(57)【要約】【課題】障害物の検出精度をより向上させること。【解決手段】障害物検出装置１００は、左回転または右回転しながら送信された送信波の反射波に基づいて、障害物の検出を行う装置であって、予め設定された送信波の電波強度分布と、受信された反射波の電波強度分布との差分に基づいて、検出値を算出する検出値算出部１０と、算出された検出値と、予め設定された検出値と実寸値との対応関係とに基づいて、障害物の実寸値を決定する実寸値特定部２０と、を有する。【選択図】図７
2019211387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平面上を左回転または右回転しながら送信された送信波の反射波に基づいて、障害物の検出を行う障害物検出装置であって、
予め設定された前記送信波の電波強度分布と、受信された前記反射波の電波強度分布との差分に基づいて、検出値を算出する検出値算出部と、
算出された前記検出値と、予め設定された検出値と実寸値との対応関係とに基づいて、前記障害物の実寸値を決定する実寸値特定部と、を有する、
障害物検出装置。
【請求項２】
前記検出値算出部は、
前記送信波の電波強度分布の最大値と、前記反射波の電波強度分布の最大値とを同じ値に設定し、
前記送信波の電波強度分布と前記反射波の電波強度分布との差分分布を算出し、
前記送信波を送信する装置の回転方向における、前記差分分布と前記送信波の電波強度分布との交点と、前記反射波の強度分布との間の距離を、前記検出値に決定する、
請求項１に記載の障害物検出装置。
【請求項３】
前記送信波は、ミリ波である、
請求項１または２に記載の障害物検出装置。
【請求項４】
水平面上を左回転または右回転しながら送信された送信波の反射波に基づいて、障害物の検出を行う障害物検出方法であって、
予め設定された前記送信波の電波強度分布と、受信された前記反射波の電波強度分布との差分に基づいて、検出値を算出し、
算出された前記検出値と、予め設定された検出値と実寸値との対応関係とに基づいて、前記障害物の実寸値を決定する、
障害物検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電波を用いて障害物を検出する障害物検出装置および障害物検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、障害物の検出に用いられる装置として、所定範囲にレーザ波を送信し、その反射波を受信するミリ波レーダが知られている（例えば特許文献１）。ミリ波レーダは、光学系のレーザレーダやカメラに比べて、雨、霧、埃、逆光などの影響を受けにくいため、悪天候時や視界の効かない夜間であっても有用である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−２５６０７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在、自動運転機能が搭載された車両、自律移動が可能な電動車椅子や自走式ロボットなどの技術分野では、障害物の検出精度の向上が望まれているが、従来の障害物の検出技術には、検出精度に改善の余地があった。
【０００５】
本開示の一態様の目的は、障害物の検出精度をより向上させる障害物検出装置および障害物検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様に係る障害物検出装置は、水平面上を左回転または右回転しながら送信された送信波の反射波に基づいて、障害物の検出を行う障害物検出装置であって、予め設定された前記送信波の電波強度分布と、受信された前記反射波の電波強度分布との差分に基づいて、検出値を算出する検出値算出部と、算出された前記検出値と、予め設定された検出値と実寸値との対応関係とに基づいて、前記障害物の実寸値を決定する実寸値特定部と、を有する。
【０００７】
本開示の一態様に係る障害物検出方法は、水平面上を左回転または右回転しながら送信された送信波の反射波に基づいて、障害物の検出を行う障害物検出方法であって、予め設定された前記送信波の電波強度分布と、受信された前記反射波の電波強度分布との差分に基づいて、検出値を算出し、算出された前記検出値と、予め設定された検出値と実寸値との対応関係とに基づいて、前記障害物の実寸値を決定する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、障害物の検出精度をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】本開示の実施の形態に係る自走式ロボットを上方から見た模式図
