JP2008139035A - ３次元環境計測装置及びそれを備えた移動ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲な計測をするとともに、必要に応じて測定点の粗密を調整して適切な密度で、さらには、移動しながら計測する場合でも、移動によるずれをなくして誤認識せずに３次元形状を計測することができるようにする。
【解決手段】レーザで平面状にスキャンして環境の２次元形状を取得するセンサ１と、センサ１をチルト回転させるモータ２と、モータ２の回転速度を制御するモータ制御装置３とを備えた３次元環境計測装置において、操作者によって予め入力される、センサ１のスキャン速度に対するセンサのチルト動作の回転速度の比に応じてモータ２の回転速度を変更する回転速度指令を生成し、該回転速度指令をモータ制御装置３へ与える指令生成装置４を備えた３次元環境計測装置とそれを搭載した移動ロボットとした。
【選択図】図２

Description

本発明は、オフィス、工場等の施設内において、環境情報を計測して移動する移動ロボットに搭載される３次元環境計測装置に関する。

従来の３次元環境計測装置は、複数の２次元レーザセンサを異なる向きに設置し、それぞれのセンサにて取得した情報を重ね合わせて３次元的に環境形状を取得している（例えば、特許文献１参照）。また、２次元レーザセンサをチルト回転させるモータを設け、一定のチルト回転速度にてスキャンする平面を動かしながら３次元的に環境形状を取得しているものもある（例えば、非特許文献１参照）。
図５は、特許文献１における移動ロボット１１１の装置構成を示す。移動ロボット１１１は、記憶した地図情報に基づいて自律的に移動する移動ロボットであり、前面上部に進行方向の斜め下方に向けて取付けられた下方センサ１０１と、前面下部に進行方向に向けて取付けられた前方センサ１０２と、移動ロボット１１１を駆動する駆動装置１１３と、駆動装置１１３を制御する制御装置１１２とを備えている。駆動装置１１３には、車輪等の駆動機構や、駆動機構の回転数から移動量を計測するエンコーダが含まれる。
下方センサ１０１は、床面に向かう方向に対し角度θをなす前方斜め下方に向けて取付けられている。下方センサ１０１は、２次元レーザレンジファインダのような２次元スキャン型距離センサであり、そのレーザ光線が、進行方向に対して左右に傾いていない、角度θで定まる平面（スキャン平面）内において、センサ取付位置を中心にして扇状にスキャンされる。下方センサ１０１は、移動ロボット１１１から一定の距離内にある障害物しか検出できないが、床面の起伏や低い障害物、前方センサ１０２で検出できない床面形状や障害物を検出できる。下方センサ１０１のスキャン平面の角度θを一定の値に変更することもできる。
また、前方センサ１０２は、前記下方センサ１０１と同様に、２次元スキャン型距離センサであり、そのレーザ光線が、床面と平行な面内において、センサ取付位置を中心にして扇状にスキャンされる。前方センサ１０２は、低い障害物は検出できないが、遠方の高い障害物を検出できる。
制御装置１１２は、走行環境に関する地図情報を記憶しており、また、下方センサ１０１及び前方センサ１０２による距離検出データ、及びエンコーダからのデータの演算・記憶処理を行い、移動ロボット１１１の走行制御を行う。制御装置１１２の処理として、前方センサ１０２で取得した情報に下方センサ１０１で取得した情報を重ね合わせて、新たな地図情報の作成と更新の処理が行われる。

