JP2007163223A - 移動量検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】移動量を精度よく検出すること。
【解決手段】移動体に搭載されて床面を撮像する第１および第２撮像部と、第１および第２撮像部によって撮像された画像データを用いて移動体の移動量をそれぞれ第１および第２移動量として算出する画像解析部と、第１および第２移動量のいずれかをその信頼度から真の移動量として判別する制御部とを備え、第１および第２撮像部は異なる被写界深度を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体の移動量検知装置に関する。

ロボットや自動車などの移動体の自己位置を同定する手段において、自身の移動量をセンサや移動車輪の回転量などに基づいて算出するものの１つとして、イメージセンサにより取得した画像を解析して移動量を検知する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１８０５８６号公報

従来の装置では、イメージセンサが撮影した床面の画像に基づいて移動量を算出するようにしているが、例えば、光学式マウスのイメージセンサは、被写界深度が極めて浅いため、床面に焦点を合わせて床面画像を撮影するためには、床面に対する距離を高精度（例えば±０．１ｍｍ）に維持することが要求される。

従って、凹凸起伏の大きい床面では、床面の全領域に対して焦点を合わすことが難しく、焦点外れとなる領域が発生するため、移動量を精度よく算出できない。例えば、ある光学マウスのイメージセンサでは、深さ２ｍｍ，幅１ｍｍ以上の凹凸を持つ床面では、凹部または凸部のどちらかに焦点を合わすことができないため、正確な移動量の算出ができない。

また、イメージセンサを使用した光学的移動量検知装置では、畳、カーペット、あるいは、フローリングなどの床面材質の違いによって、検知される移動量が変わるということもよく経験されることである。

この発明は、移動体に搭載されて床面を撮像する第１および第２撮像部と、第１および第２撮像部によって撮像された画像データを用いて移動体の移動量をそれぞれ第１および第２移動量として算出する画像解析部と、第１および第２移動量のいずれかをその信頼度から真の移動量として判別する制御部とを備え、第１および第２撮像部は、異なる被写界深度を有することを特徴とする移動量検知装置を提供するものである。

この発明において、移動体とは、例えば自走式掃除機や自走式ロボットである。床面は主に屋内の床面であり、フローリング，畳およびカーペットなどを含む。
第１および第２撮像部には、光学式マウスや、対物レンズとＣＣＤ又はＣＭＯＳとの組合せたイメージセンサなどを用いることができる。
画像解析部および制御部は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭからなるマイクロコンピュータを用いて一体的に構成できる。

ここでいう被写界深度とは、ピントを合わせた位置の前後で実用上ピントが合っているとみなせる範囲のことであり、一般に、被写体が近くにある程、被写界深度は浅くなり、Ｆ値が大きい程、被写界深度は深くなり、焦点距離が長い程、被写界深度は深くなる。

この発明は、床面に接触する回転体を用いて移動体の移動量を第３移動量として検出する回転式検出部をさらに備え、制御部は第１および第２移動量を第３移動量と比較してその信頼度を判断するようにすることが好ましい。
制御部は、所定時間毎に第１および第２移動量を第３移動量と比較し、第３移動量に近い方を真の移動量と判別するようにしてもよい。
また、制御部は、第１又は第２移動量と第３移動量との差が所定値以下の場合には、差が所定値以下の移動量を真の移動量と判別し、第１又は第２移動量と第３移動量との差がいずれも所定値より大きい場合には、第３移動量を真の移動量と判別するようにしてもよい。

また、制御部は、第３移動量が所定値ｃに達するときに同時に得られる第１移動量ａおよび第２移動量ｂについて、｜ｃ−ａ｜＜｜ｃ−ｂ｜のときには、その後に第１撮像部により得られる移動量にｃ／ａを乗じて補正した値を真の移動量とし、｜ｃ−ａ｜＞｜ｃ−ｂ｜のときには、その後に第２撮像部により得られる移動量にｃ／ｂを乗じて補正した値を真の移動量としてもよい。

この発明によれば、異なる被写界深度を有する複数の撮像部により撮像した画像データにより移動量を算出し、それらの信頼度から真の移動量が決定されるので、床面に凹凸が存在しても、誤差の少ない移動量を検知することができる。
床面に接触する回転体を用いて移動体の移動量を第３移動量として検出する回転式検出部をさらに備え、制御部が第１および第２移動量を第３移動量と比較してその、信頼度を判断する場合には、第３移動量を基準にして信頼度を容易に決定することができる。

