移動ロボット用超音波センサの高性能化に関する研究

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移動ロボットには、障害物や通路の発見などのために、外界認識用センサが必要である。中でも、超音波センサは小型でかつ対象物までの距離計算が簡単なため、非常によく用いられている。現在用いられている多くの超音波センサシステムでは、送信器に比較的長いバースト波を加えて超音波パルスを発射してから、対象物から戻ってくる反射波の振幅がある一定の閾値を越える時点までの時間を測ることによって、対象物までの距離を計算している。このタイプのシステムでは、(1)送信時間が長いため距離の測距ができない,(2)送信波形の立ち上がりが遅いため測距誤差が生じやすい,(3)閾値が一定のため測距可能範囲が狭い等の問題点がある。本研究では、これらの問題点を改善すべく従来の送受信回路を改良し、より高性能な新しい超音波センサシステムを開発することを目的とした。まず、近距離の測距を可能とし誤差も減少させるために、送信には高電圧単一パルスを用いた。また、受信部では閾値を時間的に変化させ、近距離のノイズに強く遠距離までの測距を可能とした。このような方針で実際の電子回路を設計し、基礎データ取得のための実験用試作システムを製作した。本システムは、送信回路に直流高電圧を供給する高電圧電源部,蓄えた電荷を送信器に加えて超音波を発射する送信回路部,受信波の増幅-閾値のコントロール-比較を行う受信回路部から構成される。本システムの有効性を検証するために、まず反射対象物の大きさと測距可能距離の関係を調べた。その結果、本システムではより小さな対象物をより遠方まで検出可能であり、測定誤差も小さいことがわかった。次に、試作したシステムを申請者らが所有する自立型の移動ロボットに搭載して実際の室内環境における環境認識実験を行った結果、本システムでは対象物が検出可能な指向角も広く、障害物の検知能力が向上していることが確認された。