JP2006236148A - 移動機械 - Google Patents

Abstract

【課題】移動機械において、複数のセンサと機械の走行制御部との間に演算機能を持ったシリアルハブを用いることで、走行制御部でのデータ処理の負担を軽減して、大容量のデータをリアルタイムで能率良く処理する。
【解決手段】同等の演算装置を待つ複数のセンサ２と、これらセンサ２による検出情報をもとに障害物を回避しつつ自律走行するロボット制御部２０と、イベント駆動型プログラムに従ってコマンドを出力して各ポートに接続されたセンサ２等を制御するシリアルハブ１０とを備え、シリアルハブ１０は、センサ２を特定条件で駆動制御して検出信号を受信すると共に、検出信号に基づくデータをロボット制御部２０に送信する。これにより、センサ同士の互換性があり、センサを効率良く制御できると共に、ロボット制御部２０の負担を軽減できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、機械本体の周囲にある障害物を領域毎に検出する複数のセンサによる検出情報をもとに機械本体を走行制御する移動機械に関する。

従来から、障害物検出センサを用いた自律移動ロボットに代表される移動機械がある。この種の移動機械において、障害物を回避するため、センサからの信号はリアルタイムで処理される必要がある。しかしながら、この種の移動機械は、一般に障害物の３次元位置を計測するセンサを複数備えているので、処理すべきデータ量が多く、演算装置に負担がかかっていた。

そこで、データ処理を能率的に行えるようにするために各種の改善が成されている。例えば、計測された障害物の３次元座標から予め分かっている固定障害物を除いて識別対象を単純化する障害物検出プログラムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、センサの接続に関して、図９（ａ）に示すように、自律移動ロボット（ロボツト制御部）１００に複数の障害物検知センサ１、２、・・ｎを並列に接続したものがあるが（１対ｎ接続）、この場合、ロボット制御部は多くのポートを必要とし、処理の負荷も大きい。

また、図９（ｂ）に示すように、複数の障害物検知センサ１、２、・・ｎをカスケード接続したディジーチェーン構成のものがあるが、上位のセンサ（ロボット制御部に近いセンサ）の負荷が多くなる。
特開２００４−３２６２６４公報

本発明は、上記問題を解消するために成されたものであり、複数のセンサと機械の走行制御部（ロボット制御部）との間に演算機能を持ったシリアルハブを用いることで、走行制御部でのデータ処理の負担を軽減して、大容量のデータをリアルタイムで能率良く処理することができ、障害物を的確に回避可能な移動機械を提供することを目的とする。

上述目的を達成するため、請求項１の発明は、機械本体の周囲にある障害物を領域毎に検出する複数のセンサと、これらのセンサによる検出情報をもとに機械本体の走行を制御する走行制御手段とを備えた移動機械において、複数のポートと共通ポートとを有し、イベント駆動型プログラムに従ってコマンドを出力して前記各ポートに接続された機器を制御するシリアルハブを備え、前記複数のセンサが前記複数のポートの各々に接続され、前記走行制御手段が前記共通ポートに接続されており、前記シリアルハブは、前記複数のポートに各々接続されたセンサを特定条件で駆動制御して各センサからの検出信号を受信すると共に、該検出信号に基づくデータを前記走行制御手段に送信するものである。

請求項２の発明は、前記複数のセンサの各々は前記シリアルハブの複数のポートに直接接続されるものである。

請求項３の発明は、前記シリアルハブのポートに各々接続されたセンサには、該ポート番号によって決定されるＩＤが付与され、前記シリアルハブのポート番号と前記センサの移動機械に対する取付け位置は対応付けられ、前記走行制御手段に記憶されているものである。

請求項４の発明は、前記シリアルハブが初期化されるときに前記センサも初期化され、前記シリアルハブから前記センサにＩＤが通知されるものである。

請求項５の発明は、前記センサの演算装置は、通知されたＩＤに応じたセンサの制御プログラム又はパラメータを起動するものである。

請求項６の発明は、前記センサは、前記シリアルハブからのトリガー信号で駆動され、前記シリアルハブが前記センサ間の同期をとって各センサの駆動を時間制御するものである。

請求項７の発明は、前記シリアルハブが前記センサにトリガー信号を送信した後、ある一定時間が経過しても計測結果の応答がなく、しかも故障通知のメッセージがないときは、前記センサの演算装置の故障と判断して、前記シリアルハブは前記走行制御手段に故障したセンサのＩＤを通知するものである。

請求項８の発明は、前記シリアルハブは、前記センサから出力されたＸ、Ｙ、Ｚ座標を含む３次元座標のデータを、特定の２次元座標に変換して前記走行制御手段に出力するものである。

