JP2006215860A

JP2006215860A - 自律走行装置

Info

Publication number: JP2006215860A
Application number: JP2005028735A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Koda; 哲也甲田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】部屋の床条件、家具配置条件などに関係なく、また部屋の構成に関係なく、走行装置本体を安定して走行することができる自律走行装置を提供することを目的とする。
【解決手段】走行装置本体２に設置してその位置を測定する位置センサ１と、位置センサ１より走行装置本体２の位置を推定する位置推定手段３と、位置推定手段３から走行装置本体２が走行する場所のマップを記憶する推定マップ記憶手段４と、推定マップ記憶手段４の記憶するマップに基づき走行装置本体２の走行制御を行う走行制御手段５とを備えたものである。これによって、走行装置本体２が走行した位置情報のみで部屋のマップを作成し、マップに従って走行装置本体２の走行制御を行うので、部屋の床条件、家具配置条件に関係なく、また、部屋の構成に関係なく、走行装置本体２を安定して走行することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マップを参照して自律走行する自律走行装置に関するものである。

従来、位置センサによる位置情報を用いて走行装置本体が走行する部屋のマップを作成し、このマップを参照して走行装置本体が任意の場所へ移動して、掃除などの仕事の実現を行うようにした自律走行装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−１４８５７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、走行装置本体が移動する床条件（例えば、絨毯、フローリングなど）によっては、走行装置本体が絨毯の目方向に流されたり、フローリングによって走行装置本体の車輪が滑ったりすることにより、実際の走行距離と走行装置本体が測定した走行距離が異なってくることが考えられる。そこで、マップのずれを生じさせる要因の定性量（例えば、絨毯目による流され量、位置センサが測定した距離と実際の距離の誤差）を測定し、マップを補正している。しかし、マップのずれを生じさせる要因の定性量は、走行装置本体の走行方向、走行速度、部屋の湿度、温度などの条件により異なるため、補正を行ったマップの再現性が保障できないという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、部屋の床条件、家具配置条件などに関係なく、また部屋の構成に関係なく、走行装置本体を安定して走行することができる自律走行装置を提供することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の自律走行装置は、走行装置本体に設置してその位置を測定する位置センサと、前記位置センサより走行装置本体の位置を推定する位置推定手段と、前記位置推定手段から走行装置本体が走行する場所のマップを記憶する推定マップ記憶手段と、前記推定マップ記憶手段の記憶するマップに基づき走行装置本体の走行制御を行う走行制御手段とを備えたものである。

これによって、走行装置本体が走行した位置情報のみで部屋のマップを作成し、マップに従って走行装置本体の走行制御を行うので、部屋の床条件、家具配置条件に関係なく、また、部屋の構成に関係なく、走行装置本体を安定して走行することができる。

本発明の自律走行装置は、部屋の床条件、家具配置条件に関係なく、また部屋の構成に関係なく、走行装置本体を安定して走行することができる。

第１の発明は、走行装置本体に設置してその位置を測定する位置センサと、前記位置センサより走行装置本体の位置を推定する位置推定手段と、前記位置推定手段から走行装置本体が走行する場所のマップを記憶する推定マップ記憶手段と、前記推定マップ記憶手段の記憶するマップに基づき走行装置本体の走行制御を行う走行制御手段とを備えた自律走行装置とすることにより、走行装置本体が走行した位置情報のみで部屋のマップを作成し、マップに従って走行装置本体の走行制御を行うので、部屋の床条件、家具配置条件に関係なく、また部屋の構成に関係なく、走行装置本体を安定して走行することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、位置推定手段が記憶する走行装置本体の推定位置と、推定マップ記憶手段が記憶するマップとを入力として走行装置本体のマップ上の位置を補正する推定マップ補正手段を備えたことにより、実際の部屋構成とマップが描く部屋構成を一致させることができ、より安定した走行装置本体の走行制御を行うことができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、走行装置本体の走行目的を記憶する走行目的記憶手段を備え、この走行目的記憶手段からの入力に基づき走行制御手段は、走行目的を達成するよう走行制御を行う構成としたことにより、例えば、部屋の端だけを掃除する目的を達成する場合は、そのために必要なマップの補正を行うだけで良く、無駄な場所の補正を行う必要がないので、より効率の良いマップの作成を行うことができる。

