特許 7532138 情報処理装置、及び測距システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-02

(45)【発行日】2024-08-13

(54)【発明の名称】情報処理装置、及び測距システム

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/526 20060101AFI20240805BHJP

   G01S 15/10 20060101ALI20240805BHJP

【ＦＩ】

G01S7/526 K

G01S7/526 M

G01S15/10

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020132004

(22)【出願日】2020-08-03

(65)【公開番号】P2022028535

(43)【公開日】2022-02-16

【審査請求日】2023-05-23

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小川 純平

(72)【発明者】

【氏名】鮫田 芳富

(72)【発明者】

【氏名】西川 浩行

【審査官】梶田 真也

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－０６４６４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１８－００２８３２９（ＫＲ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０３８６２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－０４５１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公平０７－０２３９０８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２０１８－１８５３１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／００ － ７／６４

Ｇ０１Ｓ １３／００ － １７／９５

Ｇ０１Ｃ ３／００ － ３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波を送信する送信用センサと超音波を受信する複数の受信用センサとで構成されるセンサアレイと接続する接続部と、
前記センサアレイに設けられた送信用センサと複数の受信用センサの各々との相対的な位置を特定可能である位置情報を記憶する記憶部と、
前記接続部に接続されたセンサアレイから、前記送信用センサが超音波を送信したタイミングと、前記センサアレイの前記受信用センサの各々が受信した複数の受信信号と、を取得し、
前記記憶部に記憶された位置情報と、前記タイミングと、に基づいて、前記送信用センサから前記複数の受信用センサの各々に直接波が入力される時間帯を算出し、
前記複数の受信信号のうち、前記時間帯に入力された当該複数の受信信号に対して、他の時間帯より低い値でゲイン調整を行い、前記ゲイン調整された信号に基づいて前記センサアレイと物体との距離をＴＯＦ法により算出する制御部と、
を備える情報処理装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記時間帯に入力された当該複数の受信信号に対して、前記位置情報に基づいた値でゲイン調整を行う、
請求項１に記載の情報処理装置。

【請求項3】

前記制御部は、複数の受信用センサの各々が受信した複数の受信信号の合計である信号強度に基づいて、ゲイン調整と行う、
請求項１又は２に記載の情報処理装置。

【請求項4】

前記記憶部は、測定対象物以外の物体の位置を示した物体位置情報をさらに記憶し、
前記制御部は、前記物体位置情報に基づいて、前記複数の受信信号に対してゲイン調整を行う、
請求項１又は２に記載の情報処理装置。

【請求項5】

超音波を送信する送信用センサと超音波を受信する複数の受信用センサとで構成されるセンサアレイと、
前記センサアレイに設けられた送信用センサと、複数の受信用センサの各々と、の相対的な位置を示した位置情報を記憶する記憶部と、前記センサアレイから、前記送信用センサが超音波を送信したタイミングを取得し、前記タイミングと前記位置情報と基づいて、前記送信用センサから前記複数の受信用センサの各々に直接波が入力される時間帯を算出し、前記受信用センサの各々が受信した複数の受信信号のうち、前記時間帯に入力された当該複数の受信信号に対して、他の時間帯より低い値でゲイン調整を行い、前記ゲイン調整された信号に基づいて前記センサアレイと物体との距離をＴＯＦ法により算出する制御部と、を備える情報処理装置と、
を備える測距システム。

【請求項6】

前記センサアレイは、
前記送信用センサを複数備え、
所定の条件に基づいて、超音波を送信する送信用センサを、複数の前記送信用センサから切り替える、
請求項５に記載の測距システム。

【請求項7】

前記センサアレイは、
前記複数の受信用センサが、複数の直線状且つ直交するよう配置されている、
請求項５又は６に記載の測距システム。

【請求項8】

前記センサアレイは、
前記複数の受信用センサが、直交する２軸方向の各々に直線状に複数配置された、田の字状の配置である、
請求項５又は６に記載の測距システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、情報処理装置、及び測距システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、物流・流通・製造現場などで使用される産業システムにおいて、業務効率の向上のために、ロボットの導入が進められている。ロボットとしては、例えば、ロボットアーム等の移動装置を用いることで荷物等の物品の荷役（移動）する装置や、周囲を監視するための移動ロボットなどが考えられる。

