JP2007249631A - 折線追従移動ロボットおよび折線追従移動ロボットの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】サブゴールをつなぐ直線からなる折線を移動経路として移動ロボットに与える。制御エンジン11は、移動ロボットの走行距離・走行方向と、上記観測した固定物との相対距離から現在のロボットの位置・姿勢を推定し、現在のロボット位置を上記経路計画エンジンに渡して、経路計画をリクエストする。経路計画エンジン12は、上記リクエストがあったとき、仮想ロボットを上記折線に沿って移動させることにより仮想ロボットの通過点を求めて、該仮想ロボットの通過点の点列を上記制御エンジン11に渡す。制御エンジン11は、上記通過点の点列に沿って移動ロボットが移動するように上記走行制御系20を制御する。
【選択図】 図6
Description
例えば、特許文献1には、予定走行経路を示す地点を点列として与え、移動ロボットが自分の位置・姿勢を計測し、上記点列のうちの目標地点と移動ロボットの現在位置との差に基づき、進行方向を決めるようにしたものが記載されている。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであって、折線を複数の線分に分解し、ロボットの追従線分の切り替えを制御することにより、情報処理が簡単で、リアルタイム性が高く、現在位置から目的地までへのサブゴール間をつなぐ長いパスに沿って滑らかに移動させることが可能な折線追従移動ロボットおよび折線追従移動ロボットの制御方法を提供することである。
以上のように本発明においては、次のようにして上記課題を解決する。
(1)移動ロボットに、経路計画エンジンと、制御エンジンと、固定物との相対位置を観測する手段と、該ロボットを移動させる走行制御系とを設け、上記制御エンジンは、移動ロボットの走行距離・走行方向と、上記観測した固定物との相対距離から現在のロボットの位置・姿勢を推定し、現在のロボット位置を上記経路計画エンジンに渡して、経路計画をリクエストし、上記経路計画エンジンは、上記リクエストがあったとき、仮想ロボットを上記折線に沿って移動させることにより仮想ロボットの通過点を求めて、該仮想ロボットの通過点の点列を上記制御エンジンに渡し、上記制御エンジンは、上記通過点の点列に沿って移動ロボットが移動するように上記走行制御系を制御する。
(2)上記(1)において、上記経路計画エンジンは、仮想ロボットの現在位置から上記折線を構成する線分までの距離、仮想ロボットの現在姿勢と線分の向き/角度の差、および、仮想ロボットの現在位置から上記折線のサブゴールまでの距離から、仮想ロボットの速度と進む方向を決定する。
(3)上記(2)において、経路計画エンジンは、仮想ロボットが仮想ゴールA,Bを結ぶ線分に沿ってゴールBに向かって移動している際、仮想ロボットとサブゴールBとの距離が予め定められた閾値より小さいとき、あるいは、仮想ロボットと上記線分A,Bを結ぶ線分との距離より、仮想ロボットと上記サブゴールBと次のサブゴールCを結ぶ線分との距離が小さくなったとき、仮想ロボットが追従する線分をA,BからB,Cに変更する。
(4)上記(2)(3)において、上記折線のサブゴールはスタックに保存され、追従する線分を切り替える際、上記経路計画エンジンは、上記スタックから次のサブゴールを取り出す。
(1)本発明では、サブゴールをつなぐ直線からなる折線を移動経路とし、この折線を複数の線分に分解し、ロボットの追従線分の切り替えを制御することによって、移動ロボットをこの移動経路に沿って走行するように制御しているので、情報処理が簡単になり、リアルタイム性の高い制御を実現することが可能となった。
特に、従来の曲線追従方式では、煩雑な処理が必要とし、組み込み制御システムに応用しにくかったが、本発明では、情報処理が簡単になり、リアルタイム性が高い制御が実現できるので、組み込みシステムに応用できるようになった。
(2)環境情報地図を有し、この地図上で仮想ロボットを移動させて、上記折線に沿って移動する経路を求め、この経路を走行制御系に与えてロボットを走行させることにより、グローバル的な最適な経路を生成してロボットを走行させることができる。
また、サブゴールの近傍で、仮想ロボットが追従する線分を切り換えるようにしたので、サブゴールの近くでもロボットを滑らかに移動させることができで、サブゴールでロボットが停止してしまうこともない。
