JP2009217456A - Landmark device and control system for mobile robot - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a landmark device that allows position control with high precision over a wide range and that is structurally very simple. <P>SOLUTION: The landmark device includes a short-range landmark set 400 having two marks Mn spaced a predetermined distance apart, and a long-range landmark set 500 having two marks Mf spaced a wider distance apart than the short-range landmark set 400. When a mobile robot 200 is located away from the landmark device 300, the marks Mf of the long-range landmark set 500 where two points are at a distance from each other are used to perform position recognition for the distance between the landmark device 300 and the mobile robot 200, their directions and the like. As the moving robot 200 approaches the landmark device 300, position recognition is performed using the marks Mn of the short-range landmark set 400. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ランドマーク装置およびこのランドマーク装置を用いた移動ロボットの制御システムに関する。具体的には、自律的に移動する移動ロボットの位置制御に利用されるランドマーク装置に関する。   The present invention relates to a landmark apparatus and a mobile robot control system using the landmark apparatus. Specifically, the present invention relates to a landmark apparatus used for position control of a mobile robot that moves autonomously.

作業環境内を自律的に移動する移動ロボットの自己位置推定の方法として、外界観測による自己位置推定法が知られている。
このような自己位置推定方法では、まず、作業空間内に存在するランドマークの位置を地図情報として予め移動ロボットに記憶させておく。そして、ランドマークを観測し、位置が既知であるランドマークとの相対的な位置関係から自己位置の算出を行う。
自己位置の推定にあたっては、二次元的な位置の特定であれば二つのランドマークがあればよく、三次元的位置あるいは位置および姿勢を特定するためには3つのランドマークを必要とする。
As a self-localization method for a mobile robot that moves autonomously in a work environment, a self-localization method based on external observation is known.
In such a self-position estimation method, first, the position of the landmark existing in the work space is stored in advance in the mobile robot as map information. Then, the landmark is observed, and the self position is calculated from the relative positional relationship with the landmark whose position is known.
In estimating the self position, two landmarks are sufficient if the two-dimensional position is specified, and three landmarks are required to specify the three-dimensional position or the position and orientation.

ランドマークを観測する手段としては、カメラで撮像した画像データを利用することが知られている。すなわち、CCD等の撮像素子を有するカメラによって周囲環境を撮像し、得られた画像データに含まれるランドマークを抽出する。抽出したランドマークを基に、幾何学的な演算によってランドマークと撮像位置との距離を算出して自己位置を推定する。   As means for observing landmarks, it is known to use image data captured by a camera. That is, the surrounding environment is imaged by a camera having an imaging element such as a CCD, and landmarks included in the obtained image data are extracted. Based on the extracted landmark, the distance between the landmark and the imaging position is calculated by geometric calculation to estimate the self position.

ランドマークを撮像したカメラ画像を利用して自己位置認識および移動方向制御を行う方法を開示した文献として例えば次の特許文献1から特許文献6が挙げられる。   For example, Patent Documents 1 to 6 listed below are cited as documents disclosing methods for performing self-position recognition and movement direction control using a camera image obtained by imaging a landmark.

特開2004−216552号公報JP 2004-216552 A 特開2002−132346号公報JP 2002-132346 A 特開2002−268746号公報JP 2002-268746 A 特開2006−346767号公報JP 2006-346767 A 特開平03−166072号公報Japanese Patent Laid-Open No. 03-166072 特開2004−303137号公報JP 2004-303137 A

ここで、ロボットの位置推定精度は、撮像画像中における1画素あたりの距離分解能によるところ、一般に、撮像画像中で十分に離間したランドマークの像を得ることができれば精度の高い位置推定を行うことができる。
したがって、所定間隔を持って離間配置されたランドマークに対し、撮像領域内で十分に離間したランドマーク像を得られる程度に移動ロボットが前記ランドマークに接近している場合には、精度の高い位置決めを行うことができる。
その一方、移動ロボットがランドマークから離れていた場合には、撮像画像中におけるランドマーク同士の距離が近くなってしまう。すると、位置推定精度が低くなってしまい、位置推定に基づく移動方向制御にあっては目標位置に対してオーバーシュートを繰り返すことになり、理想的な目標軌道に沿った安定制御が困難になる(この問題は例えば特許文献6に当てはまる)。
Here, the position estimation accuracy of the robot depends on the distance resolution per pixel in the captured image. Generally, if a sufficiently separated landmark image can be obtained in the captured image, highly accurate position estimation is performed. Can do.
Therefore, when the mobile robot is close to the landmarks to such an extent that a landmark image sufficiently separated in the imaging region can be obtained with respect to the landmarks spaced apart with a predetermined interval, the accuracy is high. Positioning can be performed.
On the other hand, when the mobile robot is away from the landmark, the distance between the landmarks in the captured image becomes short. Then, the position estimation accuracy becomes low, and in the moving direction control based on the position estimation, overshoot is repeated with respect to the target position, and stable control along the ideal target trajectory becomes difficult ( This problem applies to Patent Document 6, for example).

ここで、移動ロボットがどの位置にあっても適当に離間した任意のランドマーク像を得られるように作業環境中の至るところにランドマークを設置しておくという考え方もある。
しかし、作業環境中に多数のランドマークを設置すること、これらすべてのランドマークに三次元座標上の位置を与えて移動ロボットに教示しておくこと、さらに、移動ロボットに複数のランドマークを一つ一つ区別して認識させること、などが必要となり、システムが非常に複雑かつ高価になってしまう(この問題は例えば特許文献1に当てはまる)。
Here, there is also an idea that landmarks are installed everywhere in the work environment so that any landmark image that is appropriately separated can be obtained regardless of the position of the mobile robot.
However, installing many landmarks in the work environment, giving all these landmarks positions on the three-dimensional coordinates and teaching them to the mobile robot, and also locating multiple landmarks on the mobile robot. It is necessary to make them recognize one by one, and the system becomes very complicated and expensive (this problem applies to Patent Document 1, for example).