また、この場合、制御部は、所定時間毎に第１および第２移動量を第３移動量と比較し、第３移動量に近い方を真の移動量として容易に判断できる。
また、制御部が、第１又は第２移動量と第３移動量との差が所定値以下の場合には、差が所定値以下の移動量を真の移動量と判別し、第１又は第２移動量と第３移動量との差がいずれも所定値より大きい場合には、第１および第２移動量の誤差が大きくなっても、真の移動量と第３移動量から精度よく得ることができる。

また、制御部が、第３移動量が所定値ｃに達するときに同時に得られる第１移動量ａおよび第２移動量ｂについて、｜ｃ−ａ｜＜｜ｃ−ｂ｜のときには、その後に第１撮像部により得られる移動量にｃ／ａを乗じて補正した値を真の移動量とし、｜ｃ−ａ｜＞｜ｃ−ｂ｜のときには、その後に第２撮像部により得られる移動量にｃ／ｂを乗じて補正した値を真の移動量とする場合には、さらに精度よく真の移動量を得ることができる。

第１実施形態
図１はこの発明に係る第１実施形態の上面斜視図を示し、図２はその下面斜視図を示す。

図１および図２に自走式移動車（自走式ロボット）１２は、その内部に、制御部と画像解析部とを含む制御・演算装置１、外界センサ２、カメラユニット３、光学式マウスユニット４、エンコーダユニット５、駆動車輪６、前輪７、およびエンコーダ用従動車輪８を備える。

この実施形態で、第１撮像部として使用しているのは、光学式マウスユニット４のセンサ部分であるが、ここで使用している光学式マウスユニット４は、センサ部分に対して画像解析により移動量を算出する画像解析部が一体化されたマウスユニットとなっている。

光学式マウスユニット３は、ＰＣなどの情報端末の入力手段として大量生産されていることから、低コストであり、かつ、品質及び信頼性が安定しており、また、解像度としては、１００ＤＰＩから８００ＤＰＩ、ないしは、それ以上の高分解能のものまで、多様な仕様のものが入手可能である。さらに、画像解析部を一体化してユニット化されていることから、制御・演算装置１に、所定のインターフェイスを組み込むことにより、移動量のデータを直接取り出すことができる。

光学式マウスユニット４は床面に対して対物レンズ１０（図２）を向けており、対物レンズ１０を介して床面上の１ｍｍ×１ｍｍの領域を光学式マウスユニット４内の撮像素子で床面画像として撮影し、光学式マウスユニット４に組み込まれた画像解析部が、床面画像を解析することにより第１移動量の算出を行い、算出した移動量を出力する。

この発明の実施形態では、光学マウスユニット４の撮像素子の画素ピッチは、０．０６ｍｍであり、ほぼ４００ＤＰＩの分解能に相当する。光学式マウスユニット４は、肉眼で模様が無いように感じられる白紙や机上などを床面とした移動した場合でも移動に伴う画像の差分を検出可能であり、これにより高分解能で移動量を算出することができる。しかし、被写界深度が０．２ｍｍないしはそれ以下であるため、これを上回る起伏凹凸を持つ床面では床面画像に焦点外れの部分が発生し、正確な移動量が算出できない。

カメラユニット３は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）または、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサを使用した第２撮像部であり、床面に対して対物レンズ９（図２）を向けており、対物レンズ９を介して床面上の２０ｍｍ×２０ｍｍの領域をカメラユニット３内の撮像素子で床面画像として撮影し、制御・演算装置１に含まれている画像解析部が、床面画像を解析することにより第２移動量の算出を行う。

カメラユニット３の撮像素子の画素ピッチは１．２５ｍｍである。床面の種別では、フローリングなどの床面はコントラストが乏しいため、走行移動に伴う画像差分の検出が困難となることがある。カメラユニット３の分解能は、光学式マウスユニット４のそれに比べて大幅に低いものであるが、この発明の移動体の移動量検知手段として十分な精度を確保できる範囲にある。

また、カメラユニット３は、被写界深度が略２．０ｍｍであり、起伏凹凸の大きいカーペットまたは畳の床面における走行でも焦点外れが発生することが少ないため検出不能状態が発生しにくい。

エンコーダユニット５は、従動車輪８に結合したロータリーエンコーダを備え、従動車輪８の回転量を連続的に出力する。

出力された回転量は制御・演算装置１に入力され、制御・演算装置１は、入力された回転量と従動車輪８の直径（例えば１０ｍｍ）に基づき移動量を算出する。

エンコーダユニット５を使用した走行量の検出は、光学式マウスユニット４およびカメラユニット３による光学的な移動量検知と比較して分解能が低いが、被写界深度による制約がないため、走行中に傾斜面や障害物の上を乗り越えたり、通過したりする場合など、光学的な移動量検知ができない状況でも移動量検知が可能である。