図６は、非特許文献１における３次元環境計測装置の装置構成を示す。３次元環境計測装置は、センサ２０１と、センサをチルト回転するモータ２０２と、モータ２０２の駆動制御を行うモータ制御装置２０３を備える。センサ２０１は、２次元レーザレンジファインダのような２次元スキャン型距離センサであり、そのレーザ光線が、左右に傾いていない平面（スキャン平面）内において、センサ取付位置を中心にして扇状にスキャンされる。モータ２０２およびモータ制御装置２０３によりセンサ２０１をチルト回転させることにより、スキャン平面の角度を逐次変更して環境面形状を３次元で計測することができる。このときのセンサ２０１のスキャン速度およびモータ２０２の回転速度は、それぞれ予め設けられた数段階の値に切り替え可能であり、速度設定の組み合わせを変更することにより測定点の密度を調整して３次元計測を行う。
図７に、この３次元環境計測装置を移動ロボットに搭載した場合の装置構成を示す。移動ロボット２１１の前面上部にセンサ２０１を取り付け、モータ２０２およびモータ制御装置２０３にてチルト回転させることにより、進行方向の環境面形状を３次元計測する。移動ロボット２１１には、移動量を計測する（図示しない）エンコーダを含んだ駆動装置２１３と、制御装置２１２とを備えてある。制御装置２１２にて、センサ２０１及びエンコーダからのデータの演算・記憶処理を行い、走行環境に関する地図情報の作成と更新をして、移動ロボット２１１の走行制御を行う。
このように、従来の３次元環境計測装置は、２次元スキャン型のセンサを複数組み合わせたり、モータでチルト回転させることにより３次元的に環境形状を取得しているのである。
特開２００５−１５７６８９号公報（第４−９頁、図１） H.Surmann et al, "An autonomous mobile robot with a 3D laser range finder for 3D exploration and digitalization of indoor environments", Robotics and Autonomous Systems Vol.45, 2003, pp.181-198

特許文献１の３次元環境計測装置は、下方センサのスキャン平面角度θを一定の値にしか変更することができず、特定領域しか計測できないため、広範囲な計測ができなかったり、環境面の細かな３次元形状を計測できないという問題があった。また、非特許文献１のような場合は、測定点の密度を数段階にしか切り替えられないため、測定点が粗になり必要な情報が得られない、あるいは必要以上に密な計測を行ってしまうというような問題もあった。また、移動速度を考慮に入れていない固定の計測速度にて計測を行うため、移動しながら計測する場合に、移動によるずれが発生し誤認識してしまうというような問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、広範囲な計測をするとともに、必要に応じて測定点の粗密を調整して適切な密度で、さらには、移動しながら計測する場合でも、移動によるずれをなくして誤認識せずに３次元形状を計測することができる３次元環境計測装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、レーザで平面状にスキャンして環境の２次元形状を取得するセンサと、前記センサをチルト回転させるモータと、前記モータの回転速度を制御するモータ制御装置とを備えた３次元環境計測装置において、操作者によって予め入力される、前記センサのスキャン速度に対する前記センサのチルト動作の回転速度の比に応じて前記モータの回転速度を変更する回転指令速度を生成し、該回転指令速度を前記モータ制御装置へ与える指令生成装置を備えた３次元環境計測装置とした。
請求項２に記載の発明は、レーザで平面状にスキャンして環境の２次元形状を取得するセンサと、前記センサをチルト回転させるモータと、前記モータの回転速度を制御するモータ制御装置とを備えた３次元環境計測装置において、操作者によって予め入力される、前記センサのスキャン時間に対する前記センサのチルト動作の回転時間の比に応じて前記モータの回転速度を変更する回転指令速度を生成し、該回転指令速度を前記モータ制御装置へ与える指令生成装置を備えた３次元環境計測装置とした。
請求項３に記載の発明は、前記指令生成装置は、前記モータ制御装置に与える前記回転指令速度が規定値より小さい場合に、前記センサのチルト回転の動作範囲を小さくして前記回転指令速度を再計算する請求項１または２記載の３次元環境計測装置とした。
請求項４に記載の発明は、レーザで平面状にスキャンして環境の２次元形状を取得するセンサと、前記センサをチルト回転させるモータと、前記モータの回転速度を制御するモータ制御装置とを有する３次元環境計測装置を搭載し、前記環境を移動する移動ロボットにおいて、前記移動ロボットの移動の指令速度に応じて、前記モータの回転速度を変更する回転指令速度及び又は前記センサのチルト回転動作範囲を変更する修正回転動作範囲を、前記モータ制御装置に与える指令生成装置を備えた移動ロボットとした。
請求項５に記載の発明は、前記指令生成装置が前記モータ制御装置に与える回転指令速度は、操作者によって任意に入力される、前記センサのスキャン速度に対する前記センサのチルト動作の回転速度の比であるスキャン速度比に基づいて算出される請求項４記載の移動ロボットとした。
請求項６に記載の発明は、前記指令生成装置が前記モータ制御装置に与える回転指令速度は、操作者によって任意に入力される、前記センサのスキャン時間に対する前記センサのチルト動作の回転時間の比であるスキャン時間比に基づいて算出される請求項４記載の移動ロボットとした。
請求項７に記載の発明は、前記指令生成装置は、前記モータ制御装置に与える回転指令速度が規定値より小さい場合に、前記センサのチルト回転動作範囲を小さくして前記回転指令速度を再計算する請求項４記載の移動ロボットとした。

