JP2014203145A - 自律移動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、環境中に動的障害物が存在する場合においても、信頼性の高い自己位置推定を可能とする自律移動装置の提供を目的とする。【解決手段】そして、この目的を達成するために本発明に係る自律移動装置１は、自己の周囲の環境情報を取得する環境情報取得センサ２と、環境情報及び地図情報を記憶する記憶部７と、環境情報取得センサ２において取得された環境情報を基に地図情報を更新する地図情報更新部６と、環境情報取得センサ２において取得された環境情報を基に、自己の位置を推定する自己位置推定部５と、を備える自律移動装置において、地図情報は、更新を許可するエリアと、更新を許可しないエリアとを有する構成とした。【選択図】図１

Description

本発明は、環境情報から自己位置を推定しつつ目的地までの自律移動を行なう自律移動装置に関するものである。

従来の自律移動装置では、ＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping）と呼ばれる、各種センサから取得した情報から、自己位置推定と地図作成とを同時に行う方法が存在する。（例えば、特許文献１）

特開２０１１−２０９２０３号公報

従来の自律移動装置におけるＳＬＡＭの一般的課題について言及する。前提として、用いられるセンサには必ず誤差があるものであり、その誤差があるデータを用いて誤差のある地図を作ることになる。そしてその誤差がある地図を用いて位置推定を行なう。このように地図生成と位置推定を繰り返していくことによって、その誤差は増大する。特に、動的障害物が多く存在する環境においては、この動的障害物をすべて地図として残す場合、動的障害物のデータも地図となってしまうことになり、そのことが誤差をより大きなものにする。その結果として、従来の自律移動装置は走行が不安定なものになるため、自己の位置推定の信頼性が低くなってしまうという課題があった。

そこで、本発明は、環境中に動的障害物が存在する場合においても、信頼性の高い自己位置推定を可能とする自律移動装置の提供を目的とする。

上述の目的を達成するために本発明は、自己の周囲の環境情報を取得する環境情報取得センサと、環境情報及び地図情報を記憶する記憶部と、環境情報取得センサにおいて取得された環境情報を基に地図情報を更新する地図情報更新部と、環境情報取得センサにおいて取得された環境情報を基に、自己の位置を推定する自己位置推定部と、を備える自律移動装置において、地図情報は、更新を許可するエリアと、更新を許可しないエリアとを有する構成とし、これにより所期の目的を達成する。

本発明に係る自律移動装置は、地図情報に対する環境情報の更新のエリアの設定により、人などの移動体の往来等による動的障害物が多いエリアには、地図情報を記憶しないように設定することができるため、動的障害物の存在に起因する位置推定の誤りを防止することができる。この結果として、本発明に係る自律移動装置は、環境中に動的障害物が存在する場合においても、安定な走行を可能とし、信頼性の高い自己位置推定を可能とするのである。

本発明の第１の実施形態に係る自律移動装置の全体構成図 本発明の第１の実施形態に係る自己位置推定の第１例を示すフローチャート 本発明の第１の実施形態に係る自己位置推定の第２例を示すフローチャート 本発明の第１の実施形態に係る自己位置推定の特徴説明図

以下、図１の全体構成図を用いて、本発明の実施形態に係る自律移動装置１について説明を行なう。

（第１の実施形態）
自律移動装置１は、自己の位置と周囲に存在する環境物の位置の情報を取得しつつ、自律的に移動するために、図１に示すように、自己の周囲の環境物の位置の情報を取得する環境情報取得センサ２と、環境情報取得センサ２により取得した環境情報を基に、移動部３を制御して自己の位置を移動させる制御部４と、環境情報、地図情報などを記憶する記憶部７を備えている。さらに、制御部４は、自己の位置を認識するための自己位置推定部５と、地図情報を更新するための地図情報更新部６を備えている。記憶部７には、環境情報、地図情報の他に、自己位置推定部５によって取得される自己位置情報、および制御パラメータ等が記憶される。

環境情報取得センサ２は、例えば、車体の前面下部中央に備えられて前方方向の走行面上を水平にスキャンするレーザレーダ（図示せず）を用いて構成されている。環境情報取得センサ２は、例えば、一定の制御周期のもとで間欠的にスキャンを行って、１回のスキャン毎に取得する距離データの集合を各時点における環境情報（センサ情報）として記憶部７に記憶させる。また、環境情報取得センサ２として、レーザレーダの他に、周囲の障害物までの距離を測定するように構成した超音波センサや、赤外線センサなどを用いることができる。また、撮像した画像を処理して障害物までの距離を測定する画像距離センサなどを用いることができる。

