JP2008134177A

JP2008134177A - 移動装置の物体検出方法

Info

Publication number: JP2008134177A
Application number: JP2006321481A
Authority: JP
Inventors: Koshu Goto; 孝周後藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2026-11-29
Also published as: JP4992397B2

Abstract

【課題】物体の種類や環境変化の条件などの影響により、移動装置において物体を検出できないことがあり、移動装置が物体に衝突することがある。
【解決手段】赤外線量検出部１７で構成される物体検出機構１３と、熱媒体放出部１８から構成される熱媒体放出機構１４と、制御機構１５と、駆動機構１６とを備える移動ロボット１２によって物体の有無とその位置を検出することで、確実に物体を検出でき、移動ロボット１２の安全性を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットなどの移動装置の周囲に存在する物体を検出する方法に関するものである。

従来の物体検出装置としては、自動カートや自律走行自動車などに代表される自律移動装置に搭載されたセンサを用いて進路上の物体を検出するものがある。ここで用いるセンサは、超音波センサ、光学センサ、赤外線センサなどがある。

これらのセンサはそれぞれ長所と短所を有するため、それぞれを組み合わせることで課題を解決しようとする技術がある（例えば、特許文献１参照）。

図８（ａ）は特許文献１における走行装置の概略説明図であり、図８（ｂ）は特許文献１における走行装置の課題の概略説明図である。以下、同じ要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

図８（ａ）において、自律走行装置１には、超音波センサ２と赤外線センサ３が搭載されている。超音波センサ２と赤外線センサ３とを併用することで、それぞれの短所を補いながら物体４の検出を行う。

ここで、特許文献１における課題について図８（ｂ）を用いて説明する。特許文献１に開示されているように、赤外線による物体検出を行う場合は、赤外線センサ３を用いて、物体４で反射した反射光５を受光する。しかしながら、図８（ｂ）に示すように、特許文献１における自律走行装置１においては、自然光源６などからの自然光７も赤外線センサ３に入射する。特許文献１には、この自然光７の影響をできる限り小さくするために、超音波センサ２と赤外線センサ３とを切り替えてセンシングを行い、赤外線センサ３でのセンシングを少なくするための手段が開示されている。

また、赤外線センサを用いた物体の検出において、物体周囲との温度差を用いて高精度に物体の検出を行う技術がある（例えば、特許文献２参照）。

図９は特許文献２における走行装置の概略説明図である。

図９において、走行車両８は、第１の赤外線センサ９と第２の赤外線センサ１０とを有している。特許文献２における走行装置は、この２つの赤外線センサを用いて物体１１を検出し、より検出精度の高い方の赤外線センサのデータを用いることで、高精度な物体の検出を行うものである。
特開２００６−１１５９４号公報特開２００３−０４８６０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている物体検出方法では、環境変化の影響によりハレーション（乱反射）などを生じるおそれがある。また、特許文献２に開示されている物体検出方法では、周囲との温度差が小さい場合に物体を検出するのが困難である。それらを解決するために、複数のセンサを複合して設ける技術があるが、透過性を有し、周囲との温度差が小さいガラスなどの物体では、赤外線センサと光学センサとを用いても物体を検出することは困難である。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、物体の有無とその位置を確実に検出できる移動装置の物体検出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の移動装置の物体検出方法は、移動装置から所定の領域における赤外線量を測定する第１工程と、前記移動装置から前記所定の領域に熱を放出した後、再度、前記所定の領域における赤外線量を測定する第２工程と、前記第１工程の赤外線量と前記第２工程の赤外線量とに基づいて物体の存在を特定する第３工程と、前記第３工程の比較結果に基づいて前記移動装置に対する物体の相対位置関係を検出する第４工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の移動装置の物体検出方法は、請求項１に記載の方法であって、第３工程で物体の相対位置関係を検出した場合は、前記物体が存在する領域以外へ熱を放出することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の移動装置の物体検出方法は、請求項１または２に記載の方法であって、第３工程での物体特定結果と、光センサを用いて測定した物体検出結果とを比較し、前記第３工程での物体特定結果に存在し、前記光センサを用いた物体検出結果に存在しない物体を、透明な物体であると認識することを特徴とする。

以上のように、本発明の移動装置の物体検出方法によれば、センサ同士の干渉や周囲環境の変化の影響を受けず、確実に物体の有無とその位置を検出することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明を行う。なお、本発明の説明において、同じ構成に対しては同じ符号を付して説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における移動ロボット制御系のブロック構成図である。

