JP2012059176A - 移動体の誘導制御システム及び誘導制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気マーク等のランドマークを床面に分散配置しても、自律移動体に走行軌道の再現性をたかめ、誘導制御システムの低コスト化と柔軟性の向上を実現する。
【解決手段】床面等に設置されたマーカーと、該マーカーを検出して予め定められた走行軌道に沿って自律移動体を自律走行させる際、移動体の走行軌道に基づいて床面等にマーカーを分散して離隔配置する。軌道習得走行により、このマーカーに沿わせながら、再現すべき軌道に沿って移動体を走行させ、移動体の走行面における２次元座標及び走行方向を走行軌道と、マーカー検出部の検出履歴を記録する。記録された走行軌道とマーカー検出履歴に基づいて、マーカーのマップと走行軌道を生成し、移動体を走行させる際、走行軌道とマーカー検出履歴に基づいて、マーカーのマップを更新する。

【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、荷物の自動搬送装置、ロボット、人間の移動支援機器等の移動体に搭載される誘導制御システム及び誘導制御方法に関する。

現在工場などにおいて生産効率化を図る手段として、搬送作業を自動で行う無人搬送車（AGV）が使用されている。これは目的地点まで自動的に物の運搬を行う移動体であるが、一般によく使用されている誘導制御システムは、磁気テープや磁気ケーブル、もしくは白線等、移動経路に沿って連続的に設置されたマーカーなどの誘導体を使用したもので、安全性・信頼性の面での優位性から、工場内での使用のみならず、ゴルフカート等でも採用されている。

しかし、このようなシステムでは、連続的に設置されたマーカーに忠実に追従した走行軌道以外を走行することは不可能で、走行軌道を変更するには磁気テープ等の敷設変更が必要になるため、軌道設計の柔軟性に問題がある。
また、例えば、予期せぬ障害物が走行軌道上に設置された際、マーカーを再度設定し直さない限り、回避や方向転換などができない点などの問題があり、例えば走行軌道の変更を頻繁に行わねばならない環境や病院・施設等の人間共存環境での使用には適さない。

このような問題を解決するため、下記特許文献１には、複数の位置決め装置を点在させ、通信により誘導することで、磁気テープ等の誘導体敷設なしで自律走行させることが、下記特許文献２には、ＧＰＳとレーザレーダのマップマッチングをカルマンフィルタにより融合することで磁気テープ等の誘導体敷設なしで自律走行させることが、下記特許文献３には、磁気テープ等の誘導体が不連続でも、オフラインティーチングにより記憶した運動パターンを再現することで自律走行を継続することが提案されている。

さらに、下記特許文献４、５には、磁気テープ等の誘導体が不連続でも、直前の情報で補間して自律走行を継続することが、下記特許文献６には、磁気テープ等の誘導体が不連続でも、不連続区間に仮設誘導体を一度設置し走行路を記憶させることで、自律走行を行うことが、また、下記特許文献７には、磁気テープ等の誘導体が不連続でも、ジャイロと車輪回転量で補間し、自律走行を行うことなどが提案されている。

特開２００５−１８２４８号公報 特開２００８−８３７７７号公報 特開平９−１１４５２２号公報 特開２００１−２０２１３１号公報 特開平１０−２７０１９号公報 特開平１０−３９９２８号公報 特開平１０−３９９２７号公報

しかしながら、特許文献１で提案されたものにおいては、誘導体敷設の必要はないものの、走行軌道を変更するためには位置決め装置のレイアウト変更が必要になること、特許文献２で提案されたものにおいては、自由に軌道設計ができるものの、高精度ＧＰＳやレーザレーダにコストがかかることや、環境変動に対する柔軟性の観点で問題がある。
さらに、特許文献３〜７は、予め設置された誘導体の不連続に関する解決法の提案であり、誘導体上の走行軌道を変更するには、改めて誘導体の敷設を変更しなければならないといった問題がある。

