JP2006006639A - 自走式掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】多くのセンサ類を必要としていたため、高コストであった。
【解決手段】一つの撮像素子６１ｃの前方に二軸の光学系６１ａ，６１ｂを配置し、同撮像素子６１ｃについては画素群を略中央で左右に二つの撮像領域６１ｃ１，６１ｃ２に分けた、任意の撮像対象についてずれが生じている二つの画像を取得可能なカメラ６１を備えることで、清掃走行時においては障害物の検出が可能となり、セキュリティモード時においては人体検知と同検知した人体の撮像が可能となるため、障害検出や人体検出のために専用の各種センサを備えていた従来と比較して、何ら機能を低下させることなく、生産コストを大幅に抑制することができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、掃除機構を備えた本体と、操舵及び駆動が可能な駆動機構とを備える自走式掃除機に関する。

従来、上記自走式掃除機においては、清掃時の走行制御を行なうために所定の測距センサを備えており、所定の監視活動を行う場合には、人体センサや周囲を撮影するためのカメラ素子を備える構成を採っていた。

また、従来技術として、撮像手段を一度だけ移動経路を移動させることによって、移動経路の各画像を取得し、同取得した画像と移動速度に基づいて環境地図を作成する移動ロボットの環境地図作成方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１‐２５９６５９号公報

これまでの自走式掃除機においては、清掃時の走行制御や所定の監視活動を実現するために夫々専用の機器を搭載していた。そのため、各機器の機能を充分に利用し、生産コストを下げるという点については課題が残されていた。
また、上記特許文献１においては、一度移動経路を移動させて環境地図を作成した後でなければ、周囲との距離関係を把握できないため、ロボットを自動的に走行させる前に煩雑な作業が必要となるという課題があった。

本発明は、上記課題にかんがみてなされたもので、周囲の障害物を考慮した適切な自動走行と所定のセキュリティ機能とを簡易な構成及び低コストで実現可能な自走式掃除機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１の発明は、掃除機構を備えた本体と、同本体における左右に配置されて個別に回転を制御可能で操舵と駆動を実現する駆動輪を有する駆動機構と、撮像した画像を画像データとして出力可能な撮像手段とを備える自走式掃除機において、二つの光学系を並べて一つの撮像素子に対して略平行に配置するとともに同撮像素子を各光学系に対応する撮像領域に分けることにより、任意の撮像対象について各撮像領域に結像された二つの画像を取得する上記撮像手段と、一方の画像における二次元的拡がりをもった画素領域にかかる画像パターンと他方の画像における各領域の画像パターンとを順次パターンマッチングすることによって取得した両画像間のずれと、光学系と撮像素子との焦点距離とに基づいて、本体と撮像対象との距離を検出して上記駆動機構を制御する測距制御手段と、上記撮像素子の撮像角度を所定範囲で調整可能な撮像角度調整手段と、掃除機の動作状態が所定のセキュリティモードであることを検知した場合に、上記撮像手段から出力される画像データの変化に基づいて周囲に人体があるか否かを検知する人体検知手段とを備える構成としてある。

上記のように構成した請求項１の発明においては、自走式掃除機は、掃除機構を備えた本体と、同本体における左右に配置されて個別に回転を制御可能で操舵と駆動を実現する駆動輪を有する駆動機構と、撮像した画像を画像データとして出力可能な撮像手段とを備えている。
ここで、撮像手段は、二つの光学系を並べて一つの撮像素子に対して略平行に配置するとともに同撮像素子を各光学系に対応する撮像領域に分けることにより、任意の撮像対象について各撮像領域に結像された二つの画像を取得する。測距制御手段は、一方の画像における二次元的拡がりをもった画素領域にかかる画像パターンと、他方の画像における各領域の画像パターンとを順次パターンマッチングすることによって、上記二つの画像間のずれを取得する。そして、同ずれと、光学系と撮像素子との焦点距離とに基づいて、本体と障害物など撮像対象との距離を検出し、同距離に基づいて駆動機構を制御する。

すなわち、同じ撮像対象について別の位置にある光学系を介して夫々結像される画像間には所定のずれが生じ、同ずれは撮像対象との距離によって変化する。一方、上記焦点距離は一定である。そのため、例えば、両者の比に応じて本体と撮像対象との距離を検出することができる。また、人体検知手段は、掃除機の動作状態が所定のセキュリティモードであることを認識した場合には、上記撮像手段から出力される画像データの変化に基づいて周囲に人体があるか否かを検知する。

このように、測距センサや人体センサといった各種センサ類を備えることなく、撮像手段からの出力に基づいて撮像対象との測距や人体検知を行なうことができる。むろん、同検知した人体を撮像することもできる。また、撮像角度調整手段によって、撮像素子の撮像角度を所定範囲で調整すれば、周囲の障害物との距離を検知する場合や、人体を検知する場合において、夫々適切な撮像角度に変更することができる。

請求項２の発明は、掃除機構を備えた本体と、同本体における左右に配置されて個別に回転を制御可能で操舵と駆動を実現する駆動輪を有する駆動機構と、撮像した画像を画像データとして出力可能な撮像手段とを備える自走式掃除機において、複数の光学系を有し、各光学系によって所定の撮像素子に夫々結像された複数の画像を取得する上記撮像手段と、上記撮像手段が取得した画像間のずれと、光学系と撮像素子との焦点距離とに基づいて本体と周囲の撮像対象との距離を検出して上記駆動機構を制御する測距制御手段と、上記撮像手段から出力される画像データの変化に基づいて周囲に人体があるか否かを検知する人体検知手段とを備える構成としてある。