【0003】

これらロボットは、周囲に存在する物体を検知する必要がある。しかしながら、検知対象となる物体（以下、対象物と称す）が近距離に存在する場合に、送信信号と反射信号が重畳して対象物の位置を検知するのが難しくなる。このような状況でも対象物を検知する手法として、受信した信号から送信信号を減算する方法が存在する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－６６６６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来技術においては、直接波の振幅が大きい場合には、受信可能な範囲を超えるため、適切に減算ができないという問題がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態の情報処理装置は、接続部と、記憶部と、制御部と、を備える。接続部は、超音波を送信する送信用センサと超音波を受信する複数の受信用センサとで構成されるセンサアレイと接続する。記憶部は、センサアレイに設けられた送信用センサと複数の受信用センサの各々との相対的な位置を特定可能である位置情報を記憶する。制御部は、接続部に接続されたセンサアレイから、送信用センサが超音波を送信したタイミングと、センサアレイの受信用センサの各々が受信した複数の受信信号と、を取得し、記憶部に記憶された位置情報と、タイミングと、に基づいて、送信用センサから複数の受信用センサの各々に直接波が入力される時間帯を算出し、複数の受信信号のうち、時間帯に入力された当該複数の受信信号に対して、他の時間帯より低い値でゲイン調整を行い、ゲイン調整された信号に基づいてセンサアレイと物体との距離を算出する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、第１の実施形態にかかる超音波測距システムを例示した図である。

【図2】図２は、第１の実施形態にかかる制御装置と、超音波センサアレイと、のハードウェア構成を例示した図である。

【図3】図３は、第１の実施形態にかかる超音波センサアレイの複数の超音波センサ群の超音波センサの配置例を示した図である。

【図4】図４は、第１の実施形態にかかる制御装置及び超音波センサアレイの機能構成の一例を示す図である。

【図5】図５は、第１の実施形態にかかる送信用超音波センサと、複数の受信用超音波センサと、の位置関係を示した図である。

【図6】図６は、直線状に配置した受信用超音波センサが反射波を受信する際のイメージを例示した図である。

【図7】図７は、第１の実施形態にかかる超音波センサアレイの処理を示したフローチャートである。

【図8】図８は、第１の実施形態にかかる制御装置の処理を示したフローチャートである。

【図9】図９は、第２の実施形態の制御装置及び超音波センサアレイの機能構成の一例を示す図である。

【図10】図１０は、第２の実施形態の送信用超音波センサと受信用超音波センサとの位置関係による直接波と反射波との経路の差を例示した図である。

【図11】図１１は、第２の実施形態の送信用超音波センサと受信用超音波センサとの位置関係による直接波と反射波との経路の差を例示した図である。

【図12】図１２は、第３の実施形態の超音波センサアレイの複数の超音波センサ群の超音波センサの配置例を示した図である。

【図13】図１３は、第５の実施形態の超音波センサアレイの複数の超音波センサ群の超音波センサの配置例を示した図である。

【図14】図１４は、第６の実施形態の制御装置及び超音波センサアレイの機能構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下に添付図面を参照して、情報処理装置、測距システムの実施形態を詳細に説明する。

【0009】

図１は、第１の実施形態にかかる超音波測距システムを例示した図である。図１に示される例では、荷役ロボット１００と、移動ロボット１５０と、を備えている。荷役ロボット１００は、制御装置１０１と、超音波センサアレイ１０２と、を備えることで、周辺に存在する物体（例えば、作業者１６１）を検出することができる。同様に、移動ロボット１５０は、制御装置１５１と、超音波センサアレイ１５２と、を備えることで、周辺に存在する物体（例えば、作業者１６０）を検出することができる。

【0010】

以下に示す例では、荷役ロボット１００の構成及び制御について説明するが、移動ロボット１５０についても同様とする。

【0011】

荷役ロボット１００は、基台１００Ａと、基台１００Ａに支持されたアーム部１００Ｂと、アーム部１００Ｂの先端に設けられた把持部１００Ｃとを備える。基台１００Ａは、床面Ｇに固定された筐体である。

【0012】

アーム部１００Ｂは、一例として多関節ロボットアームである。アーム部１００Ｂは、把持部１００Ｃによって保持された物品を上下方向に移動する動作、及び水平方向に移動する動作を実行可能に構成されている。

【0013】

アーム部１００Ｂの先端には、把持部１００Ｃが取り付けられている。把持部１００Ｃは、物品を挟み込んで把持する。以下、把持部１００Ｃによって物品を把持する動作、又は物品を把持する動作及び当該物品をアーム部１００Ｂによって目的位置まで移動する動作を「ピッキング」ともいう。なお、アーム部１００Ｂや把持部１００Ｃには、物品のピッキング状態を検出するためのセンサ装置（例えば、接触センサ、重量センサ等）が設けられているものとする。

【0014】

超音波センサアレイ１０２は、アーム部１００Ｂの上部の把持部１００Ｃ近傍に設けられ、把持部１００Ｃの対象物を含む周囲に存在する物体を検出する。

【0015】

制御装置１０１は、超音波センサアレイ１０２の検出結果に基づいて、荷役ロボット１００の動作を制御する。

【0016】

なお、本実施形態では、制御装置１０１を荷役ロボット１００と別体としたが、荷役ロボット１００と制御装置１０１とを一体的に構成する形態としてもよい。

【0017】

図２は、第１の実施形態にかかる制御装置１０１と、超音波センサアレイ１０２と、のハードウェア構成を例示した図である。

【0018】

図２に示すように、制御装置１０１は、プロセッサ２０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）２０３、センサインタフェース２０４、荷役装置インタフェース２０５及び記憶部２０６を備える。