(3)従来では、ロボットが自由に移動できる空間に関する情報の取得には、大規模な距離をセンシングする装置が必要であった。また、単純なステレオビジョン計測の場合では、空間情報を欠如するという問題があった。本発明では、事前に作られている環境地図情報、とステレオビジョン観測とを統合して、ロボットの位置を推定するようにしたので、比較的容易にかつ精度よく、ロボットの位置を推定することが可能となった。
図1に示す移動ロボット(以下単にロボットという)100は4つの車輪101と、これを駆動するモータ102を有し、モータ102にはエンコーダ103が設けられている。エンコーダ103の出力は移動量算出部104に入力され、移動量算出部104で、車輪102の回転量、すなわち、ロボットの移動量を算出する。従って、ロボットの出発位置(初期位置)が与えられれば、上記移動量からロボットの大まかな位置を求めることができる。
また、本実施例のロボット100には、ステレオビジョン・センサ40が設けられ、ステレオビジョン・センサ40により、例えば図2に示すようにロボット100の移動方向の固定物(障害物)との距離a1,a2,a3などを求めることができる。
さらに、ロボット100は、移動する領域の固定物などの位置を記録した環境地図情報を有する。
図3はロボット100が有する環境地図情報の一例を示す図であり、同図に示すように、環境地図情報は、例えばロボットの走行領域のグリッドマップであり、壁面などの固定物の位置が記録されている。ここでグリッドマップは、図3に示すように、水平面をある大きさのブロックで分割した平面からなる地図であり、固定物、障害物のあるグリッドには、例えば0以上の値、障害物のないグリッドには、0が与えられている。
したがって、上記グリッドマップ上の固定物の位置と、上記ステレオビジョン・センサ40で観測したロボットの周囲の固定物との距離とを照合することで、ロボットの位置をさらに正確に把握することができる。
ロボット100に与えられる経路情報は、例えば図4(a)に示すように、ロボットの現在位置から目的地までのパスを、サブゴール(同図の通過点A,B,C…)をつなぐ折線で表したものである。
上記サブゴールをつなぐ折線は、図5に示すように線分1〜線分nに分解されてサブゴールスタックに格納され、後述するように、経路計画を行なう際、分解されたそれぞれの線分に対して追従するように仮想ロボットを移動させる。
ロボット100の自律走行モジュール10は、ロボットの初期位置からの移動量、ステレオビジョン・センサ40により観測された周囲の固定物などとの距離、および環境地図情報に基づき、ロボットの現在位置を求め、上記折線とのずれによって、既定経路に復帰するローカルな図4(b)に示すようなパスを生成し、このパスに沿ってロボット100が移動するように、走行制御系20に制御信号を送出する。
走行制御系20は、前記モータ103を駆動してロボットを移動させる。
なお、図1では車輪によってロボットを移動させる場合について示したが、ロボットの走行手段は上記に限られず、その他の走行手段を有するものであってもよい。
制御エンジン11は、ロボット位置推定部11aと、経路計画要求部11bと、走行コマンド生成部11cを具備し、環境情報の収集、ロボットの自己位置推定、経路計画エンジンを呼び出し、計画した経路の走行系への送信、及びロボットの追従する線分の切り替えなどを、ロボットが最終ゴールに到達まで繰り返し実行する。
すなわち、ロボット位置推定部11aは、ステレオビジョン・センサ40と、前記移動量算出部104で求めたロボットの大まかな位置を、前述したようにステレオビジョン・センサ40の観測値とグリッドマップ14(図3参照)とに基づき補正して、ロボットの現在位置を推定する。
一方、前述したようにCPU30からロボットのグローバル移動経路であるサブゴールをつなぐ折線が与えられる。この折線は分解されてサブゴールスタック13に格納されている。
経路計画エンジン12は、制御エンジン11からの追従すべき折線の情報とロボットの現在姿勢を受信して、折線を追従するように仮想ロボットを走行させる。
このため仮想ロボットが追従すべき折線を複数線分の追従に分解する。例えば、仮想ロボットがA点からスタートし、追従する折線をABCとする場合、制御は線分をAB、BCに分解し、それぞれの線分に沿って仮想ロボットが走行するように制御する。ただし、後述するように、途中で追従する線分を切り替える。