請求項９の発明は、前記シリアルハブは、前記センサからの検出信号に基づく２次元座標データ又は３次元画像データを可視化するための表示手段を備えたものである。

請求項１の発明によれば、シリアルハブが、その複数のポートに各々接続されたセンサを特定条件で駆動制御して各センサからの検出信号を受信すると共に、該検出信号に基づくデータを走行制御手段に送信するので、データ処理負担を可及的に軽減するなどして障害物の距離と方向を能率的に認識し、リアルタイムに障害物を回避することが可能となる。

請求項２の発明によれば、走行制御手段の負荷を小さくでき、センサを効率良く制御できる。
請求項３の発明によれば、センサ同士に互換性があり、プログラムは同じものにできる。
請求項４の発明によれば、センサでＩＤを管理する必要がなくなり、センサ同士で互換性ができる。
請求項５の発明によれば、全てのセンサプログラムを同じにできる。
請求項６の発明によれば、簡単にセンサ間で同期を取って駆動させることができる。
請求項７の発明によれば、ハブの演算装置が故障したとき、移動機械が即停止し、安全性が高まる。
請求項８の発明によれば、データサイズが小さくなり、走行制御手段が高速にデータ処理を行え、的確な障害物回避動作が可能となる。
請求項９の発明によれば、プログラムのデバック時に、障害物認識を可視化でき、デバックが効率的に行えるようになる。

以下、本発明の一実施形態に係る移動機械について図面を参照して説明する。図１は、移動機械が障害物を検知する様子を示し、図２は移動機械のセンサ配置を示している。移動機械１は、ここでは自律移動ロボットであり、例えば機械の周囲に複数配置された超音波センサ２により周囲１ｍ以内のエリアに超音波を放射しながら走行し、超音波センサ２の情報から環境情報（例えば、障害物の有無、ゴールの位置など）を判断し、環境に応じて自動的に障害物を回避しつつ走行する。超音波センサ２としては、例えば、検知角度が水平±４５°、垂直±４５°、角度分解能が５°、検知距離が０．１ｍ〜１ｍ、距離分解能が０．０５ｍ、検知インターバルが５０ｍｓのものを使用する。図１の例では、移動機械１は、走行方向前方に、通行人４１や手すり４２までの距離と方向を検知し、これら各障害物に当たらないように走行する。

移動機械１は、自律移動ロボット以外にも自動走行車（ＡＧＶ）などにも適用できる。障害物を検知するための超音波センサ２は、一種の位置検出センサであり、この位置検出センサは、物体のＸＹＺ座標（Ｘ:水平、Ｙ：垂直、Ｚ：距離）を出力するもので、超音波方式の他に、光学方式の距離画像センサなどが適用可能である。これらのセンサは、走行制御部（ロボット制御部）と接続される。以下では、超音波センサを例に説明する。この超音波センサの送波素子は、熱励起式超音波音源であり、空気中で残響のないインパルスを送波できるため、高い空間分解能を持つ。送波素子が放射した音波は、物体に反射して、受波素子で受波される。受波素子は、小型のコンデンサマイクロフォンをアレイ化しており、音響信号の素子間の位相差から、物体の距離（Ｚ方向）と方向（Ｘ，Ｙ方向）をリアルタイムに検知できる。このセンサは、物体のＸ，Ｙ，Ｚ座標（物体が複数ある場合は、複数の座標）を出力する。データ出力は、ＥＩＡ-２３２Ｅで行った。

超音波センサ２は、図２に示したように、移動機械１の全周に、例えば、前面に２個、両側面に各２個、後面に２個（合計８個）を配置し、それぞれ、センサＮｏ．０、Ｎｏ．１、・・・Ｎｏ．７と番号付ける。各センサの視野領域Ｓ（破線で示す）は、互いの干渉度合いが少なくなり、かつ効率的に障害物を検出し得る形状としている。

図３は、本実施形態に係る移動機械１における複数のセンサ２とロボット制御部（走行制御手段）２０の信号系を示す。センサ２とロボット制御部２０との間には、シリアルハブ１０が配置されている。このシリアルハブ１０は、複数のセンサ２の各々と接続可能なＥＩＡ−２３２Ｅのポート１２を８個、ロボット制御部２０と通信するＥＩＡ−２３２Ｅ（シリアルインターフェイス）のポート１３（共通ポート）を１個持つものとし、イベント駆動型プログラムに従ってコマンドを出力して各ポートに接続された機器を制御するものである。各センサ２は、それぞれ同等のＣＰＵ（演算装置）を内蔵し、全て同じプログラムを持たせている。ロボット制御部２０は、シリアルハブ１０から送信を受けた障害物データに基いて走行を制御する。