【0019】

プロセッサ２０１は、制御部及びコンピュータの一例である。プロセッサ２０１は、制御装置１０１の動作を統括的に制御する。プロセッサ２０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等によって実現することができる。

【0020】

ＲＯＭ２０２は、プロセッサ２０１が実行する各種のプログラムや設定情報等を記憶する。ＲＡＭ２０３は、プロセッサ２０１のワークエリアとして使用される。

【0021】

センサインタフェース２０４は、接続部の一例である。センサインタフェース２０４は、超音波を送信する送信用超音波センサと超音波を受信する複数の受信用超音波センサとで構成される超音波センサアレイ１０２を接続するための通信インタフェースである。センサインタフェース２０４は、超音波センサアレイ１０２と通信可能に接続され、プロセッサ２０１の制御の下、自装置と超音波センサアレイ１０２との間の通信を制御する。

【0022】

例えば、プロセッサ２０１は、センサインタフェース２０４を介して、超音波センサアレイ１０２から送信される、対象物に反射することで受信した超音波を示した受信信号を取得する。

【0023】

荷役装置インタフェース２０５は、荷役ロボット１００を接続するための通信インタフェースである。荷役装置インタフェース２０５は、荷役ロボット１００と通信可能に接続され、プロセッサ２０１の制御の下、制御装置１０１と荷役ロボット１００との間の通信を制御する。

【0024】

例えば、プロセッサ２０１は、荷役装置インタフェース２０５を介し、荷役ロボット１００の動作を制御する。また、プロセッサ２０１は、荷役装置インタフェース２０５を介して、荷役ロボット１００のピッキング状態を示すセンシング結果を取得する。

【0025】

記憶部２０６は、例えば、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子やハードディスク等の補助記憶装置によって実現される。記憶部２０６は、プロセッサ２０１が実行する各種のプログラムや設定情報等を記憶する。また、記憶部２０６は、荷役ロボット１００の上下方向及び水平方向の移動限界位置や、荷役ロボット１００の可動範囲、荷役ロボット１００が把持可能な物品の寸法の上限及び下限等を示した限界情報を記憶する。かかる限界情報は、例えば、後述する移動計画の導出に用いられる。

【0026】

超音波センサアレイ１０２は、複数の超音波センサ群２５１と、制御部２５２と、インタフェース２５３と、を備えている。インタフェース２５３は、制御装置１０１と接続するためのインタフェースとする。

【0027】

図３は、第１の実施形態にかかる超音波センサアレイ１０２の複数の超音波センサ群２５１の超音波センサの配置例を示した図である。図３に示されるように、送信用超音波センサ３０１と、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９と、が配置されている。送信用超音波センサ３０１は、制御部２５２からの検出開始の要求を受け付けた場合に、送信信号を生成し、当該送信信号に従って振動することで、送信信号である超音波を空気中に出力する。受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９は、空気中の振動を電位に変換して、（図示しない）受信バッファに格納する。そして、制御部２５２は、受信バッファに格納された情報を、受信した超音波を示した受信信号として、制御装置１０１に送信する。なお、本実施形態は、送信用超音波センサ３０１と、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９と、をそれぞれ別に設けて、送信と受信とを同時に実行可能な例について説明するが、送信と受信とを行う超音波センサを設けてもよい。

【0028】

図３に示されるように、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９は、直線状に配置されている。送信用超音波センサ３０１は、超音波センサアレイ１０２の中心近傍に配置されている。そして、本実施形態では、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々は、送信用超音波センサ３０１から送信された直接波を受信する。受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９は、送信用超音波センサ３０１との配置に応じて、直接波を受信する時間帯が異なる。そこで、本実施形態においては、送信用超音波センサ３０１との配置に応じて、ゲインを調整することとした。

【0029】

図２に戻り、超音波センサアレイ１０２の制御部２５２は、超音波センサアレイ１０２全体を制御する。例えば、送信用超音波センサ３０１から超音波を送信するよう制御する。送信を開始するための制御は、どのような手法でも良く、例えば、制御装置１０１からインタフェース２５３を介して検出開始の要求を受信した場合等が考えられる。また、制御部２５２は、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９が超音波を受信した場合に、受信した超音波を示した受信信号を、制御装置１０１に送信するよう制御する。

