JP2007193495A - 移動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】自律的に移動する移動車両において、低コストで簡単な構成により、障害物や床面の起伏を検知して安全に停止可能とする。
【解決手段】移動車両１は、駆動部２と、測定面Ｓ内における障害物までの距離を検知する２次元センサ３と、２次元センサ３の検出出力に基づいて回避不能な障害物が走行方向前方に存在することが判明したとき駆動部２を制御して走行を停止させる停止手段４と、を備える。２次元センサ３は、前方の走行路面１０と測定面Ｓとが走行方向前方の障害物回避に必要な距離ｄだけ離れた位置において交差するように下方に向けて設置され、２次元センサ３による距離測定範囲が移動車両１の車幅Ｗに左右の余裕幅αを加えた範囲内であり、停止手段４は、２次元センサ３により検知された距離が走行路面１０と２次元の測定面Ｓとが交差する位置を示す距離でないとき移動車両１の走行を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、障害物を検知して安全に停止できる自律的に移動する移動車両に関する。

従来、高価な３次元スキャン型距離センサを用いることなく、車両本体前面に設置され進行方向の斜め下方に向けて取付けられた２次元スキャン型測距センサと、車両本体前面に設置され進行方向に向けて取付けられた２次元スキャン型距離センサとを組み合わせることにより、両センサの利点を生かして進行方向にある障害物や床面の起伏を検出しつつ障害物や危険個所を避けながら自律的に移動する自律移動車両が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、移動車の上部に鉛直方向の回転軸を有する回転台を設け、この回転台に、検知方向が水平面よりも下方と成るように光学的距離センサを取付け、回転台を回転しながら移動車を走行し、このセンサにより障害物を３次元的に検知して障害物を回避しながら移動する自律移動車両が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−１５７６８９号公報 特開平０１−２９３４１０号公報

しかしながら、上述した特許文献１，２に示されるような移動車両においては、多くの測距データや複雑な演算処理に基づいて環境を把握しつつ複雑な移動環境に対処可能とされているので、装置が大掛かりになるという問題がある。例えば、他の移動体のない環境や、あまり複雑ではない移動環境における自律移動車両、あるいは、人が付いて移動するパワーアシスト制御の移動台車のような移動車両では、より簡便な障害物検知方法による低コストの移動車両が望まれる。

本発明は、上記課題を解消するものであって、低コストで簡単な構成により、障害物や床面の起伏を検知して安全に停止できる自律的に移動する移動車両を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、走行用の駆動源を有する駆動部と、２次元の測定面内における障害物までの距離を検知する２次元センサと、前記２次元センサの検出出力に基づいて回避不能な障害物が走行方向前方に存在することが判明したとき前記駆動部を制御して走行を停止させる停止手段と、を備えた自律的に走行可能な移動車両であって、前記２次元センサは、当該移動車両の走行路面の走行方向延長面と前記２次元の測定面とが当該移動車両の現在位置から走行方向前方の障害物回避に必要な距離だけ離れた位置において交差するように下方に向けて設置され、当該２次元センサによる距離測定範囲が当該移動車両の車幅を含む範囲内であり、前記停止手段は、前記２次元センサにより検知された距離が前記走行路面延長面と前記２次元の測定面とが交差する位置を示す距離でないとき、当該移動車両の走行を停止するものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の移動車両において、上方に向けて設置した２次元センサをさらに備え、当該２次元センサによる距離測定範囲が当該移動車両の車幅を含む範囲内であり、前記停止手段は、前記上方に向けた２次元センサからの距離情報に基づいて得られた上方の障害物の高さが、当該移動車両の現在位置から走行方向前方の障害物回避に必要な距離だけ離れた位置において当該移動車両の高さ以下である場合に、当該移動車両の移動を停止するものである。

請求項３の発明は、請求項２に記載の移動車両において、前記下方に向けて設置した２次元センサ、及び、前記上方に向けて設置した２次元センサを、当該移動車両の周囲に設けたものである。

請求項１の発明によれば、走行方向前方の危険回避のために必要な距離以上に離れた位置において車幅に余裕幅を加えた範囲内で障害物や走行路面の起伏を検知するので、処理するデータ量が必要最小限とされており、簡単な計算で、移動時の安全を確実に確保でき、低コストで簡単な構成の移動車両を提供できる。このような移動車両では、下り階段への転落などを防止できる。また、パワーアシスト制御の移動車両では、衝突の可能性が高い場合のみ、この方法で停止させるようにして、安全性を確保して効率的に移動できる。

