(57)【要約】【課題】超音波の特性上、領域内に配置される構造物からの反射波が避けられないため、この反射波を検出してしまうことで、位置検出に誤差を生じるという課題を有していた。【課題手段】監視領域内の既知の位置に予め配置され、光信号及び超音波信号を受信する少なくとも１つ以上の受信部１０７−１〜ｎと、前記監視領域の形状及び前記受信部１０７−１〜ｎの配置位置を含む地図情報が記憶されている地図記憶部１１０と、前記光信号が予め定めた閾値以上である場合に、前記超音波信号が直接波であると判断し、前記光信号と前記超音波信号との受信時間差及び前記地図情報を用いて、前記光信号及び前記超音波信号の送信位置の位置情報を算出する位置検出部１０９とを有し、超音波信号の直接波のみを用いて位置計測を行う。【選択図】  図１
2005010011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
監視領域内の既知の位置に予め配置され、光信号及び超音波信号を受信する少なくとも１つ以上の受信部と、前記監視領域の形状及び前記受信部の配置位置を含む地図情報が記憶されている地図記憶部と、前記光信号が予め定めた閾値以上である場合に、前記超音波信号が直接波であると判断し、前記光信号と前記超音波信号との受信時間差及び前記地図情報を用いて、前記光信号及び前記超音波信号の送信位置の位置情報を算出する位置検出部とを有する位置計測装置。
【請求項２】
光信号の受信を示す光信号確認信号と算出した位置情報とを送信する無線送受信部を更に含む請求項１記載の位置計測装置。
【請求項３】
光信号を出力する光源部と、超音波を出力する超音波発振部と、前記光信号と前記超音波の出力を要求する移動ロボット制御部とを含む移動ロボット。
【請求項４】
自己の位置計測を要求する信号である位置計測要求信号を送信し、計測された位置情報を受信する無線送受信部を更に含む請求項３記載の移動ロボット。
【請求項５】
請求項１又は２記載の位置計測装置と、請求項３又は４記載の移動ロボットとを含む位置計測システム。
【請求項６】
監視領域内の既知の位置に予め配置された受信部が光信号及び超音波信号を受信する第１の工程と、前記光信号が予め定めた閾値以上である場合に、前記超音波信号が直接波であると判断する第２の工程と、前記光信号と前記超音波信号との受信時間差並びに前記監視領域の形状及び前記受信部の配置位置を含む地図情報を用いて、前記光信号及び前記超音波信号の送信位置の位置情報を算出する第３の工程とを有する位置計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、監視領域内を移動する物体の位置を計測する位置計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、移動機能を有する作業ロボットの機能が高まり、移動ロボットを利用した多くのシステムが開発されている。ロボットの移動を制御及び管理するためには、作業領域内を移動するロボットの位置把握が不可欠である。ロボットの位置把握技術には、自身の移動台車の車輪回転量でロボット自身が移動量を把握し、自身の初期位置と移動量とを用いて逐次の自己位置を把握する方法、ロボットと周囲環境の固定な目印との位置関係を、超音波及び光を媒体としたロボットと周囲環境との間でのセンシング技術で把握し、ロボット位置を特定する手法がある。本発明は後者の手法に関わる。
【０００３】
従来の技術を、図５を用いて解説する。移動ロボット４０１は、監視領域を移動するものであり、タイミングパルス送信部４０２は、位置検出の基準時間となるタイミングパルスを発信するものであり、タイミングパルス受信部４０６−１〜２は、タイミングパルスを受信し、超音波の送信を促すものであり、超音波送信部４０３−１〜２は、監視領域に固定設置された複数の周波数の異なる超音波を、タイミングパルスの受信後に出力するものである。
【０００４】
また、超音波受信部４０４は、複数の周波数の超音波を受信し、周波数分離するものであり、位置検出部４０５は、超音波の周波数から超音波送信部を認識し、タイミングパルスの送信時間と超音波の受信時間とから監視領域内の位置を検出するものである。
【０００５】
なお、移動ロボット４０１は、タイミングパルス送信部４０２、超音波受信部４０４及び位置検出部４０５を含む構成である。
