JP2005181286A - 移動ロボットの位置検出装置及びその方法 - Google Patents

移動ロボットの位置検出装置及びその方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 移動ロボットから所定時間毎に放射されるRF信号に基づいて、充電台の超音波発振手段から発振されて移動ロボットに受信される超音波信号により、移動ロボットの位置を正確に検出し得る移動ロボットの位置検出装置及びその方法を提供する。
【解決手段】 移動ロボットから放射されるRF信号の発生時点に基づいて、充電台の各超音波発振手段(3、4)により発振された超音波信号が移動ロボットに到達する時間を検出し、この検出された到達時間に基づいて充電台と移動ロボット間の距離を計算する段階と、この計算された充電台と移動ロボット間の距離、及び各超音波発振手段(3、4)間の予め設定された距離に基づいて充電台と移動ロボットとのなす角度を計算する段階と、を行うことにより移動ロボットの位置を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、移動ロボットに係るもので、詳しくは、移動ロボットの位置検出装置及びその方法に関するものである。
一般に、移動ロボット、特にロボット清掃機は、使用者の操作なしに、家庭の部屋(例えば、居間、奥の間など)の壁面に沿って自ら移動しながら床面上の埃などの異物質を吸入して、清掃区域を自動的に清掃する機器である。
また、ロボット清掃機は、距離センサにより清掃区域内の家具、事務用品及び壁などの障害物までの距離を判別し、この判別した距離に従って自身の左側車輪又は右側車輪の駆動モータを選択的に駆動させることによって、自ら方向を転換しながら清掃区域を清掃する。このとき、ロボット清掃機は、内部の記憶装置に格納されたマップ情報により清掃領域を走行しながら清掃作業を行う。
以下、上記のマップ情報を生成するためのマッピング動作について説明する。
まず、ロボット清掃機は、作業空間の側面(例えば、家庭の居間の壁面)に沿って移動して、自身と壁に装着された充電台との距離及び方向を演算し、この演算された距離及び方向に基づいて、自身の位置を判断しながら作業空間をスキャンする。このとき、ロボット清掃機は、自身の現在位置を車輪に装着されたエンコーダを利用して検出する。
次いで、ロボット清掃機は、自身と上記の充電台間に障害物が存在するかどうかを判断し、障害物がないと、充電台と送/受信をして作業空間をスキャンする。一方、ロボット清掃機と充電台間に障害物があると、ロボット清掃機は他の作業空間をスキャンし、障害物がなくなると、上記の充電台と送/受信をして障害物のなくなった作業空間をスキャンする。
しかしながら、従来のエンコーダによるロボット清掃機の位置検出方法は、ロボット清掃機の現在位置を車輪に装着されたエンコーダを利用して探索するため、車輪の滑りや空転により誤差が発生するという問題点があった。
一方、他の従来のロボット清掃機の位置検出方法は、作業領域(例えば、家庭の居間の壁面)に同様な形状のステッカーや反射板を所定間隔に装着し、ロボット清掃機がCCDカメラによりそのステッカーや反射板を認識することにより、車輪の滑りや空転により発生した誤差を補正して自身と充電台間の距離を認識する。然し、上記のステッカー又は反射板によるロボット清掃機の位置検出方法は、清掃作業領域の照明の明るさが変化したり、ステッカーや反射板に類似した形状の物が認識されたりすると、却って距離誤差が累積されるという問題点があった。
また、照明の明るさが臨界値以下に低下するか又はそれ以上に高くなると、CCDカメラによりステッカー又は反射板を認識することができなくなるため、ロボット清掃機が自身の位置を確認し得ないという問題点があった。又、ロボット清掃機にCCDカメラを取り付けると、ロボット清掃機の製造原価が上昇するという問題点があった。
なお、従来のロボット清掃機については、米国で登録された米国特許第5,440,216号及び第5,646,494号にも記載されている。
米国特許第5,440,216号明細書 米国特許第5,646,494号明細書
