JP2965288B2 - 移動体の位置および姿勢のずれ検出方法ならびに自律走行移動体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロマシンや
自律走行車等の移動体の位置姿勢制御に関し、特に粗い
位置決め精度しか有しない移動体において、累積する誤
差を是正して位置姿勢の精度を高める簡易な位置および
姿勢のずれ検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、移動体の位置や姿勢（向き）の制
御には、移動体がカメラを持ち画像処理技術により位置
や姿勢を判断して走行する方式があった。このような方
法によれば、固定された軌道が無くても移動体を決めら
れた経路に沿って移動でき、また、軌道に縛られないた
め思うところに移動体を移動させることができる。しか
し、移動体の位置や姿勢を予定の通り正しく保持しなが
ら自律走行するためには撮像装置や画像処理装置など複
雑で高価な装置を必要とし、また小型化が困難である。
特にマイクロマシンのように限られた搬送能力しか持た
ない場合は、カメラや画像処理装置の装備が困難で、カ
メラ画像を処理して正しい位置姿勢を求める方式は採用
することができなかった。

【０００３】また、移動体上にマークを付しておいて外
部のカメラにより移動体上のマークを追跡して計測する
方法がある。特開昭６１−２７７０１０号公報は、空間
上または移動体のどちらかに３次元分布した複数のマー
クを備え、このマークを他方に備えたカメラで観測する
ことによりカメラの位置姿勢を算出し、これに基づいて
移動体の位置姿勢を計測する方法を開示している。３次
元分布した複数のマークを観測することによりカメラの
誤差パラメータを小さくして移動体の位置姿勢を高精度
で計測することができる。このようなカメラを用いる方
法では、視野角の制約から計測範囲が限られる欠点があ
った。さらに、高度な処理をするため測定装置が複雑で
重く小型の移動体に搭載して使用するには適当でなく、
また高価になる。またジャイロ等の内蔵位置センサに基
づいて走行経路を求めて現在位置を推定する方法もあ
る。この方法では、走行路が長くなるにつれて走行経路
の推定に含まれる誤差が蓄積して現在位置の推定値が段
々不正確になるのを避けることができない。このため精
度の高い位置決めを行うことが困難であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の解決
しようとする課題は、移動体の位置決めを正確に行える
簡易な位置および姿勢のずれ検出方法を提供し、簡易で
軽量な位置決めセンサ機構を備える移動体を提供するこ
とである。特に、マイクロマシーン等、僅かな荷重も省
略したい小型の低力な小型アクチュエータや自律走行車
に付加装備して、粗い位置姿勢制御により目標位置に近
づけた後に位置や姿勢の誤差を十分な精度で知るために
用いる位置決めセンサ機構を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の移動体の位置および姿勢のずれ検出方法
は、走行床面に標的模様を施し、移動体の底面に複数の
模様検出センサを標的模様の境界に対応する位置に配置
し、各模様検出センサ位置が床面に設ける標的模様の境
界内にあるか否かを検出することにより、標的模様位置
に対する移動体の位置と姿勢のずれ方向を判定し、走行
軌道を修正するようにしたことを特徴とする。この発明
の方法によれば、床面に施された単純な標的模様に対し
て移動体が所定の位置にあれば模様検出センサの出力が
所定の組み合わせになるので、模様検出センサの出力か
ら簡単に移動体の位置と姿勢が推定できる。標的模様は
予め床面に固定的に設置されているので、移動体が通過
する軌跡中の適当な位置にある標的模様について模様検
出センサの出力を検査することにより標的模様と移動体
のずれを知ることができる。

【０００６】例えば内蔵ジャイロにより誘導する場合
に、走行距離が長くなるにつれ位置姿勢の誤差が蓄積し
てついには軌道からの逸脱が許容できない程度になるこ
とがある。本発明の方法では、内蔵した誘導手段あるい
は遠隔操縦手段により粗い精度で軌道を辿りながら、と
きどき床面に設置された適当な標的模様の近傍で模様検
出センサにより移動体の位置や姿勢のずれを測定するこ
とができる。測定結果は標的模様の位置に対するずれの
方向であるが、それだけでもその位置における位置姿勢
の修正を行うことができるし、その位置で修正しなくて
も次の定点に向けて軌道修正の方向を指示するための情
報になる。このような方法によれば、移動体の誘導手段
は粗い精度でよいので単純な機構で済み、上記方法を実
行するための位置姿勢検出機構は例えば光電池のような
小型軽量なセンサを主要な構成要素とするごく簡単なも
のでよいから、マイクロマシーンなど搭載荷重の極めて
小さい移動体にも組み込んで精度の高い走行ができるよ
うにすることができる。