以上のように、比較的安価で信頼性の高い手法である磁気テープ等の誘導体を用いる誘導制御システムでは、軌道上しか走行することができず、さらに軌道変更に手間がかかることなどが問題として挙げられる。また、環境情報に基づいて自己位置を認識し設定軌道を走行する手法は、レーザレンジセンサ等の高価なセンサが必要となり、さらに環境変動に脆弱という意味で信頼性に問題がある。

そこで、本発明では、磁気マーク等のマーカーを床面に分散配置し、軌道習得をさせる際に、そのマーカーをランドマークとした地図を自動生成するとともに、正確なマッチングを取り、その情報に基づいて自律走行を実現する誘導制御システム及び誘導制御方法を提案する。

より具体的には、本発明の誘導制御システムによれば、床面等に設置されたマーカーと、該マーカーを検出して予め定められた走行軌道に沿って移動体を自律走行させる移動体の誘導制御システムにおいて、前記マーカーは床面に離隔して複数配置されており、前記移動体は、進行方向に対し所定幅の検出部を備えたマーカー検出器と、走行面における２次元座標及び走行方向を検出する走行センサとを備え、前記移動体が軌道習得走行する際に、前記マーカー上、及び離隔したマーカー間の走行軌道に沿って走行させられたとき、前記マーカー検出器の検出履歴と前記走行センサの検出値とに基づいて、前記マーカーのマップと走行軌道を記録する記録装置を有し、前記移動体が自律走行する際に、前記走行センサの検出値に基づいて、前記軌道習得走行時に得られた走行軌道を再現するよう前記移動体の駆動装置を制御するとともに、前記マーカーを通過する際、そのときの前記マーカー検出器の検出履歴と、前記マーカーのマップとの誤差に基づいて、前記走行センサの検出値に基づく走行軌道を補正し、さらに離隔したマーカー間を自律走行する際、前記走行センサの検出値に基づいて、前記軌道習得走行時に得られた走行軌道を再現するようにした。

また、前記軌道習得走行時において、前記マーカー上を走行する際、そのとき得られた前記マーカー検出器の検出値と前記走行センサの検出値に対し、その直前までの前記マーカーの検出履歴と走行軌道とに基づいてマッチングを行い、前記マーカー検出器の検出値に基づく前記２次元座標及び走行方向を補正し、さらに補正された２次元座標及び走行方向に基づいて、軌道習得走行時に生成した前記マーカーのマップを更新するようにした。

さらに、前記自律走行時において、前記マーカー上を走行する際、そのとき得られた前記マーカー検出器の検出値と前記走行センサの検出値に対し、その直前までの前記マーカーの検出履歴と走行軌道とに基づいてマッチングを行い、その時点における前記マーカー検出器の検出値に基づく前記２次元座標及び走行方向を補正するようにした。

また、本発明の誘導制御方法によれば、床面等に設置されたマーカーと、該マーカーを検出して予め定められた走行軌道に沿って移動体を自律走行させるための誘導制御方法において、移動体の走行軌道に基づいて床面等にマーカーを分散して離隔配置する工程と、前記走行軌道のうち、前記マーカーが存在する箇所においては、進行方向に対し所定幅を有するマーカー検出部を前記マーカーに沿わせるとともに、ひとつのマーカーの終端から次のマーカーに到るまで、手押しあるいは遠隔操作により、再現すべき軌道に沿って前記移動体を軌道習得走行させ、前記移動体の走行面における２次元座標及び走行方向、並びに前記マーカー検出部の検出値を、それぞれ走行軌道及び検出部の検出履歴として時間とともに記録する工程と、前記記録された走行軌道とマーカー検出履歴に基づいて、前記マーカーのマップと走行軌道を生成する工程と、前記移動体の軌道習得走行時及び自律走行時、前記走行軌道とマーカー検出履歴に基づいて、前記マーカーのマップを更新する工程とから構成した。

本発明によれば、移動体の走行面における２次元座標及び走行方向を走行軌道と、マーカー検出部の検出履歴に基づいて、前記マーカーのマップと走行軌道を生成し、移動体が軌道習得走行時あるいは自律走行時に、生成した走行軌道とマーカー検出履歴に基づいて、マーカーのマップを更新することができるので、マーカーを離散配置しても、自律走行時の軌道及び姿勢を非常に精度高く再現できるので、低コストでしかも、走行軌道も柔軟に設計することが可能になる。