請求項２の発明によれば、上方の障害物を簡便に検知して衝突の危険性をなくし、安全に移動できる。

請求項３の発明によれば、上方周囲の障害物や下方周囲の障害物及び路面の起伏を簡便に検知して衝突や転落の危険性をなくし、安全に移動可能な移動車両を提供できる。

以下、本発明の自律的に移動する移動車両について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る移動車両１を示し、図２乃至図３は制御部４の構成が異なる移動車両１のブロック構成例を示し、図５は移動車両１の走行動作のフローチャートを示す。移動車両１は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、走行用の駆動源を有して駆動輪２１を駆動する駆動部２と、２次元の測定面Ｓ内における障害物までの距離を検知する２次元センサ３と、２次元センサ３の検出出力に基づいて回避不能な障害物が走行方向前方に存在することが判明したとき駆動部２を制御して走行を停止させる制御部（停止手段）４とを備えて自律的に移動する車両である。

移動車両１は、自律移動するために、自己位置を認識するための環境情報取得センサ（図２参照）や、移動領域における地図情報や現在値から目的地までの移動経路を記憶する記憶部を備えることができる。記憶部は、例えば、制御部４に付属又は内蔵して設けられる。制御部４は、環境情報取得センサによって環境情報を取得し、その情報と記憶している地図情報とを用いて自己位置を確認しつつ、記憶部に記憶した移動経路に沿って、目的地まで移動するように、駆動部２を制御する。

また、移動車両１は、操作者が付いて移動する、いわゆるパワーアシスト制御の移動台車のような移動車両としても構成できる。この場合、制御部４は、操作者との作業の分担や重複が可能であり、移動車両１のシステムの構成は、半自律的なものから、完全自律的なものまで、使用目的や使用環境に従って、種々の構成を採用することができる。なお、制御部４は、ＣＰＵやメモリや外部記憶装置や表示装置や入力装置などを備えた一般的な構成を備えた電子計算機上のプロセス又は機能の集合として構成することができる。

上述の２次元センサ３は、移動車両１の現在位置の走行路面（床面）を矢印ａで示す走行方向に延長した走行路面１０と２次元の測定面Ｓとが、移動車両１の現在位置から走行方向前方の障害物回避に必要な距離ｄだけ離れた位置において、交差するように下方に向けて設置され、２次元センサ３による左右の距離測定範囲が移動車両１の車幅Ｗを含む範囲と成っている。従って、その測定領域は、図中の領域１１のように限定した領域となる。

また、制御部４の構成する停止手段は、２次元センサ３により検知された距離が走行路面延長面つまり路面１０と２次元の測定面Ｓとが交差する位置を示す距離、すなわち路面１０を示す距離でないとき、走行方向前方の路面高さが通行可能な高さの凸部又は凹部ではないと判断して移動車両１の走行を停止する。但し、検知された距離が路面１０上の位置を示すかどうかの判定は、しきい値εを用いて距離に幅を持たせた式（後述）に基づいて行われる。ここで、２次元センサ３により検知された距離は、測定面Ｓ内における２次元センサ３（後述のスキャン中心）から障害物、例えば路面１０、までの距離である。

左右幅方向の距離測定範囲は、移動車両１の車幅Ｗに左右の所定の余裕幅αを加えて、Ｗ＋２α、とされる。余裕幅αは、例えば、車幅Ｗの２０％（α＝０．２×Ｗ）などとされる。他の移動体のない環境、又は、あまり複雑ではない移動環境における移動車両１や、人が付いて移動するパワーアシスト制御の移動車両１においては、この余裕幅αを、例えば、車幅Ｗの１０％以下（α≦０．１×Ｗ）にできる。また、他の移動体が移動車両１の走行路前方の障害物回避に必要な距離ｄに入る可能性のある環境においては、余裕幅αを大きくとって、例えば、α＝０．５×Ｗ、などとされる。