本発明の目的は、ランドマークからの遠近距離に関わらず、精度の高い自己位置推定を可能にするとともに非常に簡便であるランドマーク装置およびこのランドマーク装置を用いた移動ロボットの制御システムを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a landmark device that enables highly accurate self-position estimation regardless of the distance from the landmark, and a control system for a mobile robot using the landmark device. There is to do.

本発明のランドマーク装置は、周囲環境を撮像する撮像手段を有するとともに自律的に自己位置推定および移動方向制御を行う移動ロボットの作業環境中に設置するランドマーク装置であって、所定距離を隔てて離間配置された少なくとも二つのマークを有する近距離用ランドマークセットと、前記近距離用ランドマークセットよりも広い距離を隔てて離間配置された少なくとも二つのマークを有する遠距離用ランドマークセットと、を備え、前記近距離用ランドマークセットのマーク間の中点と前記遠距離用ランドマークセットのマーク間の中点とは、前記ランドマークから所定距離離れた位置から前記撮像手段で撮像した際に同じ撮像領域内に含まれることを特徴とする。   A landmark apparatus according to the present invention is an landmark apparatus installed in a working environment of a mobile robot that has an imaging unit that images the surrounding environment and autonomously performs self-position estimation and movement direction control, and is separated by a predetermined distance. A short distance landmark set having at least two marks spaced apart from each other, and a long distance landmark set having at least two marks spaced apart from each other by a distance larger than the short distance landmark set. The midpoint between the marks of the short distance landmark set and the midpoint between the marks of the long distance landmark set are imaged by the imaging means from a position away from the landmark by a predetermined distance. In this case, they are included in the same imaging region.

このような構成において、移動ロボットはランドマーク装置を用いて位置制御を行う。
移動ロボットがランドマーク装置から遠方に位置している場合には、2点間の距離が離れている遠距離用ランドマークセットのマークを用いてランドマーク装置と移動ロボットとの距離および方向などの位置認識を行う。
2点間の距離が離れている遠距離用ランドマークが設けられていることにより、移動ロボットがランドマークから離れていた場合でも撮像画像中で十分に離間した二つのマークを得られる。よって、移動ロボットがランドマーク装置から離れている場合も精度の高い位置制御を行うことができる。
その一方、移動ロボットがランドマーク装置に近づき、たとえば、一つの撮像領域内に遠距離用ランドマークセットの二つのマークを撮像できない場合には近距離用ランドマークセットのマークによって位置認識を行う。そして、近距離用ランドマークセットと遠距離用ランドマークセットとの中点同士は同じ撮像領域内に含まれる程度の範囲に配設されていることから、遠距離用ランドマークセットを用いた位置制御から近距離用ランドマークセットを用いた位置制御に容易に切り替えることができる。
このように移動ロボットとランドマーク装置との距離に応じて、利用するランドマークを遠距離用と近距離用とで使い分けることにより、ランドマーク装置からの距離に関わらず高い精度での位置制御を行うことができる。
また、従来のごとく作業環境のいたるところに多くのマークを配置する複雑な構成にくらべて本発明は非常に簡易な構成であり、広範囲にわたって高い精度の位置制御を簡便に実現するという画期的な効果を奏する。
In such a configuration, the mobile robot performs position control using a landmark device.
When the mobile robot is located far from the landmark device, the distance and direction between the landmark device and the mobile robot are determined using the marks of the long-range landmark set where the distance between the two points is long. Perform position recognition.
By providing the long-distance landmark in which the distance between the two points is long, two marks sufficiently separated in the captured image can be obtained even when the mobile robot is away from the landmark. Therefore, highly accurate position control can be performed even when the mobile robot is away from the landmark device.
On the other hand, when the mobile robot approaches the landmark device and, for example, two marks of the long-distance landmark set cannot be imaged in one imaging area, position recognition is performed using the marks of the short-distance landmark set. Since the midpoints of the short-range landmark set and the long-range landmark set are arranged within a range that is included in the same imaging area, the position using the long-range landmark set It is possible to easily switch from the control to the position control using the short distance landmark set.
In this way, depending on the distance between the mobile robot and the landmark device, the landmark to be used can be used separately for long distance and short distance, so position control can be performed with high accuracy regardless of the distance from the landmark device. It can be carried out.
In addition, the present invention has a very simple configuration as compared with the conventional configuration in which many marks are arranged everywhere in the work environment, and it is a revolutionary in that high-accuracy position control can be easily realized over a wide range. Has an effect.

本発明では、前記近距離用ランドマークセットと前記遠距離用ランドマークセットとは、高さ方向で異なる位置に配設されていることが好ましい。   In the present invention, it is preferable that the short distance landmark set and the long distance landmark set are disposed at different positions in the height direction.

このような構成において、遠距離用ランドマークセットと近距離用ランドマークセットとが一の撮像画像中に同時に撮像される場合でも、高さの違いにより両者を区別することができる。よって、近距離用ランドマークセットと遠距離用ランドマークセットの二セットが設けられている場合であっても、それぞれを正確に識別して認識し、正しい位置制御を行うことができる。
ここで、従来のように作業環境中のいたるところに多くのマークを配置すると各マークを識別させる複雑な構成が必要となるが、本発明にあっては遠距離用ランドマークセットと近距離用ランドマークセットとを単純に高さの違いで識別させることができるので、本発明のランドマーク装置を利用する移動ロボットの制御方法も簡便な構成にすることができる。
In such a configuration, even when the long-distance landmark set and the short-distance landmark set are simultaneously imaged in one captured image, the two can be distinguished by the difference in height. Therefore, even when there are two sets of the short distance landmark set and the long distance landmark set, each can be accurately identified and recognized, and correct position control can be performed.
Here, when many marks are arranged everywhere in the work environment as in the prior art, a complicated configuration for identifying each mark is required. In the present invention, the landmark set for long distance and the object for short distance are used. Since the landmark set can be simply identified by the difference in height, the control method of the mobile robot using the landmark device of the present invention can also have a simple configuration.