上記のように構成した請求項２の発明においては、撮像手段は、複数の光学系を有しており、各光学系によって所定の撮像素子に夫々結像された複数の画像を取得する。測距制御手段は、撮像手段が取得した画像間のずれと、光学系と撮像素子との焦点距離とに基づいて本体と撮像対象との距離を検出して上記駆動機構を制御する。請求項１と同様に、同じ撮像対象について異なる位置にある光学系を介して夫々結像される画像間に生じたずれと、一定である焦点距離とに基づいて、本体と障害物など撮像対象との距離を検出する。加えて、人体検知手段は、上記撮像手段から出力される画像データの変化に基づいて周囲に人体があるか否かを検知する。請求項１と同様に、各種センサ類を備えることなく、撮像手段からの出力に基づいて撮像対象との距離を検出し、かつ、人体検知等のセキュリティ機能を発揮することができる。

請求項３の発明は、請求項２に記載の自走式掃除機において、上記撮像手段は、二つの光学系を並べて一つの撮像素子に対して略平行に配置するとともに同撮像素子を各光学系に対応する撮像領域に分けることにより、各撮像領域に結像された二つの画像を取得する構成としてある。

上記のように構成した請求項３においては、撮像手段は、一つの撮像素子に対して略平行に二つの光学系を配置し、同撮像素子を各光学系に対応する撮像領域に分けている。その結果、任意の対象を撮像した際には、各光学系を介して各撮像領域に夫々画像が結像されため、一の撮像対象について二つの画像を取得することができる。また、撮像素子は一つであるため、自走式掃除機の生産コストをより抑えることができる。

上記撮像手段の具体的構成は様々に考えられ、各光学系に対応させて撮像素子を個別に配置するとしてもよい。つまり、自走式掃除機が光学系と撮像素子との組合せを二つ持ってもよい。その結果、一の撮像対象について、各撮像素子に結像された二つの画像を取得することができる。

請求項５の発明は、請求項２〜請求項４のいずれかに記載の自走式掃除機において、上記測距制御手段は、一方の画像における所定サイズの領域の画像パターンと他方の画像における各領域の画像パターンとを順次パターンマッチングすることによって、上記画像間のずれを取得する構成としてある。

上記のように構成した請求項５の発明においては、測距制御手段は、一方の画像における所定サイズの領域の画像パターンと他方の画像における各領域の画像パターンとを順次パターンマッチングする。同パターンマッチングによって、他方の画像において、上記一方の画像における上記画像パターンと最も一致度の高い画像パターンに対応する領域の位置が取得できるため、同位置と上記一方の画像における上記画像パターンの位置との差によって上記ずれを算出できる。

請求項６の発明は、請求項５に記載の自走式掃除機において、上記測距制御手段は、二次元的拡がりをもった画素領域を上記画像パターンのサイズとする構成としてある。
同じ模様が連続する壁など、複数の領域から似通った画像データが出力されやすい障害物までの距離を検出する場合もある。この場合、上記画像パターンのサイズを一列に複数個並んだ画素群などとすると領域間での情報の変化が乏しく、実際の位置は異なる部位にかかる画像パターンとの間で高い一致度が算出されてしまうこともある。そこで、上記画像パターンのサイズを二次元的拡がりをもった画素領域とすることで、パターンマッチングの精度を高め、上記ずれを正確に取得できるようにした。

請求項７の発明は、請求項２〜請求項６のいずれかに記載の自走式掃除機において、上記撮像素子の撮像角度は所定範囲で調整可能である構成としてある。
撮像手段は、撮像対象との距離を検出するために作動することもあれば、人体検知などのために作動することもある。そこで、撮像素子の撮像角度を所定範囲で調整可能としておけば、例えば、測距の場合には正面や斜め下を向かせ、人体検知の場合は斜め上方を向かせるなどして、撮像手段の使用目的に応じた適切な撮像角度に変更することができる。

請求項８の発明は、請求項２〜請求項７のいずれかに記載の自走式掃除機において、上記撮像手段から出力される画像データを外部機器に対して無線送信可能な無線ＬＡＮ通信手段を備える構成としてある。上記無線ＬＡＮ通信手段を備えることにより、撮像手段から出力される画像データを外部機器に対して無線送信することができる。例えば、撮像手段の出力に基づいて人体を検知した場合、同検知の際に撮像した画像にかかる画像データを、所定の携帯電話やＰＣなど、画像データを受信して画像表示可能な外部の機器に無線送信することとすれば、有用なセキュリティ効果を発揮することができる。

以上説明したように本発明によれば、上記撮像手段を備えることで、周囲の撮像だけでなく、同撮像手段からの出力データに基づいて、周囲の障害物との測距や人体検知を実現できるため、これまでのように、測距や人体検出に専用のセンサ類を別途備える必要が無く、低コストで周囲の障害物を考慮した自走清掃機能とセキュリティ機能とを発揮することが可能な自走式掃除機を提供することができる。

図１は、本発明にかかる自走式掃除機の概略構成をブロック図により示している。
同図に示すように、各ユニットを制御する制御ユニット１０と、移動を実現する走行系ユニット４０と、掃除を行うためのクリーナ系ユニット５０と、所定範囲を撮影するとともに、周囲の障害物との測距処理や人体検知を行なうためのカメラ系ユニット６０と、無線でＬＡＮに接続するための無線ＬＡＮユニット７０とから構成されている。なお、本体ＢＤは薄型の略円筒形状をなしている。