請求項１乃至２に記載の発明によると、センサのスキャン速度に応じたモータ回転速度によって、センサをチルト回転させて３次元計測するため、広範囲な計測をするとともに、必要に応じて測定点の粗密を調整して適切な密度で３次元形状を計測することができる。
請求項３乃至７に記載の発明によると、ロボットの移動速度や指令速度に基づき、チルト回転の回転速度や動作範囲を変更することにより、移動しながら計測する場合でも、移動によるずれをなくして誤認識せずに計測することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の３次元環境計測装置の装置構成を示す図である。３次元環境計測装置は、センサ１と、センサ１をチルト回転するモータ２と、モータ２の駆動制御を行うモータ制御装置３と、モータ制御装置３に与える指令速度を計算する指令生成装置４を備える。センサ１は、２次元レーザレンジファインダのような２次元スキャン型距離センサであり、そのレーザ光線が、左右に傾いていない平面（スキャン平面）内において、センサ取付位置を中心にして扇状にスキャンされる。モータ２は、モータ制御装置３からの電流指令に基づき回転運動し、図示しない駆動機構を介してセンサ１を駆動する。モータ制御装置３は、指令生成装置４から出力された指令速度に従いモータを駆動するための電流指令を生成し出力する。指令生成装置４は、例えば、ＣＰＵやメモリを内蔵した計算機であり、センサ１のスキャン速度に応じた入力値からモータ制御装置３に与える指令速度を計算する。これにより、センサ１のスキャン速度に応じたモータ２の回転速度が指令速度として求められ、指令速度を変更することにより測定点の密度を調整して３次元計測を行う。最終的に、モータ２、モータ制御装置３および指令生成装置４によりセンサ１をチルト回転させることにより、スキャン平面の角度を逐次変更して環境面形状を３次元で計測することができる。

図２に、本発明の３次元環境計測装置を移動ロボットに搭載した場合の装置構成を示す。移動ロボット１１の前面上部にセンサ１を取り付け、モータ２、モータ制御装置３および指令生成装置４にてチルト回転させることにより、進行方向の環境面形状を３次元計測する。移動ロボット１１には、移動量を計測する図示しないエンコーダを含んだ駆動装置１３と、制御装置１２とを備えてある。制御装置１２にて、センサ１及びエンコーダからのデータの演算・記憶処理を行い、走行環境に関する地図情報の作成と更新をして、移動ロボット１１の走行制御を行う。
本発明が従来技術と異なる部分は、指令生成装置４を備えた部分である。

図３は指令生成装置４において指令速度を計算する処理手順を示すフローチャートである。この図を用いて本発明における処理を順を追って説明する。
はじめにステップ1で、予め設定されたチルト回転の動作範囲θ_ｍより、移動ロボット１１の指令速度Ｖ_Ｒに応じたチルト回転の動作範囲θ_ｍ’を次式により計算する。移動ロボット１１の指令速度Ｖ_Ｒは、制御装置１２から与えられ、最低速度Ｖ_Ｒｍｉｎおよび最高速度Ｖ_Ｒｍａｘの間にあるものとし、範囲外に指定された場合は、Ｖ_ＲｍｉｎあるいはＶ_Ｒｍａｘに制限される。

