(57)【要約】【課題】超音波センサを備えた移動機械において、広い視野を少ない個数の超音波センサでカバーするとともに、障害物検知の時間間隔の短縮を実現する。【解決手段】移動機械は、送波素子２１及び送波素子２１から送波されて超音波反射物体２２によって反射される超音波を受波する所定の波長間隔以下で１次元又は２次元に配列された複数の受波素子３１を有して水平方向に対して所定の角度を持つように移動機械本体に備えられた超音波センサ２と、走行移動するための走行制御手段とを備えて自律的に移動する。障害物検知手段３５は、送波素子２１による送波と受波素子による受波とを間欠的に行って、超音波反射物体２２までの距離と方向とを求め、距離画像生成手段３６、２次元イメージ生成手段３７、検知画像生成手段３８が生成する画像を用いて障害物を検知する。移動機械は、検知結果を基に障害物との衝突を回避しつつ自律的に移動する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送波する１つの送波素子及び前記送波素子から送波されて超音波反射物体によって反射される超音波を受波するため所定の波長間隔以下で１次元又は２次元に配列された複数の受波素子を有する超音波センサと、走行移動するための走行制御手段とを備えて自律的に移動する移動機械において、
前記送波素子及び受波素子は、それぞれ超音波を送波及び受波する面の法線方向を水平方向に対して所定の角度を持つように移動機械本体に備えられ、
前記送波素子による超音波の送波と超音波反射物体による反射波の受波素子による受波とを間欠的に行って、前記送波から受波までの送受波時間をもとに超音波反射物体までの距離と方向とを求め、それらに基づいて障害物を検知する障害物検知手段を備えて、
前記障害物検知手段による検知結果を基に障害物との衝突を回避しつつ自律的に移動することを特徴とする移動機械。
【請求項２】
前記超音波センサにおける複数の受波素子は、直交する２方向に一定間隔で配列されており、その一方の方向を水平方向とするように当該超音波センサが移動機械本体に備えられていることを特徴とする請求項１に記載の移動機械。
【請求項３】
前記障害物検知手段は、前記受波素子が受波した反射超音波信号に対し水平方向及び垂直方向について角度分解能に応じた遅延加算処理を行うことにより距離画像を生成する手段と、
前記により生成された距離画像から特定の略水平面部分を切り出して２次元イメージを生成する手段と、を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の移動機械。
【請求項４】
水平方向の分解能に対して垂直方向の分解能を低下させたことを特徴とする請求項３に記載の移動機械。
【請求項５】
前記障害物検知手段は、近距離と遠距離とで距離分解能を変えることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の移動機械。
【請求項６】
前記送波素子は、その周波数特性が平坦な領域である非共振領域を含む送波特性を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の移動機械。
【請求項７】
前記受波素子は、その周波数特性が平坦な領域である非共振領域を含む受波特性を有し、前記受波素子が受波して出力する反射超音波信号に対し波形処理を行うフィルタを後段に有したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の移動機械。
【請求項８】
送波素子が超音波を送波して、所定距離内での反射波を受波するまでの送波時間と、送波時間内でサンプリングしたデータを基に遅延加算処理する時間との和を最小処理時間として、この最小処理時間で検知を繰り返すことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の移動機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサを備えて自律移動する移動機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波送波素子と、複数の超音波受波素子を１次元又は２次元に配列した受波素子アレイと、を用いて超音波反射点までの距離とその方向を測定することにより障害物を検知する技術が知られている。このような技術に関連して種々の提案が成されている。例えば、波長λの超音波を用いる場合に、受波素子アレイから出力される超音波信号においてグレーティングローブの影響を排除するとともに受波素子アレイを構成する受波素子数を減らすために受波素子の配置間隔ｄをｄ≧λ／２とできるように２個の送波素子を用いる装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この技術は、受波素子を多数用いることができないという制約を回避するための技術であり、受波素子を集約した受波素子アレイを安価に入手できる場合、このような技術を用いる必要がなくなる。
