JP2004139266A - 自律走行ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】進行方向推定手段で推定された進行方向と実際の進行方向との誤差を確実に修正することができる自律走行ロボットを提供すること。
【解決手段】地図上の最も長い有向線分を基準線２０２として選択し、自律走行ロボット本体が基準線付近で旋回するときに、本体の姿勢を基準線に相当する実環境中の障害物の面と平行になるように本体の姿勢を調整し、基準線をなす有向線分の方向を進行方向推定手段２１ｆで推定された進行方向に代入することにより進行方向推定手段２１ｆから出力される進行方向の誤差を修正するようにしている。
【選択図】　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自律走行しながら作業領域の地図を作成し、その地図に基づいて作業領域内の作業を行なう自律走行ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば掃除などの作業を行なう自律走行ロボットが開発されている。
【０００３】
この自律走行ロボットには、作業する領域の地図を記憶している地図記憶手段と、その地図上の自律走行ロボットの自己位置を推定する自己位置推定手段を備えている。この自己位置推定手段は、例えば自律走行ロボットの走行距離を推定する走行距離推定手段と、進行方向を推定する進行方向推定手段から構成されている。このような自律走行ロボットが走行を続けると、自己位置推定により得られる地図におけるロボットの位置と実環境におけるロボットの位置とが次第にずれていく。このずれが発生する最大の原因は、進行方向推定手段の推定精度が十分に確保できないことにある。　進行方向推定手段により推定した進行方向と実際の進行方向との僅かな誤差が、長距離を走行すると大きな位置の誤差を発生させる要因となっているからである。
【０００４】
自律走行ロボットの地図上の位置と実環境での位置との間に生じる誤差を修正する方式として、距離センサを使用して修正する方式（特許文献１）が知られている。
【０００５】
この特許文献１では、ロボット本体に設けた距離センサによって障害物までの距離と角度を求め、自己位置推定により得られた本体の推定位置および推定方向から予め与えられた地図中の障害物までの距離および角度を求め、これらの差を用いて自律走行ロボットの地図上の位置と実環境での位置との誤差を修正する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２５７５３０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載された自律走行ロボットでは、自律走行するために必要な地図は予め与えられることが前提条件になっている。予め地図を与えれていない自律走行ロボットでは、自己位置推定手段により推定される自己位置を基に作業領域の地図を作成する必要がある。この場合、作成した地図には自己位置推定手段が持つ誤差を含んでいる。このような自己位置推定手段が持つ誤差を含んだ地図に基づいて特許文献１の自律走行ロボットを走行させると、地図上の自律走行ロボットの位置と実環境上の位置との間に生じる誤差を確実に修正することは難しい。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、自律走行しながら作成した地図に基づいて走行する時に、進行方向推定手段で推定された進行方向と実際の進行方向との誤差を確実に修正することができる自律走行ロボットを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、作業領域を示す地図中の最も長い有向線分を基準線として選択し、自律走行ロボット本体が基準線付近で旋回するときに、本体の姿勢を基準線に相当する実環境中の障害物の面と平行になるように前記本体の姿勢を調整し、基準線をなす有向線分の方向を進行方向推定手段で推定された進行方向に代入することにより前記進行方向推定手段から出力される進行方向の誤差を修正するようにしている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。図１は自律走行ロボットの正面図、図２はその側面図である。図１及び図２において、１は下部が略円形状で上部が略半球形状を有する自律走行ロボットの筐体である。この筐体１の前面上部に各種指示ボタン等が設けられた操作入力部２が配設されている。また、筐体１の前面から側面に亘った下部に、例えば超音波センサからなる複数の障害物センサ３が配設されている。この障害物センサ３は、例えば、正面から見える位置に所定間隔を開けて３個配設し、左右の側面に所定間隔を開けて２個ずつ配設されている。この障害物センサ３は障害物との距離情報を出力する。