誘導制御システムの一例を示す図。 自律移動体の側面図。 自律移動体の上面図。 磁気センサによる磁気テープの検出を示す図。 磁気センサによる検出履歴を示す図。 ５本の磁気テープを離散配置した際の移動体の軌道を示す図。 生成された磁気マップの一例を示す図。 磁気テープが湾曲している際の磁気テープマップを示す図。 走行軌道が閉ループの場合のマッチングを示す図。 磁気テープを走行軌道に対して斜めに設置した例を示す図。 磁気テープを点在して設置した例を示す図。

以下、図１に示されるように、ランドマークとして、線状の磁気テープ１を使用し、自律移動体２は、進行方向に対し直交する方向、すなわち幅方向に磁気センサ３が設置され、自律移動体２が、磁気テープ１を通過する際、磁気センサ３の幅方向のどの位置を通過したかが検出できるようになっている誘導制御システムを例にして説明する。

図２、図３に自律移動体２の構造を示す。自律移動体２の中央には、モータにより独立して駆動制御される駆動輪４ａ、４ｂが設けられ、前端及び後端に、キャスター式の補助輪が配置されている。自律移動体２の底面には、床面等に設置した磁気テープ１に対向する磁気センサ３が設けられている。
この磁気センサ３は、図４に示されるように、この例では、１１個の磁気センサ素子３１を等間隔に並べたものであり、磁気テープ１の真上を通過した磁気センサ素子３１のみが１を出力することにより、磁気テープセンサ３のうち、どの磁気センサ素子３１が磁気テープ１の真上を通過したかをサンプリングタイムΔｔ毎に判別できるようになっている。この例では中央の２つの磁気センサ素子３１が磁気テープ１の真上を通過する状態を示している。

図５は、センサ履歴のうち、１番目、２番目が（０００００００００００）で、３番目で（００００１１１００００）となり、この瞬間に磁気テープ１の始端のほぼ中央を通ったことを示しており、以下、サンプリングタイムΔｔ毎にどの磁気センサ素子３１が磁気テープ上を通過したかが記録され、すべての磁気センサ素子３１の出力が０となったとき、その磁気テープの終端に到ったことが確認できる。以下、こうした磁気センサ履歴：ＭＳ（ｔ）を、ＭＳ（０）（スタート時）、ＭＳ（Δｔ）、ＭＳ（２Δｔ）・・・ＭＳ（１）（１秒後）・・・ＭＳ（２）（２秒後）・・・のように、サンプリングタイムΔｔ毎に記録する。

一方、自律移動体２の左右の車輪には、それぞれ、その回転角を検出する周知の車輪エンコーダが取り付けられており、この車輪エンコーダの検出値に基づいて、自律移動体２に搭載された制御装置が、これを微分、すなわち単位時間当たりの変動量を求め、所定の演算係数を用いて、ｔ秒経過後の走行面におけるｘ軸方向、ｙ軸方向及び走行方向、すなわちヨー角θ方向の速度ベクトルｖ（ｖ_ｘ（ｔ）、ｖ_ｙ（ｔ）、θ（ｔ））を演算する。
そして、この速度ベクトルをｖ_ｘ（ｔ）、ｖ_ｙ（ｔ）、θ（ｔ）成分毎に積分することにより、その時点での自律移動体２の位置・姿勢ベクトルｐ（ｔ）＝（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、θ（ｔ））を演算することができ、この位置・姿勢ベクトルｐ（ｔ）を時間とともに記憶することにより、移動体が通った軌道：ｐ（ｔ）を、ｐ（０）（スタート時）、ｐ（Δｔ）、ｐ（２Δｔ）・・・ｐ（１）（１秒後）・・・ｐ（２）（２秒後）・・・のように、サンプリングタイムΔｔ毎に記録する。
ただし、この軌道ｐ（ｔ）は、車輪エンコーダの精度（分解能）あるいは走行面との滑りなどにより誤差を内在しているものであり、特に走行軌道に急なカーブなどが含まれている場合、駆動輪４ａ、４ｂに滑りが生じ、誤差を含んでいる。