ここで、前記ランドマーク装置において、前記撮像手段の光軸の高さを間にして、前記近距離用ランドマークセットおよび前記遠距離用ランドマークセットのうちの一方のセットは上側に配設され、他方のセットは下側に配設されていることが好ましい。
このような構成によれば、撮像された画像データを中心で上下二分することにより、遠距離用ランドマークセットであるか近距離用ランドマークセットであるかを簡易かつ正確に識別することができる。
Here, in the landmark device, one set of the short distance landmark set and the long distance landmark set is arranged on the upper side with the height of the optical axis of the imaging means in between. The other set is preferably arranged on the lower side.
According to such a configuration, it is possible to easily and accurately identify whether the captured image data is a long-distance landmark set or a short-distance landmark set by vertically dividing the image data into two. .

なお、遠距離用ランドマークセットと近距離用ランドマークセットとを高さ方向で区別しなくとも、たとえば、各マークを発光体で構成し、それら発光体の点滅周波数を互いに異ならせることでマークを識別させてもよい。   For example, each mark is formed by a light emitter and the blinking frequency of the light emitters is different from each other without distinguishing the landmark set for long distance and the landmark set for short distance in the height direction. May be identified.

本発明では、前記近距離用ランドマークセットのマーク間の中点と前記遠距離用ランドマークセットのマーク間の中点とは同一鉛直線上にあることが好ましい。   In the present invention, it is preferable that a midpoint between marks of the short distance landmark set and a midpoint between marks of the long distance landmark set are on the same vertical line.

このような構成において、移動ロボットがランドマーク装置から離れている場合には位置制御に遠距離用ランドマークセットを用い、移動ロボットがランドマーク装置に近づいた場合には近距離用ランドマークセットを用いた位置制御に切り替わる。そして、遠距離用ランドマークセットを用いた位置制御から近距離用ランドマークセットを用いた位置制御に切り替わる際に、互いのランドマークセットの中点が同一鉛直線上にあれば、このような切り替わりの際に画像中を上下に探ればよく、移動ロボットの制御構成を簡易にすることができる。   In such a configuration, when the mobile robot is away from the landmark device, the long distance landmark set is used for position control, and when the mobile robot approaches the landmark device, the short distance landmark set is used. Switch to the used position control. Then, when switching from position control using the long-range landmark set to position control using the short-range landmark set, if the center point of each landmark set is on the same vertical line, such switching is performed. In this case, the control structure of the mobile robot can be simplified by searching up and down in the image.

本発明では、前記近距離用ランドマークセットと前記遠距離用ランドマークセットとは同一面内に配設されていることが好ましい。   In the present invention, it is preferable that the short distance landmark set and the long distance landmark set are disposed in the same plane.

このような構成において、近距離用ランドマークセットと遠距離用ランドマークセットとを一面内に配置する場合、たとえば一枚のボード上に各マークを配置すればよいので容易に製造することができる。   In such a configuration, when the short-distance landmark set and the long-distance landmark set are arranged in one plane, for example, each mark may be arranged on one board, so that it can be easily manufactured. .

なお、前記近距離用ランドマークセットと前記遠距離用ランドマークセットとは同一面内にあり、かつ、中点同士が同一鉛直線上にあることが好ましい。   It is preferable that the short distance landmark set and the long distance landmark set are in the same plane, and that the midpoints are on the same vertical line.

本発明の移動ロボットの制御システムは、前記ランドマーク装置と、前記ランドマーク装置を撮像した画像データに基づいて位置制御を行い自律的に移動する移動ロボットと、を備えることが好ましい。   The mobile robot control system of the present invention preferably includes the landmark device and a mobile robot that moves autonomously by performing position control based on image data obtained by imaging the landmark device.

このような構成によれば上記発明と同様の作用効果を奏する移動ロボットの制御システムを得ることができる。すなわち、ランドマーク装置からの距離に関わらず高い精度での位置制御を行うことができる移動ロボットの制御システムとすることができる。   According to such a configuration, it is possible to obtain a mobile robot control system that exhibits the same effects as the above-described invention. In other words, the mobile robot control system can perform position control with high accuracy regardless of the distance from the landmark device.

本発明によれば、移動ロボットとランドマーク装置との距離に応じて利用するランドマークを遠距離用と近距離用とで使い分けることにより、ランドマーク装置からの距離に関わらず広範囲にわたって高い精度での位置制御を行うことができる。   According to the present invention, the landmarks to be used according to the distance between the mobile robot and the landmark device are selectively used for the long distance and the short distance, so that the high accuracy can be obtained over a wide range regardless of the distance from the landmark device. Position control can be performed.

本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
本発明の移動ロボットの制御システム100に係る第1実施形態について説明する。
図1は、移動ロボットの制御システム100の外観構成を示す図である。
移動ロボットの制御システム100は、自律的に位置制御を行う移動ロボット200と、ランドマーク装置300とを備えている。
移動ロボット200は、本体部210と、移動手段220と、撮像手段230と、を備えている。
移動手段220は、車輪式、クローラ式、二脚歩行式など、本体部210を移動させることができれば構造は特に限定されるものではないが、図1中では車輪式の場合を示している。
撮像手段230はCCDなどのイメージセンサを備え、本体部210に設けられている。
なお、移動ロボット200はたとえば充電可能な二次電池を動力源とし、電池の残量が残り少なくなった場合には自律的に充電を行う。すなわち、電池の残量が少なくなった際には、所定位置に設置された充電装置700に向けて自律的に移動し、充電装置700からの給電を受けて電池を充電する。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
A first embodiment according to the mobile robot control system 100 of the present invention will be described.
FIG. 1 is a diagram showing an external configuration of a control system 100 for a mobile robot.
The mobile robot control system 100 includes a mobile robot 200 that performs position control autonomously and a landmark device 300.
The mobile robot 200 includes a main body unit 210, a moving unit 220, and an imaging unit 230.
The structure of the moving means 220 is not particularly limited as long as the main body 210 can be moved, such as a wheel type, a crawler type, and a bipedal walking type, but FIG. 1 shows a case of a wheel type.
The imaging unit 230 includes an image sensor such as a CCD, and is provided in the main body 210.
Mobile robot 200 uses, for example, a rechargeable secondary battery as a power source, and autonomously charges when the remaining battery level is low. That is, when the remaining amount of the battery is low, the battery autonomously moves toward the charging device 700 installed at a predetermined position, and receives power from the charging device 700 to charge the battery.

