JP5452442B2 - Robot system and map updating method - Google Patents
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Description
本発明は、自律移動ロボットが参照する環境地図の更新方法、およびロボットシステムに関する。 The present invention relates to a method for updating an environmental map referred to by an autonomous mobile robot, and a robot system.
ロボットの自律移動は、ロボットの移動手順を示す経路を参照し、ロボットの現在の位置姿勢からの移動制御を求めることで行う。例えば、特許文献1によると、設定された移動経路データに基づく移動制御により、ロボットは目的地までの自律移動の基本的な動作を行うことができる。特許文献1では、空間内の存在物の幾何状況を示した環境地図上にロボットが移動する経路を作成し、ロボットの現在の位置姿勢に基づいて移動制御を行う。ここで、ロボットの位置姿勢は、距離センサなどで計測した周囲の形状を当該環境地図に幾何学的に合わせ込むことにより推定する。
The autonomous movement of the robot is performed by referring to a route indicating the movement procedure of the robot and obtaining movement control from the current position and orientation of the robot. For example, according to
環境地図として、例えば、ロボットが移動する空間を2次元の格子状に分割し、格子に囲まれた各セルに対応する当該空間の領域内に物体が存在するかどうかの情報を付与したものがある。環境地図の作成技術として特許文献2では、レーザ距離センサを移動させながら、センサが移動した周囲の環境地図を画像として生成及び/又は表示する技術を開示している。 As an environmental map, for example, a space in which a robot moves is divided into a two-dimensional grid, and information indicating whether an object exists in the area of the space corresponding to each cell surrounded by the grid is given. is there. As a technology for creating an environmental map, Patent Document 2 discloses a technology for generating and / or displaying an environmental map around the sensor as an image while moving the laser distance sensor.
ここで実際の適用場面においては、多くの場合は時間と共に空間内の物体の配置や形状は変わる。そのため、過去に作成した環境地図は、現在の空間内の存在物の状態と異なる。その場合、前記ロボット位置姿勢推定のための前記幾何学的合わせ込みができない。よって、環境の形状が変化する状況下で自律移動ロボットを運用するためには、物の配置や形状の変更に伴って実際の存在物の状態と環境地図が一致するように、環境地図を更新する必要がある。 Here, in actual application scenes, in many cases, the arrangement and shape of objects in space change with time. Therefore, the environmental map created in the past is different from the state of the existence in the current space. In that case, the geometric alignment for estimating the robot position and orientation cannot be performed. Therefore, in order to operate an autonomous mobile robot in a situation where the shape of the environment changes, the environment map is updated so that the state of the actual entity matches the environment map with the change in the arrangement or shape of the object. There is a need to.
環境地図の更新技術としては誤認識を含む精度の低い地図によって環境地図が更新されることを防止する技術について特許文献3に開示されている。また特許文献4では、地図作成時の地図形状の不整合を解消し、さらに部分的な環境地図更新を可能にする技術を開示している。具体的には、独立した空間の一部領域を示す部分地図を作成し、オペレータが設定した連結点を基準として、当該部分地図を過去の環境地図に繋ぎ合わせることで地図を更新している。
As a technology for updating the environmental map,
これらの地図更新手段は、過去の環境地図に新たに計測した形状を上書きするものであり、基準となる過去の環境地図の形状に含まれる誤差(以下、実際の形状からの差異を環境地図の誤差とする)が、新たな計測データを合わせ込む際の精度に影響する。そのため、更新後の環境地図に新たな誤差が発生することにより、更新処理を繰り返すことで誤差が蓄積し、地図の精度が低下する。 These map update means overwrite the newly measured shape on the past environmental map, and errors (hereinafter referred to as differences from the actual shape) included in the reference past environmental map shape. Error) affects the accuracy when combining new measurement data. Therefore, when a new error occurs in the updated environmental map, the error is accumulated by repeating the update process, and the accuracy of the map is lowered.
特許文献3では、環境地図の更新は、ロボットが計測した周囲の形状を環境地図に幾何学的に合わせ込み、変更のある被計測領域を環境地図に反映することで行う。その際に、環境地図に表現された形状が実際の形状と完全に一致することはないために、合わせ込み誤差が発生する。その影響により、環境地図内における上書き更新した領域内に新たな誤差が加わる。よって、上記更新を繰り返すと、環境地図の誤差が蓄積する。
In
特許文献4では、過去の環境地図と、新たに計測して得た新しい環境地図を結合する際に、両環境地図が共有する領域内に設定した連結点を基準にして、環境地図を更新する。しかし、両環境地図はそれぞれが誤差を持つため、両環境地図上に設定した連結点を基準にして得た更新後の環境地図には、過去の環境地図に対して新たな誤差が加わる。その結果、更新を繰り返すことで、誤差が蓄積してしまう。
In
これらに対し、本発明の目的によれば、環境地図に誤差を蓄積させずに、過去の環境地図の精度を保ったまま更新処理を行うことができる移動ロボット、ロボットシステム、地図更新方法を提供することにある。 On the other hand, according to the object of the present invention, there is provided a mobile robot, a robot system, and a map update method capable of performing update processing while accumulating errors in the environment map while maintaining the accuracy of the past environment map. There is to do.
上記課題を解決するための本発明の特徴の一例としては、過去の時点における空間の幾何情報を示す環境地図を記憶する記憶部と、ロボット周囲の存在物の形状を計測できるセンシング部と、前記センシング部が計測した箇所を算出する計測箇所算出部を有する、空間内を移動可能な移動ロボットもしくはロボットシステムであって、前記記憶部は、予め設定された前記環境地図における所定領域の形状情報と、前記環境地図上の当該所定領域の属性とを対にして複数記憶する機能を有し、さらに、前記環境地図と前記記憶部に記憶した所定領域とを比較して当該所定領域に対応する前記属性を読み出す属性読み出し部と、前記計測箇所算出部が算出した計測箇所における前記属性読み出し部で読み出した前記属性に応じて、前記環境地図を更新する環境地図更新部と、を備えることを特徴とする。 As an example of the feature of the present invention for solving the above problems, a storage unit that stores an environment map indicating geometric information of a space at a past time point, a sensing unit that can measure the shape of an entity around a robot, A mobile robot or a robot system that has a measurement location calculation unit that calculates a location measured by the sensing unit and is movable in space, wherein the storage unit includes shape information of a predetermined area in the preset environment map , Having a function of storing a plurality of pairs of attributes of the predetermined area on the environmental map, and comparing the environmental map with the predetermined area stored in the storage unit to correspond to the predetermined area In accordance with the attribute read unit that reads the attribute and the attribute read by the attribute read unit at the measurement location calculated by the measurement location calculation unit, And the new environment map updating section, characterized in that it comprises a.
