JP6406894B2 - 環境地図生成制御装置、移動体、及び環境地図生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動体の周辺にある障害物を認識し環境地図を生成する技術に関する。

無人車両やロボット等の自律型移動体が自律移動するためには、自律型移動体の周辺の路面状態や環境を認識して、進行方向にある障害物等を回避する必要がある。また、近年は自律型移動体の他、遠隔操縦又は運転者が自ら搭乗して運転するような車両やロボット等においても当該車両等の周辺環境を検出し、それに基づき運転を支援したり、障害物との衝突回避のための警告表示をしたり、自動的にブレーキ制御したりする運転システムが開発されている。

このような各種の移動体には、当該移動体の周辺環境を検出するセンサとして、例えばレーザレンジファインダ（以下ＬＲＦという）が設けられている。当該移動体は移動をしながらＬＲＦを用いて周辺を走査して測距を行うことで路面状態や障害物等を検出し、その検出データに基づき周辺の環境地図を生成する。そして、移動体は当該環境地図に基づいて経路を決定している。

例えば特許文献１には、移動体である自律走行車が、急制動停止可能位置よりも前方で且つこの自律走行車の進行方向に対して直交する横方向に光軸を走査する水平スキャンレーザレンジファインダ（以下水平スキャンＬＲＦという）と、自律走行車の前方に光軸を走査しつつその走査方向と直交する横方向に揺動させる立体スキャンレーザレンジファインダ（立体スキャンＬＲＦ）、及び自律走行車近傍から遠方にかけての平面の領域を抽出するステレオカメラを具備した構成が開示されている。

当該特許文献１の自律走行車は、停止時に、立体スキャンＬＲＦとステレオカメラで前方の計測を行い、走行可能領域を検出する。次いで、自律走行車の走行を開始すると、水平スキャンＬＲＦによって前方の路面上で且つ自律走行車の進行方向に対して直交する横方向に光軸を走査するとともに、立体スキャンＬＲＦにより、自律走行車の前方に光軸を走査しつつその走査方向と直交する方向に揺動させ、且つ、ステレオカメラで自律走行車近傍から遠方にかけての平面の領域を抽出する。

特開２００９−１１０２５０号公報

ＬＲＦはレーザを照射して、反射したレーザを受光することで測距を行うことから、通常レーザが当たった地点の情報しか取得できない。そのため、例えば特許文献１における水平スキャンＬＲＦのように、車両前方の路面上で且つ進行方向に対して直交する横方向に光軸を走査するのみでは、移動体の起動直後や移動体の旋回直後で車両前方の環境地図が全く生成されていない状態に入ると水平スキャンＬＲＦのレーザ光が当たる地点よりも自車両近傍側の状況を把握できず、当該部分が未登録の環境地図が生成されることとなるという問題がある。

これに対し特許文献１では、水平スキャンＬＲＦに加え、進行方向に沿った走査を行う立体スキャンＬＲＦとステレオカメラを用いて、車両近傍から遠方にかけての路面状態を把握しているが、このように複数のＬＲＦやカメラを設けるとコストの増加を招く上、立体スキャンＬＲＦやステレオカメラで取得した情報も処理する必要があるため処理時間が増加する。このために、移動体の速度も低下させる必要も生じるおそれがある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ＬＲＦを用いた環境地図の生成において、１つのＬＲＦによってより広い範囲の路面情報を取得し、移動体の起動直後や旋回直後等でも早期に環境地図を生成することのできる環境地図生成制御装置、移動体、及び環境地図生成方法を提供することにある。

上記した目的を達成するために、第１の発明に係る環境地図生成制御装置は、移動体の移動制御に用いる環境地図を生成する環境地図生成制御装置において、前記移動体から路面に向けてレーザを照射して、反射したレーザを受光することで測距を行う測距手段と、前記測距手段により測距される計測点の測距情報、及び前記測距手段から照射されるレーザの軌跡上にある任意の軌跡点における高さ情報を算出する測距情報処理手段と、前記測距情報処理手段により算出される前記計測点の測距情報及び前記計測点に至るまでの前記軌跡点の高さ情報に基づき、前記レーザの軌跡下の路面情報を登録して環境地図を生成する環境地図生成手段と、を備えることとしている。

第２の発明に係る環境地図生成制御装置としては、前記第１の発明において、前記測距情報処理手段では、前記移動体が走破可能な走破可能高さを設定して、当該設定した移動体が走破可能な走破可能高さと算出した前記軌跡点の高さ情報とを比較し、環境地図生成手段において、走破可能高さより低い前記軌跡点の高さ情報のみを取得することとしている。

