JP2006155195A - 移動体の自己位置同定装置および移動体の自己位置同定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特別な構造体やマーカを設置することなく移動体の自己位置を同定することが出来、そのための作業の負荷を軽減できる自己位置同定装置およびその同定方法を提供する。
【解決手段】移動体１に備えた全方位カメラ２と、周囲のエッジ位置情報を入力するデータ入力部３と、データ入力部３を介してエッジ位置情報を入力するコンピュータ４を備え、コンピュータ４は、エッジ位置情報を記憶するエッジマップ記憶部５と、全方位カメラ２からの視覚情報をもとにエッジを検出するエッジ検出部６と、エッジ検出部６からのエッジ情報をもとに移動体１の位置、姿勢を同定する演算部７を備え、撮像画像から周囲の柱や壁などの垂直成分エッジ８の方向を算出し、記憶したエッジマップ上から算出された方向でエッジが観測される位置及び姿勢を探索することで、移動体１の自己位置同定を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、自律走行が可能な移動体の自己位置同定装置および移動体の自己位置同定方法に関する。

従来、自律走行が可能な移動体は床に反射テープ、マグネットテープなどをガイドレールとして走行するものが主流であった。この方法では、移動体はガイドレールに沿って確実に誘導されるが、ガイドレールの破損や設置時の煩雑さ、或いは走行の自由度が制限されるなどの問題も生じていた。そのため最近ではガイドレスの移動体が開発され実用化されつつある。

例えば、特許文献１には、予め、壁に接していない形状、位置情報がともに既知である柱を３本以上設置することで、移動体からレーザ光を水平方向に回転させながら走査し、その反射光を移動体上のセンサで受光することで柱を検出し自己位置を同定する手法が開示されている。

更に、特許文献２には、移動体に搭載され天井方向に向けられたカメラによって撮像された画像から、天井に設置された蛍光灯の位置を算出し、算出された蛍光灯の位置をもとに自己位置を同定する手法が開示されている。

このように従来技術では、形状、位置情報が既知である特別な構造体やマーカを予め設置し、移動体からの構造体やマーカまでの相対位置を算出することで自己位置を同定する手法がとられていた。
特開平４−４２０１４号公報（第３頁、第１図） 特開平６−４１２７号公報（第２頁、第１図）

しかしながら、従来の移動体の自己位置同定装置およびその方法では、形状、位置情報が既知である特別な構造体やマーカを予め設置する必要があるため、構造体やマーカの設置あるいは保守管理に膨大な費用、労力を要するという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、特別な構造体やマーカを設置することなく移動体の自己位置を同定することが可能であり、さらにそのための作業の負荷を軽減できる移動体の自己位置同定装置および移動体の自己位置同定方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。

請求項１に記載の発明は、移動体の位置および姿勢を同定する自己位置同定装置において、前記移動体に備えた全方位カメラと、周囲のエッジ位置情報を入力するデータ入力部と、前記データ入力部を介して前記エッジ位置情報を入力するコンピュータを備え、前記コンピュータは、前記エッジ位置情報を記憶するエッジマップ記憶部と、前記全方位カメラからの視覚情報に基づきエッジを検出するエッジ検出部と、前記エッジ検出部からのエッジ情報に基づき移動体の位置、姿勢を同定する演算部と、から構成されたことを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、移動体の位置および姿勢を同定する自己位置同定装置において、前記移動体に備えた全方位カメラと、周囲のエッジ位置情報を入力するデータ入力部と、前記データ入力部を介して前記エッジ位置情報を入力するコンピュータを備える構成とし、コンピュータに入力されている柱、壁などの垂直成分エッジのある位置情報に基づきエッジマップを作成記憶するステップと、前記移動体に搭載された前記全方位カメラからの画像に基づき、前記柱、壁などの垂直成分エッジのある方向を抽出するステップと、前記抽出された方向に垂直成分エッジが観測される前記移動体の位置及び姿勢を、前記エッジマップから探索することで自己位置を同定するステップと、を備えたことを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、移動体の位置および姿勢を同定する自己位置同定装置において、前記移動体に備えた全方位カメラと、周囲のエッジ位置情報を処理するコンピュータを備える構成とし、移動体の位置姿勢が既知となる複数箇所の測定ポイントにおいて前記移動体に搭載された前記全方位カメラからの画像に基づき、柱、壁などの垂直成分エッジのある方向を順次抽出することで得られるエッジマップを自動的に作成記憶するステップと、前記移動体に搭載された前記全方位カメラからの画像に基づき、前記柱、壁などの垂直成分エッジのある方向を抽出するステップと、前記抽出された方向に垂直成分エッジが観測される前記移動体の位置及び姿勢を、前記エッジマップから探索することで自己位置を同定するステップと、を備えたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、特別な構造体やマーカを設置することなく自己位置を同定可能な移動体の自己位置同定装置を提供できる。