（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−３５５３５号公報（第３頁、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構成では、超音波の特性上、領域内に配置される構造物からの反射波が避けられないため、この反射波を検出してしまうことで、位置検出に誤差を生じるという課題を有していた。
【０００８】
また、ソフトウェア的に反射波からの情報を特定しようとすると、直接波、反射波による検出値の混在する複数の受信器から得られた距離情報の内から、複数の距離情報の組み合わせを準備し、各距離情報の組み合わせと受信器間の位置情報や移動領域の形状情報と合わせて検出した組み合わせの数だけの位置情報の間で、一致度合いを判断基準として一致度の低い組み合わせの中から反射波受信による情報を特定するというような方法が考えられるが、処理量が多く実現が困難なだけでなく、検出された反射波の数が直接波の数よりも多い場合は、反射波の除去が確実に行われないままロボット位置の誤検出を招いてしまうという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、従来の課題を解決するものであり、反射超音波による位置検出のための外乱情報を、軽微な装置構成と計算処理を伴わない方法で排除することで、位置検出誤りを軽減し、検出精度を向上させた位置計測装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の位置計測装置は、監視領域内の既知の位置に予め配置され、光信号及び超音波信号を受信する少なくとも１つ以上の受信部と、前記監視領域の形状及び前記受信部の配置位置を含む地図情報が記憶されている地図記憶部と、前記光信号が予め定めた閾値以上である場合に、前記超音波信号が直接波であると判断し、前記光信号と前記超音波信号との受信時間差及び前記地図情報を用いて、前記光信号及び前記超音波信号の送信位置の位置情報を算出する位置検出部とを有し、超音波信号の直接波のみを用いて位置計測を行う。
【００１１】
本構成によって、超音波の反射波による影響を抑制した位置計測を行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明では、監視領域内の既知の位置に予め配置され、光信号及び超音波信号を受信する少なくとも１つ以上の受信部と、前記監視領域の形状及び前記受信部の配置位置を含む地図情報が記憶されている地図記憶部と、前記光信号が予め定めた閾値以上である場合に、前記超音波信号が直接波であると判断し、前記光信号と前記超音波信号との受信時間差及び前記地図情報を用いて、前記光信号及び前記超音波信号の送信位置の位置情報を算出する位置検出部とを有する位置計測装置としたものであり、超音波信号の直接波のみを用いて位置計測を行うため、超音波の反射波による影響を抑制した位置計測を行うことができるという作用を有する。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の発明では、光信号の受信を示す光信号確認信号と算出した位置情報とを送信する無線送受信部を更に含む請求項１記載の位置計測装置としたものであり、光信号及び超音波信号の送信元と計測した位置情報を共有することができるという作用を有する。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の発明では、光信号を出力する光源部と、超音波を出力する超音波発振部と、前記光信号と前記超音波の出力を要求する移動ロボット制御部とを含む移動ロボットとしたものであり、光信号により超音波の送信経路を確認し、超音波信号の直接波を送信することができるという作用を有する。
【００１５】
本発明の請求項４に記載の発明では、自己の位置計測を要求する信号である位置計測要求信号を送信し、計測された位置情報を受信する無線送受信部を更に含む請求項３記載の移動ロボットとしたものであり、自己の位置を認識することができるという作用を有する。
【００１６】
本発明の請求項５に記載の発明では、請求項１又は２記載の位置計測装置と、請求項３又は４記載の移動ロボットとを含む位置計測システムとしたものであり、超音波の直接波のみから移動ロボットの位置を計測するこができるという作用を有する。
【００１７】
