JP2019046381A - 自律走行掃除機、および、マップ補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】充電台がずらされても正しい基準位置を把握する自律走行掃除機。
【解決手段】清掃エリアに設置された基準部材の位置を基準位置としたマップを走行実績に基づき生成するマップ生成部１８１と、マップに含まれる最も長い最長直線成分を決定する最長直線決定部１８２と、新マップに含まれる基準位置と旧マップに含まれる基準位置とを一致させ、かつ、それぞれの最長直線成分を平行または一直線上に配置するマップ配置部１８３と、新マップを旧マップに対して相対的に複数回平行移動させて移動毎にマップの差分を算出する差分算出部１８４と、最小の差分が得られた旧マップの基準位置に対する新マップの基準位置の位置関係に基づき基準位置を更新する基準位置更新部１８５を備える自律走行掃除機１００。
【選択図】図４

Description

本発明は、走行実績に基づきマップを生成する自律走行掃除機、および、マップ補正方法に関する

近年では、例えば、特許文献１によると、カメラなどの外部情報を取得するセンサを備えない自律走行掃除機の場合、掃除開始時点でマップ上のどの位置にいるかを判断することは不可能であるため、不使用時には充電台で充電しながら待機していることが多いことを利用して、充電台を起点として掃除履歴を記録し、その情報を元にマップを生成することも考えられている。

特開２００６−１１０３２２号公報

しかし、充電台を起点として繰り返し往復しながら掃除したとしても、マップが全体として傾いた状態、および、平行にずれた状態の少なくとも一方で生成されることが課題として挙げられる。

本発明の１つである自律走行掃除機は、自律的に走行して掃除を行う自律走行掃除機であって、清掃エリアに設置された基準部材の位置を基準位置としたマップを走行実績に基づき生成するマップ生成部と、生成されたマップに含まれる直線成分のうち最も長い最長直線成分を決定する最長直線決定部と、前記新マップに含まれる最長直線成分と所定の軸と一致または平行となるように前記新規マップを回転させて配置するマップ配置部とを備える。

なお、前記マップ補正方法が含む各処理をコンピュータに実行させるためのプログラムを実施することも本発明の実施に該当する。無論、そのプログラムが記録された記録媒体を実施することも本発明の実施に該当する。

マップが傾いた状態で生成される場合でも、新マップを所定の軸に沿わせた正しい姿勢にすることができる。

実施の形態に係る自律走行掃除機の外観を示す平面図である。 実施の形態に係る自律走行掃除機の外観を示す底面図である。 実施の形態に係る自律走行掃除機の外観を示す斜視図である。 実施の形態に係る制御ユニットのマップ作成に関する機能部を示すブロック図である。 実施の形態に係る清掃エリアを示す平面図である。 実施の形態に係る旧マップを示す図である。 実施の形態に係る新マップを示す図である。 実施の形態に係る基準位置を一致させて新旧マップを重ね合わせた状態を示す図である。 実施の形態に係る差分が最小となるように新旧マップを重ね合わせた状態を示す図である。 制御ユニットにおける基準位置ずれ補正方法の流れを示すフローチャートである。

次に、本発明に係る自律走行掃除機、および、マップ補正方法の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明に係る自律走行掃除機、および、マップ補正方法の一例を示したものに過ぎない。従って本発明は、以下の実施の形態を参考に請求の範囲の文言によって範囲が画定されるものであり、以下の実施の形態のみに限定されるものではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。

また、図面は、本発明を示すために適宜強調や省略、比率の調整を行った模式的な図となっており、実際の形状や位置関係、比率とは異なる場合がある。

（実施の形態）
図１は、実施の形態に係る自律走行掃除機の外観を示す平面図である。図２は、実施の形態に係る自律走行掃除機の外観を示す底面図である。図３は、実施の形態に係る自律走行掃除機の外観を示す斜視図である。

これらの図に示されるように、自律走行掃除機１００は、家庭内の床面等の清掃の対象領域である清掃エリアを自律的に走行し、清掃エリアに存在するごみを吸引するロボット型の掃除機である。

本実施の形態によれば、自律走行掃除機１００は、各種の構成要素が搭載されるボディ１２０、ボディ１２０を移動させる駆動ユニット１３０（図２参照）、清掃エリアに存在するごみを集める清掃ユニット１４０（図２参照）、ごみをボディ１２０の内部に吸引する吸引ユニット１５０、駆動ユニット１３０と、清掃ユニット１４０と、吸引ユニット１５０とを制御する制御ユニット１７０、および、各種センサを備えている。