ここで、２次元センサ３による路面高さの測定について説明する。２次元センサ３として、例えば、レーザ光の反射光によって反射物体までの距離を測定するレーザレーダを用いることができる。このような２次元センサ３は、測定面Ｓ内で所定の一定角度Δθ毎に、所定の視野角度内をスキャンできる。２次元センサ３は、そのスキャン中心を、移動車両１の左右中央であって高さＨの位置とし、鉛直方向下方に対する測定面Ｓの傾き角度を取付角度φとして、取り付けられているとする。また、２次元センサ３は、測定面Ｓを前方１８０゜の半平面とし、上方から見て反時計回りに０゜〜１８０゜の範囲をΔθ間隔で分割してスキャンできるものとする。測定点に番号ｉ＝０，１，・・を順番に付与する。すると、番号ｎの測定点の角度θは、θ＝ｎ×Δθ、となる。

また、測定領域１１の走行方向の右端と左端で測定点の番号がそれぞれ、Ｎｍｉｎ，Ｎｍａｘ、であるとする。すなわち、測定は、角度範囲がθｍｉｎ＝Ｎｍｉｎ×Δθからθｍａｘ＝Ｎｍａｘ×Δθ、の視野角度範囲となるように行われる。これらの番号Ｎｍｉｎ，Ｎｍａｘは、車幅Ｗ、左右の余裕幅α、高さＨ、及び取付角度φを用いて、次の関係式から求められる。
ｔａｎ（Ｎｍｉｎ×Δθ）＝（Ｈ／ｃｏｓφ）／（Ｗ／２＋α）、
ｔａｎ（Ｎｍａｘ×Δθ−π／２）＝（Ｈ／ｃｏｓφ）／（Ｗ／２＋α）。

また、ｉ番目のスキャンにおいて得られる障害物までの距離Ｌ（ｉ）を、測定面Ｓ内におけるスキャン中心から障害物までの距離とする。路面１０が検知される場合の距離Ｌ（ｉ）は、Ｌ（ｉ）＝（Ｈ／ｃｏｓφ）／ｓｉｎ（ｉ×Δθ）、となる。そこで、視野角度範囲、従って測定番号の範囲、Ｎｍｉｎ≦ｉ≦Ｎｍａｘ、の範囲において、距離Ｌ（ｉ）が、路面１０を検知した結果であるかどうかを判定する式は、
（Ｈ／ｃｏｓφ−ε）／ｓｉｎ（ｉ×Δθ）≦Ｌ（ｉ）≦（Ｈ／ｃｏｓφ＋ε）／ｓｉｎ（ｉ×Δθ）、となる。

ここで、εは、本来の走行路面、つまり、現在位置の走行路面を走行方向に延長した走行路面１０を検知したかどうかを判定するためのしきい値である。このしきい値εは、障害物の高さ（又は、路面の凸部の高さ）や路面の凹部の深さに対して独立に設定でき、また、各測定番号毎に設定できる。なお、このしきい値εは、スキャン中心から路面１０までの測定面Ｓ内における距離Ｌ（ｉ）、に対する距離のふれ幅であって、路面からの高さを直接に表しているものではなく、路面１０からの高さ、又は深さを簡易に表現するパラメータとなっている。もちろん、距離Ｌ（ｉ）に基づいて、路面１０からの高さ、又は深さを厳密に求めることもできる。

上述の、測定番号ｉにおける距離Ｌ（ｉ）の上限値と下限値とは、予め計算しておくことができるので、これらの値を求めて参照テーブルとして記憶しておく。制御部４の停止手段は、走行時に、２次元センサ３による距離Ｌ（ｉ）の測定結果を、参照テーブルの値と比較することにより、走行を停止させるかどうかを容易に判定することができる。

このような移動車両１によれば、走行方向前方の危険回避のために必要な距離以上に離れた位置において車幅Ｗに左右の余裕幅αを加えた範囲内で障害物や路面１０の起伏を検知するので、処理するデータ量が必要最小限とされている。従って、従来例では、３次元的に障害物を認識する必要があり、計算量が多いという、問題があったが、この移動車両１であれば、簡単な計算で、移動時の安全を確実に確保でき、低コストで簡単な構成の移動車両１を提供できる。このような移動車両１では、下り階段への転落などを防止できる。また、パワーアシスト制御の移動車両では、衝突の可能性が高い場合のみ、この方法で停止させるようにして、安全性を確保して効率的に移動できる。