本発明の請求項６に記載の発明では、監視領域内の既知の位置に予め配置された受信部が光信号及び超音波信号を受信する第１の工程と、前記光信号が予め定めた閾値以上である場合に、前記超音波信号が直接波であると判断する第２の工程と、前記光信号と前記超音波信号との受信時間差並びに前記監視領域の形状及び前記受信部の配置位置を含む地図情報を用いて、前記光信号及び前記超音波信号の送信位置の位置情報を算出する第３の工程とを有する位置計測方法としたものであり、超音波信号の直接波のみを用いて位置計測を行うため、超音波の反射波による影響を抑制した位置計測を行うことができるという作用を有する。
【００１８】
以下、本発明に記載の発明について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明第１の実施の形態による位置計測装置の構成を示す図である。
【００２０】
移動ロボット１０１は、監視領域内を移動するものであり、位置計測装置１０２は、移動ロボット１０１の監視領域内の位置を計測するものであり、光源部１０４は、移動ロボット１０１と位置計測装置１０２との間に遮蔽物の有無を判断するための光信号を出力するものであり、超音波発振部１０５は、超音波を出力するものである。
【００２１】
また、移動ロボット制御部１０３は、自己の位置計測を要求する信号である位置計測要求信号を出力し、光源部１０４と超音波発振部１０５とに光信号と超音波の出力を要求するものであり、移動ロボット用無線送受信部１０６は、位置計測要求信号を送信し、位置計測装置１０２が計測した移動ロボット１０１の位置情報を受信するものである。
【００２２】
また、受信部１０７−１〜ｎ（ｎは自然数）は、監視領域内の既知の場所に予め配置され、光信号及び超音波を受信するものであり、発振部１１１は、移動ロボット１０１の位置計測の基準となる連続パルス信号出力するものであり、位置検出部１０９は、受信部１０７−１〜ｎをリセットし、光信号と超音波信号の受信時間の差から移動ロボット１０１との距離を算出するものである。
【００２３】
また、地図記憶部１１０は、監視領域の形状と受信部１０７−１〜ｎの配置位置とを含む地図情報が予め記憶されているものであり、無線送受信部１０８は、移動ロボット１０１から位置計測要求信号を受信し、光信号の受信を示す光信号確認信号と、算出した移動ロボット１０１の位置情報とを送信するものである。
【００２４】
移動ロボット１０１は、移動ロボット制御部１０３、光源部１０４、超音波発振部１０５及び移動ロボット用無線送受信部１０６を含む構成であり、位置計測装置１０２は、受信部１０７−１〜ｎ、発振部１１１、位置検出部１０９、地図記憶部１１０及び無線送受信部１０８を含む構成である。
【００２５】
まず、移動ロボット１０１の動作について、図２を用いて説明する。
【００２６】
まず、Ｓ２０１にて、監視領域内を移動する移動ロボット１０１は、自己の進行方法を決定するために、移動ロボット制御部１０３が、自己の位置の計測を要求する位置計測要求信号を出力し、光信号及び超音波信号を出力する送信要求信号を、移動ロボット用無線送受信部１０６、光源部１０４及び超音波発振部１０５に出力する。
【００２７】
次に、Ｓ２０２にて、移動ロボット用無線送受信部１０６が、位置計測要求信号を位置計測装置１０２に送信し、光源部１０４が、光信号を出力し、超音波発振部１０５が、超音波信号を出力する。
【００２８】
次に、Ｓ２０３にて、移動ロボット用送受信部が、位置計測装置１０２から送信される光信号の受信確認を示した光信号確認信号を受信した場合は、Ｓ２０４に移行し、位置計測装置１０２から送信される移動ロボット１０１の位置の変更を要請する位置変更要請信号を受信した場合は、Ｓ２０６に移行する。
【００２９】
次に、Ｓ２０４にて、移動ロボット用無線送受信部１０６が、位置計測装置１０２が算出した移動ロボット１０１の位置情報である位置情報信号を受信し、移動ロボット制御部１０３に出力する。
【００３０】
次に、Ｓ２０５にて、移動ロボット制御部１０３が、位置情報信号から自己の現在位置を認識する。
【００３１】
次に、Ｓ２０６にて、移動ロボット制御部１０３が、移動ロボット１０１の位置を変更し、再度、Ｓ２０２に移行する。
【００３２】
次に、位置計測装置１０２の動作について説明する。
【００３３】
まず、無線送受信部１０８が、移動ロボット１０１からの位置計測要求信号を受信する。
【００３４】
