JP2007155699A

JP2007155699A - カメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システム及び方法

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Publication number: JP2007155699A
Application number: JP2006235829A
Authority: JP
Inventors: Heesung Chae; チェ、ヘスン; Won Pil Yu; ユ、ウォン、ピル; Jae Young Lee; イ、ジェ、ヨン; Young Jo Cho; チョ、ヨン、ジョ
Original assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Current assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2026-08-31
Also published as: JP4584213B2; US7634336B2; US20070150097A1

Abstract

【課題】室内空間においてｎ個の標識とカメラとを用いて、照明変化に拘わらず移動ロボットの自己位置及び方位情報を実時間で測定できるシステム及び方法を提供する。
【解決手段】カメラ及び人工標識を用いて移動ロボットの自己位置を測定する測位システムは無線機能を用いた非可視光線領域のＬＥＤ点滅機能を有する人工標識、カメラ、天板に装着した標識を点滅させた後、フィルタを装着したカメラの映像により標識の位置及びＩＤを確認するモジュールと、映像の二つの標識を用いてロボットの位置及び方位を計算するモジュールと、標識を装着する天板の高さが異なる場合にロボットの位置を計算するモジュールと、作業空間に新たな標識を装着する場合に絶対座標上の標識の位置を計算するモジュールとを含む。二つの標識のみで位置を計算し、ロボットと標識との距離を必要としないため、標識の数の増加により新たな空間でもロボットの位置／方向を測定できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、カメラ及び人工標識を用いて、家庭及び一般事務環境（作業空間）において、移動ロボットの自己位置を測定するシステム及び方法に関するものであり、さらに詳細には、無線機能を用いた非可視光線領域のＬＥＤ点滅機能を有する人工標識と、広角レンズを装着したカメラとを備え、移動ロボットの作業空間内部の天板に多数の標識を装着し、移動ロボットに取り付けたカメラにより撮影した標識を用いて移動ロボットの位置を測定する、カメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システム及び方法に関するものである。

一般的に、自立的なロボット走行（autonomous robot navigation）を実現するための方法は、ロボットの動作環境内においてロボットの位置情報を直接的に把握することができる測位（localization）方法と、その測位方法から動作環境内での移動経路を生成し、当該経路に沿ってロボットプラットホームを制御する誘導（guidance）方法と、ロボットの動作環境に対する情報を収集、管理する環境地図の作成（environment map building）方法とにより構成される。

先ず、環境地図の作成方法は、大きくメトリックマップ（metric map）を作成するメトリック経路生成方法と、トポロジーマップ（topological map）を作成するトポロジー（topological）経路生成方法とに区分することができる。メトリック（metric）経路生成方法は、定量的に表現されたロボット環境データから生成されたロボット経路に関して既設定の性能指数を最適化することによりロボットの経路を選択する方法を表す。メトリック（metric）経路生成方法の代表的な形態は、グリッド（grid）構造を有する室内平面図形態の環境地図と、この環境地図内における最適経路又はロボットプラットホームの機構学的構造（kinematic structure）を考慮した最適制御方法とが選択される場合である。

一方、トポロジー（topological）経路生成方法は、ロボット環境内における特徴的な位置、例えば、家具、家電製品、ドアの入口等を基準とする各特徴点間の空間的関係（spatial relationship）を表示するグラフ（graph）形態の環境地図を作成することができ、また、その作成した環境地図から、例えば、「ドアを通って冷蔵庫の側に移動する」といった経路を作成することができる。

上述したように、与えられた経路に沿ってロボットが走行したり、新たな経路を作成したりするためには、ロボットの現在の位置に関する情報が必須であり、ロボットは、自分の位置に関する情報をいつでも確認することができなければならない。このような目的で、ロボットの動作環境内に人工特徴点（artificial landmark：又は人工標識）を設けたり、自然特徴点（natural landmark：又は自然標識）を環境内から抽出する方法を取ったりもするし、能動標識点のように光やＲＦ信号を発射し、当該信号の受信方向（direction of arrival）等を測定して、ロボットの位置を把握する方法を用いることができる。

従って、最近では、移動ロボットが自分の位置を認知していなくでも、与えられた環境地図情報と周辺の特徴情報とを用いて、自己位置を推定することができる位置認識技術が研究されている。