本体部210には図示しない制御部が内蔵されており、この制御部は、撮像手段230にて撮像された画像データを処理する工程や、ランドマーク装置300を用いた位置制御を行う工程などを制御するところ、このような制御部による制御動作については後述する。   The main body unit 210 includes a control unit (not shown). The control unit performs a process of processing image data captured by the imaging unit 230, a process of performing position control using the landmark device 300, and the like. The control operation by such a control unit will be described later.

次にランドマーク装置300について説明する。
図2は、ランドマーク装置300の構成を示す図である。
ランドマーク装置300は、近距離用ランドマークセット400と遠距離用ランドマークセット500とを備えている。
近距離用ランドマークセット400は、所定距離を隔てて離間配置された二つのマークMnを有する。近距離用ランドマークセット400の二つのマークMnの間隔は、移動ロボット200がランドマーク装置300に近接した際に(例えば10cmから1mの範囲)撮像手段230の撮像領域内に二つのマークが入りかつ十分に離間している程度の距離である。
このような近距離用ランドマークセット400の間隔は、撮像手段230のレンズや画像処理手段の構成にもよるので一概に特定することはできないが、たとえば、3cmから30cm程度が例として挙げられる。そして、近距離用ランドマークセット400の二つのマークMnは、一の水平線上LHnに配設されている(なお、ここでいう水平線は、水平面に平行な線を意味する)。
Next, the landmark apparatus 300 will be described.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the landmark device 300.
The landmark device 300 includes a short-range landmark set 400 and a long-range landmark set 500.
The short-range landmark set 400 includes two marks Mn that are spaced apart from each other by a predetermined distance. The distance between the two marks Mn in the short-range landmark set 400 is such that when the mobile robot 200 approaches the landmark device 300 (for example, in the range of 10 cm to 1 m), the two marks enter the imaging area of the imaging means 230. In addition, it is a distance that is sufficiently separated.
Such an interval between the landmark set 400 for short distances cannot be generally specified because it depends on the configuration of the lens of the imaging unit 230 and the image processing unit, but for example, about 3 to 30 cm is given as an example. The two marks Mn in the short-range landmark set 400 are arranged on one horizontal line L Hn ( note that the horizontal line here means a line parallel to the horizontal plane).

遠距離用ランドマークセット500は、近距離用ランドマークセット400よりも広い距離を隔てて離間配置された二つのマークMfを有する。
遠距離用ランドマークセット500の二つのマークMfの間隔は、近距離用ランドマークセット400の二つのマーク間隔よりも広くとられている。
遠距離用ランドマークセット500の二つのマークMfの間隔は、移動ロボット200がランドマーク装置300から相当に離れている際に(例えば1mから10mの範囲)撮像手段230の撮像領域内に二つのマークMfが入りかつ十分に離間している程度の距離である。
このような遠距離用ランドマークセット500の間隔は、撮像手段230のレンズや画像処理手段の構成にもよるので一概に特定することはできないが、たとえば、30cmから300cm程度が例として挙げられる。
そして、遠距離用ランドマークセット500の二つのマークMfは、一の水平線上LHfに配設されている(なお、ここでいう水平線は、水平面に平行な線を意味する)。
The long-range landmark set 500 includes two marks Mf that are spaced apart from each other by a distance greater than that of the short-range landmark set 400.
The distance between the two marks Mf of the long distance landmark set 500 is set wider than the distance between the two marks of the short distance landmark set 400.
The distance between the two marks Mf in the long-range landmark set 500 is set so that the distance between the two marks Mf is within the imaging area of the imaging means 230 when the mobile robot 200 is considerably separated from the landmark device 300 (for example, a range of 1 m to 10 m). The distance is such that the mark Mf enters and is sufficiently separated.
Such a distance between the landmark set 500 for long distance depends on the configuration of the lens of the imaging unit 230 and the image processing unit, and thus cannot be specified in general. For example, about 30 to 300 cm is given as an example.
The two marks Mf of the long distance landmark set 500 are arranged on one horizontal line L Hf (the horizontal line here means a line parallel to the horizontal plane).

近距離用ランドマークセット400のマークMnおよび遠距離用ランドマークセット500のマークMfは、例えば発光体で構成される。
発光体としては特に限定されないが、たとえばLED(発光ダイオード)が例として挙げられる。発光体の発光色は限定されないが、たとえば赤外領域で発光させてもよい。発光体は常時点灯させてもよく、あるいは、特定の周期で点滅させてもよい。
The mark Mn of the short-range landmark set 400 and the mark Mf of the long-range landmark set 500 are composed of, for example, a light emitter.
Although it does not specifically limit as a light-emitting body, For example, LED (light emitting diode) is mentioned as an example. The emission color of the illuminant is not limited. For example, the illuminant may emit light in the infrared region. The illuminator may be lit constantly or may be blinked at a specific cycle.

