(57)【要約】【課題】超音波を用いた位置測定装置において、超音波センサと測定対象物との距離のみしか測定できず、超音波センサに対する測定対象物の方角が未知であるため、測定対象物が存在する領域を特定することができなかった。【解決手段】超音波センサによるセンサ手段４、５と、センサ手段４、５のセンサ値を入力として測定対象物の距離を測定する測定対象物の距離測定手段７、８と、センサ手段４、５のセンサ値を入力として測定対象物領域を確定する測定対象物領域確定手段１０を備える位置測定装置とした。そして、測定対象物による受信波が入力したセンサを特定することによりそのセンサの測定可能範囲内の測定対象物が存在することがわかるため、測定対象物が存在する存在領域を確定することができるようになる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超音波センサによるセンサ手段と、前記センサ手段のセンサ値を入力として測定対象物の距離を測定する測定対象物距離測定手段と、前記センサ手段のセンサ値を入力として測定対象物領域を確定する測定対象物領域確定手段を備えた位置測定装置。
【請求項２】
隣り合うセンサ手段による測定可能範囲が重なるように、センサ手段を設置する構成とする請求項１に記載の位置測定装置。
【請求項３】
超音波センサで使用する周波数を変更する構成とする請求項１または２に記載の位置測定装置。
【請求項４】
超音波センサの超音波送出時間を変更する構成とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の位置測定装置。
【請求項５】
超音波センサの超音波範囲を決定する超音波ホーン手段と、前記超音波ホーン手段の超音波ホーン範囲を記憶するホーン範囲記憶手段と、前記ホーン範囲記憶手段のホーン範囲とセンサ手段のセンサ値とを入力して測定対象物領域を確定する第一の測定対象物領域確定手段とを備えた請求項１ないし４のいずれか１項に記載の位置測定装置。
【請求項６】
超音波センサの超音波出力量を決定する超音波出力決定手段と、前記超音波出力決定手段の超音波出力とセンサ手段のセンサ値とを入力して測定対象物領域を確定する第二の測定対象物領域確定手段を備えた請求項１から５の何れか１項に記載の位置測定装置。
【請求項７】
測定対象物領域確定手段は複数のセンサ入力手段のセンサ値と超音波センサの測定範囲から測定対象物領域を確定するものとする請求項１から６の何れか１項に記載の位置測定装置。
【請求項８】
測定対象物領域確定手段による測定対象物領域と測定対象物距離測定手段による測定対象物の距離とから、測定対象物の位置を決定する測定対象物位置決定手段を備えた請求項１から７の何れか１項に記載の位置測定装置。
【請求項９】
測定対象物位置決定手段による測定対象物の位置の変化から測定対象物の相対速度を決定する測定対象物速度決定手段を備えた請求項８に記載の位置測定装置。
【請求項１０】
測定対象物位置決定手段による測定対象物の位置と測定対象物速度決定手段による測定対象物の相対速度とから、測定範囲の測定対象物の位置マップを作成する測定対象物位置マップ作成手段を備えた請求項９に記載の位置測定装置。
【請求項１１】
測定対象物位置マップ作成手段による測定対象物の位置マップから、測定対象物、超音波センサなどの全体のマップを作成する全体位置マップ手段を備えた請求項１０に記載の位置測定装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の位置測定装置を搭載したロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を用いて測定対象物の位置を測定する位置測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の位置測定装置としては、以下に示すようなものがあった（例えば、特許文献１参照）。図９は、従来技術の構成を示すものである。
【０００３】
図９において、１５は距離測定開始手段であり、距離測定を開始する際に距離測定開始信号を出力する。
【０００４】
送出信号出力手段１６は、距離測定開始手段１５による距離測定開始信号が入力されると、超音波送信センサ１７に、ある特定周波数の信号を送信する。
【０００５】
１７は超音波送信センサであり、送出信号出力手段１６による特定周波数の信号が入力されることにより、距離を測定する測定対象物に対して超音波を送出する。