【０００３】
また、移動体の前面と後面に水平方向に受波素子を配列して道幅の領域における障害物を検知するようにした装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。また、発熱部の温度変化を発熱部に接している空気の膨張収縮に変換して空気中を伝播する超音波を発生する送波素子と、ピエゾ素子を用いた複数の受波素子とを半導体製造プロセスを用いて同一基板上に作り込んだ３次元センサが知られている（例えば、特許文献３参照）。さらに、複数の受波素子と各受波素子からの受波信号を遅延加算する回路をチップ化した半導体装置が知られている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平９−１４５８３９号公報
【特許文献２】特開平２−１７９４９１号公報
【特許文献３】特開２００４−１８０２６２号公報
【特許文献４】特開２００２−１５６４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献２に示されるような超音波技術においては、移動体の前後における障害物の存在を検知することができるのみであり、孤立した複数の障害物を個々に認識することができず、従って、移動体が、それらの障害物を回避ししつつ自律的に移動することができないという問題がある。
【０００５】
また、一般に、従来の障害物検知用の超音波センサにおいては、移動体の周囲の障害物を把握するのに必要な超音波センサの個数が多くなる傾向があり、さらに、複数の超音波センサ間における干渉を避けるために検出時間間隔を長くしなければならないという問題がある。また、特許文献３、４に示される技術は、複数の受波素子を集積して小型かつ安価に、送波素子及び受波素子アレイから成る超音波センサを形成することを示すに過ぎない。
【０００６】
本発明は、上記課題を解消するものであって、広い視野を少ない個数でカバーできるとともに、相互の干渉を最小限にして障害物検知の時間間隔を短くできる超音波センサを備えた移動機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するために、請求項１の発明は、超音波を送波する１つの送波素子及び送波素子から送波されて超音波反射物体によって反射される超音波を受波するため所定の波長間隔以下で１次元又は２次元に配列された複数の受波素子を有する超音波センサと、走行移動するための走行制御手段とを備えて自律的に移動する移動機械において、前記送波素子及び受波素子は、それぞれ超音波を送波及び受波する面の法線方向を水平方向に対して所定の角度を持つように移動機械本体に備えられ、前記送波素子による超音波の送波と超音波反射物体による反射波の受波素子による受波とを間欠的に行って、前記送波から受波までの送受波時間をもとに超音波反射物体までの距離と方向とを求め、それらに基づいて障害物を検知する障害物検知手段を備えて、前記障害物検知手段による検知結果を基に障害物との衝突を回避しつつ自律的に移動するものである。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の移動機械において、前記超音波センサにおける複数の受波素子は、直交する２方向に一定間隔で配列されており、その一方の方向を水平方向とするように当該超音波センサが移動機械本体に備えられているものである。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の移動機械において、前記障害物検知手段は、前記受波素子が受波した反射超音波信号に対し水平方向及び垂直方向について角度分解能に応じた遅延加算処理を行うことにより距離画像を生成する手段と、前記により生成された距離画像から特定の略水平面部分を切り出して２次元イメージを生成する手段と、を有するものである。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項３に記載の移動機械において、水平方向の分解能に対して垂直方向の分解能を低下させたものである。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項３又は請求項４に記載の移動機械において、前記障害物検知手段は、近距離と遠距離とで距離分解能を変えるものである。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の移動機械において、前記送波素子は、その周波数特性が平坦な領域である非共振領域を含む送波特性を有するものである。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の移動機械において、前記受波素子は、その周波数特性が平坦な領域である非共振領域を含む受波特性を有し、前記受波素子が受波して出力する反射超音波信号に対し波形処理を行うフィルタを後段に有したものである。