【００１１】
筐体１内には、クリーナモータ４とこのクリーナモータ４で回転するファン５とこのファン５の回転により底部に設けた吸込口６から塵を吸込んで集める集塵室７が収納されている。
【００１２】
また、筐体１の底部略中央の左右にそれぞれ左駆動輪８ａ、右駆動輪８ｂが取り付けられ、この各駆動輪８ａ，８ｂはそれぞれ左走行モータ９ａ、右走行モータ９ｂにより回転駆動される。各駆動輪８ａ，８ｂ及び各走行モータ９ａ，９ｂにより走行手段が構成される。そして、各駆動輪８ａ，８ｂの回転を左右のロータリーエンコーダ（以下、単にエンコーダと称する）１０ａ，１０ｂにより検出している。
【００１３】
また、筐体１の底部後端中央には回転自在で方向が自由に旋回可能な旋回輪１１が取り付けられている。また、筐体１内には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の制御回路部品を組み込んだ回路基板１２及び各部に電源を供給するバッテリ１３が収納されている。
【００１４】
次に、図３を参照して自律走行ロボットの制御系統について説明する。図３において、図１及び図２と同一部分には同一番号を付し、その詳細な説明については省略する。操作入力部２、障害物センサ３、左エンコーダ８ａ及び右エンコーダ８ｂ、ジャイロセンサ１４の出力は制御部２１に入力される。この制御部２１内には前述したＲＯＭが配設されている。このＲＯＭには自己位置推定手段２１ａ、地図生成手段２１ｂ、外周走行終了判定手段２１ｃ、走行計画手段２１ｄ、走行領域分割手段２１ｅ、進行方向推定手段２１ｆ、ジグザグ走行手段２１ｇがプログラムとして記憶されている。
【００１５】
自己位置推定手段２１ａは、左エンコーダ８ａ及び右エンコーダ８ｂが出力する車輪の回転量から自律走行ロボットの走行速度ｖを求め、この走行速度ｖを進行方向推定手段２１ｆで推定された自律走行ロボットの進行方向の正弦分と余弦分とに分けてそれぞれ積分することにより自己位置を求めている。
【００１６】
進行方向推定手段２１ｆはジャイロセンサ１４から出力される自律走行ロボットの旋回角速度ａを積分することにより自律走行ロボットの進行方向を推定している。
【００１７】
地図生成手段２１ｂは、障害物センサ３が出力する障害物との距離情報と自己位置推定手段２１ａが出力する自律走行ロボットの自己位置情報に基づいて作業領域内の地図を生成する。この地図は後述する地図記憶部２２ａに記憶される。この作業領域の地図は有向線分（つまり、ベクトル）の集合として表される。
【００１８】
外周走行終了判定手段２１ｃは、図７に示すように自律走行ロボットが作業領域の外周を始点Ｓから１周したことを判断する。この判定は、例えば外周走行を開始した時の姿勢方向を０度として、外周走行を開始した位置までに戻って来るまでにロボット本体が回転した累積角度を利用している。すなわち、左回りの角度をプラス、右回りの角度をマイナスとして累積した場合、例えばロボット本体の左側面に壁を検知しながら走行した場合には、累積角度はマイナス３６０度で外周走行が終了したと判定している。
【００１９】
走行計画手段２１ｄは、後述する地図記憶部２２ａに記憶されている作業領域を走行するのに必要な走行計画を生成する。つまり、次に説明する作業領域分割手段２１ｅで分割された領域をどういう順番で自律走行ロボットを走行させるかの走行計画を立てる。
【００２０】
作業領域分割手段２１ｅは、図８に示すように地図生成手段２１ｂで生成された地図上の作業領域の壁の最も長い有向線分を基準線２０２として選択（選択手段）し、作業領域を複数の短冊状の領域（例えば、領域１〜３）に分割する。そして、走行領域分割手段２１ｅは各作業領域１〜３に作業を開始する始点２０３をそれぞれ設定している。
【００２１】
