JP6817638B2

JP6817638B2 - Obstacle detection system

Info

Publication number: JP6817638B2
Application number: JP2018091613A
Authority: JP
Inventors: 吉秀大朏
Original assignee: 株式会社イージスモスジャパン
Priority date: 2018-05-10
Filing date: 2018-05-10
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2038-05-10
Also published as: JP2019197428A

Description

本発明は、移動装置の前進方向の障害物検知や障害物回避に利用される障害物検知システムに関する。 The present invention relates to an obstacle detection system used for detecting obstacles in the forward direction of a mobile device and avoiding obstacles.

移動装置として、前方方向に移動が出来るロボットや自動的に移動できる装置が知られている。例えば、自走式移動装置として既存のロボット掃除機を例に説明すると、既存のロボット掃除機は、前方に障害物があるまで前進し、障害物を検知したある時点で方向転換を行うものである。障害物検知には、主に超音波センサーが使用されている。超音波センサーは、超音波を発生する発信部と、発信部から発せられて前方の壁に反射して戻ってくる超音波を受信する受信部とを備え、発信部から発せられた超音波が受信部により受信されるまでの時間から壁までの距離を算出することができるようになっている。 As a moving device, a robot that can move forward and a device that can move automatically are known. For example, taking an existing robot vacuum cleaner as a self-propelled moving device as an example, the existing robot vacuum cleaner advances until there is an obstacle in front and changes direction at a certain point when the obstacle is detected. is there. Ultrasonic sensors are mainly used for obstacle detection. The ultrasonic sensor includes a transmitter that generates ultrasonic waves and a receiver that receives ultrasonic waves that are emitted from the transmitter and reflected back to the wall in front of the transmitter, and the ultrasonic waves emitted from the transmitter are emitted. The distance to the wall can be calculated from the time until reception by the receiving unit.

特開２００６−２６８４９８号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-268448

前記超音波センサーによる障害物検知は、移動装置の近距離の範囲（概ね移動装置から半径２０ｃｍ以内）では、超音波を受信する時間が非常に短くなるため、壁の位置と区別して障害物を検知できないことがあった。つまり、近距離の範囲では死角が発生してしまう。そのため、遠距離の範囲で検知していた障害物に移動装置が接近したときに障害物を見失うおそれがあった。 Obstacle detection by the ultrasonic sensor distinguishes obstacles from the position of the wall because the time to receive ultrasonic waves is very short in the short distance range of the moving device (generally within a radius of 20 cm from the moving device). Sometimes it could not be detected. That is, a blind spot occurs in a short distance range. Therefore, there is a risk of losing sight of the obstacle when the moving device approaches the obstacle detected in a long distance.

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、近距離の死角を無くし、移動装置の近距離の範囲内であっても障害物を検知可能とする障害物検知システムを提供することを目的とする。また、本発明は、近距離の死角を無くし、遠距離と近距離とに存在する障害物を同時に検知可能とする障害物検知システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an obstacle detection system that eliminates a blind spot at a short distance and can detect an obstacle even within a short distance range of a mobile device. With the goal. Another object of the present invention is to provide an obstacle detection system that eliminates a blind spot at a short distance and can simultaneously detect an obstacle existing at a long distance and a short distance.

本発明に係る障害物検知システムは、
移動装置に設置されて移動装置の移動経路中にある障害物を検知する障害物検知システムであって、
近距離検知部と、遠距離検知部と、障害物の位置及び距離を求める処理部とを備え、
近距離検知部は、移動装置の近距離の範囲に存在する障害物を検知するものであり、レーザー素子から発光される単点のレーザー光を回折光学素子（DOE）に経由させて縦長に延びるラインレーザー光を形成して移動装置の移動経路中に前記ラインレーザー光を照射する光源部と、照射されたラインレーザー光の反射光を含む画像を撮像して画像データを取得する撮像部とを有し、
遠距離検知部は、移動装置の遠距離の範囲に存在する障害物を検知するものであり、レーザー素子により発生させてパルス状に発光する単点のレーザー光を水平方向に照射する発光部と、照射されたレーザー光の反射光を受光する受光部とを有し、
近距離検知部と遠距離検知部とは、互いに反対側を向くように水平方向に面して配設され、移動装置の周囲を見渡すように回転しながら、近距離検知部において光源部からラインレーザー光を照射するとともに撮像部で画像を撮像して移動装置前方の近距離の所定範囲をスキャンし、また、遠距離検知部において発光部からレーザー光を照射するとともに受光部で反射光を受光して移動装置前方の遠距離の所定範囲をスキャンし、近距離検知部と遠距離検知部とが交互にスキャンする構成とされ、
処理部は、前記スキャンにより近距離検知部で取得した画像データに基づいてラインレーザー光が障害物に照射されて形成される光切断線に対して三角法の原理を用いて近距離の範囲における移動装置と障害物との間の相対的な位置及び距離を求める構成の第１処理部と、前記スキャンにより遠距離検知部で取得したレーザー光の発光から反射光の受光までの時間データからＴＯＦ（TIME OF FLIGHT）法を用いて遠距離の範囲における移動装置と障害物との間の相対的な位置及び距離を求める構成の第２処理部とを有するものである。
The obstacle detection system according to the present invention is
It is an obstacle detection system that is installed in a mobile device and detects obstacles in the movement path of the mobile device.
It is provided with a short-distance detection unit, a long-distance detection unit, and a processing unit for determining the position and distance of an obstacle.
The short-range detection unit detects obstacles existing in the short-range range of the moving device, and extends vertically long by passing a single-point laser beam emitted from the laser element through the diffractive optical element (DOE). a light source unit that irradiates the line laser beam into the path of motion of the mobile device to form a line laser beam, and an imaging unit that acquires image data by capturing an image including reflection light of the irradiated line laser beam Have and
The long-distance detection unit detects obstacles existing in a long-distance range of the mobile device, and is a light-emitting unit that horizontally irradiates a single-point laser beam generated by a laser element and emitted in a pulse shape. It has a light receiving part that receives the reflected light of the irradiated laser light.
The short-distance detection unit and the long-distance detection unit are arranged so as to face each other in the horizontal direction so as to face opposite to each other, and while rotating so as to look around the moving device, a line from the light source unit in the short-distance detection unit. While irradiating the laser light, the image pickup unit captures an image to scan a predetermined range in a short distance in front of the moving device, and the long distance detection unit irradiates the laser light from the light emitting unit and the light receiving unit receives the reflected light. Then, a predetermined range of a long distance in front of the moving device is scanned, and the short-distance detection unit and the long-distance detection unit alternately scan .
The processing unit uses the principle of the triangular method for a light cutting line formed by irradiating an obstacle with a line laser beam based on the image data acquired by the short-distance detection unit by the scan in a short-distance range. TOF from the first processing unit, which is configured to determine the relative position and distance between the moving device and the obstacle, and the time data from the emission of the laser light to the reception of the reflected light acquired by the long-distance detection unit by the scan. It has a second processing unit configured to determine the relative position and distance between a moving device and an obstacle in a long distance range using the (TIME OF FLIGHT) method.

