JP2009244965A - 移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】 移動体を走行経路直線部に正確に沿って移動させる。
【解決手段】 撮像手段を備え、前記撮像手段の撮像画像に基づいて走行経路直線部を走行制御される自律走行が可能な移動体において、前記制御部は、進行方向に向けて設置した移動体上の撮像手段で撮像した移動体識別マーク、走行経路識別マーク又は鏡面識別用マークから求まる鏡面上の移動体の位置から、移動体の横方向のズレおよび姿勢角を求めて移動体を走行制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自律移動が可能な移動体に関し、特に操舵制御に関する。

生産工場等では省力化のため製品や部材の運搬に自律走行できる移動体が利用されている。従来、自律走行が可能な移動体は床に設置した反射テープ、マグネットテープなどをガイドレールとして走行するものが主流であった。しかし、この方法では、移動体はガイドレールに沿って確実に誘導されるが、ガイドレールの破損や設置時の煩雑さ、或いは走行の自由度が制限されるなどの問題も生じていた。そのため最近ではガイドレスの移動体が開発され実用化されつつある。

この問題に対して、移動体前方に備えた撮像手段で進行方向に設置した矩形のマークを撮像し、移動体の位置を検出することで走行制御する制御方法が開示されている（特許文献１）。
また、走行コース前方に走行コース中心を示すＶ字形状のマークを撮像し、該マークの傾きを求め、操舵制御する方法が開示されている（特許文献２）。

図１０は一般的な自律走行可能な移動体の構成を表す図である。図１０において１は移動体であり、制御部１０２を内蔵している。前記制御部１０２は駆動制御部１０３と操舵制御部１０４を備えている。前記駆動制御部１０３は駆動輪１０５を駆動制御しており、前記駆動輪１０５を駆動することで前記移動体１を前進又は後退することができる。前記操舵制御部１０４は操舵輪１０６を制御しており、操舵輪１０６の向きを制御することで、移動体１の進行方向を制御することができる。このような構成で移動体１の前記駆動輪１０５および前記操舵輪１０６を制御することで、移動体１は自律走行できるのである。

特許文献１の移動体の制御方法について説明する。
図１１は特許文献１を示す図であり、(a)は移動体の構成を表し、(b)は撮像画像の例を示す図である。図１１(a)において１は移動体であり、走行経路直線部１５上を移動している。ここで走行経路直線部１５は制御上の仮想の経路であり、実際にはガイドレールのようなものは存在しない。８は撮像手段であり、前記移動体１の進行方向（図の矢印方向）を撮像できる。１０７はマークであり、既知のサイズの矩形の板または模様であり、走行経路直線部１５上または延長上に設置されている。
以上説明した構成で、撮像手段８で図１１(b)に示すようにマーク１０７を撮像し、撮像画像１０８上のマーク１０７と画像枠の空きＸ１、Ｘ２および画像上のマークの長さＸ３から左右方向のズレと、移動体とマーク間の距離を算出する。このようにして移動体の位置を検出することで走行制御するのである。

特許文献２の車体誘導装置について説明する。図１２は特許文献２を示す図であり、図１２(a)は移動体の構成を表し、(b)は撮像画像の例を表す図である。図１２(a)において１は移動体であり、走行経路直線部１５上を移動している。ここでも走行経路直線部１５は制御上の仮想の経路であり、実際にはガイドレールのようなものは存在しない。８は撮像手段であり、前記移動体１の進行方向（図の矢印方向）を撮像できる。１０７は走行コース中心を表すマークであり、既知のサイズのＶ字形状のマークで、走行経路直線部１５前方に設置されている。
以上説明した構成で、撮像手段８で図１２(b)に示すようにマーク１０７を撮像し、マーク１０７の撮像画像１０５上の複数のエッジデータ１０９の画像上の位置X,Yから画面上のマークの傾きSAを求め、事前に計測した、マークが車体中心にあるときの傾きSBとの差分を取ることで車体位置と走行コース中心との偏差を求める。このようにして走行経路直線部１５に対する偏差修正量を算出し、図示しない車体誘導制御装置にフィードバックして操舵装置を制御することで走行制御するのである。

