音 響 映 像 に よ る物 体 認 識 の 一 手 法
大木
誠・山崎
貴史 ,大北
正昭
鳥取大学工学部電気電子工学科
A Method of Ottect Recognition by Acoustic IIllaging
Makoto OHKI,Takashi YAMASAKI and Mttaaki OHKITA
Deparmcnt Of Electtal and Electronic Engincettng,Faculty of Engineettng,
Totto University9Totto ,680-8552 Japan
―
uoacjpAbstract:An autonomous mobile robot uses lnany kind of sensors to detect obstacles and recognize the environmcnt.As such sensors,CCD cameras,ultrasonic sensors,leaser pointers are usually used.We have developed an obieCt recog tion using ultrasonic sensors as one ofthe enviromental rec6gnition in an autonomous mobile robot.In the previous studttwe proposed a method that utilizes phase information and bcamforming.However,in such a method,an obiect iS nOt clearly recog zed, because the real renected pOint is not always located on the sensor's line― of‐sight, In this paper,we propose a new method
considering the inclination of reflection as one ofthe beamforH ng.The inchnation of reflection is calculated fron the difference of the propagation time,
Key words:Autonomous mobile robot,ultrasonic sensor,phase information,beanfor■ linginclination of renectiOn.
1.は
じめ に 現 在,我
々 は,屋
内環境 を走行 する 自律 移動 ロ ボッ トの研究 を行 つてい る。 この ような走行 ロボ ッ トが自律的 に走行するには,前
方に存在 す る人 や荷物な どの物体 を認識 する必要があ り, この よ うな屋内環境 での物体認 識の手法 としては,画
像 処理 による手 法,超
音波 や レーザ等 を用い た距離 計測 を行 う手法等 がある。カメラ画像 を用 いた画 像処 理の手法 では,光
源 の影響 を受けやす く,レ
ーザ を用 いた場合 は,構
造が複雑 で大型化 して し まうなどの問題点がある。 しか し超音波セ ンサに おい ては,他
のセ ンサ と比べ て小 型,軽
量,構
造 が単純で,光
の影響 を受 けないなどの特徴 を持 つ。 そこで我 々は,超
音波 を用い た物体認識の手法 に つい て検 討す る。超音波 を用 いた手法 には,ホ
ロ グラ フイの原 理[1][2]を応 用 した手法や,直
交関数 による変調波 を用いる手法[3〕が提案 され てい る. しか し, これ らの手法で は,ア
レイ状 に配置 され た多 数の センサが必要 とな り,そ
のため解析時間 が増大 し,自
律移動 ロボ ツ トの環境認識 には不向 きで ある。屋 内走行 を前提 と した 自律 移動 ロボッ トの環境 認識 には,障
害物の細か な形状 について の情 報 よ りも,障