以上説明したように、従来のエンコーダによるロボット清掃機の位置検出方法においては、ロボット清掃機の現在位置を車輪に装着されたエンコーダを利用して探索するため、車輪の滑りや空転により誤差が発生するという不都合な点があった。
また、前記のステッカー又は反射板によるロボット清掃機の位置検出方法においては、清掃作業領域の照明の明るさが変化するか、又はステッカーや反射板に類似した形状の物が認識される場合、却って距離誤差が累積されるという不都合な点があった。
また、照明の明るさが臨界値以下に低下するか又はそれ以上に高くなると、CCDカメラによりステッカー又は反射板を認識することができなくなるため、ロボット清掃機が自身の位置を確認し得ないという不都合な点があった。
また、ロボット清掃機にCCDカメラを装着することにより、ロボット清掃機の製造原価が上昇するという不都合な点があった。
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、所定時間毎に放射されるRF信号に基づいて、充電台の各超音波発振手段から発振されて移動ロボットに受信される各超音波信号の到達時間、及び上記の各超音波発振手段間の距離に基づいて移動ロボットの位置を検出することにより、移動ロボットの位置を正確に検出し得る移動ロボットの位置検出装置及びその方法を提供することを目的とする。
このような目的を達成するため、本発明に係る移動ロボットの位置検出方法は、移動ロボットから放射されるRF信号の発生時点に基づいて、充電台の各超音波発振手段により発振された各超音波信号が前記移動ロボットに到達する時間を検出し、該検出された到達時間に基づいて前記充電台と移動ロボット間の距離を計算する段階と、該計算された距離、及び前記各超音波発振手段間の予め設定された距離に基づいて前記充電台と前記移動ロボットとの角度を計算する段階と、を行うことを特徴とする。
また、本発明に係る移動ロボットの位置検出装置は、RF信号及び該RF信号による複数の超音波信号を発生し、前記RF信号の発生時点に基づいて前記各超音波信号の到達時間を検出し、前記到達時間及び前記各超音波信号を発生する超音波発振手段間の予め設定された距離に基づいて前記移動ロボットの位置を検出することを特徴とする。
また、本発明に係る移動ロボットの位置検出装置は、移動ロボットに装着されてRF信号を放射するRF発生手段と、充電台に装着されて、前記RF発生手段から放射されるRF信号を受信するRF受信手段と、前記充電台にそれぞれ装着されて、各超音波信号を発振する各超音波発振手段と、前記RF信号が前記RF受信手段に受信される毎に、前記各超音波信号が発振されるように前記各超音波発振手段を制御する制御手段と、前記移動ロボットの外周面に装着されて、前記各超音波発振手段から発振される超音波信号を受信する各超音波受信手段と、前記移動ロボットに装着されて、前記各超音波信号の到達時間及び前記各超音波発振手段間の予め設定された距離に基づいて、前記移動ロボットと前記充電台との距離及び角度を計算するマイクロコンピュータと、を含んで構成されることを特徴とする。
本発明に係る移動ロボットの位置検出装置及びその方法は、移動ロボットから放射されるRF信号の発生時点に基づいて、充電台の各超音波発振手段により発振された各超音波信号が移動ロボットに到達する時間を検出し、この検出された到達時間に基づいて上記の充電台と移動ロボット間の距離を計算し、この計算された距離、及び上記の各超音波発振手段間の予め設定された距離に基づいて上記の充電台と移動ロボットとの角度を計算することにより、移動ロボットの位置を正確に検出し得るという効果がある。
また、高価なCCDカメラを使用せず、移動ロボットの現在位置を正確に検出することにより、移動ロボットの製造原価を節減し得るという効果がある。