特開昭６２−２８５１１５号（第３−３頁、図１） 実開平５−５２９０４号（第２−１２頁、図１）

図１３(a),(b)は特許文献１における移動体とマークの位置関係を表す図である。例えば図１３(a)、(b)どちらの位置関係の場合でも同じ図１１(b)の画像が撮像されるため、マーク１０７を斜めから見ていることが判別できず、進行方向に対する姿勢角がズレているのか、走行経路直線部に対する左右方向の位置がズレているのか分離ができない。このため走行経路直線部から横に外れた状態で走行し、壁や障害物に衝突する可能性がある。

図１４(a)、(b)は特許文献２における移動体とマークの位置関係を表す図である。マークに対する移動体の角度によってSAの値が変化し、マークを斜めから見ていることはわかるが、例えば図１４(a)のように左右どちらにズレているのか判別できない。さらにSAだけでは図１４(b)のAのように左右方向のみにズレているのかBのように左右方向に加えて姿勢角もズレているのか判別が困難であり、走行コースに対する左右方向のズレも算出できない。やはり本来の走行コースからのコースと平行なズレかあるいは走行コースとの傾きによるズレであるかの判別が困難という問題が残っている。

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、位置および姿勢角を補正し、走行経路直線部を正確に移動する移動体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ものである。
請求項１に記載の発明は、撮像手段を備え、前記撮像手段の撮像画像に基づいて走行経路直線部を走行制御する移動体において、前記移動体は進行方向前面に移動体識別マークを備え、前記移動体の走行経路直線部の延長上には鏡面を配置し、前記鏡面には走行経路直線部識別用マークを備え、前記撮像手段で前記鏡面に写る前記移動体識別用マークと走行経路直線部識別用マークとを撮像し、撮像画像に基づいて走行経路直線部を走行制御することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、前記移動体は、前記鏡面との距離を測定する測定手段を備えることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、前記鏡面上に鏡面識別用マークを配置することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、前記移動体識別用マーク、前記走行経路直線部識別用マーク及び前記鏡面識別用マークは発光部を備え、各々異なる周期で点滅することを特徴とする

請求項１に記載の発明によると、走行経路直線部に対する横方向のズレおよび姿勢角を検出できるので、走行経路直線部を正確に走行できる。
請求項２に記載の発明によると、鏡面からの距離によらず、走行経路直線部に対する横方向のズレ量を一様の精度で検出できるので、走行経路直線部を常に一様の精度で走行できる。
請求項３に記載の発明によると、移動体１が走行経路直線部から著しく逸脱していたり、鏡像または移動体識別用マークに損傷などの不具合が発生したことを識別することができるので、非常停止などの不具合処理ができる。
請求項４に記載の発明によると、前記撮像画像上のマーク類が小さくパターンマッチングできない程遠く離れた状態でもマーク類の位置を識別できるので、長い距離の走行経路直線部でも姿勢角および左右方向の位置を補正できる。また、暗い中でも安定してマーク類の位置を識別できる。

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は本発明の第一の実施の形態を表す図であり、(a)は本発明の移動体の構成、(b)は本発明の構成を示す図である。図１(a)において１は移動体であり、制御部２を内蔵している。前記制御部２は駆動制御部３と操舵制御部４を備えている。前記駆動制御部３は駆動輪５を駆動制御しており、前記駆動輪５を駆動することで前記移動体１を前進および後退することができる。前記操舵制御部４は操舵輪６を制御しており、操舵輪６の向きを制御することで、移動体１の進行方向を制御することができる。このような構成で移動体１の前記駆動輪５および前記操舵輪６を制御することで、移動体１は自律走行できるのである。８は撮像手段であり、前記移動体１の進行方向(図の矢印方向)に向けて設置されており、進行方向の画像を撮像する。また、移動体１には進行方向に移動体識別用マーク９が配置されている。ここで、移動体１上に移動体識別用マーク９を配置せず、移動体１の外観自体を移動体識別用マーク９として利用してもよい。図１(a)において１０は鏡面であり、移動体１の走行経路直線部１５の延長上に、走行経路直線部と直交して設置されている。本発明が従来例と異なる点は、以上説明した構成で、前記移動体１が前記撮像手段８を用いて走行経路直線部１５の延長上に設置された鏡面１０に写る移動体の鏡像１１を含む撮像画像１２を撮像し、前記制御部２が撮像画像を基に前記移動体１の左右方向の位置および姿勢角の補正量を求めて移動体を走行制御する点である。

