(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前方へ向けられたバンパーの形態で、少なくとも一つの発信部、一つの受信部及び一つの機械的センサ部を有する近接センシングシステムを形成するマイクロプロセッサシステムによる当該装置の方向決定及びガイドを行うための構成部分と、特定の掃除機能を実行するためのモータ駆動車輪（１７、１８）とを有する自律型の装置のための近接センシングシステムにおいて、
前記発信部は、前記装置の前部周囲表面に配置された細長形状の超音波トランスデューサー（１０）であり、前記装置の前方の幅広い範囲内において鉛直方向に狭く分布する超音波を発信する
ことを特徴とする近接センシングシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の近接センシングシステムにおいて、前記発信部は、少なくとも３つの超音波マイクロホンユニットを有する前記受信部とともに、前記装置の周囲表面に取り付けられた半円形の静電容量型フィルムトランスデューサーである
ことを特徴とする近接センシングシステム。
【請求項３】
請求項２に記載の近接センシングシステムにおいて、
前記発信部は、細長形状の上部超音波トランスデューサーと、細長形状の下部超音波トランスデューサーとの２つの部分に分割されており、
前記受信部は、前記発信部の２つの部分の間に配置されている
ことを特徴とする近接センシングシステム。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の近接センシングシステムにおいて、
前記発信部は、発信及び受信される信号の鉛直方向分布をさらに制限するために、前記装置の前部に、前記発信部の表面が前記装置の前部の表面より出ないように取り付けられている
ことを特徴とする近接センシングシステム。
【請求項５】
請求項１又は請求項３に記載の近接センシングシステムにおいて、
前記受信部は、複数のマイクロホンユニット（１２）を有し、
前記マイクロホンユニットは、各々の前記マイクロホンユニットの指向性パターンをさらに向上するための音響用の中空管（１２ａ，１２ｂ）を有する
ことを特徴とする近接センシングシステム。
【請求項６】
請求項５に記載の近接センシングシステムにおいて、
前記中空管（１２ａ、１２ｂ）は、鉛直面内の指向性を向上するために、互いに鉛直方向に配列されている
ことを特徴とする近接センシングセンサ。
【請求項７】
請求項５に記載の近接センシングシステムにおいて、
他の一つのマイクロホンユニット（１２）が、壁のトラッキング動作に使用するために、前記装置の一方の側面の方へ向けられている
ことを特徴とする近接センシングシステム。
【請求項８】
請求項２又は請求項３に記載の近接センシングシステムにおいて、
前記発信部は、短い間隔でパルスを連続して発信することを繰り返し行い、
発信された前記パルスのエコーは、前記受信システムにより、一定の反射距離からの一つのサンプリングされた反射に統合される
ことを特徴とする近接センシングシステム。
【請求項９】
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の近接センシングシステムにおいて、
前記機械センサ部（１６）は、前記装置の移動経路において前記装置が障害物と接触した場合に、少なくとも一つの接触センサを作動させる
ことを特徴とする近接センシングシステム。
【請求項１０】
前方へ向けられたバンパーの形態で、少なくとも一つの発信部、一つの受信部及び一つの機械的センサ部を有する近接センシングシステム及びマイクロプロセッサシステムによる当該装置の近接方向決定及びガイドを行うための構成部分と、特定の掃除機能を実行するためのモータ駆動車輪（１７、１８）とを有する自律型の装置のナビゲーション装置において、
前記発信部は、前記装置の前部に配置された細長形状の超音波トランスデューサー（１０）であり、前記装置の前方の幅広い範囲内において鉛直方向に狭く分布する超音波を発信する
ことを特徴とするナビゲーション装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載のナビゲーション装置において、
前記発信部は、少なくとも３つの超音波マイクロホンユニットを有する前記受信部とともに、前記装置の周囲表面に取り付けられた半円形の静電容量型フィルムトランスデューサーである
ことを特徴とするナビゲーション装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のナビゲーション装置において、