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図1は本発明に係る移動ロボットの位置検出装置を示したブロック図で、図示のように、本発明に係る移動ロボットの位置検出装置は、移動ロボットの所定位置に装着されて、所定時間毎に移動ロボットの位置を検出するためのRF(Radio Frequency)信号を放射するRF発生手段1と、家庭の壁面のような場所に固定された充電台の所定位置に装着されて、RF発生手段1から放射されるRF信号を受信するRF受信手段2と、上記の充電台の所定位置に装着されて、移動ロボットと充電台との間の距離及び角度を演算するための第1及び第2超音波信号を順次発振する第1及び第2超音波発振手段3、4と、上記の充電台の所定位置に装着されて、上記のRF信号がRF受信手段2によって受信される毎に、上記の第1及び第2超音波信号が順次発振されるように第1及び第2超音波発振手段3、4を制御する制御手段5と、移動ロボットの外周面に所定間隔毎にそれぞれ装着されて、第1及び第2超音波発振手段3、4により発振された第1及び第2超音波信号を順次受信する複数の超音波受信手段RX1〜RXnと、移動ロボットの内部に装着されて、上記の第1及び第2超音波信号の到達時間、及び第1及び第2超音波発振手段3、4間の予め設定された距離に基づいて移動ロボットと充電台との距離及び角度を演算するマイクロコンピュータ6と、複数の超音波受信手段RX1〜RXnの移動ロボット内の位置を区分するための位置ナンバー及び第1及び第2超音波発振手段3、4間の予め設定された距離を格納するメモリ7と、を含んで構成されている。
以下、本発明に係る移動ロボットの位置検出装置の動作について説明する。
まず、マイクロコンピュータ6は、移動ロボットが予め設定された走行パターンに従って清掃領域を走行するとき、予め設定された時間毎に移動ロボットの位置を検出するためにRF発生手段1を制御する。
次いで、RF発生手段1は、マイクロコンピュータ6の制御により、予め設定された時間(例えば、3秒)毎に移動ロボットの位置を検出するためのRF信号を発生し、この発生したRF信号を放射する。
次いで、上記の充電台に位置するRF受信手段2は上記のRF信号を受信し、このRF信号を受信したことを知らせる第1受信確認信号を充電台に位置する制御手段5に出力する。このとき、制御手段5は、上記の第1受信確認信号に基づいて予め設定された時間毎に第1及び第2超音波発振手段3、4を制御する。
次いで、第1及び第2超音波発振手段3、4は、制御手段5の制御により第1及び第2超音波信号を順次発振する。このとき、第1及び第2超音波発振手段3、4は複数装着され、これらの複数の超音波発振手段は、充電台の所定位置に左/右対称形に装着されるか、又は上/下、左/右対称形に装着される。又、充電台は、移動ロボットのバッテリ(図示せず)を充電するために家庭の壁面などに固定して装着される。
次いで、移動ロボットに装着された複数の超音波受信手段RX1〜RXnは、上記の順次発振される第1及び第2超音波信号を受信し、これらの第1及び第2超音波信号が受信されたことを知らせる第2受信確認信号をマイクロコンピュータ6に出力する。
次いで、マイクロコンピュータ6は、上記の第2受信確認信号に基づいて、上記の第1及び第2超音波信号が超音波発振手段3、4から発振されて一つ以上の超音波受信手段RX1〜RXnに到達した時間を検出し、この検出された到達時間、及び第1及び第2超音波発振手段3、4間の予め設定された距離に基づいて移動ロボットと充電台との間の距離及び角度を計算し、現在の移動ロボットの位置を検出した後、この検出された移動ロボットの位置に基づいて現在の移動ロボットの位置誤差を補正する。
マイクロコンピュータ6は、複数の超音波受信手段RX1〜RXn中、上記の第1及び第2超音波信号を受信した超音波受信手段(例えば、RX1、RX2)の位置を、メモリ7に予め格納された位置ナンバーにより区分して、現在の移動ロボットの進行方向を確認する。即ち、マイクロコンピュータ6は、超音波信号を受信した超音波受信手段の予め設定された位置ナンバーにより移動ロボットの進行方向を検出する。例えば、第1及び第2超音波受信手段RX1、RX2が互いに隣接するように移動ロボットの外周面の後方に装着される(移動ロボットの外形が円形で、移動ロボットの後方(進行方向の反対方向)が0°の場合、第1超音波受信手段RX1は0°の位置に装着され、第2超音波受信手段RX2は、第1超音波受信手段から30°間隔が離れた位置に装着される)とき、第1超音波受信手段RX1が0°の位置に装着されたことを示す位置ナンバーは"1"で、第2超音波受信手段RX2が30°の位置に装着されたことを示す位置ナンバーは"2"であると仮定した場合、上記の第1及び第2超音波信号が第1及び第2超音波受信手段RX1、RX2によって受信されると、第1及び第2超音波受信手段RX1、RX2が移動ロボットの外周面の後方に装着されているため、マイクロコンピュータ6は、上記の位置ナンバーにより移動ロボットが充電台と反対方向に進行していることを正確に認識することができる。