環境地図の更新処理を誤差の蓄積を起こさずに行うことができる。それにより、更新処理を繰り返しても環境地図の精度が低下しない。 The update process of the environmental map can be performed without causing error accumulation. As a result, the accuracy of the environmental map does not decrease even when the update process is repeated.
本発明では、環境地図上に任意の領域形状と当該所定領域ごとの属性を対にして複数設定し、その属性に基づいた更新処理を行う。ロボットの移動中に得た周囲の形状を用いて環境地図を更新する際に、更新部分における前記属性に応じて、環境地図を更新する。 In the present invention, a plurality of arbitrary region shapes and attributes for each predetermined region are set on the environment map, and update processing based on the attributes is performed. When the environment map is updated using the surrounding shape obtained while the robot is moving, the environment map is updated according to the attribute in the update part.
例えば、実際の形状が不変である領域に対しては、形状が不変であるという属性を領域に対して設定する(以下、不変領域とする)。不変領域に関しては、前記更新をしないことで、その領域に含まれる環境地図上の形状を更新しないようにする。
これにより、環境地図に対して更新処理を繰り返しても、当該領域については更新が行われず、誤差が蓄積しない。その環境地図を用いて最適な幾何学的に合せ込みをすると、誤差の蓄積していない当該領域とも整合性が取れることになる。合わせ込みの際に計測データの一部が当該領域内の形状と整合性が取れていることで、合わせ込みに誤差蓄積の影響が起きない。その結果に基づき、環境地図を更新するため、環境地図に誤差の蓄積が起きない。
For example, for an area where the actual shape is unchanged, an attribute that the shape is unchanged is set for the area (hereinafter referred to as an invariable area). The invariant area is not updated, so that the shape on the environment map included in the area is not updated.
As a result, even if the update process is repeated for the environment map, the region is not updated and no error is accumulated. If the optimum geometric alignment is performed using the environmental map, consistency can be obtained with the region where no error is accumulated. Since a part of the measurement data is consistent with the shape in the area at the time of alignment, there is no influence of error accumulation on the alignment. Since the environmental map is updated based on the result, no error is accumulated in the environmental map.
よって、更新を繰り返しても不変領域以外の形状についても精度を保つことができる。これら合せ込み処理と更新処理は、それぞれ自動的に実行できるため、予め前記属性を設定しておけば、ロボットの移動中でも、自動的に地図を最新の状態に保つことができる。
本発明によれば、環境地図の更新処理を誤差の蓄積を起こさずに行うことができる。それにより、更新処理を繰り返しても環境地図の精度が低下しない。
以下、図面を用いて本発明の実施例について詳細を説明する。
Therefore, accuracy can be maintained for shapes other than the invariable region even if the update is repeated. Since the fitting process and the updating process can be automatically executed, if the attribute is set in advance, the map can be automatically kept up-to-date even while the robot is moving.
According to the present invention, the update process of the environment map can be performed without causing error accumulation. As a result, the accuracy of the environmental map does not decrease even when the update process is repeated.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本実施にかかるロボットシステムを表す概念図である。まず、本発明のロボットシステムは、移動ロボット10と領域設定装置11で構成される。移動ロボット10は、空間内に存在する物体の形状を示す環境地図120と、領域形状121と領域属性122の複数の対を記憶する記憶部100、周囲の形状を計測するセンシング部101、自己位置推定部102、計測箇所算出部103、領域属性読み出し部104、環境地図更新部105、ロボットの位置に応じて移動の方向や量を決定する移動制御部106、移動機構部107を備える。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a robot system according to the present embodiment. First, the robot system of the present invention includes a
なお、本実施例においては、前記領域属性122は更新の際の前記環境地図への影響度である更新影響度を示し、前記領域属性読み出し部104は前記更新影響度読み出すものとする。また、領域設定装置11は、領域設定部110、更新影響度設定部111、表示部112、表示部113を備える。
ここで移動ロボット10は、周囲の形状を計測するセンシング部101及び移動機構部107を最低限備える構成とし、それ以外の環境地図120、記憶部100等は移動ロボット10とは別途の装置(例えば領域設定装置11)に格納し、有線もしくは無線通信手段等を設けてこれらの情報を適宜移動ロボットに送信する様に制御する構成としても良い。
In the present embodiment, the
Here, the
センシング部101は、レーザ距離センサやソナーセンサ等によって、ロボット10の周辺に存在する物体13までの距離を計測することで、計測対象の形状を得ることができるものとする。なお、前記センサは周囲の形状を計測できるものであれば良く、前記センサの例に限定するものではない。
The
自己位置推定部102では、計測して得たロボット10の周囲の形状と記憶部100が保持する環境地図120とを幾何学的に合わせ込むとによって、計測時のロボットの位置姿勢を推定する。計測箇所算出部103では、推定した前記自己位置に基づき、計測したデータから、環境地図上における被計測点の位置座標を求める。
The self-
更新影響度読み出し部104は、記憶部100に記憶された領域形状121の中から、前記被計測点の位置が含まれる領域を選び、その領域に対応付けられた更新影響度122を求める。なお、領域形状と更新影響度の対応付けは、オペレータが予め任意に領域を設定し、当該所定領域ごとに更新影響度を設定しておくものとする。環境地図更新部105は、前記更新影響度に応じて、前記計測箇所に対応する環境地図上の箇所を更新する。移動制御部106は、自己位置推定部102が推定したロボットの自己位置に基づき、経路を沿うように移動の方向や速度の移動制御を決定する。移動機構部107は、移動制御部106が決定した移動制御、ロボットを移動させる。
The update influence
なお、本説明では簡単のため、前記システムをロボット内に収めたが、記憶部100、自己位置推定部102、計測箇所算出部103、更新影響度読み出し部104、環境地図更新部105に関しては、ロボット外部に設置した計算機などに設置し、通信機器を介することで、それらの計算結果を元にロボットを遠隔操作してもよい。これらの部位を外部計算機が持つことで、複数ロボットが協調して1つの地図を更新する作業にも応用可能である。
In this description, for simplicity, the system is housed in the robot. However, with respect to the storage unit 100, the self-