【００１４】
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の移動機械において、送波素子が超音波を送波して、所定距離内での反射波を受波するまでの送波時間と、送波時間内でサンプリングしたデータを基に遅延加算処理する時間との和を最小処理時間として、この最小処理時間で検知を繰り返すものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、送波素子及び受波素子の超音波を送波及び受波する面の法線方向すなわち視野方向を水平方向に対して所定の角度を持つようにするので、例えば、送波素子及び受波素子を有する超音波センサを水平方向よりも下方に向けて移動機械本体に設置することにより、近距離音場における走行路面近傍の障害物に対する不感帯を小さくでき、また、水平方向よりも上方に向けて設置することにより近距離上方前方の不感帯を小さくできる。複数の受波素子の配列を有する超音波センサを用いて広い視野を見るようにするとともに少ない個数の超音波センサで移動機械本体の周囲の障害物検知を行うように超音波センサを交互に間欠的に動作させて超音波センサ間の干渉を最小限にするので、検出間隔時間を短くでき、略リアルタイムで障害物検知手段による検知結果を基に障害物との衝突を回避しつつ自律的に移動できる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、超音波センサの水平方向に配列した受波素子によって走行路面近傍の障害物の存在や通過物体を検知し、超音波センサの路面に略垂直な方向つまり高さ方向に配列した受波素子によって障害物や通過物体の高さを検知するように、受波素子の配列毎に検知の機能分担をして、迅速且つ容易に両方向における障害物検知を行うことができる。
【００１７】
請求項３の発明によれば、角度分解能を適宜設定できるので、走行環境に合わせた距離画像を生成できる融通性があり、また、距離画像から切り出した略水平方向の２次元イメージによりノイズ要因を排除した状態で障害物を検知できる。
【００１８】
請求項４の発明によれば、２次元的な路面走行にとって重要な水平方向の分解能を確保した上で記憶及び演算の対象となるデータ量を削減して、より高速に障害物検知を行うことができる。
【００１９】
請求項５の発明によれば、移動機械本体に近い障害物ほど距離を正確に測定して、確実に、また無駄なく障害物を回避できる
【００２０】
請求項６の発明によれば、送波超音波を時間的に局在させて広がりの少ない短いパルスとすることができるので、送波信号の残響を小さくでき、ノイズ成分を排除してより正確に障害物の位置を検知して効率的な走行移動を実現できる。
【００２１】
請求項７の発明によれば、受波素子における受信信号への残響ノイズを低減でき、より正確に障害物の位置を検知して効率的な走行移動を実現できる。
【００２２】
請求項８の発明によれば、障害物検知の繰り返し周波数を高くでき、より高速で移動する障害物であっても検知できる。また、障害物検知のリアルタイム性がより向上し、移動機械の効率的な走行移動を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の一実施形態に係る超音波センサを備えた移動機械について、図面を参照して説明する。図１は移動機械１を示し、図２は超音波センサの取付例を示す。移動機械１は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、移動機械本体１０の走行方向前面に２個、後方に１個、及び左右側面にそれぞれ２個の合計７個の超音波センサ２と、これらの超音波センサ２の信号処理を行う演算手段３０と、自律的に走行移動するための走行制御手段１１とを備えている。各超音波センサ２は、水平方向略９０゜の広がりを持つ視野領域Ｓによって移動機械本体１０の略周辺全域の障害物を検知する。
【００２４】
また、各超音波センサ２は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、上下方向についても略９０゜の視野領域Ｔを有しており、水平位置に対して所定の角度、例えば、下向き角度φ１＝２０゜を持たせて移動機械本体１０に取り付けられている。路面Ｌからのセンサ取付高さｈ１，ｈ２が同じ場合、下向き角度φ１，φ２が大きいほど、移動機械本体１０の足下部分の不感帯（死角）を減らすことができる。例えば、ｈ１＝０．８ｍ、φ１＝２０゜では、不感帯距離ｄ１＝０．３７ｍであり、ｈ２＝０．８ｍ、φ２＝１０゜では、不感帯距離ｄ２＝０．５６ｍである。
【００２５】