Ｖ_Ｒｍｉｎ≦Ｖ_Ｒ≦Ｖ_Ｒｍａｘのとき、
θ_ｍ’＝ Ｖ_Ｒｍｉｎ・θ_ｍ／Ｖ_Ｒ ・・・式１

ただし、・は乗算、／は除算を表し、以降同様の表記をする。
次にステップ２で、予め設定されたセンサのスキャン速度ｖ_ｓに対するセンサのチルト回転の速度の比として操作者が任意に入力するスキャン速度比ｒ_ｖと、ステップ１で計算されたチルト回転の動作範囲θ_ｍ’より、モータ制御装置に与える指令速度ｖ_ｍおよびチルト回転の動作時間Ｔ_ｍを次式により計算する。

ｖ_ｍ ＝ ｒ_ｖ・ｖ_ｓ ・・・式２
Ｔ_ｍ ＝ θ_ｍ’／ｖ_ｍ ・・・式３

ステップ３で、ステップ２にて求められた指令速度ｖ_ｍが規定値ｖ_ｌｉｍより小さいかを判定する。規定値ｖ_ｌｉｍより小さい場合は、ステップ４に進んで指令速度ｖ_ｍを修正し、規定値ｖ_ｌｉｍ以上の場合は、処理を終了し指令速度ｖ_ｍを出力する。ただし、センサの駆動機構において減速機等で減速する場合は、減速比により換算した値を出力する。
ステップ４で、ステップ１で計算されたチルト回転の動作範囲θ_ｍ’、規定値ｖ_ｌｉｍ、指令速度ｖ_ｍよりチルト回転の動作範囲θ_ｍ”を次式により計算し動作範囲を修正する。

ｖ_ｍ＜ｖ_ｌｉｍのとき、
θ_ｍ”＝ ｖ_ｍ・θ_ｍ’／ｖ_ｌｉｍ ・・・式４

ステップ５で、ステップ２で計算されたチルト回転の動作時間Ｔ_ｍ、ステップ４で計算されたチルト回転の動作範囲θ_ｍ”より指令速度ｖ_ｍ’を次式により計算して、指令速度を修正する。そして、この修正されたｖ_ｍ’を出力する。ただし、センサの駆動機構において減速機等で減速する場合は、減速比により換算した値を出力する。

ｖ_ｍ’＝ θ_ｍ”／Ｔ_ｍ ・・・式５

このように計算された指令速度ｖ_ｍ’およびチルト回転の動作範囲θ_ｍ”をモータ制御装置３に送り、チルト回転を制御することにより、測定点の粗密を調整することができる。

図４は、本発明の３次元環境計測装置における計測状態を説明する図であり、調整前は、図４（ａ）に示すようにセンサのスキャン方向に対してチルト回転方向の測定点が密になっており、必要以上に密な計測を行っている。それに対し調整後は、図４（ｂ）に示すようにセンサのスキャン方向とチルト回転方向の測定点が均等に配列しており、必要な粗密間隔での計測ができる。

このように、センサのスキャン速度に対する比率を入力値として、モータ制御装置に与える指令速度を計算するようにしているので、広範囲な計測をするとともに、必要に応じて測定点の粗密を調整して適切な密度で３次元形状を計測することができる。また、ロボットの移動速度や出力結果に基づき、チルト回転の動作範囲を変更しているため、移動しながら計測する場合でも、移動によるずれをなくして誤認識せずに計測することができる。

実施例２では、図３のステップ２の計算において、スキャン速度比ｒ_ｖを操作者の入力値とする代わりに、スキャン時間比ｒ_Tを操作者の入力値として、モータ制御装置に与える指令速度ｖ_ｍおよびチルト回転の動作時間Ｔ_ｍを計算するものである。
予め設定されたスキャン範囲θ_ｓとすると、センサのスキャン時間Ｔ_ｓは、次式により計算される。