本発明によれば、縦長のラインレーザー光を照射して三角法の原理を用いて障害物を検知するようにし、これを移動装置の周囲に回転させてスキャンすることにより、移動装置の近距離の範囲内に存在する障害物を確実に検知することができる。 According to the present invention, an obstacle is detected by irradiating a vertically long line laser beam using the principle of trigonometry, and the obstacle is rotated around the moving device to scan the short distance of the moving device. Obstacles existing within the range of can be reliably detected.

また、前記近距離の検知に加えて、パルス状に発光するレーザー光の発光から受光までの時間からＴＯＦを用いて障害物を検知するようにし、これを移動装置の周囲に回転させてスキャンすることにより、移動装置の遠距離の範囲内に存在する障害物を検知する。
従って、近距離の死角を無くし、遠距離と近距離とに存在する障害物を同時に検知することができる。よって、移動装置は、遠距離の範囲で検知した障害物に接近したときでも障害物を確実に回避して移動することができる。 Further, in addition to the short-distance detection, an obstacle is detected by using the TOF from the time from the emission of the laser beam emitted in a pulse shape to the reception, and this is rotated around the moving device to scan. By doing so, an obstacle existing within a long distance range of the moving device is detected.
Therefore, it is possible to eliminate the blind spot at a short distance and simultaneously detect obstacles existing at a long distance and a short distance. Therefore, the moving device can surely avoid the obstacle and move even when approaching the obstacle detected in a long distance.

実施形態において、移動装置に設置した障害物検知システムを示す側面図であり、同図（ａ）は近距離検知部が移動装置の前進方向を向いた状態の図であり、同図（ｂ）は遠距離検知部が移動装置の前進方向を向いた状態の図である。In the embodiment, it is a side view showing the obstacle detection system installed in the mobile device, and FIG. 3A is a view in which the short-distance detection unit faces the forward direction of the mobile device, and FIG. Is a diagram showing a state in which the long-distance detection unit faces the moving device in the forward direction. 障害物検知システムの外観を示す斜視図であり、同図（ａ）は近距離検知部を臨む側から見た図であり、同図（ｂ）は遠距離検知部を臨む側から見た図である。It is a perspective view which shows the appearance of an obstacle detection system, FIG. 3A is a view seen from the side facing the short-distance detection unit, and FIG. 3B is a view seen from the side facing the long-distance detection unit. Is. 障害物検知システムを示す図であり、同図（ａ）は上面図であり、同図（ｂ）は近距離検知部側の側面図であり、同図（ｃ）は遠距離検知部側の側面図である。It is a figure which shows the obstacle detection system, the figure (a) is a top view, the figure (b) is a side view of a short-distance detection unit side, and the figure (c) is a long-distance detection unit side. It is a side view. 移動装置の周囲における近距離の範囲と遠距離の範囲とを示す上面図である。It is a top view which shows the short-distance range and the long-distance range around the moving device. 近距離検知部において三角法の原理を用いた近距離の障害物の検知方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the detection method of a short-distance obstacle using the principle of trigonometry in a short-distance detection unit. 遠距離検知部においてＴＯＦを用いた遠距離の障害物の検知方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the method of detecting a long-distance obstacle using TOF in a long-distance detection unit.

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）（ｂ）に示すように、実施形態の障害物検知システム１は、移動装置２の前部の天面に設置され、移動装置２の移動経路中に存在する障害物３を検知するものである。なお、障害物検知システム１の設置場所は、移動装置２前部の天面に限らず、移動装置２の周囲３６０度範囲を見渡せる位置であればよい。移動装置２は、例えば、自走式ロボット掃除機が挙げられるが、これに限らず、自律移動可能なロボット、車椅子、ＡＧＶ（Automated Guided Vehicle：無人搬送車）、自動車など各種の移動装置２であってもよい。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the obstacle detection system 1 of the embodiment is installed on the top surface of the front portion of the mobile device 2 and detects an obstacle 3 existing in the movement path of the mobile device 2. It is to detect. The installation location of the obstacle detection system 1 is not limited to the top surface of the front part of the mobile device 2, and may be a position where the 360-degree range around the mobile device 2 can be seen. The moving device 2 includes, for example, a self-propelled robot vacuum cleaner, but is not limited to this, and various moving devices 2 such as autonomously movable robots, wheelchairs, AGVs (Automated Guided Vehicles), and automobiles. There may be.