【図１Ｂ】本開示の実施の形態に係る送信波の電波強度の分布の一例を示す図
【図２Ａ】本開示の実施の形態に係る自走式ロボットの状態の一例を示す図
【図２Ｂ】本開示の実施の形態に係る自走式ロボットの状態の一例を示す図
【図２Ｃ】本開示の実施の形態に係る自走式ロボットの状態の一例を示す図
【図３】一般的な障害物検出方法における反射波の電波強度の分布の一例を示す図
【図４】自走式ロボットの右回転時および左回転時における障害物検出範囲の一例を示す図
【図５】本開示の実施の形態に係る送信波の電波強度分布および反射波の電波強度分布の一例を示す図
【図６】本開示の実施の形態に係る検出値と実寸値との関係の一例を示すグラフ
【図７】本開示の実施の形態に係る障害物検出装置の構成の一例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。
【００１１】
＜自走式ロボットの構成＞
本開示の実施の形態に係る自走式ロボットについて、図１Ａ、図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、本実施の形態の自走式ロボット１０１を上方から見た模式図である。図１Ｂは、送信波の電波強度の分布の一例を示す図である。
【００１２】
自走式ロボット１０１は、自律移動が可能である。また、自走式ロボット１０１は、その真上から見て、自走式ロボットの中心を基準として左回り（反時計回り）または右回り（時計回り）に回転することができる。図１Ａに示す回転角θ１０５は、自走式ロボット１０１が回転可能な角度である。
【００１３】
図１Ａに示すように、自走式ロボット１０１は、レーダ送受信ユニット１０２および障害物検出装置１００を有する。なお、本実施の形態では、レーダ送受信ユニット１０２と障害物検出装置１００とが別体である場合を例に挙げて説明するが、障害物検出装置１００は、レーダ送受信ユニット１０２に含まれてもよい。
【００１４】
レーダ送受信ユニット１０２は、例えば、ミリ波レーダである。
【００１５】
レーダ送受信ユニット１０２は、レーダビーム（ミリ波のレーザ波）１０３を水平面上に送信する。レーダビーム１０３は、矢印Ａに示す方向に、かつ、レーダ放射角１０４の範囲内に放射される。以下では、レーダビーム１０３を送信波ともいう。
【００１６】
また、レーダ送受信ユニット１０２は、障害物（図１Ａでは図示略。図２Ａ〜図２Ｃ参照）からの反射波を受信する。
【００１７】
また、図示は省略するが、レーダ送受信ユニット１０２は、例えば、高利得のアレイアンテナを有する。これにより、レーダ送受信ユニット１０２は、レーダ放射角１０４を小さくし、レーダビーム１０３を遠くまで送信することができる。
【００１８】
レーダビーム１０３の送信方式としては、例えば、ドップラー方式またはＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式などを用いることができる。
【００１９】
図１Ｂは、回転角θの方向におけるレーダビーム１０３の電波強度分布１０６を示している。図１Ｂの横軸は、図１Ａに示した回転角θ１０５である。図１Ｂに示すように、電波強度分布１０６は、αのビーム幅を持つ正規分布となる。
【００２０】
障害物検出装置１００は、レーダ送受信ユニット１０２が受信した反射波に基づいて、障害物の移動速度、レーダ送受信ユニット１０２に対する障害物の位置、障害物とレーダ送受信ユニット１０２との間の距離、障害物の大きさを検出する装置である。障害物検出装置１００の詳細については、図７を用いて後述する。
【００２１】
＜自走式ロボットの動作＞
自走式ロボット１０１は、障害物の検出（トラッキング）を行う場合、水平面上を左回りまたは右回りに回転する。このとき、レーダ送受信ユニット１０２は、送信波（レーダビーム１０３）を送信し、反射波を受信する。以下では、自走式ロボット１０１の左回りの回転を左回転といい、自走式ロボット１０１の右回りの回転を右回転という。
【００２２】
図２Ａは、レーダビーム１０３が障害物２０１に照射されていない状態を示している。この状態は、自走式ロボット１０１が右回転中であれば、障害物２０１が検出される直前の状態であり、自走式ロボット１０１が左回転中であれば、障害物２０１が検出されなくなった直後の状態である。
【００２３】
図２Ｂは、レーダビーム１０３が障害物２０１に照射されている状態を示している。この状態は、右回転中または左回転中の自走式ロボット１０１の正面に障害物２０１が位置したときの状態である。この状態では、障害物２０１はレーダビーム１０３と正対するため、反射波の電波強度が最大の状態となる。反射波の電波強度は、障害物２０１の大きさに比例する。
