JP2005326941A - 自律走行体 - Google Patents

Abstract

【課題】走行領域の周囲環境を検出するセンサの種類、数、配置の変更に対する影響を小さくし、制御プログラムの構造を簡単にしてメンテナンスを容易にする。
【解決手段】作業管理部３１は行動管理部３２に左倣い走行を指示する。行動管理部はセンサ監視部３４に左倣い走行センサ検知パターン３８を使用するように指示する。センサ監視部は周期的に各超音波センサ５〜１３を監視し、外界をパターン化して認識し、センサ検知パターンが変化した時点でその変化を行動管理部に知らせる。行動管理部は左倣い走行行動決定テーブル３５から次の行動のための走行コマンドを選択する。行動管理部は選択した走行コマンドを走行コマンド実行部３３に出力する。走行コマンド実行部は走行コマンドを実行するために必要な走行速度、旋回角速度を実現するようにモータ駆動部４０を駆動制御する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、走行コマンドに基づいて自律走行する自律走行体に関する。

従来、自律走行体として、壁沿い側の側部または前部にある障害物までの距離を測定する測距手段と、この測距手段の測距データに対応して左右の駆動輪をそれぞれ独立に駆動する駆動モータの回転速度を制御する移動制御手段を設け、移動制御手段は測距データの大きさによって３つの制御モードを有し、障害物までの距離が小のときには壁沿い側駆動輪を停止、反対側駆動輪を後退させ、障害物までの距離が中のときには壁沿い側駆動輪を前進、反対側駆動輪を停止させ、障害物までの距離が大のときには壁沿い側駆動輪と反対側駆動輪の前進速度を測距データの大きさに応じて連続的に変化させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平４−１６０５０７号公報

しかし、このような従来装置において、走行領域の周囲環境を検出するセンサとして、測距センサ以外の段差検出のための段差センサや衝突時対処のためのバンパスイッチ等を設けた場合、３つの制御モード以外にこの段差センサやバンパスイッチを使用した別の制御モードを設定する必要があり、その結果制御プログラムの構造が複雑になり、制御プログラムのメンテナンス性が低下する問題があった。
そこで、本発明は、走行領域の周囲環境を検出するセンサの種類、数、配置の変更に対する影響が小さく、制御プログラムの構造が簡単でメンテナンスが容易な自律走行体を提供する。

本発明は、駆動輪を回転駆動して自律走行する走行手段と、走行領域の周囲環境を検出する、例えば、壁や段差などの障害物を検出する超音波センサや光学センサ等の複数のセンサと、この各センサからの周囲環境情報に基づいて外界をパターン化して認識する外界認識手段と、この外界認識手段が認識するパターンと予め設定した走行コマンドを組み合わせた行動決定テーブルと、外界認識手段が認識したパターンに基づいて行動決定テーブルを参照して次の行動のための走行コマンドを選択するコマンド選択手段と、このコマンド選択手段が選択した走行コマンドに基づいて走行手段に自律走行を実行させる走行実行手段とを備えたものにある。

本発明によれば、走行領域の周囲環境を検出するセンサの種類、数、配置の変更に対する影響が小さく、制御プログラムの構造が簡単でメンテナンスが容易になり、様々な走行アルゴリズムに適用が可能な自律走行体を提供できるものである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１及び図２は自律走行体である自律走行掃除機１の構成を示す図で、上方から見て略円形で、側面から見て長方形の筐体２の、底部中央の左右両側に走行用の駆動輪３ａ，３ｂを設けている。前記筐体２の底部後端部に向きが自由に変わる従動輪４を設けている。

この自律走行掃除機１は、駆動輪３ａ，３ｂを図中点線の矢印方向に回転することで実線の矢印方向に前進し、点線の矢印方向とは逆に回転することで後進するようになっている。

前記筐体２の外周面の前側略半分に、障害物を検出する超音波センサを複数配置している。すなわち、前進方向に向かって左側９０°の位置とその位置とは前後に所定角度離れた位置とに計３個の超音波センサ５，６，７を配置し、前方０°の位置とその位置とは前後に所定角度離れた位置とに計３個の超音波センサ８，９，１０を配置し、右側９０°の位置とその位置とは前後に所定角度離れた位置とに計３個の超音波センサ１１，１２，１３を配置している。