障害物検知システム１は、近距離検知部４と、遠距離検知部５と、処理部６とを備えている。図２、図３に示すように、近距離検知部４と遠距離検知部５とは、回転台７に設置されて回転検知ユニット８として構成されている。回転台７は、水平方向に面して互いに反対側を向く２つの面としてＡ面７１とＢ面７２とを有する。Ａ面７１とＢ面７２とは、１８０度の位置に互いに平行となるように設けられている。この回転台７の一方の面のＡ面７１に近距離検知部４が設けられ、他方の面のＢ面７２に遠距離検知部５が設けられている。従って、近距離検知部４と遠距離検知部５とは、回転台７にて視野方向を１８０度異にして設置され、回転台７の回転により同時に回転され、少なくとも移動装置２前方の所定角度範囲を交互にスキャンすることができる。 The obstacle detection system 1 includes a short-distance detection unit 4, a long-distance detection unit 5, and a processing unit 6. As shown in FIGS. 2 and 3, the short-distance detection unit 4 and the long-distance detection unit 5 are installed on the turntable 7 and are configured as the rotation detection unit 8. The turntable 7 has an A surface 71 and a B surface 72 as two surfaces facing in the horizontal direction and facing opposite sides. The A-side 71 and the B-side 72 are provided so as to be parallel to each other at a position of 180 degrees. The short-distance detection unit 4 is provided on the A surface 71 of one surface of the turntable 7, and the long-distance detection unit 5 is provided on the B surface 72 of the other surface. Therefore, the short-distance detection unit 4 and the long-distance detection unit 5 are installed on the turntable 7 with different viewing directions by 180 degrees, and are rotated at the same time by the rotation of the turntable 7, and at least a predetermined angle in front of the moving device 2. Ranges can be scanned alternately.

近距離検知部４は、移動装置２の近距離の範囲Ｎ（図４参照）に存在する障害物３を検知するものである。近距離検知部４は、移動装置２の移動経路中に縦長（鉛直方向）に延びるラインレーザー光４３を照射する光源部４１と、照射されたラインレーザー光４３の反射光４４を含む画像を撮像して画像データを取得する撮像部４２とを有する。 The short-distance detection unit 4 detects an obstacle 3 existing in a short-distance range N (see FIG. 4) of the mobile device 2. The short-range detection unit 4 captures an image including a light source unit 41 that irradiates a line laser light 43 extending vertically (vertically) in the movement path of the moving device 2 and a reflected light 44 of the irradiated line laser light 43. It has an imaging unit 42 for acquiring image data.

光源部４１は、レーザー素子とＤＯＥ（Diffractive Optical Element：回折光学素子）とを有する。ＤＯＥは、レーザー素子から発光される単点のレーザー光を経由させることで縦方向に延びる線状のラインレーザー光４３を形成する。ＤＯＥは、一つのレーザー光を複数のレーザー光に分けることや、レーザー光の形状も自由に設計することができる。光源部４１は、１本のラインレーザー光４３を発射するものであるが、ＤＯＥにより複数本のラインレーザー光４３を発射させるようにしてもよい。なお、レーザー素子は、不可視光の赤外線レーザー光（IR laser light）を発生させるものが好ましいが、これに限らず、可視光レーザーや赤外線以外の不可視光レーザーを発生させるものであってもよい。また、ラインレーザー光４３の形成は、ＤＯＥに限らず、ラインレンズ等を用いて単点のレーザー光からラインレーザー光４３を形成するようにしてもよい。 The light source unit 41 has a laser element and a DOE (Diffractive Optical Element). The DOE forms a linear line laser beam 43 extending in the vertical direction by passing a single point laser beam emitted from the laser element. In DOE, one laser beam can be divided into a plurality of laser beams, and the shape of the laser beam can be freely designed. The light source unit 41 emits one line laser beam 43, but a plurality of line laser beams 43 may be emitted by DOE. The laser element is preferably one that generates an infrared laser light (IR laser light) of invisible light, but is not limited to this, and may be one that generates a visible light laser or an invisible light laser other than infrared rays. Further, the formation of the line laser light 43 is not limited to DOE, and the line laser light 43 may be formed from a single point laser light using a line lens or the like.

撮像部４２は、光源部４１からのラインレーザー光４３の反射光４４を写し取ることができるものであり、少なくとも一つのカメラモジュールから構成される。カメラモジュールとして、例えば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の撮像素子とレンズとで構成することができる。光源部４１と撮像部４２とは、回転台７のＡ面７１にて間隔Ｌ１をあけて水平方向に横並びに配設されている。従って、光源部４１と撮像部４２との間隔Ｌ１の長さにより、光源部４１でのラインレーザー光４３の照射方向と、撮像部４２でのラインレーザー光４３の反射光４４の撮像中心方向との間に、所定の反射角度を生じさせている。 The image pickup unit 42 can copy the reflected light 44 of the line laser light 43 from the light source unit 41, and is composed of at least one camera module. The camera module can be composed of, for example, an image sensor such as a CCD or CMOS and a lens. The light source unit 41 and the image pickup unit 42 are arranged side by side in the horizontal direction with a gap L1 on the A surface 71 of the turntable 7. Therefore, depending on the length of the distance L1 between the light source unit 41 and the imaging unit 42, the irradiation direction of the line laser light 43 at the light source unit 41 and the imaging center direction of the reflected light 44 of the line laser light 43 at the imaging unit 42. A predetermined reflection angle is generated between the two.

そして、撮像部４２で取得した画像データを基にして三角法の原理を用いて移動装置２の近距離の範囲Ｎにおける障害物３の位置及び距離が求められる。この障害物３の位置及び距離を求める処理は、処理部６の第１処理部６１により行われる。第１処理部６１の構成は後述する。ここで近距離の範囲Ｎは、ラインレーザー光４３の反射光４４を捉えて三角法の原理で障害物３を認識できる範囲内から移動装置２の性質によって設定する範囲とする。三角法では、遠くなると２次元、３次元の空間でラインレーザー光４３の反射角度が小さくなり遠くの障害物３を正確に測距できなくなるおそれがあるため、近距離の範囲Ｎとしては、例えば、移動装置２の周囲の半径５ｃｍ〜４００ｃｍの範囲とすることができ、移動装置２が自走式ロボット掃除機の場合では、例えば、５ｃｍ〜３０ｃｍの範囲に設定することができる。 Then, based on the image data acquired by the imaging unit 42, the position and distance of the obstacle 3 in the short distance range N of the moving device 2 can be obtained by using the principle of trigonometry. The process of obtaining the position and distance of the obstacle 3 is performed by the first processing unit 61 of the processing unit 6. The configuration of the first processing unit 61 will be described later. Here, the short-distance range N is a range set by the property of the moving device 2 from a range in which the obstacle 3 can be recognized by the principle of the trigonometry by capturing the reflected light 44 of the line laser light 43. In the trigonometry, the reflection angle of the line laser beam 43 becomes small in a two-dimensional or three-dimensional space when the distance is long, and there is a risk that the distant obstacle 3 cannot be accurately measured. The radius can be set to a range of 5 cm to 400 cm around the moving device 2, and when the moving device 2 is a self-propelled robot vacuum cleaner, it can be set to a range of, for example, 5 cm to 30 cm.