近距離用ランドマークセット400と遠距離用ランドマークセット500とは同一面上に配置されている。たとえば、壁600の壁面上に設けられている。
そして、近距離用ランドマークセット400と遠距離用ランドマークセット500のそれぞれの中点Pmn、Pmfは同一鉛直線Lv上に配置されている。
このとき、近距離用ランドマークセット400が上側に配置され、遠距離用ランドマークセット500が下側に配置されている。
本実施形態にあっては、移動ロボット200の撮像手段230の光軸高さHaが固定されており、この光軸高さHaを間にして、上側に近距離用ランドマークセット400、下側に遠距離用ランドマークセット500が配置されている。
なお、このような配置は特に限定されるものでなく、上下は逆になっていてもよい。
また、近距離用ランドマークセット400と遠距離用ランドマークセット500とは比較的近接して設けられている。たとえば、移動ロボット200がある程度ランドマーク装置300に接近した状態において一の撮像領域内に近距離用と遠距離用のそれぞれの中点Pmn、Pmfが同時に入る程度である。
具体的な距離として特定されるものではないが、たとえば、近距離用ランドマークセット400の中点と遠距離用ランドマークの中点との距離は、1cmから15cm程度である。
The short distance landmark set 400 and the long distance landmark set 500 are disposed on the same plane. For example, it is provided on the wall surface of the wall 600.
The midpoints P mn and P mf of the short-range landmark set 400 and the long-range landmark set 500 are arranged on the same vertical line Lv.
At this time, the short distance landmark set 400 is disposed on the upper side, and the long distance landmark set 500 is disposed on the lower side.
In the present embodiment, the optical axis height Ha of the imaging means 230 of the mobile robot 200 is fixed, and the short distance landmark set 400 is placed on the upper side with the optical axis height Ha in between. A long-distance landmark set 500 is disposed in the center.
In addition, such arrangement | positioning is not specifically limited, The upper and lower sides may be reversed.
The short distance landmark set 400 and the long distance landmark set 500 are provided relatively close to each other. For example, when the mobile robot 200 is close to the landmark device 300 to some extent, the midpoints P mn and P mf for the short distance and the long distance respectively enter the same imaging region at the same time.
Although not specified as a specific distance, for example, the distance between the midpoint of the short-range landmark set 400 and the midpoint of the long-range landmark is about 1 cm to 15 cm.

ここで、ランドマーク装置300の各マークの座標は移動ロボット200の制御部に予め設定入力されている。
また、本実施形態においては、近距離用ランドマークセット400の中点Pmnおよび遠距離用ランドマークセット500の中点Pmfが存在する鉛直線Lv上には充電装置700が設けられている。
Here, the coordinates of each mark of the landmark apparatus 300 are set and input in advance in the control unit of the mobile robot 200.
In the present embodiment, the charging device 700 is provided on the vertical line Lv where the midpoint Pmn of the short-range landmark set 400 and the midpoint Pmf of the long-range landmark set 500 exist. .

次に、このような構成を備えるランドマーク装置300を用いた移動ロボット200の位置制御方法について説明する。
特に、移動ロボット200が自己位置Psを推定する方法について説明する。
図3は、移動ロボット200の位置制御方法の手順を示すフローチャートである。
移動ロボット200は、自己位置Psの推定にあたり、まず、撮像手段230によって周囲環境を撮像する(撮像工程ST100)。そして、撮像工程(ST100)にて得た画像データを画像処理してマーク候補の抽出を行う(マーク候補抽出工程ST200)。
Next, a position control method for the mobile robot 200 using the landmark apparatus 300 having such a configuration will be described.
In particular, a method for estimating the self position Ps by the mobile robot 200 will be described.
FIG. 3 is a flowchart showing the procedure of the position control method of the mobile robot 200.
In estimating the self position Ps, the mobile robot 200 first images the surrounding environment by the imaging means 230 (imaging process ST100). Then, the image data obtained in the imaging step (ST100) is subjected to image processing to extract mark candidates (mark candidate extraction step ST200).

マーク候補抽出工程(ST200)の手順を図4に示す。
マーク候補抽出工程(ST200)では、まず、画像データに閾値処理を施し、閾値以上の輝度の画素を探索して識別する。そして、輝度が閾値以上の画素がある場合には(ST220:YES)、さらに、輝度が閾値以上の画素が連続しているか否かを判断して(ST230)、輝度が閾値以上の画素があれば(ST230:YES)それらの画素を領域ごとに結合する(ST240)。
さらに、結合した画素の各領域をラベリング処理し(ST250)、領域ごとに面積と真円度を計算したうえで(ST260)、各領域をマーク候補として識別する(ST270)。
The procedure of the mark candidate extraction step (ST200) is shown in FIG.
In the mark candidate extraction step (ST200), first, threshold processing is performed on the image data to search and identify pixels having a luminance equal to or higher than the threshold. If there is a pixel having a luminance equal to or higher than the threshold (ST220: YES), it is further determined whether or not pixels having a luminance equal to or higher than the threshold are continuous (ST230). (ST230: YES), these pixels are combined for each region (ST240).
Further, each region of the combined pixels is labeled (ST250), the area and roundness are calculated for each region (ST260), and each region is identified as a mark candidate (ST270).

なお、ST220において画素の輝度がいずれも閾値の輝度を超えない場合には(ST220:NO)、マークが撮像できていないので撮像工程(ST100)に戻ってやり直す。また、ST230において閾値以上の輝度の画素が連続しない場合も(ST230:NO)、マークMn、Mfが撮像できていないので撮像工程(ST100)に戻ってやり直す。   If the pixel brightness does not exceed the threshold brightness in ST220 (ST220: NO), the mark is not captured, and the process returns to the imaging step (ST100) and starts again. Also, in ST230, when pixels having a luminance equal to or higher than the threshold value are not continuous (ST230: NO), the marks Mn and Mf are not captured, so the process returns to the imaging step (ST100) and starts again.

このようにマーク候補抽出(ST200)が終了後、次にマーク抽出工程(ST300)に移行する。
マーク抽出工程(ST300)の手順を図5に示す。
マーク抽出工程(ST300)において、まず、画像データ中のマーク候補の数をカウントする(ST310)。
マーク候補が2個以上4個以下の場合、ランドマーク装置300のマークMn、Mfを撮像できていると判断し、マークMn、Mfとして識別する。
このように識別したマークMn、Mfをさらに近距離用か遠距離用かを判定するマーク判定工程(ST400)に移行する。
After the mark candidate extraction (ST200) is thus completed, the process proceeds to the mark extraction step (ST300).
The procedure of the mark extraction process (ST300) is shown in FIG.
In the mark extraction step (ST300), first, the number of mark candidates in the image data is counted (ST310).
When the number of mark candidates is 2 or more and 4 or less, it is determined that the marks Mn and Mf of the landmark apparatus 300 have been imaged and identified as the marks Mn and Mf.
The process proceeds to a mark determination step (ST400) for determining whether the marks Mn and Mf thus identified are for short-distance use or long-distance use.