図2は本実施例の処理手順である。移動ロボット10は経路と推定した自己位置に応じて、移動制御部106が移動の方向と速度(移動制御)を決定し、移動機構部107により移動処理を行う(S200)。次に、センシング部101によりロボット10の周辺の形状を計測する(S210)。計測した形状を、環境地図に幾何学的に合わせ込むことで、ロボットの自己位置を推定する(S220)。最後に、センシング部101から得た形状により環境地図を更新することで、環境地図を更新する(S230)。これらの処理を計測終了まで繰り返す。
FIG. 2 shows the processing procedure of this embodiment. In the
図3はロボットが空間上の存在物13を避けながら経路に沿って移動する様子である。ロボットは、予め指定もしくは自動的に作成した経路に沿うように移動する。二足歩行式やクローラ式など、ロボットシステム10を移動させる機構を備えれば、本ロボットシステム10における移動機構部107は図2に示すような車輪を用いたものに限定されない。
FIG. 3 shows a state where the robot moves along the route while avoiding the
図4は、センシング部101が周囲に存在する物体13までの距離を計測する場合の概念図である。ここでは説明のため、センシング部101の計測装置として、距離センサを採用することとする。センシング部は照射したレーザを周囲の存在物13に当て、その反射光をセンシング部が受光することで、照射から受光までの時間によって存在物13までの距離を計測する。これを周囲全方向に対して行うことで、周囲の形状を計測することが可能となる。
FIG. 4 is a conceptual diagram in the case where the
図5に距離センサを用いて周辺の形状を計測した場合の計測例を示す。距離センサは、周囲に赤外線レーザを照射し、各方向に存在する物体に当たったレーザの反射光を受光し、照射から受光までの時間差により、物体までの距離を計測する。距離センサは、計測方向φを角度分解能δφずつ変化させながらn個のデータを同時に計測する。i番目の計測データの計測方向をφi、計測した距離riとする。その際の距離と方向の組み合わせ(ri, φi)が、距離センサを中心とした計測対象物体の相対的な極座標系で表される位置となる。なお、点線矢印は計測結果を表し、矢印の終端が被計測点の位置となる。閉じた点線は空間上の物体を示し、この物体とぶつかる点線矢印が計測に成功したデータである。閉じた点線にぶつからなかった点線矢印は、何も計測できなかったことを示す。極座標系で表された位置(ri, φi)から直交座標系(sxi,syi)への変換は図17に示す数式(数1)によって行う。 FIG. 5 shows a measurement example when the peripheral shape is measured using a distance sensor. The distance sensor irradiates the surrounding with an infrared laser, receives the reflected light of the laser hitting the object existing in each direction, and measures the distance to the object by the time difference from irradiation to light reception. The distance sensor simultaneously measures n data while changing the measurement direction φ by an angular resolution δφ. The measurement direction of the i-th measurement data is φ i and the measured distance r i . The combination (r i , φ i ) of the distance and direction at that time is the position represented by the relative polar coordinate system of the measurement target object with the distance sensor as the center. The dotted arrow represents the measurement result, and the end of the arrow is the position of the point to be measured. A closed dotted line indicates an object in space, and a dotted arrow that collides with the object is data that has been successfully measured. A dotted arrow that did not hit the closed dotted line indicates that nothing could be measured. Conversion from the position (r i , φ i ) expressed in the polar coordinate system to the Cartesian coordinate system (s xi , s yi ) is performed by the mathematical expression (Equation 1) shown in FIG.
図6は環境地図600の概念図である。図6では、説明のため、物体が存在するかどうかを表すだけの2値表現として表す。本実施例での更新影響度を考慮した物体が存在するかどうかの表現方法の詳細は後述する。環境地図の表現形式として、620のような細かい格子に分割することとする。但し、空間全体の形状を格子として図示すると、格子の表記が小さくなりすぎるため、格子を用いた説明の際は620のように一部を拡大して示すこととする。 FIG. 6 is a conceptual diagram of the environment map 600. In FIG. 6, for the sake of explanation, it is expressed as a binary expression that only indicates whether or not an object exists. Details of a method of expressing whether or not there is an object in consideration of the update influence degree in this embodiment will be described later. As an environmental map expression format, it is divided into fine grids such as 620. However, if the shape of the entire space is illustrated as a lattice, the notation of the lattice becomes too small. Therefore, in the description using the lattice, a part is enlarged as shown by 620.
以下の説明では、環境地図600と格子620がそれぞれ現れるが、それらは拡大率が異なるのみであり、内部の構造は同じものとする。環境地図600上に環境地図の座標軸と存在物を示す。ここでは、環境地図の座標系は、地図の中心を(0,0)とし、右方向をx軸の正方向、上方向をy軸の正方向とする。なお、環境地図の座標系はこれに限るものではない。空間内に存在する形状は、黒線として存在物610のように表現する。ここで表現される存在物610は、過去の時点で計測し、環境地図600上に記録したものである。 In the following description, an environment map 600 and a grid 620 appear, but they differ only in magnification and have the same internal structure. The environmental map 600 shows the coordinate axes and entities of the environmental map. Here, in the coordinate system of the environment map, the center of the map is (0, 0), the right direction is the positive direction of the x axis, and the upward direction is the positive direction of the y axis. In addition, the coordinate system of an environmental map is not restricted to this. The shape existing in the space is expressed like a presence object 610 as a black line. The presence object 610 represented here is measured at a past time and recorded on the environment map 600.