Ｔ_ｓ ＝ θ_ｓ／ｖ_ｓ ・・・式６

よって、式６よりモータ制御装置に与える指令速度ｖ_ｍおよびチルト回転の動作時間Ｔ_ｍは、次式のように計算できる。

Ｔ_ｍ ＝ ｒ_T・Ｔ_ｓ
＝ ｒ_T・θ_ｓ／ｖ_ｓ ・・・式７

ｖ_ｍ ＝ θ_ｍ’／Ｔ_ｍ
＝ θ_ｍ’・ｖ_ｓ／（ｒ_T・θ_ｓ） ・・・式８

このように、センサのスキャン時間に対する比率を入力値として、モータ制御装置に与える指令速度を計算するようにしているので、広範囲な計測をするとともに、必要に応じて測定点の粗密を調整して適切な密度で３次元形状を計測することができる。

本発明の３次元環境計測装置の装置構成図 本発明の３次元環境計測装置を移動ロボットに搭載した場合の装置構成図 本発明の３次元環境計測装置における処理手順を示すフローチャート 本発明の３次元環境計測装置における計測状態を説明する説明図 従来の３次元環境計測装置を備えた移動ロボットの装置構成図 従来の３次元環境計測装置の装置構成図 従来の３次元環境計測装置を移動ロボットに搭載した場合の装置構成図

符号の説明

１ センサ
２ モータ
３ モータ制御装置
４ 指令生成装置
１１ 移動ロボット
１２ 制御装置
１３ 駆動装置
１０１ 下方センサ
１０２ 前方センサ
１１１ 移動ロボット
１１２ 制御装置
１１３ 駆動装置
２０１ センサ
２０２ モータ
２０３ モータ制御装置
２１１ 移動ロボット
２１２ 制御装置
２１３ 駆動装置

Claims (7)

1. レーザで平面状にスキャンして環境の２次元形状を取得するセンサと、前記センサをチルト回転させるモータと、前記モータの回転速度を制御するモータ制御装置とを備えた３次元環境計測装置において、
   操作者によって予め入力される、前記センサのスキャン速度に対する前記センサのチルト動作の回転速度の比に応じて前記モータの回転速度を変更する回転指令速度を生成し、該回転指令速度を前記モータ制御装置へ与える指令生成装置を備えたことを特徴とする３次元環境計測装置。
2. レーザで平面状にスキャンして環境の２次元形状を取得するセンサと、前記センサをチルト回転させるモータと、前記モータの回転速度を制御するモータ制御装置とを備えた３次元環境計測装置において、
   操作者によって予め入力される、前記センサのスキャン時間に対する前記センサのチルト動作の回転時間の比に応じて前記モータの回転速度を変更する回転指令速度を生成し、該回転指令速度を前記モータ制御装置へ与える指令生成装置を備えたことを特徴とする３次元環境計測装置。
3. 前記指令生成装置は、前記モータ制御装置に与える前記回転指令速度が規定値より小さい場合に、前記センサのチルト回転の動作範囲を小さくして前記回転指令速度を再計算することを特徴とする請求項１または２記載の３次元環境計測装置。
4. レーザで平面状にスキャンして環境の２次元形状を取得するセンサと、前記センサをチルト回転させるモータと、前記モータの回転速度を制御するモータ制御装置とを有する３次元環境計測装置を搭載し、前記環境を移動する移動ロボットにおいて、
   前記移動ロボットの移動の指令速度に応じて、前記モータの回転速度を変更する回転指令速度及び又は前記センサのチルト回転動作範囲を変更する修正回転動作範囲を、前記モータ制御装置に与える指令生成装置を備えたことを特徴とする移動ロボット。
5. 前記指令生成装置が前記モータ制御装置に与える回転指令速度は、操作者によって任意に入力される、前記センサのスキャン速度に対する前記センサのチルト動作の回転速度の比であるスキャン速度比に基づいて算出されることを特徴とする請求項４記載の移動ロボット。
6. 前記指令生成装置が前記モータ制御装置に与える回転指令速度は、操作者によって任意に入力される、前記センサのスキャン時間に対する前記センサのチルト動作の回転時間の比であるスキャン時間比に基づいて算出されることを特徴とする請求項４記載の移動ロボット。
7. 前記指令生成装置は、前記モータ制御装置に与える回転指令速度が規定値より小さい場合に、前記センサのチルト回転動作範囲を小さくして前記回転指令速度を再計算することを特徴とする請求項４記載の移動ロボット。

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