遠距離検知部５は、移動装置２の遠距離の範囲Ｆ（図４参照）に存在する障害物３を検知するものである。この遠距離検知部５は、パルス状に発光する単点のレーザー光５３を照射する発光部５１と、照射されたレーザー光５３の反射光５４（後方散乱光）を受光する受光部５２とを有し、ライダー（ＬｉＤＡＲ：Light Detection and Ranging）を構成するものである。発光部５１は、レーザー素子により構成され、不可視光の赤外線レーザー光５３（IR laser light）を発生させるものであるが、これに限らず、可視光レーザーや赤外線以外の不可視光レーザーを発生させるものであってもよい。受光部５２は、受光素子により構成され、前記レーザー光５３の反射光５４を受光するものである。発光部５１と受光部５２とは、回転台７のＢ面７２にて間隔Ｌ２をあけて水平方向に横並びに配設されている。発光部５１は、レーザー光５３の照射方向を水平方向とし、受光部５２は、レーザー光５３の反射光５４を受光する受光方向を水平方向に設置されているが、発光部５１の照射方向及び受光部５２の受光方向を斜め下方向又は斜め上方向を向くように設置してもよい。 The long-distance detection unit 5 detects an obstacle 3 existing in a long-distance range F (see FIG. 4) of the mobile device 2. The long-distance detection unit 5 includes a light emitting unit 51 that irradiates a single point laser light 53 that emits light in a pulse shape, and a light receiving unit 52 that receives the reflected light 54 (backward scattered light) of the irradiated laser light 53. It has and constitutes a lidar (LiDAR: Light Detection and Ranging). The light emitting unit 51 is composed of a laser element and generates an infrared laser light 53 (IR laser light) of invisible light, but is not limited to this, and generates a visible light laser or an invisible light laser other than infrared rays. It may be. The light receiving unit 52 is composed of a light receiving element and receives the reflected light 54 of the laser light 53. The light emitting unit 51 and the light receiving unit 52 are arranged side by side in the horizontal direction with a gap L2 on the B surface 72 of the turntable 7. The light emitting unit 51 has the irradiation direction of the laser light 53 in the horizontal direction, and the light receiving unit 52 has the light receiving direction in which the reflected light 54 of the laser light 53 is received in the horizontal direction. The light receiving portion 52 may be installed so that the light receiving direction faces diagonally downward or diagonally upward.

そして、発光部５１でのレーザー光５３の発光から受光部５２での反射光５４の受光までの時間データを基にしてＴＯＦ（TIME OF FLIGHT）の方法を用いて移動装置２の遠距離の範囲Ｆにおける障害物３の位置及び距離が求められる。ＴＯＦによる障害物３の位置及び距離を求める処理は、処理部６の第２処理部６２により行われる。第２処理部６２の構成は後述する。ここで遠距離の範囲Ｆは、レーザー光５３の発光から受光までの時間を捉えてＴＯＦで障害物３を認識できる範囲内から移動装置２の性質によって設定する範囲とする。このＴＯＦでは、近くの範囲ではレーザー光５３の発光から受光までの時間が短くなり近くの障害物３の測距が困難となるおそれがあるため、遠距離の範囲Ｆは、例えば、移動装置２の周囲の半径２０ｃｍ〜１００００ｃｍ（１００ｍ）の範囲とすることができ、移動装置２が自走式ロボット掃除機の場合では、例えば、２０ｃｍ〜１０００ｃｍ（１０ｍ）の範囲に設定することができる。 Then, based on the time data from the emission of the laser light 53 by the light emitting unit 51 to the reception of the reflected light 54 by the light receiving unit 52, a long distance range of the moving device 2 is used by using the TOF (TIME OF FLIGHT) method. The position and distance of the obstacle 3 in F are obtained. The process of obtaining the position and distance of the obstacle 3 by the TOF is performed by the second processing unit 62 of the processing unit 6. The configuration of the second processing unit 62 will be described later. Here, the long-distance range F is a range set according to the nature of the moving device 2 from a range in which the obstacle 3 can be recognized by the TOF by capturing the time from the emission of the laser beam 53 to the reception. In this TOF, the time from the emission of the laser beam 53 to the reception of light may be shortened in the near range, which may make it difficult to measure the distance of the nearby obstacle 3. Therefore, the long range F is set to, for example, the moving device 2. The radius can be set to a range of 20 cm to 10000 cm (100 m), and when the moving device 2 is a self-propelled robot vacuum cleaner, it can be set to a range of, for example, 20 cm to 1000 cm (10 m).

回転検知ユニット８は、図２、図３、図４に示すように、移動装置２の鉛直線を回転軸線Ｒとして回転台７を３６０度回転させて近距離検知部４と遠距離検知部５とを水平方向に同時に回転させ、移動装置２前方の所定角度範囲（例えば、移動装置２の前進方向に対して左右９０度の１８０度範囲）を近距離検知部４と遠距離検知部５とが交互にスキャンする構成とされている。すなわち、近距離検知部４では、移動装置２の周囲を見渡すように回転しながら、光源部４１からラインレーザー光４３を照射するとともに撮像部４２でラインレーザー光４３の反射光４４を含む画像を撮像することにより、移動装置２前方の近距離範囲Ｎについて所定角度範囲をスキャンする。遠距離検知部５では、移動装置２の周囲を見渡すように回転しながら、発光部５１からパルス状に発光するレーザー光５３を照射するとともに受光部５２でその反射光５４を受光することにより、移動装置２前方の遠距離範囲Ｆについて所定角度範囲をスキャンする。 As shown in FIGS. 2, 3, and 4, the rotation detection unit 8 rotates the turntable 7 by 360 degrees with the vertical line of the moving device 2 as the rotation axis R, and the short-distance detection unit 4 and the long-distance detection unit 5 At the same time in the horizontal direction, a predetermined angle range in front of the moving device 2 (for example, a 180-degree range of 90 degrees to the left and right with respect to the forward direction of the moving device 2) is set by the short-distance detection unit 4 and the long-distance detection unit 5. Is configured to scan alternately. That is, the short-range detection unit 4 irradiates the line laser light 43 from the light source unit 41 while rotating so as to look around the moving device 2, and the image pickup unit 42 captures an image including the reflected light 44 of the line laser light 43. By taking an image, a predetermined angle range is scanned for a short distance range N in front of the moving device 2. The long-distance detection unit 5 irradiates the laser light 53 that emits a pulsed light from the light emitting unit 51 while rotating so as to look around the moving device 2, and the light receiving unit 52 receives the reflected light 54. A predetermined angle range is scanned for a long distance range F in front of the moving device 2.