【００２４】
図２Ｃは、レーダビーム１０３が障害物２０１に照射されていない状態を示している。この状態は、自走式ロボット１０１が左回転中であれば、障害物２０１が検出される直前の状態であり、自走式ロボット１０１が右回転中であれば、障害物２０１が検出されなくなった直後の状態である。
【００２５】
＜一般的な障害物検出方法＞
ここで、後述する本開示の障害物検出方法の比較例として、上述した自走式ロボット１０１による一般的な障害物検出方法について、図３を用いて説明する。一般的な障害物検出方法は、閾値を用いた検出方法である。
【００２６】
図３は、レーダ送受信ユニット１０２が受信した反射波の電波強度分布３０１の一例を示す図である。図３の横軸は、回転角θである。
【００２７】
反射波の電波強度は、レーダビーム１０３が障害物に照射される面積に比例する。図３に示した電波強度分布３０１は、レーダビーム１０３の電波強度分布１０６（図１Ｂ参照）に比べて、回転角θの方向（図中の横軸方向）に広がっている。
【００２８】
図３中の破線で示す範囲３０２は、電波強度分布３０１が予め設定された閾値以上である範囲である。閾値は、障害物が存在すると判断できる電波強度の下限値であり、予め実施された実験やシミュレーションに基づいて設定される。図３に示した範囲３０２のうち横軸方向の範囲が、障害物の大きさ（幅）に相当する。以下では、電波強度分布のうち閾値以上である範囲を「障害物検出範囲」という。
【００２９】
図４は、自走式ロボット１０１の右回転時および左回転時それぞれの障害物検出範囲を示す図である。図４の横軸は回転角θである。右回転とは、例えば、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃの順に自走式ロボット１０１が回転することをいう。左回転とは、例えば、図２Ｃ、図２Ｂ、図２Ａの順に自走式ロボット１０１が回転することをいう。
【００３０】
二点鎖線で示す障害物検出範囲４０１は、自走式ロボット１０１が右回転で走査（レーダビーム１０３の送信および反射波の受信）を行った場合の障害物検出範囲である。
【００３１】
一点鎖線で示す障害物検出範囲４０２は、自走式ロボット１０１が左回転で走査を行った場合の障害物検出範囲である。
【００３２】
図４に示すように、障害物検出範囲４０１と障害物検出範囲４０２とには、回転角θの方向にずれ４０３がある。これは、図１Ａに示したようにレーダビーム１０３にはビーム放射角１０４による広がりが存在するため、障害物の検出が始まる回転角θが右回転時と左回転時とでずれるからである。
【００３３】
このように、回転方向が異なると、障害物を検出可能な回転角θが異なることになる。この場合、障害物検出範囲４０１と障害物検出範囲４０２との重複部分４０４の中心方向に、障害物が存在することは検出されるが、障害物の大きさは、実寸値よりも大きく検出されてしまう。
【００３４】
すなわち、閾値を用いる一般的な障害物検出方法では、障害物の位置に加えて障害物の大きさを検出できるが、検出される障害物の大きさは、実寸値よりも大きい値となってしまう。よって、自走式ロボット１０１は、本来走査可能な場所を走査できないと判断し、走査範囲を小さくしてしまう。
【００３５】
また、一般的な障害物検出方法では、自走式ロボット１０１が一往復の回転（右回転および左回転の両方）を行う必要があるため、走査に時間がかかり、自走式ロボット１０１の消費電力が大きくなってしまう。
【００３６】
＜本開示の障害物検出方法＞
上述した自走式ロボット１０１による本開示の障害物検出方法について説明する。
【００３７】
本開示の障害物検出方法では、図１Ｂに示した送信波の電波強度分布１０６と、図３に示した反射波の電波強度分布３０１との比較により、障害物の検出を行う。
【００３８】
電波強度分布１０６は、予め実施された実験やシミュレーションに基づいて設定される。例えば、電波強度分布１０６は、アンテナ設計時の電磁界解析、または、アンテナ製作後の放射パターン測定に基づいて、設定することができる。
【００３９】
図５は、図１Ｂに示した送信波の電波強度分布１０６、および、図３に示した反射波の電波強度分布３０１を合わせて示す図である。図５の横軸は、回転角θである。
【００４０】
送信波と反射波とを比較する場合、送信波の電波強度分布１０６と、反射波の電波強度分布３０１とを規格化する。例えば、図５に示すように、送信波の電波強度分布１０６の最大値と、反射波の電波強度分布３０１の最大値とを同じ値に設定する。
【００４１】