なお、ST320において、マーク候補が1個である場合や5個以上ある場合には(ST320:NO)、マークの数が位置制御に足りなかったり、マーク以外のものを誤検出していることになるので、撮像工程(ST100)に戻ってやり直す。   In ST320, when there are one mark candidate or five or more mark candidates (ST320: NO), the number of marks is insufficient for position control, or something other than marks is erroneously detected. Therefore, the procedure returns to the imaging step (ST100).

次にマーク判定工程(ST400)について説明する。
図6はマーク判定工程(ST400)の手順を示すフローチャートである。
マーク判定工程(ST400)においては、まず、マーク抽出工程(ST300)にて抽出したマークに対して楕円近似処理を行い(ST410)、続いてマークごとの重心を算出する(ST420)。
そして、画像データを上下に二分割する(ST430)。すなわち、画像データの中心を通る水平線Haで画像データを二分割する。
次に、二分割された画像データ中におけるマーク位置を先に算出した重心位置を用いて確認する(ST440)。
ここでは遠距離用ランドマークセット500が二つとも撮像できる場合には遠距離用ランドマークセット500を用いた位置制御の方が精度がいいので、遠距離用ランドマークセット500が撮像できているか否かを先に判断する。
すなわち、ST450において画像データを二分割する水平線Haの下側に2つのマークがあるか否か判断する(ST450)。
二分割線の下側に二つのマークがある場合には(ST450:YES)、これら二つのマークMfは遠距離用ランドマークセット500であると判定する(ST460)。
Next, the mark determination step (ST400) will be described.
FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of the mark determination step (ST400).
In the mark determination step (ST400), first, ellipse approximation processing is performed on the mark extracted in the mark extraction step (ST300) (ST410), and then the center of gravity for each mark is calculated (ST420).
Then, the image data is vertically divided into two (ST430). That is, the image data is divided into two at a horizontal line Ha passing through the center of the image data.
Next, the mark position in the two-divided image data is confirmed using the previously calculated center-of-gravity position (ST440).
Here, when both of the long-range landmark sets 500 can be imaged, the position control using the long-range landmark set 500 is more accurate, so is the long-range landmark set 500 captured? First, determine whether or not.
That is, in ST450, it is determined whether there are two marks below the horizontal line Ha that divides the image data into two (ST450).
If there are two marks below the bisector (ST450: YES), it is determined that these two marks Mf are the long-range landmark set 500 (ST460).

その一方、二分割線の下側に二つのマークMfがない場合には(ST450:NO)、続いて、二分割線の上側に二つのマークがあるか否か判断する(ST470)。二分割線の上側に二つのマークがある場合には(ST470:YES)、これら二つのマークMnは近距離用ランドマークセット400であると判定する(ST480)。   On the other hand, if there are no two marks Mf below the bisector (ST450: NO), it is then determined whether there are two marks above the bisector (ST470). If there are two marks on the upper side of the dividing line (ST470: YES), it is determined that these two marks Mn are the short distance landmark set 400 (ST480).

なお、ST470において画像データの二分割線Haの上側にも二つのマークがない場合には撮像工程(ST100)に戻ってやり直す。   In ST470, when there are no two marks above the two-part dividing line Ha of the image data, the process returns to the imaging step (ST100) and starts again.

このように撮像した画像データ中のマークを遠距離用ランドマークセット500か近距離用ランドマークセット400かを判定したのち、自己位置推定(ST500)に移行する。   After determining whether the mark in the captured image data is the long-range landmark set 500 or the short-range landmark set 400, the process proceeds to self-position estimation (ST500).

自己位置推定工程(ST500)では、撮像したマークの重心位置を利用して移動ロボット200の自己位置Psを推定する。
ランドマーク装置300のマーク位置は予め制御部に設定入力されているので、この画像データ中のマーク位置とカメラパラメータとから実空間上での移動ロボット200の自己位置を得ることができる。マークを含む画像平面に設定したU−V座標系の点を実空間の座標系(ワールド座標系)に変換する変換行列の関係より、撮像手段230からみた実空間上の点への方向ベクトルを得る。
二つのマークに対する方向ベクトルによって移動ロボット200の実空間上の位置Ps(point of self-location)が一意に定まる(図7参照)。
In the self-position estimation step (ST500), the self-position Ps of the mobile robot 200 is estimated using the position of the center of gravity of the imaged mark.
Since the mark position of the landmark apparatus 300 is set and input in advance in the control unit, the self position of the mobile robot 200 in the real space can be obtained from the mark position in the image data and the camera parameters. The direction vector to the point in the real space as viewed from the imaging means 230 is obtained from the relationship of the transformation matrix for converting the point in the U-V coordinate system set on the image plane including the mark into the coordinate system in the real space (world coordinate system). obtain.
A position Ps (point of self-location) in the real space of the mobile robot 200 is uniquely determined by the direction vectors for the two marks (see FIG. 7).

このようにして自己位置推定により実空間上での自己位置Psが特定されたところで、各種の位置制御が実行され、所定の目的地への移動制御などが行われる。
このような移動制御としては、たとえば、所定位置に設置された充電装置700に対して自律的に接近し、さらに充電装置700に移動ロボット200の充電プラグ(不図示)を接続するという動作が挙げられる。
このような充電動作にあっては、遠距離から充電装置700に接近することと、さらには充電装置700に接近してから充電装置700に高精度に位置合わせすることとの二つの段階がある。
この場合、遠距離から充電装置700に接近する場合には遠距離用ランドマークセット500を用いて位置制御を行い、充電装置700に近づいてきたら近距離用ランドマークセット400を用いて近距離においての精度の高い位置合わせを行う。
Thus, when the self-position Ps in the real space is specified by self-position estimation, various position controls are executed, and movement control to a predetermined destination is performed.
Such movement control includes, for example, an operation of autonomously approaching the charging device 700 installed at a predetermined position and further connecting a charging plug (not shown) of the mobile robot 200 to the charging device 700. It is done.
In such a charging operation, there are two stages: approaching the charging device 700 from a long distance and further positioning the charging device 700 with high accuracy after approaching the charging device 700. .
In this case, when approaching the charging device 700 from a long distance, position control is performed using the long-range landmark set 500, and when approaching the charging device 700, the short-range landmark set 400 is used at a short distance. Perform high-precision alignment.