第３の発明としては、第１又は第２の発明において、前記測距手段は、前記移動体前方の路面に向け且つ進行方向に対し水平方向に走査するレーザレンジファインダとしている。

また、第４の発明に係る移動体は、第１から第３の何れかの発明に係る環境地図生成制御装置を有し、生成された環境地図に基づき移動経路を生成し、当該移動経路に沿って移動を行う移動制御手段を備えることとしている。

さらに、第５の発明に係る環境地図生成方法としては、移動体の移動制御に用いる環境地図を生成する環境地図生成方法において、前記移動体から路面に向けてレーザを照射して、反射したレーザを受光することで測距を行う測距手段により測距される計測点の測距情報、及び前記測距手段から照射されるレーザの軌跡上にある任意の軌跡点における高さ情報を算出する測距情報処理ステップと、測距情報処理手段により算出される前記計測点の測距情報及び前記計測点に至るまでの前記軌跡点の高さ情報に基づき、前記レーザの軌跡下の路面情報を登録して環境地図を生成する環境地図生成ステップと、を備えることとしている。

第６の発明に係る環境地図生成方法としては、第５の発明において、前記測距情報処理ステップでは、前記移動体が走破可能な走破可能高さを設定して、当該設定した移動体が走破可能な走破可能高さと算出した前記軌跡点の高さ情報とを比較し、環境地図生成ステップにおいて、走破可能高さより低い前記軌跡点の高さ情報のみを取得することとしている。

上記手段を用いる本発明に係る環境地図生成制御装置、移動体、及び環境地図生成方法によれば、ＬＲＦのような測距手段を用いた環境地図の生成において、１つのＬＲＦによってより広い範囲の路面情報を取得し、移動体の起動直後や旋回直後等でも早期に環境地図を生成することができる。

本発明の一実施形態に係る環境地図生成制御装置を備えた移動体の概略構成図である。 コンピュータユニットの制御構成を示すブロック図である。 環境地図生成制御装置において実行されるＬＲＦデータ処理制御及び環境地図生成制御の説明図である。 移動体前方に障害物がある場合のＬＲＦデータ処理制御及び環境地図生成制御の説明図である。 本発明の実施形態の変形例における環境地図生成制御装置のＬＲＦデータ処理制御及び環境地図生成制御の説明図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１には、本発明の一実施形態に係る環境地図生成制御装置を備えた移動体の概略構成図が示されており、以下同図に基づき、移動体の構成について説明する。

図１に示すように、移動体１は、図示しない遠隔操縦装置の指示に応じた走行を行う、自律型移動ロボットである。

当該移動体１には、自己の位置を計測するためのＧＰＳ（Global Positioning System）受信機２、自己の姿勢を計測するためのジャイロセンサ４が搭載されている。また、移動体１には、車両の駆動及び操舵を行うアクチュエータ６が設けられている。

さらに、移動体１には、前上部にレーザレンジファインダ１０（測距手段）（以下、ＬＲＦ１０という）が設けられている。当該ＬＲＦ１０は進行方向である車両前方の路面に向けてレーザＬを照射し、反射したレーザＬを受光することで、レーザＬが当たった計測点ａの測距を行う。

そして、移動体１には、自律走行を制御（移動制御）するためのコンピュータユニット２０が搭載されており、当該コンピュータユニット２０は、図示しない遠隔操縦装置の指示を受け、各種センサ等からの情報に基づき上記アクチュエータ６を操作して移動体１を走行させるものである。

図２に、当該コンピュータユニット２０内の制御構成を概念的に表したブロック図が示されており、以下同図に基づき、当該コンピュータユニット２０の構成について説明する。

図２に示すようにコンピュータユニット２０内では、ＬＡＮ等の通信線を介して各種センサと各種制御部とが接続されている。当該コンピュータユニット２０は、大別すると環境認識・自己位置計測部２２と車両制御部２４（移動制御手段）とを有している。そして、環境認識・自己位置計測部２２は、自己位置評定部２６、ＬＲＦデータ処理部２８（測距情報処理手段）、及び環境地図生成部３０（環境地図生成手段）を有している。

自己位置評定部２６は、ＧＰＳ受信機２からの自己位置情報及びジャイロセンサ４からの自己姿勢情報に基づき自己位置を評定する機能を備えている。

ＬＲＦデータ処理部２８は、ＬＲＦ１０からの測距情報を処理する機能を備えている。また、ＬＲＦデータ処理部２８は、ジャイロセンサ４からの自己姿勢情報も用いてＬＲＦ１０から照射されるレーザＬの軌跡上の任意の軌跡点における高さ情報を算出する機能も備えている。