移動部３は、例えば電池８で駆動されるモータと駆動輪（図示せず）などを備えて構成される。このモータには、その回転数や回転速度を計測するエンコーダが設けられている。

制御部４は、このエンコーダからの入力値によって移動距離や移動方向を大略知ることができ、自律移動装置１は、このような情報をもとにデッドレコニング（推定航法）を行って自律的に移動する。

自己位置推定部５は、センサ情報のデータを処理して、壁などの環境情報や位置認識用に設けられたランドマークなどを抽出する。これらの特徴的な環境情報などは、記憶部７に記憶されている走行領域の地図情報に含められている。そこで、抽出物の位置が地図情報と比較されることにより自律移動装置１の自己位置が取得され推定される。このようにして取得された自己位置の情報によって、デッドレコニングによる自己位置が修正される。自己位置推定部５によって取得された自己位置情報は、記憶部７に記憶され、制御部４等によって適宜参照される。

地図情報更新部６は、環境情報取得センサ２において取得された環境情報を基に、地図情報を更新する。

上述のように、本実施に係る自律移動装置１の構成の説明を行ったが、特に重要な点は、地図情報の更新を許可するエリアと更新を許可しないエリアとを有することである。

このようにエリアを設定することにより、人などの移動体の往来（動的障害物）が多いエリアについては、地図情報を更新して記憶しないように設定することができ、動的障害物の存在に起因する位置推定の誤りを防止することができるのである。

次に、本実施の形態に係る自己位置推定の第１例について、図２のフローチャートを用いて説明する。

まず、環境情報取得センサが環境情報を取得する（Ｓ２１）。そして、制御部４は、取得された環境情報が特定エリア（地図情報の更新を許可するエリア）内に存在するか判断する（Ｓ２２）。制御部４において、環境情報が特定エリア内に存在すると判断された場合のみ、地図情報更新部６は特定エリア内の地図情報を更新する（Ｓ２３）。このとき、地図情報のうち、ラインセグメントのみを登録する、ラインセグメント以外のセグメント情報のみを登録する、取得した環境情報取得センサデータを座標で登録する等の具体的な登録手段が考えられる。そして、更新された地図情報を用いて、自己位置推定部５は自己位置の修正を行なう（Ｓ２４）。このとき、具体的な自己位置推定の手段としては、ラインセグメントを用いたマップマッチングやパーティクルフィルタを用いた推定が考えられる。このＳ２１〜Ｓ２４のステップは、終了するまで繰り返し行われる（Ｓ２５）。

次に、本実施の形態に係る自己位置推定の第２例について、図３のフローチャートを用いて説明する。

まず、環境情報取得センサが環境情報を取得する（Ｓ３１）。そして、制御部４は、自己位置推定部５における自己位置推定の誤差の範囲が所定範囲内であるか否かを判断する（Ｓ３２）。ステップＳ３２において誤差の範囲が所定範囲内であると判断された場合、制御部４は、ステップＳ３１において取得された環境情報が特定エリア（地図情報の更新を許可するエリア）内に存在するか否かを判断する（Ｓ３３）。そして、ステップＳ３３において環境情報が特定エリア内に存在すると判断された場合のみ、地図情報更新部６は特定エリア内の地図情報を更新する（Ｓ３４）。そして、更新された地図情報を用いて、自己位置推定部５は自己位置の修正を行なう（Ｓ３５）。このＳ３１〜Ｓ３５のステップは、終了するまで繰り返し行われる（Ｓ３６）。

次に、自律移動装置１の各構成部の特徴等について詳細説明を行なう。

記憶部７は、自己の位置の信頼度に関するパラメータを保有してもよい。この場合、地図情報更新部６は、信頼度に関するパラメータが所定値よりも高い場合のみ、前記地図情報を更新する。この信頼度に関するパラメータは、自己位置推定誤差の大きさを設定してもよい。この場合には、地図情報更新部６は、自己位置推定誤差の大きさの範囲が小さいときのみ、地図情報を更新する。