次に、図３を参照して、超音波センサ２と演算手段３０を説明する。超音波センサ２は、駆動回路２０によって駆動されて超音波を送波する１つの送波素子２１と、送波素子２１から送波された送波ＷＳの一部が超音波反射物体２２によって反射された超音波反射波ＷＲを受波するため所定の波長間隔以下で１次元又は２次元に配列された複数の受波素子３１とを有している。各受波素子３１は、基板上に配置一体化されて受波素子アレイ３を構成している。各受波素子３１が出力するアナログ形式の受波信号は、アンプ３２で増幅され、Ａ／Ｄ変換手段３３によってディジタル信号とされて後続の演算手段３０に送られる。
【００２６】
演算手段３０は、超音波センサ２からのディジタル信号を記憶するフレームメモリ３４と、フレームメモリ３４に記憶されたデータを処理して障害物検知を行う障害物検知手段３５と、障害物検知手段３５のもとで距離画像を生成する距離画像生成手段３６と、距離画像生成手段３６により生成された距離画像から特定の略水平面部分を切り出すことにより２次元イメージを生成する２次元イメージ生成手段３７と、２次元イメージに対して所定の閾値以上の信号強度を有する点からなる画像を生成する検知画像生成手段３８と、を備えている。
【００２７】
上述の超音波センサ２と演算手段３０の動作を説明する。演算手段３０の障害物検知手段３５は、超音波センサ２の駆動回路２０に駆動信号を送って送波素子２１による超音波の送波を行わせる。送波素子２１から送波された送波ＷＳの一部は、前方の超音波反射物体２２により反射され、その反射波ＷＲが受波素子３１により受波される。障害物検知手段３５は、送波から受波までの送受波時間を用いて超音波反射物体２２までの距離と方向とを求め、それらに基づいて障害物を検知する（詳細後述）。
【００２８】
障害物検知手段３５は、このような障害物検知動作を、間欠的に行って、その検知結果を走行制御手段１１に送り、走行制御手段１１は受け取った障害物検知結果を基に障害物との衝突を回避しつつ自律的に移動する。なお、移動機械１の走行制御手段１１は、自己位置認識手段、走行領域の地図情報や走行目的地情報を記憶する記憶手段、外部との走行指令等の入出力手段、走行中に警報を発する警報手段等を備えている。
【００２９】
次に、送波素子２１と駆動回路２０を説明する。図４は送波素子の構造を示し、図５は送波素子２１が送波する超音波波形を示し、図６は駆動回路２０を示す。送波素子２１は、図４に示すように、単結晶Ｓｉ等でなる基板２１ｂと、この基板２１ｂ上に設けられたナノ結晶Ｓｉ等でなる絶縁層２１ｃと、この絶縁層２１ｃ上に成膜されたアルミニウム等の発熱体金属薄膜２１ｄとを有する熱励起式超音波素子である。基板２１ｂは、実装用基板２１ａに実装されている。金属薄膜２１ｄには、通電電極端子２１ｅを設けて、ここに交流電圧を印加することにより、その周波数に応じた粗密波ＵＳＷを発生させることができる（特許文献３参照）。
【００３０】
上述の送波素子２１は、印加電圧の周波数に応じた周波数の音波を放射することができ、共振点をもたない平坦は周波数特性をもつ。送波素子２１は、いわゆる非共振型の送波素子である。ここで、図５に示すガウス波形に従って時間変化する電圧を通電電極端子２１ｅの両端に印加する場合を考える。ガウス波形は、フーリエ変換してもガウス波形という特徴があるので、ガウス波形の電圧変化により、ガウス波形の周波数スペクトルを有する粗密波を生成することができる。すなわち、ガウス波形の周波数スペクトルを有する粗密波は、特定の周波数帯域を有する音波となる。そこで、送波素子２１から放射する超音波として、例えば、４０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの周波数を有する超音波を障害物検知用として送波する。このような超音波によると、送波信号の残響を小さくでき、より正確に障害物の位置を検知できる。
【００３１】
上述のガウス波形の電圧を発生する回路は、例えば、図６に示す駆動回路２０で構成できる。駆動回路２０の１次側のスイッチＳＷがＯＮされると、充電用コンデンサＣに電荷が充電され、この充電された電荷は、２次側のスイッチ（トライアック）ＴＲのゲートＧへの信号入力により、負荷（送波素子２１）に供給される。送波素子２１に印加される電圧波形は、２次側のコイルＬ１のインダクタンスと抵抗Ｒ１の抵抗値を変更することより、ガウス波形となるように設定される。抵抗Ｒ２は保護抵抗であり、この回路の負荷である熱励起式の送波素子２１が短絡するのを防止するため、送波素子２１と並列に挿入されている。
【００３２】
次に、図７（ａ）（ｂ）、図８を参照して、受波素子３１と受波素子アレイ３、及び信号処理回路について説明する。受波素子３１は、図７（ａ）に示すように、シリコンダイアフラム（メンブレン部）３１ａ上にギャップ３１ｂを有する静電容量型のマイクロフォンである。メンブレイン部３１ａに圧力波（反射超音波）を受けると、ギャップ３１ｂの隙間間隔が変動してこの空間に基づく静電容量が変動する。この静電容量の変動を、電圧変動として電極３１ｃを介して外部に取り出すことにより、圧力波を検出することができる。