これら自己位置評定部２６及びＬＲＦデータ処理部２８にて処理された情報は環境地図生成部３０に送られ、当該環境地図生成部３０は、取得した情報に基づき、移動体１の周辺における環境地図を生成する機能を有している。

一方、車両制御部２４は、経路生成部３２及び車両操作部３４を有している。

経路生成部３２は、環境認識・自己位置計測部２２の自己位置評定部２６において評定された自己位置情報及び環境地図生成部３０にて生成された環境地図情報を取得し、図示しない遠隔操縦装置の指示に応じた経路を生成する機能を備えている。

また、車両操作部３４は、当該経路生成部３２において生成された経路を走行するのに必要な操舵量や駆動力を算出する機能を備えている。そして、当該車両操作部３４は、算出した操舵量及び駆動力でアクチュエータ６を操作することで移動体１の走行を制御する。

以下、当該環境認識・自己位置計測部２２のＬＲＦデータ処理部２８及び環境地図生成部３０において実行されるＬＲＦデータ処理制御及び環境地図生成制御（環境地図生成方法）について詳しく説明する。

まず、ＬＲＦデータ処理部２８は、ＬＲＦデータ処理制御として、ＬＲＦ１０により測距される計測点の測距情報と、当該ＬＲＦから照射されるレーザＬの軌跡上にある任意の軌跡点における高さ情報を取得する（測距情報処理ステップ）。

そして、環境地図生成部３０は、環境地図生成ステップとして、ＬＲＦデータ処理部２８にて取得した計測点の測距情報及び軌跡点の高さ情報に基づき、レーザＬの軌跡下の路面情報を登録して環境地図を生成する（環境地図生成ステップ）。

具体的には、図３に環境地図生成制御装置において実行されるＬＲＦデータ処理制御及び環境地図生成制御の説明図が示されており、以下同図に基づき説明する。

図３に示すように、環境地図の生成は、移動体１の周辺を矩形のメッシュ状に区画し、各メッシュに路面状態に関する情報を登録していくことで行われる。

ＬＲＦデータ処理部２８は、ＬＲＦ１０から前方の路面に向け且つ水平方向（車幅方向）に走査するようレーザＬを照射させ、路面から反射したレーザＬを受光することで、レーザＬの当たった計測点ａの測距情報を取得する、当該測距情報はＬＲＦ１０からの距離と照射角度とからなる情報であるため、ＬＲＦデータ処理部２８は、当該測距情報を環境地図の生成に合わせた座標情報に変換する。例えばＬＲＦ１０により走査する範囲のうち移動体１に対して右端を測距する際を例に説明すると、図３において黒点で示すように、ＬＲＦ１０から計測点ａまでの距離と照射角度からなる測距情報とジャイロセンサ４からの自己姿勢情報を用いてｘ、ｙ、ｚの直交３軸からなるデカルト座標系に座標変換することで、計測点ａの高さＨａ情報が算出可能となる。なお、図３に示すように路面に凹凸や障害物等がなければ計測点ａの高さＨａは０となる。そして、環境地図生成部３０において当該計測点ａに対応したメッシュに当該路面は高さＨａ以上である情報を登録する。

また、ＬＲＦデータ処理部２８は、ＬＲＦ１０から照射したレーザＬの軌跡上の任意の軌跡点における高さ情報も算出する。当該軌跡点は図３において白抜き点で示されており、ＬＲＦデータ処理部２８は、ＬＲＦ１０から照射したレーザＬの計測点ａに至るまでの軌跡上に、所定の間隔で軌跡点ｂ〜ｈを設定する。なお当該所定の間隔は環境地図のメッシュの大きさに応じて設定するのが好ましい。例えば１つのメッシュに少なくとも１つの軌跡点が含まれるように設定する。

ＬＲＦデータ処理部２８は、移動体１においてＬＲＦ１０からレーザＬが照射される高さＨと、レーザＬの鉛直方向における照射角度θ（鉛直方向からレーザＬの光軸までの角度）と、計測点ａまでの距離及び各軌跡点ｂ〜ｈまでの距離との比とから、当該各軌跡点の高さＨｂ〜Ｈｈを算出する。そして、環境地図生成部３０は、ＬＲＦデータ処理部２８により算出された各軌跡点ｂ〜ｈの下方に位置するメッシュに、当該メッシュ内の路面は各軌跡点の高さＨｂ〜Ｈｈ以下である情報を登録する。