移動ロボットと関連して、自己位置追跡に人工標識を用いた装置に関し、その例が大韓民国公開特許公報第２００３−００２６４９６号（「移動ロボットの自己測位に基づく標識のための人工標識装置」（特許文献１）に開示されている。この先行技術文献は、映像処理方式を用いて人工標識装置を認識する場合に、周辺照度によって結果に影響が及ぼされるとの短所を克服するために、一定の照度を有するように照明装置を人工標識点の周辺に設けることにより、低照度環境や夜間環境でも、標識認識による移動ロボットの自律走行を可能にしたものである。

しかしながら、上述のような従来の技術は、別の照明装置を設けて、この照明装置を制御するための照度制御装置を設けなければならない不便があり、ロボットの位置した全体環境内において、全域的な自己位置及び方位角推定が不可能であるばかりでなく、照明変化による自己位置及び方位角推定が難しい問題点がある。
大韓民国公開特許公報第２００３−００２６４９６号（「移動ロボットの自己測位に基づく標識のための人工標識装置」

従って、本発明は、前述の従来の技術の問題点を解決するためなされるものであり、本発明の目的は、室内空間においてｎ個の標識とカメラとを用いて、照明変化に拘らず、移動ロボットの自己位置及び方位（ｘ、ｙ、θ）情報を実時間で測定することができるシステム及び方法を提供することにある。

一方、本発明の他の目的は、標識の個数を継続的に増加させることにより、さらに広い新たな空間においても、ロボットの位置及び方位を測定することができる、より簡単でいかなる制限もない、移動ロボットの位置及び方位を測定することができるシステム及び方法を提供することにある。

前記のような目的を達成するために、本発明に係るカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システムは、天板に装着される無線送受信機能を有するｎ個の標識と、前記標識を撮影するカメラと、天板に装着された前記標識を点滅させた後、前記カメラを用いて獲得した映像から前記標識の位置及びＩＤを獲得し、少なくとも二つの標識を検出する標識検出部と、前記検出された標識を用いて移動ロボットの位置を計算するロボット位置検出部と、作業空間に新たな標識が装着される場合、前記新たな標識の絶対座標上の位置を計算する標識位置推定部と、前記計算された新たな標識の位置を用いて移動ロボットのトポロジーマップを作成するトポロジーマップ構成部と、前記作成されたトポロジーマップを用いて移動ロボットの走行を制御するロボット制御部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の標識は、特定ＩＤを内蔵し、特定波長帯域において発光する赤外線発光素子（ＬＥＤ）と無線送受信モジュールとを備え、カメラは、特定波長帯域のみを通過させ、標識の赤外線ＬＥＤを検出する赤外線フィルタと無線送受信モジュールとを備え、ロボット位置検出部は、移動ロボットが停止状態である場合に、検出された二つの標識の映像を用いて移動ロボットの現在位置及び方位を計算するモジュールと、移動ロボットが移動状態である場合に、実時間で移動ロボットの位置を計算するモジュールと、標識が装着された天板の高さが異なる場合に、移動ロボットの位置を計算するモジュールとを備えている。

また、本発明のトポロジーマップ構成部は、標識をノードに設定し、標識位置推定部から得られた新たな標識の位置情報に設定されたノードとノードとの間の距離情報を得てトポロジーマップを構成する。

一方、本発明に係るカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位方法は、カメラにより撮影した標識の映像から標識を検出し、移動ロボットの位置を計算する段階と、新たな標識が作業空間に追加される場合、前記求められた移動ロボットの位置を用いて、前記追加された標識の位置を求める段階と、前記追加された標識をノードに設定し、トポロジーマップを構成する段階と、前記構成されたトポロジーマップと前記求められた移動ロボットの位置とを用いて移動ロボットの走行を制御する段階と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の、カメラにより撮影した標識の映像から標識を検出し、移動ロボットの位置を計算する段階は、前記移動ロボットの無線送受信モジュールを用いて標識のＩＤを獲得し、前記標識を点滅させた後、カメラにより天板の標識映像を撮影する段階と、前記撮影した標識映像に対して二分探索を適用し、少なくとも二つの標識を検出する段階と、前記検出された二つの標識を用いて移動ロボットの位置及び方位を計算する段階と、からなることを特徴とする。

上述したように、本発明に係るカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システム及び方法は、既存の方法に比べて、二つの標識のみを用いてロボットの位置及び方向をさらに容易かつ簡便に測定することができ、新たに追加される標識の位置は実測作業を必要とせず、自動的に計算可能であり、また、新たに設置される標識を用いて、ロボットの位置を測定することができる空間を無限に増加させていくことができ、新たに設けられる標識自体をノードに設定してノード間の距離情報を自動的に計算し、トポロジーマップを自動的に生成することができるので、ロボットを走行させることができる効果がある。