ボディ１２０は、駆動ユニット１３０、制御ユニット１７０などを収容する筐体であり、下部に対し上部が取り外し可能な構成となっている。ボディ１２０の外周部にはボディ１２０に対して変位可能なバンパが取り付けられている。また、図２に示されるとおり、ボディ１２０は、ごみをボディ１２０の内部に吸引するための吸込口１２１が設けられている。

駆動ユニット１３０は、制御ユニット１７０からの指示に基づき自律走行掃除機１００を走行させる。本実施の形態においては、駆動ユニット１３０は、ボディ１２０の平面視における幅方向の中心に対して左側および右側にそれぞれ１つずつ配置されている。なお、駆動ユニット１３０の数は、２つに限られず、１つでもよいし、３つ以上でもよい。

駆動ユニット１３０は、清掃面上を走行するホイール、ホイールにトルクを与える走行用モータ、および、走行用モータを収容するハウジングを有する。各ホイールは、ボディ１２０の下面に形成される凹部に収容され、ボディ１２０に対して回転できるように取り付けられている。

本実施の形態の自律走行掃除機１００の駆動方式は、キャスター１７９を補助輪として備えた対向二輪型であり、２つのホイールの回転を独立して制御することで、直進、後退、左回転、右回転など自律走行掃除機１００を自在に走行させることができる。

清掃ユニット１４０は、吸込口１２１からごみを吸い込ませるためのユニットであり、吸込口１２１内に配置されるメインブラシ、メインブラシを回転させるブラシ駆動モータなどを備えている。

吸引ユニット１５０は、ボディ１２０の内部に配置されており、ファンケース、および、ファンケースの内部に配置される電動ファンを有する。電動ファンは、ごみ箱ユニット１５１の内部の空気を吸引し、ボディ１２０の外方に空気を吐出させることにより、吸込口１２１からごみを吸い込み、ごみ箱ユニット１５１内にごみを収容する。

自律走行掃除機１００が備える各種センサとして以下の様なセンサを例示できる。

障害物センサ１７３は、ボディ１２０の前方に存在する障害物を検出するセンサである。本実施の形態の場合、障害物センサ１７３は、超音波センサが用いられる。障害物センサ１７３は、ボディ１２０の前方の中央に配置される発信部１７１、および、発信部１７１の両側にそれぞれ配置される受信部１７２を有し、発信部１７１から発信されて障害物によって反射して帰ってきた超音波を受信部１７２がそれぞれ受信することで、障害物の距離や位置を検出することができる。

測距センサ１７４は、ボディ１２０の周囲に存在する障害物などの物体とボディ１２０との距離を検出する。本実施の形態の場合、測距センサ１７４は、発光部および受光部を有する赤外線センサであり、障害物に反射した赤外線が戻ってくるまでの時間に基づき距離を測定する。

測距センサ１７４は、右側の前方頂部、および、左側の前方頂部にそれぞれ配置され、配置され、右側の測距センサ１７４は、ボディ１２０の右斜め前方に向けて光を出力し、左側の測距センサ１７４は、ボディ１２０の左斜め前方に向けて光を出力する。このような構成により、自律走行掃除機１００が旋回するときに、測距センサ１７４は、ボディ１２０の輪郭と最も接近した周囲の物体とボディ１２０との距離を検出する。

衝突センサ（図示せず）は、ボディ１２０の周囲に取り付けられているバンパが、障害物に接触してボディ１２０に対して押し込まれることに伴いオンされるスイッチ接触変位センサである。

カメラ１７５は、ボディ１２０の上部空間の全周画像を撮像する装置である。カメラ１７５で撮像された画像は、画像認識処理部で処理され、画像内の特徴点の位置から自律走行掃除機１００の現在位置を把握することができるものとなっている。

床面センサ１７６は、ボディ１２０の底面の複数箇所に配置され、清掃エリアとしての床面が存在するか否かを検出する。本実施の形態の場合、床面センサ１７６は、発光部および受光部を有する赤外線センサであり、発光部から放射した赤外線光が戻ってくる場合は床面有り、閾値以下の光しか戻ってこない場合は床面無しとして検出する。