請求項２に記載の発明によると、周囲の柱や壁などの垂直成分のエッジ情報から移動体の自己位置を求めるため、特別な構造体やマーカを設置することなく自己位置の同定ができる。

請求項３に記載の発明によると、自動的にエッジマップが作成されるため、エッジ情報を入力する作業の負荷を軽減できる。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示す自己位置同定装置の構成図である。
図１において、１は移動体、２は全方位カメラ、３はデータ入力部、４はコンピュータ、５はエッジマップ記憶部、６はエッジ検出部、７は演算部である。
また、図２は本発明の第１実施例を示す自己位置同定装置の説明図である。なお、図２の構成要素が図１と同じものについてはその説明を省略し、異なる点のみ説明する。 図２において、８は垂直成分エッジ、９は柱、１０は壁である。
以下、図１および図２を用いて本発明の自己位置同定装置の構成について説明する。
移動体１の走行経路の周囲には通常、柱９、壁１０などが存在し、柱９や壁１０には垂直方向に長いエッジ８が存在する場合が多い。また室内においては、柱９や壁１０以外にも机や棚などが走行経路の近くに存在する場合も多く、やはりこれらにも垂直方向に長いエッジが存在する場合が多い。移動体1上には、移動体１の周囲３６０°の画像が撮像できるようカメラおよび円錐状のミラーで構成される全方位カメラ２が搭載されている。また、移動体1にはデータ入力部３とコンピュータ４を備えている。データ入力部３から入力される周囲のエッジ位置情報はコンピュータ４へ送られる。コンピュータ４は、エッジ位置情報を記憶するエッジマップ記憶部５と、全方位カメラ２からの視覚情報をもとにエッジを検出するエッジ検出部６と、移動体１の位置、姿勢を同定する演算部７から構成されている。

図３は、本発明の第１実施例を示す自己位置同定装置の処理手順のフローチャートである。なお、図３においてＡの部分のステップは実作業時におけるステップを、Ｂの部分のステップは事前準備におけるステップを示している。
また、図４は、本発明の第１実施例を示すエッジマップの説明図である。
また、図５は、本発明の第１実施例を示すパノラマ変換後の画像データの説明図である。
以下、図３、４、５を用いて本実施例の処理手順について説明する。
事前準備時においては、エッジマップの有無を判断し（ステップＳＴ１）、エッジマップが無い場合は、予め移動体の経路の周囲にある柱９、壁１０などの垂直成分エッジ８が存在する位置を求めておき、垂直成分エッジ８の位置をコンピュータ４に入力する（ステップＳＴ１１）ことで図４に示すようなエッジマップを作成し記憶させておく（ステップＳＴ１２）。尚、図４では、判り易いよう柱９、壁１０を一点差線で記してあるが、実際には垂直成分エッジ８の位置だけが記録されたマップとなる。
実作業時においては、全方位カメラ２により移動体１の周囲を撮像し（ステップＳＴ２１）、その画像をパノラマ変換した画像を生成する（ステップＳＴ２２）。図５に示すように、パノラマ変換画像では横軸は移動体からみた水平方向の角度を表し、縦軸は垂直方向の角度を示す。したがってパノラマ変換画像を横軸方向に微分を施すことにより、柱９、壁１０などの垂直成分エッジ８を抽出することができる（ステップＳＴ２３）。このときエッジの直線性、傾き、長さを判別条件とすることで、柱９、壁１０などの垂直成分エッジ８を正確に抽出することができる。抽出された垂直成分エッジ８が移動体１に対してどの方向に存在するかをパノラマ変換画像の横軸から方向θを算出する（ステップＳＴ２４）。
算出された複数の垂直成分エッジ８の方向θに実際の垂直成分エッジ８が観測されうる移動体１の位置、姿勢を、事前に作成、記憶したエッジマップから探索する（ステップＳＴ２５）ことにより移動体１の現在位置及び姿勢を認識する（ステップＳＴ２６）ことができる。