前記発信部は、細長形状の上部超音波トランスデューサーと、細長形状の下部超音波トランスデューサーとの２つの部分に分割されており、
前記受信部は、前記発信部の２つの部分の間に配置されている
ことを特徴とするナビゲーション装置。
【請求項１３】
請求項１１又は請求項１２に記載のナビゲーション装置において、
前記発信部は、発信及び受信される信号の鉛直方向分布をさらに制限するために、前記装置の前部に、前記発信部の表面が前記装置の前部の表面より出ないように取り付けられている
ことを特徴とするナビゲーション装置。
【請求項１４】
請求項１０又は請求項１２に記載のナビゲーション装置において、
前記受信部は、複数のマイクロホンユニット（１２）を有し、
前記マイクロホンユニットは、各々の前記マイクロホンユニットの指向性パターンをさらに向上するための音響用の中空管（１２ａ、１２ｂ）を有する
ことを特徴とするナビゲーション装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載のナビゲーション装置において、前記中空管（１２ａ、１２ｂ）は、鉛直面内の指向性を向上するために、互いに鉛直方向に配列されている
ことを特徴とするナビゲーション装置。
【請求項１６】
請求項１４に記載のナビゲーション装置において、
他の一つのマイクロホンユニット（１２）が、壁のトラッキング動作に使用するために、前記装置の一方の側面の方へ向けられている
ことを特徴とするナビゲーション装置。
【請求項１７】
請求項１１又は請求項１２に記載のナビゲーション装置において、
前記発信部は、短い間隔でパルスを連続して発信することを繰り返し行い、
発信された前記パルスのエコーは、前記受信システムにより、一定の反射距離からの一つのサンプリングされた反射に統合される
ことを特徴とするナビゲーション装置。
【請求項１８】
請求項１０から請求項１６までのいずれか１項に記載のナビゲーション装置において、
前記機械センサ部（１６）は、前記装置の移動経路において前記装置が障害物と接触した場合に、少なくとも一つの接触センサを作動させる
ことを特徴とするナビゲーション装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、自己方向決定装置、特に（真空）掃除機に関し、より正確には、自律型装置の移動経路中に存在する障害物を有効に検出する超音波ソナー・システムにより隣接環境の中で方向を決定するシステムと装置とに関するものである。
発明の背景
長い間、船舶のレーダなどに類似した、水平方向をスイープするセンシングシステムにより制御される、特に掃除機のような、床面を取り扱う自律型装置などに対する要請があった。
その要望とは、たとえば、あらかじめ決められたパターン、または所定の戦略にしたがって掃除機能を実行でき、同時に室内にある障害物との衝突を回避し、さらに室内の壁との衝突も回避できるように、自律型装置が室内で自己の方向を自身で決定できるということである。
このようなシステムは、国際特許出願WO 95/26512に同一出願者により開示されており、本明細書に参照用として特に組み入れてある。
このWO 95/26512によるシステムは、まだかなり複雑で、最初の方向決定に多数の応答装置を余分に使用している。これらの応答装置は掃除されるべき室内のいくつかの場所に配置されており、かつこの応答装置は基準個所として用いられる。WO 95/26512によるシステムの他の特徴は、装置の上部に配置された超音波発信機を利用することである。この発信機は、室内に散在する応答器の位置特定と、近接センシングシステム(proximity sensing system)として可動装置の近くにあり得る障害物を検出することとの双方に使用される。開示された装置の一つの欠点は、帯域幅が制限されているために、死角領域を生じる可能性があることである。
従って、稼動する際に、あいている道を発見するためのより高い能力を示す自動研磨または掃除機の改善された装置を見出す要望がある。この改善装置は、簡単かつ廉価に製作でき、それによって顧客にアピールできる価格が呈示されるようにすべきである。
発明の要約
本発明によれは、自己方向決定装置、特に掃除機、のための近接センシングシステム及び装置が提供される。この近接センシングシステム及び装置は、安価に生産できる発信器システムを備える。発信器システムは、広いバンド幅、高い指向性を有する。このために、受信機の感度が高くなると同時に、非常に丈夫な装置が構成される。