前記筐体２の天部後方に各種キーやランプやディスプレイを設けたユーザインターフェース部１４を備えている。前記左右の駆動輪３ａ，３ｂの近傍に、それぞれ駆動輪を独立して回転駆動する左右の車輪モータ１５ａ，１５ｂを設けるとともにそれぞれの駆動輪の回転を個々に検出する左右の車輪回転角度エンコーダ１６ａ，１６ｂを配置している。前記筐体２の底部先端を斜面形状に形成し、その斜面部１７に走行面における段差を検出するための光学センサ１８，１９を設けている。

前記筐体２の略中央部には集塵室２０を配置し、この集塵室２０の後方にクリーナモータ２１を設け、このクリーナモータ２１の動作により筐体２の底面前部に設けた吸込口２２から塵や埃を吸込み、前記集塵室２０に集めるようにしている。また、前記筐体２の略中央部には集塵室２０の下方に位置してバッテリ２３を収納し、車輪モータ１５ａ，１５ｂ、車輪回転角度エンコーダ１６ａ，１６ｂ、クリーナモータ２１、ユーザインターフェース部１４、その他制御部等への電力供給源としている。

図３は制御構成を機能的に示す機能ブロック図で、作業管理部３１を設け、この作業管理部３１の下に行動管理部３２を設け、この行動管理部３２の下に走行コマンド実行部３３を設けた３層構造で、前記作業管理部３１は外周掃除や内周掃除やその他の作業を管理し、ユーザインターフェース１４からの指示によって実行する作業を選択する。この作業管理部３１には、作業手順３１ａ、外周掃除終了判定基準３１ｂ、内周掃除終了判定基準３１ｃが設定され、これらに基づいて作業を実行するようになっている。

前記行動管理部３２は、左倣い走行行動決定テーブル３５、ランダム走行行動決定テーブル３６、その他の行動決定テーブル３７を使用して左倣い走行やランダム走行やその他の走行の行動管理を行う。前記センサ監視部３４は左倣い走行センサ検知パターン３８及びランダム走行センサ検知パターン３９から検知パターンの取得を行うと共に前記各超音波センサ５〜１２及び光学センサ１８，１９からセンサ値の取得を行う。

前記走行コマンド実行部３３は、行動管理部３２からの指示によりモータ駆動部４０を制御して、走行停止、距離指定前進あるいは後退、速度指定前進あるいは後退、角度指定旋回、角速度指定旋回、半径指定旋回、左姿勢制御前進等の走行コマンドを実行する。前記モータ駆動部４０は前記左右の車輪モータ１５ａ、１５ｂを駆動制御して、モータ停止、走行速度設定、旋回角速度設定等を行う。
前記作業管理部３１、行動管理部３２、走行コマンド実行部３３、センサ監視部３４はハードウェアとしてはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成されている。

前記作業管理部３１は、ユーザインターフェース部１４からの指示により掃除機本体に所定の作業手順に従って掃除をさせる。例えば、作業管理部３１は、先ず、部屋の壁に沿った外周を掃除する為に行動管理部３２に左倣い走行を指示する。前記行動管理部３２は、左倣い走行の指示を受けると、前記センサ監視部３４に左倣い走行センサ検知パターン３８を使用するように指示する（外界認識選択手段）。

左倣い走行センサ検知パターン３８は、図４に示すように、前記各超音波センサ５〜１３を左倣い走行に適したように組み合わせた検知パターンで、例えば、超音波センサ５，６，７で左壁を検知し、超音波センサ８，９，１０で前壁を検知し、超音波センサ１１，１２，１３で左壁を検知するようにしている。

前記センサ監視部３４は外界認識手段を構成し、周期的に各超音波センサ５〜１３を監視し、各センサからの周囲環境の検出情報に基づいて外界をパターン化して認識する。そして、センサ検知パターンが変化した時点でその変化を行動管理部３２に通知らせる。