【０００７】なお、本発明の方法で使用する標的模様
は、交叉する直線に挟まれた彩色面が点対称に配置され
た模様であってよく、これに対応して移動体の底面に４
個のセンサを平行四辺形の頂点位置に取り付けて、標的
模様の対称中心点位置とセンサを配置した平行四辺形の
中心位置を対比するようにすることができる。彩色は直
線の片側をもう一方の側と区別するために施されるもの
で、模様検出センサが直線に対していずれの側にあるか
を検出できるものであればよく、無彩色と有彩色とを問
わず、また明度の差異による区別を用いてもよい。標的
模様は床面を覆う市松模様であってもよく、この場合は
移動体のセンサは長方形の頂点位置に取り付けるように
することが好ましい。床面を覆って設備される模様はそ
のまま装飾としてもよい。また逆に装飾として施された
床の模様をそのまま本発明の方法の標的模様として利用
することもできる。

【０００８】また、標的模様は床面に点在する模様であ
ってもよい。移動体自体に簡単な誘導手段を持っている
場合には、適当な標的模様の位置近傍まで移動してから
その標的模様を用いて移動体の位置姿勢のずれを検出し
て、軌道修正を行えばよい。点在模様は必要な所にだけ
施せばよく、施工費用が節約できる。もちろん装飾性の
高い模様を用いて部屋の美観を高めるようにしてもよ
い。なお、床面に点在する標的模様は平行四辺形の模様
であってもよい。また、床面に施す標的模様としてハニ
カム模様を用いてもよい。ハニカム模様は市松模様と異
なる美観を呈する。ハニカム模様は直線を挟む面を異な
る色にしようとすれば、少なくとも３色で色分けしなけ
ればならない。このような場合は彩色して色が区別でき
るセンサを用いることが好ましい。しかし、例えば１本
の辺を間に介在した２個の６角形を用いて位置姿勢を検
出するように構成することも可能であり、この場合はそ
の６角形に用いた色彩とそのほかの色彩を区別できれば
よい。

【０００９】なお、本発明の移動体は、位置決め機構を
有し位置姿勢を制御して自律走行するものであって、４
個のセンサを底面に平行四辺形の頂点位置に取り付けて
床面上の標的模様に基づき位置姿勢のずれを検出するよ
うにしたことを特徴とする。このように構成することに
より、比較的簡単で軽量小型な位置姿勢制御装置を搭載
するだけで、正確な走行制御を行うことができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る移動体の位置
および姿勢のずれ検出方法を、図面を用い実施例に基づ
いて詳細に説明する。図１は本発明の移動体の位置姿勢
のずれ検出方法を実施例に従って説明する図面である。
移動体が移動する床面には市松模様が施されている。市
松模様は濃い色彩を持った正方形部分３、４と淡い色彩
を持つ正方形部分５、６が交互に配列されたもので、例
えば四角いタイルを敷き詰めても形成できる。本実施例
の移動体は、ジャイロを内蔵しプログラムに従って精度
の低い自律走行ができる誘導手段を備えている。従っ
て、その誘導手段により予め決めた模様位置近傍までは
移動してくることができる。

【００１１】移動体は用途に応じて様々な外形を有する
が、本発明において形状は問題とならないので図１では
正方形１で代表し、輪郭のみを示した。移動体１は床面
に対向する底面に４個の模様検出センサＳ１、Ｓ２、Ｓ
３、Ｓ４を設備している。模様検出センサは発光素子と
受光素子を対にして組み込んで、対象に所定の光を照射
し反射してくる光の強さから反射面の有無を検出する簡
単な仕組みになっている。照射光は市松模様の濃色部分
３、４と淡色部分５、６の反射係数が大きく変化するよ
うな可視光が好ましい。なお、周囲光の強弱に影響を受
けにくくするため赤外線や紫外線を使用することもでき
る。