図１において、移動ロボットは、物体検出機構１３と熱媒体放出機構１４、制御機構１５と駆動機構１６を備える。

物体検出機構１３は赤外線のエネルギー量を検出する赤外線量検出部１７から構成されており、熱媒体放出機構１４は熱媒体放出部１８から構成されている。

本実施の形態では、赤外線量検出部１７として赤外線サーモグラフィを用いる。この赤外線サーモグラフィは、受信した赤外線のエネルギー量（波長）を熱量に変換して熱情報のセンサ信号として出力する機能を有する。更に、複数台の赤外線サーモグラフィを設けてステレオビジョンとして用いることで、移動ロボット１２に対する熱源の相対方向や相対距離などの相対位置情報を取得することができる。また、熱媒体放出部１８としてヒートガンを用いる。この熱媒体放出部１８としては、この他にマイクロ波などの電磁波や赤外線ヒータなどの熱線照射手段や、温冷風などの温度制御された風を送る送風手段を用いることができる。

また、制御機構１５は、赤外線量検出部１７で取得した熱情報のセンサ信号を解析する解析部１９と、熱媒体放出部１８での熱媒体の放出量や放出範囲（放出領域）を調整する放出設定部２０と、解析部１９での解析結果を基に移動ロボット１２の周囲の物体の有無を判断する判断部２１と、必要な情報を蓄積しておくための記憶部２２とから構成されている。

本実施の形態では、解析部１９、放出設定部２０、判断部２１はＣＰＵ等により構成し、記憶部２２はＲＡＭ等により構成している。これらは、完全に独立したハードウェアに限られるものではなく、他の処理部とハードウェアを共有していても良い。つまり、同一のハードウェアを複数のソフトウェアにより、異なるブロック構成とすることも可能である。

また、駆動機構１６は、例えば部屋等の空間内における移動ロボット１２の位置（絶対位置）を検出する位置検出部２３と、判断部２１での判断結果を基に移動ロボット１２の移動を制御する移動制御部２４と、移動制御部２４の移動指令に従って駆動する駆動部２５とから構成されている。

本実施の形態では、駆動部２５として車輪を用い、位置検出部２３として車輪軸に取り付けられたエンコーダの値から得られるオドメトリによって位置を検出する機構を用いている。なお、本実施の形態では駆動部２５として車輪を用いたが、車輪の代わりに少なくとも１本以上の脚部を用いた歩行移動でも実現可能である。

図２は、実施の形態１における物体検出方法の処理フローを示す図である。図２を用いて、本実施の形態における物体検出方法の概要を説明する。

図２において、まず、熱媒体放出部１８から熱媒体２７を移動ロボット１２の周囲の所定の領域に放出する。このようにして放出された熱媒体２７は、移動ロボット１２の周囲の物体に照射され、熱媒体２７によって物体の温度が上昇する。その後、熱媒体２７を放出していない場合の赤外線２６の検出結果と、熱媒体２７を放出した後の赤外線２６の検出結果とを比較することで、熱媒体２７により温度が上昇する物体を検出することができる（ステップＳ１）。

次に、赤外線量検出部１７で受け取る赤外線２６のエネルギー量を検出する。物体が存在し、その物体から赤外線２６が放出されている場合は、物体からの赤外線２６のエネルギー量を赤外線量検出部１７で検出できる（ステップＳ２）。

次に、受け取った赤外線２６に基づいて物体（熱源）の位置情報Ｈｏを解析し、その位置情報Ｈｏを移動ロボットとの相対位置情報Ｐｏとして記憶部２２で記憶する。また、それに併せて、位置検出部２３から移動ロボット１２の位置情報Ｒｏを検出し、記憶部２２に記憶する。この相対位置情報Ｐｏと位置情報Ｒｏとに基づいて、移動ロボット１２に対する物体の絶対位置情報Ａｏを判断する（ステップＳ３）。

これら一連の処理フローにより求められた物体の位置情報に基づいて、移動ロボット１２の移動制御部２４で回避運動を制御する。

図３は、実施の形態１における赤外線量検出部１７と熱媒体放出部１８の配置例を示す図である。

図３において、移動ロボット１２の周囲に熱媒体放出部１８から熱媒体２７を放出した後、検出範囲２８内の物体２９の熱分布３０を赤外線量検出部１７で調べることで、物体２９を検出する。

ここで、赤外線量検出部１７と熱媒体放出部１８とは１対の構成となっており、移動ロボット１２の移動方向前方（移動ロボット１２の進路上）の物体を検出するために、それぞれ少なくとも１つは移動ロボット１２の移動方向前方に配置する必要がある。