図２は、各ユニットを具体的に実現する電気系の構成をブロック図により示している。
制御ユニット１０として、ＣＰＵ１１と、ＲＯＭ１３と、ＲＡＭ１２がバス１４を介して接続されている。ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１３に記録されている制御用プログラムおよび各種パラメータテーブルに従い、ＲＡＭ１２をワークエリアとして使用して各種の制御を実行する。上記制御用プログラムの内容については後述する。

また、バス１４には操作パネルユニット１５が備えられ、同操作パネルユニット１５には、各種の操作用スイッチ１５ａと、液晶表示パネル１５ｂと、表示用ＬＥＤ１５ｃが備えられている。液晶表示パネル１５ｂは多階調表示が可能なモノクロ液晶パネルを使用しているが、カラー液晶パネルなどを使用することも可能である。

本自走式掃除機はバッテリー１７を有しており、ＣＰＵ１１はバッテリ監視回路１６を介してバッテリー１７の残量をモニター可能となっている。なお、同バッテリー１７は誘導コイル１８ａを介して非接触で供給される電力を用いて充電する充電回路１８を備えている。バッテリー監視回路１６は主にバッテリー１７の電圧を監視して残量を検知する。

走行系ユニット４０は、モータドライバ４１Ｒ，４１Ｌと、駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌと、この駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌにて駆動される図示しないギアユニットと駆動輪を備えている。駆動輪は本体ＢＤの左右に一輪ずつ配置されており、この他に駆動源を持たない自由転動輪が本体の前方側中央下面に取り付けられている。駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌは回転方向と回転角度をモータドライバ４１Ｒ，４１Ｌによって詳細に駆動可能であり、各モータドライバ４１Ｒ，４１ＬはＣＰＵ１１からの制御指示に応じて対応する駆動信号を出力する。また、駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌと一体的に取り付けられているロータリーエンコーダの出力から現実の駆動輪の回転方向と回転角度が正確に検知できるようになっている。なお、ロータリーエンコーダは駆動輪と直結させず、駆動輪の近傍に自由回転可能な従動輪を取り付け、同従動輪の回転量をフィードバックさせることによって駆動輪にスリップが生じているような場合でも現実の回転量を検知できるようにしても良い。走行系ユニット４０には、この他に地磁気センサ４３が備えられており、地磁気に照らし合わせて走行方向を判断できるようになっている。また、加速度センサ４４はＸＹＺ三軸方向における加速度を検知し、検知結果を出力する。

ギアユニットや駆動輪は各種のものを採用可能であり、円形のゴム製タイヤを駆動させるようにしたり、無端ベルトを駆動させるようにして実現しても良い。
本自走式掃除機における掃除機構は、前方両サイドに配置されて本体ＢＤの進行方向における両側寄りのゴミなどを当該本体ＢＤにおける中央付近にかき寄せるサイドブラシと、本体の中央付近にかき寄せられたゴミをすくい上げるメインブラシと、同メインブラシによりすく上げられるゴミを吸引してダストボックス内に収容する吸引ファンとから構成されている。クリーナ系ユニット５０は、各ブラシを駆動するサイドブラシモータ５１Ｒ，５１Ｌとメインブラシモータ５２、それぞれのモータに駆動電力を供給するモータドライバ５３Ｒ，５３Ｌ，５４と、吸引ファンを駆動する吸引モータ５５と、同吸引モータに駆動電力を供給するモータドライバ５６とから構成されている。サイドブラシやメインブラシを使用した掃除は床面の状況やバッテリーの状況やユーザの指示などに応じてＣＰＵ１１が適宜判断して制御するようにしている。

無線ＬＡＮユニット７０は、無線ＬＡＮモジュール７１を有しており、ＣＰＵ１１は所定のプロトコルに従って外部ＬＡＮと無線によって接続可能となっている。無線ＬＡＮモジュール７１は、図示しないアクセスポイントの存在を前提として、同アクセスポイントはルータなどを介して、外部の広域ネットワーク（例えばインターネット）に接続可能な環境となっている。従って、インターネットを介した通常のメールの送受信等が可能である。なお、無線ＬＡＮモジュール７１は、規格化されたカードスロットと、同スロットに接続される規格化された無線ＬＡＮカードなどから構成されている。むろん、カードスロットは他の規格化されたカードを接続することも可能である。

カメラ系ユニット６０は、所定の光学系（レンズ）と撮像素子（ＣＭＯＳセンサ）とからなるカメラ６１と、カメラ６１への撮像を指示するとともに画像データを出力するためのカメラ通信Ｉ／Ｏ６３とを備えている。撮像素子は、複数の画素に応じた感光素子（以下、単に画素）からなり、各画素ごとに光量に応じた階調データ（画像データ）を出力する。また、カメラ系ユニット６０は、カメラ６１の撮像方向に対面させて複数の白色ＬＥＤからなるカメラ用照明ＬＥＤ６４と、同ＬＥＤに照明用駆動電力を供給するためのＬＥＤドライバ６５を備えている。さらに、カメラ６１の撮像角度を所定の範囲で調整するためのギア部を駆動するギア部ドライバ６６備えている。

図３は、カメラ系ユニット６０の外観を前面側から斜視図により示し、図４は、カメラ系ユニット６０を側面から示している。なお、カメラ通信Ｉ／Ｏ６３との配線など、電気系との接続態様は図示を省略してある。
上記カメラ６１及びカメラ用照明ＬＥＤ６４は、金属板を加工したベース６７上の所定位置に固定され、同ベース６７は本体ＢＤの正面に取り付けられる。また、ベース６７の後方には上記ギア部６２が備えられており、ギア部６２は、ベース６７の角度を所定範囲内で上下方向に変化させることができる。ギア部６２は、ねじれたギア歯を周囲に形成する円筒ウォームギア６２ａと、円筒ウォームギア６２ａと接する円形のホイールギア６２ｂと、ベース６７の背面に固定された状態で、その歯面をホイールギア６２ｂと接している半円状のホイールギア６２ｃとから構成されている。