すなわち、経路計画エンジン12の経路計画部12aは、後述するように仮想ロボットの位置と上記追従すべき線分とのエラーに基づき仮想ロボットの速度と角度を決定する。そして、仮想ロボットを上記のように走行させて、仮想ロボットの通過点の点列を求め、経路計画として制御エンジン11に渡す。
制御エンジン11の走行コマンド生成部11cは、上記経路計画エンジン12から得た経路計画に基づき、走行制御系を駆動する走行コマンドを生成する。
この走行コマンドに基づき走行制御系20は、前記したようにモータ102を駆動し、ロボット100を移動させる。
同図に示すように、制御エンジン11は、ロボットの現在位置Pを読み込み、現在位置Pが最終ゴールに達したかを判定する(ステップS1,S2)。
ロボットの位置が最終ゴールに達した場合は、処理を終了する。
また、最終ゴールに達していない場合は、前記したように、ステレオビジョン・センサ40で観測した周囲の状況とグリッドマップ14を重ね合わせて、現在位置を推定して補正量ΔPを求め、移動量算出部104で推定したロボットの現在位置Pを補正量ΔPで補正する(ステップS3)。
ついで、現在位置Pがサブゴールに達したかを判定し、サブゴールに達した場合は、サブゴールスタックから次のサブゴールを取り出し(ステップS4,S5)、ステップS6に行く。また、現在位置Pがサブゴールに達していない場合には、ステップS4からステップS6に行き、経路計画エンジン12にパス・ プラニング(経路計画)を要求する(ステップS6)。
そして、経路計画エンジン12からパス・プラニングを取得し(ステップS7)、走行制御系20に走行コマンドを送出する。
制御エンジン11から経路計画エンジン12に対して経路計画の要求があると、まず仮想ロボットを現在位置にセットし、追従すべき線分とのエラーを求める。そして、仮想ロボットの速度と角度を決定する(ステップS1〜S4)。
すなわち、仮想ロボットの現在位置から上記線分までの距離、現在姿勢と線分向きとの角度の差、仮想ロボットの現在位置からサブゴールまでの距離を3つの誤差を評価関数として、ロボットを制御する速度と進む方向を決める。
これによって、前記誤差の修正を最も速くするように、仮想ロボットが線分上への復帰、姿勢修正、サブゴールでのパーキングという3つの行動を実現することができる。
本実施例においては、図9(b)の(1)(2)(3)式の制御則により、現在の仮想ロボットの進行方向に対する旋回角度ζおよび仮想ロボットの単位時間当たりの移動距離νを求める(定数kθ(θは下添え字)、ke 、Mは定数)。
ここで、同図(a)はサブゴールを結ぶ線分と、仮想ロボットの位置と進行方向の関係を示し、Aw (xa ,ya )、Bw (xb ,yb )は、それぞれ、スタートのサブゴール、目標となるサブゴールの位置座標(wの添え字を付したものはワールド座標)、Rw (xr ,yr )はロボットの現在位置の位置座標(ワールド座標)、Xr はロボットの移動方向、Yr はロボットの移動する方向に直交する方向、db はロボットとゴールとなるサブゴールとの間の距離、αはロボットの進行方向と、ゴールとなるサブゴールとロボットを結ぶ線との間の角度である。
また、同図(b)において、(4)式は、ワールド座標系(添え字wの座標系)とロボット座標系(添え字rの座標系)の変換式、(5)(9)式は、それぞれ追従すべき線分の傾き、この線分のX軸に対する角度θを示し、また、(6)(7)(8)式におけるεABはロボット位置と線分との誤差を示す。
そこで、実際のロボットの走行において、ロボットが停止しないように、図10(b)に示すように、仮想ロボットがサブゴールに近づくと、追従する線分を切り換えて、仮想ロボットを必ずこのサブゴールを通過するようにする。
すなわち、折線のサブゴールはスタックに保存されており、実際のロボットの線分追跡の完了次第にサブゴールをスタックから吐き出し、次に追跡する線分に切り替える。
追従する線分を切り替える条件としては、図11(a)に示すように、ロボットと現在向かっているサブゴールBとの距離が閾値より小さい場合、あるいは図11(b)に示すように、前記制御則により計算した仮想ロボットの現在追従している線分からの誤差εABより、次の線分からの誤差εBCが小さい場合である。