以下、移動ロボットと充電台間の距離及び角度を演算する過程を説明する。
まず、マイクロコンピュータ6は、予め設定された時間毎に発生するRF信号の発生時点を基準時間にして、上記の充電台に装着された第1及び第2超音波発振手段3、4から順次発振されて、一つ以上の超音波受信手段RX1〜RXnに受信される第1及び第2超音波信号の到達時間を検出し、この検出された到達時間に基づいて移動ロボットと充電台間の距離を演算する。このとき、上記の第1及び第2超音波信号は、移動ロボットの位置によって一つの超音波受信手段(例えば、RX1)に受信されるか、または、二つ以上の超音波受信手段(例えば、RX1〜RX3)に受信される。
即ち、マイクロコンピュータ6は、上記のRF信号の発生時点を基準時間にして、上記の充電台に装着された第1及び第2超音波発振手段3、4から発振されて一つ以上の超音波受信手段RX1〜RXnに受信される第1及び第2超音波信号の到達時間を検出した後、この検出された到達時間に基づいて移動ロボットと充電台間の距離を計算する。例えば、一つの超音波受信手段RX1のみに第1及び第2超音波信号が検出されると、この一つの超音波受信手段RX1に受信された第1及び第2超音波信号の到達時間に基づいて上記の一つの超音波受信手段RX1と充電台間の距離を求め、この求められた距離に移動ロボットの半径を加算して移動ロボットと充電台間の実際の距離を演算する。また、上記の第1及び第2超音波信号の到達時間、及び第1及び第2超音波発振手段3、4間の予め設定された距離に基づいて、三角測量方法により移動ロボットと充電台との間の角度を演算する。
一方、マイクロコンピュータ6は、二つの超音波受信手段(例えば、RX1、RX2)に第1及び第2超音波信号が検出されると、それらの第1及び第2超音波信号の到達時間に基づいて移動ロボットと充電台間の距離をそれぞれ求め、この求められた距離及び第1及び第2超音波発振手段3、4間の予め設定された距離に基づいて、三角測量方法により移動ロボットと充電台間の角度を演算する。
このとき、マイクロコンピュータ6は、次式1により超音波受信手段と超音波発振手段との距離Sを検出する。
S=340[m/sec]×(T1-T2)---------------------式1
上式中、340[m/sec]は音速、T1は移動ロボットが超音波信号を受信した時間、T2は充電台でRF信号が受信されて超音波信号が発振された時間をそれぞれ示すものである。
以下、本発明に係る移動ロボットの位置検出装置の動作について、図2及び図3に基づいて説明する。
図2は本発明に係る移動ロボットの位置検出方法を示したフローチャートで、図3は本発明に係る移動ロボットと充電台との距離及び角度を演算する過程を示した図である。
まず、RF発生手段1は、予め設定された時間が経過すると(S1)、この予め設定された時間が経過する毎にRF信号を発生する(S2)。
次いで、充電台に装着された第1及び第2超音波発振手段3、4は、上記のRF信号の発生時点を基準時間にして、第1及び第2超音波信号を順次発振する(S3)。このとき、第1超音波信号は、第2超音波信号より先に発振される。従って、マイクロコンピュータ6は、第1超音波信号が発振された後、予め決定された時間後に発振される第2超音波信号の到達時間を検出するとき、上記の予め決定された時間を減算する。
次いで、マイクロコンピュータ6は、上記のRF信号の発生時点を基準時間にして、上記の第1及び第2超音波信号が一つ以上の超音波受信手段に受信された時間(到達時間)をそれぞれ検出した後、この検出された到達時間及び第1及び第2超音波発振手段3、4間の予め設定された距離に基づいて、移動ロボットと充電台との距離及び角度を演算する。このとき、上記の第1及び第2超音波信号は、移動ロボットの位置に従って一つ又は二つ以上の超音波受信手段に受信される。
以下、第1及び第2超音波信号が一つの超音波受信手段(例えば、RX1)に受信される場合、及び二つ以上の超音波受信手段(例えば、RX1〜RX3)に受信される場合の移動ロボットの位置検出過程を順次説明する。