【0030】

図４は、第１の実施形態にかかる制御装置１０１及び超音波センサアレイ１０２の機能構成の一例を示す図である。

【0031】

図４に示されるように、超音波センサアレイ１０２は、送信制御部４５１と、信号受信制御部４５２と、を備えている。これら機能部の一部又は全ては、制御部２５２が、図示しないメモリ上に記憶されたプログラムを実行することで実現されるソフトウェア構成であってもよい。また、上述した機能部の一部又は全ては、制御部２５２が備える専用回路によって実現されるハードウェア構成であってもよい。

【0032】

送信制御部４５１は、送信信号の生成し、送信用超音波センサ３０１に送信信号を出力する。また、送信制御部４５１は、送信用超音波センサ３０１が送信信号を出力するタイミングを、制御装置１０１に出力する。

【0033】

信号受信制御部４５２は、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９が受信した、空気中の振動を電位に変換し、出力された送信信号が対象物に反射して受信された結果を示した受信信号として、制御装置１０１に出力する。

【0034】

制御装置１０１は、取得部４０１と、ゲイン調整部４０２と、測距部４０３と、ゲイン決定部４０４と、時間帯算出部４０５と、通信制御部４０６と、を備えている。これら機能部の一部又は全ては、プロセッサ２０１が、ＲＯＭ２０２又は記憶部２０６に記憶されたプログラムを実行することで実現されるソフトウェア構成とする。また、上述した機能部の一部又は全ては、プロセッサ２０１が備える専用回路によって実現されるハードウェア構成であってもよい。このように、本実施形態においてはプロセッサ２０１が制御部の一例として機能する。

【0035】

また、制御装置１０１の記憶部２０６は、位置情報記憶部４２１を記憶する。

【0036】

位置情報記憶部４２１は、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々の位置情報と、送信用超音波センサ３０１の位置情報と、の間の相対的な位置情報を記憶する。また、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々と、送信用超音波センサ３０１と、間の相対的な位置を特定可能な情報であれば良く、例えば、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々の位置情報と、送信用超音波センサ３０１の位置情報と、を記憶してもよい。

【0037】

取得部４０１は、センサインタフェース２０４に接続された超音波センサアレイ１０２から、送信用超音波センサ３０１が超音波を送信したタイミングを取得する。さらに、取得部４０１は、超音波センサアレイ１０２の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々が受信した複数の受信信号と、を取得する。

【0038】

時間帯算出部４０５は、送信したタイミングと、位置情報記憶部４２１に記憶された位置情報と基づいて、送信用超音波センサ３０１から複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々に直接波が入力される時間帯を算出する。

【0039】

図５は、第１の実施形態にかかる送信用超音波センサ３０１と、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９と、の位置関係を示した図である。図５に示されるように、受信用超音波センサ３５１＿４は、送信用超音波センサ３０１から、経路５０１に沿って直接波が入力される。一方、受信用超音波センサ３５１＿７は、送信用超音波センサ３０１から、経路５０２に沿って直接波が入力される。このように、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々は、直接波が入力されるタイミングが異なる。そこで、本実施形態では、時間帯算出部４０５が、直接波が送信されたタイミングと、位置情報記憶部４２１に記憶された位置情報と基づいて、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々について、直接波の入力開始から入力終了するまでの時間帯を算出することとした。

【0040】

時間帯算出部４０５は、送信用超音波センサ３０１と、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９と、の相対的な位置情報から、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々にて直接波を受信する時間帯（例えば、受信開始時刻及び受信終了時刻でもよい）を算出する。送信用超音波センサ３０１が直接波を出力してから複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々が受信するまでの遅延時間Ｔ_iは、下記の式（１）から算出できる。なお、数値ｉは、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９を識別する番号とする。距離Ｄ＿ｉは、ｉ番目の受信用超音波センサ３５１＿ｉと、送信用超音波センサ３０１の間の距離とし、音速ｃとする。音速ｃは、固定の値を使用してもよいし、周辺の温度を参照して、動的に値を変更してもよい。

【0041】

Ｔ＿ｉ＝Ｄ＿ｉ／ｃ…… （１）

【0042】

時間帯算出部４０５は、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々の遅延時間Ｔ＿ｉ、及び送信用超音波センサ３０１の送信開始タイミングと送信終了タイミングと、から、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々に直接波が入力される時間帯を特定できる。

【0043】

ゲイン決定部４０４は、時間帯算出部４０５によって算出された直接波が入力される時間帯（直接波を受信開始してから受信終了するまでの時間帯）について、他の時間帯よりゲインが小さくなるようにゲインを決定する。例えば、ゲインの範囲は、０～１とする。

【0044】

本実施形態では、ゲイン決定部４０４は、時間帯算出部４０５によって算出された直接波が入力される時間帯のゲインを“０．１”とし、その他の時間帯のゲインを“１”と設定する。なお、本実施形態は、ゲインの値の例を示したもので、他の値であってもよい。さらには、ゲインは固定の値に制限するものではなく、例えば、送信用超音波センサ３０１と受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９との距離に応じて変更してもよい。