【０００６】
１８は超音波受信センサであり、超音波送信センサ１７から送出された超音波の測定対象物の反射波を受信し、受信信号を出力する。
【０００７】
距離測定手段１９は、距離測定開始手段１５による距離測定開始信号と超音波受信センサ１８による受信信号を入力とし、距離測定開始信号と受信信号から測定対象物までの距離を計算し、距離出力として出力する。
【０００８】
また、図１０は、従来の技術の動作を示すものである。そして、超音波送信センサ１７による超音波の送信波、直接波、超音波受信センサ１８による反射波を示すものである。だだし、横軸を時間、縦軸を波形の振幅とする。
【０００９】
図１０に示すように、超音波送信センサ１７の超音波の送信波と超音波受信センサ１８の反射波には時間のずれΔｔが生じている。これは、超音波送信センサ１７から送出された超音波が測定対象物に反射して超音波受信センサ１８に返ってくるまでに時間Δｔかかることを示している。
【００１０】
よって、時間のずれΔｔ（ｓｅｃ）は、
Δｔ＝（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｖ
と表すことができる。
【００１１】
だだし、超音波送信センサ１７から測定対象物までの距離Ｌ１（ｃｍ）、測定対象物から超音波受信センサ１８までの距離Ｌ２（ｃｍ）、超音波の速度をＶ（ｃｍ／ｓｅｃ）とする。
【００１２】
超音波送信センサ１７と超音波受信センサ１８はほぼ同じ場所に設置されるとすると、距離測定装置と測定対象物の距離ＬはＬ＝Ｌ１＝Ｌ２となるので、上記式は以下のように表すことができる。
Ｌ（ｃｍ）＝１７（ｃｍ／ｍｓｅｃ）×Δｔ（ｍｓｅｃ）
だだし、超音波の速度を３４０００（ｃｍ／ｓｅｃ）として計算した。
【００１３】
つまり、超音波送信センサ１７の超音波送信時間ｔ１、超音波受信センサ１８の反射波の受信時間ｔ２を測定し、その時間差Δｔを求めることにより、超音波送信センサ１７、超音波受信センサ１８が設置される距離測定装置と測定対象物との距離を測定できる。
【００１４】
また、図１０に直接波も同時に示した。直接波とは、超音波送信センサ１７から超音波受信センサ１８へプリント基板、筐体等により直接伝達する超音波波形であり、その時間、振幅は送信波の送信時間、送信エネルギ等によって決定する。
【００１５】
距離測定手段１９は、距離測定開始手段１５による距離測定開始信号と超音波受信センサ１８による受信信号が入力される時間ｔ１、ｔ２を測定し、その時間差Δｔを求めることにより、距離を測定するものである。
【００１６】
【特許文献１】
特開平５−７００８１号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術によると、超音波センサの送信波と受信波の時間差Δｔを測定することにより、超音波センサと測定対象物の距離を測定することができる。
【００１８】
しかし、従来の技術による測定方法では超音波センサと測定対象物との距離のみしか測定できず、超音波センサに対する測定対象物の方角が未知であるため、測定対象物が存在する領域を特定することができないという課題があった。
【００１９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、測定対象物が存在する領域を特定することが可能な位置測定装置の提供を目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、複数の超音波センサによるセンサ手段と、前記センサ手段のセンサ値を入力として測定対象物の距離を測定する測定対象物距離測定手段と、前記センサ手段のセンサ値を入力として測定対象物領域を確定する測定対象物領域確定手段とを備えるものである。
【００２１】
上記発明の構成によると、測定対象物による受信波が入力したセンサを特定することによりそのセンサの測定可能範囲内の測定対象物が存在することがわかるため、測定対象物が存在する存在領域を確定することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、超音波センサによるセンサ手段と、前記センサ手段のセンサ値を入力として測定対象物の距離を測定する測定対象物距離測定手段と、前記センサ手段のセンサ値を入力として測定対象物領域を確定する測定対象物領域確定手段とを備えたものである。
【００２３】