最終ゴールに到達していなければ、サブゴールを切り換えるか、すなわち、上述したように追従する線分を切り換えるかを判定する。サブゴールを切り換える場合には、サブゴールスタックから次のサブゴールを取り出す(ステップS7,S8)。また、サブゴールを切り換えない場合には、ステップS9に行き、ループ回数が閾値THを越えたか否かを判定する。ループ回数が閾値THを越えていなければ、ステップS2に戻り、上記処理を繰り返す。なお、この閾値THは、制御エンジン11に渡す点列の数を設定するものであり、この閾値に応じた数の点列が制御エンジンに渡される。
ループ回数が閾値THを越えたら、上記処理により得られた仮想ロボットの走行経路の点列を制御エンジンに渡す。
この点列に基づき制御エンジン11は前述したように走行コマンドを生成し、走行制御系を制御する。
制御エンジン11は、経路計画エンジン12から受け取った点列(通過点ポイント)の数が0以上の場合、走行制御系20に走行コマンドを与える。ポイントの数が0である場合は、ロボットの移動先がないと意味するため、走行制御系20に走行停止を指示する。 制御エンジン11が次の循環に入る。各循環では経路計画エンジン12から生成した通過点の数が連続的に0である場合、ロボットを現在のサブゴールに向け、ランダムに向きを変え、経路を探す。
11 制御エンジン
12 経路計画エンジン
13 サブゴールスタック
14 グリッドマップ
20 走行制御系
30 CPU
40 ステレオビジョンセンサ
100 移動ロボット
101 車輪
102 モータ
103 エンコーダ
104 移動量算出部
Claims (5)
- 与えられた経路に沿って移動させる走行制御装置を備えた移動ロボットであって、上記経路は、サブゴールをつなぐ折線であり、
上記移動ロボットは、経路計画エンジンと、制御エンジンと、固定物との相対位置を観測する手段と、該ロボットを移動させる走行制御系とを備え、
上記制御エンジンは、移動ロボットの走行距離・走行方向と、上記観測した固定物との相対距離から現在のロボットの位置・姿勢を推定し、現在のロボット位置を上記経路計画エンジンに渡して、経路計画をリクエストし、
上記経路計画エンジンは、上記リクエストがあったとき、仮想ロボットを上記折線に沿って移動させることにより仮想ロボットの通過点を求めて、該仮想ロボットの通過点の点列を上記制御エンジンに渡し、
上記制御エンジンは、上記通過点の点列に沿って移動ロボットが移動するように上記走行制御系を制御する
ことを特徴とする折線追従移動ロボット。 - 上記経路計画エンジンは、仮想ロボットの現在位置から上記折線を構成する線分までの距離、仮想ロボットの現在姿勢と線分の向き/角度の差、および、仮想ロボットの現在位置から上記折線のサブゴールまでの距離から、仮想ロボットの速度と進む方向を決定することを特徴とする請求項1の折線追従移動ロボット。
- 上記経路計画エンジンは、仮想ロボットが仮想ゴールA,Bを結ぶ線分に沿ってゴールBに向かって移動している際、仮想ロボットとサブゴールBとの距離が予め定められた閾値より小さいとき、あるいは、仮想ロボットと上記線分A,Bを結ぶ線分との距離より、仮想ロボットと上記サブゴールBと次のサブゴールCを結ぶ線分との距離が小さくなったとき、仮想ロボットが追従する線分をA,BからB,Cに変更する
ことを特徴とする請求項2の折線追従移動ロボット。 - 上記折線のサブゴールはスタックに保存され、追従する線分を切り替える際、上記経路計画エンジンは、上記スタックから次のサブゴールを取り出す
ことを特徴とする請求項2または請求項3の折線追従移動ロボット。 - サブゴールをつなぐ直線に沿ってロボットを移動させる折れ線追従移動ロボットの制御方法であって、
移動ロボットの走行距離・走行方向と、移動ロボットから観測した固定物との相対距離から、現在のロボットの位置・姿勢を推定し、
上記現在のロボットの位置・姿勢から、折線に沿うように仮想ロボットを移動させて、仮想ロボットの通過点を求めることにより、上記移動ロボットが通過する点列を求め、
上記点列に沿って移動するように移動ロボットを走行させる
ことを特徴とする折線追従移動ロボットの制御方法。
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