このように構成することにより、誤った地図に更新してしまうことを防止することができる。

さらに記憶部７は、更新を許可するエリア内において、地図情報として特定のセグメントのみを記憶する構成としてもよい。

より具体的に図４（ａ）を用いて説明すると、例えば特定の円形状のセグメントのみを記憶する構成であるとした場合、点線枠（更新を許可するエリア内）の上部の障害物は、あらかじめ想定した形状の障害物とは異なるため、記憶部７に記憶しないものとする一方、点線枠の下部の障害物は、あらかじめ想定した形状の障害物であるため、記憶部７に記憶するというように、制御部４は制御を行なうようにする。

このように構成することにより、特徴量のある一部の障害物のみを地図として登録することが可能となる。

さらに記憶部７は、更新を許可するエリア内において、地図情報としてラインセグメントのみを記憶する構成としてもよい。

より具体的に図４（ｂ）を用いて説明すると、例えば記憶する障害物をラインセグメントに限定する場合、点線枠（更新を許可するエリア内）に図示されるロッカーは、ラインセグメントとして認識されるため、記憶する障害物となる。このようにして、明確にラインセグメントに該当しない障害物を区別することができる。

このように構成することにより、たとえばラインセグメントを用いたマップマッチングを行っているとき、重要となるセグメントのみを記憶することができる。

さらに記憶部７は、前記更新を許可するエリア内において、前記地図情報として取得した位置座標を記憶する構成としてもよい。

このように構成することにより、位置座標の記憶が他の情報に比べて容易である点を生かして、これらの位置座標のデータを用いて、ＩＣＰ（Iterative Closest Point）に利用できる。

また、自己位置推定部５は、更新を許可するエリア内において、はじめて障害物を検知したとき、前記更新を許可するエリア内のデータを用いずに位置推定を行う構成としてもよい。

このように構成することにより、まだ地図情報に登録していないデータは、位置推定に用いないことにより、位置推定の誤りを防ぐことができる。

また、地図情報更新部６は、環境情報取得センサ２の計測範囲が、更新を許可するエリア内を包括する場合、更新を許可するエリア内の地図を更新する構成としてもよい。

このように構成することにより、エリア内の地図を少しずつ更新するのではなく、一定のまとまりでもって更新することができるため、エリア内地図の誤差の累積や地図の不整合を防ぐことができる。

また、地図情報更新部６は、更新を許可するエリア内で、環境情報取得センサ２の取得するデータ量が所定量以上になったとき、更新を許可するエリア内の地図を更新する構成としてもよい。

このように構成することにより、エリア内の地図を少しずつ更新するのではなく、一定のまとまりでもって更新すること、エリア内地図の誤差の累積や地図の不整合を防ぐことができる。

また、地図情報更新部６は、更新を許可するエリア内の障害物データを一定時間毎に更新する構成としてもよい。

このように構成することにより、エリア内は誤った地図を登録している可能性があるので、この誤った地図の登録の影響を抑えることができる。

また、地図情報更新部６は、更新を許可するエリア毎に、更新時間を変更して更新する構成としてもよい。

このように構成することにより、あまり位置が変わらないようなものが置かれる個所については変更までの時間を長くし、逆に位置がすぐに変わる可能性の高い個所については変更までの時間を短くすることができるため、障害物の移動に対応することができる。
また、地図情報更新部６は、自律移動装置１が目的地へ到着する度に、更新を許可するエリア内の地図を初期化する構成としてもよい。

また、自己位置推定部５は、一定時間毎に、更新を許可するエリア内のデータを用いない位置推定値の結果と、更新を許可するエリア内のデータを用いる位置推定値の結果と、を比較する構成としてもよい。この場合、地図情報更新部６は、自己位置推定部５において比較された結果、推定値の相違が所定値よりも大きい場合、更新を許可するエリア内のデータを消去する構成とする。

このように構成することにより、エリア内のデータに誤りがあっても、その誤りを検出して修正できる。

また、記憶部７においてはじめから記憶されている地図情報を用いた自己位置推定部５の自己位置推定と、更新を許可するエリア内に記憶されている地図情報を用いた自己位置推定部５の自己位置推定とは、その推定手段が異なるように構成してもよい。