つまり、円筒ウォームギア６２ａとホイールギア６２ｂとのギア歯とを螺合させ、ホイールギア６２ｂとホイールギア６２ｃとのギア歯とを螺合させており、円筒ウォームギア６２ａの回転を制御することで、ベース６７の角度ひいてはカメラ６１の撮像角度を所定範囲内で調整している。円筒ウォームギア６２ａの回転は上記ギア部ドライバ６６によって制御可能である。
次に、カメラ６１を用いた撮像対象との測距処理について説明する。

図５は、本体ＢＤと撮像対象との距離を測定する手法の例を示している。。
本実施形態においては、カメラ６１は、一つの撮像素子６１ｃの前方に二軸のほぼ平行な光学系６１ａ，６１ｂを備えている。撮像素子６１ｃは、画素群を略中央で左右に二つの撮像領域６１ｃ１，６１ｃ２に分けており、光学系６１ａを透過した光量に応じた像を撮像領域６１ｃ１に、光学系６１ｂを透過した光量に応じた像を撮像領域６１ｃ２に、夫々結像させる。同図では、撮像領域６１ｃ１，６１ｃ２の下方に、各領域に結像された撮像イメージを描いている。同図に示すように、撮像領域６１ｃ１，６１ｃ２に夫々結像される撮像イメージは、各光学系６１ａ，６１ｂと撮像対象Ｐとの距離が夫々異なるためにずれΔｘを生じさせる。

一方の光学系（同図では、光学系６１ｂ）から同光学系６１ｂの正面に位置する撮像対象Ｐまでの距離Ｌを、本体ＢＤから撮像対象Ｐまでの距離として検出する。光学系６１ａと光学系６１ｂとの中心点間の距離をＢとし、カメラ６１の焦点距離をｆとする。ここで、同図から明らかなように、ＬとＢとを二辺とする直角三角形Ｑと、ｆとΔｘとを二辺とする直角三角形ｑとは相似である。そこで、本実施形態においては次式、
Ｌ＝Ｂ×ｆ／Δｘ
によって、本体ＢＤから撮像対象Ｐまでの距離を求める。

ずれΔｘの求め方について説明する。
図６は、パターンマッチングの手法を概念的に示している。ずれΔｘは所定のパターンマッチングを行なうことで取得する。同図においては、イメージ１は撮像領域６１ｃ２に、イメージ２は撮像領域６１ｃ１に、夫々結像された撮像イメージを示している。両イメージ１，２は縦横の画素数がいずれもｎ×ｍと同じであり、左上の画素を座標（１、１）、右上の画素を座標（ｍ、１）、左下の画素を座標（１、ｎ）、右下の画素を座標（ｍ、ｎ）とすることで、各画素の位置を定義している。

ここで、イメージ１，２のいずれか一方（同図では、イメージ１）における略中央位置の領域を基準パターンＡ１とする。同領域の大きさは、縦横が夫々に複数画素となる、ある程度の面積を持った領域とする。かかる前提の下、ＣＰＵ１１は、カメラ通信Ｉ／Ｏ６３を介して入力した各撮像領域６１ｃ１，６１ｃ２毎の画像データに基づいて、パターンマッチングを行なう。ＣＰＵ１１は、基準パターンＡ１と、イメージ２における各領域（比較対象パターンＡ２）とを順次重ね合わせて比較し、所定の一致度を取得していく。例えば、基準パターンＡ１と比較対象パターンＡ２とを重ね合わせた際に、対応しあう各画素間で階調データの差分をとるとともに、各差分の総和を算出する。そして、同総和が０に近いほど、重ね合わせたパターンＡ１とパターンＡ２との一致度は高いものとする。

基準パターンＡ１を重ね合わせる比較対象パターンＡ２の位置の選択は、様々に考えられる。例えば、基準パターンＡ１と縦方向の位置が同じであって、イメージ２の左端（または、右端）に位置する、基準パターンＡ１と同面積の領域を最初の比較対象パターンＡ２とする。同位置の比較対象パターンＡ２との一致度の取得後、比較対象パターンＡ２の位置を右（左）に一画素ずつ順次ずらしていき、その都度、一致度を取得していく。かかる処理後、最も一致度が高かった比較対象パターンＡ２の位置と、基準パターンＡ１の位置との差（例えば、基準パターンＡ１の中心画素と比較対象パターンＡ２の中心画素との水平方向の差）を画素数で算出する。そして、同画素数を撮像素子６１ｃの水平解像度で割ることにより、距離としての上記ずれΔｘが求まる。

ＣＰＵ１１は、上記のようにしてずれΔｘを求めたら、予めＲＯＭ１３等に記憶しておいた上記Ｂとｆとを読み出し、上記式を用いて本体ＢＤから撮像対象Ｐまでの距離Ｌを求める。
ここで、パターンマッチングを行なう領域のサイズを上記のように二次元的拡がりを持った画素群とするのは次の理由による。特定の物品を撮像した場合など、画素毎の階調データの異なり方が富むような場合は、パターンマッチングの領域が狭く情報量の少ない領域であっても、マッチング精度が大きく下がることはない。しかし、実際の清掃走行時においては、壁や家具などの障害物との距離を測って走行制御を行なう場合が多い。特に壁などは、無地であったり所定の模様が連続していたりするため、例えば、複数の画素が一列に並んだけの領域であると、基準パターンＡ１について複数の比較対象パターンＡ２との間で同じように高い一致度が算出され得る。そこで、パターンマッチングの領域サイズに二次元的拡がりを持たせることで情報量を増やし、より正確なパターンマッチングとそれに基づく正確なずれΔｘの算出を可能としている。