続いて、格子における表現の例について説明する。格子630は、空間内で対応する領域において、何も存在していないことを表す。また、格子640は、格子内に物体が存在することを表す。図6では説明のために物体が存在するか否かの2値に単純化して示したが、本実施例では2値ではなく、これを以下に述べる多値の確率の形式として、物体の存在確率を表現する。 Subsequently, an example of expression in a lattice will be described. The lattice 630 represents that nothing exists in the corresponding region in the space. A lattice 640 indicates that an object exists in the lattice. For the sake of explanation, FIG. 6 shows a simplified binary value indicating whether or not an object exists, but in the present embodiment, it is not a binary value, but this is expressed as a multivalued probability format described below. Express probability.
本実施例における、環境地図上での物体の表現法の詳細について説明する。本実施例では、空間内の物体の形状を、物体の存在確率として環境地図上に表現する。環境地図の内部では、投票値として物体の情報を記録しておき、読み出し時に存在確率に変換する。まず、環境地図座標系の座標(x,y)における格子セルm(x,y)に対し、物体が存在する確率をp(m(x,y))とする。ここではp(m(x,y))の値から、例えばパラメータとの比較結果に応じて、物体が存在するかどうかを判定する。また、各格子は、投票値v(x,y)を保持しており投票値v(x,y)の値から確率p(m(x,y))を計算する。 The details of the object representation method on the environment map in this embodiment will be described. In the present embodiment, the shape of the object in the space is expressed on the environment map as the existence probability of the object. Inside the environmental map, object information is recorded as a voting value, and converted into an existence probability at the time of reading. First, let p (m (x, y)) be the probability that an object exists for a lattice cell m (x, y) at coordinates (x, y) in the environment map coordinate system. Here, from the value of p (m (x, y)), it is determined whether or not an object exists, for example, according to a comparison result with a parameter. Each grid holds a vote value v (x, y), and calculates a probability p (m (x, y)) from the value of the vote value v (x, y).
なお、これらの環境地図の表現方法は、上記に限定されず、更新の影響度を考慮できる形状を表現方法であればよい。 In addition, the expression method of these environmental maps is not limited to the above, What is necessary is just the expression method which can consider the influence degree of an update.
図7に自己位置推定部102により周囲の形状を計測した時のロボットの位置姿勢推定例を示す。自己位置推定では、センシング部101で計測した図5に示した距離データを、図6に示した環境地図600上に幾何学的に合わせこむことにより、ロボットが周囲の形状を計測した時の環境地図上における位置姿勢を推定する。環境地図の座標系におけるロボットの位置を(x,y,θ)とする。ここで、式1のロボット座標系で示した計測結果の座標を、環境地図の座標系(txi,tyi)に変換すると、図17に示す数式(数2)のようになる。
FIG. 7 shows an example of estimating the position and orientation of the robot when the surrounding shape is measured by the self-
環境地図の座標系は、ロボット座標系からの線形変換として求まる。上記環境地図の座標系に変換した距離結果を環境地図に幾何学的に合わせ込んだ際の最適な位置(x*,y*,θ*)は図17に示す数式(数3)のようにして求まる。 The coordinate system of the environmental map is obtained as a linear transformation from the robot coordinate system. The optimal position (x * , y * , θ * ) when the distance result converted into the coordinate system of the environmental map is geometrically matched to the environmental map is as shown in Equation (3) shown in FIG. Find it.
式3の解は、予め最適解に近い初期値を与え、最急降下法などで解くことができる。
以下では、推定後の自己位置を(x,y,θ)、計測した環境地図座標系における被計測点の位置を(tx,ty)として説明する。
The solution of
In the following description, it is assumed that the estimated self-position is (x, y, θ), and the position of the measured point in the measured environment map coordinate system is (t x , t y ).
図8に、センシング部101から得た距離の情報による環境地図の更新の例を示す。環境地図の更新は、過去の環境地図に記録された形状に対して、現在計測されたセンシング結果を記録することで行う。計測された箇所は、計測箇所算出部103によって求める。計測箇所算出部103の計算は、式2と同様に、自己位置(x,y,θ)と、被計測点の位置(tx,ty)を求め、かつ自己位置と被計測点の間の領域の各格子を探索することで求める。図8には、環境地図に記録されている形状が計測した形状と同じものである形状800、過去の環境地図には記録されていたが現在は計測されなかった形状810、新たに計測された形状820を、それぞれ示す。まず、前記合わせ込みで求めた移動ロボット10の自己位置(x,y,θ)に基づき、被計測点を環境地図の座標系に変換する。すると、形状800のように過去の環境地図を構築した時と形状が変わらない部位については、計測した形状と環境地図とが一致する。一方、形状810のように配置物が移動等の理由により無くなった場合は、距離センサが照射したレーザが通過する。この場合、レーザが通過した領域に対応する部分の前記存在確率を減らすことにより、形状810を環境地図から消去できる。なお、存在確率の計算については後述する。過去の環境地図には記録されていないが、現在の計測で新たに計測された形状820については、環境地図上の被計測点の座標には形状が記録されていない。その場合は、被計測点の位置の前記存在確率を増やすことで、形状を新たに記録する。以上のようにして、環境地図を更新できる。
FIG. 8 shows an example of updating the environmental map based on the distance information obtained from the
続いて、環境地図更新部105による環境地図の更新における前記存在確率の計算法を説明する。更新は、領域ごとに前記更新影響度を用いて格子の投票値を増減させることで行う。本実施例では、座標(x,y)に対応する領域における増加パラメータα(x,y)と減少パラメータβ(x,y)の値を更新影響度として、オペレータが設定する。設定した更新影響度は、更新影響度読み出し部104によって読み出される。更新の対象となる格子は、計測箇所算出部103が算出した被計測点に対応する格子と、何も計測されなかった領域に対応する格子とする。
Subsequently, a method for calculating the existence probability in the update of the environment map by the environment map update unit 105 will be described. The update is performed by increasing or decreasing the voting value of the grid using the update influence degree for each region. In this embodiment, the operator sets the values of the increase parameter α (x, y) and the decrease parameter β (x, y) in the region corresponding to the coordinates (x, y) as the update influence degree. The set update influence degree is read by the update influence
図9に格子900に対して投票値v(x,y)を増やすことで格子の更新を行う例を示す。まず、距離が計測された場合の被計測点に対応する格子の更新について説明する。距離が計測された場合、計測箇所算出部103は式2を用いて被計測点の座標を求め、環境地図更新部105はその座標に対応する格子に保存されている前記投票値v(x,y)を増加させる。それにより、当該位置における物体の存在確率が増加する。格子900の位置(tx,ty)は、計測した距離と計測したときのロボットの位置から、式2によって求める。投票値の変更は、格子の位置(tx,ty)に対応する増加パラメータα(tx,ty)を用い、図17に示す数式(数4)のように更新する。 FIG. 9 shows an example in which the lattice is updated by increasing the vote value v (x, y) for the lattice 900. First, the update of the grid corresponding to the measurement point when the distance is measured will be described. When the distance is measured, the measurement point calculation unit 103 obtains the coordinates of the measurement point using Expression 2, and the environment map update unit 105 stores the vote value v (x, x, stored in the grid corresponding to the coordinates. Increase y). Thereby, the existence probability of the object at the position increases. The position (t x , t y ) of the lattice 900 is obtained from the measured distance and the position of the robot at the time of measurement according to Equation 2. The voting value is changed by using an increase parameter α (t x , t y ) corresponding to the position (t x , t y ) of the lattice as shown in the equation (Equation 4) shown in FIG.