まず、マイクロコンピュータ6は、上記の第1及び第2超音波信号を受信した超音波受信手段が二つ以上であるかどうかを判断し(S4)、例えば、一つの超音波受信手段RX1のみに第1及び第2超音波信号が検出されると、この検出された第1及び第2超音波信号の到達時間に基づいて上記の一つの超音波受信手段RX1と充電台間の距離を求める。例えば、第1超音波信号の到達時間を検出し(S5)、この検出された到達時間に基づいて超音波受信手段RX1と第1及び第2超音波発振手段3、4間の距離をそれぞれ計算する(S6)。
次いで、超音波受信手段RX1と充電台間の距離に移動ロボットの半径を加算して、移動ロボットと充電台間の実際の距離を演算する(S7)。このとき、超音波受信手段RX1と充電台の第1超音波発振手段3との距離、超音波受信手段RX1と充電台の第2超音波発振手段4間の距離、及び第1及び第2超音波発振手段3、4間の予め設定された距離値に基づいて、三角測量方法により移動ロボットと充電台間の角度を計算する(S8)。
一方、二つ以上の超音波受信手段(例えば、RX1〜RX3)に第1及び第2超音波信号が受信されると、この二つ以上の超音波受信手段RX1〜RX3に受信された第1及び第2超音波信号の到達時間をそれぞれ検出し(S9)、マイクロコンピュータ6の計算量を減らすために、上記の検出された各到達時間値中、到達時間が最も早い超音波信号を受信した二つの超音波受信手段(例えば、RX1及びRX2)を選択し(S10)、この選択された二つの超音波受信手段に受信された第1及び第2超音波信号の到達時間に基づいて、上記の充電台と選択された二つの超音波受信手段との間の距離をそれぞれ求める(S11)。
次いで、充電台と選択された二つの超音波受信手段(例えば、RX1及びRX2)との間の距離に移動ロボットの半径を加算して、移動ロボットと充電台間の実際の距離を演算する(S12)。
次いで、充電台と選択された二つの超音波受信手段(例えば、RX1及びRX2)との間の実際の距離、及び第1及び第2超音波発振手段3、4間の予め設定された距離に基づいて、三角測量法により移動ロボット(例えば、RX1及びRX2)と充電台間の角度を計算する(S13)。
次いで、上記の第1及び第2超音波信号を受信した二つの超音波受信手段RX1、RX2の位置ナンバーにより移動ロボットの進行方向を検出し、現在の移動ロボットの位置を確認した後、この確認された位置に従って移動ロボットの位置誤差を補正する。
このように、前記の予め設定された時間が経過する毎に(S1)、移動ロボットの位置検出過程(S2〜S13)をそれぞれ反復的に行う。
本発明に係る移動ロボットの位置検出装置を示したブロック図である。 本発明に係る移動ロボットの位置検出方法を示したフローチャートを示す図である。 本発明に係る移動ロボットと充電台との距離及び角度を演算する過程を示した説明図である。
符号の説明
1 RF発生手段
2 RF受信手段
3 第1超音波発振手段
4 第2超音波発振手段
5 制御手段
6 マイクロコンピュータ
7 メモリ
RX1〜RXn 第1〜第n超音波受信手段

Claims (15)

  1. 移動ロボットから放射されるRF信号の発生時点に基づいて、充電台の複数の超音波発振手段により発振された超音波信号が前記移動ロボットに到達する時間を検出し、該検出された到達時間に基づいて前記充電台と移動ロボット間の距離を計算する段階と、
    前記計算された距離、及び前記の各超音波発振手段間の予め設定された距離に基づいて、前記充電台と前記移動ロボットとの角度を計算する段階と、を行うことを特徴とする移動ロボットの位置検出方法。
  2. 前記充電台と前記移動ロボットとの角度は、前記計算された距離、及び前記各超音波発振手段間の予め設定された距離に基づいて、三角測量方法により計算されることを特徴とする請求項１に記載の移動ロボットの位置検出方法。
  3. 前記RF信号は、予め設定された時間毎に放射されることを特徴とする請求項１に記載の移動ロボットの位置検出方法。
  4. 前記移動ロボットの進行方向を検出するために、前記各超音波信号を受信する少なくとも一つ以上の超音波受信手段の位置を区分する位置ナンバーを予め格納する段階を更に行うことを特徴とする請求項１に記載の移動ロボットの位置検出方法。