本発明は、前方へ向けられたバンパーの形態で、少なくとも一つの発信部、一つの受信部及び一つの機械的センサ部を有する近接センシングシステムを有する近接超音波センシングシステム及びマイクロプロセッサシステムの形態による、当該装置の近接方向決定及びガイドを行うための構成部分と、特定の掃除機能を実行するためのモータ駆動車輪とを有する自律型の装置のための近接センシングシステム及び装置であって、
機械センサ部は、前記装置の移動経路において前記装置が障害物と接触した場合に、少なくとも一つの接触センサを作動させ、発信部は、装置の前部に配置された細長形状の超音波トランスデューサーであり、装置の前方の幅広い範囲内において鉛直方向に狭く分布する超音波を発信し、受信部は、複数のマイクロホンユニットを有し、マイクロホンユニットは、音響用の中空管を有し、装置の移動経路の前方にある障害物から反射される、装置から発信された超音波のエコーを受信する受信システムの入力部を形成するものを開示している。
本発明の他の目的と利点は従属クレームによって説明される。
図面の説明
本発明は、添付図面を参照することにより好ましい実施態様の形で記述されるものとする。
図１  本発明に取り入れた真空掃除ロボットを具体化した自律装置の平面図を示す；
図２  図１の装置の側面図を示す；
図３  図１の装置の側面図を示す；
図４  本発明に取り入れた実施態様を図解説明する図1による装置のハードウェア・ブロック図を示す；
図５  本発明のシステムに利用したソナートランスデューサーの指向性を図解したグラフを示す；
図６  ソナーシステム用の裸のマイクロフォンの指向性を図解したグラフを示す；
図７  本発明のソナーシステムに用いた中空管を備えるマイクロフォンの指向性を図解したグラフを示す；
図８  音響受信用の中空管を備えたマイクロフォンの垂直切断図である；
図９  細長形状のトランスデューサーの積層部分の図解である；
図１０  本発明システムの実施態様に用いるソナー発信器のブロック図を示す；
図１１  本発明システムの実施態様に用いるソナー受信器のブロック図を示す；
図１２  障害物が存在しないときの受信信号の例を示す；
図１３  障害物が５ｃｍと４５ｃｍの距離に存在する場合の受信信号の例を示す。
好ましい実施形態
一般的な特徴
図１は、自立型電気（真空）掃除機の実施形態を示す平面図である。図示された掃除機は、床の上を独力で移動し、部屋を掃除するものである。掃除機の前部には、超音波発信器が配置されている。発信器は、図２に示すように、細長い形状のトランスデューサー１０からなる。トランスデューサー１０は、幅が約２５ｍｍで、本装置の前部の周囲表面を１５０°のオーダーでカバーするだけの長さを有する。図２に示されるように、細長形状のトランスデューサーは、複数のマイクロホンユニット１２の上方に取り付けられている。マイクロホンユニット１２は、トランスデューサー１０とともに、本装置の方向を定めるための超音波ソナーシステムを構成する。トランスデューサーは、前方方向にある可動のバンパーユニット１６にその表面がバンパーユニットの表面よりも出ないように配置(countersinked)されている。バンパー１６は、左右のバンパー接触センサーを制御する。いずれのバンパー接触センサーも、バンパーが障害物と接触したときに作動する。図２及び図３より明らかなように、本装置は、２つの正反対の位置に配置された車輪１７、１８を有し、後方に第３の車輪を有する。車輪１７、１８は、ギアボックスを備えた別々のモータにより、それぞれ独立に駆動される。車輪１７、１８は、ギアボックスから出ている軸に直接取り付けられている。駆動車輪１７、１８により、本装置は、その対象中心の周りに回転することも可能である。車輪１７、１８に結合されたギアボックスからの軸の各々には、スリットディスクとＨＰスリットディスクエンコーダが取り付けられている。スリットディスクエンコーダからの方形信号は、本装置を制御するマイクロプロセッサに接続されている。第３の車輪１９は、本装置の後部を支持する。車輪１９は、垂直軸の周りを回転できるので、その向きは、車輪１７、１８の駆動状態により定まる。本装置は、バッテリー等を載せることにより、３つの車輪全てが常に床と接触するように、本装置の後ろ半分がやや重くなるようにバランスがとられている。このようなバランスをとっていることから、本装置は、フロアーカーペット等の縁を簡単に越えることができる。なお、バランスは、本装置内のチルトスイッチによっても検知されている。