処理部６は、近距離検知部４で取得した画像データの処理を行う第１処理部６１と、遠距離検知部５で取得した時間データの処理を行う第２処理部６２とを有している。 The processing unit 6 has a first processing unit 61 that processes the image data acquired by the short-distance detection unit 4, and a second processing unit 62 that processes the time data acquired by the long-distance detection unit 5. There is.

第１処理部６１では、三角法の原理を用いて近距離検知部４にてラインレーザー光４３が投影された画像データから障害物３の測距を行い、近距離の障害物３と移動装置２との間の相対的な位置及び距離を求める。第１処理部６１は、画像処理装置（ＩＰＵ：Image Processing Unit）から構成されるが、これに限らず、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＣＵ（Micro Controller Unit）等により構成することができる。第１処理部６１は、図５に示すように、近距離検知部４の撮像部４２から見た画像上において、三角法の原理により障害物３と移動装置２との位置関係を示す位置座標テーブルＴを有し、この位置座標テーブルＴから移動装置２と障害物３との間の相対的な位置及び距離が求められる。この位置座標テーブルＴは、例えば、移動装置２が走行する走行面上、移動装置２の前進方向に対する直交方向（左右方向）をＸ軸とし、移動装置２の前進方向をＹ軸としてＸＹ方向の位置座標を示し、また、走行面の鉛直方向をＸ軸及びＹ軸と直交するＺ軸として高さを示すものである。位置座標テーブルＴ上に示す障害物３の位置及び距離は、光源部４１と撮像部４２との間の横方向の離間距離、光源部４１と撮像部４２の走行面からの高さ、ラインレーザー光４３における測定ポイントＡnを指向する光源部４１からの角度、撮像部４２の撮像角度などを考慮して三角法に基づいて示される。 The first processing unit 61 measures the distance of the obstacle 3 from the image data projected by the line laser beam 43 by the short-distance detection unit 4 using the principle of trigonometry, and measures the distance between the short-distance obstacle 3 and the moving device. Find the relative position and distance to 2. The first processing unit 61 is composed of an image processing unit (IPU: Image Processing Unit), but is not limited to this, and can be configured by a CPU (Central Processing Unit), an MCU (Micro Controller Unit), or the like. As shown in FIG. 5, the first processing unit 61 shows the positional relationship between the obstacle 3 and the moving device 2 on the image viewed from the imaging unit 42 of the short-distance detection unit 4 by the principle of trigonometry. It has a table T, and the relative position and distance between the moving device 2 and the obstacle 3 can be obtained from the position coordinate table T. In this position coordinate table T, for example, on the traveling surface on which the moving device 2 travels, the direction orthogonal to the forward direction (left-right direction) of the moving device 2 is the X-axis, and the forward direction of the moving device 2 is the Y-axis in the XY direction. The position coordinates are shown, and the height is shown with the vertical direction of the traveling surface as the Z-axis orthogonal to the X-axis and the Y-axis. The position and distance of the obstacle 3 shown on the position coordinate table T are the lateral separation distance between the light source unit 41 and the imaging unit 42, the height of the light source unit 41 and the imaging unit 42 from the traveling surface, and the line laser. It is shown based on the triangular method in consideration of the angle from the light source unit 41 that directs the measurement point An in the light 43, the imaging angle of the imaging unit 42, and the like.

縦長に延びるラインレーザー光４３は、縦方向に所定の照射角度α（例えば、１１０度）でもって扇状に広がるように照射される（図１（ａ）参照）。光源部４１は、ラインレーザー光４３の扇状の中心線が光軸４３ａとなり、実施形態では、光軸４３ａが水平方向を向くように照射されているが、これに限らず、光軸４３ａが水平方向より斜め下方向（例えば、水平方向から３０度斜め下方向）を向くように照射されてもよい。ラインレーザー光４３の照射角度中の所定角度毎（例えば、２度毎）に、位置の測定ポイント（Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３，・・・Ａｎ−１，Ａｎ）が設定されている（図２（ａ）参照）。 The vertically elongated line laser beam 43 is irradiated so as to spread in a fan shape at a predetermined irradiation angle α (for example, 110 degrees) in the vertical direction (see FIG. 1A). In the light source unit 41, the fan-shaped center line of the line laser beam 43 serves as the optical axis 43a, and in the embodiment, the optical axis 43a is irradiated so as to face the horizontal direction, but the present invention is not limited to this, and the optical axis 43a is horizontal. The irradiation may be performed so as to face diagonally downward from the direction (for example, diagonally downward by 30 degrees from the horizontal direction). Position measurement points (A0, A1, A2, A3, ... An-1, An) are set for each predetermined angle (for example, every 2 degrees) in the irradiation angle of the line laser beam 43 (FIG. 2 (a)).

近距離検知部４からの縦長のラインレーザー光４３が障害物３に照射されると、図５に示すように、移動装置２が走行する走行面上にまっすぐ延びるラインレーザー光４３の光線（反射光４４）が障害物３に当たって折れ曲がり、障害物３上に光切断線４５が形成される。光切断線４５は、ラインレーザー光４３が障害物３に投射されて障害物３の外形形状に沿って形成される明線である。第１処理部６１は、この光切断線４５を三角法の原理に基づいて作製された位置座標テーブルＴと照合することにより、この障害物３の位置及び距離を求める。 When the obstacle 3 is irradiated with the vertically long line laser light 43 from the short-range detection unit 4, the light beam (reflection) of the line laser light 43 extending straight on the traveling surface on which the moving device 2 travels, as shown in FIG. The light 44) hits the obstacle 3 and bends, and a light cutting line 45 is formed on the obstacle 3. The optical cutting line 45 is a bright line formed by projecting the line laser light 43 onto the obstacle 3 and following the outer shape of the obstacle 3. The first processing unit 61 obtains the position and distance of the obstacle 3 by collating the optical cutting line 45 with the position coordinate table T produced based on the principle of trigonometry.