これにより、受信波が入力されたセンサ手段を特定することができ、測定対象物が特定されたセンサ手段の測定可能範囲内に存在することがわかるので、測定対象物の存在領域を決定することができる。
【００２４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に加えて、隣り合うセンサ手段による測定可能範囲が重なるように、センサ手段を設置する構成とするものであり、測定可能範囲を重ねることにより測定対象物の存在領域の検知精度を向上させることができる。
【００２５】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１または２に記載の超音波センサで使用する周波数を変更する構成とするものであり、周波数を変更することにより、超音波の干渉がなくなるので、安定して受信波を測定することができ、測定対象物の存在領域の検知をより安定した状態で行うことができる。
【００２６】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超音波センサの超音波送出時間を変更する構成とするものであり、超音波センサの超音波送出時間をずらして超音波による干渉を防止することができるので、安定して受信波を測定することができ、測定対象物の存在領域の検知をより安定した状態で行うことができる。
【００２７】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発明に加えて、超音波センサの超音波範囲を決定する超音波ホーン手段と、前記超音波ホーン手段の超音波ホーン範囲を記憶するホーン範囲記憶手段と、前記ホーン範囲記憶手段のホーン範囲とセンサ手段のセンサ値とを入力して測定対象物領域を確定する第一の測定対象物領域確定手段を備えたものである。
【００２８】
従って、ホーン手段のホーン形状を変更することによりセンサ手段による測定可能範囲を任意に変更することにより、センサ手段の数を増やすことなく、正確に測定対象物の存在領域を測定したい場合でも対応することができる。
【００２９】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発明に加えて、超音波センサの超音波出力量を決定する超音波出力決定手段と、前記超音波出力決定手段の超音波出力とセンサ手段のセンサ値とを入力して測定対象物領域を確定する第二の測定対象物領域確定手段とを備えたものである。
【００３０】
従って、センサ手段の出力を変更することによりセンサ手段による測定可能範囲を任意に変更することにより、センサ手段の数を増やすことなく、正確に測定対象物の存在領域を測定したい場合でも対応することができる。
【００３１】
請求項７に記載の発明は、特に、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の測定対象物領域確定手段が、複数のセンサ入力手段のセンサ値と超音波センサの測定範囲とから測定対象物領域を確定するものであり、測定対象物の存在領域を確定するセンサ手段の数を複数個にすることによりより多くの測定対象物の存在領域情報を得ることができるので、より精密に測定対象物の存在領域を測定することができる。
【００３２】
請求項８に記載の発明は、特に、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の測定対象物領域確定手段による測定対象物領域と測定対象物距離測定手段による測定対象物距離とから、測定対象物の位置を決定する測定対象物位置決定手段を備えたものであり、センサ手段の発信方向に対して横方向である測定対象物の存在領域と縦方向である測定対象物の距離を用いることにより、測定対象物の存在領域に加えて測定対象物の位置を測定することができる。
【００３３】
請求項９に記載の発明は、特に、請求項８に記載の測定対象物位置決定手段による測定対象物の位置の変化から測定対象物の相対速度を決定するものであり、測定対象物の相対速度を求めることにより、測定対象物の存在領域、位置に加えて測定対象物の相対速度を求めることができ、より多くの測定対象物の情報を得ることができる。
【００３４】