次に、受信部１０７−１〜ｎが、光信号を受信した場合は、受信部１０７−１〜ｎに含まれる時間計測カウンタを始動する。なお、光信号を受信するまでは、時間計測カウンタの値は０である。
【００３５】
また、位置検出部１０９は、無線送受信部１０８が位置計測要求信号を受信し、受信部１０７−１〜ｎが光信号を受信した場合は、遮蔽物が存在しないことを示した光信号確認信号を無線送受信部１０８から移動ロボット１０１に送信し、無線送受信部１０８が位置計測要求信号を受信したが、受信部１０７−１〜ｎが光信号を受信しない場合は、遮蔽物が存在することを示した位置変更要請信号を無線送受信部１０８から移動ロボット１０１に送信する。
【００３６】
位置測定装置が、光信号確認信号を移動ロボット１０１に返信することにより、移動ロボット１０１は、移動ロボット１０１と位置計測装置１０２との間の遮蔽物の有無を認識することが可能となり、自己位置の変更を行い、遮蔽物を回避することができる。
【００３７】
ここで、一般に光信号は超音波に比較して、外壁等の監視領域内の構造物に対する反射率が圧倒的に低く、構造物からの拡散による信号強度の減衰も激しいという特性を持つことから、移動ロボット１０１の光源部１０４と位置計測装置１０２の受信部１０７−１〜ｎの間に障害物が存在した場合、光信号の直接波を受信する可能性は、超音波の直接波を受信する可能性に比べて格段に小さくなり、また、到達したとしても光信号強度は直接光受信強度よりも極端に小さくなる。
【００３８】
このため、受信部１０７−１〜ｎが光信号を受信した場合は、超音波の直接波を受信する可能性が高いと考えられる。
【００３９】
次に、受信部１０７−１〜ｎが、超音波を受信した場合は、時間計測カウンタを停止する。
【００４０】
次に、位置検出部１０９が、時間計測カウンタの値に、連続パルス信号のパルス間隔と音速とを乗ずることで移動ロボット１０１から受信部１０７−１〜ｎまでの距離情報を算出する。
【００４１】
なお、受信部１０７−１〜ｎは、受信可能な光強度の閾値を有限の移動距離範囲での直接受信強度程度に設定しておくことで、反射光の信号入力を排除できる。
【００４２】
さらに、光源部１０４を点光源とすることで、点光源の光強度分布の指向性は超音波発振器のそれよりも小さいということから、反射光を除外するために、均一の閾値処理を全方位に対して実施しても、方位依存性は少なく、同等な効果を得ることができる。
【００４３】
即ち、特定強度以上の光信号が直接受光できた移動ロボット１０１と受信部の間では、超音波の直接波の通路が確保されており、超音波の反射波を排除することが容易にできる。
【００４４】
次に、位置検出部１０９が、複数の受信部から得られた距離情報と、地図記憶手段より読み出した予め記憶された各受信部１０７−１〜ｎの位置情報と、移動領域の形状情報とを合わせて、三角測量法を用いることにより、移動ロボット１０１の位置を検出することができる。
【００４５】
次に、無線送受信部１０８が、検出した移動ロボット１０１の位置情報を一般的な無線プロトコルによって、移動ロボット１０１に伝達する。
【００４６】
また、無線通信を用いることで、位置計測装置１０２からの位置検出要求を移動ロボット１０１に通知することで、位置計測装置１０２を起点とする位置検出も容易に実現できる。
【００４７】
次に、図３に受信部１０７の構成を示す。
【００４８】
受信部１０７は、近接した位置に光センサ２０１と超音波受信部２０２を持つことを特徴とする。
【００４９】
光センサ２０１は、移動ロボット１０１が送信した光信号を受信するものであり、超音波受信部２０２は、移動ロボット１０１が送信した超音波信号を受信するものであり、閾値処理部２０３は、光センサ２０１が受信した光信号の信号強度を閾値処理することで、２値信号を出力するものである。
【００５０】
また、ゲート回路部２０５は、全ての受信部１０７−１〜ｎに共通の発振器から出力される連続パルス信号が入力され、２値信号の立ち上がりエッジによりゲートをオープンすることで、連続パルス信号を出力し、超音波信号の立ち上がりエッジによりゲートをクローズするものであり、カウンタ部２０６は、ゲート回路部２０５が入力された連続パルス信号により、カウントを行い、位置検出部１０９から入力されるリセット信号によりカウンタ値をクリアするものである。
【００５１】