【0045】

ゲイン調整部４０２は、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々が受信した複数の受信信号のうち、直接波が入力される時間帯に入力された、複数の受信信号に対して、他の時間帯より低い値“０．１”でゲイン調整を行う。本実施形態においては、直接波が入力される時間帯に入力された複数の受信信号に対して、“０．１”を乗算する。

【0046】

これにより、当該直接波が入力される時間帯に、直接波と反射波とが重畳された波を受信したとしても、受信可能な範囲で受信信号を得ることができる。

【0047】

測距部４０３は、ゲイン調整部４０２によってゲイン調整された受信信号に基づいて、超音波センサアレイ１０２と対象物との方向及び距離、換言すれば対象物の位置を算出する。

【0048】

本実施形態の測距部４０３は、直線状に設置された受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９を用いたビームフォーミングを実施することで、反射波の受信方向を推定する。

【0049】

本実施形態では、受信信号（反射波）に対して、ビームフォーミング法を用いた演算を実施することで、超音波の反射地点の位置を算出する。

【0050】

図６は、直線状に配置した受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９が反射波を受信する際のイメージを例示した図である。図６に示されるように、反射波を平面波と仮定した場合、測距部４０３は、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９間の距離ｄ_０と音速ｃとを用いて、下記の式（２）から、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９間の遅延時間ｔ＿０を算出できる。角度θとは、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９が直線上に並べられた方向と、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９のうち基準となるいずれか一つの超音波センサから目的地までの方向と、の間の角度とする。

【0051】

ｔ＿０＝ｄ＿０・ｓｉｎθ／ｃ……（２）

【0052】

ビームフォーミング法を用いた演算を行う方向ごとに、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の遅延時間ｔ＿０を求め、各受信信号に対して求めた遅延時間ｔ＿０だけ遅延させた信号全てを加算することで、方向毎の受信信号を生成する。

【0053】

そして、測距部４０３は、方向毎に生成された受信信号のうち、信号強度が強い信号に対応する方向が反射物の存在する方向として推定する。また、測距部４０３は、送信用超音波センサ３０１が超音波を出力した時刻から、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々が受信した時刻に基づいて、反射物が存在する距離を推定する。反射物が存在する方向及び距離から、反射物が存在する位置を特定できる。

【0054】

通信制御部４０６は、測距部４０３の処理結果を、荷役装置インタフェース２０５を介して、荷役ロボット１００に送信する。通信方法として、無線の方法を用いてもよく、例えば、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）、Bluetooth（登録商標）、ＵＷＢ(Ultra Wide Band)などを用いてもよい。

【0055】

図７は、第１の実施形態にかかる超音波センサアレイ１０２の処理を示したフローチャートである。

【0056】

まず、送信制御部４５１は、制御装置１０１から検出開始の要求を受け付けた場合に、送信信号を生成する（Ｓ７０１）。送信信号としては、例えば、受信信号から、送信信号の減算が容易な特定周波数の正弦波を複数回繰り返した信号が考えられる。送信制御部４５１は、送信信号を送信するタイミングを、制御装置１０１に出力する（Ｓ７０２）。送信信号を送信するタイミングの出力は、送信信号を送信する毎でもよいし、まとめて（例えば、開始時刻及び送信間隔等で）もよい。

【0057】

そして、送信制御部４５１は、送信用超音波センサ３０１から、送信信号を送信する（Ｓ７０３）。

【0058】

信号受信制御部４５２が、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９を介して、反射波を受信する（Ｓ７０４）。なお、受信した反射波には、直接波が重畳されている可能性がある。

【0059】

そして、信号受信制御部４５２が、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９各々の複数の受信信号を、制御装置１０１に出力する（Ｓ７０５）。その後、制御部２５２は、所定時間経過したか否かを判定する（Ｓ７０６）。所定時間を経過していないと判定した場合（Ｓ７０６：Ｎｏ）、所定時間が経過するまで待機する。

【0060】

一方、制御部２５２は、所定時間を経過したと判定した場合（Ｓ７０６：Ｙｅｓ）、Ｓ７０３から再び処理を行う。

【0061】

本実施形態においては、上述した処理を行うことで、制御装置１０１に対して定期的に検出結果が送信されることになる。

【0062】

図８は、第１の実施形態にかかる制御装置１０１の処理を示したフローチャートである。

【0063】

まず、取得部４０１は、超音波センサアレイ１０２が送信信号を送信するタイミングを取得する（Ｓ８０１）。

【0064】

次に、時間帯算出部４０５は、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の相対的な位置情報、及び送信用超音波センサ３０１の送信信号を送信するタイミングと、に基づいて、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々が直接波を受信する時間帯を取得する（Ｓ８０２）。