ジグザグ走行手段２１ｇは、地図記憶部２２ａに記憶されている作業領域を隈なく走行する走行経路を生成する。このジグザグ走行手段２１ｇは図５及び図６のフローチャートにより遂行される。
【００２２】
また、制御部２１にはメモリ２２が接続される。このメモリ２２内の地図記憶部２２ａには、前述した地図生成手段２１ｂで生成された作業領域の地図が記憶される。
【００２３】
さらに、制御部２１にはモータ制御部２３及び２４が接続されている。モータ制御部２３はクリーナモータ４を駆動制御し、モータ制御部２４は左走行モータ９ａ及び右走行モータ９ｂを駆動制御する。
【００２４】
次に、上記のように構成された本発明の一実施の形態の動作を図面を参照して説明する。自律走行ロボットは、指定された作業領域内を隈なく掃除するために、図４のフローチャートに示した処理を行なう。最初に、自己位置推定手段２１ａにより自律走行ロボットの自己位置の推定が開始される（ステップＳ１）。そして、図７に示すように作業領域の壁際に沿って一周走行することにより作業領域の壁に沿った掃除を行なう（外周走行）（ステップＳ２）。この際、地図生成手段２１ｂにより生成された作業領域の地図が地図記憶部２２ａに記憶される。
【００２５】
次に、図８に示す地図は地図中の最も長い有向線分を基準線２０２として、短冊状の領域に分割されて後、各領域を走行する走行計画が走行計画手段２１ｄで作成される（ステップＳ３）。
【００２６】
次に、ステップＳ３で作成された走行計画に基づいて自律走行ロボットのシグザグ走行が開始される（ステップＳ４）。
【００２７】
以下、外周走行（ステップＳ２）、走行計画（ステップＳ３）、ジグザグ走行（ステップＳ４）の詳細な動作について説明する。ジグザグ走行（ステップＳ４）については、図５のフローチャートを参照して詳細に説明する。
【００２８】
まず、外周走行について詳細に説明する。操作入力部２からの指示により自律走行ロボットの作業開始が指示されると、自律走行ロボットは地図記憶部２２ａを初期化してから、自己位置推定手段２１ａによる自己位置推定を開始する。それから作業領域の壁に沿った壁際走行（外周走行）を開始する。
【００２９】
さらに、自律走行ロボットの外周走行中、障害物センサ３が出力する障害物との距離情報と自己位置推定手段２１ａが出力する自己位置情報に基づいて地図生成手段２１ｂにより作業領域の地図が生成され、その地図は地図記憶部２２ａに記憶される。
【００３０】
そして、図７に示すように作業領域の壁際に沿って一周走行すると、外周走行終了判定手段２１ｃにより外周走行の終了か判定され、外周走行が終了される。
【００３１】
次に、走行計画（ステップＳ３）について詳細に説明する。自律走行ロボットは、外周走行（ステップＳ２）が終了すると、地図記憶部２２ａに記憶されている図７に示すような作業領域の地図に基づいて走行計画手段２１ｄを用いて走行計画を立てる。ここで、作業領域分割手段２１ｅは、図８に示すように、地図中の障害物を構成する多角形の最も長い有向線分を基準線２０２として選択し、壁や障害物の角情報を利用して作業領域を複数の短冊状の領域１〜３に分割し、各領域に始点２０３を設定する。
【００３２】
このように走行計画手段２１ｄによる走行計画が終了すると、ジクザグ走行（ステップＳ４）が開始される。このジグザグ走行について図５及び図６のフローチャート、図１２のジグザグ走行の説明図を参照して詳細に説明する。例えば、領域２をジグザグ走行するときは、領域内の始点２０３からジグザグ走行が開始される。
【００３３】
以下、領域２の途中、つまり図１２のａ位置からジグザグ走行する動作について説明する。まず、基準線２０２に垂直な直線３０上を矢印Ｈ方向に直進する（ステップＳ１１）。そして、自律走行ロボットは基準線２０２に相当する障害物までの距離が所定距離より以下かを判定する（ステップＳ１２）。このステップＳ１２で「ＮＯ」と判定されている間は、自律走行ロボットは基準線２０２に垂直な直線３０上を矢印Ｈ方向に直進する（ステップＳ１１）。
【００３４】
そして、ステップＳ１２の判定で「ＹＥＳ」、つまり基準線２０２に相当する障害物までの距離が所定距離になったと判定されると、自律走行ロボットは停止する。そして、自律走行ロボットは障害物センサ３を用いて基準線２０２に相当する障害物の面がロボット本体の進行方向に対して左側になるように姿勢を制御しつつ旋回する（ステップＳ１３）。そして、障害物の面と自律走行ロボットの向きが所定角度以内にあるかを判定する（ステップＳ１４）。このステップＳ１４の判定で「ＮＯ」と判定された場合には、前述した旋回動作（ステップＳ１３）が継続して行なわれる。