以下、本発明に係るカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システム及び方法について、添付された図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るカメラ及び標識を用いた位置及び方位測定システムを説明するための構成を概略的に示したものであり、作業空間（一般家庭及びオフィス環境）の天板にｎ個の標識を設け、最初に二つの標識を撮像するために、二分探索方法でカメラ映像に二つの標識が検出されるまで標識のＬＥＤ点滅を遂行する。

図１のように、本発明に係るシステムは、室内空間でｎ個の標識とカメラとを用いて位置及び方位（ｘ、ｙ、θ）情報を実時間で得るためのものであり、ｎ個の標識は、ロボットが活動する室内空間の天板に装着され、ロボットの上段には、無線送受信装置が装着されたカメラが取り付けられる。ロボットは、無線送受信装置を用いて、天板に設けられた標識のＬＥＤを点滅させ、点滅前後の天板の映像を得た後、獲得した映像から点滅前後の映像を比較して得た映像座標上の標識位置と基準（絶対）座標上の標識位置とを用いて位置及び方位情報を計算する。

図２は、本発明の実施の形態に係る移動ロボット測位システムの構成を示したものであり、本発明に係る測位システムは、ＩＤ及び無線送受信機能を有するｎ個の標識２００と、無線送受信モジュール（赤外線通信、ＲＦ、Ｚｉｇｂｅｅ、その他の無線通信を含む。）１１２、１１３が取り付けられた広角カメラ１１０を装着した移動ロボット１００と、を含む。

本発明の実施の形態に係る移動ロボット測位システムにおいて、標識２００は、特定ＩＤが内蔵されていて、移動ロボットと無線通信が可能な無線送受信モジュール２１０、２２０と、非可視光線領域の特定波長領域で発光する赤外線発光素子ＬＥＤ２３０とを有する。カメラ１１０は、広角レンズと、標識の発光波長帯域のみを選択的に通過させる赤外線フィルタ１１１とを有する。即ち、本発明では、赤外線発光素子ＬＥＤ２３０と赤外線フィルタ１１１とを用いて、一般の背景画面を自動的にフィルタリングすることが可能であるため、照明に敏感なビジョン（カメラ）センサの短所を克服することができる。また、フィルタを通して獲得した映像は、グレーレベル映像であり、背景画面とＬＥＤのグレーレベル値とは、顕著に差があるため、特別な映像処理の手順を踏まずに適当な閾値を用いて、映像からＬＥＤを検出することができる。可能な限り少ない数の標識を用いるために、カメラに広角レンズを用いることによりカメラレンズの特性による映像の歪曲が発生する。ロボットの正確な位置測定のために、歪曲の補正は必須条件であるが、本特許では、特別に歪曲補償技法を提案せず、既存の方法（「未知の方向から平面を見ることによるフレキシブルカメラ較正（Flexible Camera Calibration by Viewing a Plane from Unknown Orientations）」Ｚｈａｎｇ、ＩＣＣＶ９９）を用いて歪曲を補正する。

本発明に係る移動ロボット測位システムは、天板に装着される無線送受信機能を有するｎ個の標識２００と、移動ロボット１００とを含み、移動ロボット１００は、標識２００を撮影するカメラ１１０と、天板に装着された標識２００を点滅させた後、カメラ１１０を用いて撮影した映像から標識２００の位置及びＩＤを獲得し、少なくとも二つの標識２００を検出する標識検出部１２０と、前記検出された標識を用いて移動ロボット１００の位置を計算するロボット位置検出部１３０と、作業空間に新たな標識が装着される場合、新たな標識の絶対座標上の位置を計算する標識位置推定部１４０と、計算された新たな標識の位置を用いて移動ロボットのトポロジーマップを作成するトポロジーマップ構成部１５０と、作成されたトポロジーマップを用いて移動ロボットの走行を制御するロボット制御部１６０と、を含む。

図２のように構成された本発明に係るシステムを用いて、ロボットの位置を実時間で計算するために、図６のように作業空間（一般家庭及びオフィス環境）の天板にｎ個の標識を設ける。最初に二つの標識を撮像するために二分探索方法で、カメラ映像に二つの標識が検出されるまで、カメラ１１０の無線送信モジュール１１２を用いて、標識のＬＥＤ点滅作業を遂行する。