上記と異なる実施形態では、細長形状のトランスデューサーは、上側部分と下側部分の２つの細長い形状のトランスデューサーに分割される。この場合には、複数のマイクロホンユニットは、上記ソナー発信器の２つの部分の間に配置される。
図４は、図１、２及び３に示した装置のハードウェアを示すブロック図である。ハードウェアは、基本的には、モトローラ社製のＭＣ６８３３２型データプロセッサの周りに構築されている。スリットディスクエンコーダからの信号は、ＭＣ６８３３２の時間処理ユニット（ＴＰＵ）に入力される。ＱＤＥＣモードで動作するプロセッサは、左右の車輪用のモータに、ドライバーを介して、１回転当たり２０００スリットの精度で位置情報を与える。車輪用のモータは、メインプロセッサ内の時間処理ユニットからのチャネルにより生成される５ｋＨｚのパルス幅変調信号により制御される。プロセッサは、２つの他のモータをも制御する。その一方のモータは、ブラシを回転させるためのものであり、他の一方のモータは、掃除機の一般的な機能として必要とされるバキュームを生成するファンを回転させるためのものである。ファン用のモータからの空気は、一般的な方法による冷却にも利用される。また、ファン用モータからのエアは、本装置の上部にある、ひだ状の出口より排気される。
プロセッサは、種々の異なるタイプのメモリに保存されたソフトウェアにより制御される。このようなメモリとしては、コンピュータ技術の当業者によく知られているＦＰＲＯＭ、ＲＡＭ及びＥＥＰＲＯＭ等がある。制御システムとの通信は、標準的なＲＳ−２３２インターフェイスで行われる。さらに、プロセッサは、独自のクロックシステムを有する。クロックシステムは、先行技術において、公知のものである。図４に示されたシステムは、さらに３つの接触スイッチ、Ｌ−バンパー、Ｒ−バンパー及びチルトスイッチを有する。また、図４のシステムは、ソナー位置検出システム用の発信器と受信機とを有する。ソナー位置検出システムは、本発明に係るシステムの一部分を構築するものであり、これについては、以下に詳細に説明する。
ソナー位置測定システム
図示した実施形態では、障害物検出サブシステムは、超音波ソナー及びバンパーからなる。ソナーは、本装置の移動経路上にある障害物を検出することに使用されるもので、最も近くにある障害物の位置を正確に求めるとともに、床の存在を検出するものである。本装置の周囲には、半円形の静電容量型フィルムトランスデューサーが、３つのマイクロホンとともに取り付けられている。このトランスデューサーは、障害物を検出するために設けられており、実質的に縦形状(vertical profile)を有している。床及び階段を検出するために、２つの駆動車輪の前に、２つの圧電性のビーバー(piezoelectric beeper)がマイクロホンとともに下向きに取り付けられている。バンパーは、各々の側面に接触スイッチを一つずつ有している。この接触スイッチは、検知されなかった障害物にぶつかった場合に、緊急に停止するために使用される。
トランスデューサーの物理的に細長い形状は、そのビームパターンを水平方向に広く、鉛直方向に狭く分布させる。図４には、４５度のトランスデューサーについての典型的なビームパターンが示されている。図において、ビームパターンは、前方高さ方向の角度が−１０°から＋１０°の著しく狭いパターンとなっている。分配された音響源を使用することは、デットゾーンを最小限とし、障害物が存在する近傍領域における検出を容易とする。指向性のない音響源を利用するということは、障害物の位置決定の一部を三角測量によらなければならないことを意味する。そして、三角測量を行うということは、全てのマイクロホンのチャンネルが同じレスポンスを有し、また、その位置と特定すべき物体における反射が、全方向において十分に等しくなければならないということを意味する。
利用できる変換器のタイプは、セルタイプ(Sell type)の片面静電型トランスデューサーである。このトランスデューサーは、静電力により動作する。図９は、セル型トランスデューサーの積層部を示すものである。このセル型トランスデューサーは、波形をした電気伝導性のあるバックプレーン３０を備える。バックプレーン３０は、一般に音響を透過させるものであり、例えばワイヤメッシュ(wire mesh)の形態を有する。波形状によりエアギャップ３２が調節され、また、エアギャップの調節により発信器の感度及び最大放射強度が調節される。他方の電極３４は、可動のフィルムからなる。このフィルムは、波形状のバックプレーンと接触しない方の面を金属により被覆されている。