また、基準パターンＡ１を抽出する領域は、イメージ１中の一箇所である必要は無い。例えば、図７に示すように、複数画素の集合である基準パターンＡ１をイメージ１の複数箇所から選択してもよい。この場合、イメージ１をイメージ２上に水平方向に一画素ずつずらしながら順次重ね合わせ、その都度、各基準パターンＡ１と各基準パターンＡ１に対応するイメージ２の各領域との間での一致度を算出していく。そして、例えば各基準パターンＡ１毎の一致度の平均値が最も高い場合のイメージ１とイメージ２とのずれ（画素数）によって上記ずれΔｘを求めるとしてもよい。

次に、上記構成からなる自走式掃除機の動作について説明する。
図８及び図９は上記ＣＰＵ１１が実行する制御プログラムに対応したフローチャートを示しており、図１１は同制御プログラムに従って本自走式掃除機が走行する走行順路を示す図である。
電源オンにより、ＣＰＵ１１は図８の走行制御を開始する。ステップＳ１１０では、カメラ６１に撮像指示を行なうとともに、カメラ６１からの画像データを入力し、本体ＢＤの前方エリアに障害があるか否かを検出する。

図１０は、障害を検出する際の原理を示している。
同図においては、カメラ６１の撮像方向を、上記ギア部６２の制御によって水平方向から所定の角度（第一角度）だけ斜め下方向に向ける。つまり、自走式掃除機を走行させる際には、走行を予定する前方エリアの変化を検出する。カメラ６１の対向方向に障害物が無い場合、上述した測距処理によって得られた測距距離はＬ１となる。しかし、同図で一点鎖線で示すように下がる段差がある場合、その測距距離はＬ２となる。また、二点鎖線で示すように上がる段差があれば測距距離はＬ３となる。壁や家具など障害物があるときも、上がる段差と同様に測距距離は同障害物までの距離として計測され、床面が続いている場合に測距されるＬ１よりも短くなる。すなわち、ＣＰＵ１１は、得られた測距距離と所定値Ｌ１との比較によって、どのぐらい先の位置に、どのような障害があるかを判断できる。

ただし、この時点では、カメラ６１が対面している床位置と本体ＢＤの直前位置までの間の情報は何も得られていないので死角となる。
ステップＳ１２０では、ギア部６２を制御してカメラ６１の水平方向から斜め下方向への傾きをより急角度（第二角度）とするとともに、モータドライバ４１Ｒ，４１Ｌを介して駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌに対してそれぞれ回転方向を異にしつつ同回転量の駆動を指示する。これにより本体ＢＤはその場で回転を始める。同じ場所での３６０度の回転（スピンターン）に要する駆動モータ４２Ｒ，４２Ｌの回転量は予め分かっており、ＣＰＵ１１は同回転量をモータドライバ４１Ｒ，４１Ｌに指示している。

スピンターン中、ＣＰＵ１１はカメラ６１からの画像データを入力し、障害の検出を行なう。上述した死角はこの間の検知結果により、ほぼなくなり、段差、障害物が何も無い場合、周囲の平坦な床面の存在を検知できる。
ステップＳ１３０では、ＣＰＵ１１はモータドライバ４１Ｒ，４１Ｌを介して駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌに対してそれぞれ同回転量の駆動を指示する。これにより本体ＢＤは直進を開始する。直進中、ＣＰＵ１１は、第一角度としたカメラ６１からの画像データに基づいて進行方向の床面までの距離を測定し、障害がないか検出しながら前進する。そして、同検出結果から正面に障害物たる壁面が検知できたら、その壁面の所定距離だけ手前で停止する。

ステップＳ１４０では右に９０度回転する。ステップＳ１３０で壁面の所定距離だけ手前で停止したが、この所定距離は本体ＢＤが回転動作するときに同壁面に衝突しない距離である。また、９０度回転するときに、カメラ６１を第二角度とし、撮像結果に基づいて直前位置の状況を検知してもよい。図１１はこのようにしてたどり着いた平面図で見たときの部屋の左下角を清掃開始位置として清掃走行を開始する状況を示している。

清掃走行開始位置へたどり着く方法はこれ以外にも各種の方法がある。壁際に到達する状況において右に９０度回転するだけでは、最初の壁面の途中から始めることになることもあるため、図１１に示すように左下角の最適位置にたどり着くのであれば、壁際に到達して左９０度回転し、正面の壁際に到達するまで前進し、到達した時点で１８０度回転することも望ましい走行制御である。

ステップＳ１５０では、清掃走行を実施する。同清掃走行のより詳細なフローを図９に示している。前進走行するにあたり、ステップＳ２１０ではＣＰＵ１１は、カメラ６１から画像データを入力し、走行範囲の前方に段差や壁面などの障害が存在しないか否かの判断に利用する。

ステップＳ２２０では地磁気センサデータ入力をしており、具体的には地磁気センサ４３の検知結果を入力し、直進走行中に走行方向が変化していないか否かを判断するのに利用する。例えば、清掃走行開始時の地磁気の角度を記憶しておき、走行中に検出される角度が記憶されている角度と異なった場合には、左右の駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌの回転量をわずかに異ならせて進行方向を修正し、元の角度へ戻す。例えば、地磁気の角度に基づいて角度が増加する方向へ変化（３５９度から０度への変化は例外点となる）したら左方向へ軌道を修正する必要があり、右の駆動輪モータ４２Ｒの回転量を左の駆動輪モータ４２Ｌの回転量よりも僅かに増やすようにそれぞれのモータドライバ４１Ｒ，４１Ｌへ駆動を制御する指示を出力する。