請求項１０に記載の発明は、特に、請求項９に記載の測定対象物位置決定手段による測定対象物の位置と測定対象物速度決定手段による測定対象物の相対速度とから、測定範囲の測定対象物の位置マップを作成する測定対象物位置マップ作成手段を備えるものであり、測定範囲内の測定対象物の位置マップを作成することにより、測定対象物が、超音波センサが設置されている筐体に向かっているか、筐体が測定対象物にぶつかりそうかどうか等の色々な環境情報を得ることができる。
【００３５】
請求項１１に記載の発明は、特に、請求項１０に記載の測定対象物位置マップ作成手段による測定対象物位置マップから、測定対象物、超音波センサなどの全体のマップを作成する全体位置マップ手段を備えたものであり、全体位置マップを作成することにより、超音波センサが設置されている筐体の環境全体を知ることができる。
【００３６】
請求項１２に記載の発明は、特に、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の位置測定装置を、ロボットに搭載するものであり、測定対象物の位置、走行するロボットの環境等多くの情報を得ることができるので、より性能の高いロボットを提供することができる。
【００３７】
【実施例】
以下に本実施例の構成、動作を説明する。
【００３８】
まず、本実施例の構成について図１で説明する。図１において、２は第一のホーン手段であり、第一のホーン手段２の構成を変えることにより第一のセンサ手段４が発生する送信波の送信範囲を変更することができる。３は第二のホーン手段であり、第二のホーン手段３の構成を変えることにより第二のセンサ手段５が発生する送信波の送信範囲を変更することができる。第一のセンサ手段４は、第一のセンサ出力決定手段６による第一のセンサ出力で超音波を送信する。
【００３９】
また、第一の距離測定手段７は、第一のセンサ出力手段６による第一のセンサ出力タイミングと第一のセンサ手段による第一の受信波入力タイミングから測定対象物１の距離を測定し、第一の測定対象物距離信号を出力する。
【００４０】
同様に、第二のセンサ手段５は第二のセンサ出力決定手段９による第二のセンサ出力で超音波を送信する。また、第二の距離測定手段８は、第二のセンサ出力手段６による第二のセンサ出力タイミングと第一のセンサ手段による第二の受信波入力タイミングから測定対象物１の距離を測定し、第二の測定対象物距離信号を出力する。
【００４１】
測定対象物領域測定手段１０は、第一のセンサ手段４による第一の受信波入力信号と第二のセンサ手段による第二の受信波入力信号を入力としており、第一の受信波入力信号と第二の受信波入力信号から測定対象物の存在領域を特定し、測定対象物領域信号を出力する。測定対象物位置決定手段１１は、第一の距離測定手段による第一の測定対象物距離信号と第二の距離測定手段による第二の測定対象物距離信号と測定対象物領域測定手段による測定対象物領域を入力し、入力された距離、存在領域から測定対象物１の位置を決定し、測定対象物位置信号を出力する。さらに、測定対象物速度決定手段１２は、測定対象物位置決定手段１１による測定対象物位置信号から測定対象物の速度を計算し、測定対象物速度信号を出力する。
【００４２】
測定対象物マップ作成手段１３は、測定対象物位置決定手段１１による測定対象物位置と測定対象物速度決定手段１２による測定対象物速度信号から測定井範囲内に存在する測定対象物のマップを作成し、測定対象物マップ信号を出力する。
全体位置マップ測定手段１４は、測定対象物マップ作成手段１３による測定対象物マップ信号を入力として、測定範囲内に存在する測定対象物のマップから位置測定装置が存在する部屋全体のマップを作成する。
【００４３】
次に、本実施例の動作について説明する。まず、超音波の送信波、受信波、直接波について従来例の図９，図１０を用いて説明する。図１０は、超音波の送信波、受信波、反射波のタイムチャートを示した図である。だだし、縦軸として超音波の振幅Ａ１，Ａ２、横軸として時間ｔとした。
【００４４】
図１０に示すように、一般に約４０ｋＨｚの超音波領域に属する超音波を測定対象物に対して送信信号送信センサ１７から発信される。測定対象物から反射した超音波の反射波は、受信波が発信されてから時間差Δｔに超音波受信センサ１８で受信される。また、超音波送信センサ１７と超音波受信センサ１８は同じ距離測定装置に設定されているので、送信波が距離測定装置のボディ、プリント基板を介して時間Δｔ１の直接波となって超音波受信センサ１８に伝搬する。
【００４５】
まず、超音波測定装置による距離測定の原理について説明する。超音波送信センサ１７から測定対象物までの距離をＬ１、測定対象物から超音波受信センサ１８までの距離をＬ２とすると、