図２は本発明の移動体の撮像手段による撮像画像を示す図である。図２において１２は前記撮像画像の例であり、ここではこの撮像画像を用いて説明する。Pは走行経路直線部識別用マークであり、前記走行経路直線部１５の延長上で、かつ鏡面１０上に設置されている。１３は鏡面周囲の背景である。前記背景１３の中に鏡面１０と、前記鏡面１０に写る前記移動体１の鏡像１１、移動体識別用マーク９、および走行経路直線部識別用マークPが写っている。
前記撮像手段８で撮像された撮像画像１２からパターンマッチングで鏡面１０に写る移動体識別用マーク９および走行経路直線部識別用マークPの画像上横方向の位置XおよびEを求める。

図３は本発明の撮像手段の特性を示す図であり、(a)は上面図、(b)は撮像画像を示す図である。図３を用いて撮像手段８の特性を説明する。撮像手段としてカメラを用いると、図３(a)に示すように撮像画像１２上の撮像対象１４の位置は撮像手段８から見た撮像対象１４の角度THと一意の関係にある。図３(b)に示すように撮像手段の撮像範囲を-R[deg]〜R[deg]、画像の幅をW[pixel]とし、画像上の撮像対象の位置がX[pixel]だとすると、撮像手段から見た撮像対象の角度THは（１）式で求められる。

TH = - 2 * R / W * X + R ・・・(1)

本発明において撮像手段８は移動体１の進行方向に設置されているので、（１）式のTHが、移動体１から見た撮像対象１４の角度を表す。
以上説明した撮像手段８の特性を用いて、鏡面１０に対する移動体１の姿勢角を求め、補正する処理を説明する。

図４は移動体が鏡面に正対していない状態を示す図であり、(a)は移動体と鏡面の配置を表し、(b)は撮像画像を示す図である。図４(a)において１０は鏡面である。１は移動体であり、前記鏡面１０に対する姿勢角がTHであるとする。９は鏡面１０に写る移動体識別用マークであり、画像上の撮像対象の位置がV[pixel]だとすると、撮像手段から見た撮像対象の角度THは（1）式のXにVを代入することで求められる。

ここで、特許文献１のようにマークの縦の２辺の長さから姿勢角を求める方法と比較して、画像上の鏡像の位置から角度を求めているので、より高精度に姿勢角を得られることが特徴である。このようにして求めた姿勢角THを制御部２にフィードバック出力する。
次に、移動体１の走行経路直線部１５に対する左右方向のズレを補正する処理を説明する。ここでは簡単のため、移動体が鏡面に正対し、走行経路直線部から外れた状態で説明する。図５は移動体が鏡面に正対し、走行経路直線部から外れた状態を示す図であり、(a)は移動体と鏡面の配置を表し、(b)は撮像画像を示す図である。図５(b)において、Vは画像上の移動体識別用マーク９の位置を表す。Eは画像上の走行経路直線部識別用マークPの位置を表す。EとVを比較すると、E>Vのとき、移動体の位置は走行経路直線部１５よりも左側に離れており、またE<Vのとき、移動体１の位置は走行経路直線部３よりも右に離れていることがわかるので、逆方向に向かうように操舵輪を制御すればよい。ここで、移動体１と鏡面１０の距離は不明であるので、走行経路直線部から離脱した距離は正確には算出できないが、EとVの差が大きければ比較的離脱した距離が大きく、逆に小さければ離脱している距離も小さいと判断することができる。このようにして求めた左右方向のズレの方向を制御部２にフィードバック出力する。この場合の制御式の一例として、移動体の左右方向の速度をVX、姿勢角の変化速度をVTh、左右方向のズレに対する制御ゲインをGx 、姿勢角に対する制御ゲインをGthとすると、姿勢角TH＝０ と、走行経路直線部１５からの離脱度合いE-V =０ とを目標値とすると、移動体が走行経路上を走行するように補正する制御式は、（２）式および（３）式で表される。
VX = - Gx * (E - V) ・・・(2)
VTh = - Gth * TH ・・・(3)
制御部１０２は（２）（３）式から得られるフィードバックVX,VThに従って移動体１の駆動輪１０５および操舵輪１０６を制御するのである。