次に何も計測されなかった領域に対応する格子の更新について説明する。何も計測されなかった領域に対応する格子910については投票値v(x,y)を減らすことで格子を更新する。センシング部101の位置と被計測点の位置を結ぶ線分が通過する格子が対象となる。投票値の変更は、格子の位置(tx,ty)に対応する減少パラメータβ(tx,ty)を用い、図17に示す数式(数5)ように更新する。
Next, the update of the grid corresponding to the area where nothing was measured will be described. For the grid 910 corresponding to the area where nothing is measured, the grid is updated by reducing the vote value v (x, y). The target is a grid through which a line segment connecting the position of the
上記による格子の投票値の増減により、格子内に物体が存在する確率p(m(x,y))を増減できる。投票値が小さくなるほど、確率p(m(x,y))は小さくなり、投票値が大きくなるほど、確率は大きくなる。 The probability p (m (x, y)) that an object exists in the lattice can be increased or decreased by increasing or decreasing the vote value of the lattice as described above. The probability p (m (x, y)) decreases as the vote value decreases, and the probability increases as the vote value increases.
図10に本実施例における更新の処理手順を示す。まず、自己位置推定部102によって得た自己位置(x,y,θ)により、式2を用いてセンシング部101からのデータを環境地図上の座標(tx,ty)に変換する(S1000)。次に、センシング部101の各計測方向が通過する何も計測されない領域に対応する格子を検出し(S1010)、その格子に対応する更新影響度となる前記減少パラメータβ(tx,ty)を読み出し(S1020)、当該パラメータに応じて当該格子の投票値v(tx,ty)を減らすことにより、格子における物体の存在確率p(m(tx,ty))を下げる(S1030)。もし形状が検出されたら、検出した位置に対応する格子を式2より求め(S1040)、その格子に対応する更新影響度となる前記増加パラメータα(tx,ty)を読み出し(S1050)、当該パラメータに応じて当該格子の投票値v(tx,ty)を増やすことにより、格子における物体の存在確率p(m(tx,ty))を上げる(S1060)。
FIG. 10 shows an update processing procedure in this embodiment. First, the data from the
図11は前記更新影響度の設定画面の例である。本実施例では、領域設定装置11を用いて領域形状121と更新影響度122の対を複数設定することとする。まず、領域設定部110によってオペレータが環境地図上の領域を指定し、更新影響度設定部111により領域ごとに更新影響度を設定する。設定方法としては、表示部113によって画面上に環境地図を表示し、表示された環境地図に従ってオペレータが環境地図の領域形状をマウス等の指示装置で設定し、さらに設定された領域に対してオペレータが更新影響度を設定する。領域の設定方法は、当該指示装置を用いた自由曲線による囲い込みや、矩形による囲い込み方法などがある。なお、当該指示装置は、画面上の座標を指示できればよく、マウスに限定されるものではない。保存部112に、設定された領域形状121と更新影響度122を、ロボット10が有する記憶部10に保存する。図11は、環更新影響度ごとに3つの領域を設定したものである。ここでは各領域を、それぞれ更新の影響度が高い領域1100、更新の影響度が低い領域1110、更新が起きない領域1120として設定することとする。なお、図11では更新影響度を3種類に限定して説明したが、これに限定されるものではない。また、連続的にパラメータを変更するように設定することも可能である。
FIG. 11 shows an example of the setting screen for the update influence level. In the present embodiment, a plurality of pairs of the
図12に領域形状および更新影響度の記憶形態を示す。ここでは図11で示した領域1100および領域1110を例に挙げて説明する。本実施例においては、領域形状および更新影響度は、図6で示した地図の保持形態と同様に、1200のように格子状に空間を分割しておき、各格子に対応する更新影響度の値を記憶部に保持しておく。記憶形態としては、1210に示すように記憶部上の(x,y)座標値に対応する位置に、更新影響度の値をそれぞれ記憶する。これにより、指定した座標に対応する値を読み出す処理のみで更新影響度を読み出すことができる。なお、領域形状の形態として、格子を用いずに多角形や曲線で囲まれた領域を数値で保持しておくことも可能である。その場合は、各領域に対してそれぞれ更新影響度を対応付けて保持する。更新影響度を読み出す際には、指定した座標に対応する領域を探索し、当該領域に対応付けられた値を読み出す。
FIG. 12 shows a storage form of the area shape and the update influence degree. Here, description will be made by taking the
図13に更新影響度を設定した上での環境地図に対する更新の例を示す。なお、各領域の更新影響度については、図11と同じものとする。まず、更新影響度の大きい領域1100に含まれる格子のうち、形状が計測されなかった格子1300については、投票値v(tx,ty)を大きく減らす。すると、当該格子における物体の存在確率p(m(tx,ty))も大幅に減少する。一方、領域1100に含まれる格子のうち、形状が計測された格子1310については、投票値v(tx,ty)を大幅に増やす。すると、当該格子における物体の存在確率p(m(tx,ty))も大幅に増加する。結果として、当該領域において、形状の変更や移動が起きると、領域内の格子における物体の存在確率p(m(tx,ty))が大幅に増減し、即座に環境地図に形状が反映される。更新影響度の低い領域1110に含まれる格子については、投票値v(tx,ty)の増減は小さくなる。形状が計測されなかった格子1320は、投票値v(tx,ty)を少しだけ減らす。すると、当該格子における物体の存在確率p(m(tx,ty))は小幅に減少する。また、領域1110に含まれる格子のうち、形状が計測された格子1330は、投票値v(tx,ty)を少し増やす。その場合も同様に物体の存在確率p(m(tx,ty))も小幅に増加する。結果として、当該領域においては、形状の変更や移動に対して、領域内の格子における物体の存在確率p(m(tx,ty))の増減は小さく、環境地図への影響は緩やかになる。領域1120に含まれる格子については、投票値v(tx,ty)を変更しない。そのため、どのような計測に対しても、領域内の形状は不変となる。図13においては、形状が計測されなかった1340および形状が計測された格子1350は、共に投票値を変化させない。当該不変領域内に記録されている形状は不変となり、更新を繰り返しても誤差の蓄積は起きない。
FIG. 13 shows an example of updating the environmental map after setting the update influence level. Note that the degree of update influence in each area is the same as in FIG. First, the voting value v (t x , t y ) is greatly reduced for the