詳細には、標識検出部１２０は、撮影されたカメラ映像から天板に装着された標識の位置及びＩＤを検出するために、作業空間に設けた総ての標識にＬＥＤをオンさせる命令を無線送信モジュール１１２を介して送信する。このとき、無線通信を用いるため、一定の距離内に存在する標識だけがオン命令を受信することになる。オン命令を受信した標識のみを対象として、標識検出部１２０は、二分探索を用いて撮影した映像から二つの標識を検出する。ロボットと標識との間に用いる無線通信は、種類に拘らず、送受信距離の制限を受ける。例えば、赤外線通信は、送受信距離が１０ｍ（製作する方法により偏差がある。）である。従って、赤外線通信モジュールを用いる場合、ロボットに装着した送信モジュールを基準にして、１０ｍ以内にある標識だけがロボットが送信するオン信号を受信することができる。最初にこのような方法を用いることにより、標識を探すことに要する時間を最小化し、１０ｍ以内で反応する標識のみを対象に二分探索方法を用いて標識を探す。

即ち、天板に設けられた総ての標識に対して、オン−オフを繰り返しつつ撮影した映像の差を比較しながら探すと、時間が多く消耗されるので、標識検出部１２０には、二分探索（Binary Search）方法を適用し、天板に取り付けられている多数個の標識の中から、ロボットの頭部上にある標識、即ち、ロボットに装着したカメラが撮影した映像に存在する二つの標識を探す。この二分探索方法を説明すると、次の通りである。先ず、撮影したカメラ映像内に存在する二つの標識のＩＤを獲得するために、天板に装着された総ての標識のうち１／２に該当する標識に、カメラの無線送受信機能を用いてＬＥＤオン信号を送信し、カメラを用いて標識を抽出したとき、標識はロボットが送信したオン信号を受信し、標識のＬＥＤがオンされた場合には、この標識のみを対象に無作為に１／２に該当する標識に再びオン信号を送信し、カメラを用いて標識を抽出して、この抽出されオンされた標識の１／２に該当する標識にオン信号を送信する方式で、１／２ずつ標識の数を減らしながらオン信号を送り、カメラを用いて標識を抽出する作業を反復遂行することにより最終的に二つの標識を検出する。

上述の作業を通じて獲得した二つの標識の位置（映像）を用いて、ロボット位置検出部１３０は、ロボットの位置及び方位を計算する。ここで、作業環境の天板に装着されるｎ個の標識のうち、獲得される最初の二つの標識は、基準（World (Base) Coordinate）座標上の実測位置を予め入力する先行作業が必要である。３番目の標識からは、本発明において提案する標識位置追跡部により、基準座標上の標識の位置を計算することが可能である。

ロボット位置検出部１３０は、図３に示した標識の基準座標位置と映像座標位置とを用いて、次のような数式（式（１）から式（８））を用いて、移動ロボットの位置及び方向を計算する。ロボットの中心にカメラを装着する場合、ロボットの位置は、カメラ映像の中心座標と同一であり、ロボットの方向は、図１のように示すことができる。

先ず、図３を用いて基準座標系（World (Base) Coordinate）、映像座標系（Image Coordinate）及び臨時座標系（Extra Coordinate）の設定、並びに、各座標系上において標識及びロボットの位置を表現する方法を定義する。基準座標系は、総ての標識及びロボットの位置を表現する基準となる座標系である。映像座標系は、カメラ映像の座標系をそのまま用いる。臨時座標系設定は、映像処理を通じて映像上において、

のピクセル位置を計算した後、計算された位置を用いて、

臨時座標系を設定する。

以下は、各座標系における標識及び移動ロボットの表現をまとめたものである。

各座標系において、標識Ｌ及び移動ロボットＰの表現を用いて、臨時座標系における二つの標識を用いて移動ロボットの位置を計算する数式は、次のとおりである。

そして、基準座標系及び映像座標系の単位を統一するため、パラメータを定義する。

ロボット位置検出部１３０の、停止状態の移動ロボットの位置を計算するモジュール１３１は、停止状態における移動ロボットの最終位置を式（１）と式（５）とを用いて計算する。

ロボットの最終位置Ｐｗは、式（５）に式（１）を代入すると、式（１２）になり、移動ロボット最終位置は、この式（１２）により計算する。

ここで、Ｐｗは、計算された移動ロボットの最終位置である基準座標上の移動ロボットの位置であり、Ｐｉは、映像座標系上における移動ロボットの位置であり、Ｒｗｅは、臨時座標系が基準（絶対）座標系に対しどれだけ回転移動を行ったか否かを示す回転ベクトルであり、Ｒｉｅは、映像座標系が臨時座標系に対しどれだけ回転移動を行ったか否かを示す回転ベクトルであり、Ｔｉｅは、映像座標系が臨時座標系に対しどれだけ並行移動したか否かを示す平行移動ベクトルであり、Ｔｗｅは、臨時座標系が基準（絶対）座標系に対しどれだけ平行移動したか否かを示す平行移動ベクトルであり、ｓは、映像上における二つの標識と実際の二つの標識との間の距離比率である。