さらに、移動体１が走行経路直線部１５から左右方向にズレ、かつ姿勢角もズレている場合の処理を説明する。図６は移動体が鏡面に正対しておらず、さらに走行経路直線部から外れた状態を示す図であり、(a)は移動体と鏡面の配置を表し、(b)は撮像画像を示す図である。図７は移動体が鏡面に正対し、走行経路直線部に位置する状態を示す図であり、(a)は移動体と鏡面の配置を表し、(b)は撮像画像を示す図である。図６(a)に示すように移動体の前記鏡面１０に対する姿勢角がTHであり、走行経路直線部から外れた状態で説明する。（２）式および（３）式より、VおよびEの値から姿勢角および左右方向の速度が一意に求まり、左右方向のズレと姿勢角のズレはEおよびVの値によらず独立なので、（２）（３）式のVX,VThを足し合わせた値を制御式にフィードバックする。

このようにして走行経路直線部１５に対する横ズレ量と姿勢角を算出し、制御部にフィードバックして操舵出力を決定することで走行制御すると、図７に示すように移動体を鏡面に正対させ、さらに正確に走行経路直線部に位置させることができる。
以上説明した処理により、移動体１の位置および姿勢角を補正し、走行経路直線部を正確に移動することができる。
なお、走行経路は直線部と、直線部と直線部とを接続する方向転換部からなり、前記移動体１は、あらかじめ与えられた走行データに記載された距離情報と、スタート地点からの現在の走行距離とを照会して、現在直線部と方向転換部のどちらを走行しているかを判別し、直線部では本発明の走行制御を行い、方向転換部では車輪回転量を基に方向を変えて次の直線部の走行を開始する。

図８は本発明の第二の実施の形態を表す図である。本実施例が実施例１と異なる点は、実施例１の移動体１に走行方向に向けて距離センサを設置した点である。ここでは前記距離センサの例としてレーザ距離計１１０を用いて説明する。レーザ距離計１１０は目標物に赤外線レーザ１１１を照射し、反射して戻ってくる時間で目標地点までの距離を測定することができる。移動体１にレーザ距離計１１０を設置することによって、移動体１と鏡面１０との距離Lを正確に求め、三角関数の近似式を用いて移動体１が走行経路直線部１５から離脱している距離を近似的にL (E - V)として求める。姿勢角TH＝０ と、走行経路直線部１５からの離脱度合いE-V =０ とが目標値であるので、移動体の制御式は（４）式および（５）式で表される。
VX = - Gx * L * (E - V) ・・・(4)
VTh = - Gth * TH ・・・(5)