前記スキャンにより取得した近距離検知部４における撮像部４２の画像データに基づいてラインレーザー光４３が障害物３に照射されて形成される光切断線４５に対して三角法の原理により近距離の範囲Ｎにおける障害物３と移動装置２との間の相対的な位置及び距離を求める。この場合、近距離検知部４は、回転検知ユニット８として組み込まれ、縦長のラインレーザー光４３を３６０度回転スキャンして、３６０度の所定の回転角度θ毎に障害物３の検知が行われる。例えば、図５に示す画像データ上では、回転角度θ１〜θ５のうち、θ２、θ３、θ４でラインレーザー光４３の光切断線４５が検知され、障害物３が発見されている。位置座標テーブルＴより、θ２、θ３、θ４における位置座標（Ｘ，Ｙ）は、それぞれθ２（−１０，８）、θ３（−８，８）、θ４（−６，８）である。すなわち、この障害物３は、移動装置２（原点位置）から前進方向（＋Ｙ方向）へ８ｃｍの位置で、そこから左方向（−Ｘ方向）へ６ｃｍ〜１０ｃｍにわたり（つまり４ｃｍ幅）存在することを示している。また、この障害物３は、光切断線４５に沿ったＺ軸の目盛（０，３，５，８，１０）より高さが１０ｃｍであることを示している。 Based on the image data of the imaging unit 42 in the short-distance detection unit 4 acquired by the scan, the line laser light 43 is applied to the obstacle 3 to form a short-distance light cutting line 45 according to the principle of trigonometry. The relative position and distance between the obstacle 3 and the moving device 2 in the range N are obtained. In this case, the short-distance detection unit 4 is incorporated as a rotation detection unit 8, and a vertically long line laser beam 43 is rotationally scanned by 360 degrees to detect an obstacle 3 at a predetermined rotation angle θ of 360 degrees. .. For example, on the image data shown in FIG. 5, the optical cut line 45 of the line laser beam 43 is detected at θ2, θ3, and θ4 among the rotation angles θ1 to θ5, and the obstacle 3 is found. From the position coordinate table T, the position coordinates (X, Y) in θ2, θ3, and θ4 are θ2 (-10,8), θ3 (-8,8), and θ4 (-6,8), respectively. That is, the obstacle 3 exists at a position of 8 cm in the forward direction (+ Y direction) from the moving device 2 (origin position) and extends from there to the left (-X direction) over 6 cm to 10 cm (that is, 4 cm width). Is shown. Further, the obstacle 3 indicates that the height is 10 cm from the Z-axis scale (0, 3, 5, 8, 10) along the optical cutting line 45.

第２処理部６２では、ＴＯＦ（TIME OF FLIGHT）の方法を用いて遠距離検知部５にて発光部５１からレーザー光５３を発光した後に受光部５２が反射光５４を受光するまでの時間データ（レーザー光５３の飛行時間）から障害物３の測距を行い、遠距離の障害物３と移動装置２との間の相対的な位置及び距離を求める。第２処理部６２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＣＵ（Micro Controller Unit）等により構成することができる。発光部５１及び受光部５２は、水平方向にレーザー光５３を発光し、水平方向の反射光５４を受光するように設置されている。従って、第２処理部６２は、発光部５１及び受光部５２の設置高さの位置に存在する障害物３の位置及び距離を求める。 In the second processing unit 62, time data from when the laser light 53 is emitted from the light emitting unit 51 by the long-distance detection unit 5 by the method of TOF (TIME OF FLIGHT) until the light receiving unit 52 receives the reflected light 54. The distance of the obstacle 3 is measured from (the flight time of the laser beam 53), and the relative position and distance between the obstacle 3 at a long distance and the moving device 2 are obtained. The second processing unit 62 can be configured by a CPU (Central Processing Unit), an MCU (Micro Controller Unit), or the like. The light emitting unit 51 and the light receiving unit 52 are installed so as to emit the laser light 53 in the horizontal direction and receive the reflected light 54 in the horizontal direction. Therefore, the second processing unit 62 obtains the position and distance of the obstacle 3 existing at the position of the installation height of the light emitting unit 51 and the light receiving unit 52.

また、発光部５１と受光部５２とは、回転台７のＢ面７２に水平方向に横並びに配設されているので、受光部５２では、発光部５１から水平方向にまっすぐ照射されたレーザー光５３が障害物３に当たって斜め水平方向に反射された反射光５４を受光する。すなわち、図６に示すように、発光部５１と受光部５２との間隔Ｌ２の長さを対辺ａとする直角三角形において、発光部５１から発光したレーザー光５３は、直角三角形の隣辺ｂに沿った光路を進み、受光部５２で受光する反射光５４は、直角三角形の斜辺ｃに沿った光路を進む。障害物３までの距離は、発光部５１から発光したレーザー光５３の光路の長さ、すなわち、隣辺ｂの長さに相当する。従って、第２処理部６２では、遠距離検知部５で取得した時間データからＴＯＦにて計測した距離（隣辺ｂの長さ＋斜辺ｃの長さ）、間隔Ｌ２（対辺ａの長さ）等から前記直角三角形の隣辺ｂの長さを求めることにより、障害物３までの距離が求められ、この距離から障害物３の位置も求められる。なお、ここでは遠距離にある障害物３を検知するものであるから、厳密な距離を求めるのではなく、遠距離検知部５で取得した時間データにレーザー光５３の速度を掛け算して算出された距離の２分の１を障害物３までの距離とみなすようにしてもよい。 Further, since the light emitting unit 51 and the light receiving unit 52 are arranged side by side in the horizontal direction on the B surface 72 of the turntable 7, the light emitting unit 52 emits laser light straight in the horizontal direction from the light emitting unit 51. 53 hits the obstacle 3 and receives the reflected light 54 reflected in the oblique horizontal direction. That is, as shown in FIG. 6, in a right triangle whose opposite side is the length of the distance L2 between the light emitting unit 51 and the light receiving unit 52, the laser light 53 emitted from the light emitting unit 51 is on the adjacent side b of the right triangle. The reflected light 54 that travels along the optical path along the light path and receives light from the light receiving unit 52 travels along the light path along the hypotenuse c of the right triangle. The distance to the obstacle 3 corresponds to the length of the optical path of the laser beam 53 emitted from the light emitting unit 51, that is, the length of the adjacent side b. Therefore, in the second processing unit 62, the distance measured by the TOF from the time data acquired by the long-distance detection unit 5 (the length of the adjacent side b + the length of the hypotenuse c), the interval L2 (the length of the opposite side a). By obtaining the length of the adjacent side b of the right triangle from the above, the distance to the obstacle 3 can be obtained, and the position of the obstacle 3 can also be obtained from this distance. Since the obstacle 3 at a long distance is detected here, it is calculated by multiplying the time data acquired by the long-distance detection unit 5 by the speed of the laser beam 53, instead of obtaining the exact distance. One half of the distance may be regarded as the distance to the obstacle 3.