本実施の形態では、移動ロボット１２の水平方向における周囲３６０度をカバーするために、赤外線量検出部１７と熱媒体放出部１８とを６０度おきに６個配置している。ここで、赤外線量検出部１７は扇形の検出範囲２８（６０度の扇形）内において赤外線量を正確に検出できるものであり、熱媒体放出部１８は扇形の熱媒体放出範囲を備えるものである。ここで、本実施の形態のように６０度おきに６個の熱媒体放出部１８が配置されている場合は、熱媒体放出部１８の熱媒体放出範囲は６０度より大きくなることが好ましい（例えば、９０度）。すなわち、複数の熱媒体放出部１８による熱媒体放出範囲の合計範囲が、移動ロボット１２の周囲３６０度以上となることが好ましい。これは、後述するように特定の方向への熱媒体を停止した場合に対応するためである。

熱媒体放出部１８からの熱媒体２７が作用する範囲内に物体２９が存在すると、物体２９に放出された熱媒体２７によって熱分布３０が発生する。このように、移動ロボット１２から移動ロボット１２の周囲への熱媒体２７によって物体２９を熱上昇させ、それにより発生した熱分布３０を得ることで、物体２９を検出する。

図４（ａ）は、熱媒体放出前の温度分布を示す図であり、図４（ｂ）は、熱媒体体放出後の温度分布を示す図である。

図４（ａ）に示すように、物体２９が周囲との温度差が生じていないと、移動ロボット１２の赤外線量検出部１７を用いても物体２９を検出できない。

ここで、熱媒体放出部１８として、風速１２５０ｍ／ｍｉｎ、風量０．２ｍ³／ｍｉｎ、ノズル口より１０ｍｍ離れた位置の温度が最高温度約５００度であるヒートガンを、環境温度３０度で用いた場合について考察する。図４（ｂ）に示すように、熱媒体放出部１８から熱媒体２７を放出した後だと、赤外線量検出部１７で検出できる熱分布３０が発生する。この熱分布３０が発生している空間を物体２９が存在している空間とすることで、物体２９を検出できる。

物体２９を検出する原理について説明する。前述のヒートガンを用い、１ｍ離れた場所に存在する１辺１０ｃｍのコンクリートへ１秒間熱媒体２７を放出し、コンクリートの表面温度を３１度に上昇させたとする。この場合、コンクリートより約０．０５５Ｗの赤外線エネルギー量が放出される。ここで、赤外線量検出部１７として分解能が約０．００１Ｗの赤外線サーモグラフィを用いるとコンクリートの熱分布３０を検出することができ、この熱分布３０に基づいて物体２９を検出できる。

図５は、実施の形態１におけるロボットの位置を示す図である。

図５を用いて、物体２９の絶対位置を測定する方法について説明する。例えば部屋の中などの限定された空間内において、位置検出部２３によるオドメトリの計算等で移動ロボット１２の位置（Ｘ₁、Ｙ₁）を求める。その後、移動ロボット１２と物体２９との相対位置関係が分かれば、移動ロボット１２の位置（Ｘ₁、Ｙ₁）に基づいて、物体２９の位置（Ｘ₃、Ｙ₃）を求めることができる。これによって、物体２９の絶対位置（Ｘ₃、Ｙ₃）を把握できるため、例えば、物体の位置情報を含むマップを作成することができる。ここで、移動ロボット１２の進路上に物体２９が存在する場合は、位置（Ｘ₂、Ｙ₂）等への回避運動を行う。

図６は、実施の形態１における物体検出の概略説明図である。

図６において、移動ロボット１２の熱媒体放出部１８から放出された熱媒体２７は、移動ロボット１２の周囲に存在する物体２９に熱エネルギーとして吸収される。吸収されたエネルギーは物体２９に熱分布３０を発生させ、赤外線２６を放射する。放出された赤外線２６を赤外線量検出部１７で検出することで、物体２９を検出する。

可燃温度の低い物体などの熱による影響が大きい物体に熱媒体を放出する場合や、移動ロボット１２の省エネルギー化を図る場合などは、熱媒体２７を常に放出するのではなく、必要に応じて熱媒体２７を放出する構成とすることで、より効率的な物体回避を行うことができる。この処理フローを含む物体検出方法のフローについて説明する。

図７は、実施の形態１における物体検出方法のフロー処理フローを示す図である。

図７において、まず、赤外線量検出部１７で移動ロボット１２周辺の赤外線２６を検出する。その後、熱によって発生する赤外線が存在しているか否かを判断し、存在している場合はステップＳ５に、存在していない場合はステップＳ９に進む（ステップＳ４）。