第４の発明は、特に、第２または第３の発明において、走行装置本体のマップ上の所定位置を記憶する所定位置記憶手段を備え、推定マップ補正手段は、位置推定手段による走行装置本体の位置が所定位置記憶手段の記憶する所定位置にある場合のみ、走行装置本体のマップ上の位置を補正する構成としたことにより、補正の効果が大きい所定位置記憶手段が記憶する所定位置のみで補正を行うだけで、マップの補正を行うことができるので、より効率のよりマップの作成を行うことができる。

第５の発明は、特に、第２〜第４のいずれか１つの発明において、走行装置本体が走行する部屋を周回する回数を記憶する周回回数記憶手段を備え、推定マップ補正手段は、周回回数記憶手段が記憶する周回回数以上に周回したとき、走行装置本体のマップ上の位置を補正する構成としたことにより、部屋を周回走行し部屋の形状が分かった状態でマップの補正を行うので、より正確なマップの補正を行うことができる。

第６の発明は、特に、第２〜第５のいずれか１つの発明において、走行装置本体のマップ上の位置を補正する補正時間を記憶する補正時間記憶手段を備え、推定マップ補正手段は、補正時間記憶手段が記憶する補正時間以上、走行装置本体が走行したとき、走行装置本体のマップ上の位置を補正する構成としたことにより、一定以上の時間を経過した後は補正を必ず行うので、常に安定したマップの補正を行うことができる。

第７の発明は、特に、第２〜第６のいずれか１つの発明において、走行装置本体のマップ上の位置を補正する補正設定条件を記憶する補正設定条件記憶手段を備え、推定マップ補正手段は、補正設定条件記憶手段が記憶する補正設定条件を満たしたとき、走行装置本体のマップ上の位置を補正する構成としたことにより、補正を行う場所、時間、周回数またはこれらの組合せなどの補正設定条件でマップの補正を行うものである。そして、この補正は走行装置本体の速度、部屋の家具配置などの補正に関わる条件を知った上で行うことができるため、マップの補正はより正確に行うことができる。

第８の発明は、特に、第２〜第７のいずれか１つの発明において、走行装置本体のマップ上の位置を補正する２つ以上の設定補正距離を記憶する設定補正距離記憶手段を備え、推定マップ補正手段は、設定補正距離記憶手段が記憶する２つ以上の設定補正距離が設定補正距離以下になったとき、走行装置本体のマップ上の位置を補正する構成としたことにより、走行装置本体で使用される距離センサの精度が保障される２つ以上の設定補正距離以下である場合、つまり、走行装置本体の部屋の中における位置を正確に測定することができる場合に補正を行うので、より正確なマップの補正を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１〜図６は、本発明の実施の形態１における自律走行装置を示すものである。

図１に示すように、本実施の形態における自律走行装置は、走行装置本体２に設置してその位置を測定する位置センサ１と、位置センサ１より走行装置本体２の位置を推定する位置推定手段３と、位置推定手段３から走行装置本体２が走行する場所のマップを記憶する推定マップ記憶手段４と、推定マップ記憶手段４の記憶するマップに基づき走行装置本体２の走行制御を行う走行制御手段５とを備えている。

前記位置センサ１は、部屋の壁と走行装置本体２の距離、障害物との距離、走行装置本体２の走行距離などを測定し、位置センサ情報として出力するものである。位置推定手段３は、位置センサ１による位置センサ情報による走行装置本体２の走行距離、走行方向、部屋の壁、障害物までの位置から走行装置本体２の位置を推定する。推定マップ記憶手段４は、位置推定手段３からの推定位置から走行する部屋のマップを推定して、マップとして出力する。走行制御手段５は、走行手段の一部を構成するモータ７を駆動制御するものであり、推定マップ記憶手段４が記憶するマップを参照にしながら、モータ７へ走行制御信号を出力するものである。