【００３３】
上述の受波素子３１を、例えば、図７（ｂ）に示すように、Ｘ方向に５個、これに垂直なＹ方向に５個配列して受波素子アレイ３を形成する。このとき、受波素子３１の間隔は、受波する超音波の波長以下、好ましくはその半波長以下として配列する。このような受波素子アレイ３は、後述する電子スキャンの方法により受波素子３１の配列された方向、例えばＸ方向に沿って角度スキャンをすることができる。そして、電子スキャンによってある特定角度方向からの反射波超音波を受波する場合、その特定角度方向において得られる超音波信号強度を０ｄＢとすると、特定角度方向に対して角度５°偏向した方向では、例えば、−３ｄＢの信号強度となる。つまり受波素子アレイ３は、鋭い指向性を示す。受波する音波の周波数は、送波素子に合わせて、４０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚとする。このような受波素子アレイ３を備えた超音波センサ２は、電子スキャンに由来する高い指向性、従って高い角度分解能とともに広い視野を有しているので、少ない個数で移動機械本体の周囲をカバーして障害物を検知できるとともに、相互の干渉を最小限にして障害物検知の時間間隔を短くできる。
【００３４】
受波素子３１から出力される微小な電気信号は、図８に示すように、アンプ３２で増幅されて、Ａ／Ｄ変換手段３３によりデジタルデータに変換され、フレームメモリ３４に格納される。このデータは、障害物検知手段３５により読み出されて演算処理される。
【００３５】
ところで、受波素子３１を、その周波数特性が平坦な領域である非共振領域を含む受波特性を有するものとし、受波素子３１が受波して出力する反射超音波信号に対し波形処理を行うフィルタを後段に設けるようにしてもよい。この場合、受波素子３１における受信信号への残響ノイズを低減でき、より正確に障害物の位置を検知することができる。
【００３６】
次に、図９（ａ）（ｂ）を参照して、送波素子２１と受波素子アレイ３とを一体化した超音波センサ２を説明する。送波素子２１と受波素子３１とは、図９（ａ）に示すように、別々の基板にそれぞれ実装して、送波素子２１の音波の放射にともなう振動を受波素子３１側に伝えないようにする。ここで、受波素子アレイ３は、前出の図７（ｂ）に示した受波素子アレイ３である。また、送波素子２１の駆動回路２０と受波素子３１の信号処理回路（アンプ３２とＡ／Ｄ変換手段３３）とも別々の基板に実装して、駆動回路２０のノイズが信号処理回路に影響を及ぼさないようにする。また、送波素子２１から受波素子３１への直接波の影響を最小限にするため、送波素子２１と受波素子３１との間に、隔壁２４を設ける。隔壁２４は、吸音材で構成することが望ましい。このような配慮をした上で、送波素子２１と受波素子アレイ３とを一体化することにより、移動機械本体１０への設置利便性に優れた超音波センサ２を形成できる。
【００３７】
また、図９（ｂ）に示す超音波センサ２は、超音波センサ２の使用状態を考慮して、受波素子３１を地面に対して水平方向に５個、地面に対して垂直方向（高さ方向）に３個として、独立に配列（アレイ化）したものである。このように受波素子３１のアレイ化することにより、水平方向の受波素子３１で障害物の存在を検知し、垂直方向の受波素子３１で障害物の高さを検知することができる。受波素子アレイ３による角度分解能は、配列した受波素子の個数に依存する。そこで、角度分解能が必要な水平方向では受波素子数を５個とし、低い分解能でよい垂直方向では受波素子数を減らして３個としている。これにより、演算処理量や記憶容量を下げることができる。
【００３８】
次に、図１０乃至図１３を参照して、演算手段３０における一連の信号処理と距離測定を説明する。ここで、まず、前出の図３を参照して、単一の受波素子３１による反射超音波受信について説明する。障害物検知手段３５から駆動回路２０に送波開始信号が送られ、駆動回路２０によって駆動された送波素子２１から、バースト又は波数が少数の音波が送波される。障害物検知手段３５は、送波開始とともに反射超音波の受信を開始する。
【００３９】
送波素子２１が送波した送波ＷＳは、超音波反射物体２２に到達して反射するまでに、距離による減衰、空気への吸収による減衰を受けて、伝播距離とともに次第に減衰する。さらに、反射するときにおいても、反射減衰がある。このような反射波（エコー波）ＷＲは、復路においても距離減衰と吸収減衰を受けて、受波素子３１に到達する。
【００４０】
受波素子に到達した反射波ＷＲは、例えば超音波反射物体までの距離が１ｍ（往復２ｍ）の場合、送波したときの音圧に比べ４５ｄＢ程度減衰した音圧となっている。距離Ｄ＝１ｍを音波が音速Ｖ＝３４０ｍ／ｓで往復する時間ｔは、ｔ＝２×Ｄ／Ｖ＝６ｍｓである。従って、最大１ｍの距離までの物体を検知するとした場合、送波開始信号の発生から、６ｍｓの間、エコー波をサンプリングすればよい。受波した超音波による音圧変動は、受波素子３１により電気信号に変換され、アンプ３２で増幅される。