本実施例では、全方位カメラ２としてカメラおよび円錐状のミラーで構成した例を挙げたが、移動体１の周囲に複数台のカメラを配置することで周囲画像を撮像する全方位カメラであっても構わない。この場合においても、複数台のカメラからの画像を簡単な座標変換と張り合わせによりパノラマ変換画像を作成することにより、移動体１の自己位置の同定が可能となる。

図６は、本発明の第２実施例を示す自己位置同定装置の処理手順のフローチャートである。なお、図６において、Ａの部分のステップは実作業時におけるステップを、Ｃの部分のステップは事前準備におけるステップを示している。また、第１実施例と同じステップＳＴ番号は第１実施例と同じステップを示している。
第１実施例と第２実施例の相違する点は以下のとおりである。
すなわち、第１実施例の事前準備のステップ（図３のＢの部分）では、エッジマップを作成するための柱９、壁１０などの垂直成分エッジ８の位置情報を求めコンピュータ４に入力していた。そのため、予め移動体１の走行経路周辺の柱９、壁１０などの垂直成分エッジ８の位置を実際に測るか、或いは建物の図面から算出する必要があったのに対し、本実施例の事前準備のステップ（図６のＣの部分）では、エッジマップを自動的に作成するようにしている点である。なお、実作業時Ａのステップは第１実施例と同じである。
以下、図６を用いて本発明の第２実施例の処理手順について説明する。
事前準備時においては、予め複数の測定点Ａｎを走行経路上に設定し、各測定点Ａｎ上での移動体１の位置及び姿勢が既知となるよう移動体１を順次誘導する。移動体１が測定点Ａｎに到達したとき移動体１に搭載された全方位カメラ２の画像を取り込み（ステップＳＴ２）、パノラマ変換画像を生成する（ステップＳＴ３）。パノラマ変換画像から垂直成分エッジ８を抽出し（ステップＳＴ４）、その方向θを算出する（ステップＳＴ５）。ＸＹ平面上において移動体１の位置から算出された垂直成分エッジ８の方向θへ向かって直線状に投票する（ステップＳＴ６）。これを各測定点Ａｎに移動体１が到達する度に繰り返し行う（ステップＳＴ７、８）。
図７は、本発明の第２実施例を示すＸＹ平面への投票の説明図である。
以下、図７を用いてステップＳＴ６のＸＹ平面への投票について説明する。すなわち、ＸＹ平面上で移動体１は現在、測定点Ａ１にあるとする。測定点Ａ１では垂直成分エッジ５が６本抽出され、抽出された各垂直成分エッジ５に対応する方向θを算出する。ＸＹ平面上で移動体１の位置Ａ１から算出された垂直成分エッジ５の方向θへ直線状に投票したものを実線で記す。同様にして測定点Ａ２からＡ３まで移動体１を誘導し、各測定点Ａｎで垂直成分エッジ５の方向θを算出しＸＹ平面上に投票を行うと点線のようになる。このように移動体１が測定点Ａｎを順次移動し、垂直成分エッジ５の方向を算出し投票動作を繰り返し行うと、ＸＹ平面上では丸で示したＰ１からＰ５のような場所に投票が集中する。これらの場所は図７において一点差線で示すように、実際には柱３、壁４などの垂直成分エッジ５が存在する位置に相当するため、ＸＹ平面上から投票が集中する位置Ｐｎを求める（ステップＳＴ９）ことで、エッジマップを自動的に作成する（ステップＳＴ１０）ことが可能となる。
実作業時においては、第１実施例と同様に、移動体１上の全方位カメラ２で撮像し（ステップＳＴ２１）、その画像をパノラマ変換（ステップＳＴ２２）後、垂直成分エッジ５抽出（ステップＳＴ２３）、垂直成分エッジ５の方向算出の処理（ステップＳＴ２４）を経て、算出した複数の垂直成分エッジ５の方向で実際の垂直成分エッジが観測されうる移動体１の位置、姿勢を、事前に作成、記憶したエッジマップから探索する（ステップＳＴ２５）ことで移動体１の現在位置及び姿勢を認識する（ステップＳＴ２６）ことができる。