さらに、本実施の形態における自律走行装置は、走行装置本体２の走行目的を記憶する走行目的記憶手段６と、走行装置本体２のマップ上の位置を補正する補正時間（走行開始を基準時間としてそれからの所定時間）を記憶する補正時間記憶手段８と、補正時間記憶手段８が記憶する補正時間と、走行時間測定手段１０の走行開始後の経過時間である走行時間を比較して、マップの補正を行うかどうかの判定を行い第一の補正信号として出力する補正時間判定手段９と、走行装置本体２のマップ上の所定位置を記憶する所定位置記憶手段１１と、所定位置記憶手段１１が記憶するマップの補正を行う所定位置と推定マップ記憶手段４が記憶する走行装置本体２の位置を比較して、マップの補正を行うかどうかを判定して、第二の補正信号として出力する所定位置判定手段１２と、補正時間判定手段９による第一の補正信号と所定位置判定手段１２による第二の補正信号を入力として、補正を行う必要があるときは、位置推定手段３による推定位置と推定マップ記憶手段４が記憶するマップとを入力として、位置補正信号を推定マップ記憶手段４に出力する推定マップ補正手段１３とを備えている。

上記構成により、本実施の形態における自律走行装置は、走行目的記憶手段６からの入力に基づき走行制御手段５は、走行目的を達成するよう走行制御を行う。推定マップ補正手段１３は、位置推定手段３による走行装置本体２の位置が所定位置記憶手段１１の記憶する所定位置にある場合のみ、走行装置本体２のマップ上の位置を補正し、また、補正時間記憶手段８が記憶する補正時間以上、走行装置本体２が走行したとき、走行装置本体２のマップ上の位置を補正するものである。

次に、図２に基づき本実施の形態における自律走行装置の動作について説明する。

図２（ａ）に示すように、絨毯が敷かれている部屋で走行装置本体２を走行すると、絨毯の目の方向（矢印で示す左から右方向）に流されるため点線で示すように走行する。しかし、走行装置本体２は絨毯目で流されているのがわからず、真っ直ぐに走行していると考えているために、走行装置本体２が描く部屋構成は、図２（ｂ）となることがわかる。この図２（ｂ）に示すように、走行装置本体２が走行することで認識した地図を推定マップとして定義する。

マップは走行装置本体２が次に走行する場合でも使用できるマップであり、そのマップを参照することにより自分が現在どこの位置いるのか、終了する場所はどこなのかなど走行装置本体２が走行する上で必要な情報を知ることができる。ここで、走行装置本体２を用いて実際の部屋のマップを正確に描こうとすると、絨毯目で流される量、床ですべる量など様々なことをセンサで測定し、補正量を計算する必要があり、そのために必要なコスト、時間は莫大である。

しかし、例えば、右隅に行く、定地点に行くなどの簡単な移動、作業は、図２（ｂ）のマップで十分であり、実際の部屋のマップを作成する必要がない。つまり、簡単な作業を行う走行装置本体２は図２（ｂ）のようなマップを作成することにより、時間、コストの大幅な削減を実現することができる。また、床条件、部屋の構成に関係なく、走行装置本体２が走行した状態をそのままマップ化しているので、走行装置本体２にとって信頼性が高いマップを提供することができる。このように、推定マップ記憶手段４は、位置推定手段３による走行装置本体２の推定位置から上記の推定マップを作成するものである。