駆動車輪６は制御・演算装置１の指令により回転量が制御されるステッピングモータ（図示せず）を内蔵し、そのステッピングモータの回転力によって駆動される。

自走式移動車１２の使用開始にあたって、各移動量検知の比較、校正が必要であるため、図３に示す予備調整工程が行われる。つまり、使用者は、自走式移動車１２を活動させたい床面で障害物や傾斜のない領域を選択して自走式移動車１２を設置し、自走式移動車１２の押しボタンスイッチ（図示せず）を押し、図３のフローチャートに示す予備調整工程を開始する。

予備調整工程では、押しボタンスイッチが押されると、制御・演算装置１は、距離ｃ＝３０ｃｍの走行に相当する量だけ駆動車輪６を回転させる指令をステッピングモータへ送り、それに応じて自走式移動車が一定速度でｃだけ走行を行う。

この間に光学式マウスユニット４は移動に応じた信号を出力し、制御・演算装置１は、これを移動距離ａに変換する。また、カメラユニット３は、一定周期、例えば０．０１秒のサンプル時間ごとに床面の撮影を行い、ある瞬間の画像と、１サンプル時間前の画像を比較し、サンプル時間ごとの移動量を算出し、積算することにより移動距離ｂとして出力する。

予備調整工程の走行が終了した時点で、制御・演算装置１は、移動距離ａ，移動距離ｂのどちらが、走行距離ｃ（３０ｃｍ）に近いかを判断する。

移動距離ａのほうが走行距離ｃに近い場合、制御・演算装置１は、以後の移動量検知において、光学式マウスユニット４による移動量を利用する。

ただし、移動距離ａと走行距離ｃについて、ａ≦０．５ｃ または ａ≧２ｃの不等式が成立する場合は、制御・演算装置１は、光学式マウスユニット４は正確な移動量が検出できていないと判定し、光学式マウスユニット４による移動量を利用せず、エンコーダユニット５を使用した走行量検出による移動量を使用する。

それ以外の０．５ｃ＜ａ＜２ｃの範囲では、制御・演算装置１は、光学式マウスユニット４による移動量をｃ/ａ倍して補正したものを移動量として採用する。

また、移動距離ｂのほうが走行距離ｃに近い場合、制御・演算装置１は、以後の移動量検知に、カメラユニット３による移動量を利用する。

ただし、移動距離ｂと走行距離ｃについて、ｂ≦０．５ｃ または ｂ≧２ｃの不等式が成立する場合は、制御・演算装置１は、カメラユニット３は正確な移動量が検出できないものと判定し、カメラユニット３による移動量を利用せず、エンコーダユニット５を使用した走行量検出による移動量を使用する。

それ以外の０．５ｃ＜ｂ＜２ｃの範囲では、制御・演算装置１は、カメラユニット３による移動距離をｃ/ｂ倍して補正したものを移動量として採用する。

第２実施形態
この実施形態では、予備調整工程を行わず、カメラユニット３、光学式マウスユニット４、エンコーダユニット５による移動距離検出手段は常に機能させておき、制御・演算装置１はそれぞれのデータを常時監視する。

それぞれの移動距離検出手段による移動量を、一定周期、例えば１秒毎にデータ化して移動距離の比較を行う。

このとき、制御・演算装置１は、カメラユニット３および光学式マウスユニット４による光学的な移動量検知のうち、エンコーダユニット５による移動距離検出値に近いものをその周期における移動量として採用する。

次の周期の途中でその瞬間の移動量（あるいはそれに基づく現在位置）が必要になった場合は前の周期で移動量として採用された値を利用する。

具体的な比較・データの採用は図４のフローチャートに示す手順によって次のように行う。
（１）１秒間における、光学式マウスユニット４，カメラユニット３，エンコーダユニット５による移動検出量Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ算出する
（２）光学式マウスユニット４による移動検出量Ａがエンコーダユニット５による移動検出量Ｃに対し、±２０％以内の範囲に納まっていたら光学式マウスユニット４による移動量を採用する。
（３）（２）の条件を満たしていない場合、カメラユニット３による移動検出量Ｂがエンコーダユニット５による移動検出量Ｃに対し、±２０％以内の範囲に納まっていたら、カメラユニット３による移動量を採用する。
（４）（２）及び（３）のどちらの条件も満たされない場合は、エンコーダユニット５によって検出される移動量Ｃを採用する。

上記（１）〜（４）の手順を１秒周期で繰り返すことにより、その時々の床面状況に応じて最適な精度での移動量検知が可能になる。

第２実施形態を用いて、図５に示す条件を一例としてシミュレーションを行った結果を図６，図７に示す。図５は全長Ｌ０＝１５０ｃｍの経路であり、最初のＬ１＝５０ｃｍはフローリング１３、次のＬ２＝５０ｃｍはカーペット１４、最後のＬ３＝５０ｃｍは畳１５の床面上を走行するものとする。