エンコーダは、駆動ユニット１３０に備えられており、走行用モータによって回転する一対のホイールのそれぞれの回転角を検出する。エンコーダからの情報により、自律走行掃除機１００の走行量、旋回角度、速度、加速度、角速度などを算出することができる。

加速度センサは、自律走行掃除機１００が走行する際の加速度を検出し、角速度センサは、自律走行掃除機１００が旋回する際の角速度を検出する。加速度センサ、角速度センサにより検出された情報は、ホイールの空回りによって発生する誤差を修正するための情報等に用いられる。

以上の障害物センサ１７３、測距センサ１７４、衝突センサ、カメラ１７５、床面センサ１７６、エンコーダは、例示であり、自律走行掃除機１００は、全てのセンサを備えなくてもかまわない。また、上記とは異なるセンサを自律走行掃除機１００が備えてもかまわない。

制御ユニット１７０は、記憶装置と、記憶装置に記憶されているプログラムに含まれる命令に従って処理を実行するプロセッサ、および、各処理を実行するハードウェア回路の少なくとも一方を備えている。また、ハードウェア回路は、デジタル回路、および、アナログ回路の少なくとも一方を備えた回路である。制御ユニット１７０は、障害物センサ１７３、測距センサ１７４、衝突センサ、カメラ１７５、床面センサ１７６などの各種センサと接続される。また、制御ユニット１７０は、走行用モータ、ブラシ駆動モータ、および、電動ファンなどの各駆動源と接続され、各種センサからの情報に基づいて接続される駆動源の回転などを制御する。また、制御ユニット１７０は、記憶装置に記憶されている清掃プログラムに従い、清掃エリア全体をできる限り清掃できるように、自律走行掃除機１００を走行させる。

図４は、実施の形態に係る制御ユニットのマップ作成に関する機能部を示すブロック図である。

同図に示すように、自律走行掃除機１００の制御ユニット１７０は、処理部としてマップ生成部１８１と、最長直線決定部１８２と、マップ配置部１８３と、差分算出部１８４と、基準位置更新部１８５とを備えている。また本実施の形態の場合、制御ユニット１７０は、表示部１８６を備えている。

図５は、清掃エリアを示す平面図である。図６は、旧マップを示す図である。図７は、新マップを示す図である。

マップ生成部１８１は、清掃エリア１８０に設置された基準部材１８９の位置を基準位置としたマップを走行実績に基づき生成する処理部である。ここで、清掃エリア１８０とは、自律走行掃除機１００が走行することができる領域であり、一般的には部屋の床面の形状に近似している。基準部材１８９とは、自律走行掃除機１００が自律的に走行する際の基準位置となる装置である。基準部材１８９は、特に限定されるものでは無いが、例えば、自律走行掃除機１００に電力を供給して自律走行掃除機１００が備えるバッテリーを充電する充電台が基準部材１８９となる。走行実績とは、例えば走行プログラムに基づき自律走行掃除機１００が基準部材１８９を起点として走行を開始してから清掃エリア１８０全体を清掃したとして清掃を終了するまでの自律走行掃除機１００の軌跡である。

マップ生成部１８１は、走行実績に基づき実際に走行した領域の外形、および、基準部材１８９が配置されていた位置である基準位置１９９を示す情報をマップとして生成し、生成したマップを記憶装置２００に保存する。また、図５に示すように清掃エリア１８０内に走行不可能な島状の領域が存在する場合は、当該島状の領域の外形およびその位置を示す情報を含むマップを生成する。

本実施の形態の場合、マップ生成部１８１により生成されるマップは、例えば２次元の配列データとして実現される。走行結果を例えば縦横１０ｃｍなどの所定の大きさの四角形で分割し、各四角形がマップを構成する配列の１要素であるとみなし、配列データとして格納する。具体的なデータ形式は特に限定されるものではないが、各要素の値は、例えば壁など走行不可能な部分を０、走行可能な床面を１、基準部材１８９を２とする。他にも、掃除したごみの量や、自律走行掃除機１００が停止した位置を追加情報として保持してもよい。

最長直線決定部１８２は、マップ生成部１８１により生成されたマップに含まれる直線成分のうち最も長い最長直線成分を決定する処理部である。ここで、最長直線成分とは、マップに含まれる線分の内、マップの周縁に含まれる最も長い線分を意味するが、ある程度の誤差範囲で最も長い線分の長さに近い線分が存在する場合は、傾きがＸ軸またはＹ軸に最も近い線分を最長直線成分とするようにしてもよい。