次に、図３に基づき走行制御手段５の動作について説明する。

図３は、走行目的としては部屋の隅の掃除とＡ地点へ移動の場合における走行装置本体２の移動軌跡を示したものである。この図から理解できるように、掃除では部屋の周囲の座標、Ａ地点への移動ではＡ地点と現在地の座標の関係が分かればよい。そこで、走行目的が掃除の場合では、部屋の隅の座標を中心にマップを作成し、その他の座標は厳密に求める必要がない。また、走行目的がＡ地点への移動の場合では、Ａ地点の座標と現在地の座標を中心にマップを作成すればよい。このように、走行目的記憶手段６が記憶する走行目的に即したマップを作成することで、よりマップの単純化、作成時間の短縮化を図ることができる。

次に、図４に基づきマップの補正について説明する。

図２にて説明したように、走行装置本体２が走行することで認識したデータをもとにしてマップを作成する。しかし、マップを使用して走行装置本体２が走行するためには、走行装置本体２が測定する走行距離と実際の長さを一致させる必要がある。

図４に示すように、まず、Ｂ地点で前方方向の基準壁までの距離Ｘ１ｃｍを測定する。次に、前方方向に走行装置本体２が認識する走行距離ΔＹｃｍ前進し、Ｃ地点で前方方向の基準壁までの距離Ｘ２ｃｍを測定する。

もし、走行装置本体２が正確に距離を測定することができるならば、走行距離ΔＹと実際の移動距離ΔＸ＝Ｘ１−Ｘ２は下記の方程式を満たす。

ΔＹ＝ΔＸ（＝Ｘ１−Ｘ２）
上記等式が成り立たない場合は、一例にて示すように下記方程式に従って走行装置本体２の走行距離ΔＹを補正する。

ΔＹ←α・ΔＹ（ただし、補正関数α＝ΔＸ／ΔＹ）
上記数式に基づいて走行装置本体２の走行距離を補正することにより、距離が正確なマップを作成することができるので、再現性がより向上した正確で精密なマップを作成することができる。

推定マップ補正手段１３は、走行装置本体２に設置された位置センサ１を用いることにより、一例にて上記で示したように走行距離の補正関数αを計算し、推定マップ記憶手段４へ補正関数αを出力する。推定マップ記憶手段４は、推定マップ補正手段１３の補正関数αが入力されると、図５に示すように座標方向への拡大、縮小を行うことでマップの補正を行う。なお、上記で示したマップの補正方法は一例であり、その他の方法は存在する。要はマップが補正できれば良いのであって、その方法は問わない。

次に、図６に基づき所定位置判定手段１２の動作について説明する。

補正関数αは図４で示した方法により求めることができるが、より正確な距離Ｘ１、Ｘ２を測定するためには、走行装置本体２が基準壁に対して垂直に、かつ、真っ直ぐに走行した方が良い。

そこで、図６に示すように、前方方向の基準壁に垂直な右壁沿いに一定距離Ｚｃｍで走行するようにする。この方法によると、基準となる前方方向の基準壁に対して垂直に、かつ、真っ直ぐに走行することができるため、より正確な補正関数αを計算することができる。所定位置判定手段１２は、一例として図５に示す部屋の角などの所定位置記憶手段１１が記憶する所定位置に走行装置本体２が到達したかどうかを判定する。走行装置本体２が所定位置に到達したと判断すると、第二の補正信号を出力して、マップの補正を行う。

また、補正時間判定手段９は、長時間走行による走行距離のずれを防止するために、走行時間測定手段１０で測定する走行時間が、補正時間記憶手段８が記憶する時間になるごとに、上記工程を行うことにより、マップの補正を行うものである。