ステップＳ２３０では、加速度センサデータ入力をしており、具体的には加速度センサ４４の検知結果を入力し、走行状態の確認に供することになる。例えば、直進走行開始時に概ね一定の方向への加速度を検知できれば正常な走行と判断できるが、回転する加速度を検知すれば片方の駆動輪モータが駆動されていないような異常を判断できる。また、正常な範囲の加速度値を超えたら段差などから落下したり、横転したような異常を判断できる。そして、前進中に後方にあたる方向への大きな加速度を検知したら前方の障害物に当接した異常を判断できる。このように、加速度値を入力して目標加速度を維持するとか、その積分値に基づいて速度を得るというような走行に対する直接的な制御をすることはないが、異常検出の目的として加速度値を有効に利用している。

ステップＳ２４０では、ステップＳ２１０で入力した画像データに基づいた測距処理によって障害物が有るか否かの判定を行う。ステップＳ２５０では、障害物の判定に基づいて、回避の必要があるか否かを判断する。回避の必要がない限りステップＳ２７０の清掃処理を実行する。清掃処理は、サイドブラシとメインブラシを回転させつつ、ゴミを吸引する処理であり、具体的にはモータドライバ５３Ｒ，５３Ｌ，５４，５６に各モータ５１Ｒ，５１Ｌ，５２，５５を駆動させる指示を出力する。むろん、走行中は常に同指示を出しているのであり、後述するように清掃走行の終端条件が成立したときに停止させることになる。

一方、回避が必要と判断されると、ステップＳ２８０にて右に９０度ターンを実施する。このターンは同じ位置での９０度ターンであり、モータドライバ４１Ｒ，４１Ｌを介して駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌに対してそれぞれ回転方向を異にしつつ９０度ターンに必要なだけの回転量の駆動を指示する。回転方向は右の駆動輪に対して後退の方向であり、左の駆動輪に対して前進の方向となる。回転中は、カメラ６１を第二角度とし、撮像結果に基づいて直前位置の障害物の状況を判断する。例えば、正面に障害を検知し、右９０度ターンを実施したとき、壁面を検知しなければ、単に正面の壁面に当接したといえるが、回転後も壁面を検知しているのであれば、角部に入り込んでいるといったことが判断できる。

ステップＳ２９０では、進路変更のため前進する。壁際に到達し、右９０度回転後、前進していく。壁面の手前で停止したのであれば、前進の走行量は概ね本体ＢＤの幅分である。その分の前進後、ステップＳ３００では再度右９０度ターンを実施する。

上記移動の間、障害物の有無は常に検出して状況を確認しており、部屋の中の障害物の有無の情報として記憶していく。
ところで、上述した説明では、右９０度ターンを２度実行したが、次に前方に壁面を検知した時点で右９０度ターンを実行すると元に戻ってしまうので、二度の９０度ターンは、右を繰り返したら、次は左を繰り返し、その次は右というように交互に行っていく。従って、奇数回目の障害物回避では右ターン、偶数回目の障害物回避では左ターンとなる。

以上のように障害物を回避しながら、部屋の中をつづら折り状に走査して清掃走行を継続していく。そして、部屋の終端にきたか否かをステップＳ３１０にて判断する。清掃走行の終端は、二度目の９０度ターン後に、壁面に沿って前進して清掃走行を実施し、その後で前方に障害物を検知した場合と、既に走行した部位に入り込んだ場合である。すなわち、前者はつづれ折り状に走行していった最後の端から端への走行後に生じる終了条件であり、後者は後述するように未清掃エリアを発見して再度清掃走行を開始したときの終了条件になる。

この終端条件が成立していなければ、ステップＳ２１０へ戻って以上の処理を繰り返す。終端条件が成立していれば、本清掃走行のサブルーチン処理を終了し、図８に示す処理へ復帰する。
復帰後、ステップＳ１６０では、これまでの走行経路と走行経路の周囲の状況から未清掃エリアが残っていないか判断する。未清掃エリアの有無の判断は公知の各種の手法を利用可能であり、一例としてこれまでの走行経路をマッピングして記憶していく手法を利用可能である。この例では、上述したロータリーエンコーダの検知結果に基づいて室内での走行経路と、走行中に検出した壁面の有無を記憶領域に確保してあるマップ上に書き込んでいっており、周囲の壁面が途絶えることなく連続し、かつ、室内の存在していた障害物の周囲も連続し、かつ、室内で障害物を除く範囲を全て走行したか否かで判断する。未清掃エリアが見つかれば、ステップＳ１７０で未清掃エリアの開始点へと移動し、ステップＳ１５０に戻って清掃走行を再開する。

その結果、未清掃エリアが複数箇所に散在していたとしても、上述したような清掃走行の終端条件が成立するごとに、未清掃エリアの検出を繰り返していくことにより、最終的には未清掃エリアがなくなる。

なお、カメラ６１の撮像結果に基づく測距処理として、前方天井までの距離を検出する処理を、適宜所定のタイミングで加えてもよい。この場合、ＣＰＵ１１は、上記ギア部６２の制御によってカメラ６１の撮像方向を水平方向から所定の角度だけ斜め上方向に向ける。その結果得られる略床面から天井までの距離は、通常は一定であるが、壁面に近づいてくるとカメラ６１の正面位置が天井ではなく壁面となるので、測距距離が短くなってくる。また、本体ＢＤの正面には障害物がないとしても、鴨居などによって略床面から天井までの距離が短くなってきていることを検知すれば、そこからは廊下であって室外に出てしまうことを判定するのに利用できる。