続いて、解析部１９で解析した熱検出情報と位置検出部２３で検出した移動ロボット１２の位置情報（図５における（Ｘ₁、Ｙ₁）とに基づいて、赤外線２６を発している熱源の位置情報（図５における（Ｘ₂、Ｙ₂）を測定する（ステップＳ５）。

続いて、記憶部２２に熱源の位置情報を記憶する（ステップＳ６）。

続いて、記憶部２２に記憶した熱源の位置情報に基づいて、熱媒体放出部１８からの熱媒体２７放出の設定が必要か否かを判断する（ステップＳ７）。

ステップＳ７で熱媒体２７放出の設定が必要だと判断されると、放出設定部２０で熱媒体２７の温度、放出量、放出範囲（放出領域）の少なくとも一つを設定する（ステップＳ８）。

続いて、必要に応じて設定された熱媒体２７を熱媒体放出部１８から放出する（ステップＳ９）。

続いて、熱媒体２７の放出回数をカウントし、熱媒体放出回数が１回目以下か否かを判断する。ここで、熱媒体放出回数が１回目以下の場合は、ステップＳ４に戻り、再度同じステップを繰り返す（ステップＳ１０）。

続いて、移動ロボット１２で検出された熱源に基づいて、物体２９を検出する（ステップＳ１１）。

このステップＳ４〜ステップＳ１１の工程を繰り返すことで、移動ロボット１２は物体２９を検出する。本実施の形態を用いて移動ロボット１２が障害物を回避する場合は、移動ロボット１２の移動方向前方（進路上）における熱源（物体２９）を障害物とみなして回避を行う。

なお、本実施の形態では、位置検出部２３で検出した移動ロボット１２の位置情報を用いて、熱源（物体２９）の絶対位置を検出したが、熱源（物体２９）との相対位置のみを検出すればよい場合は、ステップＳ５を省略することも可能である。

また、移動ロボット１２が複数台存在した場合は、放射される赤外線エネルギー量が増加するので、より検出が容易になる。

また、本実施の形態を用いることで、真空で超音波が伝わらず、かつ、太陽光からの外乱の影響を激しく受ける宇宙空間においても、物体の検出が可能である。

本発明の移動装置の物体検出方法によれば、移動ロボットの数量や環境の変化などの影響を受けず、かつ、物体を確実に検出できる。そのため、家庭、ホテル、ゴルフ場、工場、空港などの生活環境の中の自動カートや搬送ロボットなどに適しているだけでなく、超音波が伝わらず、かつ、太陽光の影響を激しく受ける宇宙空間などで適用することもできる。

実施の形態１における移動ロボット制御系のブロック構成図実施の形態１における物体検出方法の処理フローを示す図実施の形態１における赤外線量検出部１７と熱媒体放出部１８の配置例を示す図（ａ）熱媒体放出前の温度分布を示す図、（ｂ）熱媒体体放出後の温度分布を示す図実施の形態１におけるロボットの位置を示す図実施の形態１における物体検出の概略説明図実施の形態１における物体検出方法の処理フローを示す図（ａ）特許文献１における走行装置の概略説明図、（ｂ）特許文献１における走行装置の課題の概略説明図特許文献２における走行装置の概略説明図

符号の説明

１３物体検出機構
１４熱媒体放出機構
１５制御機構
１６駆動機構
１７赤外線量検出部
１８熱媒体放出部
１９解析部
２０放出設定部
２１判断部
２２記憶部
２３位置検出部
２４移動制御部
２５駆動部
２６赤外線
２７熱媒体

Claims

移動装置から所定の領域における赤外線量を測定する第１工程と、
前記移動装置から前記所定の領域に熱を放出した後、再度、前記所定の領域における赤外線量を測定する第２工程と、
前記第１工程の赤外線量と前記第２工程の赤外線量とに基づいて物体の存在を特定する第３工程と、
前記第３工程の比較結果に基づいて前記移動装置に対する物体の相対位置関係を検出する第４工程と、を有すること
を特徴とする移動装置の物体検出方法。
第３工程で物体の相対位置関係を検出した場合は、前記物体が存在する領域以外へ熱を放出すること
を特徴とする請求項１記載の移動装置の物体検出方法。
第３工程での物体特定結果と、光センサを用いて測定した物体検出結果とを比較し、
前記第３工程での物体特定結果に存在し、前記光センサを用いた物体検出結果に存在しない物体を、透明な物体であると認識すること
を特徴とする請求項１または請求項２記載の移動装置の物体検出方法。