【００３５】
一方、ステップＳ１４の判定で「ＹＥＳ」と判定される、つまり自律走行ロボット本体の進行方向が障害物の面と平行となったか、地図上での基準線２０２の方向を進行方向推定手段により算出された進行方向に代入する。つまり、両者の方向を一致させることにより、進行方向推定手段により算出された進行方向の誤差を修正するようにしている（ステップＳ１５）。つまり、図９（Ａ）から図９（Ｂ）に示すように進行方向の誤差が修正される。これらステップＳ１３〜Ｓ１５の処理により誤差修正手段が構成される。
【００３６】
基準線２０２は地図中の障害物を構成する多角形の最も長い有向線分であるため、地図情報として最も信頼性の高い部分である。そして、進行方向推定手段で推定される進行方向を地図上での基準線２０２の方向に一致させることにより、進行方向推定手段で推定された進行方向の誤差を確実に修正することができる。つまり、進行方向推定手段で推定された進行方向の精度を上げることができる。
【００３７】
さらに、進行方向推定手段で推定された進行方向の精度を上げることにより、自己位置推定手段２１ａで推定される自律走行ロボットの自己位置の精度も上げることができる。なぜなら、自己位置推定手段２１ａは左エンコーダ８ａ及び右エンコーダ８ｂが出力する車輪の回転量から自律走行ロボットの走行速度ｖを求め、この走行速度ｖを進行方向推定手段２１ｆで推定された自律走行ロボットの進行方向の正弦分と余弦分とに分けてそれぞれ積分することにより自己位置を求めているためである。
【００３８】
そして、自律走行ロボットは基準線２０２に平行な線３１に沿って所定距離だけ直進する（ステップＳ１６）。
【００３９】
自律走行ロボットは所定距離だけ直進すると、停止する。そして、図１０に示すように、地図上において自律走行ロボットの位置から基準線２０２に垂直な直線３２を基準線２０２と反対側の辺まで引く（ステップＳ１７）。
【００４０】
そして、自律走行ロボットはこの直線３２と同じ向きとなるように旋回する（ステップＳ１８）。そして、自律走行ロボットはこの直線３２に沿って直進するように制御される（ステップＳ１９）。このように、自律走行ロボットは直線３２に沿って直進するように制御されるので、例えば、ｂ位置でスリップによりＩのように、直線３２から外れた方向に進行してしまった場合でも、必ずｃ位置のような直線３２上の位置に戻って来ることができる。
【００４１】
従って、作業領域内を隈なく走行することができる。
【００４２】
そして、障害物センサ３により基準線２０２と反対側の障害物を検知したかが判定される（ステップＳ２０）。このステップＳ２０において「ＮＯ」と判定されている間は直線３２上の直進が継続してなされる。
【００４３】
ところで、ステップＳ２０において「ＹＥＳ」と判定された場合には、自律走行ロボットは減速制御された後停止される（ステップＳ２１、Ｓ２２）。
【００４４】
そして、基準線２０２を左手に見て、９０度左旋回する（ステップＳ２３）。その後、基準線２０２と平行な直線３３上に沿って所定距離だけ直進制御される（ステップＳ２４）。そして、図１１に示すように自律走行ロボットの位置から基準線２０２に向かって垂直となる直線３４を引く（ステップＳ２５）。
【００４５】
そして、この直線３４と同じ向きとなるように自律走行ロボットが旋回制御される（ステップＳ２６）。以下、ステップＳ１１の処理に戻って、この直線３４に沿って、自律走行ロボットが直進する（ステップＳ１９）。
【００４６】
なお、上記した実施の形態では、律走行ロボットが基準線２０２のところで旋回するときに、進行方向の誤差を修正するようにしなくても良い。
【００４７】
このような場合においても、自律走行ロボットはジグザグ走行手段により作成された基準線２０２に垂直な直線に沿うように走行制御されるので、作業領域内を隈なく走行することができる。
【００４８】
なお、上記した実施の形態では、進行方向の精度が十分に確保できる場合は自律走行ロボットが基準線２０２側で必ず進行方向の誤差を修正するようにしたが、必ずでなくても良い。