図５の経路上を、自走式移動車１２を一定速度１０ｃｍ/ｓで矢印１６の方向に動かした時に、エンコーダユニット５、光学式マウスユニット４、カメラユニット３の各床面１３〜１５における分解能とバラつきから、１秒毎の各検出移動量をシミュレートした結果が図６のグラフである。図６における１秒毎の移動量を累計し、ユニット３〜５と第２実施形態のそれぞれによる値の比較を図７に示す。図６において、曲線（Ａ）は光学式マウスユニット４，曲線（Ｂ）はカメラユニット３，曲線（Ｃ）はエンコーダユニット５による検出移動量の時間的変化を示す。

図７より、指令値に一番近い移動量は第２実施形態による移動量である。
自走式移動体の実際の移動量は、指令値１５０ｃｍであるが、これに対して光学式マウスユニット４による移動検出量が１１８．６ｃｍ，カメラユニット３による移動検出量が９０．９ｃｍと、全区間を通した移動検出量が実際値より小さくなる誤差が発生している。これは、光学式マウスユニット４は畳１５上で、カメラユニット３はフローリング１３上で、それぞれ移動量検知に失敗しているためである。

エンコーダユニット５は、図６から分かるように、どの床面でもほぼ一定の精度で移動量を検知しているが、有効に働いている場合の光学式マウスユニット４やカメラユニット３より精度が低く、全区間を通した移動検出量は１３０．８ｃｍである。

第２実施形態による移動量検知は１３９．５ｃｍであり、どの移動量検知と比較しても、実際の移動量に近いことから、走行状況に応じた移動量検知法を、その都度選択することにより、第１実施形態のように調整工程を行わなくても、自走式移動車の実用面で十分な検出精度が得られることが分かる。

以上の実施形態では、光学式マウスユニット４とカメラユニット３の二種類の光学式移動量検知手段を採用したが、これらと特性が異なる被写界深度及び分解能を有する第３の光学式移動量検知手段を設け、自走式移動車１２が走行する床面に対して上記に類似した移動量検出の選択を行うようにすれば、さらに多様な床面条件に対して信頼性の高い移動量の検知が可能となる。

この発明による自走式移動車の上面斜視図である。 図１に示す自走式移動車の下面斜視図である。 第１実施形態の動作を示すフローチャートである。 第２実施形態の動作を示すフローチャートである。 第２実施形態のテスト条件の説明図である。 第２実施形態のテスト結果を示すグラフである。 第２実施形態のテスト結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 制御・演算装置
２ 外界センサ
３ カメラユニット
４ 光学マウスセンサ
５ エンコーダユニット
６ 駆動車輪
７ 前輪
８ 従動車輪
９ 対物レンズ
１０ 対物レンズ
１２ 自走式移動車

Claims (5)

1. 移動体に搭載されて床面を撮像する第１および第２撮像部と、第１および第２撮像部によって撮像された画像データを用いて移動体の移動量をそれぞれ第１および第２移動量として算出する画像解析部と、第１および第２移動量のいずれかをその信頼度から真の移動量として判別する制御部とを備え、第１および第２撮像部は異なる被写界深度を有することを特徴とする移動量検知装置。
2. 床面に接触する回転体を用いて移動体の移動量を第３移動量として検出する回転式検出部をさらに備え、制御部は第１および第２移動量を第３移動量と比較してその信頼度を判断する請求項１記載の移動量検知装置。
3. 制御部は、所定時間毎に第１および第２移動量を第３移動量と比較し、第３移動量に近い方を真の移動量と判別する請求項２記載の移動量検知装置。
4. 制御部は、第１又は第２移動量と第３移動量との差が所定値以下の場合には、差が所定値以下の移動量を真の移動量と判別し、第１又は第２移動量と第３移動量との差がいずれも所定値より大きい場合には、第３移動量を真の移動量と判別する請求項２又は３記載の移動量検知装置。
5. 制御部は、第３移動量が所定値ｃに達するときに同時に得られる第１移動量ａおよび第２移動量ｂについて、｜ｃ−ａ｜＜｜ｃ−ｂ｜のときには、その後に第１撮像部により得られる移動量にｃ／ａを乗じて補正した値を真の移動量とし、｜ｃ−ａ｜＞｜ｃ−ｂ｜のときには、その後に第２撮像部により得られる移動量にｃ／ｂを乗じて補正した値を真の移動量とする請求項２記載の移動量検知装置。

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