そして、移動ロボットの方位は、以下の式（８）により計算する。

標識２００のＬＥＤ２３０を点滅して得た映像を用いて、移動ロボット１００の位置を計算する方法は、移動ロボットが停止した状態でのみ可能である。移動ロボットが動く状態では、ＬＥＤ２３０を点滅する間に、既に移動ロボットには位置移動が発生した後なので、ＬＥＤ２３０点滅前後の映像を用いて、映像における標識の位置を計算すること（ＬＥＤ点滅前後の映像ピクセルのグレーレベル差異計算）は不可能である。従って、本発明では、図４のように、移動ロボットが移動する状態でも、ロボット位置検出部１３０の、実時間で移動状態のロボットの位置を計算するモジュール１３２において、ロボットの位置が以下のように得られる。

図４（ａ）のように、停止状態においてロボット位置測位に必要な標識ＩＤ及び映像座標を標識検出部１２０から獲得し、獲得した標識の映像座標を中心に一定の大きさのマスクを設定する。総ての標識のＬＥＤをオンさせ、図４（ｂ）のように、ロボット移動後、ロボット位置検出部１３０の、実時間でロボットの位置を計算するモジュール１３２において標識の映像座標は、設定したマスク領域だけを探す方法により位置を計算する。ロボットの移動に応じてこの作業を繰り返す。

また、図５のように、高さの異なる天板に標識を設ける場合、ロボット位置検出部１３０の、標識２００が装着された天板の高さが異なる場合にロボットの位置を計算するモジュール１３３において移動ロボットの位置を計算するためには、標識の映像座標を補正すべきである。

本発明では、次のような方法で映像を補正する。

ここで、カメラ焦点距離 f と各天板の高さ h₁、 h₂とは固定された値である。しかし、ｄ1は、移動ロボットと標識までの距離であり、移動ロボットの位置によって変化するため、以下のような方法により計算し、式（９）に代入する。

式（１０）のｄ1を式（９）に代入すると、補正された標識からの移動ロボットの位置は、以下の式（１１）により表される。

標識位置推定部１４０は、作業空間に新たな標識が装着される場合、標識の基準座標上の位置を計算するものであり、新たな標識の基準座標を計算する方法は、式（１）及び式（５）を応用して計算することができる。式（１）及び式（５）において、Ｐｗは、ロボットの基準座標系に表現された実際位置である。Ｐｗを計算するために、Ｐｉを映像座標系の中心であると仮定し、新たな標識が映像に現れる場合、移動ロボットの無線受信モジュール１１３を介してＩＤを確認し、映像に現れた新たな標識の映像座標をＰｉに代替し、ロボットの位置を計算する。このような過程を繰り返して移動ロボットの位置を計算することにより新たな標識の実際位置を計算することができる。

即ち、上記式（１２）から移動ロボットの映像座標上の位置Ｐｉを新たな標識の映像座標に代替し計算して求めた実際位置Ｐｗがまさに新たな標識の実際位置（基準座標上の位置）になるということである。この関係は、以下の式（１３）により表される。

ここで、Ｒｗｅは、臨時座標系が基準（絶対）座標系に対しどれだけ回転移動したか否かを示す回転ベクトルであり、Ｒｉｅは、映像座標系が臨時座標系に対しどれだけ回転移動したか否かを示す回転ベクトルであり、Ｔｉｅは、映像座標系が臨時座標系に対しどれだけ平行移動したか否かを示す平衡移動ベクトルであり、Ｔｗｅは、臨時座標系が基準（絶対）座標系に対しどれだけ平行移動したか否かを示す平行移動ベクトルであり、ｓは、映像上における二つの標識と実際の二つの標識との間の距離比率であり、Ｇｉは、新たな標識の映像座標上の位置であり、Ｇｗは、新たな標識の実際位置（基準座標位置）である。

標識推定部１４０により計算される新たな標識の位置を用いて、ロボットのトポロジーマップを作成するトポロジーマップ構成部１５０は、トポロジーマップ（Topology map）を生成するためにノード（node）を設定し、ノードとノードとの間の距離情報を必要とする。