ここで、充電装置700の近距離になってきたときには遠距離用ランドマークセット500の二つのマークMfが両方とも撮像領域にはいるということがなくなるので、遠距離用ランドマークセット500による位置制御はできなくなる。
その場合でも遠距離用ランドマークセット500の中点Pmfと近距離用ランドマークセット400の中点Pmnとさらには充電装置700も同一鉛直線Lv上にあるため、遠距離用ランドマークセット500を用いて充電装置700を目標に位置制御を行うと、遠距離用ランドマークセット500が撮像領域内に入らなくなったときは近距離用ランドマークセット400が確実に撮像領域内にある。
したがって、位置制御は途切れることなく継続される。
そして、最終的に近距離用ランドマークセット400を用いた高精度の位置合わせを行うことにより、充電装置700に移動ロボット200の充電プラグを接続して充電を行うことができる。
Here, since the two marks Mf of the long-distance landmark set 500 do not both enter the imaging area when the charging device 700 is short-distance, position control by the long-distance landmark set 500 is performed. Can not.
Even in that case, since the midpoint P mn of the long-range landmark set 500, the mid-point Pmn of the short-range landmark set 400, and the charging device 700 are also on the same vertical line Lv, the long-range landmark set When the position control is performed with the charging device 700 as a target using 500, when the long-distance landmark set 500 does not enter the imaging region, the short-distance landmark set 400 is surely in the imaging region.
Therefore, the position control is continued without interruption.
Finally, by performing high-precision alignment using the short-range landmark set 400, charging can be performed by connecting the charging plug of the mobile robot 200 to the charging device 700.

このような構成を備える本実施形態によれば次の効果を奏することができる。
(1)ランドマーク装置300には二点間が広く離間した遠距離用ランドマークセット500と二点間の距離が狭い近距離用ランドマークセット400とが設けられているので、移動ロボット200とランドマーク装置300との距離に応じて利用するランドマークを遠距離用と近距離用とで使い分けることにより、ランドマーク装置300からの距離に関わらず高い精度での位置制御を行うことができる。
According to the present embodiment having such a configuration, the following effects can be obtained.
(1) Since the landmark apparatus 300 is provided with a long distance landmark set 500 in which the distance between the two points is widely separated and a short distance landmark set 400 in which the distance between the two points is small, By using different landmarks for long distance and short distance depending on the distance from the landmark apparatus 300, position control can be performed with high accuracy regardless of the distance from the landmark apparatus 300.

(2)従来のごとく作業環境のいたるところに多くのマークを配置する複雑な構成に比べると、本実施形態は遠距離用ランドマークセット500と近距離用ランドマークセット400とを設けた非常に簡易な構成であり、広範囲にわたって高い精度の位置制御を簡便に実現するという画期的な効果を奏する。 (2) Compared to a complicated configuration in which a large number of marks are arranged everywhere in the work environment as in the prior art, this embodiment is provided with a long distance landmark set 500 and a short distance landmark set 400. It has a simple configuration and has an epoch-making effect of simply realizing highly accurate position control over a wide range.

(3)遠距離用ランドマークセット500と近距離用ランドマークセット400とは異なる高さに設けられているので、撮像画像中においてそれぞれを容易に識別判定することができる。
よって、近距離用ランドマークセット400と遠距離用ランドマークセット500の二セットが設けられている場合であっても、それぞれを正確に識別して認識し、正しい位置制御を行うことができる。
(3) Since the long distance landmark set 500 and the short distance landmark set 400 are provided at different heights, each can be easily identified and determined in the captured image.
Therefore, even when two sets of the short distance landmark set 400 and the long distance landmark set 500 are provided, each can be accurately identified and recognized, and correct position control can be performed.

(4)近距離用ランドマークセット400の二つのマーク間の中点と遠距離用ランドマークセット500の二つのマーク間の中点とは同一鉛直線上にあるので、遠距離用ランドマークセット500を用いた位置制御にて充電装置700(あるいは遠距離用ランドマークセット500の中点)に向かっていれば、遠距離用ランドマークセット500が撮像領域に入らなくなったときには近距離用ランドマークセット400が撮像領域内に確実に入る。したがって、遠距離用ランドマークセット500を用いた位置制御から近距離用ランドマークセット400を用いた位置制御に途切れることなく移行し、位置制御を継続することができる。 (4) Since the midpoint between the two marks of the short distance landmark set 400 and the midpoint between the two marks of the long distance landmark set 500 are on the same vertical line, the long distance landmark set 500 If it is directed to the charging device 700 (or the middle point of the long-range landmark set 500) by position control using the short-range landmark set 500 when the long-range landmark set 500 does not enter the imaging region, 400 surely falls within the imaging area. Therefore, the position control using the long distance landmark set 500 can be shifted to the position control using the short distance landmark set 400 without interruption, and the position control can be continued.

(5)近距離用ランドマークセット400と遠距離用ランドマークセット500とは同一面内にあるので、壁面に設置するなどにより本実施形態のランドマーク装置300を簡便に設置することができる。 (5) Since the landmark set 400 for short distance and the landmark set 500 for long distance are in the same plane, the landmark apparatus 300 of this embodiment can be easily installed by installing it on the wall surface.