図８は、基準位置を一致させて新旧マップを重ね合わせた状態を示す図である。

マップ配置部１８３は、マップ生成部１８１が新しく生成した新マップ１９１に含まれる基準位置１９９とそれ以前に生成され記憶装置２００にされた旧マップ１９０に含まれる基準位置１９９とを一致させ、かつ、新マップ１９１に含まれる最長直線成分１９３と旧マップ１９０に含まれる最長直線成分１９２とを平行または一直線上に配置する。旧マップ１９０に対し新マップ１９１の基準位置１９９を合わせ、基準位置１９９を中心として新マップ１９１を回転させる処理は、例えば行列のアフィン変換を用いて処理する場合を挙示できる。ここで、旧マップ１９０は、過去に生成されたマップでもよく、過去に生成された複数のマップを統計的に処理などして得られたマップでもよい。旧マップ１９０のうち最初に生成されたマップは、所定の軸に最長直線が沿うように配置されるため、旧マップ１９０、および、新マップ１９１は、全て所定の軸に最長直線が沿うものとなる。

本実施の形態の場合、マップ生成部１８１により生成されたマップは図６、図７に示すように誤差としてある程度傾いている場合がある。マップ配置部１８３は、図８に示すように、それぞれ別の角度で傾いている旧マップ１９０の最長直線成分１９２と新マップ１９１の最長直線成分１９３とがそれぞれＹ軸に沿うように配置する。その結果、旧マップ１９０と新マップ１９１とは基準位置１９９を一致させると２つの最長直線成分が平行になるように重なる。

図９は、差分が最小となるように新旧マップを重ね合わせた状態を示す図である。

差分算出部１８４は、マップ配置部１８３で配置された新マップ１９１を旧マップ１９０に対して相対的に複数回平行移動させて移動毎にマップの差分を算出する。マップの差分とは、新旧のマップを重ね合わせた場合に重複しない部分のことであり、図８にハッチングで示す部分である。

本実施の形態の場合、差分算出部１８４は、例えば１０ｃｍなどの所定の間隔で、旧マップ１９０に対して新マップ１９１をＸ軸方向およびＹ軸方向にマトリクス状に平行移動させ、１回の移動毎に差分を算出する。差分を算出する回数は、例えば、一律に何回までと閾値を定めても良く、複数回連続的に得られる差分が常に増加する場合はその段階で差分の算出を終了してもかまわない。

基準位置更新部１８５は、差分算出部１８４で算出された差分のうち最小の差分が得られた旧マップ１９０の基準位置１９９に対する新マップ１９１の基準位置１９９の位置関係に基づき次回に作成する基準位置を更新する。なお、ある程度の誤差範囲で最小の差分と近い差分が一つまたは複数ある場合は、これらの中から基準位置の移動量が最小となる基準位置に更新するようにするのが好ましい。これにより、清掃エリア１８０に対し基準部材１８９が動かされた場合でも、適切にマップを生成することが可能となる。なお、図９においては、Ｘ軸方向にのみ基準位置１９９がずれているが、基準位置１９９のずれはこれに限らず、Ｘ軸、および、Ｙ軸の少なくも一方にずれるため、このずれに基づき基準位置の座標が更新される。

表示部１８６は、最長直線決定部１８２により決定された最長直線成分が表示画像の長辺と平行になるようにマップの傾きを調整して表示装置に表示させる処理部である。具体的に例えば、自律走行掃除機１００は、スマートフォンなどの端末装置と通信可能であり、表示部１８６は、端末装置のアスペクト比に対応する向きのマップを、通信部を介して端末装置に送信する。これにより、端末装置を操作するユーザに意識させることなく、適切にマップをユーザに提示させることができる。

次に、自律走行掃除機１００の制御ユニット１７０における基準位置ずれ補正方法の流れを、図１０を用いて説明する。これらの処理は、制御ユニット１７０において所定のプログラムをプロセッサで実行することにより実現され、また、ハードウェア回路により実現される。

自律走行掃除機１００が基準位置１９９から出発し、掃除を実行しながら自律走行掃除機１００に備えられている各種センサからの情報を収集し、基準位置１９９に戻ると、マップ生成部１８１により新しいマップが生成される（Ｓ４００１）。なお、自律走行掃除機１００が掃除を実行中においてマップの一部を生成していてもかまわない。