まず、通常のＡＧＶの自律走行のように、自律走行させたい路面上に、走行軌道に沿って磁気テープ１を敷設し、この磁気テープ１に基づいて、自律移動体２を自律走行させる場合を例に取り説明する。
本実施例では、図６に示されるように５本の磁気テープ１ａ〜１ｅを走行軌道の進行方向に沿って、所定の間隔で、必要最小限の位置に敷設する。
次に、磁気センサ情報と車輪エンコーダによる車速情報が取れる状態で移動体を手押しやマニュアル操縦により、走行させたい走行軌道上を走行させる。
いま、第１の磁気テープ１ａ手前のスタート地点Ｓから、磁気テープ１上を手押しあるいは遠隔操作で第１の磁気テープ１ａをなぞり、第１の磁気テープ１ａの末端から所望の軌道を走行させ、第２の磁気テープ１ｂの始端へと移動させる。以下同様に、磁気テープ１ｄ、１ｅの順に、自律移動体２を走行させる。その際、磁気テープ１上の走行時も含めて、走行面上の障害物や、自律移動体２による作業等を考慮し、柔軟に軌道を走行させる。以下、この走行を軌道習得走行と称することとする。

この軌道習得走行により、前述のように、車輪エンコーダの出力に基づいて、第１の磁気テープ１ａ手前のスタート地点Ｓから第１磁気テープ１ａの始端に到るまで、そして、第１の磁気テープ１ａの終端から、第２の磁気テープ１ｂの始端、終端と順に移動し、最終的に第５の磁気テープ１ｅの終端に到るまでの走行軌道：ｐ（ｔ）＝（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、θ（ｔ））を得ることができ、この走行軌道：ｐ（ｔ）は、前述のようにサンプリングタイム毎に自律移動体２の制御装置に搭載されるメモリに記録される。

また、この軌道習得走行時、自律移動体２が磁気テープ１ａ〜１ｅ上を通過したことにより、並行してＭＳ（ｔ）のデータが、各磁気テープ１ａ〜１ｅを通過する毎に得られるので、ｐ（ｔ）の（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ））と対比することにより、図７に示すように、各磁気テープのｘ座標、ｙ座標を記憶する。
その際、各サンプリングタイム毎に、それまでに作成されたＭＳ（ｔ）の履歴：ＭＳ（ｔ−Δｔ）、ＭＳ（ｔ−２Δｔ）、ＭＳ（ｔ−３Δｔ）・・・・ｐ（ｔ）の履歴：ｐ（ｔ−Δｔ）、ｐ（ｔ−２Δｔ）、ｐ（ｔ−３Δｔ）・・・・とに基づいて演算された各磁気テープのｘ座標、ｙ座標を使用して、最小２乗法等によりマッチングを行い、現在位置ｐ（ｔ）を補正し、さらに補正したｐ（ｔ）に基づいて、ＭＳ（ｔ）に対応する各磁気テープ１ａ〜１ｅのｘ座標及びｙ座標を修正する。これにより、車輪エンコーダの検出誤差が修正され、図７に示されるような正確な磁気テープマップを生成することができる。

以上のような軌道習得走行が終了したとき、自律移動体２を第１の磁気テープ１ａ手前のスタート地点Ｓに設置した後、自律移動体２に自律移動指令を送出する。
スタート地点Ｓから第１の磁気テープ１ａの始端に到るまで、軌道習得走行により取得したｐ（ｔ）、すなわち（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、θ（ｔ））が再現されるよう、車輪エンコーダの出力及びその積分値に基づいて、駆動輪４ａ、４ｂの駆動回転速度をフィードバック制御する。なお、このとき、軌道習得走行時の速度を再現するようにしてもよいし、自律移動体２の定格速度で走行させてもよい。