次に、送信波の電波強度分布１０６と反射波の電波強度分布３０１との差分の分布である差分分布５０３を算出する。
【００４２】
次に、差分分布５０３に基づいて、検出値５０４を算出する。具体的には、まず、送信波の電波強度分布１０６との交点Ｐを算出する。次に、回転角θの方向における、交点Ｐと、反射波の電波強度分布３０１との間の距離を、検出値５０４に決定する。
【００４３】
検出値５０４は、障害物の大きさの判断（図６を用いて後述する）に使用される値である。検出値５０４は、障害物の実寸値を一義的に決めるために算出される。
【００４４】
上述したとおり、レーダ送受信ユニット１０２から送信された送信波が障害物に当たって反射した後でレーダ送受信ユニット１０２にて受信される反射波の電波強度の積分は、障害物の面積に比例する。
【００４５】
上述したとおり、自走式ロボット１０１は、右回転により走査を行う場合、図２Ａに示した状態のときに障害物２０１を検出し始め、さらに右回転しながら障害物２０１のトラッキングを行う。この場合、送信波の電波強度分布１０６のうち図中左側の分布における障害物２０１の幅分の積算値が、障害物２０１とレーダ送受信ユニット１０２との間の距離の分だけ減衰される。すなわち、送信波は、障害物２０１の面積に比例して反射され、障害物２０１とレーダ送受信ユニット１０２と間の距離分減衰され、レーダ送受信ユニット１０２に反射波として受信される。これは、左回転の走査でも同様である。
【００４６】
よって、自走式ロボット１０１が左回転の走査、右回転の走査のどちらを行っても、反射波の電波強度分布３０１と送信波の電波強度分布１０６との関係は変わらない。
【００４７】
ここで、反射波の電波強度分布３０１と送信波の電波強度分布１０６との差分は、障害物の実際の大きさ（実寸値）とはならない。以下、障害物の実寸値を求める手順について、図５、図６を用いて説明する。
【００４８】
図６は、障害物の実寸値（横軸）と検出値（縦軸）との対応関係を示すグラフである。図６に示す検出値は、図５に示した検出値５０４である。検出値５０４は、図５に示した回転角θの方向において、レーダビーム１０３の広がりに応じて異なる特性を示す。なお、レーダビーム１０３の広がりは、レーダ送受信ユニット１０２の送信アンテナ（図示略）の放射特性（特に半値角）と言ってもよい。
【００４９】
図６に示す実寸値と検出値との対応関係は、予め実施された実験やシミュレーションに基づいて設定される。例えば、実寸値と検出値との対応関係は、送信アンテナの放射特性に応じて、送信アンテナの設計時または送信波の放射パターンの測定後に設定される。
【００５０】
図６に示した実寸値と検出値との対応関係を参照することにより、算出された検出値５０４に対応する実寸値を特定する。
【００５１】
以上説明したように、本開示の障害物検出方法では、まず、図１Ｂに示した送信波の電波強度分布１０６を予め設定しておくとともに、図６に示した実寸値と検出値との対応関係を予め設定しておく。そして、まず、レーダ送受信ユニット１０２が実際に受信した反射波の電波強度分布３０１（図５参照）と、予め設定された送信波の電波強度分布１０６との比較により、差分分布５０３（図５参照）を算出する。次に、差分分布５０３、送信波の電波強度分布１０６、および反射波の電波強度分布３０１に基づいて、図５に示した検出値５０４を算出する。次に、算出された検出値５０４に該当する実寸値を、予め設定された実寸値と検出値との対応関係（図６参照）から決定する。これにより、障害物の実寸値を検出することができる。
【００５２】
したがって、本開示の障害物検出方法は、障害物が実寸値より大きく検出されてしまう上記一般的な障害物検出方法よりも、障害物の検出精度を向上させることができる。
【００５３】
また、上述した一般的な障害物検出方法では、左回転の走査および右回転の走査が必要であるが、本開示の障害物検出方法では、左回転の走査または右回転の走査のいずれか一方でよい。すなわち、本開示の障害物検出方法では、一般的な障害物検出方法に比べて、トラッキング回数が半分で済む。したがって、本開示の障害物検出方法は、上述した一般的な障害物検出方法よりも、走査時間、および、自走式ロボット１０１の消費電力量を削減することができる。
【００５４】
＜障害物検出装置の構成＞
図７を用いて、上述した本開示の障害物検出方法を実行する障害物検出装置１００について説明する。図７は、障害物検出装置１００の構成を示すブロック図である。
【００５５】