このように構成することにより、エリア内は誤った地図を登録している可能性があるので、その誤った地図登録の影響を抑えることができる。

また、自己位置推定部５は、記憶部７においてはじめから記憶されている地図情報を用いた自己位置推定部５の自己位置推定として、ラインセグメントマッチングを用い、更新を許可するエリア内の地図情報を用いた自己位置推定として、確率的手法を用いる構成としてもよい。

また、自己位置推定部５は、更新を許可するエリア内の地図情報を用いた自己位置推定として、ＩＣＰ（Iterative Closest Point）パターンマッチングを用いる構成としてもよい。

このように構成することにより、一般にＩＣＰは通常計算負荷が高いものの、エリア内のみの地図を用いる場合、その計算負荷は小さくなり、かつ、取得したセンサ情報を座標値として記憶できるために実装が簡易である。

また、自己位置推定部５は、複数の更新を許可するエリアが存在する場合、各エリアにおいて個別の位置修正量を推定する構成としてもよい。

このように構成することにより、エリアごとに推定した修正量を用いて自己位置を修正することができる。

また、自己位置推定部５は、複数の更新を許可するエリアが存在する場合、各エリアにおける個別の位置修正量に基づいて、カルマンフィルタを用いて自己位置を推定する構成としてもよい。

このように構成することにより、各エリアからのデータに対して確率的手法を用いて処理することができる。

また、自己位置推定部５は、地図を用いた自己位置推定値の結果と、更新を許可するエリア内に記憶されている地図情報のみを除外して行った自己位置推定値の結果と、を比較
する構成としてもよい。この場合、地図情報更新部６は、自己位置推定部６において比較された結果、自己位置推定値の相違が所定値よりも大きい場合、更新を許可するエリア内の地図情報を更新する構成とする。

このように構成することにより、エリア内の地図に誤りがあった場合に、自己位置推定の推定値を修正することができる。

また、地図情報更新部６は、更新を許可するエリア内における地図情報の生成を行なう地図生成モードを有し、この地図生成モードにおいて自律移動装置１が移動を行なう場合、更新を許可するエリア内において一時的に記憶する地図情報を、恒久的に用いる地図情報に変更する構成としてもよい。一般に、自律移動装置１が移動する空間の地図は、設置物の位置が都度変わるため、自動地図生成の機能が有効となるものの、全ての地図を完全にはじめから生成するのでは誤差が大きくなってしまう。そこで、このように部分的にSLAMを行う自律移動装置を構成することにより、誤差の少ない地図を自動で生成することが可能になる。

また、地図情報更新部６は、自己位置の信頼度が所定値よりも高く、更新を許可するエリア内のマッチング度が所定値よりも低い場合、そのエリア内のデータを削除する構成としてもよい。

このように構成することにより、対象物が移動障害物である可能性が高い場合には削除するができる。

また、記憶部７は、更新を許可するエリアごとに自己位置のエリア信頼度を保有し、自己位置推定部５は、エリア信頼度が所定値よりも高い場合、そのエリア内の地図情報に対してより大きな修正を行なう構成としてもよい。

このように構成することにより、エリア内の地図を用いてのみしか自己位置を修正補正できない成分（方向）がある場合、エリア内の自己位置の修正補正に用いる重要度を上げることができる。

上述のように、本発明に係る自律移動装置は、環境中に動的障害物が存在する場合においても、信頼の高い自己位置推定を可能とするものであるため、環境情報を基にして自己位置を推定しつつ目的地までの自律移動を行なう自律移動装置に利用可能性が高い。

１ 自律移動装置
２ 環境情報取得センサ
３ 移動部
４ 制御部
５ 自己位置推定部
６ 地図情報更新部
７ 記憶部
８ 電池

Claims (21)