そして、遠距離検知部５も近距離検知部４と同様に回転検知ユニット８として組み込まれ、断続的に発光させるレーザー光５３を３６０度回転スキャンして、３６０度の所定の回転角度θ毎に障害物３の位置及び距離の情報が集積される。これにより、遠距離の障害物３について移動装置２の前進方向に対する左右方向の広がりも求められる。 Then, the long-distance detection unit 5 is also incorporated as a rotation detection unit 8 like the short-distance detection unit 4, and the laser beam 53 that intermittently emits light is rotationally scanned by 360 degrees, and at each predetermined rotation angle θ of 360 degrees. Information on the position and distance of the obstacle 3 is accumulated. As a result, it is also required that the obstacle 3 at a long distance spreads in the left-right direction with respect to the forward direction of the moving device 2.

以上の障害物検知システム１は、移動装置２の移動中又は検知時には移動装置２を停止した状態で、回転検知ユニット８を回転させて３６０度回転スキャンを行い、移動装置２の遠距離及び近距離に存在する障害物３の検知を実行する。この場合、回転検知ユニット８における回転台７の回転速度が遅いと障害物３の検知、処理に時間がかかるおそれがあり、また、回転台７の回転速度が速いと近距離検知部４での撮像による障害物３検知が適切に行なえないおそれがある。従って、回転台７の回転数として、障害物３検知を遠近とも適切に確実に行うことを可能とするには、例えば、２Ｈｚ〜１０Ｈｚ（２回転毎秒〜１０回転毎秒）の範囲に設定されるのが好ましい。 The above-mentioned obstacle detection system 1 rotates the rotation detection unit 8 to perform a 360-degree rotation scan while the mobile device 2 is moving or is detected at the time of detection, and performs a 360-degree rotation scan of the mobile device 2 at a long distance and near. Detects obstacles 3 existing at a distance. In this case, if the rotation speed of the turntable 7 in the rotation detection unit 8 is slow, it may take time to detect and process the obstacle 3, and if the rotation speed of the turntable 7 is high, the short-range detection unit 4 may take time. Obstacle 3 detection by imaging may not be performed properly. Therefore, the number of rotations of the turntable 7 is set to, for example, 2 Hz to 10 Hz (2 rotations per second to 10 rotations per second) in order to enable the detection of the obstacle 3 appropriately and reliably in both near and far directions. Is preferable.

以上のように、実施形態の障害物検知システム１は、三角法とＴＯＦ（TIME OF FLIGHT）を用いた遠近の物体測距に、更に回転を加えるモジュールを組み合せることにより、移動装置２の３６０度範囲にわたり、近距離での死角を無くし、移動装置２の近距離と遠距離とに存在する障害物３を同時に検知することが可能となるシステムである。 As described above, the obstacle detection system 1 of the embodiment is a 360 of the moving device 2 by combining a module that further adds rotation to the distance measurement of a perspective object using trigonometry and TOF (TIME OF FLIGHT). It is a system that eliminates blind spots at short distances over a degree range and can simultaneously detect obstacles 3 existing at short distances and long distances of the moving device 2.

すなわち、この障害物検知システム１によれば、遠距離検知部５におけるパルス状に発光するレーザー光５３の発光から反射光５４の受光までの時間から障害物３を検知するようにし、これを移動装置２の周囲に回転させてスキャンすることにより、移動装置２の遠距離の範囲Ｆ内に存在する障害物３を検知するとともに、近距離検知部４における縦長のラインレーザー光４３を照射して光切断線４５より三角法の原理から障害物３を検知するようにし、これを移動装置２の周囲に回転させてスキャンすることにより、移動装置２の近距離の範囲Ｎ内に存在する障害物３を確実に検知することができる。従って、近距離の死角を無くし、遠距離Ｆと近距離Ｎとに存在する障害物３を同時に検知することができる。よって、移動装置２は、遠距離の範囲Ｆで検知した障害物３に接近したときでも障害物３を見失うことなく確実に検知してこれを回避して移動することができる。また、処理部６は、遠距離検知部５がスキャンした時間データに基づいて移動装置２が移動する室内の壁及び障害物の位置を検知して移動装置２の移動経路を示すマッピングを行う構成としてもよい。この場合、移動装置２の走行効率を向上することができる。 That is, according to the obstacle detection system 1, the obstacle 3 is detected from the time from the emission of the laser light 53 that emits the pulsed light in the long-distance detection unit 5 to the reception of the reflected light 54, and the obstacle 3 is moved. By rotating around the device 2 and scanning, an obstacle 3 existing in a long distance range F of the moving device 2 is detected, and a vertically long line laser beam 43 in the short distance detection unit 4 is irradiated. Obstacles 3 exist within a short distance range N of the moving device 2 by detecting the obstacle 3 from the optical cutting line 45 based on the principle of the triangular method and rotating it around the moving device 2 to scan. 3 can be reliably detected. Therefore, it is possible to eliminate the blind spot at a short distance and simultaneously detect the obstacles 3 existing at the long distance F and the short distance N. Therefore, even when the moving device 2 approaches the obstacle 3 detected in the long-distance range F, the moving device 2 can reliably detect the obstacle 3 without losing sight of the obstacle 3 and move while avoiding the obstacle 3. Further, the processing unit 6 detects the positions of the walls and obstacles in the room where the moving device 2 moves based on the time data scanned by the long-distance detecting unit 5, and performs mapping indicating the moving path of the moving device 2. May be. In this case, the traveling efficiency of the moving device 2 can be improved.