このように、本実施の形態においては、走行装置本体に設置してその位置を測定する位置センサと、前記位置センサより走行装置本体の位置を推定する位置推定手段と、前記位置推定手段から走行装置本体が走行する場所のマップを記憶する推定マップ記憶手段と、前記推定マップ記憶手段の記憶するマップに基づき走行装置本体の走行制御を行う走行制御手段とを備えた自律走行装置とすることにより、走行装置本体が走行した位置情報のみで部屋のマップを作成し、マップに従って走行装置本体の走行制御を行うので、部屋の床条件、家具配置条件に関係なく、また部屋の構成に関係なく、走行装置本体を安定して走行することができる。すなわち、走行装置本体が走行して作成したマップと実際の部屋の構成、家具配置を示す実マップは異なるものとして容認し、補正を行わず走行装置本体が作成したマップに基づいて走行装置本体の制御を行うものである。このように、マップの補正を行わないので、マップの再現性が保障でき、補正の計算時間が不要で素速い対応が可能である。同時にセンサの数が削減できコストダウンもはかれるものである。

また、位置推定手段が記憶する走行装置本体の推定位置と、推定マップ記憶手段が記憶するマップとを入力として走行装置本体のマップ上の位置を補正する推定マップ補正手段を備えたことにより、実際の部屋構成とマップが描く部屋構成を一致させることができ、より安定した走行装置本体の走行制御を行うことができる。

また、走行装置本体の走行目的を記憶する走行目的記憶手段を備え、この走行目的記憶手段からの入力に基づき走行制御手段は、走行目的を達成するよう走行制御を行う構成としたことにより、例えば、部屋の端だけを掃除する目的を達成する場合は、そのために必要なマップの補正を行うだけで良く、無駄な場所の補正を行う必要がないので、より効率の良いマップの作成を行うことができる。

また、走行装置本体のマップ上の所定位置を記憶する所定位置記憶手段を備え、推定マップ補正手段は、位置推定手段による走行装置本体の位置が所定位置記憶手段の記憶する所定位置にある場合のみ、走行装置本体のマップ上の位置を補正する構成としたことにより、補正の効果が大きい所定位置記憶手段が記憶する所定位置のみで補正を行うだけで、マップの補正を行うことができるので、より効率のよりマップの作成を行うことができる。

また、走行装置本体のマップ上の位置を補正する補正時間を記憶する補正時間記憶手段を備え、推定マップ補正手段は、補正時間記憶手段が記憶する補正時間以上、走行装置本体が走行したとき、走行装置本体のマップ上の位置を補正する構成としたことにより、一定以上の時間を経過した後は補正を必ず行うので、常に安定したマップの補正を行うことができる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における自律走行装置を示すものである。実施の形態１と同一要素については同一符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態における自律走行装置と実施の形態１との相違点は、実施の形態１の構成に加え、走行装置本体２が走行する部屋を周回する回数を記憶する周回回数記憶手段１４と、走行装置本体２のマップ上の位置を補正する補正設定条件を記憶する補正設定条件記憶手段１５と、走行装置本体２のマップ上の位置を補正する２つ以上の設定補正距離を記憶する設定補正距離記憶手段１６とを備えていることである。

そして、推定マップ補正手段１３は、周回回数記憶手段１４が記憶する周回回数以上に周回したとき、走行装置本体２のマップ上の位置を補正することにより、部屋を周回走行し部屋の形状が分かった状態でマップの補正を行うので、より正確なマップの補正を行うことができる。また、推定マップ補正手段１３は、補正設定条件記憶手段１５が記憶する補正設定条件を満たしたとき、走行装置本体２のマップ上の位置を補正することにより、補正を行う場所、時間、周回数またはこれらの組合せなどの補正設定条件でマップの補正を行うものである。この補正は走行装置本体２の速度、部屋の家具配置などの補正に関わる条件を知った上で行うことができるため、マップの補正はより正確に行うことができる。さらに、推定マップ補正手段１３は、設定補正距離記憶手段１６が記憶する２つ以上の設定補正距離が設定補正距離以下になったとき、走行装置本体２のマップ上の位置を補正することにより、走行装置本体２で使用される距離センサの精度が保障される２つ以上の設定補正距離以下である場合、つまり、走行装置本体２の部屋の中における位置を正確に測定することができる場合に補正を行うので、より正確なマップの補正を行うことができるものである。