本発明では、図６のように空間に標識を設けるとき、標識自体をトポロジーマップのノードに用いる。即ち、十字路若しくは分かれ道が存在する場合又は任意に標識が設けられる場合、標識自体をトポロジーマップのノードに設定する。各ノード間の距離情報は、作業空間に新たな標識を装着する場合に絶対座標上の標識の位置を計算する標識位置推定部１４０を用いて測定することにより、トポロジーマップにおいて必要とされるノードとノードとの間の距離の情報を得ることができる。このように得られたノード間の距離を用いてトポロジーマップ構成部１５０はトポロジーマップを構成する。このような方法を用いて、既存のトポロジーマップとは異なり、手軽にノードを設定することができるし、このようなノード間の距離情報は、実測作業を経なくても、本発明が提案する方法を用いて自動的に計算可能である。

ロボット制御部１６０は、トポロジーマップ構成部１５０から作成されたトポロジーマップを用いてロボットの走行を制御する。

次に、前述のような構成を有する本発明に係るカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システムを用いた移動ロボットの測位方法について、図７を参照して説明する。

図７は、本発明の実施の形態に係る移動ロボットの測位システムを用いた移動ロボットの測位方法のフローチャートを示したものである。

無線受信モジュール１１３を介して標識２００のＩＤを受信し、無線送信モジュール１１２を介してＬＥＤオン命令を送信し、特定波長帯域内の天板に装着された標識２００を点滅させた後、赤外線フィルタ１１１が装着されたカメラを介して標識２００を撮影する（Ｓ７１０）。撮影された映像に対し二分探索方法を用いて、二つの標識を検出する（Ｓ７２０）。

二分探索方法（Binary search method）によりカメラ映像から二つの標識を探す方法は、ロボットが送信したＬＥＤオン信号を受信した標識のみを対象に、それらの標識のうちの無作為の１／２に該当する標識に再びＬＥＤオン信号を送り、カメラを用いて標識を抽出し、さらに１／２ずつ標識の個数を減らしながらＬＥＤオン信号を送り、カメラを用いて標識を抽出する作業を繰り返して、最終的に二つの標識を標識検出部１２０から検出する。

このように求められた二つの標識を用いて、ロボット位置検出部１３０から移動ロボットの位置及び方位を求める（Ｓ７３０）。移動ロボットの位置及び方位は、ロボットの状態によって求める方法が異なる。ロボットが停止状態の場合、二つの標識を用いて、式（１）及び式（５）を介してロボットの最終位置を求め、式（８）を通じて移動ロボットの方位を計算する。ロボットが移動状態の場合、移動ロボットの位置は、求められた二つの標識の映像座標を中心に一定の大きさのマスクを設定し、移動後の標識の映像座標に対し設定した一定の大きさのマスク領域を探す方法により移動ロボットの位置を計算する。この作業を繰り返すことにより実時間でロボットの移動時の位置を計算することができる。また、図５のように標識を装着する天板の高さが異なる場合、ロボットの位置は、標識の映像座標を式（１１）のように補正して求める。

ロボットの位置が求められると、標識位置推定部１４０では、作業空間における新たな標識の位置を計算し（Ｓ７４０）、この標識をトポロジーマップを生成するためのノードに設定し、トポロジーマップ構成部１５０によりトポロジーマップを構成する（Ｓ７５０）。作成されたトポロジーマップを用いてロボット制御部１６０は、ロボットの走行を制御する（Ｓ７６０）。

以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を詳細に説明したが、本発明は、必ずしもこのような実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で、多様に変更して実施することができる。

本発明の実施の形態に係るカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システムを概略的に説明する図である。図１に示した本発明の実施の形態に係る移動ロボットの測位システムの構成を具体的に示す図である。ｎ個の標識のうち二つの標識のみを用いて、移動ロボットの位置を計算するために必要な各座標系設定方法を示す図である。移動ロボットの移動前後の標識の位置を図示する図である。作業環境の天板の高さが異なる場合における標識のカメラ映像座標の補正方法を説明するための図である。トポロジーマップ構成のために移動ロボットの作業空間の天板に標識が設置された様子を説明する図である。実施の形態に係る移動ロボットの測位システムを用いた移動ロボットの測位方法を説明するフローチャートである。

符号の説明

１００移動ロボット
１１０カメラ
１１１赤外線フィルタ
１１２無線送信モジュール
１１３無線受信モジュール
１２０標識検出部
１３０ロボット位置検出部
１３１停止状態のロボット位置検出モジュール
１３２移動状態のロボット位置検出モジュール
１３２天板の高さが異なる場合のロボットの位置検出モジュール
１４０標識位置推定部
１５０トポロジーマップ構成部
１６０ロボット制御部
２００標識
２１０無線送信モジュール
２２０無線受信モジュール
２３０赤外線発光素子