【0065】

ゲイン決定部４０４は、時間帯算出部４０５によって算出された直接波を受信する時間帯について、ゲインを決定する（Ｓ８０３）。本実施形態では、当該時間帯のゲインを“０．１”に決定する。

【0066】

取得部４０１は、複数の超音波センサアレイ１０２の各々から、複数の受信信号を取得したか否かを判定する（Ｓ８０４）。取得していないと判定した場合（Ｓ８０４：Ｎｏ）、複数の超音波センサアレイ１０２の各々から取得するまで待機する。

【0067】

取得部４０１が、複数の受信信号を取得したと判定した場合（Ｓ８０４：Ｙｅｓ）、ゲイン調整部４０２が、直接波が入力される時間帯に入力された、複数の受信信号の各々に対して、他の時間帯より低い値（０．１）でゲイン調整を行う（Ｓ８０５）。

【0068】

測距部４０３は、ゲイン調整部４０２によってゲイン調整された複数の受信信号に基づいて、ビームフォーミングを実施し、対象物の位置を算出する（Ｓ８０６）。

【0069】

そして、通信制御部４０６が、測距部４０３のビームフォーミングによる算出結果（例えば、対象物の位置を示す情報）を、荷役ロボット１００に送信する（Ｓ８０７）。

【0070】

上述した処理によって、荷役ロボット１００は、対象物を考慮した制御を行うことができる。

【0071】

また、以下に示す例では、荷役ロボット１００の構成について説明したが、移動ロボット１５０の構成も同様の構成を備えているものとして説明を省略する。

【0072】

なお、本実施形態は、送信用超音波センサ３０１と、複数の受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９と、をそれぞれ別に設けて、送信と受信とを同時に実行可能な例について説明するが、送信と受信とを行う超音波センサをそれぞれ設けてもよい。

【0073】

本実施形態においては、直接波が入る時間帯において、ゲイン調整を行うことで、受信する信号の振幅が受信可能な範囲を超えることを抑止できる。

【0074】

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、直接波が入る時間帯にゲイン調整を行う際に、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９に同一の値でゲイン調整を行った。しかしながら、同一の値でゲイン調整する手法に制限するものではない。第２の実施形態は、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々についてそれぞれ異なるゲイン調整を行う例について説明する。

【0075】

図９は、第２の実施形態の制御装置１０１及び超音波センサアレイ１０２の機能構成の一例を示す図である。超音波センサアレイ１０２は第１の実施形態と同様とする。第１の実施形態と同様の構成については同一符号を割り当て、説明を省略する。

【0076】

制御装置１０１のプロセッサ９０１は、取得部４０１と、測距部４０３と、時間帯算出部４０５と、強度算出部９１１と、ゲイン決定部９１２と、ゲイン調整部９１３と、通信制御部４０６と、を備えている。本実施形態は、強度算出部９１１を追加した上で、第１の実施形態のゲイン決定部４０４と、ゲイン調整部４０２と、実行する処理が異なるゲイン決定部９１２と、ゲイン調整部９１３と、を備えている。

【0077】

図１０は、送信用超音波センサと受信用超音波センサとの位置関係による直接波と反射波との経路の差を例示した図である。図１１は、送信用超音波センサと受信用超音波センサとの位置関係による直接波と反射波との経路の差を例示した図である。

【0078】

図１０で示される直接波の経路１００１と、反射波の経路１００２との間の経路差は、図１１で示される直接波の経路１１０１と、反射波の経路１１０２との間の経路差と比べて小さくなる。

【0079】

このように、図１０及び図１１で示される例では、同一の反射物１０５１に対して、受信用超音波センサ３５１＿１及び受信用超音波センサ３５１＿９の位置関係に基づいて、直接波と反射波の経路差が異なる。

【0080】

これにより、図１０で示される左端の受信用超音波センサ３５１＿１は、直接波と反射波の経路差が小さくなり、直接波と反射波が重畳する。一方、図１０で示される右端の受信用超音波センサ３５１＿９は、直接波と反射波の経路差が大きくなるため、直接波と重畳しない。

【0081】

このように、受信用超音波センサと反射物（対象物）との位置関係により、直接波と反射波の重畳度合いが異なる。さらには、受信用超音波センサと送信用超音波センサとの位置関係に応じて、受信用超音波センサが受信する直接波の強度も異なる。例えば、送信用超音波センサ３０１に近いほど、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々が受信する直接波の信号強度が強くなる。そこで、本実施形態では、受信用超音波センサ毎に、ゲインの値を調整することとした。