なお、以上の実施形態は、本発明の一例であり、本発明の範囲を限定するものではなく、特許請求の範囲内で必要に応じて変更することが可能である。例えば、近距離検知部４と遠距離検知部５とは、回転台７に設けることなく、移動装置２の側面等に設けて移動装置２自体が３６０度回転することにより移動装置２の周囲を回転スキャンする構成としてもよい。 The above embodiment is an example of the present invention, and does not limit the scope of the present invention, and can be changed as necessary within the scope of claims. For example, the short-distance detection unit 4 and the long-distance detection unit 5 are not provided on the turntable 7, but are provided on the side surface of the moving device 2 or the like, and the moving device 2 itself rotates 360 degrees to rotate around the moving device 2. It may be configured to perform a rotation scan.

１障害物検知システム
２移動装置
３障害物
４近距離検知部
５遠距離検知部
６処理部
７回転台
８回転検知ユニット
４１光源部
４２撮像部
４３ラインレーザー光
４４ラインレーザー光の反射光
４５光切断線
５１発光部
５２受光部
５３レーザー光
５４レーザー光の反射光
６１第１処理部
６２第２処理部
７１Ａ面
７２Ｂ面
Ａｎ測定ポイント
Ｆ遠距離の範囲
Ｌ１光源部と撮像部間の間隔
Ｌ２発光部と受光部間の間隔
Ｎ近距離の範囲
Ｔ位置座標テーブル
ａ対辺
ｂ隣辺
ｃ斜辺
α 照射角度
θ 回転角度

1 Obstacle detection system 2 Mobile device 3 Obstacle 4 Short-distance detection unit 5 Long-distance detection unit 6 Processing unit 7 Rotating table 8 Rotation detection unit 41 Light source unit 42 Imaging unit 43 Line laser light 44 Line laser light reflected light 45 Light Cutting line 51 Light emitting unit 52 Light receiving unit 53 Laser light 54 Reflected light of laser light 61 First processing unit 62 Second processing unit 71 A surface 72 B surface An Measurement point F Distance range L1 Distance between light source unit and imaging unit L2 Distance between the light emitting part and the light receiving part N Short distance range T Position coordinate table a Opposite side b Adjacent side c Oblique side α Irradiation angle θ Rotation angle

Claims

It is an obstacle detection system that is installed in a mobile device and detects obstacles in the movement path of the mobile device.
It is provided with a short-distance detection unit, a long-distance detection unit, and a processing unit for determining the position and distance of an obstacle.
The short-range detection unit detects obstacles existing in the short-range range of the moving device, and extends vertically long by passing a single-point laser beam emitted from the laser element through the diffractive optical element (DOE). a light source unit that irradiates the line laser beam into the path of motion of the mobile device to form a line laser beam, and an imaging unit that acquires image data by capturing an image including reflection light of the irradiated line laser beam Have and
The long-distance detection unit detects obstacles existing in a long-distance range of the mobile device, and is a light-emitting unit that horizontally irradiates a single-point laser beam generated by a laser element and emitted in a pulse shape. It has a light receiving part that receives the reflected light of the irradiated laser light.
The short-distance detection unit and the long-distance detection unit are arranged so as to face each other in the horizontal direction so as to face opposite to each other, and while rotating so as to look around the moving device, a line from the light source unit in the short-distance detection unit. While irradiating the laser light, the image pickup unit captures an image to scan a predetermined range in a short distance in front of the moving device, and the long distance detection unit irradiates the laser light from the light emitting unit and the light receiving unit receives the reflected light. Then, a predetermined range of a long distance in front of the moving device is scanned, and the short-distance detection unit and the long-distance detection unit alternately scan .
The processing unit uses the principle of the triangular method for a light cutting line formed by irradiating an obstacle with a line laser beam based on the image data acquired by the short-distance detection unit by the scan in a short-distance range. TOF from the first processing unit, which is configured to determine the relative position and distance between the moving device and the obstacle, and the time data from the emission of the laser light to the reception of the reflected light acquired by the long-distance detection unit by the scan. An obstacle detection system having a second processing unit configured to determine the relative position and distance between a moving device and an obstacle in a long distance range using the (TIME OF FLIGHT) method.

In the obstacle detection system according to claim 1,
The short-distance detection unit and the long-distance detection unit are rotary tables having two surfaces facing horizontally and facing opposite sides. A short-distance detection unit is provided on one surface and a long-distance detection unit is provided on the other surface. It is configured as a rotation detection unit with a part,
The rotation detection unit is an obstacle detection system that rotates the turntable with the vertical line of the moving device as the rotation axis and simultaneously rotates the short-distance detection unit and the long-distance detection unit in the horizontal direction.

In the obstacle detection system according to claim 1 or 2.
The processing unit further has a configuration that detects the positions of walls and obstacles in the room where the mobile device moves based on the time data scanned by the long-distance detection unit and performs mapping indicating the movement path of the mobile device. Obstacle detection system.

In the obstacle detection system according to any one of claims 1 to 3,
The processing unit
Based on the principle of trigonometry with respect to the image viewed from the imaging unit, it has a position coordinate table showing the position with the direction orthogonal to the forward direction of the moving device as the X axis and the forward direction of the moving device as the Y axis.
When the light beam of the line laser beam in the image data captured by the imaging unit is projected onto the obstacle and changes based on the outer shape of the obstacle to form an optical cut line, the image that captures this optical cut line. The data is compared with the position coordinate table, and the relative position and distance between the moving device and the obstacle are determined based on the position and distance of the optical cutting line in the X-axis direction and the Y-axis direction on the position coordinate table. Obstacle detection system with the required configuration.