障害物検出装置１００は、検出値算出部１０および実寸値特定部２０を有する。図示は省略するが、障害物検出装置１００は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを格納したＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶媒体、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の作業用メモリ、および通信回路などを有する。検出値算出部１０および実寸値特定部２０の各機能は、ＣＰＵが制御プログラムを実行することにより実現される。
【００５６】
検出値算出部１０は、所定の記億部（図示略）から、送信波の電波強度分布１０６（図１Ｂ、図５参照）のデータを読み出す。そして、検出値算出部１０は、送信波の電波強度分布１０６と、レーダ送受信ユニット１０２が受信した反射波の電波強度分布３０１とを比較し、検出値５０４（図５参照）を算出する。
【００５７】
検出値５０４の具体的な算出方法は、以下のとおりである。
【００５８】
まず、検出値算出部１０は、送信波の電波強度分布１０６の最大値と、反射波の電波強度分布３０１の最大値とを同じ値に設定する。
【００５９】
次に、検出値算出部１０は、送信波の電波強度分布１０６と反射波の電波強度分布３０１との差分である差分分布５０３（図５参照）を算出する。
【００６０】
次に、検出値算出部１０は、回転角θの方向における、差分分布５０３と送信波の電波強度分布１０６との交点と、反射波の強度分布３０１との間の距離を、検出値５０４に決定する。
【００６１】
実寸値特定部２０は、所定の記億部（図示略）から、検出値と実寸値との対応関係（図６参照）のデータを読み出す。そして、実寸値特定部２０は、検出値算出部１０により算出された検出値５０４に対応する実寸値を、検出値と実寸値との対応関係から決定する。
【００６２】
このようにして、障害物検出装置１００は、障害物の実際の大きさを検出することができる。
【００６３】
また、検出値算出部１０または実寸値特定部２０は、レーダ送受信ユニット１０２が受信した反射波に基づいて、例えば、障害物の移動速度、レーダ送受信ユニット１０２に対する障害物の位置、および、障害物とレーダ送受信ユニット１０２との間の距離を検出する。これらの検出方法は、公知の技術であるので、ここでの説明は省略する。
【００６４】
なお、上記所定の記億部は、例えばハードディスク装置やメモリなどの記憶デバイスである。この記億部は、障害物検出装置１００の内部に設けられてもよいし、障害物検出装置１００の外部に設けられてもよい。
【００６５】
以上、本開示の実施の形態に説明したが、本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。
【００６６】
例えば、上記実施の形態では、レーダ送受信ユニット１０２および障害物検出装置１００が搭載される自律移動装置が自走式ロボット１０１である場合を例に挙げて説明したが、自律移動装置は、自走式ロボット１０１に限定されない。レーダ送受信ユニット１０２および障害物検出装置１００は、自動車、電動車椅子、または、自動搬送車（ＡＧＶ：Automated guided vehicle）などの自律移動装置に搭載されてもよい。また、障害物検出装置１００を搭載したレーダ送受信ユニット１０２に、左回転および右回転を実行する回転機構が具備されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本開示の障害物検出装置および障害物検出方法は、自律移動を行う装置全般に有用である。
【符号の説明】
【００６８】
１０  検出値算出部
２０  実寸値特定部
１００  障害物検出装置
１０１  自走式ロボット
１０２  レーダ送受信ユニット
１０３  レーダビーム
１０４  レーダ放射角
１０５  回転角θ
１０６  送信波の電波強度分布
２０１  障害物
３０１  反射波の電波強度分布
３０２、４０１、４０２  障害物検出範囲
４０３  ずれ
４０４  重複部分
５０３  差分分布
５０４  検出値
【図１Ａ】
2019211387.tif 000003
【図１Ｂ】
2019211387.tif 000004
【図２Ａ】
2019211387.tif 000005
【図２Ｂ】
2019211387.tif 000006
【図２Ｃ】
2019211387.tif 000007
【図３】
2019211387.tif 000008
【図４】
2019211387.tif 000009
【図５】
2019211387.tif 000010
【図６】
2019211387.tif 000011
【図７】
2019211387.tif 000012