【００４１】
このときのアンプ３２の増幅率は、４０ｄＢ〜６０ｄＢとする。また、Ｓ／Ｎ比は、６０ｄＢ程度となる。アンプ３２で増幅したアナログ信号は、１２ビット又は１６ビットのＡ／Ｄ変換手段３３によりディジタル信号に変換され、フレームメモリ３４に格納される。サンプリング周波数が１ＭＨｚ、Ａ／Ｄ変換が１２ビットの場合、１ビット＝２．４ｍｍ、また、Ａ／Ｄ変換が１６ビットの場合、１ビット＝０．１５ｍｍの距離分解能となる。受波素子３１からフレームメモリ３４までの各信号とデータの処理、すなわち超音波受波と電気信号変換、電気信号増幅、Ａ／Ｄ変換、及びフレームメモリ格納は、それぞれ受波素子３１毎に独立に行われる。受波時間ｔ＝６ｍｓの間におけるデータを、サンプリング周波数１ＭＨｚ、１６ビットＡ／Ｄ変換で処理した場合、１つの受波素子３１について、６ｍｓ×１ＭＨｚ×１６ビット×１０素子＝１２０ｋｂｙｔｅのフレームメモリを必要とする。各受波素子３１について処理されてフレームメモリ３４に格納されたデータは、障害物検知手段３５によって、互いに遅延加算され、物体の距離と方向が求められる。
【００４２】
ここで、図１０に示すように、水平方向に分布した超音波反射物体（以下物体）２２ａ，２２ｂの水平距離と方向を認識する例を説明する。物体２２ａ，２２ｂは、超音波センサ２の前方の右方角度θ１、左方角度θ２の方向に存在する。物体２２ａ，２２ｂからの反射波は、図１１に示すように、水平方向に１列に配列した受波素子３１の法線方向Ｎに対して、それぞれ右側に角度θ１振れた方向ｎ１、及び左側に角度θ２振れた方向ｎ２から受波素子３１に入射する。このとき、入射する反射波は、平面波になっていると想定できる。
【００４３】
つまり、物体２２ａから各受波素子３１に入射する反射波のグループＡの波面は平面であり、同様にグループＢの波面も平面である。以下、グループＡについて述べる。同一波面すなわち同一位相面が各受波素子３１に入射する時刻は、角度θ１に依存した時間遅延が発生する。言い換えると、各受波素子３１から出力された信号に遅延処理を施して加算することにより、特定の角度方向から入射する超音波信号を抽出することができる。すなわち複数の受波素子３１を配列した受波素子アレイ３を用いると、角度走査を機械的走査によらずに電子的な処理（電子スキャン）により行うことができる。図１１における遅延手段ＤＬと加算手段ＡＤＤは、障害物検知手段３５が、このような処理を行うことを示している。
【００４４】
上述の電子スキャン（遅延加算処理）により、物体２２ａに対応する超音波信号を得た結果は、図１２の右上段に示すように、グループＡによる集中した波形とグループＢによる分散した波形からなる。遅延加算の結果集中した波形は、図１３（ａ）（ｂ）に示すようになる。送波時刻を時間計測原点ｔ＝０とした場合、波形出現時間ｔ１，ｔ２は、超音波が送波素子と物体２２ａ，２２ｂとの間を往復する時間となる。つまり、ｔ１，ｔ２から物体２２ａ，２２ｂの距離が求められ、遅延加算の処理に用いた遅延量から物体２２ａ，２２ｂの方向（角度θ１，θ２）を求めることができる。
【００４５】
次に、図１４乃至図１７を参照して、距離画像、２次元イメージ、及び障害物検知を説明する。図１４は超音波センサ２による視野と視野の分割例、距離画像Ｇ１及び２次元イメージＧ２の例を示す。距離画像Ｇ１は、距離画像生成手段３６によって生成され、２次元イメージＧ２は、２次元イメージ生成手段３７によって生成される。受波素子を２次元配列した超音波センサ２を用いて、上述した電子スキャンを行うことにより、超音波センサの前方視野における距離画像Ｇ１を生成することができる。例えば、超音波センサ２から前方方向の所定距離までをｍ１分割し、水平方向視野角をｍ２分割し、上下方向視野角をｍ３分割する。縦×横がｍ３×ｍ２に分割された画面の各画素に、前方方向距離をｍ１段階にグレーティングして表示することにより、距離画像Ｇ１が得られる。また、上下方向視野角をｍ３分割した中から特定の分割面を切り出して２次元イメージＧ２を生成することができる。
【００４６】
このような距離画像Ｇ１は、距離画像生成手段３６によって、水平方向及び垂直方向について所定の角度分解能に応じた角度分割数ｍ２，ｍ３を用いて生成される。例えば、水平方向（左右方向）の視野角度が、超音波センサ２の中心をθ＝０゜として、θ＝−４５゜〜４５゜とする。以下上下方向（地面に対する垂直方向）φも同様とする。θ方向、φ方向ともに角度分解能を５°とすると、分割数ｍ２＝（４５゜−（−４５゜））÷５゜（角度分解能）＋１＝１９となる。分割数ｍ３も同様に、ｍ３＝１９となる。
【００４７】