害物の大 まかな形状,そ
の障害 物 までの距離 などの情報 が重 要で ある と考 え られ る。 そこで,比
較 的少 ない送波子 ならびに受波子 を一次元的に配置 し,簡
易 なセ ンサ・アレイか ら得 られ た観測波形に指向性形成 を用 い,物
体認識 を 行 う手法 につ いて検討 して きた。 しか しなが ら, 以前用い ていた指 向性形成で は虚像の分別 が不完 全で あった。本報 告では,で
きるだけ解析 時間を 短縮 す るため に,以
下に述べ るアルゴ リズ ムに基 づ き領域 を限定す る.ま
た,そ
の 限定 された範囲 内で像強度 を求め,さ
らに求 めた像強度の中か ら 虚像 を取 り除 くため に,対
象物体の傾 きを考慮 し, 像再生 を行 う方法 について検討す る。2.音
響 映像 アル ゴ リズ ムの原 理 本論 文で提案す る音 響波 を用い た物体 認識の手 法は,一
次元 的に複数の送波子お よび受波 子か ら なるセ ンサ。アレイ を構成する。その送波子か ら音 響波 を照射 し,物
体点で散乱・反射 したのち,受
波 子 におい て観 測 された波 か ら得 られる位相 な らび に距離情報 を用い る。その情報か ら解析領域 を限 定 して解析時 間を短縮 し,像
強度 を求 め,そ
の求 めた像強度の中か ら虚像 を取 り除 く。 ここではそ の原理について述べ る。2.1
セ ンサ ア レイの構 成 音響 波を用いた環境認識の手法 としては,送
・受 波子 を一対 と して取 り扱 う相関μ][5]を用 いた手法 などが ある。この手法 を用いた場合,送
・受波子 一 対で 一つ のデータ として扱 うため,セ
ンサ正面付 近の物体 しか認識 できず,広
範囲の物 体認識が不 可能 であ る。 その ため自律移動 ロボッ トヘ搭載す るには,多
数 のセ ンサが必要 となる。 そこで我々 は,複
数 の送・受波 子か らな るセンサ・アレイを構 成 し,各
受波子で受信 した複 数のデー タを用いて 解析す ることによ り物体認識 を行 う。図11こセ ンサ・ アレイの構成を示す.一
次元 方向に送・受波子 を配 置 してセンサ 。アレイ を構成 し,送
波子か ら発射 し た音響波が物体で散乱・反射 し,受
波子で観測 され る。 この観測 された位相情報 に基づいて,以
下の アルゴリズムを用いることにより物体認識 を行 う。ぼ
ψ
ψ 匈
図1
センサ・アレイの配置2.2
無物体領域 の限定 あ る送波子Si=(si,0)か
ら発射 された音響波二
穂
巻
春
:￨二
ど
号
デ
ご
Jご
::子ぞ
身
:争
そ
ヨ
患
ことに よ り,伝
搬距離Lijを求め ることがで きる。 L = この とき,観
測 された波形の立ち上が り時刻以前 に音響波 が伝搬 していることはないので,こ
の伝 搬距 離 よ りも近い位置に物体 は存在 しない。そこ で,各
送・受波子 の組み合わせ において,そ
れぞれ 式 (2)の 楕 円で表 された曲線の内側には物体 がな い と考えられる。 y2 この 領域 を無 物体 領域 と呼ぶ ことにす る。今後, この領域 につ いては物体 が存在 しない もの として, 解析 す る領域 を限定す る。図21こその概要 を示す。 図2
無物体領域の限定2,3
解析 方 向の限定 無物体 領域 の外側で,解
析 方向 を限定す る。こ れに より必要 な像候補点 のみ計算す れば よいので, 像強度の計算時間を短縮で きる。 図3で示す ように,同
一 θ方向に存在する像候補 点の像強度 を重ね合わせ る。重ね合わせた像強度 が比較的強い θ方 向のみ物体認識 を行 う。 このよ うに解析 すべ き物体 方向の限定 を行 うこ とによ り, 計算 する像候 補点 を減 らすことがで きる。ここで, 像強度の計算 には,あ
る送波子 に対す る各受波子宅
響
馨
寝
桑
栃
探
覆
籍
『た
畜
亀
i、辱
後
爵
懃
死
挺
怒
泳
今
琴烏
徴尊贄ど酵を
手
る像強度の重ね合わせ を次式のように定義する。α