【0082】

一般的に超音波センサは、指向性があり、前方が最も受信感度が高く、側方に行くほど受信感度が低くなる。送信用超音波センサ３０１と受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の位置関係から、直接波と反射波との受信強度を算出する。そして、直接波より反射波の強度が高い場合に、その差に応じてゲインを１に近づける制御を行う。これにより、直接波の影響を抑制できると共に、反射波による測距精度を向上させることができる。本実施形態では、送信用超音波センサ３０１との相対的な位置に応じて、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々のゲインの値を設定する。

【0083】

強度算出部９１１は、位置情報記憶部４２１に記憶されている、送信用超音波センサ３０１と、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々と、の間の相対的な位置情報に基づいて、ゲインの強度（ゲインの値）を算出する。例えば、送信用超音波センサ３０１に最も近い受信用超音波センサ３５１＿５に対して、最もゲインの値（例えば、０．１）を小さくし、送信用超音波センサ３０１から遠くなるに従って、ゲインの値を大きくし、送信用超音波センサ３０１から最も遠い受信用超音波センサ３５１＿１、３５１＿９に対して最もゲインの値（例えば、０．３）を大きくする等が考えられる。これにより、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々が受信する直接波の信号強度に応じたゲイン調整が可能となる。つまり、直接波の影響を抑制して、精度の良い測距を実現できる。さらには、強度算出部９１１は、推定された反射物（対象物）と受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９との相対的な位置に基づいて、次回以降の対象物の検出に用いられる受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の各々のゲインの強度（ゲインの値）を調整しても良い。

【0084】

（第３の実施形態）
上述した実施形態では、超音波センサアレイ１０２に配置された受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の配置パターンが図３の場合について説明した。しかしながら、受信用超音波センサ３５１＿１～３５１＿９の配置パターンを図３に制限するものではない。そこで、第３の実施形態では、受信用超音波センサの配置パターンが異なる例について説明する。なお、超音波センサアレイ以外の構成は、上述した実施形態と同様として説明を省略する。

【0085】

図１２は、第３の実施形態の超音波センサアレイ１２００の複数の超音波センサ群の超音波センサの配置例を示した図である。図１２に示されるように、送信用超音波センサ１１５１と、受信用超音波センサ群１１６１～１１６４と、を備えている。受信用超音波センサ群１１６１～１１６４は、受信用超音波センサを、直線状のアレイ且つ当該直線状のアレイが直交するよう配置し、換言すれば十字状（クロス）に配置する。

【0086】

ビームフォーミングは、受信用超音波センサを直線上に設置した軸の到来方向しか判断できない。そこで、第３の実施形態のように、受信用超音波センサを十字状に配置することで、対象物の位置を２軸方向で推定できる。

【0087】

このような実施形態においても、上述した実施形態と同様のゲイン調整を行う。これにより、受信する信号の振幅が受信可能な範囲を超えることを抑止できるため、対象物の検出精度を向上させることができる。

【0088】

（第４の実施形態）
上述した実施形態では、ゲインの値が予め定められている例について説明した。しかしながら、上述した実施形態は、超音波センサアレイ１２００の受信用超音波センサ群１１６１～１１６４の受信用超音波センサ毎に、ゲインの値を予め決定する手法に制限するものではない。そこで、第４の実施形態では、複数の受信用超音波センサ群１１６１～１１６４が受信した、群毎の受信信号の合計値に基づいて、受信用超音波センサ群１１６１～１１６４毎にゲイン値を、決定する例とする。

【0089】

本実施形態のゲイン決定部４０４は、取得部４０１が取得した複数の受信用超音波センサ群１１６１～１１６４の受信信号の合計値に基づいて、受信用超音波センサ群１１６１～１１６４の群毎にゲインの値を決定する。つまり、受信用超音波センサの受信信号単体では測距するための情報として使用できない場合でも、群単位で受信信号を解析することで、測距するための情報として使用可能となる。そして、ゲイン調整部４０２は、ゲイン決定部４０４により決定された、群毎のゲインの値に従って、ゲイン調整を行う。

【0090】

本実施形態では、超音波センサアレイ１２００が備える受信用超音波センサ群１１６１～１１６４の各々について、群単位でゲインを決定することで、受信用超音波センサの間隔が大きいことや、受信用超音波センサの数が少ないことによる虚像の発生を抑止し、分解能の低下を抑止し、測距性能を向上させることができる。

【0091】

（第５の実施形態）
第５の実施形態では、超音波センサアレイの異なる例について説明する。

【0092】

図１３は、第５の実施形態の超音波センサアレイ１３００の複数の超音波センサ群の超音波センサの配置例を示した図である。図１３に示される例では、複数の送信用超音波センサ１３０１～１３０４と、複数の受信用超音波センサ群１３５１～１３６２と、を備えている。複数の受信用超音波センサ群１３５１～１３６２は、複数の信用超音波センサが、直交する２軸方向の各々に直線状に複数配置された、田の字状の配置である。