また、遅延部２０４は、カウントのストップが確立するために、超音波信号の立ち上がりエッジを十分に遅延させるものであり、カウントメモリ部は、遅延した超音波信号の立ち上がりエッジによりカウンタ部２０６から入力されたカウント値を記憶し、位置検出部１０９から入力されるリセット信号によりカウンタ値をクリアするものである。
【００５２】
次に、本発明の位置検出処理の進行手順を図４に示す。
【００５３】
まず、Ｓ３０１にて、無線送受信部１０８が、移動ロボット１０１から送信された位置計測要求信号を受信する。
【００５４】
次に、Ｓ３０２にて、光センサ２０１が、移動ロボット１０１から送信された光信号を受信した場合は、Ｓ３０３に移行し、光信号を受信しない場合は、Ｓ３１１に移行する。
【００５５】
次に、Ｓ３０３にて、位置検出部１０９が、光信号及び位置計測要求信号の受信を確認した後に、光信号確認信号を無線送受信部１０８から出力する。
【００５６】
次に、Ｓ３０４にて、カウンタ部２０６が、時間計測のためのカウンタのカウントが開始される。
【００５７】
次に、Ｓ３０５にて、超音波受信部２０２が、移動ロボット１０１から送信された超音波信号を受信する。
【００５８】
次に、Ｓ３０６にて、カウンタ部２０６が、時間計測カウンタを停止し、カウンタメモリ部２０７が、カウンタ値を記憶し、位置検出部１０９に出力する。
【００５９】
次に、Ｓ３０７にて、位置検出部１０９が、カウンタ値に、パルス間隔と音速とを乗ずることで移動ロボット１０１から受信部１０７−１〜ｎまでの距離情報を算出する。
【００６０】
次に、Ｓ３０８にて、位置検出部１０９が、移動ロボット１０１の位置検出のための距離情報が充分であるかを判断する。
【００６１】
次に、Ｓ３０９にて、位置検出部１０９が、移動ロボット１０１と受信部１０７−１〜ｎの距離と地図情報記憶部に予め記憶した受信部１０７−１〜ｎの位置情報と移動領域の形状情報とから、移動ロボット１０１の位置を検出する。
【００６２】
次に、Ｓ３１０にて、無線送受信部１０８が、算出した移動ロボット１０１の位置情報を移動ロボット１０１に送信する。
【００６３】
次に、Ｓ３１１にて、位置検出部１０９が、位置計測要求信号の受信を確認し、光信号が受信されない場合に、位置変更要請信号を無線送受信部１０８から出力する。
【００６４】
かかる構成によれば、光信号と超音波信号とを併用することで、超音波信号の直接波のみを用いて位置計測を行うことで、監視領域の複雑化に伴って増大する反射超音波信号によるロボット位置の誤検出を防止することができる。
【００６５】
なお、光源部１０４を熱源部とし、光センサ２０１を熱センサとしても、同様の効果を得ることができる。
【００６６】
なお、本実施の形態では、単体の移動ロボットを用いた位置計測システムについて説明したが、複数の移動ロボットを用いた位置計測システムについても、超音波の周波数を移動ロボット毎に変更することで、同様の効果を得ることができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上に記載の通り、本発明の位置計測装置及び移動ロボットによれば、超音波の直接波のみをを用いて位置検出処理を実施することで、移動ロボットの位置検出誤りを減らし、位置精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による位置計測装置の構成を示す斜視図
【図２】本発明の第１の実施の形態による移動ロボットの動作を示すフローチャート
【図３】本発明の第１の実施の形態による位置検出手段の構成を示す図
【図４】本発明の第１の実施の形態による位置検出処理の流れを示すフローチャート
【図５】従来の位置計測装置の構成を示す図
【符号の説明】
１０１  移動ロボット
１０２  位置計測装置
１０３  移動ロボット制御部
１０４  光源部
１０５  超音波発振部
１０６  移動ロボット用無線送受信部
１０７−１〜ｎ  受信部
１０８  無線送受信部
１０９  位置検出部
１１０  地図記憶部
１１１  発振部
２０１  光センサ
２０２  超音波受信部
２０３  閾値処理部
２０４  遅延部
２０５  ゲート回路部
２０６  カウンタ部
２０７  カウンタメモリ部
【図１】
2005010011.tif 000003
【図２】
2005010011.tif 000004
【図３】
2005010011.tif 000005
【図４】
2005010011.tif 000006
【図５】
2005010011.tif 000007