更新影響度を前記のように数種類に分けた場合の効果として、移動中の物体が環境地図に誤記録されることを防ぎつつ、静止している物体を環境地図に記録できるという点がある。環境地図に移動している物体が記録されていると、自己位置推定時には当該移動中物体は存在せず、地図と実際の環境の不一致のために精度低下が起きてしまう。そのため、環境地図には移動しない物体が記録されていることが望ましい。本実施例においては、各領域における物体の移動の頻度に応じて更新影響度を設定しておくことで、上記のように環境地図を更新できる。例えば、移動する物体が多い通路などの領域では、更新の影響度を低く設定することで、環境地図に反映するには好ましくない移動中の物体は環境地図に記録されづらくなる。また、移動しない静的な物体が多く存在する領域では、更新の影響度を高く設定することで、少ない計測回数でも即座に環境地図に反映され、当該物体が環境地図に記録され易くなる。 As an effect when the update influence degree is divided into several types as described above, there is a point that a stationary object can be recorded on the environment map while preventing the moving object from being erroneously recorded on the environment map. If a moving object is recorded on the environment map, the moving object does not exist at the time of self-position estimation, and accuracy decreases due to a mismatch between the map and the actual environment. Therefore, it is desirable that an object that does not move is recorded on the environment map. In the present embodiment, the environment map can be updated as described above by setting the update influence degree in accordance with the frequency of movement of the object in each region. For example, in an area such as a passage where there are many moving objects, by setting the degree of influence of updating to be low, it is difficult to record moving objects that are not desirable to be reflected in the environment map. Also, in a region where there are many static objects that do not move, by setting the degree of influence of updating high, even a small number of measurements are immediately reflected in the environment map, and the object is easily recorded on the environment map.
実際の更新の例を図14から図16に示す。図14は、更新の影響度を2種類に設定した例である。1つは更新の影響度を高く設定し、もう1つは影響度をゼロに設定して更新をしないこととする。図14は、過去の環境地図1400、更新が起きない領域1410、領域1410内に存在する不変な形状1420、領域1410外に存在する形状1430から成る。なお、領域1410は予めオペレータが設定しておくこととする。図14の環境地図を記憶部が保持していることを前提として、図15のように計測を行う。図15の環境は、図14の地図上における形状1430が、1500の位置に移動したこととする。そのため、この計測時には、これまでの環境地図に登録されていた形状1430の部分には何も存在しないため、その奥にある不変な形状1420の一部が計測される。また、新たに形状1500が新たに計測される。この計測結果を基に、図16で環境地図を更新する。領域1410内では更新が起きないため、環境地図の変更は起きない。領域1410以外の領域では新たに計測した結果を基に形状を更新する。よって、形状1430を消去し、形状1500を記録する。形状1420は更新されないため、更新を繰り返しても形状1420については、誤差が蓄積しない。このように、更新の際に、形状が不変、あるいは動かない物体が存在する領域における更新の影響度をゼロにすることで、更新を繰り返したときに当該不変領域内の形状に生じる誤差の蓄積が起きない。この更新を用いることで、自己位置における形状の合わせ込みにおいて、計測した形状の一部が前記誤差の蓄積していない形状と整合性が取れている場合、自己位置推定結果に前記誤差蓄積の影響が出ない。よって、その前記自己位置推定の結果に基づいて地図を更新すれば、前記不変領域以外についても、地図に誤差が蓄積しないことになる。
Examples of actual updating are shown in FIGS. FIG. 14 shows an example in which the update impact level is set to two types. One is to set the influence degree of the update high, and the other is to set the influence degree to zero and not update. FIG. 14 includes a
上記形態より、予めオペレータが領域と更新影響度を指定した上で、更新を自動的に行うことが可能であるが、更新の際に更新したい領域の設定を手動で行うことによって、環境地図に反映させるべきでないデータを環境地図に反映させないことも可能であり、本発明は、自動的に実行する利用法に限定されるものではない。 From the above form, it is possible to automatically perform the update after the operator specifies the area and the update influence level in advance, but by manually setting the area to be updated at the time of update, It is possible not to reflect the data that should not be reflected on the environment map, and the present invention is not limited to the usage method that is automatically executed.
本発明は、予めオペレータが更新の領域と影響度を設定しておけば、地図更新と自己位置推定について、誤差を蓄積させずに実行できる。このため、本発明のロボットシステムでは、高精度な地図を自動的に作れる。それにより、ロボットの移動中に、自動的に地図を最新の状態に更新することができ、環境の形状が変化する状況下においても、手作業や再計測作業をせずにロボットの自律移動が可能になる。 According to the present invention, if the operator sets the update area and the influence degree in advance, the map update and the self-position estimation can be executed without accumulating errors. For this reason, the robot system of the present invention can automatically create a highly accurate map. As a result, the map can be automatically updated to the latest state while the robot is moving, and the robot can move autonomously without manual or re-measurement work even under circumstances where the shape of the environment changes. It becomes possible.