【0093】

本実施形態においては、受信用超音波センサ群１３５１～１３６２のように、直線状のアレイを複数配置することで、直接波や不要物による反射の影響が少ないアレイを確保することができ、精度の良い測距を実現することができる。

【0094】

本実施形態の超音波センサアレイ１３００の送信制御部４５１は、複数の送信用超音波センサ１３０１～１３０４のうち、所定の条件に応じて、送信信号を出力する送信用超音波センサを切り替える。

【0095】

送信用超音波センサを切り替える所定の条件としては、例えば、超音波センサアレイ１３００と対象物との相対的な位置関係が考えられる。つまり、対象物の位置が一定の場合でも、送信用超音波センサの位置によって、直接波と反射波の重畳の時間や受信する信号強度が異なる。そこで、本実施形態では、送信信号を出力する送信用超音波センサ１３０１～１３０４を切り替えることで、固定のセンサ位置では測距できなかった範囲に関して、測距することが可能となる。

【0096】

さらには、送信信号を出力する送信用超音波センサ１３０１～１３０４に応じて、受信する受信用超音波センサを、受信用超音波センサ群１３５１～１３６２から選択してもよい。例えば、送信信号を出力する送信用超音波センサと距離が離れた受信用超音波センサ群を受信するように選択することで、直接波の影響を抑止できる。

【0097】

例えば、送信用超音波センサ１３０１が送信信号を出力する場合には、受信用超音波センサ群１３５２、１３５３、１３６０、１３６２を受信に用いる等が考えられる。

【0098】

（第６の実施形態）
図１４は、第６の実施形態の制御装置１０１及び超音波センサアレイ１３００の機能構成の一例を示す図である。超音波センサアレイ１３００は第５の実施形態と同様とする。上述した実施形態と同様の構成については同一符号を割り当て、説明を省略する。

【0099】

制御装置１０１のプロセッサ１４０１は、取得部４０１と、測距部４０３と、時間帯算出部４０５と、強度算出部９１１と、ゲイン決定部１４１１と、ゲイン調整部１４１２と、通信制御部４０６と、を備えている。本実施形態は、第２の実施形態のゲイン決定部９１２とゲイン調整部９１３と実行する処理が異なるゲイン決定部１４１１と、ゲイン調整部１４１２と、を備えている。さらに、記憶部２０６に、非対象物記憶部１４２１を備えている。

【0100】

非対象物記憶部１４２１は、測定対象外であって、超音波センサアレイ１３００及び荷役ロボット１００の周囲に存在する測定非対象物の位置情報を記憶する。測定非対象物としては、例えば、床、壁、荷役ロボット１００の把持部１００Ｃ等が考えられる。

【0101】

ゲイン決定部１４１１は、測定非対象物の位置情報と、受信用超音波センサ群１３５１～１３６２の位置情報と、送信用超音波センサ１３０１～１３０４の位置情報と、に基づいて、測定非対象物から反射波を受信する時間帯と、反射波の信号強度と、を算出し、算出した時間帯において、反射波の信号強度に対応したゲインの値に決定する。例えば、算出した時間帯のゲインの値を、他の時間帯より小さくすることが考えられる。そして、ゲイン調整部４０２は、当該算出された時間帯において、決定されたゲインの値に基づいたゲイン調整を行う。これにより、測定非対象物による反射の影響を抑制することができる。

【0102】

上述した実施形態においては、送信用超音波センサと受信用超音波センサとの間の相対的な位置関係に応じて、ゲインを調整することとした。これにより、直接波が入る時間帯において、受信する信号の振幅が受信可能な範囲を超えることを抑止できる。これにより、受信信号に基づいた測距精度を向上させることができる。

【0103】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0104】

１００…荷役ロボット、１００Ａ…基台、１００Ｂ…アーム部、１００Ｃ…把持部、１０１…制御装置、１０２…超音波センサアレイ、１５０…移動ロボット、１５１…制御装置、１５２、１２００、１３００…超音波センサアレイ、２０１、１４０１…プロセッサ、２０４…センサインタフェース、２０５…荷役装置インタフェース、２０６…記憶部、２５１…超音波センサ群、２５２…制御部、２５３…インタフェース、３０１、１１５１、１３０１～１３０４…送信用超音波センサ、３５１＿１～３５１＿９…受信用超音波センサ、４０１…取得部、４０２、９１３、１４１２…ゲイン調整部、４０３…測距部、４０４、９１２、１４１１…ゲイン決定部、４０５…時間帯算出部、４０６…通信制御部、４２１…位置情報記憶部、４５１…送信制御部、４５２…信号受信制御部、９１１…強度算出部、１１６１～１１６４、１３５１～１３６２…受信用超音波センサ群、１４２１…非対象物記憶部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】