Δｔ＝（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｖ
と計算することができる。だだし、Ｖは音波の速度であり、
Ｖ≒約３４０００（ｃｍ／ｓｅｃ）
となる。
【００４６】
超音波送信センサ１７と超音波受信センサ１８の設定位置が同じ場所であるとすると、
Ｌ＝Ｌ１＝Ｌ２
となるから、上式は
Ｌ（ｃｍ）＝Δｔ（ｍｓｅｃ）・１７（ｃｍ／ｍｓｅｃ）　　　　　　　（１）
と変形することができ、式（１）に測定した時間差Δｔを代入することにより位置測定装置と測定対象物の距離Ｌを求めることができる。
【００４７】
次に、測定対象物領域測定手段１０の動作を図２で説明する。図２は、超音波を発生する第一のセンサ手段４と第二のセンサ手段５で測定できる測定範囲を示した図である。また、同時に、第一のホーン手段２、第二のホーン手段３も示した。
【００４８】
図２に示すように、第一のホーン手段２により超音波で距離を測定できる範囲、第一の領域を決定することができる。同様に、第二のホーン手段３により超音波で距離を測定できる範囲、第二の範囲を決定することができる。故に、図２の上図に示す位置に測定対象物１が存在している場合、第一のセンサ手段４でのみ測定対象物１までの距離を測定でき、第二のセンサ手段５で測定対象物１の距離を測定することができない。
【００４９】
また、図２の中図に示す位置に測定対象物１が存在している場合、第一のセンサ手段４で測定対象物１までの距離を測定することが出来るし、第二のセンサ手段５でも測定対象物１までの距離を測定することが出来る。
【００５０】
さらに、図２の下図に示す位置に測定対象物１が存在している場合、第一のセンサ手段４で測定対象物１までの距離を測定することができないが、第二のセンサ手段５で測定対象物１までの距離を測定することができる。故に、上記で説明した様に、測定対象物１の位置を測定できるセンサ手段を知ることにより測定対象物１が存在する領域を決定することができる。測定対象物領域測定手段１０は、上記で述べたように第一のセンサ手段４の第一のセンサ信号と第二のセンサ手段５の第二のセンサ信号から測定対象物１が存在する領域を決定する。
【００５１】
上記測定対象物領域測定手段１０の動作によると、測定対象物１による超音波の受信波を受信したセンサ手段を特定することにより、測定対象物１の存在領域を知ることができる。
【００５２】
次に、第一のセンサ手段４、第二のセンサ手段６の動作について図３で説明する。図３は、第一のセンサ手段４、第二のセンサ手段の送信波、受信波を、横軸時間ｔ、縦軸信号の振幅Ａ１、Ａ２として、示した図である。
【００５３】
図３に示すように、第一のセンサ手段４による送信波の出力、受信波の入力が終了した後、第二のセンサ手段５による送信波の出力をすることにより、送信波間の相互干渉を防止することできる。故に、上記送信波出力タイミングをずらすことにより、誤検知なく、測定対象物１が存在する領域を決定することが出来る。
【００５４】
次に、第一のセンサ出力手段６、第二のセンサ出力手段９の動作について説明する。
【００５５】
第一のセンサ出力手段６による第一のセンサ手段４の送信波出力を変えることにより、第一のセンサ手段４の測定範囲を変更することができる。故に、第一の距離測定手段７で測定対象物１の距離を測定できる第一のセンサ出力の範囲を知ることにより、測定対象物１の存在範囲を限定することができる。
【００５６】
次に、測定対象物位置決定手段１１の動作について図４で説明する。図４は、測定対象物１の存在領域と測定対象物の距離ｒ１を示した図である。距離ｒ１の円に示すように測定対象物１の距離だけでは測定対象物１の位置を決定することができない。
【００５７】
しかし、図４に示すように、測定対象物領域測定手段１０による測定対象物が存在する領域を知ることにより、測定対象物１の位置を決めることができる。上記測定対象物位置決定手段１１の動作によると、測定対象物領域測定手段１０による測定対象物の存在領域と第一の距離測定手段７による第一の測定距離信号、第二の距離測定手段８による第二の測定距離信号を用いることにより、測定対象物１の位置を決定することができる。
【００５８】
また、図５に示すように、測定対象物１が複数個存在する場合でも、対応する測定対象物１の存在領域と距離測定手段による距離信号を知ることにより、測定対象物１の位置を決定することができる。