そして、自律移動体２の磁気テープセンサ３が第１の磁気テープ１ａの始端から検出を開始すると、そのとき検出したｐ（ｔ）の履歴：ｐ（ｔ−Δｔ）、ｐ（ｔ−２Δｔ）、ｐ（ｔ−３Δｔ）・・・・と、ＭＳ（ｔ）の履歴：ＭＳ（ｔ−Δｔ）、ＭＳ（ｔ−２Δｔ）、ＭＳ（ｔ−３Δｔ）・・・・に基づいて、対応する第１の磁気テープ１ａのｘ座標、ｙ座標を算出する。このｘ座標とｙ座標と、軌道習得走行時に作成した磁気テープマップとを、最小２乗法などを使用してマッチングを行い、そのときの現在位置ｐ（ｔ）を補正する。
この補正は、第１の磁気テープ１ａの始端から終端に到るまで継続される。

第１磁気テープ１ａの終端から第１磁気テープ１ｂの始端に到るまでは、スタート地点Ｓから第１の磁気テープ１ａの始端に到るまでと同様に、軌道習得走行により取得したｐ（ｔ）、すなわち（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、θ（ｔ））が再現されるよう、車輪エンコーダの出力及びその微分値に基づいて、駆動輪４ａ、４ｂの駆動回転速度をフィードバックする。

以後、移動軌道の終点である、第５の磁気テープ１ｅの終端に到るまで、磁気テープを通過するたびに、車輪エンコーダの出力に基づくｐ（ｔ）＝（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、θ（ｔ））が補正されるので、各磁気テープ周辺の走行面の状態や、軌道の曲率に合わせて、車輪エンコーダの出力に基づいて移動軌道を高精度に再現することができる。

特に図８に示されるように、磁気テープ１をカーブさせたような場合、従来技術では、磁気センサ３の検出値は１次元の情報しかないため、自律移動体２が磁気センサ３をトレースしている際、特にヨー角（θ）が不定になり、軌道が非常に不安定になるおそれが高いが、本実施例のように、軌道習得走行時、自律走行時それぞれで、ｐ（ｔ）と磁気テープマップが正確にマッチングされるため、非常に高い精度で、軌道習得走行時の軌道、ヨー角（姿勢）を再現することが可能になる。このため、磁気テープ１が存在しない、例えば第１の磁気テープ１ａの終端から第２の磁気テープ１ｂの始端に到るまでの走行精度を非常に高めることができる。

さらに、図９のように、６個の磁気テープ１により、自律移動体２に閉ループの軌道を走行させる際、１回の走行時におけるスタート地点：ｐ（ｔ_ｓ）と終着点：ｐ（ｔ_ｅ）は本来一致しなければならないが、実際の走行では、矢印に示すように誤差が生じ得る。そこで、上述のような磁気テープ１上の走行中のマップマッチングに加え、ｐ（ｔ_ｓ）とｐ（ｔ_ｅ）の誤差を検出し、この誤差を最小にするよう、さらにマップマッチングを行うようにすると、磁気テープマップと走行の精度を一層高めることができる。

以上実施例では、自律移動体２として、駆動輪４ａ、４ｂをモータにより独立して駆動制御するものを前提とし、走行面における２次元座標及び走行方向を検出する走行センサとして車輪エンコーダを使用したが、自律移動体２を走行させる走行装置としては、歩行式のものや、浮上型（ホバークラフト式、磁気浮上式等）等様々なものを使用することができ、走行面における２次元座標、走行方向を検出する走行センサとしてはジャイロ式のもの、加速度計など、あるいはロボット等に使用されるＣＣＤによるものなど様々なものを使用することができる。

また、磁気テープ１についても、図１０に示されるように、所望の走行軌道に対し斜めに設置したり、図１１に示されるように、点状の磁気マークを離散的に配置したり、走行軌道、走行面の状態（摩擦係数等）、走行センサの精度などに応じ、適宜選択することができる。さらには、磁気テープを適当な間隔と長さで設置することにより、磁気テープ自体をバーコード化して、例えば、スタート地点の識別、磁気テープの走行順や、自律移動体２に搭載されたマニピュレータへの作業指令を与える等、様々な変形が可能である。