なお、上下方向の受波素子３１の数を減らして、上下方向の角度分解能を１０°とすることもできる。この場合、２次元的な路面走行にとって重要な水平方向の分解能は確保し、その上で記憶及び演算の対象となるデータ量を削減して、より高速に障害物検知を行うことができる。また、近距離と遠距離とで距離分解能を変えることもできる。例えば、分割数ｍ１により前方方向を分割する場合に、等間隔に分割しないで、手前ほど密に、遠いほど粗く分割する。これによると、移動機械本体１０に近い障害物ほど距離を正確に測定でき、確実に、また無駄なく障害物を回避できる。同様に、角度分解能についても、例えば、正面方向に近いほど分解能を高くしてもよい。
【００４８】
図１５は、上下左右それぞれ±４５゜の視野角度を１９×１９分割した距離画像用の表示画面を示す。このような表示画面に、図１６（ａ）に示す状況を表示すると、図１６（ｂ）に示す距離画像Ｇ１が得られる。短距離ほど明るく、遠距離ほど暗くした距離濃淡スケールに基づいて距離が表示されている。
【００４９】
図１７は、上述の図１４に示した２次元イメージＧ２に対して所定の閾値以上で、最大信号強度を有する点（ピーク画素）からなる画像を検知画像Ｇ３として生成したものである。検知画像Ｇ３は、検知画像生成手段３８によって生成される。このような検知画像Ｇ３においては、障害物として検出された超音波反射物体が、複数存在する場合に、個々の物体を個別に検知することができる。障害物検知手段３５は、以上述べた検知画像Ｇ３、２次元イメージＧ２、及び距離画像Ｇ１を用いて障害物を検知する。障害物検知に当たって、画像処理技術を用いることができる。また、移動する障害物と固定された環境障害物（壁や柱等）を区別するため、走行制御手段１１が備えている走行領域の地図情報を参照することができる。
【００５０】
次に、前出の図１を再度参照して、超音波センサ２の配置について説明する。超音波センサ２は、移動機械本体１０の前方、左右側方、後方にそれぞれ配置されている。これらの超音波センサ２は、送波開始から受波完了までの時間が干渉しないように、互いに同期をとって運用される。つまり、１つの送波素子２１が超音波を送波して、所定距離内での反射波を受波するまでの送波時間Ｔ１と、送波時間内でサンプリングしたデータを基に遅延加算処理する時間Ｔ２との和（Ｔ１＋Ｔ２）を最小処理時間ΔＴとして、この最小処理時間ΔＴで、複数の超音波センサ２による検知を順番に繰り返す。これにより、移動機械本体１０の全周囲を検知できるとともに、超音波センサ２の検知動作間隔を短くできる。
【００５１】
上述の例を示す。視野角度±４５°の超音波センサ２を、図１に示すように、移動機械本体１０の全周に配置する。１つの超音波センサ２が、超音波を送波して、５ｍ先の物体により反射された超音波が、超音波センサ２の受波素子に到達するまでに３０ｍｓの時間を要する。従って、その超音波センサ２が超音波を放射すると、その隣接する超音波センサ２は、少なくとも３０ｍｓ経過後に超音波を放射するように同期をとる。先の超音波センサ２が反射波のサンプリング（超音波の往復時間）にＴ１＝３０ｍｓを要し、サンプリングしたデータをもとに遅延加算処理や２次元イメージ処理に要する処理時間をＴ２＝７０ｍｓとすると、最小処理時間は、ΔＴ＝Ｔ１＋Ｔ２＝３０ｍｓ＋７０ｍｓ＝１００ｍｓとなる。この場合、１秒間に最高１０回の障害物検知動作が可能である。
【００５２】
次に、図１８乃至図２１を参照して、超音波センサ２の動作チェックについて説明する。超音波センサ２の動作チェック、つまり故障検知は、例えば、図１８に示すように、超音波センサ２の近距離音場内、例えば０．３ｍ離れたところに金属性の直径１０ｍｍの支柱２２ｃを立てて、支柱２２ｃに向けて超音波を送波し、その反射波ＷＲを検知することにより行うことができる。障害物検知手段３５は、超音波センサ２によって金属性の支柱２２ｃからの反射波ＷＲを認識できなかったとき、故障と判断して、走行制御手段１１へ通知する。移動機械１は直ちに停止するとともに、外部へアラーム出力する。
【００５３】
他の故障検知方法を説明する。超音波センサ２、従って、送波素子２１と受波素子３１は、図１９に示すように、地面から一定の高さ、例えばｈ＝０．８ｍの高さに取り付けられており、送波素子２１から送波された音波は、路面Ｌ方向にも伝播して路面Ｌから反射して受波素子３１に届く。移動機械本体１０に設置された超音波センサ２と路面Ｌとの距離は常に一定なので、障害物検知手段３５は、路面Ｌからの反射波ＷＲを特定して認識することができる。この路面Ｌからの反射波ＷＲが検出されなかったときは、超音波センサ２が故障していると判断される。このとき、上記同様に移動機械１の停止等が行われる。このような方法によると、送波素子２１と受波素子３１の位置関係に関係なく、また上述の支柱２２ｃ等を援用することなく、超音波センサ２の故障を検知することができる
【００５４】