以上述べたように、本発明の第１実施例、第２実施例に係る移動体の自己位置同定装置および移動体の自己位置同定方法は、移動体１に備えた全方位カメラ２による撮像画像から周囲の柱や壁などの垂直成分エッジ８の方向を算出し、記憶したエッジマップ上から算出された方向でエッジが観測される位置及び姿勢を探索することで、移動体１の自己位置同定を行う構成としているので、特別な構造体、マーカ等を設置しなくても走行経路周辺の壁や柱などの垂直成分のエッジを検出することで移動体１の自己位置の同定ができ、移動体１を自動走行させるために必要となる設備や保守の費用、労力を大きく節減することができる。

本発明は、自律走行が可能なロボット装置などあらゆる移動体に適用が可能である。

本発明の第１実施例を示す自己位置同定装置の構成図 本発明の第１実施例を示す自己位置同定装置の説明図 本発明の第１実施例を示す自己位置同定装置の処理手順のフローチャート 本発明の第１実施例を示すエッジマップの説明図 本発明の第１実施例を示すパノラマ変換後の画像データの説明図 本発明の第２実施例を示す自己位置同定装置の処理手順のフローチャート 本発明の第２実施例を示すＸＹ平面への投票の説明図

符号の説明

１ 移動体
２ 全方位カメラ
３ データ入力部
４ コンピュータ
５ エッジマップ記憶部
６ エッジ検出部
７ 演算部
８ 垂直成分エッジ
９ 柱
１０ 壁

Claims (3)

1. 移動体（１）の位置および姿勢を同定する自己位置同定装置において、
   前記移動体（１）に備えた全方位カメラ（２）と、
   周囲のエッジ位置情報を入力するデータ入力部（３）と、
   前記データ入力部（３）を介して前記エッジ位置情報を入力するコンピュータ（４）を備え、
   前記コンピュータ（４）は、前記エッジ位置情報を記憶するエッジマップ記憶部（５）と、
   前記全方位カメラ（２）からの視覚情報に基づきエッジを検出するエッジ検出部（６）と、
   前記エッジ検出部（６）からのエッジ情報に基づき移動体（１）の位置、姿勢を同定する演算部（７）と、から構成されたことを特徴とする移動体の自己位置同定装置。
2. 移動体（１）の位置および姿勢を同定する自己位置同定装置において、
   前記移動体（１）に備えた全方位カメラ（２）と、
   周囲のエッジ位置情報を入力するデータ入力部（３）と、
   前記データ入力部（３）を介して前記エッジ位置情報を入力するコンピュータ（４）を備える構成とし、
   コンピュータ（４）に入力されている柱、壁などの垂直成分エッジ（８）のある位置情報に基づきエッジマップを作成記憶するステップ（ＳＴ１１、１２）と、
   前記移動体（１）に搭載された前記全方位カメラ（２）からの画像に基づき、前記柱、壁などの垂直成分エッジ（８）のある方向を抽出するステップ（ＳＴ２１〜２４）と、
   前記抽出された方向に垂直成分エッジ（８）が観測される前記移動体（１）の位置及び姿勢を、前記エッジマップから探索することで自己位置を同定するステップ（ＳＴ２５、２６）と、を備えたことを特徴とする移動体の自己位置同定方法。
3. 移動体（１）の位置および姿勢を同定する自己位置同定装置において、
   前記移動体（１）に備えた全方位カメラ（２）と、
   周囲のエッジ位置情報を処理するコンピュータ（４）を備える構成とし、
   移動体（１）の位置姿勢が既知となる複数箇所の測定ポイントにおいて前記移動体（１）に搭載された前記全方位カメラ（２）からの画像に基づき、柱、壁などの垂直成分エッジ（８）のある方向を順次抽出することで得られるエッジマップを自動的に作成記憶するステップ（ＳＴ２〜１０）と、
   前記移動体（１）に搭載された前記全方位カメラ（２）からの画像に基づき、前記柱、壁などの垂直成分エッジ（８）のある方向を抽出するステップ（ＳＴ２１〜２４）と、
   前記抽出された方向に垂直成分エッジ（８）が観測される前記移動体（１）の位置及び姿勢を、前記エッジマップから探索することで自己位置を同定するステップ（ＳＴ２５、２６）と、を備えたことを特徴とする移動体の自己位置同定方法。

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