Claims

天板に装着される無線送受信機能を有するｎ個の標識と、
前記標識を撮影するカメラと、
天板に装着された前記標識を点滅させた後、前記カメラを用いて撮影した映像から前記標識の位置及びＩＤを獲得し、少なくとも二つの標識を検出する標識検出部と、
前記検出された標識を用いて移動ロボットの位置を計算するロボット位置検出部と、
作業空間に新たな標識が装着される場合、前記新たな標識の絶対座標上の位置を計算する標識位置推定部と、
前記計算された新たな標識の位置を用いて移動ロボットのトポロジーマップを作成するトポロジーマップ構成部と、
前記作成されたトポロジーマップを用いて移動ロボットの走行を制御するロボット制御部と、
を備えることを特徴とするカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システム。
前記標識は、特定ＩＤを内蔵し、特定波長帯域で発光する赤外線発光素子（ＬＥＤ）と無線送受信モジュールとを備え、前記カメラは、前記特定波長帯域のみを通過させ、前記標識の赤外線ＬＥＤを検出する赤外線フィルタを備えていることを特徴とする請求項１に記載のカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システム。
前記標識検出部は、前記天板に装着されたｎ個の標識に対して二分探索（Binary Search）を適用し、カメラ映像に存在する少なくとも二つの標識を検出することを特徴とする請求項１に記載のカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システム。
前記ロボット位置検出部は、前記移動ロボットが停止状態の場合に、前記検出された二つの標識の映像を用いて移動ロボットの現在位置及び方位を計算するモジュールと、前記移動ロボットが移動状態の場合に、実時間で移動ロボットの位置を計算するモジュールと、標識が装着された天板の高さが異なる場合に、移動ロボットの位置を計算するモジュールとを備えていることを特徴とする請求項１に記載のカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システム。
Ｐｗは、計算された移動ロボットの最終位置である基準座標系上の移動ロボットの実際位置であり、Ｐｉは、映像座標系上における移動ロボットの位置であり、Ｒｗｅは、臨時座標系が基準（絶対）座標系に対しどれだけ回転移動を行ったか否かを示す回転ベクトルであり、Ｒｉｅは、映像座標系が臨時座標系に対しどれだけ回転移動を行ったか否かを示す回転ベクトルであり、Ｔｉｅは、映像座標系が臨時座標系に対しどれだけ並行移動したか否かを示す平行移動ベクトルであり、Ｔｗｅは、臨時座標系が基準（絶対）座標系に対しどれだけ平行移動したか否かを示す平行移動ベクトルであり、ｓは、映像上における二つの標識と実際の二つの標識との間の距離比率であるとすると、前記移動ロボットが停止状態の場合に、前記検出された二つの標識の映像を用いて移動ロボットの現在位置及び方位を計算するモジュールは、以下の式１２

を用いて、移動ロボットの現在位置Ｐｗを計算することを特徴とする請求項４に記載のカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システム。
前記移動ロボットが停止状態の場合に、前記検出された二つの標識の映像を用いて移動ロボットの現在位置及び方位を計算するモジュールは、以下の式８

を用いて、移動ロボットの方位（θr）を計算することを特徴とする請求項５に記載のカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システム。
前記移動ロボットが移動状態の場合に、実時間で移動ロボットの位置を計算するモジュールは、前記獲得した標識の映像座標を中心に一定の大きさのマスクを設定し、移動ロボットの移動後の標識の映像座標に対して前記設定したマスク領域のみを探すことにより移動ロボットの位置を計算することを特徴とする請求項４に記載のカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システム。
Ｐ’は、補正された標識の映像座標から獲得された移動ロボットの位置であり、Ｐは、補正前の標識から獲得された移動ロボットの位置であり、ｈ１、ｈ２は、天板の高さであるとすると、前記標識が装着された天板の高さが異なる場合に、ロボットの位置を計算するモジュールは、前記標識の映像座標を、以下の式１１