前記行動管理部３２はセンサ監視部３４からセンサ検知パターンが変化したことを受け取ると、左倣い走行行動決定テーブル３５から掃除機本体が取るべき行動を決定する。すなわち、左倣い走行行動決定テーブル３５には、例えば、図５に示すように、左壁検知、前壁検知、右壁検知における検知パターンと、この検知パターンに対応して右旋回Ａ0、左姿勢制御前進Ａ1、小半径左旋回Ａ2の現在の走行コマンドと次に右旋回Ａ0、左姿勢制御前進Ａ1、小半径左旋回Ａ2のどの走行コマンドを実行するかを設定した行動状態との関係が設定されている。

前記行動管理部３２は、左倣い走行中においてこの左倣い走行行動決定テーブル３５を使用することで、どのような行動中においてどのような検知パターンに変化したかによって次の行動のための走行コマンドを選択する（コマンド選択手段）。

例えば、自律走行掃除機１が左側の壁に沿って前進中、すなわち、左壁を検知しながら左姿勢制御前進Ａ1中に、前壁を検知すると、センサ監視部３４は検知パターンが「１，０，０」から「１，１，０」に変化したことを行動管理部３２に通知する。

行動管理部３２は、図５に示す左倣い走行行動決定テーブル３５を使用してセンサ検知パターン「１，１，０」から、次の行動のための走行コマンド「右旋回Ａ0」を選択する。すなわち、センサ検知パターン「１，１，０」に対応する左姿勢制御前進Ａ1の位置には「Ａ0」が設定されているので、次の行動のための走行コマンドとしては「右旋回Ａ0」を選択することになる。

行動管理部３２は、選択した走行コマンド「右旋回Ａ0」を前記走行コマンド実行部３３に出力する。前記走行コマンド実行部３３は、選択された走行コマンド「右旋回Ａ0」を実行するために必要な走行速度、旋回角速度を実現するようにモータ駆動部４０に指示を出す。モータ駆動部４０は、掃除機本体が「右旋回」するように左右の車輪モータ１５ａ，１５ｂをそれぞれ駆動制御する。

前記作業管理部３１は掃除機本体が壁に沿って部屋を１周すると、外周掃除終了判定基準３１ｂに基づいて終了を判定する。そして、今度は作業手順３１ａに従って部屋の内側を掃除する内周掃除を開始する。内周掃除を開始すると、作業管理部３１は、部屋の内側を掃除するために、行動管理部３２にランダム走行を指示する。行動管理部３２は、ランダム走行の指示を受けてセンサ監視部３４にランダム走行センサ検知パターン３９を使用するように指示する。

ランダム走行センサ検知パターン３９は、図７に示すように、前記各超音波センサ５〜１３をランダム走行に適したように組み合わせた検知パターンで、例えば、超音波センサ７，８，９で左壁を検知し、超音波センサ８，１０，１２で右壁を検知するパターンとする。センサ監視部３４は周期的に各超音波センサ７，８，９，１０，１２を監視し、センサ検知パターンが変化した時点でその変化を行動管理部３２に知らせる。

前記行動管理部３２はセンサ監視部３４から変化したセンサ検知パターンを受け取ると、ランダム走行行動決定テーブル３６から掃除機本体が取るべき行動を決定する。すなわち、ランダム走行行動決定テーブル３６には、例えば、図８に示すように、左壁検知、右壁検知の検知パターンと、この検知パターンに対応して直進Ａ0、角度指定左旋回Ａ1、角度指定右旋回Ａ2の現在の走行コマンドと次に直進Ａ0、角度指定左旋回Ａ1、角度指定右旋回Ａ2のどの走行コマンドを実行するかを設定した行動状態との関係が設定されている。

前記行動管理部３２は、ランダム走行中においてこのランダム走行行動決定テーブル３６を使用することで、どのような行動中においてどのような検知パターンに変化したかによって次の行動のための走行コマンドを選択する（コマンド選択手段）。