【００４９】
また、上記実施の形態では、進行方向推定手段２１ｆは、ジャイロセンサ１４から出力される自律走行ロボットの旋回角速度ａを積分することにより自律走行ロボットの進行方向を推定していたが、ジャイロセンサ１４を設けずに、左エンコーダ８ａ及び右エンコーダ８ｂが出力する車輪の回転量から自律走行ロボットの旋回角速度ａを求め、この旋回角速度ａを積分することにより自律走行ロボットの進行方向を推定する進行方向推定手段で推定された進行方向の誤差も同様に確実に修正することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、進行方向推定手段で推定された進行方向と実際の進行方向との誤差を確実に修正することができる自律走行ロボットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る自律走行ロボットの正面図。
【図２】同実施の形態に係る自律走行ロボットの側面図。
【図３】同実施の形態に係る自律走行ロボットの制御系統を示すブロック図。
【図４】同実施の形態に係る自律走行ロボットの概略動作を説明するためのフローチャート。
【図５】同実施の形態に係る自律走行ロボットのジグザグ走行を説明するためのフローチャートの一部。
【図６】同実施の形態に係る自律走行ロボットのジグザグ走行を説明するためのフローチャートの一部。
【図７】同実施の形態に係る外周走行を説明するための図。
【図８】同実施の形態に係る作業領域の分割を説明するための図。
【図９】同実施の形態に係る基準線を用いた角度誤差修正を示した図。
【図１０】同実施の形態に係る基準線に立てた垂線を示す図。
【図１１】同実施の形態に係る基準線に立てた垂線を示す図。
【図１２】同実施の形態に係るシグザグ走行を説明するための図。
【符号の説明】
２…操作入力部、
３…障害物センサ、
４…クリーナモータ、
９ａ…左走行モータ、
９ｂ…右走行モータ、
２１…制御部。

Claims (3)

1. 自律走行ロボット本体を走行させる走行手段と、
   障害物を検知する障害物検知手段と、
   前記ロボット本体の前記地図上での進行方向を推定する進行方向推定手段と、
   前記ロボット本体が前記地図上のどの位置を走行しているかを推定する自己位置推定手段と、
   前記障害物検知手段から出力される障害物との距離と前記自己位置推定手段により推定される自己位置を基に作業領域の地図を作成する地図作成手段と、
   前記地図の最も長い有向線分を基準線として選択する選択手段と、
   前記本体が基準線付近で旋回するときに、前記本体の姿勢を前記基準線に相当する実環境中の障害物の面と平行になるように前記本体の姿勢を調整し、基準線をなす有向線分の方向を前記進行方向推定手段で推定された進行方向に代入することにより前記進行方向推定手段から出力される進行方向の誤差を修正する誤差修正手段とを具備した自律走行ロボット。
2. 自律走行ロボット本体を走行させる走行手段と、
   障害物を検知する障害物検知手段と、
   この障害物検知手段により検知された障害物を作業領域の地図として記憶する地図記憶手段と、
   前記ロボット本体の前記地図上での進行方向を推定する進行方向推定手段と、
   前記ロボット本体が前記地図上のどの位置を走行しているかを推定する自己位置推定手段と、
   前記地図の最も長い有向線分を基準線として選択する選択手段と、
   前記作業領域を一つまたは複数の短冊状の領域に分割する走行計画手段と、
   前記作業領域内を隈なく走行するジグザグ走行手段とを備え、
   前記ジグザグ走行手段は、前記基準線に垂直な直線に沿った走行をし、基準線と対向する面を旋回するときに、前記基準線から垂直に引いた直線に沿うように往復走行すること特徴とする自律走行ロボット。
3. 前記本体が基準線付近で旋回するときに、前記本体の姿勢を前記基準線に相当する実環境中の障害物の面と平行になるように前記本体の姿勢を調整し、基準線をなす有向線分の方向を前記進行方向推定手段で推定された進行方向に代入することにより前記進行方向推定手段から出力される進行方向の誤差を修正する誤差修正手段を備えた請求項２記載の自律走行ロボット。

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