を用いて補正することにより、移動ロボットの位置を計算することを特徴とする請求項４に記載のカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システム。
Ｐｗは、計算された移動ロボットの最終位置である基準座標上の移動ロボットの実際位置であり、Ｐｉは、映像座標系上における移動ロボットの位置であり、Ｒｗｅは、臨時座標系が基準（絶対）座標系に対しどれだけ回転移動を行ったか否かを示す回転ベクトルであり、Ｒｉｅは、映像座標系が臨時座標系に対しどれだけ回転移動を行ったか否かを示す回転ベクトルであり、Ｔｉｅは、映像座標系が臨時座標系に対しどれだけ並行移動したか否かを示す平行移動ベクトルであり、Ｔｗｅは、臨時座標系が基準（絶対）座標系に対しどれだけ平行移動したか否かを示す平行移動ベクトルであり、ｓは、映像上における二つの標識と実際の二つの標識との間の距離比率であり、Ｇｉは、新たな標識の映像座標上の位置であり、Ｇｗは、新たな標識の実際位置（基準座標上の位置）であるとするとき、前記標識位置推定部は、作業空間に新たな標識が装着される場合に、前記カメラにより撮影された前記新たな標識のＩＤを確認し、下記の式１２

を用いて、移動ロボットの位置Ｐｗを計算し、前記映像に現れた新たな標識の基準座標上の位置Ｇｗを下記の式１３

を用いて計算することを特徴とする請求項１に記載のカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システム。
前記トポロジーマップ構成部は、前記標識をノードに設定し、前記標識位置推定部から求められた新たな標識の位置を用いて、前記ノードとノードとの間の距離情報を得ることによりトポロジーマップを構成することを特徴とする請求項９に記載のカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システム。
前記標識の赤外線発光素子（ＬＥＤ）は、前記標識とカメラとの無線通信機能によってオン／オフされることを特徴とする請求項２に記載のカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位システム。
（ａ）カメラにより撮影した標識の映像から標識を検出し、移動ロボットの位置を計算する段階と、
（ｂ）新たな標識が作業空間に追加される場合、前記求められた移動ロボットの位置を用いて、前記追加された標識の位置を求める段階と、
（ｃ）前記追加された標識をノードに設定し、トポロジーマップを構成する段階と、
（ｄ）前記構成されたトポロジーマップと前記求められた移動ロボットの位置とを用いて、移動ロボットの走行を制御する段階と、
からなることを特徴とするカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位方法。
前記（ａ）段階は、
（ｅ）前記移動ロボットの無線送受信モジュールを用いて標識のＩＤを獲得し、前記標識を点滅させた後、カメラにより天板の標識映像を撮影する段階と、
（ｆ）前記撮影した標識映像に対して二分探索を適用し、少なくとも二つの標識を検出する段階と、
（ｇ）前記検出された二つの標識を用いて移動ロボットの位置及び方位を計算する段階と、
からなることを特徴とする請求項１２に記載のカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位方法。
前記（ｅ）段階において、前記標識は、赤外線発光素子（ＬＥＤ）により構成され、前記カメラは、特定波長領域のみを通過させる赤外線フィルタを備え、前記赤外線発光素子（ＬＥＤ）を点滅させた後、前記標識を撮影することを特徴とする請求項１３に記載のカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位方法。
Ｐｗは、計算された移動ロボットの最終位置である基準座標上の移動ロボットの実際位置であり、Ｐｉは、映像座標系上における移動ロボットの位置であり、Ｒｗｅは、臨時座標系が基準（絶対）座標系に対しどれだけ回転移動を行ったか否かを示す回転ベクトルであり、Ｒｉｅは、映像座標系が臨時座標系に対しどれだけ回転移動を行ったか否かを示す回転ベクトルであり、Ｔｉｅは、映像座標系が臨時座標系に対しどれだけ並行移動したか否かを示す平行移動ベクトルであり、Ｔｗｅは、臨時座標系が基準（絶対）座標系に対しどれだけ平行移動したか否かを示す平行移動ベクトルであり、ｓは、映像上における二つの標識と実際の二つの標識との間の距離比率であるとすると、前記（ｇ）段階は、前記移動ロボットが停止状態の場合、前記二つの標識を用い、下記の式１２

を用いて移動ロボットの最終位置Ｐｗを計算し、前記移動ロボットが移動状態の場合、前記二つの標識の映像座標を中心に一定の大きさのマスクを設定し、移動ロボットの移動後の標識の映像座標に対して前記設定されたマスク領域を探すことにより、移動ロボットの位置を計算することを特徴とする請求項１３に記載のカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位方法。
Ｐ’は、補正された標識の映像座標から獲得された移動ロボットの位置であり、Ｐは、補正前の標識から獲得された移動ロボットの位置であり、ｈ１、ｈ２は、天板の高さであるとすると、前記（ｇ）段階において、移動ロボットの位置を計算するとき、前記標識が装着された天板の高さが異なる場合、前記標識の映像座標を下記の式１１

を用いて補正し、移動ロボットの位置を求めることを特徴とする請求項１５に記載のカメラ及び標識を用いた移動ロボットの測位方法。