  5. 前記充電台と移動ロボット間の距離に、前記移動ロボットの半径を加算する段階を更に行うことを特徴とする請求項１に記載の移動ロボットの位置検出方法。
  6. 前記充電台と移動ロボット間の距離は、式S=340[m/sec]×(T1-T2)により検出し、ここで、340[m/sec]は音速で、T1は超音波信号を受信した時間で、T2はRF信号が受信されて超音波信号が発振された時間であることを特徴とする請求項１に記載の移動ロボットの位置検出方法。
  7. RF信号及び複数の超音波信号を発生し、前記RF信号の発生時点に基づいて前記の各超音波信号の到達時間を検出し、前記到達時間及び前記各超音波信号を発生する超音波発振手段間の予め設定された距離に基づいて前記移動ロボットの位置を検出することを特徴とする移動ロボットの位置検出装置。
  8. 移動ロボットに装着されて、RF信号を放射するRF発生手段と、
    充電台に装着されて、前記RF発生手段から放射されるRF信号を受信するRF受信手段と、
    前記充電台にそれぞれ装着されて、各々が超音波信号を発振する複数の超音波発振手段と、
    前記RF信号が前記RF受信手段に受信される毎に、前記の各超音波信号が発振されるように前記の各超音波発振手段を制御する制御手段と、
    前記移動ロボットの外周面に装着されて、前記各超音波発振手段から発振される超音波信号を受信する複数の超音波受信手段と、
    前記移動ロボットに装着されて、前記各超音波信号の到達時間及び前記各超音波発振手段間の予め設定された距離に基づいて、前記移動ロボットと前記充電台との距離及び角度を計算するマイクロコンピュータと、を含んで構成されることを特徴とする移動ロボットの位置検出装置。
  9. 前記マイクロコンピュータは、前記の計算された距離及び角度に基づいて前記移動ロボットの位置を確認して、前記移動ロボットの位置誤差を補正することを特徴とする請求項８に記載の移動ロボットの位置検出装置。
  10. 前記各超音波発振手段は、前記充電台に左/右対称型に装着されることを特徴とする請求項８に記載の移動ロボットの位置検出装置。
  11. 前記各超音波発振手段は、前記充電台に上/下、左/右対称型に装着されることを特徴とする請求項８に記載の移動ロボットの位置検出装置。
  12. 前記マイクロコンピュータは、予め設定された時間毎に発生するRF信号の発生時点を基準時間にして、前記各超音波発振手段から発振されて、一つ以上の超音波受信手段に受信される前記各超音波信号の到達時間を検出し、該検出された到達時間に基づいて前記移動ロボットと前記充電台間の距離を計算し、該計算された前記移動ロッボトと充電台間の距離及び前記各超音波発振手段間の予め設定された距離に基づいて、三角測量方法により前記移動ロボットと前記充電台との角度を計算することを特徴とする請求項８に記載の移動ロボットの位置検出装置。
  13. 前記マイクロコンピュータは、前記各超音波受信手段の位置を区分するための位置ナンバーを格納する記憶手段を更に含み、前記超音波信号を受信した超音波受信手段の位置ナンバーにより前記移動ロボットの進行方向を検出することを特徴とする請求項８に記載の移動ロボットの位置検出装置。
  14. 前記マイクロコンピュータは、二つ以上の超音波受信手段に前記各超音波信号が受信されるとき、前記二つ以上の超音波受信手段に受信された各超音波信号の到達時間をそれぞれ検出し、該検出された各到達時間中、到達時間が最も速い超音波信号を受信した二つの超音波受信手段を選択し、該選択された二つの超音波受信手段に受信された各超音波信号の到達時間に基づいて前記移動ロボットと前記充電台間の距離を計算することを特徴とする請求項８に記載の移動ロボットの位置検出装置。
  15. 前記マイクロコンピュータは、式S=340[m/sec]×(T1-T2)により前記超音波受信手段と前記超音波発振手段との間の距離を検出し、ここで、340[m/sec]は音速で、T1は前記超音波信号を受信した時間で、T2は前記RF信号が受信されて前記超音波信号が発振された時間であることを特徴とする請求項８に記載の移動ロボットの位置検出装置。
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