ポート１２は、Ｎｏ．０〜７まであり、それぞれセンサがＥＩＡ−２３２Ｅでもって直接に接続される。ポート０に接続されるセンサは、図２に示したセンサＮｏ．０の位置のセンサとし、以下、同様である。ＥＩＡ−２３２Ｅに代えて、ＵＳＢやインサーネット接続でも構わない。シリアルハブ１０は、Ｎｏ．０のセンサのＣＰＵにＩＤ番号０を付与する。ＩＤを付与するタイミングは、シリアルハブ１０の立上げ時（ロボットの立上げ時）、又はシリアルハブ１０が初期化されたときとする。

複数のセンサ２は、付与されたＩＤに応じて、異なるパラメータやプログラムのモジュールをロードするものとする。センサのＮｏ（ロボットのセンサ位置）によって、±４５°の検知角度を、例えば、−３０°〜４５°にすることができる。すなわち、シリアルハブ１０は、各ポート１２に接続されたセンサ２を特定条件で駆動制御して各センサ２からの検出信号を受信することができるものとされている。

シリアルハブ１０は、ＶＧＡ等のインターフェイス（Ｉ／Ｆ）１４を持ち、表示手段を構築可能としている。この表示手段があることで、モニタ３０を接続可能で、このモニタ３０に、２次元座標データ又は３次元画像データを可視化できるようにしている。これにより、シリアルハブ１０のデバックを効率的に行うことができる。シリアルハブ１０から無線モジュールにより外部にデータを出力して、そのデータを受信したパーソナルコンピュータ等のディスプレイで表示する方式としてもよい。

図４は、シリアルハブ１０におけるコマンドによるイベント動作処理を示す。（ａ）は、通常シーケンス（定期的に発生）、（ｂ）は故障発生（突発的に発生）、（ｃ）はロボットへデータ再送（突発的に発生）、（ｄ）はシリアルハブへデータ再送（突発的に発生）、（ｅ）はセンサＩＤ通知（立上げ時及び初期化時）の処理を示す。図５はシリアルハブ１０からのコマンド一覧を示す。

これらの図に示されるように、シリアルハブ１０による各センサの駆動制御は、シリアルハブ１０からの定期的なコマンド７のトリガー信号で行われる。すなわち、シリアルハブ１０は、どの時間にどのセンサを駆動させるか、センサの駆動間隔や駆動順序などを制御する。

通常シーケンス処理は、図４（ａ）に示されるように、コマンド７のトリガー信号をセンサに送信して、センサ２はコマンド１によりシリアルハブ１０へ座標データを送信する。さらに、シリアルハブ１０は、コマンド２により、受信したデータをロボット制御部２０へ送信する。タイムアウト処理は、図４（ｂ）に示されるように、コマンド７のトリガー信号をセンサに送信して一定時間が経過しても答えが返ってこない場合に、タイムアウトとなり、シリアルハブ１０は、センサが故障していると判断して、センサのＩＤＮｏ．をロボット制御部２０へ通知する。センサＩＤ通知は、図４（ｅ）に示されるように、シリアルハブ１０はコマンド１０によりセンサＩＤをセンサに通知する。

図６はシリアルハブ１０からのセンサ駆動制御コマンド７を示す。同図において、ｉｄ＝０は、ポート０に接続されたセンサＮｏ．０に対するコマンドを、ｉｄ＝１は、ポート１に接続されたセンサＮｏ．１に対するコマンドを、以下、同様である。センサ間で干渉が生じないように適宜の間隔（ここでは５ｍｓ）をおいている。なお、センサ駆動の順番を、相互干渉が生じないように変更することも可能である。

図７（ａ）（ｂ）は、上記表示手段によるモニタ３０での表示内容の例を示す。ある１つのセンサの特定の水平方向±４５°における物体の認識を扇形ビームにリアルタイムに表示したものである。物体を認識したところに点が表示され、この点は、検出インターバルである５０ｍｓごとにリアルタイム更新される。このように表示機能をもたせるここで、センサがどのように物体を認識しているのかを可視化することができる。なお、図７（ａ）は距離０．６ｍ、水平２５°に物体がある場合、（ｂ）は距離０．６ｍ、水平０°に物体がある場合を示している。

図８は、シリアルハブ１０によるセンサ出力座標の加工について説明するものである。センサでの水平方向の検知角９０°を５°ごとに分割すると、９０÷５＋１＝１９分割になる。垂直方向も同じく１９分割になる。距離方向は、０．１ｍ〜１ｍを０．０５ｍ分解能で分割すると、（１−０．１）÷０．０５＝１８分割となる。従って、３次元座標は、１９（Ｘ）×１９（Ｙ）×１８（Ｚ）＝６４９８になる。物体の座標データは、１点につき３Ｗ（ワード）として、３Ｗ×６４９８座標＝１２ｋバイト以上のデータとなる。

