームは、第６図に示すように、レンズ系の画角
内領域５内に投光される。被検出物体を検出覆るだめの
探索領域は点Ｐを頂点としてＣＤを直径どＪる円１１を
表面の底面を除く部分である。

−投光位置の角度をＯとするとき Ｘ　　−−（ゝ　　拳　ｃｏｓ　　　ｅ　　　　　　　
　（１）Ｏ Ｖ　　＝−ｒ　　　−３ｉｌｌ　　ｅ　　　　　　　（
２）０ ｚ、＝　（ｒ　−１，−ｒ　・（ｆ　−１２＞　）／　
＜ｆ　−ｔａｎβ−ｒ）　　　　（３） ただしｒ。＝ｒ　　（１，−（ｆ−１２）弓旧１β）／
（ｆ・ｔ　ａ　ＩＩβ−ｒｌ　　　　（４）以上の式よ
り被検出物体６の検出位ＩＮがわかる。

この移動機械用物体検出波Ｖ！１１を移動ロボッ１へに
搭載して被検出物体または路面の凹凸の検出を行なう状
態を第７図、第８図及び第９図に示す。

まず、路面に凹凸がない場合は前式により、かつ第１０
図の流れ図に示すプロセスに従って障害物６を検出する
。移動ロボットが障害物６に近づくど探索領域１１の外
にあるときは、レーザー光が仮に障害物６に当たっても
その反射光は受光素子３に入ってこないが、ロボットが
前進して障害物６の一部が探索領域１１の円錐ＰＣＤの
底面を除く表面の一部に接すると、レーザーの反射光の
二部が受光素子３上で受光され、投光された周波数と同
じ周波数の信号を含んだ出力が１９られる。さらに検出
位置の情報を得る場合には、出力信号をｒＳｅに変換し
て前述の演掠を行なえばよい。

次ぎに第８図に示ずＪ：うに、円ｔｌｔ底面の円の一部
が地面と交わるように設定する。この場合、光源４が一
回転したとき円錐と路面が交差した部分では反射光が受
光素子３上に到達するため、第１０図の流図に示づプロ
セスで処理すると、路面を障古物と見なしてしまう。

一方凹凸がない場合、交差部分のｙ座標のＯ値にＪ：ら
ず、はぼ−Ｙ。（第７図参照）となる。このことを使っ
て路面の凹凸を調べることができる。

ダなわら、ｅ、＜９＜θ２（交差部分）において凹凸な
しの条ｆ１は ｙ、＝　　ＹＱ　　　（５） 書替えると ｒ＝１３／（１＋（Δｓｉｎ　ｅ／Ｙ）　）　　　（６
）Δ−ｒ　　ｔａｎβ、 Ｂ＝１．−（ｆ　−１２）　ｔａｎ　βしたがって、Ｏ
〈θ〈０２において（ｒ、ｅ）が式〈６）の関係から大
きくずれた場合、そこに段差があるものと見なす。また
第８図に示′１１Ｊ：うに段差でなく、坂道がある場合
でも式（６）の関係から徐々に外れてくるが、ｙＯの変
化率により、段差と区別することができる。

以上の説明から明らかな通り、この発明にＪ：れば、被
検出物体の有無とその三次元位置を容易、かつ確実に検
出する事ができる物体検出装置を４９ることができる。

特にこの移動機械用物体位置検出装置では光源からの投
光を直接行なうことができ、光路変更用のミラーを必要
としないから、光軸合わゼが極めて容易であり、かつ、
ぞのミラーを支持するだめの支持装置も存在しないから
、受光素子上に不感帯が形成されることもな（、正確な
物体の検出が可能になる。

【図面の簡単な説明】

ａ’！　１図は画角内領域と検査域との関係を示す説明
図、第２図は画角内領域と検査域との関係を示す斜視μ
ｍ説明図第３図は投光方法を示す説明図、第４図はこの
発明の一実施例に係わる移動機械用物体検出装置の側面
説明図、第５図は移動機械用物体検出装置の正面説明図
、第６図は移動機械用物体検出装置によって形成される
画角内領域と探索領域を示づ斜視説明図、第７図は障害
物検出の状態を示′ＴＪ′説明図、第８図は段差検出の
状態を示す説明図、第９図は地面の坂道を検出する状態
を示す説明図、及び第１０図は検出操作の手順を示Ｊ−
流れ図である。 ′１・・・移動ｖ１械用物体検出１Ａ″Ｆ２　　２・・
・レンズ３・・・受光素子　　４・・・光源　　５・・
・両角内領域６・・・被検出物体　　７・・・ビーム　
　８・・・包絡面２１・・・回転環　　２２・・・軸受
け　　２３・・・支１寺１π　　２４・・・回転角度削 昭和５８イｌ゛３月３ノ日 １　事イ′Ｉの表示 昭和５７　　片持π「願力　　１４０７！１１　　　　
号２　発明の名（！Ｊ、 移動機械用物体検出装りＩ ３　補１１．をする者 事１’ｌとの関係　　　特γ「出願人 イ（所　　東京都Ｔ代Ｉ１１区霞が関１丁目３番１号（
＋１４）氏　　名　　工業技術院長　石　坂　誠　−５
＋ｉｌｉ、ｉｌ命令の１１句　　自　発別祇の通り ８、添伺ＨＩＨ４ｒｉの［ｌ録　　別　紙別紙 明細書の発明の詳細な説明の欄の補正 （１）明細書第８頁第３行に １−支持環２＠」とあるのを１回転環２１」と訂正する
。 （２＞　明＄１１１１１１ｍ　８　ｎ第６　行カラｆｆ
！　７　行１．：［＃１車２４Ｊとあるのを「歯巾２５
ＪとＭＴ　Ｉにヅる。 （３）明細書第１１頁第３行に １−第７図」−どあるのを「第８図１と訂正ケる。 （４）明ＩＩｌ書第１１頁第１４行に 「ダ１８図」とあるのを「第９図」ど訂ｉＹづる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光学系と、前記光学系の焦点位ｎに位置する受光素子と
   、光源、光源用電源及び光強度変調回路とを（１＆え、
   前記光源と前記光源用電源と及び前記光強度変調回路と
   を前記光学系の中心軸の回りに回転させるように（Ｍ成
   し、前記受光素子の大きさにより決定される両角内領域
   と前記光源が前記光学系の中心軸の回りに回転した時の
   ビームにＪ：る包絡面との相ｎ体ににり探索領域を定め
   、前記探索領域内に存在する被検出物体からの前記ビー
   ムの反射光を前記受光素子で受光ブることにより前記被
   検出物体を検出づるようにＩＩｉ成したことを特徴どす
   る移動機械用物体検出装Ｕ