さらに、マーカーとして、磁気テープ１に換え、例えば濃色のテープを設置し、磁気テープセンサ３に換え、走行方向に所定の幅に設置されたＣＣＤ素子を複数並べたものなどを使用して、濃色のテープの幅方向を検出するようにしてもよい。
また、マーカー自体をバーコードにし、ＣＣＤ素子の検出値に基づき、自律移動体２に種々の制御指令を与えるようにすることもできる。

以上説明したように本発明の移動体の誘導制御システムあるいは誘導制御方法によれば、マーカーを軌道に沿って離散配置するだけで、自律走行時、非常に精度の高い軌道、姿勢（ヨー角θ）を再現することができるので、複雑な経路、障害物がある場合でも、低コストで柔軟性、信頼性の高い走行軌道を設定でき、工場などにおいて広く使用されている無人搬送車等に広く採用されることが期待される。

１ 磁気テープ
２ 自律移動体
３ 磁気センサ
４ａ、４ｂ 駆動輪

Claims (4)

1. 床面等に設置されたマーカーと、該マーカーを検出して予め定められた走行軌道に沿って移動体を自律走行させる移動体の誘導制御システムにおいて、
   前記マーカーは床面に離隔して複数配置されており、
   前記移動体は、進行方向に対し所定幅の検出部を備えたマーカー検出器と、走行面における２次元座標及び走行方向を検出する走行センサとを備え、
   前記移動体が軌道習得走行する際に、前記マーカー上、及び離隔したマーカー間の走行軌道に沿って走行させられたとき、前記マーカー検出器の検出履歴と前記走行センサの検出値とに基づいて、前記マーカーのマップと走行軌道を記録する記録装置を有し、
   前記移動体が自律走行する際に、前記走行センサの検出値に基づいて、前記軌道習得走行時に得られた走行軌道を再現するよう前記移動体の駆動装置を制御するとともに、前記マーカーを通過する際、そのときの前記マーカー検出器の検出履歴と、前記マーカーのマップとの誤差に基づいて、前記走行センサの検出値に基づく走行軌道を補正し、さらに離隔したマーカー間を自律走行する際、前記走行センサの検出値に基づいて、前記軌道習得走行時に得られた走行軌道を再現するようにしたことを特徴とする移動体の誘導制御システム。
2. 前記軌道習得走行時において、前記マーカー上を走行する際、そのとき得られた前記マーカー検出器の検出値と前記走行センサの検出値に対し、その直前までの前記マーカーの検出履歴と走行軌道とに基づいてマッチングを行い、前記マーカー検出器の検出値に基づく前記２次元座標及び走行方向を補正し、さらに補正された２次元座標及び走行方向に基づいて、前記軌道習得走行時に生成した前記マーカーのマップを更新するようにした請求項１記載の移動体の誘導制御システム。
3. 前記自律走行時において、前記マーカー上を走行する際、そのとき得られた前記マーカー検出器の検出値と前記走行センサの検出値に対し、その直前までの前記マーカーの検出履歴と走行軌道とに基づいてマッチングを行い、その時点における前記マーカー検出器の検出値に基づく前記２次元座標及び走行方向を補正するようにした請求項１または２に記載の移動体の誘導制御システム。
4. 床面等に設置されたマーカーと、該マーカーを検出して予め定められた走行軌道に沿って移動体を自律走行させるための誘導制御方法において、
   移動体の走行軌道に基づいて床面等にマーカーを分散して離隔配置する工程と、
   前記走行軌道のうち、前記マーカーが存在する箇所においては、進行方向に対し所定幅を有するマーカー検出部を前記マーカーに沿わせるとともに、ひとつのマーカーの終端から次のマーカーに到るまで、手押しあるいは遠隔操作により、再現すべき軌道に沿って前記移動体を軌道習得走行させ、前記移動体の走行面における２次元座標及び走行方向、並びに前記マーカー検出部の検出値を、それぞれ走行軌道及びマーカー検出履歴として時間とともに記録する工程と、
   前記記録された走行軌道とマーカー検出履歴に基づいて、前記マーカーのマップと走行軌道を生成する工程と、
   前記移動体の軌道習得走行時及び自律走行時、前記走行軌道とマーカー検出履歴に基づいて、前記マーカーのマップを更新する工程とからなる誘導制御方法。