例えば、自律走行掃除機１が直進していて、図９に示すように、右側に壁を検知すると、センサ監視部３４はセンサ検知パターンが「０，０」から「０，１」に変化したことを行動管理部３２に通知する。行動管理部３２は図８に示すランダム走行行動決定テーブル３６を使用してセンサ検知パターン「０，１」から、次の行動のための走行コマンド「角度指定左旋回Ａ1」を選択する。すなわち、センサ検知パターン「０，１」に対応する直進Ａ0の位置には「Ａ1」が設定されているので、次の行動のための走行コマンドとしては「角度指定左旋回Ａ1」を選択することになる。

前記行動管理部３２は、選択した走行コマンド「角度指定左旋回Ａ1」を走行コマンド実行部３３に出力する。走行コマンド実行部３３は、選択された走行コマンド「角度指定左旋回Ａ1」を実行するために必要な走行速度、旋回角速度を実現するようにモータ駆動部４０に指示を出す。モータ駆動部４０は、掃除機本体が所定の角度で左旋回するように左右の車輪モータ１５ａ，１５ｂをそれぞれ駆動制御する。

前記作業管理部３１は、内周掃除をランダム走行によって行うように管理し、内周掃除終了判定基準３１ｃによって終了を判定する。例えば、外周掃除で推定した部屋の広さから、内周掃除の実行時間を算出し内周掃除終了判定基準３１ｃとしてメモリに記憶する。そして、内周掃除を開始すると同時に時間をカウントし、このカウント時間が内周掃除の実行時間に達すると内周掃除終了を判定する。これにより、行動管理部３２は走行コマンド実行部３３に走行停止を指示する。走行コマンド実行部３３はモータ駆動部４０を駆動制御してモータを停止させる。これにより、自律走行掃除機１は予め決められたホームポジションに戻って停止し自動掃除を終了する。

このように、複数の超音波センサを組み合わせてセンサ検知パターンを作成し、このセンサ検知パターンと走行コマンドを組み合わせて作成した走行行動決定テーブルを使用して、どのような走行コマンドで走行しているときにどのようなセンサ検知パターンで壁などの障害物を検知したかによって次の行動のための走行コマンドを選択する構成になっている。

また、この実施の形態において、段差を検知する光学センサ１８，１９を併用して検知パターンを拡張することもできる。すなわち、光学センサ１８，１９を併用した場合の左倣い走行センサ検知パターンは図１０に示すようになる。

そして、この時に用いられる左倣い走行行動決定テーブル３５′には、図１１に示すように、左段差検知、右段差検知、左壁検知、前壁検知、右壁検知の組み合わせからなる検知パターンと、この検知パターンに対応して右旋回Ａ0、左姿勢制御前進Ａ1、小半径左旋回Ａ2、小半径右旋回Ａ3の現在の走行コマンドと次に右旋回Ａ0、左姿勢制御前進Ａ1、小半径左旋回Ａ2、小半径右旋回Ａ3のどの走行コマンドを実行するかを設定した行動状態との関係が設定されている。

前記行動管理部３２は、左倣い走行中においてこの左倣い走行行動決定テーブル３５′を使用することで、どのような行動中にどのような検知パターンに変化したかによって次の行動のための走行コマンドを選択する（コマンド選択手段）。

また、光学センサ１８，１９を併用した場合のランダム走行センサ検知パターンは図１２に示すようになる。そして、この時に用いられるランダム走行行動決定テーブル３６′には、図１３に示すように、左段差検知、右段差検知、左壁検知、右壁検知の組み合わせからなる検知パターンと、この検知パターンに対応して直進Ａ0、角度指定左旋回Ａ1、角度指定右旋回Ａ2の現在の走行コマンドと次に直進Ａ0、角度指定左旋回Ａ1、角度指定右旋回Ａ2のどの走行コマンドを実行するかを設定した行動状態との関係が設定されている。

前記行動管理部３２は、ランダム走行中においてこのランダム走行行動決定テーブル３６′を使用することで、どのような行動中においてどのような検知パターンに変化したかによって次の行動のための走行コマンドを選択する（コマンド選択手段）。