前記実施例では、センシング部101として、2次元平面上に存在する物体を計測する距離センサを用いて説明した。これに対して、センシング部101として、3次元的に形状を計測できる距離センサを用いることも可能である。以下に3次元距離センサを用いた場合の実施例を説明する。
In the above embodiment, the
3次元空間を処理する場合、空間を格子として分割すると、使用メモリ量が膨大になる。そのため、距離センサで計測した被計測点の集合(点群)を直接記憶部100に保持することとする。当然、大量の記憶媒体を積んだ計算機を用いることができる場合、前記実施例のように格子を扱うことも可能である。 When processing a three-dimensional space, if the space is divided as a grid, the amount of used memory becomes enormous. Therefore, it is assumed that a set (point group) of measured points measured by the distance sensor is directly stored in the storage unit 100. Of course, when a computer loaded with a large amount of storage media can be used, it is also possible to handle a grid as in the above embodiment.
移動ロボット上に搭載する機能・処理の手順は、前記実施例と同様である。以下では、各機能について説明する。 The procedure of functions and processes mounted on the mobile robot is the same as in the above embodiment. Hereinafter, each function will be described.
本形態では、空間内の物体を被計測点の集合で表す。また、各投票率は、格子の代わりに点ごとに記憶部100に記録しておく。自己位置推定部102は、現在保持している点群に対して、センシング部101で得られる周囲の点群を当てはめることで、自己位置を推定する。推定は、保持している点のうち存在率が0.5以上である点と、計測した各点との距離の2乗距離和が最小となるような対応付けと姿勢を探索することで行う。
In this embodiment, an object in space is represented by a set of measurement points. Each vote rate is recorded in the storage unit 100 for each point instead of the lattice. The self-
計測箇所算出部103では、保持している物体の形状と計測した形状の変更部を算出する。ここでは、各レーザの通った線状の軌跡から一定距離内に存在する点群を探索し、「計測されなかった点」とする。また、被計測点から一定距離内の点群は、「計測された点」とする。 The measurement location calculation unit 103 calculates the shape of the held object and the measurement shape changing unit. Here, a point group existing within a certain distance from a linear trajectory through which each laser passes is searched for and set as a “point not measured”. In addition, a point group within a certain distance from the measurement point is a “measured point”.
更新影響度読み出し部104は、前記計測箇所算出部103が算出した点を含む記憶部100に保持されている領域を探索し、その領域に対応付けられている影響度を読み出す。
The update influence
環境地図更新部は、計測箇所算出部103が算出した記憶部100が保持している点を、前記影響度読み出し部104が読み出した前記影響度に応じて、点に記録されている投票値を増減する。計測箇所算出部103が算出した「計測されなかった点」は、投票値を下げる。一方、計測箇所算出部103が算出した「計測された点」は、投票値を下げることとする。
The environmental map update unit calculates the voting value recorded in the point according to the degree of influence read by the influence
領域設定部110では、オペレータが任意の領域を選択する。3次元空間内の任意の領域を直接マウスで指定することはできない。そのため、2つの直交する方向の視点上において、それぞれ矩形を指定し、両矩形の共通領域を指定領域とする方法などがある。また、各指定領域に関して、更新影響度設定部111によって更新影響度を設定する。
In the
10・・・移動ロボット、101・・・センシング部、101・・・自己位置推定部、103・・・計測箇所算出部、104・・・属性読み出し部、105・・・環境地図更新部、106・・・移動制御部、107・・・駆動部、11・・・領域設定装置、110・・・領域設定部、111・・・更新影響度設定部、113、保存部、112、表示部、120・・・環境地図、121・・・領域形状、122・・・領域属性、13・・・実空間内の存在物、600・・・環境地図、610・・・地図上に表現された存在物、620・・・環境地図における詳細な格子、630・・・物体の無い領域の格子、640・・・物体の存在する領域の格子、800・・・更新によって形状が変わらない部位、810・・・更新によって消去される部位、820・・・更新によって追加される部位、900・・・距離が計測された地点における格子、910・・・レーザが通過した空間に何も存在しない領域における格子、1100・・・更新影響度の高い領域、1110・・・更新影響度が低い領域、1120・・・更新が起きない領域、1130・・・移動頻度が高い物体、1140・・・移動頻度が少ない物体、1150・・・移動が起きない物体、1200・・・領域形状を表す格子、1210・・・記憶部における更新影響度の保持形態、1300・・・更新影響度が高い領域においてレーザが通過した場合の格子状態の更新、1310・・・更新影響度が高い領域において距離が計測された場合の格子状態の更新、1320・・・更新影響度が低い領域においてレーザが通過した場合の格子状態の更新、1330・・・更新影響度が低い領域において距離が計測された場合の格子状態の更新、1340・・・更新が起きない領域においてレーザが通過した場合の格子状態の更新、1350・・・更新が起きない領域において距離が計測された場合の格子状態の更新、1400・・・過去の環境地図、1410・・・更新が起きない領域、1420・・・不変な形状、1430・・・移動前の形状、1500・・・移動後の形状。
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記記憶部は、予め設定された前記環境地図における所定領域の形状情報と、前記環境地図上の当該所定領域の属性とを対にして複数記憶し、
さらに、前記環境地図と前記記憶部に記憶した所定領域とを比較して当該所定領域に対応する前記属性を読み出す属性読み出し部と、前記計測箇所算出部が算出した計測箇所における前記属性読み出し部で読み出した前記属性に応じて、前記環境地図を更新する環境地図更新部と、
を備えるロボットシステム。 A mobile robot having a sensing unit capable of measuring the shape of surrounding objects, a storage unit for storing an environment map indicating geometric information of the space at a past time, and a location measured by the sensing unit A measurement point calculation unit for calculating
The storage unit stores a plurality of preset shape information of the predetermined area in the environment map and attributes of the predetermined area on the environment map,
Furthermore, an attribute reading unit that compares the environmental map with a predetermined region stored in the storage unit and reads the attribute corresponding to the predetermined region, and the attribute reading unit at the measurement point calculated by the measurement point calculation unit An environment map update unit that updates the environment map according to the read attribute;
A robot system comprising:
環境地図上の任意の所定領域と前記所定領域の前記属性とをそれぞれ設定する領域設定部を備えることを特徴とするロボットシステム。 The robot system according to claim 1,
A robot system comprising: an area setting unit that sets an arbitrary predetermined area on an environmental map and the attribute of the predetermined area.