1. 自己の周囲の環境情報を取得する環境情報取得センサと、
   前記環境情報及び地図情報を記憶する記憶部と、
   前記環境情報取得センサにおいて取得された前記環境情報を基に、前記地図情報を更新する地図情報更新部と、
   前記環境情報取得センサにおいて取得された前記環境情報を基に、自己の位置を推定する自己位置推定部と、
   を備える自律移動装置において、
   前記地図情報は、更新を許可するエリアと、更新を許可しないエリアとを有することを特徴とする自律移動装置。
2. 前記記憶部は、自己位置推定の信頼度に関するパラメータを保有し、
   前記地図情報更新部は、前記信頼度に関するパラメータが所定値よりも高いときのみ、前記地図情報を更新することを特徴とする請求項１に記載の自律移動装置。
3. 前記記憶部は、前記更新を許可するエリア内において、前記地図情報として特定のセグメントのみを記憶する請求項１又は２に記載の自律移動装置。
4. 前記記憶部は、前記更新を許可するエリア内において、前記地図情報としてラインセグメントのみを記憶することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の自律移動装置。
5. 前記記憶部は、前記更新を許可するエリア内において、前記地図情報として取得した位置座標を記憶することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の自律移動装置。
6. 前記自己位置推定部は、前記更新を許可するエリア内において、過去に検知していなかった障害物を検知したとき、前記更新を許可するエリア内のデータを用いずに位置推定を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の自律移動装置。
7. 前記地図情報更新部は、前記環境情報取得センサの計測範囲が、前記更新を許可するエリア内を包括する場合、前記更新を許可するエリア内の地図の更新をすることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の自律移動装置。
8. 前記地図情報更新部は、前記更新を許可するエリア内で、前記環境情報取得センサの取得するデータ量が所定量以上になったとき、前記更新を許可するエリア内の地図を更新することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の自律移動装置。
9. 前記地図情報更新部は、前記更新を許可するエリア内の障害物データを一定時間毎に更新することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の自律移動装置。
10. 前記地図情報更新部は、前記更新を許可するエリア毎に、更新時間を変更して更新することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の自律移動装置。
11. 前記地図情報更新部は、前記自律移動装置が目的地へ到着する度に、前記更新を許可するエリア内の地図を初期化することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の自律移動装置。
12. 前記自己位置推定部は、一定時間毎に、前記更新を許可するエリア内のデータを用いない位置推定値の結果と、前記更新を許可するエリア内のデータを用いる位置推定値の結果と
    、を比較し、
    前記地図情報更新部は、前記自己位置推定部において比較された結果、推定値の相違が所定値よりも大きい場合、前記更新を許可するエリア内のデータを消去することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の自律移動装置。
13. 前記記憶部においてはじめから記憶されている地図情報を用いた自己位置推定と、前記更新を許可するエリア内に記憶されている地図情報を用いた自己位置推定とは、その推定手段が異なることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の自律移動装置。
14. 前記自己位置推定部は、前記記憶部においてはじめから記憶されている地図情報を用いた自己位置推定として、ラインセグメントマッチングを用い、前記更新を許可するエリア内の地図情報を用いた自己位置推定として、確率的手法を用いることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の自律移動装置。
15. 前記自己位置推定部は、前記更新を許可するエリア内の地図情報を用いた自己位置推定として、ＩＣＰパターンマッチングを用いることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の自律移動装置。
16. 前記自己位置推定部は、複数の前記更新を許可するエリアが存在する場合、各エリアにおいて個別の位置修正量を推定することを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の自律移動装置。
17. 前記自己位置推定部は、複数の前記更新を許可するエリアが存在する場合、各エリアにおける個別の位置修正量に基づいて、カルマンフィルタを用いて自己位置を推定することを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の自律移動装置。
18. 前記自己位置推定部は、全地図を用いた自己位置推定値の結果と、前記更新を許可するエリア内に記憶されている地図情報のみを除外して行った自己位置推定値の結果と、を比較し、
    前記地図情報更新部は、前記自己位置推定部において比較された結果、自己位置推定値の相違が所定値よりも大きい場合、前記更新を許可するエリア内の地図情報を更新することを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に自律移動装置。
19. 前記地図情報更新部は、前記更新を許可するエリア内における地図情報の生成を行なう地図生成モードを有し、前記地図生成モードにおいて前記自律移動装置が移動を行なう場合、前記更新を許可するエリア内において一時的に記憶する地図情報を、恒久的に用いる地図情報に変更することを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の自律移動装置。
20. 前記地図情報更新部は、自己位置の信頼度が所定値よりも高く、前記更新を許可するエリア内のマッチング度が所定値よりも低い場合、そのエリア内のデータを削除することを特徴とする請求項１から１９のいずれか一項に記載の自律移動装置。
21. 前記記憶部は、前記更新を許可するエリアごとに自己位置のエリア信頼度を保有し、
    前記自己位置推定部は、前記エリア信頼度が所定値よりも高い場合、そのエリア内の地図情報に対してより大きな修正を行なうことを特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載の自律移動装置。