e=Σ
ij,Lj1+cos(ω L ij(L oP, o)/2-φ ") (3)
た
こ
ご
琉
端 靴
,縛
子
余
載、
プ
室
i)をζ
ミ
Zヨ
皇
:皇
Ⅲ
毛
宮
す
こ
と
鯉
tビヾ
:冴
静〆誰縛 振grよ
うに,原
点と物体候補点 _(f場.)2
=1 O)鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 30巻 L ij(L cP,0)=Vs子 -2siLoPcosO tt L許
+7f-2rjLcPcosO+L浄
図3
解析方向の限定2.4
有 限 長 パ ース ト波 に よ る解 析 領 域 の 限定 本 論文 では,送
波子か ら射 出す る音響波 にバー ス ト波 を用い る。 このバ ース ト波 の照射時 間を考 慮す るこ とに より,対
象 とす る解析領域 を限定す 亀講 舗 ξれ 轍!篭
黙i縣
鶴 樅 ほ バー ス ト波の先頭 から末尾の いず れかの時刻にお いて発射 されたものであ る。 したがってその時刻 にサ ンプルされた音響波 は,帯
状 の有 限領域内の いず れかで反射 されたこ とにな り,解
析すべ き領 域 を限定することがで きる。図4にその概要 を示す。 図4
有 限長バ ース ト波 に よる解析領域の限定 図4の大線 で挟 まれた領域毎に像 強度 を求め,各
々 の結 果 を重ね合わせるこ とで,領
域全 体の像強度 が求 まる。各サ ンプル時刻での解析領域の幅は, バース ト波の射出時間によって決まる。2. 5
受信波 の位相 に基づ く像強度 受 波子 で観 測 された波 形か らは,距
離情報 と各 時刻 での位相 情報 が得 られる。この位相情報 を用 いて,2.2,2.3,2.4で
限定 した範囲内で,そ
れぞ れの像候 補点 の像 強度 を求め る。 ここでは,各
受 波子 で観 測 した波形の相 対的 な位相のみに着 目す る。通常,音
響波 を用い てい る場 合には,空
気 中 を伝搬す るこ とに よる減衰 についても考慮 する必 要が あるが,本
手 法では波の振幅情報 を用 いない で位相情 報に着 目 して像 強度 を求める。空気中の 伝搬 による減衰は無視す るもの とする。送波子Siか ζ攪基 翼 線 と罵 こ鞠.魏
乳 翰 測ζ
j(t)=Sin(ω
t+φ
j)
。
)こ
こ
2よ
ヽ
三
ξ
ξ
二
を
する.ζ
も
(t)=Sin(ω
t―φも十
ILii) (6)
ここでcは
音 速 で ある。 各受 波子 か らの逆 伝搬 波 形 は,Siで合成 される。 この合成波の振 幅強度 は次 式で与 え られ る。膵転可
2.
e) ｒ ｌ Ｊ Ｔ 一 Ｐ β*畑
札
畔
叩
m菰
枷
d一悦
k一τ
L巧+τ
Lik)三
二
Bを 1忌
忌
を
含
二
阜
移
毯
鰈
1勇
為
iえ
F
繍【
筈
偲
壱
t離
ヨロした像強度 を次式でれ
た
‰ 名は
小
と
な
私
定義す る。 φ Ｏ Ｃ Ｆ ， 色 ｊ，ｋ Ｔ 一 ２ 〓 (7)where the head ofthe burst wave can rcach
Py(頭
―氏
)η
(P)=Σ
β
i(t)i (8)
2. 6
対 象 物 体 の傾 きを考慮 した 物 体 候 補 の限定 受信 された波形 におい て振 幅が比較 的強 く観測 され た点 は,壁
面 におい て鏡 面反射 された物,ま
たはその位置 に近 い点で反射 された物 として考 え られ る。 この ことより,観
測 された各波形 か ら基 準 となる壁面 の傾 きを想定 して各像候補点 ごとの 傾 きと比較 し,像
強度 を求める。2.6. 1
観測 された波形 か らの傾 き まず,各
受波子で観測 された波形の振幅が強 く 得 られる.こ
れ らの傾 きの平均 を取 り,そ
れを基 準の壁面の傾 きAsと定義する. 図5
観測波形か らの傾 き2.6.2
像候補点 にお ける傾 き 次 に図6に示 されるように,像
候補点Pで鏡面反 射 した と きの傾 きを送波子 の座標,受