前記属性は、当該所定領域における環境地図更新を行う際の地図への更新影響度であることを特徴とするロボットシステム。 The robot system according to claim 1 or 2,
The robot system according to claim 1, wherein the attribute is a degree of update influence on the map when the environmental map is updated in the predetermined area.
前記属性は、当該所定領域における環境地図更新を行う際の地図への更新の可否であることを特徴とするロボットシステム。 The robot system according to claim 1 or 2,
The robot system according to claim 1, wherein the attribute is whether or not the map can be updated when the environmental map is updated in the predetermined area.
前記環境地図上の形状と前記センシング部からのデータとの幾何学的な合わせ込みに応じてロボットの位置姿勢を推定する自己位置推定部を備え、
前記計測箇所算出部は、前期自己位置推定部の結果に基づき前記センシング部が計測した地図上における計測箇所を算出することを特徴とするロボットシステム。 The robot system according to claim 1,
A self-position estimating unit that estimates the position and orientation of the robot according to a geometric fit between the shape on the environment map and the data from the sensing unit;
The said measurement location calculation part calculates the measurement location on the map which the said sensing part measured based on the result of the self-position estimation part of the previous term, The robot system characterized by the above-mentioned.
前記センシング部は周囲の物体までの距離を計測する距離センサであることを特徴とする
ロボットシステム。 The robot system according to claim 1,
The robot system according to claim 1, wherein the sensing unit is a distance sensor that measures a distance to a surrounding object.
前記領域設定部は、
前記所定領域を設定可能な領域設定部と、
前記所定領域に対して前記属性のパラメータを設定可能な属性設定部と
前記記憶部に、領域設定部によって設定された所定領域の情報と、前記属性設定部により設定された当該所定領域における前記属性とを対にして複数記憶させる保存部と、
を備えることを特徴とするロボットシステム。 The robot system according to claim 2, wherein
The region setting unit
An area setting unit capable of setting the predetermined area;
An attribute setting unit capable of setting the attribute parameter for the predetermined region; information on the predetermined region set by the region setting unit in the storage unit; and the attribute in the predetermined region set by the attribute setting unit And a storage unit for storing a plurality of pairs,
A robot system comprising:
前記環境地図と入力中の前記領域設定部に設定された前記所定領域とを画面に表示する表示部を備えることを特徴とするロボットシステム。 The robot system according to claim 7, wherein
A robot system comprising: a display unit configured to display on the screen the environmental map and the predetermined region set in the region setting unit being input.
前記移動ロボット内部に、前記記憶部と、前記計測箇所算出部と、前記属性読み出し部と、前記環境地図更新部とが格納されていることを特徴とするロボットシステム。 The robot system according to claim 1,
The robot system, wherein the storage unit, the measurement location calculation unit, the attribute reading unit, and the environment map update unit are stored in the mobile robot.
前記環境地図上の所定領域をオペレータが設定する領域設定ステップと、
前記所定領域に対して前記属性をオペレータが設定する属性設定ステップと、
前記センシング部からのセンシングデータから計測箇所を算出する計測箇所算出ステップと、
前記計測箇所算出ステップで算出した計測箇所において、計測箇所を含む前記所定領域に設定された前記属性を読み出す属性読み出しステップと、
前記属性読み出しステップで読み出した前記属性に応じ、環境地図上の前記計測箇所算出ステップで算出した箇所を更新する環境地図更新ステップと、
を含む環境地図更新方法。 A method for updating an environmental map representing the shape of an entity in a moving space in a mobile robot capable of moving in the space, wherein an operator sets a predetermined area on the environmental map;
An attribute setting step in which an operator sets the attribute for the predetermined area;
A measurement location calculation step for calculating a measurement location from sensing data from the sensing unit;
In the measurement location calculated in the measurement location calculation step, an attribute read step for reading out the attribute set in the predetermined area including the measurement location;
An environment map update step for updating the location calculated in the measurement location calculation step on the environment map according to the attribute read in the attribute read step;
Environmental map update method including
前記属性は、当該所定領域における環境地図更新を行う際の地図への影響度であることを特徴とする環境地図更新方法。 In the environmental map update method of Claim 10,
The environmental map update method, wherein the attribute is a degree of influence on a map when the environmental map is updated in the predetermined area.
前記属性は、当該所定領域における環境地図更新を行う際の更新の可否であることを特徴とする環境地図更新方法。 In the environmental map update method of Claim 10,
The attribute map update method according to claim 1, wherein the attribute is whether or not update is possible when updating the environment map in the predetermined area.
前記環境地図上の形状とセンシング部で計測したセンシングデータとの幾何学的な合わせ込みに応じてロボットの位置姿勢を推定する位置姿勢推定ステップと、
計測箇所算出ステップが、前期位置姿勢推定ステップの結果に基づく位置姿勢に応じ、前記センシング部からのセンシングデータから計測箇所を算出することを特徴とする
環境地図更新方法。 In the environmental map update method of Claim 10,
A position / orientation estimation step for estimating the position / orientation of the robot according to a geometric fit between the shape on the environment map and the sensing data measured by the sensing unit;
An environmental map update method, wherein the measurement location calculation step calculates the measurement location from the sensing data from the sensing unit according to the position and orientation based on the result of the previous position and orientation estimation step.
前記センシング部は周囲の物体までの距離を計測する距離センサであることを特徴とする環境地図更新方法。 In the environmental map update method of Claim 10,
The environmental map updating method, wherein the sensing unit is a distance sensor that measures a distance to a surrounding object.
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