ＬＲＦデータ処理部２８は、ＬＲＦ１０が水平方向に走査するのに応じて各計測点及び各軌跡点の高さ情報を算出し、環境地図生成部３０において対応するメッシュに情報を登録する。これにより図３に網掛けで示すように、ＬＲＦ１０のレーザＬが一度車幅方向に走査しただけで、計測点に対応するメッシュだけでなく、レーザＬが走査した範囲全域に亘って路面状態が登録されることとなる。

つまり、環境地図生成部３０において生成される環境地図は、計測点の高さ以上であるという上側高度値と、軌跡点の高さ以下であるという下側高度値との、２つの高さ情報が登録可能である。なお、環境地図生成部３０は、上側高度値については、ＬＲＦ１０により計測点ａに対応した高さＨａ以上であるという情報が同メッシュに再度得られた場合、新しく得られた高さＨａがそれまで登録されていた高さ情報より高ければ、新しく得られた高さＨａで更新を行う。また、環境地図生成部３０は、下側高度値については、ＬＲＦ１０により軌跡点ｂ（〜ｈ）に対応した高さＨｂ（〜Ｈｈ）以下であるという情報が同メッシュに再度得られた場合には、新しく得られた高さＨｂ（〜Ｈｈ）がそれまで登録されていた高さ情報より低ければ新しく得られた高さＨｂ（〜Ｈｈ）で更新を行う。

また、図４には移動体１の前方に障害物がある場合のＬＲＦデータ処理制御及び環境地図生成制御の説明図が示されており、以下同図に基づき障害物がある場合のＬＲＦデータ処理制御及び環境地図生成制御について説明する。

図４に示すように、移動体１の前方に障害物Ｏがある場合は、レーザＬは障害物Ｏに当たって反射する。従って、ＬＲＦデータ処理部２８は、計測点ａとして当該障害物Ｏの移動体１側の側面の高さＨａを算出する。その他、ＬＲＦデータ処理部２８は、当該計測点ａに至るまでの各軌跡点ｂ〜ｅの高さＨｂ〜Ｈｅを算出する。さらにＬＲＦデータ処理部２８は、レーザＬを車幅方向に走査することでその他の各計測点及び各軌跡点の高さ情報を算出する。

そして、環境地図生成部３０は、障害物Ｏに対応するメッシュにおいては、計測点ａにより取得された高さＨａ以上の高さがある情報を登録し、軌跡点ｂ〜ｅに対応するメッシュにおいては、各軌跡点の高さＨｂ〜Ｈｅ以下である情報を登録する。

このように生成された環境地図に基づき、車両制御部２４の経路生成部３２は移動体１の経路を生成する。例えば、経路生成部３２は、隣り合うメッシュの高さ情報を比較して高低差が所定差以上である場合には障害物があると判断する。そして経路生成部３２は、移動体１の走行経路に障害物があり、当該障害物を乗り越えられないと判定した場合には、当該障害物を回避する走行経路に修正する。図４の場合であれば、経路生成部３２において、計測点ａの高さＨａは移動体１が乗り越えられる高さでないと判断された場合は、当該障害物Ｏを回避する経路が生成される。

一方、各軌跡点に対応するメッシュは、各軌跡点の高さ以下であることが登録されており、経路生成部３２は当該各軌跡点の高さ情報も参照しつつ経路を生成する。

以上のように、本実施形態におけるＬＲＦデータ処理制御及び環境地図生成制御では、ＬＲＦ１０による計測点の高さ情報に加えて軌跡点の高さ情報を取得して、環境地図を生成する。つまり、直接レーザが当たる計測点だけでなく、レーザ軌跡下のメッシュ全てに高さ情報が同時に与えられるため、未計測部分が早期に低減される。これにより、環境地図生成のために低速走行する時間を短縮することができる。

特に遠方のメッシュであるほど、軌跡点から得られる高さは低くなり、確実に走行可能な高さを短時間で広範囲に設定できる。これにより、遠方までの走行経路の決定を安定的に行うことができ、これによっても移動体１の高速走行を実現することができる。

以上のことから、１つのＬＲＦ１０によってより広い範囲の路面情報を取得し、移動体１の起動直後や旋回直後等でも早期に環境地図を生成することができる。

以上で本発明に係る実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

例えば、図５には本発明の上記実施形態の変形例における環境地図生成制御装置のＬＲＦデータ処理制御及び環境地図生成制御の説明図が示されており、同図に基づき上記実施形態の変形例について説明する。