このように段差を検知する光学センサ１８，１９を併用して検知パターンを拡張しても、制御プログラムのソースコードの変更部分を局所的に押え込むことが可能となり、制御プログラムの変更が容易になることでメンテナンス性を向上させることができる。

以上のように、if〜then elseのような制御フローで走行アルゴリズムを管理する場合に比べてセンサ検知パターンに対する行動決定テーブルを用いて走行アルゴリズムを管理すれば、異なるアルゴリズムを統一的で単純な構造で管理することが可能となる。

なお、この実施の形態では自律走行掃除機に左倣い走行とランダム走行をさせる場合を例として述べたが走行はこれに限定するものではなく、その他ジグザグ走行や経路沿い走行や充電台へのドッキングのための走行など様々な走行に対しても同じように適用が可能である。また、自律走行体として自律走行掃除機以外にも適用可能である。

本発明の実施の形態に係る自律走行掃除機の内部構成を示す平面図。 同実施の形態に係る自律走行掃除機の構成を示す側面図。 同実施の形態に係る自律走行掃除機の制御構成を機能的に示す機能ブロック図。 同実施の形態における左倣い走行センサ検知パターンを示す図。 同実施の形態における左倣い走行行動決定テーブルの構成を示す図。 同実施の形態において左倣い走行センサ検知パターンで左壁と前壁を検知している状態を示す図。 同実施の形態におけるランダム走行センサ検知パターンを示す図。 同実施の形態におけるランダム走行行動決定テーブルの構成を示す図。 同実施の形態においてランダム走行センサ検知パターンで右壁を検知している状態を示す図。 同実施の形態において段差を検知する光学センサを併用した場合の左倣い走行センサ検知パターンを示す図。 同実施の形態において段差を検知する光学センサを併用した場合の左倣い走行行動決定テーブルの構成を示す図。 同実施の形態において段差を検知する光学センサを併用した場合のランダム走行センサ検知パターンを示す図。 同実施の形態において段差を検知する光学センサを併用した場合のランダム走行行動決定テーブルの構成を示す図。

符号の説明

１…自律走行掃除機、３ａ，３ｂ…駆動輪、５〜１３…超音波センサ、１５ａ，１５ｂ…車輪モータ、１８，１９…光学センサ、３１…作業管理部、３２…行動管理部、３３…走行コマンド実行部、３４…センサ監視部、３５…左倣い走行行動決定テーブル、３６…ランダム走行行動決定テーブル、３８…左倣い走行センサ検知パターン、３９…ランダム走行センサ検知パターン。

Claims (2)

1. 駆動輪を回転駆動して自律走行する走行手段と、
   走行領域の周囲環境を検出する複数のセンサと、
   この各センサからの周囲環境情報に基づいて外界をパターン化して認識する外界認識手段と、
   この外界認識手段が認識するパターンと予め設定した走行コマンドを組み合わせた行動決定テーブルと、
   前記外界認識手段が認識したパターンに基づいて前記行動決定テーブルを参照して次の行動のための走行コマンドを選択するコマンド選択手段と、
   このコマンド選択手段が選択した走行コマンドに基づいて前記走行手段に自律走行を実行させる走行実行手段とを備えたことを特徴とする自律走行体。
2. 駆動輪を回転駆動して自律走行する走行手段と、
   走行領域の周囲環境を検出する複数のセンサと、
   この各センサからの周囲環境情報に基づいて外界をそれぞれ異なる形式でパターン化して認識する複数の外界認識手段と、
   この各外界認識手段とそれぞれ対応し、各外界認識手段が認識するパターンと予め設定した走行コマンドを組み合わせた複数の行動決定テーブルと、
   前記各外界認識手段の中から走行内容に応じて使用する外界認識手段を選択する外界認識選択手段と、
   この外界認識選択手段が選択した外界認識手段が認識したパターンに基づいて対応する行動決定テーブルを参照して次の行動のための走行コマンドを選択するコマンド選択手段と、
   このコマンド選択手段が選択した走行コマンドに基づいて前記走行手段に自律走行を実行させる走行実行手段とを備えたことを特徴とする自律走行体。

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