なお、各実施の形態１、２における各記憶手段６、８、１１、１４〜１６は全てを備えていても良いが、そのいずれかの組合せ、あるいはいずれかの手段の単独使用であっても良く、必要に応じて適宜実施することができるものである。

以上のように、本発明にかかる自律走行装置は、マップを参照に走行することにより走行目的を達成するものであり、掃除ロボット、カメラ搭載ロボット、芝刈りロボットなどの家庭ロボットの用途にも適応できる。

本発明の実施の形態１における自律走行装置を示すブロック図同自律走行装置における推定マップ記憶手段の動作を示す図同自律走行装置における走行目的記憶手段の動作を示す図同自律走行装置における推定マップ補正手段の動作一例を示す図同自律走行装置における推定マップ補正手段の動作他例を示す図同自律走行装置における所定位置判定手段の動作を示す図本発明の実施の形態２における自律走行装置の要部を示すブロック図

符号の説明

１位置センサ
２走行装置本体
３位置推定手段
４推定マップ記憶手段
５走行制御手段
６走行目的記憶手段
７モータ
８補正時間記憶手段
９補正時間判定手段
１０走行時間測定手段
１１所定位置記憶手段
１２所定位置判定手段
１３推定マップ補正手段
１４周回回数記憶手段
１５補正設定条件記憶手段
１６設定補正距離記憶手段

Claims

走行装置本体に設置してその位置を測定する位置センサと、前記位置センサより走行装置本体の位置を推定する位置推定手段と、前記位置推定手段から走行装置本体が走行する場所のマップを記憶する推定マップ記憶手段と、前記推定マップ記憶手段の記憶するマップに基づき走行装置本体の走行制御を行う走行制御手段とを備えた自律走行装置。
位置推定手段が記憶する走行装置本体の推定位置と、推定マップ記憶手段が記憶するマップとを入力として走行装置本体のマップ上の位置を補正する推定マップ補正手段を備えた請求項１に記載の自律走行装置。
走行装置本体の走行目的を記憶する走行目的記憶手段を備え、この走行目的記憶手段からの入力に基づき走行制御手段は、走行目的を達成するよう走行制御を行う構成とした請求項１または２に記載の自律走行装置。
走行装置本体のマップ上の所定位置を記憶する所定位置記憶手段を備え、推定マップ補正手段は、位置推定手段による走行装置本体の位置が所定位置記憶手段の記憶する所定位置にある場合のみ、走行装置本体のマップ上の位置を補正する構成とした請求項２または３に記載の自律走行装置。
走行装置本体が走行する部屋を周回する回数を記憶する周回回数記憶手段を備え、推定マップ補正手段は、周回回数記憶手段が記憶する周回回数以上に周回したとき、走行装置本体のマップ上の位置を補正する構成とした請求項２〜４のいずれか１項に記載の自律走行装置。
走行装置本体のマップ上の位置を補正する補正時間を記憶する補正時間記憶手段を備え、推定マップ補正手段は、補正時間記憶手段が記憶する補正時間以上、走行装置本体が走行したとき、走行装置本体のマップ上の位置を補正する構成とした請求項２〜５のいずれか１項に記載の自律走行装置。
走行装置本体のマップ上の位置を補正する補正設定条件を記憶する補正設定条件記憶手段を備え、推定マップ補正手段は、補正設定条件記憶手段が記憶する補正設定条件を満たしたとき、走行装置本体のマップ上の位置を補正する構成とした請求項２〜６のいずれか１項に記載の自律走行装置。
走行装置本体のマップ上の位置を補正する２つ以上の設定補正距離を記憶する設定補正距離記憶手段を備え、推定マップ補正手段は、設定補正距離記憶手段が記憶する２つ以上の設定補正距離が設定補正距離以下になったとき、走行装置本体のマップ上の位置を補正する構成とした請求項２〜７のいずれか１項に記載の自律走行装置。