次に、生成された新マップ１９１の最長直線を最長直線決定部１８２が決定し、基準位置１９９を重ね合わせて最長直線が一致または平行になるようにマップ配置部１８３が新マップ１９１を回転補正する（Ｓ４００２）。なお、マップが最初に生成される場合は、最長直線を所定の軸に沿うように回転する。

次に、差分算出部１８４は、旧マップ１９０に対して新マップ１９１を例えば所定間隔の矩形の螺旋を描くように段階的にシフトさせ、一段階毎に差分を算出する。そして、差分が最小だった旧マップ１９０に対する新マップ１９１の位置関係をシフトベクトルとして算出する（Ｓ４００４）。

次に、基準位置更新部１８５が、シフトベクトルに基づき基準位置１９９を更新する（Ｓ４００５）。

最後に、基準位置１９９が更新されたマップを、ユーザが保有する携帯端末の画面の長辺に最長直線が沿うように表示部１８６はマップを示す画像を形成して携帯端末に送信する。

以上説明した自律走行掃除機１００によれば、充電台などの基準部材１８９の配置が変更になった場合でも、新旧のマップ全体の形状から基準位置の変化を認識して正しい基準位置に更新することができる。従って、基準部材１８９と清掃エリア１８０との関係を常に正しい状態で自律走行掃除機１００が把握しておくことが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。

例えば、平面形状がルーローの三角形である自律走行掃除機１００を例示したが、自律走行掃除機１００の形状は限定されるものではなく、円形や矩形など任意の形状を採用しうる。

自律走行掃除機等の掃除結果の表示や掃除するエリアの指定機能を実現するために有用である。また家庭内で使用するロボット等の用途にも応用できる。

１００ 自律走行掃除機
１２０ ボディ
１２１ 吸込口
１３０ 駆動ユニット
１４０ 清掃ユニット
１５０ 吸引ユニット
１５１ 箱ユニット
１７０ 制御ユニット
１７１ 発信部
１７２ 受信部
１７３ 障害物センサ
１７４ 測距センサ
１７５ カメラ
１７６ 床面センサ
１７９ キャスター
１８０ 清掃エリア
１８１ マップ生成部
１８２ 最長直線決定部
１８３ マップ配置部
１８４ 差分算出部
１８５ 基準位置更新部
１８６ 表示部
１８９ 基準部材
１９０ 旧マップ
１９１ 新マップ
１９２ 最長直線成分
１９３ 最長直線成分
１９９ 基準位置
２００ 記憶装置

Claims (4)

1. 自律的に走行して掃除を行う自律走行掃除機であって、
   清掃エリアに設置された基準部材の位置を基準位置としたマップを走行実績に基づき生成するマップ生成部と、
   生成されたマップに含まれる直線成分のうち最も長い最長直線成分を決定する最長直線決定部と、
   前記新マップに含まれる最長直線成分と所定の軸と一致または平行となるように前記新規マップを回転させて配置するマップ配置部と
   を備える自律走行掃除機。
2. 前記マップ配置部は、
   新マップの基準位置と以前に生成された旧マップに含まれる基準位置を一致させ、かつ、前記旧マップに含まれる最長直線成分を前記所定の軸とし、前記新マップに含まれる最長直線成分とを一致または平行となるように配置し、
   前記マップ配置部で配置された前記新マップを前記旧マップに対して相対的に複数回平行移動させて移動毎にマップの差分を算出する差分算出部と、
   前記差分算出部で算出された差分のうち最小の差分が得られた前記旧マップの基準位置に対する前記新マップの基準位置の位置関係に基づき基準位置を更新する基準位置更新部と
   請求項１に記載の自律走行掃除機
3. 前記最長直線決定部により決定された最長直線成分が表示画像の長辺と平行になるようにマップの傾きを調整して表示装置に表示させる表示部を備える
   請求項１または２に記載の自律走行掃除機。
4. 自律的に走行して掃除を行う自律走行掃除機におけるマップ補正方法であって、
   清掃エリアに設置された基準部材の位置を基準位置としたマップを走行実績に基づきマップ生成部が生成し、
   生成されたマップに含まれる直線成分のうち最も長い最長直線成分を最長直線決定部が決定し、
   前記新マップに含まれる最長直線成分と所定の軸と一致または平行となるようにマップ配置部が前記新規マップを回転させて配置する
   マップ補正方法。

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