本実施形態において、細長形状のトランスデューサー１０は、まず、内側の基礎曲線構造の周りに波形状の銅フィルムを取り付け、そして、波形状の銅フィルムの上部(Top)に、細長形状の静電型トランスデューサーの可動部を形成する絶縁された平坦な導電性フィルムを取り付ける。したがって、導電性フィルムの絶縁部は、波形状の銅フィルムに面している。波形状銅フィルムは、適当なワッフルパターンを有する。なお、本実施形態の装置では、図９に示す一般的なセル型のものと反対の方向に透過することを意図している。トランスデューサーの前には、防護用ワイヤメッシュがさらに配置されている。この防護用ワイヤメッシュは、バンパー１６の周りの方形開口に沿って配置されており、１５０°のオーダーの前方の角度範囲を覆っている。このように、波形状のフィルムは、トランスデューサーの一方の電極となっており、絶縁された他方のフィルムは、他方の電極となっている。トランスデューサーは、非線形なものとすることができる。この場合には、交流信号がバイアス電圧なしで印加されると、その交流信号が整流される。セル型トランスデューサーについてのドキュメンテーションは、例えば、IEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency control, #1 Vol 42, Jan 1995にあり、その内容は、ここに引用することにより本明細書に導入したものとする。なお、利用したトランスデューサーについては、後にさらに詳述する。
ソナーシステムにおいて重要な他のものとしてマイクロホンがある。マイクロホンは、音響用に鉛直方向に並べられた２本の中空管構造の後方に取り付けられている。このようにするのは、指向性をマイクロホンにもたせるためである。図６は、ソナーシステムに適するマイクロホンの水平方向及び鉛直方向の指向性を示している。この図には、−１００°から＋１００°までの鉛直面内及び−１００°から＋１００°までの水平面内で生じた相対電圧がプロットされている。図６に示されるように、裸のマイクロホンは、ほぼ指向性がない。
鉛直方向に並べられた水平な中空の管（パイプ）又はチューブと、前述した鉛直方向分布が狭い発信器とを用いることにより、床からのエコーや、カーペットの鋭いエッジその他からのエコーを相当に抑制することができる。図７は、図６と同様の図であり、鉛直方向に並べられた２つの水平な中空管（パイプ又はチューブ）とともに用いられたマイクロホンの指向性を示している。図に見られるように、音響用の管を用いることにより、鉛直面内の指向性は大きく改善されている。これにより、床や本装置自身からのエコーが最強となる近傍領域における物の検出が非常に容易となる。
図８は、２つの中空音響管を有するマイクロホンユニット１２の断面図を示している。本実施形態では、２つの管１２ａ及び１２ｂは、直径が２．５ｍｍであり、中心間距離は、４．２５ｍｍである。マイクロホンユニットの全体の直径は、８ｍｍのオーダーであり、深さは、約１２ｍｍである。このことは、マイクロホン素子１２ｃは、マイクロホンユニット内に約６ｍｍ沈んでいることを意味する。
詳細な説明
モトローラのＭＣ６８３３２ＣＰＵは、発信器を作動させるために必要なパルス列を直接生成する。トランスデューサー素子は整流を行うので、生成される音の周波数は入力信号の周波数の２倍である。図９は、本システムの実施形態において利用されるソナー発信器の簡単なブロック図である。本実施形態において、信号は、２０ｋＨｚの信号の３周期からなる。また、そのデューティサイクルは４０％である。この信号は、ＰＳＰ(Position Synchronized Pulse Generator)モードで動作している時間処理ユニット（ＴＰＵ）のチャンネル０より生成される。タイムリファレンス(time reference)は、ＰＭＡ(Period Measurement With Additional Transition Detection)モードで動作するチャンネル１で決定される。（ＰＳＰ及びＰＭＡについてのより詳しい情報は、Application Notes TPUPN14/D及びTPUPN15A/Dにある）。ＰＭＡは、Ｅ２ＣＬＫに入力されるクロック、及び、等間隔のパルスと特定のポイントにおける付加的なパルスからなる入力信号を必要とする。この信号は、キューシリアルモジュール（ＱＳＭ）からのＰＣＳ０信号より生成される。キューシリアルモジュールも、ＭＣ６８３３２ＣＰＵ内の集積デバイスである。発信されたバーストの周波数及びデューティサイクルは、ＰＳＰ機能のプログラムを変更することで変えることができる。バースト長（パルス数）は、ＱＳＭからのＰＣＳ０信号のプログラムを変更することで制御できる。上記の全ては、当業者にとって自明のソフトウェアモジュール（不図示）によりなされる。