シリアルハブ１０は、上記データ量を少なくするため、特定の垂直平面で切り出した２次元平面(０°〜９０°)で水平方向（１９分割）と距離方向（１８分割）のみのデータとするように座標データを変換加工して、ロボット制御部２０に出力する。これにより、データサイズが小さくなり、処理を高速化することができる。なお、このデータ量を少なくする処理は、センサ側のＣＰＵで行ってもよい。

本実施形態のような移動機械１は、センサのメンテナンスのために、センサの交換が適宜に行われるが、各センサ同士が互換性を持つので、センサがどのポート番号位置に取付けられても、シリアルハブ１０よりポート番号に対応したセンサＩＤが付与され、それぞれ固有のセンサ駆動が行われる。従って、メンテナンス性が良い。また、複数のセンサがロボット制御部２０に対してシリアルハブ１０を介して接続されているので、従来のディジーチェーン接続等に比べて、大容量のデータをリアルタイムに処理でき、移動機械１の走行制御が適正に行われる。

本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変形しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、移動機械１の周囲に配置された各センサは、センサＩＤに応じた固有のパラメータによりセンサ駆動することで、可及的に少ないデータ量として、高速で適正な制御を可能とすればよい。

本発明の一実施形態に係る移動機械の障害物検知状況を示す斜視図。 同移動機械のセンサ配置を示す平面図。 同移動機械のセンサ信号系を示す構成図。 同移動機械におけるイベント動作の手順を示す図。 同移動機械におけるシリアルハブのコマンド一覧を示す図。 同シリアルハブによるセンサ駆動のタイムチャート。 同移動機械における表示手段によるモニタ表示例を示す図。 同移動機械におけるセンサの出力座標の加工例を示す図。 （ａ）（ｂ）は、従来のロボット制御部へのセンサ接続例を示す図。

符号の説明

１ 移動機械
２ 超音波センサ
１０ シリアルハブ
１２ ＥＩＡ−２３２Ｅのポート
１３ ＥＩＡ−２３２Ｅのポート（共通ポート）
２０ ロボット制御部（走行制御手段）
３ モニタ

Claims (9)

1. 機械本体の周囲にある障害物を領域毎に検出する複数のセンサと、これらのセンサによる検出情報をもとに機械本体の走行を制御する走行制御手段とを備えた移動機械において、
   複数のポートと共通ポートとを有し、イベント駆動型プログラムに従ってコマンドを出力して前記各ポートに接続された機器を制御するシリアルハブを備え、
   前記複数のセンサが前記複数のポートの各々に接続され、
   前記走行制御手段が前記共通ポートに接続されており、
   前記シリアルハブは、前記複数のポートに各々接続されたセンサを特定条件で駆動制御して各センサからの検出信号を受信すると共に、該検出信号に基づくデータを前記走行制御手段に送信することを特徴とした移動機械。
2. 前記複数のセンサの各々は前記シリアルハブの複数のポートに直接接続されることを特徴とする請求項１に記載の移動機械。
3. 前記シリアルハブのポートに各々接続されたセンサには、該ポート番号によって決定されるＩＤが付与され、
   前記シリアルハブのポート番号と前記センサの移動機械に対する取付け位置は対応付けられ、前記走行制御手段に記憶されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の移動機械。
4. 前記シリアルハブが初期化されるときに前記センサも初期化され、前記シリアルハブから前記センサにＩＤが通知されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の移動機械。
5. 前記センサの演算装置は、通知されたＩＤに応じたセンサの制御プログラム又はパラメータを起動することを特徴とする請求項３に記載の移動機械。
6. 前記センサは、前記シリアルハブからのトリガー信号で駆動され、
   前記シリアルハブが前記センサ間の同期をとって各センサの駆動を時間制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の移動機械。
7. 前記シリアルハブが前記センサにトリガー信号を送信した後、ある一定時間が経過しても計測結果の応答がなく、しかも故障通知のメッセージがないときは、前記センサの演算装置の故障と判断して、前記シリアルハブは前記走行制御手段に故障したセンサのＩＤを通知することを特徴とする請求項１記載の移動機械。
8. 前記シリアルハブは、前記センサから出力されたＸ、Ｙ、Ｚ座標を含む３次元座標のデータを、特定の２次元座標に変換して前記走行制御手段に出力することを特徴とする請求項１記載の移動機械。
9. 前記シリアルハブは、前記センサからの検出信号に基づく２次元座標データ又は３次元画像データを可視化するための表示手段を備えたことを特徴とする請求項８記載の移動機械。

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