さらに他の故障検知方法を説明する。超音波センサ２における送波素子２１と受波素子３１は、互いに隣接して設置されており、送波素子２１から送波される超音波のうち、一部は、図２０、図２１（ａ）（ｂ）に示すように、直接、受波素子３１に届くものがある。障害物検知手段３５が、この直接波ＷＤを認識できなかったときは、超音波センサ２が故障していると判断される。このとき、上記同様に移動機械１の停止等が行われる。このような方法によると、複数ある超音波センサの各々についてリアルタイムに故障検知を行うことができる。
【００５５】
次に、図２２、図２３、図２４を参照して、移動機械１の走行動作を説明する。移動機械１は、超音波センサ２を用いて、１ｍ以内のエリアに超音波を放射して自己（移動機械本体１０）の周辺を監視しながら走行する。移動機械１が、障害物として人２２ｄと手すり２２ｅを検知して、障害物の距離と方向を演算すると、図２３に示すように、これらの人２２ｄと手すり２２ｅを含む２次元の検知画像Ｇ３が生成される。移動機械１は、この検知画像Ｇ３における人２２ｄと手すり２２ｅを認識して、図２４に示すように、人２２ｄを避けるべく走路ＲＴを決定して、人２２ｄと手すり２２ｅの隙間ｄ３の間を走行することができる。
【００５６】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、受波素子アレイ３は、図７（ｂ）に示すものの他に、１次元に配列された複数の受波素子３１を有するものとして構成できる。このような受波素子アレイ３を、水平方向用や垂直方向用に専用に用いることができる。また、受波素子３１を２次元に配列する場合、図７（ｂ）に示すような縦横それぞれ一列づつ９個（５＋５−１＝９）配列する以外に、縦横の全面に２５個（５×５＝２５）配列してもよい。このような多数の受波素子３１を有する受波素子アレイを用いる場合、適宜必要な受波素子３１を選択して電子スキャンを行うことにより、センサの使用状況に即して効率的な障害物検知を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係る移動機械の模式的平面図、（ｂ）は同移動機械の斜視図。
【図２】（ａ）は同上移動機械本体に超音波センサを下向き角度を持たせて取り付けた例を示す側面図、（ｂ）は（ａ）におけるよりも浅い下向き角度で超音波センサを取り付けた例を示す側面図。
【図３】同上移動機械に用いられる超音波センサ及び演算手段のブロック構成図。
【図４】同上超音波センサの送波素子の断面図。
【図５】同上送波素子が送波する超音波波形図。
【図６】同上超音波センサの送波素子を駆動する駆動回路の回路図。
【図７】（ａ）は同上超音波センサの受波素子の断面図、（ｂ）は同受波素子を２次元配列して形成した超音波センサの平面図。
【図８】同上超音波センサの受波信号を処理する回路のブロック構成図。
【図９】（ａ）（ｂ）は同上超音波センサの模式的斜視図。
【図１０】同上超音波センサの障害物検知動作を説明するための障害物分布例の図。
【図１１】同上超音波センサに入射する超音波の入射方向と波面の関係を示す図。
【図１２】同上超音波センサからの超音波信号を遅延加算処理する説明する図。
【図１３】（ａ）（ｂ）は同上超音波センサからの超音波信号を遅延加算して得られた例を示す波形図。
【図１４】同上超音波センサによる視野と視野の分割例、及び２次元イメージと距離画像の例を示す斜視図。
【図１５】同上超音波センサによる検知結果を表示するための距離画像の構成例を示す図。
【図１６】（ａ）は距離画像生成の例を示すための生画像サンプルを示す図、（ｂ）は（ａ）に示される状況を距離画像化した図。
【図１７】同上超音波センサからの信号を処理して得た障害物の２次元イメージ図。
【図１８】同上超音波センサの動作チェックを支柱を用いて行う場合の作用を示す図。
【図１９】同上超音波センサの動作チェックを地面からの反射信号により行う場合の作用を示す図。
【図２０】同上超音波センサの動作チェックを送波素子から受波素子への直接波により行う場合の作用を示す図。
【図２１】（ａ）は同上超音波センサの送波信号の波形図、（ｂ）は直接波の存在する受波信号の波形図。
【図２２】同上移動機械が超音波センサを稼働させて走行移動中の斜視図。
【図２３】図２２に示した状況における検知画像を示す図。
【図２４】同上移動機械が障害物を回避して走行移動する様子を示す平面図。
【符号の説明】
【００５８】
１    移動機械
２    超音波センサ
１０    移動機械本体
２１    送波素子
３１    受波素子
２２    超音波反射物体
３５    障害物検知手段
Ｇ１    距離画像
Ｇ２    ２次元イメージ
ＷＲ    反射波
φ１，φ２    角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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