次に、カメラユニット６０を利用したセキュリティ処理について説明する。
本発明においては、ユーザは、自走式掃除機を清掃に使用しないときは、操作パネルユニット１５を介して所定のセキュリティモードを設定することができる。
図１２は、ＣＰＵ１１が実行する所定のセキュリティ処理の内容を示したフローチャートである。

ステップＳ３１０では、ＣＰＵ１１は、所定のセキュリティモードを選択する指示信号があるか否か判断し、同指示信号があった場合には、ステップＳ３２０以下の処理を行う。ステップＳ３２０では、ギア部６２を制御し、カメラ６１の仰角を水平方向より所定の角度だけ斜め上方向にセットする。侵入者などの顔を撮像することを考慮して、かかる仰角にセットする。むろん、仰角の具体的な値は、ユーザが自由に設定可能である。

ステップＳ３３０では、カメラ６１に対して撮像指示を送出し、撮像処理を開始させる。当該撮像処理は、基本的にはセキュリティモードが解除されるまで継続される。よって、ユーザは、家を留守中する場合などに自走式掃除機によって室内を継続的に監視することができる。セキュリティモードでの撮像では、撮像領域６１ｃ１，６１ｃ２を両方使用して二つの画像を取得する必要性は低く、電力消費を抑える観点からも、一方の撮像領域のみを使用し一つの画像を取得するようにしてもよい。

ステップＳ３４０では、ＣＰＵ１１は、カメラ６１から出力される画像データに基づいて人体が検知されたか否か判断する。カメラ６１の撮像範囲において何かが動いた場合、カメラ６１から出力される画像データは単位時間あたりの変化量が急激に大きくなる。家庭において、セキュリティモードでカメラ６１を作動させる場合は、人間のいない空間を撮像させることが通常であるため、画像データの単位時間あたりの変化量が所定のしきい値を越えた場合に、ＣＰＵ１１は、人体を検知したものと判断する。むろん、撮像したカラー画像に基づいて、人体に特徴的な肌色の領域を探し、同領域の大きさや変化に基づいて人体を検知するとしてもよい。

人体を検知したと判断した場合、ＣＰＵ１１は、同検値した人体をより的確に撮像するために、本体ＢＤの正面の向きを修正する（ステップＳ３５０）。例えば、取得した画像を複数領域に分け、単位時間あたりの画像データの変化量が最も大きい領域を特定する。そして、同特定した領域を中心に撮像できる方向にカメラ６１が向くように、駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌを制御して本体ＢＤの正面の向きを修正する。同特定した領域の撮像をより的確に行なうべく、ギア部６２の制御によるカメラ６１の仰角の修正も併せて実行するようにしてもよい。

上記構成においては、カメラ６１の撮像範囲外である自走式掃除機の背後に人体がある場合には、同人体を検知することができない。そこで、カメラ６１の監視が届かない方角をカバーするために、カメラ６１が取り付けられている前面に対して後方左右斜めの二箇所に、人体センサを備えるようにしてもよい。人体センサは、赤外線の受光センサを備えるとともに受光した赤外線の光量の変化に基づいて人体の有無等を検知するものであり、変化する赤外線照射物体を検知したとき出力用のステータスを変化させる。そのため、ＣＰＵ１１は上記バス１４を介して人体センサの検知を取得することが可能となる。ＣＰＵ１１は所定時間毎に各人体センサのステータスを取得しにいき、ステータスが変化している人体センサがあれば、同人体センサの対向方向に人体の存在を検知する。

よって、各人体センサを構成として加えた場合は、ステップＳ３４０では、ＣＰＵ１１は、各人体センサの出力の変化も併せて監視することになる。また、人体センサの対向方向に人体を検知した場合は、ステップＳ３５０では、同検知した人体センサの方向にカメラ６１が向くように、駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌを制御して本体ＢＤの正面の向きを修正することになる。

ステップＳ３６０では、ＣＰＵ１１は、人体を検知した旨を外部に通報する。かかる通報は、無線ＬＡＮモジュール７１を用いて行なう。例えば、ＣＰＵ１１は所定のプロトコルに従い無線によって、外部の警備会社のコンピュータや、外出先の家主の携帯電話のメールアドレアスにメール送信を行なって侵入者を検知した旨を通報することができる。または、撮像している画像にかかる画像データを上記外部に対して無線送信し、同画像を外部の機器において見られるようにしてもよい。撮像した画像については、無線ＬＡＮモジュール７１を介して通信可能なコンピュータなどに画像データを送信し保存することで、後から画像の内容をユーザが確認できるようにしてもよい。
ＣＰＵ１１は、上記撮像状態での人体検知などの処理を、セキュリティモードを解除することを指示する所定の指示信号を入力するまで継続することになる（ステップＳ３７０）。

他の実施形態について説明する。
図１３は、本体ＢＤと撮像対象との距離を測定する手法であって、図５とは異なる例について示している。
上記においては、一つの撮像素子６１ｃの前方に二軸の光学系６１ａ，６１ｂを備えたカメラ６１を用いる場合について説明したが、カメラを二台用いて本願にかかる測距処理を行なってもよい。

同図に示すように、カメラ８１は光学系８１ａの結像位置に撮像素子８１ｂを配置しており、カメラ８２は光学系８２ａの結像位置に撮像素子８２ｂを配置している。カメラ８１，８２は物理的に所定の距離だけ離れている。図示は省略してあるが、カメラ８１，８２は、同所定の距離を空けてカメラ用照明ＬＥＤ等とともに金属板のベース上に固定され、カメラユニット６０と同様に本体ＢＤの正面に取り付けられ、さらに、所定のギア部によってその撮像角度を調整可能であるとする。