次に、上述の移動車両１の制御部４の構成について、さらに説明する。制御部４は、停止手段を構成するものであり、制御部４と停止手段の構成について、例えば、図２、図３、図４に示すようにできる。図１の構成は、障害物検知のための斜め下方向き２次元センサ３、及び自己位置認識のための環境情報取得センサ５からのデータ処理と、その処理結果に基づいて行う駆動部２の制御とを、１つのＣＰＵで行う構成である。このような構成のシステムは、自律移動の容易な環境における移動車両１や、高速高性能のＣＰＵなどを用いたハイレベルの制御部を用いた移動車両１に適用される。

また、一般に、移動車両１が自律移動するためには高い演算能力を必要とする。そこで、図３に示すように、制御部４を、自律移動のための自律移動制御部４０と駆動部２を制御するための駆動制御部４１に分離し、各々が処理を分担する構成のシステムとすることにより負荷を分散できる。また、図４に示すように、２次元センサ３からのデータの処理を駆動制御部４１に分担させる構成のシステムとすることもできる。いずれにしても、完全に自律移動する車両か、パワーアシスト台車のような半自律的な車両か、などという移動車両１の機能への要求や、移動車両１の稼働環境や製造コストなどからの要求の違いとの兼ね合いによって、これらの制御部４の構成を選択すればよい。

次に、移動車両１の移動走行時の動作をフローチャートに従って説明する。移動車両１の制御部４は、図５に示すように、移動開始と共に環境情報取得センサからの環境情報のデータ収集を行う（Ｓ１）。制御部４は、得られた環境情報と、地図情報とから自己位置を認識する（Ｓ２）。制御部４は、自己位置認識結果に基づいて、移動車両１が目的地に到達しているかどうかを判定し、到達している場合は、駆動部２に停止指令の出力を行って走行を終了する。目的地に到達していない場合には（Ｓ３でＮｏ）、制御部４は、自律移動計画をたてて、どちらの方向に、どれだけ移動するかを決定し、駆動部２に出力するための移動指令値を生成する（Ｓ４）。

次に、制御部４は、２次元センサ３による距離測定のデータを収集し（Ｓ５）、そのデータが、走行路面を検知したデータかどうか、すなわち、全ての距離データが参照テーブルに記憶した最大値と最小値との範囲内に入っているかどうかを判定する（Ｓ６）。制御部４は、距離データのいずれもが、最大最小の範囲から外れていない場合（Ｓ６でＮｏ）、移動指令値を駆動部２に出力し、駆動部２は移動指令値に基づいて駆動輪２１を駆動する（Ｓ８）。その後、制御ステップが、所定の制御周期に従って、ステップＳ１から繰り返される。

また、距離データのいずれかが、最大最小の範囲から外れている場合（Ｓ６でＹｅｓ）、制御部４は、移動指令値を停止指令に変更し（Ｓ７）、駆動部２は、停止指令を受け取ると直ちに停止するように駆動輪２１の駆動制御を行う（Ｓ８）。停止指令を出して移動車両１が停止した後の処置として、制御部４は、停止中との発報を行ったり、２次元センサ３からの定期的なデータ収集を行ったりする。前者の場合、作業員が発報に気付いて処置することが期待され、後者の場合、障害物が移動体の場合にその移動体の退去によって停止状態が解除されることが期待される。

（第２の実施形態）
図６は本発明の第２の実施形態に係る移動車両１を示す。この第２の実施形態の移動車両１は、上述の第１の実施形態の移動車両１において、下方に向けて設置した２次元センサ３に加え、上方に向けて垂直方向から前方に所定の角度ψ傾けて設置した２次元センサ６をさらに備えている。この２次元センサ６による距離測定範囲が移動車両１の車幅Ｗを含む範囲内であり、停止手段を構成する制御部４は、上方に向けた２次元センサ６からの距離情報に基づいて得られた上方の障害物の高さが、移動車両１の現在位置から走行方向前方の障害物回避に必要な距離だけ離れた位置において移動車両１の高さＨ以下である場合に、移動車両１の移動を停止する。

なお、上述の所定の角度ψは、障害物回避に必要な前方の距離と移動車両１の高さＨとに基づいて決定される。また、移動停止の判定基準となる高さを、移動車両１の高さＨではなく、この高さＨに余裕高さηを加えた高さ（Ｈ＋η）としてもよい。