移動体１は前記制御式に従って駆動輪５および操舵輪６を駆動し、移動体１の位置姿勢を制御する。

以上説明した処理により、移動体１と鏡面１０との距離Lによらず一様な精度で左右方向のズレおよび姿勢角を補正することができる。
図９は鏡面上に鏡面識別用マークを配置した撮像画像の例を示す図である。図９に示すように鏡面１０上あるいは鏡面１０と既知の相対位置に鏡面識別用マーク７を配置し、パターンマッチングで識別することで、撮像画像１２内に鏡面１０が存在することを識別できる(図９では鏡面識別用マークを２つは位置している)。よって移動体１が走行経路の直線部走行中に走行経路直線部から著しく逸脱したり、鏡像１１または移動体識別用マーク９に損傷などの不具合が発生して鏡面１０上に移動体識別用マーク９が写っていない場合でも、不具合が発生していることを識別し、非常停止などの不具合処理ができる。
また、前記鏡面識別用マーク７、移動体識別用マーク９および経路識別用マークPにそれぞれ異なる周期で点滅する発光部を設置し、前記撮像手段８で離散的に連続して撮像した一連の撮像画像の列から発光周期を算出して、前記発光部に対応するマークの種類を識別することで、前記撮像画像１２上のマーク類が小さく、パターンマッチングできない程遠く離れた状態でもマーク類の位置を識別できるので、長い距離の走行経路直線部でも姿勢角および左右方向の位置を補正できる。

本発明は移動体に限らず、自律走行機能を有する機械や家電製品などにも適用できる。

本発明の移動体の構成を表す図 本発明の撮像手段における撮像画像を表す図 撮像手段の特性を表す図 移動体が鏡面に正対していない状態を示す図 移動体が鏡面に正対し、走行経路直線部から外れている状態を示す図 移動体が鏡面に正対しておらず、走行経路直線部から外れている状態を示す図 移動体が鏡面に正対し、走行経路直線部に位置している状態を示す図 本発明の第２の実施例の移動体の構成を表す図 鏡面上に鏡面識別用マークを配置した撮像画像の例を示す図 一般的な移動体の構成を表す図 特許文献１を表す図 文献１の構成を表す図 特許文献１のマークと移動体の位置関係を表す図 特許文献２のマークと移動体の位置関係を表す図

符号の説明

１ 移動体
２ 制御部
３ 駆動制御部
４ 操舵制御部
５ 駆動輪
６ 操舵輪
７ 鏡面識別用マーク
８ 撮像手段
９ 移動体識別用マーク
１０ 鏡面
１１ 鏡像
１２ 撮像画像
１３ 背景
１４ 撮像対象
１５ 走行経路直線部
１０２ 制御部
１０３ 駆動制御部
１０４ 操舵制御部
１０５ 駆動輪
１０６ 操舵輪
１０７ マーク
１０８ 撮像画像
１０９ エッジデータ
１１０ レーザ距離計
１１１ 赤外線レーザ
A 一方の辺の長さ
B 他方の辺の長さ
C マークの中心部の辺の長さ
R 撮像手段の左右方向の一方の画角
TH 撮像手段に対する撮像対象の角[deg]
X 撮像対象の画像上の左右方向の位置[pixel]
W 撮像画像の左右方向の幅[pixel]
P 走行経路直線部識別用マーク
E 走行経路直線部識別用マークPの画像上の左右方向の位置
X１ マーク左側と画像枠との空き
X２ マーク右側と画像枠との空き
X３ マークの横幅
V 移動体識別用マークの画像上の左右方向の位置[pixel]

Claims (4)

1. 撮像手段を備え、前記撮像手段の撮像画像に基づいて走行経路直線部を走行制御する移動体において、
   前記移動体は進行方向前面に移動体識別マークを備え、
   前記移動体の走行経路直線部の延長上には鏡面を配置し、
   前記鏡面には走行経路直線部識別用マークを備え、
   前記撮像手段で前記鏡面に写る前記移動体識別用マークと走行経路直線部識別用マークとを撮像し、撮像画像に基づいて走行経路直線部を走行制御することを特徴とする移動体。
2. 前記移動体は、前記鏡面との距離を測定する測定手段を備えることを特徴とする請求項１記載の移動体。
3. 前記鏡面上に鏡面識別用マークを配置したことを特徴とする請求項１記載の移動体。
4. 前記移動体識別用マーク、前記走行経路直線部識別用マーク及び前記鏡面識別用マークは発光部を備え、各々異なる周期で点滅することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の移動体。

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