上記構成においては、各カメラ８１，８２によって同一の撮像対象Ｐを撮像した場合、各撮像素子８１ｂ，８２ｂに夫々結像される撮像イメージは、カメラ８１，８２と撮像対象Ｐとの距離が夫々異なるためにずれΔｘ´を生じさせる。従って、同Δｘ´をパターンマッチング処理によって算出するとともに、光学系８１ａと光学系８２ｂとの中心点間の距離Ｂ´と、カメラ８１，８２の焦点距離ｆ´とを取得することで、上述の実施形態と同様に、本体ＢＤから撮像対象Ｐまでの距離である、一方の光学系（同図では、光学系８２ａ）から同光学系８２ａの正面に位置する撮像対象Ｐまでの距離Ｌ´を求めることができる。

このように、撮像結果においてずれが生じる二つの画像を取得可能なカメラ６１を備えることで、清掃走行時においては障害物の検出が可能となり、セキュリティモード時においては人体検知と同検知した人体の撮像が可能となるため、走行時の障害検出や人体検出のために専用の各種センサを備えていた従来と比較して、何ら機能を低下させることなく、生産コストを大幅に抑制することができる。

本発明にかかる自走式掃除機の概略構成を示すブロック図である。 同自走式掃除機のより詳細なブロック図である。 カメラ系ユニットの前方斜視図である。 カメラ系ユニットの側面図である。 撮像による測距処理の説明図である。 パターンマッチングの説明図である。 基準パターンの選択態様を示した説明図である。 走行制御のフローチャートである。 清掃走行のフローチャートである。 カメラの撮像角度を床面に対して斜め下方に配向した場合における床面の状況と測距距離の変化の状況を示す説明図である。 室内の走行経路を示す図である。 セキュリティ処理のフローチャートである。 他の実施形態にかかる撮像による測距処理の説明図である。

符号の説明

１０…制御ユニット
４０…走行系ユニット
５０…クリーナ系ユニット
６０…カメラ系ユニット
６１，８１，８２…カメラ
６１ａ，６１ｂ，８１ａ，８２ａ…光学系
６１ｃ，８１ｂ，８２ｂ…撮像素子
６１ｃ１，６１ｃ２…撮像領域
６２…ギア部
７０…無線ＬＡＮユニット

Claims (8)

1. 掃除機構を備えた本体と、同本体における左右に配置されて個別に回転を制御可能で操舵と駆動を実現する駆動輪を有する駆動機構と、撮像した画像を画像データとして出力可能な撮像手段とを備える自走式掃除機において、
   二つの光学系を並べて一つの撮像素子に対して略平行に配置するとともに同撮像素子を各光学系に対応する撮像領域に分けることにより、任意の撮像対象について各撮像領域に結像された二つの画像を取得する上記撮像手段と、
   一方の画像における二次元的拡がりをもった画素領域にかかる画像パターンと他方の画像における各領域の画像パターンとを順次パターンマッチングすることによって取得した両画像間のずれと、光学系と撮像素子との焦点距離とに基づいて、本体と撮像対象との距離を検出して上記駆動機構を制御する測距制御手段と、
   上記撮像素子の撮像角度を所定範囲で調整可能な撮像角度調整手段と、
   掃除機の動作状態が所定のセキュリティモードであることを検知した場合に、上記撮像手段から出力される画像データの変化に基づいて周囲に人体があるか否かを検知する人体検知手段とを備えることを特徴とする自走式掃除機。
2. 掃除機構を備えた本体と、同本体における左右に配置されて個別に回転を制御可能で操舵と駆動を実現する駆動輪を有する駆動機構と、撮像した画像を画像データとして出力可能な撮像手段とを備える自走式掃除機において、
   複数の光学系を有し、各光学系によって所定の撮像素子に夫々結像された複数の画像を取得する上記撮像手段と、
   上記撮像手段が取得した画像間のずれと、光学系と撮像素子との焦点距離とに基づいて本体と周囲の撮像対象との距離を検出して上記駆動機構を制御する測距制御手段と、
   上記撮像手段から出力される画像データの変化に基づいて周囲に人体があるか否かを検知する人体検知手段とを備えることを特徴とする自走式掃除機。
3. 上記撮像手段は、二つの光学系を並べて一つの撮像素子に対して略平行に配置するとともに同撮像素子を各光学系に対応する撮像領域に分けることにより、各撮像領域に結像された二つの画像を取得することを特徴とする請求項２に記載の自走式掃除機。
4. 上記撮像手段は、二つの光学系に対応させて撮像素子を個別に配置し、各撮像素子に結像された二つの画像を取得することを特徴とする請求項２に記載の自走式掃除機。
5. 上記測距制御手段は、一方の画像における所定サイズの領域の画像パターンと他方の画像における各領域の画像パターンとを順次パターンマッチングすることによって、上記画像間のずれを取得することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の自走式掃除機。
6. 上記測距制御手段は、二次元的拡がりをもった画素領域を上記画像パターンのサイズとすることを特徴とする請求項５に記載の自走式掃除機。
7. 上記撮像素子の撮像角度は所定範囲で調整可能であることを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれかに記載の自走式掃除機。
8. 上記撮像手段から出力される画像データを外部機器に対して無線送信可能な無線ＬＡＮ通信手段を備えることを特徴とする請求項２〜請求項７のいずれかに記載の自走式掃除機。

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