図１０には、ＭＣ６８３３２ＣＰＵからの信号が電界効果型スイッチ、ＦＥＴ、に出力されているところが示されている。ＦＥＴは、そのソース電極を設置しており、また、変圧器を介して細長形状の超音波トランスデューサーを駆動している。ＭＣ６８３３２ＣＰＵによりゲートに鍵をかけられる電界効果型トランジスタのドレインに供給される１２ボルトの１次電圧により、変圧器の２次側コイルに６００Ｖppのパルスが生じる。トランスデューサーのキャパシタンスと変圧器の２次側コイルのインダクタンスにより、超音波発信器の動作周波数に調整された平行共振回路が構成される。
図１１は、受信器の簡単なブロック図である。図１１に示されている受信器は、バンドパスフィルターの入力に用いるマイクロホンを、３つのメインマイクロホンの中の一つ又は側面用の特別のマイクロホン（あるいは、駆動輪１７、１８の前にある２つの床検出マイクロホンの１つ）からマルチプレクサーを用いて選択する。ここで、側面用の特別のマイクロホン（不図示）は、壁を追跡するためのものである。また、バンドパスフィルターの後にはエンベロープディテクターが接続されている。本実施形態におけるマイクロホンは、個別の増幅器に接続されている。これらの増幅器のゲインは、４０ｄＢである。本実施形態のバンドパスフィルターは、６極フィルターであり、４０ｋＨｚを中心とする１５ｋＨｚのバンド幅と約４０ｄＢのフィルターゲインを有する。プリアンプ等のエンベロープディテクタ及びバンドパスフィルターは、当業者にとってよく知られた標準的な構成からなっている。エンベロープディテクターからの信号は、ＱＳＭの制御のもと、１２ビットのシリアルＡ／Ｄコンバータに入力される。サンプリングは、毎秒４０キロサンプルの割合で行われる。また、サンプリングは、超音波バーストの発信の１ミリ秒前に開始され、２４ミリ秒後に終了される。Ａ／Ｄ変換によりクロックされるＱＳＭは、周辺装置のチップ選択ＰＣＳ０とＰＣＳ１を出力する。ＰＣＳ１は、位置番号８と１６で発出され、割り込みをメインＣＰＵに生じさせて、８個のサンプルがＱＳＭ受け入れレジスタに準備されていることを知らせる。ＱＳＭは、トランスファーを管理する１６個の命令語に対応して１６個の受信サンプルを保持することができる。16個の命令語の後、ＱＳＭはこれを終わりにしてコマンドシークエンスを再開する。このようにしてＱＳＭは、A/D変換を自律的に同期化し、ＣＰＵに（ＴＰＵチャンネル２を介し、個別の入・出力（ＤＩＯ）モードで）必要なときだけ割り込む。ＣＰＵが予期したサンプルを全て受け取ると、ＱＳＭの割り込みは禁止となる。ＰＣＳ０はサンプル番号1と9で発出され、ＰＭＡ機能用にベースロックを供給する。“付加的な”遷移を識別するために、付加パルスがその間のいずれかの位置（この場合はサンプル番号6）にプログラムされる。これがチャンネル０内のＰＳＰ機能にトリガーをかけ、音を発生するバーストを起動させる。バーストは、受信サイクルあたり1回だけ生成され、受信Ａ／Ｄサンプリングクロックと完全に同期し、伝送バーストに関してサンプル数を正確な時間で容易に相互関連させるようにする。
受けたデータの分析
受けた生のデータは、３つの部分に分割し、それぞれ異なる目的に利用する。第１に、バーストが発信される前にサンプルされたデータを用いて、バックグランドのノイズレベルが計算される。次に、近傍領域が分析される。本実施形態において、近傍領域とは、本装置の周囲表面から１３ｃｍまでの範囲をいう。この範囲は、７５０ミリ秒に相当する範囲である。この時間窓(time window)内では、受けた信号は、床及び本装置自身からのエコーを多く含んでいる。近傍領域における全ての障害物を識別するために、各マイクロホンの典型的な減衰パターンが維持され、受けた信号からその減衰パターンが差し引かれる。図１２は、障害物がないときの本実施形態におけるマイクロホンの相対エコー振幅を示す図である。また、図１３には、図１２と同じマイクロホンの相対エコー振幅であって、距離５及び４５ｃｍの位置に障害物がある場合の振幅を示す。典型的な減衰パターンを差し引いた後に残ったピークは、一定のしきい値と比較される。ピークが、しきい値より上の場合には、そのピークが障害物の存在を示していると考えられる。最後に、近傍領域より遠い領域が、一定のしきい値及び計算されたバックグランドのノイズレベルのオフセットより大きなピークについて調べられる。