波子 の座標 か ら式(10)の ように求めることができる. A可=
SiP(px―
rj)一PRj(py Si) (1。
) この と き
,像
候 補点 におけ る傾 きと基準 となる 傾 きの差 か ら次式 の よう に壁 面 の傾 きに よ る像 強 度 を定義す る。 Thc expected inchnationγ
=Σ
Σ
e IAs一
A可￨i j (11)
`ぃぃぃぃ
事 事
ギ
r◆
― ◆ -9-中 ●‐― ―●・ 中 ‐ ― t ― ◆ ― ―●‐― ‐ 中 ‐ 図6
像候補点における傾 き3.シ
ミュ レーシ ョンに よる検証3. 1
シ ミュ レー シ ヨンの概 要 前 章で述べ た音 響映像 アル ゴリズムの有 効性 を 検証 するため,計
算機上 でシ ミユ レー シ ョンを行 った。シ ミュ レー ションでは,あ
る送波子 か ら発 射 された音響波が ある物体点 で散 乱 し,受
波子 ま で伝搬 したときの伝搬距離か ら,受
波子で の音響 波の位相 を計 算す ることによって,得
られ た値 を 受波子 におい て得 られる位相 情報 とす る。 図 7に シミュレーシ ョンの流れを示す。 対 象 となる空間 (解析 領域 の範 囲内)に
おいて 像候 補点 を格 子状 に設定 し,各
像 候補 点について 上記 の位相情報 を用いて これ まで述べ た像 強度の 計算 を行 う。その概要 を図81こ示す。The expected inclination ぃ いい い
鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第30巻 ・送波子 か ら射出 された音響波は
,点
物体Pで
散 乱 し,受
波子 まで伝搬 する。このときの伝搬距 離 か ら受波 子で の音響波の位相 を計算 し,こ
の 値 を受波子において得 られる位相情報 とする. 。空間伝搬 による減衰は考えない物 とする。 ・対象 となる物体点の反射係数は1と する. 上記の条件 によリシミュレーシ ョンを通 じて,像
強度 の分 布な らび に物体位置 を変化 させた ときの 像強度の変化 につ いて検討す る。物体位置 を表す 座標の単位 は[m]である。3.3
シ ミュ レー シ ョンの結果 こ こで は,音
響 映像 アルゴ リズ ムの有効性 を検 証す るために シミュレー シ ョンを行い,得
られた 位相 情報 をもとに解析 した結果 を示す 。今 回提案 した対象物体 の傾 きを考慮 した物体候 補の限定の 有効 性 を調べ るために,以
前 の指 向性 形成 による 結果[6〕と今回提案 した手法の結果 を以下に示す。 図7
シ ミュ レー シ ョンプログラムの流れ :Transmitter : Receiver 図8
格子状 に配置 した像候補点の概要図3. 2
シ ミュ レー シ ョンの条件 今 回行 った シミュレー シ ョンの条件 を以下に示 す。 ・3個の送波子 と4個の受波子 を一次元状 に配置 し たセ ンサ・アレイを用いる。 ・送波子間隔 :0。204[m〕,受
波子間隔:0.102[m〕 ・対象物 体は,点
物体 を連続 的に配置 して大 きさ を持 った物体 として模擬する。 (幅35c m) 。対象空間は二次元空間とする。 ・対象物体に対 して周波数40kHzの 音響波 を照射 し, 反射 された波が受波子 に取 り込 まれ るものとす る 。団
画
禅
群
一一一斗
墓
一ふ一
十一一一一一
一工
一
十 ■ “ 苺¨一
工一
一一
一
一一一エ
千単一﹂
■ 子Ｉ 馨 ｉ手４一離
一諄一
鞘一学一繰
れ騨
■ 引甘 甘 お 事 一 ■ 一一■ 〓 ｉ ｒ(a)指
向性形成(b)本
手法 図9
対象物体の中心座標が (0,oom,o。70m) の ときの像強度 定値 の読み込 送波子か ら物体点 まで 物体点か ら受波子 までの距離を計算 位相情報 を出力 益 器 ︼ 霊 群 一苫(ヽ y
(b)本
手法 図10
対象物体の中心座標が中心 (0.25m,1.50m) の ときの像強度 ︱︱ ロ 出 中(a)指