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
たとえば、近距離用ランドマークセットと遠距離用ランドマークセットとは同一面上になくてもよい。それぞれのマーク座標が移動ロボットに設定入力されていれば遠距離用ランドマークセットと近距離用ランドマークセットが同一面になくてもこれらを用いた位置制御は可能である。
また、近距離用ランドマークセットの二つのマーク間の中点と遠距離用ランドマークセットの二つのマーク間の中点とは同一鉛直線上にあるとしたが、からなずしも中点同士が同一鉛直線上になくてもある程度近接した領域内にあれば、遠距離用ランドマークセットを用いた位置制御と近距離用ランドマークセットを用いた位置制御とを途切れることなく連続させることができる。
ランドマークセットのマークは発光体でなく、所定の色で着色されていてもよい。
上記においては、近距離用ランドマークセットと遠距離用ランドマークセットとはそれぞれ二つずつのマークを有していたが、二つに限らず、たとえばマークを3つずつ備えていてもよい。3つずつのマークがあれば、三次元位置と姿勢とが推定できる。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, The deformation | transformation in the range which can achieve the objective of this invention, improvement, etc. are included in this invention.
For example, the short distance landmark set and the long distance landmark set may not be on the same plane. If the respective mark coordinates are set and input to the mobile robot, position control using these is possible even if the landmark set for long distance and the landmark set for short distance are not on the same plane.
In addition, although the midpoint between the two marks of the short-range landmark set and the midpoint between the two marks of the long-range landmark set are on the same vertical line, If they are not within the same vertical line but within a close range, the position control using the long-range landmark set and the position control using the short-range landmark set can be continued without interruption. .
The mark of the landmark set may be colored with a predetermined color instead of the light emitter.
In the above description, the short distance landmark set and the long distance landmark set each have two marks. However, the number is not limited to two, and for example, three marks may be provided. If there are three marks each, the three-dimensional position and posture can be estimated.

移動ロボットの制御システムの外観構成を示す図。The figure which shows the external appearance structure of the control system of a mobile robot. ランドマーク装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of a landmark apparatus. 移動ロボットの位置制御方法の手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the procedure of the position control method of a mobile robot. マーク候補抽出工程の手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the procedure of a mark candidate extraction process. マーク抽出工程の手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the procedure of a mark extraction process. マーク判定工程の手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the procedure of a mark determination process. 自己位置推定工程において、座標変換の関係を示す図。The figure which shows the relationship of coordinate transformation in a self-position estimation process.

符号の説明Explanation of symbols

100…制御システム、200…移動ロボット、210…本体部、220…移動手段、230…撮像手段、300…ランドマーク装置、400…近距離用ランドマークセット、500…遠距離用ランドマークセット、600…壁、700…充電装置、LHf…水平線、LHn…水平線、Lv…鉛直線、Mf…遠距離用ランドマークセットのマーク、Mn…近距離用ランドマークセットのマーク、Pmf…遠距離用ランドマークセットの中点、Pmn…近距離用ランドマークセットの中点、Ps…自己位置。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Control system, 200 ... Mobile robot, 210 ... Main part, 220 ... Moving means, 230 ... Imaging means, 300 ... Landmark apparatus, 400 ... Landmark set for short distance, 500 ... Landmark set for long distance, 600 ... Wall, 700 ... Charging device, L Hf ... Horizontal line, L Hn ... Horizontal line, Lv ... Vertical line, Mf ... Mark of long-range landmark set, Mn ... Mark of landmark set for short distance, P mf ... Long-distance Land mark set midpoint, P mn ... Short distance landmark set midpoint, Ps ... self position.

Claims (5)

周囲環境を撮像する撮像手段を有するとともに自律的に自己位置推定および移動方向制御を行う移動ロボットの作業環境中に設置するランドマーク装置であって、
所定距離を隔てて離間配置されている少なくとも二つのマークを有する近距離用ランドマークセットと、
前記近距離用ランドマークセットよりも広い距離を隔てて離間配置されている少なくとも二つのマークを有する遠距離用ランドマークセットと、を備え、
前記近距離用ランドマークセットの二つのマーク間の中点と前記遠距離用ランドマークセットの二つのマーク間の中点とは、前記ランドマークから所定距離離れた位置から前記撮像手段で撮像した際に同じ撮像領域内に含まれる
ことを特徴とするランドマーク装置。
A landmark apparatus installed in a working environment of a mobile robot having an imaging means for imaging the surrounding environment and autonomously performing self-position estimation and movement direction control,
A short distance landmark set having at least two marks spaced apart by a predetermined distance;
A long distance landmark set having at least two marks spaced apart from each other by a distance larger than the short distance landmark set;
The midpoint between the two marks in the short-range landmark set and the midpoint between the two marks in the long-range landmark set were imaged by the imaging unit from a position away from the landmark by a predetermined distance. The landmark device is characterized in that it is included in the same imaging area.
請求項1に記載のランドマーク装置において、
前記近距離用ランドマークセットと前記遠距離用ランドマークセットとは、高さ方向で異なる位置に配設されている
ことを特徴とするランドマーク装置。
The landmark device according to claim 1,
The landmark apparatus, wherein the short distance landmark set and the long distance landmark set are arranged at different positions in the height direction.
請求項1または請求項2に記載のランドマーク装置において、
前記近距離用ランドマークセットのマーク間の中点と前記遠距離用ランドマークセットのマーク間の中点とは同一鉛直線上にある
ことを特徴とするランドマーク装置。
In the landmark apparatus according to claim 1 or 2,
The landmark device, wherein a midpoint between marks of the short distance landmark set and a midpoint between marks of the long distance landmark set are on the same vertical line.
請求項1から請求項3のいずれかに記載のランドマーク装置において、
前記近距離用ランドマークセットと前記遠距離用ランドマークセットとは同一面内に配設されている
ことを特徴とするランドマーク装置。
In the landmark apparatus in any one of Claims 1-3,
The landmark apparatus, wherein the short-range landmark set and the long-range landmark set are disposed in the same plane.
請求項1から請求項4のいずれかに記載のランドマーク装置と、
前記ランドマーク装置を撮像した画像データに基づいて位置制御を行い自律的に移動する移動ロボットと、を備える
ことを特徴とする移動ロボットの制御システム。
The landmark device according to any one of claims 1 to 4,
A mobile robot that autonomously moves by performing position control based on image data obtained by imaging the landmark device.
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