障害物の正確な位置は、各マイクロホンからの情報のみからでは知ることができない。なぜならば、検出された物体は、エンエリプシス(en ellipsis)上のいずれかに位置しているかもしれないからである。最も近くにある障害物の位置を正確に特定するために、当業者によく知られている標準的な幾何学的な方法に従った三角法が利用される。最も近くにある物体に関する距離及び角度のみが計算される。これは、複雑な計算を即時に行わなければならないという事情による。また、上記計算は、本装置が低速走行を行っているとき又は停止しているときにのみ行われる。
高速走行を行っている場合には、異なるマイクロホンから得られた情報は、障害物までのおよその距離を取得し、障害物が十分近くにある場合に低速走行に切り換えることに利用される。
ナビゲーション
通常、本装置は、障害物に遭遇するまで、直線走行を行う。前面から４０ｃｍ、側面から１０ｃｍの範囲内で障害物が検出されない場合は、高速で走行する。本実施形態で高速とは、約４０ｃｍ／ｓの速度をいう。上記範囲内で障害物が検出されたときは、低速で走行する。低速とは、約１４ｃｍ／ｓの速度をいう。数ｃｍ以内で障害物が検出された場合には、本装置を停止する。停止後、最も近くにある障害物が確認され、その障害物への角度が新しい走行方向を計算するのに使用される。もし、障害物がいずれかの側面の方へ大きくよっているときは、小さな基礎角度が用いられる。他方、障害物がまっすぐ前方にある場合には、６０度の基礎角度が用いられる。基礎角度には、６０度以内のランダムな角度が加えられる。これにより本自律型装置は、小さな方向転換で狭い通路を通り抜けることができ、露出した壁の間を効率的にはね回ることができる。本装置の停止と停止の間の距離及び方向転換の回数は監視され、数回の方向転換の後、走行距離が所定の最小距離を越えない場合には、”自由走行モード”から”スタック、ブレークアウトモード”へモードが切り換えられる。ソナーが”見えない”ものと現に衝突し、そのものがバンパー接触センサによってのみ検出された場合には、本装置は、まず数センチ後退し、次に、あたかもその物体がその側面において検出されたかのごとく動作する。
本装置は、本装置が停止と停止との間で十分な距離を走行していないということを検出した場合には、あいている通路が発見されるまで、又は、完全に一周するまで、常に方向転換を行うというものにその戦略を変える。短い距離を走行した後、他の障害物が発見された場合には、同じプロセスが繰り返される。この場合に、方向転換の方向は、前回と同じである。障害物に当たらずに、最小距離を走行した場合には、再び”自由走行モード”が採用される。一方、本装置は、障害物を発見し続けると、方向転換を数回繰り返した後に、動作を停止する。
通常、”スタック・ブレークアウトモード”のおいて本装置は、回転するブラシや吸引用のファン等の他の作動部のスイッチを全て切る。ただし、本装置のサーキットリーを冷却するために、ファンからの空気流が必要であるときは、温度センサの制御のもと、ファンが作動される。
本装置は、掃除を行う場合には、最初に部屋の壁をトラッキングする。好ましい実施形態では、超音波発信器の下のバンパーの中に４つのソナーマイクロホンユニットがある。マイクロホンユニットのうち３つは、前方方向のナビゲーションに用いられる。右側側面に配置された４つ目のマイクロホンユニットは、壁のトラッキングに用いられる。部屋の周りの壁をトラッキングすることによるおおよその調査がなされた後に、本装置は、ランダムな方法による掃除を始める。掃除は、本装置が、アクセス可能な表面がほぼ全てカバーされたと評価するまで継続される。
乱数の発生には、合同タイプ(congruental type)の標準的な偽似乱数発生器が用いられる。各々の独立したランで異なるシークエンスを用いるために、シードとして１１ビットの乱数が用いられる。この乱数は、１１のアナログ入力の各々をＡ／Ｄ変換した値の最上位ビットを用いて生成される。
種々の修正や変更が付属クレームにおいて定義される本発明の精神と範囲から逸脱することなくなされることが当業者により理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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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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