【００５９】
次に、測定対象物速度決定手段１２の動作について図６で説明する。図６は、測定対象物１の時間ｔの位置（ｘ０，ｙ０）、時間ｔ＋Δｔの位置（ｘ１，ｙ１）を同時に示したものである。
【００６０】
図６に示すように、時間ｔ、ｔ＋Δｔの時の測定対象物の位置を知ることにより、ｘ方向の速度Ｖｘ、ｙ方向の速度Ｖｙを以下の式で計算することができる。
Ｖｘ＝（ｘ１−ｘ０）／Δｔ
Ｖｙ＝（ｙ１−ｙ０）／Δｔ
測定対象物速度決定手段１２の動作によると、測定対象物位置決定手段１１による測定対象物１の位置から、測定対象物１の速度を測定することができる。
【００６１】
次に、測定対象物マップ作成手段１３の動作について図７で説明する。図７は位置測定装置の周囲の測定対象物の位置と速度を示した図である。四角形は位置測定装置、円は複数の測定対象物の位置を示している。だだし、同時に測定対象物の速度ベクトル（Ｖｘ、Ｖｙ）も同時に示した。
【００６２】
図７に示すように、測定対象物位置決定手段１１による測定対象物の位置と測定対象物速度決定手段１２による測定対象物の速度から位置測定装置の周囲の測定対象物１の位置、速度の２次元情報を得ることができる。よって、図７に示すセンサ手段の範囲内に存在する測定対象物のマップを作成することができる。
【００６３】
次に、全体位置マップ作成手段１４の動作について図８で説明する。図８は位置測定装置が存在する部屋全体の測定対象物の位置と速度を示した図である。四角形は位置測定装置、円は複数の測定対象物の位置を示している。だだし、同時に測定対象物の速度ベクトル（Ｖｘ、Ｖｙ）も同時に示した。
【００６４】
図８に示すように、位置測定装置を動かすことにより得られる測定対象物マップ作成手段１３による位置測定装置の複数回数の周囲のマップを使用することにより、部屋全体の測定対象物１の位置と速度を決定することができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように、請求項１から１２に記載の発明によれば、受信波が入力されたセンサ手段を特定することにより、測定対象物が特定されたセンサ手段の測定可能範囲内に居ることがわかるので、測定対象物の存在領域を決定することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における位置測定装置の構成を示す図
【図２】（ａ）同、第一の領域の測定対象物を測定する場合を示す図
（ｂ）同、第二の領域の測定対象物を測定する場合を示す図
（ｃ）同、第三の領域の測定対象物を測定する場合を示す図
【図３】（ａ）同、位置測定装置における第一のセンサ手段の動作を示す図
（ｂ）同、位置測定装置における第二のセンサ手段の動作を示す図
【図４】同、位置測定装置における測定対象物の位置決定方法を示す図
【図５】同、位置測定装置における測定対象物位置決定手段の動作を示す図
【図６】同、位置測定装置における測定対象物速度決定手段の動作を示す図
【図７】同、位置測定装置における測定対象物マップ作成手段の動作を示す図
【図８】同、位置測定装置における全体位置マップ測定手段の動作を示す図
【図９】従来技術の構成を示す図
【図１０】従来技術の距離測定手段の動作を示す図
【符号の説明】
１　測定対象物
２　第一のホーン手段
３　第二のホーン手段
４　第一のセンサ手段
５　第二のセンサ手段
６　第一のセンサ出力決定手段
７　第一の距離測定手段
８　第二の距離測定手段
９　第二のセンサ出力決定手段
１０　測定対象物領域測定手段
１１　測定対象物位置決定手段
１２　測定対象物速度決定手段
１３　測定対象物マップ作成手段
１４　全体位置マップ測定手段
１５　距離測定開始手段
１６　送信信号出力手段
１７　超音波送信センサ
１８　超音波受信センサ
１９　距離測定手段
【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】
2004138481.tif 000007
【図６】
2004138481.tif 000008
【図７】
2004138481.tif 000009
【図８】
2004138481.tif 000010
【図９】
2004138481.tif 000011
【図１０】
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