このような第２の実施形態の移動車両においては、上方の障害物に衝突する恐れを解消でき、第１の実施形態の移動車両１よりも安全に移動走行できる。

（第３の実施形態）
図７（ａ）（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る移動車両１を示し、図８は移動車両１の周辺の危険エリアＡと回避エリアＢの領域区分を示す。この第３の実施形態の移動車両１は、上述の第１の実施形態の移動車両１において、走行方向前方の下方に向けて設置した２次元センサ３に加え、走行方向の左右、及び、後方に下方に向けて設置した２次元センサ３を追加し、移動車両１の周囲の走行路面上の障害物や路面の起伏を測定するようにしたものである。

この移動車両１の前後の２次元センサ３は、車幅Ｗの左右に余裕幅αを加えた幅領域を測定領域１１としており、左右の２次元センサ３は、車長に余裕長を加えた長さ領域を測定領域１２としている。移動車両１の制御部４は、図８に示すように、周囲の領域を、移動車両１に近接した領域から成る危険エリアＡと、その外部領域である回避エリアＢとに区分して移動停止などの制御を行うことができる。

危険エリアＡは、所定の高さの障害物や路面の凸部、あるいは所定深さの路面の凹部が存在すると判定されたときに、停止する領域と決めているエリアであり、回避エリアＢは、そこに障害物などが存在すれば、回避制御を行うエリアである。通常は、回避エリアＢ内で障害物を回避するので、危険エリアＡには、障害物は入ってこないはずである。しかしながら、危険エリアＡに障害物が入ってきた場合に、制御部４は、危険であると判断して停止制御、及び注意喚起の発報などを行う。

このような第３の実施形態の移動車両１によれば、下方周囲の障害物及び路面の起伏を簡便に検知して障害物との衝突や凹部への転落の危険性を回避し、安全に自律的な移動ができる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、第３の実施形態の移動車両１において、下方に向けた２次元センサ３のみを、移動車両１の周囲に配置した例を示したが、上方に向けた２次元センサ６を移動車両１の前方や、移動車両１の周囲に、さらに配置してもよい。この場合、移動車両１は、上方周囲の障害物や下方周囲の障害物及び路面の起伏を簡便に検知して衝突や転落の危険性をなくし、より安全に移動可能となる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る移動車両の側面図、（ｂ）は同平面図。 同上移動車両の制御部の構成を示すブロック図。 同上移動車両の制御部の他の構成を示すブロック図。 同上移動車両の制御部のさらに他の構成を示すブロック図。 同上移動車両の動作を説明するフローチャート。 本発明の第２の実施形態に係る移動車両の側面図。 （ａ）は本発明の第３の実施形態に係る移動車両の側面図、（ｂ）は同正面図。 同上移動車両の周辺の危険エリアと回避エリアの領域区分を示す平面図。

符号の説明

１ 移動車両
２ 駆動部
３，６ ２次元センサ
４ 制御部（停止手段）
１０ 路面
４１ 駆動制御部（停止手段）
ｄ 距離
Ｓ 測定面
Ｗ 車幅

Claims (3)

1. 走行用の駆動源を有する駆動部と、２次元の測定面内における障害物までの距離を検知する２次元センサと、前記２次元センサの検出出力に基づいて回避不能な障害物が走行方向前方に存在することが判明したとき前記駆動部を制御して走行を停止させる停止手段と、を備えた自律的に走行可能な移動車両であって、
   前記２次元センサは、当該移動車両の走行路面の走行方向延長面と前記２次元の測定面とが当該移動車両の現在位置から走行方向前方の障害物回避に必要な距離だけ離れた位置において交差するように下方に向けて設置され、当該２次元センサによる距離測定範囲が当該移動車両の車幅を含む範囲内であり、
   前記停止手段は、前記２次元センサにより検知された距離が前記走行路面延長面と前記２次元の測定面とが交差する位置を示す距離でないとき、当該移動車両の走行を停止することを特徴とする移動車両。
2. 上方に向けて設置した２次元センサをさらに備え、当該２次元センサによる距離測定範囲が当該移動車両の車幅を含む範囲内であり、
   前記停止手段は、前記上方に向けた２次元センサからの距離情報に基づいて得られた上方の障害物の高さが、当該移動車両の現在位置から走行方向前方の障害物回避に必要な距離だけ離れた位置において当該移動車両の高さ以下である場合に、当該移動車両の移動を停止することを特徴とする請求項１に記載の移動車両。
3. 前記下方に向けて設置した２次元センサ、及び、前記上方に向けて設置した２次元センサを、当該移動車両の周囲に設けたことを特徴とする請求項２に記載の移動車両。

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