向性形成 出(b)本
手法 図11
対象物体の中心座標が中心 (0.50m,1,00m) の ときの像強度4.音
響 映像 再生実験4.1
実験 の概 要 こ こで は,ア
ル ゴリズ ムの有効性 を検証するた めに計算機上 で位 相情報 をシ ミュ レー シヨンし, これ まで述べ たアルゴリズム を用 いて解析 した。 さらに,実
際 に音 響デー タ収 集装置 を用い て測定 実験 を行 い,得
られた位 相情報 を もとに解析 を行 った。以下にその概要を示す。4.2
音響 デー タ収集装置 の作製 自律移動 ロボ ツ トによる屋 内環境での物体認識 にお いて は,物
体 の細か な形状 よ りも大 まかな物 体の位置 を短 時間で認識 す る ことが重 要である。 そこで,
この ような物体認識 を行 うために小型で 高速 に位相情報 を収集で きる装置 を作製 した。 作 製 したデ ー タ収集装 置は,3つ
の送波子 と4 つの受波子 を持ち,ア
ナ ログ回路 ぶ,タ
イ ミング 回路部,イ ンターフェースおよびⅣD変換部か らな る。図12に音響データ収集装置の構成図を示す。 波 形﹀勅一
↑
黙鰐
壕
弓
図12
音響 デー タ収集装置の構成図 ・ アナログ回路部4個
の 受波 子か ら取 り込 まれる信号 は,演
算増 幅器 で構 成 される2段の 反転 増幅器 に よつて増幅 され,超
音波 を照射 した波 と, π/2位
相 をず ら し た波 とで それ ぞれ掛 け合 わ され る。 これ に よ り, 各受 波子 で取 り込 んだ音 響波 デー タを複 素 成分 に 変換 す る。変 換 したデー タをサ ンプル ・ホ ール ド し,順
次A/D変換部ヘ デー タを渡す。津
忘
(a)指
向性形成鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 30巻 ・ タイ ミング回路部 5.76MHzの X'tЛ発 振 器 か ら分周 して得 られ た 180kHzの 周波数 を得 て
,A/Dコ
ンバ ー タの出力要 求 パル ス (タイ ミングパ ル ス)を
生 成。 また イ ンタ ー フ ェー ス部 か らの照射 開始 パ ル スに よって各送 波子 の切 り換 えお よび,照
射 す る音響 波 の サ ンプ ル開始時刻 と照射時間をカウン トす る。 ・イ ンター フェースお よびψ 変換部 イ ンターフ ェー ス部 で は,パ
ソ コンか らの要求 信号 の送 受信 とア ナログ 回路 部 か ら送 られ て きた 信号 をA/D変換部 に送 り,複
素成分 に変換 された受 信 デー タをパ ソコンに取 り込 むた め にA/D変換 を行 う。4.3
実験 の条件 今 回行 った測定実験 の条件 を以下 に示す。 ・3個
の 送波 子 と4個の 受波 子 を1次元上 に配置 したセ ンサ・ア レイを用い る。 ・送波子 間隔 :0,204[m],受波子 間隔:0.102[m] ・対象物体 は,幅
35cmの物体 を実際 に位置す る。 ・対象空間は2次元 とす る. ・対象物 体 に対 して周波 数40kHzの音響波 を照射 し, 反 射 された波が 受波子 に取 り込 まれ る もの とす る。 上 記 の 条件 によ り実際 に測 定 を行 い,像
強度 の 分布 な らびに物体 位置 を変化 させ た と きの像強度 の変化 について検討す る。 4。4
実験 の結果 こ こで は,実
際 に音響 デー タ収 集装置 を用いて 得 られた位相 情報 をもとに解析 した結果 を示す。 本手 法の有効性 を検討す るために,以
前の指向性 形成 による結果 と今回提案 した手法の結果 を以下 に示す。(a)指
向性形成 I t _1さ、ぃL」 I(b)本
手法 図13
対象物体 の中心座標が 中心 (o.oom,0.70m) の ときの像強度 ヽ1 y(a)指
向性形成 EEEEgP i1 1(b)本
手法 図14
対象物体 の中心座標が中心 (0.25m,1.50m) の ときの像強度y