図５に示す変形例では、基本構成は上記実施形態の移動体１と同様であるが、ＬＲＦデータ処理部２８において予め走破可能高さＨｘが設定されている。当該走破可能高さＨｘは、移動体１が乗り越えることが可能な高さであり、例えば移動体１のタイヤの直径の１／３〜２／３程度の高さに設定するのが好ましい。

そして、ＬＲＦデータ処理部２８は、計測点ａの他、軌跡点のうち走破可能高さＨｘより低い範囲にある軌跡点ｂ、ｃの情報のみを取得する。

当該変形例のように軌跡点の情報を走破可能高さＨｘより低い範囲に限定することで、処理する情報を必要最小限に減少させることができる。これにより、環境地図の生成時間の増加を抑えて移動体１の高速走行を実現しつつ、計測点のみでの環境地図の生成よりも広い範囲で確実に走行可能な範囲を早期に認識することができることとなる。

当該変形例の他にも、上記実施形態では、移動体１を自律型移動ロボットとしているが、移動体はロボットに限られるものではなく、例えば自律走行をする車両等でも構わない。さらに、移動体は自律型移動体に限られるものではなく、遠隔操縦又は運転者が自ら搭乗して運転するような車両やロボット等にも本発明を適用することができる。例えば、運転者が搭乗する自動車において、本発明により生成した環境地図を用いて周辺環境を認識し、当該周辺環境に応じて運転支援したり、衝突回避のために警告表示をしたり、自動的にブレーキ制御したりしてもよい。

１ 移動体
２ ＧＰＳ受信機
４ ジャイロセンサ
６ アクチュエータ
１０ ＬＲＦ（測距手段）
２０ コンピュータユニット
２２ 環境認識・自己位置計測部
２４ 車両制御部（移動制御手段）
２６ 自己位置評定部
２８ ＬＲＦデータ処理部（測距情報処理手段）
３０ 環境地図生成部（環境地図生成手段）
３２ 経路生成部
３４ 車両操作部

Claims (6)

1. 移動体の移動制御に用いる環境地図を生成する環境地図生成制御装置において、
   前記移動体から路面に向けてレーザを照射して、反射したレーザを受光することで測距を行う測距手段と、
   前記測距手段により測距される計測点の測距情報、及び前記測距手段から照射されるレーザの軌跡上にある任意の軌跡点における高さ情報を算出する測距情報処理手段と、
   前記測距情報処理手段により算出される前記計測点の測距情報及び前記計測点に至るまでの前記軌跡点の高さ情報に基づき、前記レーザの軌跡下の路面情報を登録して環境地図を生成する環境地図生成手段と、
   を備える環境地図生成制御装置。
2. 前記測距情報処理手段では、前記移動体が走破可能な走破可能高さを設定して、当該設定した移動体が走破可能な走破可能高さと算出した前記軌跡点の高さ情報とを比較し、環境地図生成手段において、走破可能高さより低い前記軌跡点の高さ情報のみを取得する請求項１記載の環境地図生成制御装置。
3. 前記測距手段は、前記移動体前方の路面に向け且つ進行方向に対し水平方向に走査するレーザレンジファインダである請求項１又は２記載の環境地図生成制御装置。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載の環境地図生成制御装置を有し、
   生成された環境地図に基づき移動経路を生成し、当該移動経路に沿って移動を行う移動制御手段を備えることを特徴とする移動体。
5. 移動体の移動制御に用いる環境地図を生成する環境地図生成方法において、
   前記移動体から路面に向けてレーザを照射して、反射したレーザを受光することで測距を行う測距手段により測距される計測点の測距情報、及び前記測距手段から照射されるレーザの軌跡上にある任意の軌跡点における高さ情報を算出する測距情報処理ステップと、
   測距情報処理手段により算出される前記計測点の測距情報及び前記計測点に至るまでの前記軌跡点の高さ情報に基づき、前記レーザの軌跡下の路面情報を登録して環境地図を生成する環境地図生成ステップと、
   を備える環境地図生成方法。
6. 前記測距情報処理ステップでは、前記移動体が走破可能な走破可能高さを設定して、当該設定した移動体が走破可能な走破可能高さと算出した前記軌跡点の高さ情報とを比較し、環境地図生成ステップにおいて、走破可能高さより低い前記軌跡点の高さ情報のみを取得する請求項５記載の環境地図生成方法。

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