【００１２】図１では、移動体１は床面に施された市松
模様の交叉する場所の近傍に位置している。この時、第
１の模様検出センサＳ１と第２の模様検出センサＳ２
は、濃色領域３の境界線に沿ったすぐ内側にあって濃色
部分を検出している。また、第３と第４の模様検出セン
サＳ３、Ｓ４は上記濃色領域３と頂角を挟んで対向する
濃色領域４の境界線に沿った内側にあって同様に濃色部
分を検出している。なお、センサの位置が少しずれて境
界線を越えると、隣接する淡色領域５や６を検出して出
力が変化することになる。

【００１３】模様検出センサは濃色領域の境界線より内
側に配設されるため、移動体１の進行方向と床模様の直
線方向が一致するものとすれば、移動体１の進行方向に
対して−４５°の方向に長軸、＋４５°の方向に短軸を
有する長方形の４個の頂点に位置するように配置されて
いる。ただし、この長方形の向きは、移動体１の進行方
向と模様の関係、標的模様の選択、センサの検出対象等
が異なればそれに従って変化する。

【００１４】濃色領域を検出しているときの出力状態を
「１」で表し、淡色領域を検出するときの出力を「０」
で表すと、時計回り方向に番号を振った模様検出センサ
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の出力を順序に従って並べた検
出ベクトル（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）により、図１の
状態を（１，１，１，１）と表すことができる。このと
き移動体１は、センサ群の中心位置が市松模様の交差点
に一致し、移動体の向きが真っ直ぐ市松模様の稜線の方
向に合致している。なお、このとき、センサを結んでで
きる長方形の向きは市松模様の稜線に対して４５°の傾
きを有する。

【００１５】図２は本実施例において、上記検出ベクト
ル（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）が模様と移動体の位置関
係でどのように変化するかを示した図面である。図２
（ａ）は図１と同じ（１，１，１，１）の状態を示す。
この状態が基準となり、位置および姿勢にずれがない。
図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は模様検出センサ
のいずれか１個が淡色領域を検出した場合で、いずれも
基準位置と比較して進行方向あるいは進行方向に垂直な
方向の１方向にずれを生じた状態である。

【００１６】例えば、図２（ｂ）は図中右側に僅かにず
れた状態で、模様検出センサのうち第３センサＳ３のみ
が淡色領域６を検出するので、検出ベクトルは（１，
１，０，１）となる。このように第３センサＳ３が
「０」のときは移動体１を左に戻すようにするとよい。
また図２（ｃ）は図中左側にずれた状態で、第１センサ
Ｓ１が「０」となるので、右に戻すようにする。図
（ｄ）は移動体１が図中上方向にずれたときで第４セン
サＳ４が「０」となり、下方に戻すようにする。図２
（ｅ）は反対に下方にずれたときで第２センサが「０」
となり、上方に戻すとよい。

【００１７】図２（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）は移
動体が基準位置と比較して進行方向および進行方向に垂
直な方向の２方向に複合的なずれを生じた状態で、模様
検出センサのうち２個が淡色領域を検出する。例えば、
図２（ｆ）は、図中右上方にずれた状態で、第３センサ
Ｓ３と第４センサＳ４がそれぞれ淡色領域６と５を検出
するので、検出ベクトルは（１，１，０，０）となる。
この場合は、第３センサＳ３が「０」であるから移動体
１を左に戻すようにし、さらに第４センサＳ４が「０」
であるから下方に戻すようにする。

【００１８】また図２（ｇ）は図中右下方にずれた状態
で、第２センサＳ２と第３センサＳ３が「０」となるの
で、検出ベクトルが（１，０，０，１）となり、第２セ
ンサＳ２の出力に従って上方に戻し、第３センサＳ３の
出力に従って左に戻すようにする。図（ｈ）は移動体１
が図中左下方にずれたときで検出ベクトルが（０，０，
１，１）となるので、右上方に戻すようにする。また、
図２（ｉ）は左上方にずれたときで検出ベクトル（０，
１，１，０）に従って右下方に戻すようにする。

【００１９】図２（ｊ）、（ｋ）は移動体が基準姿勢に
対して回転方向にずれた場合で、模様検出センサのうち
対向する２個が淡色領域を検出する。例えば、図２
（ｊ）は、図中時計方向にずれた状態で、第２センサＳ
２と第４センサＳ４がそれぞれ淡色領域６と５を検出す
るので、検出ベクトルは（１，０，１，０）となる。こ
の場合は、第２センサＳ２が「０」であり第４センサＳ
４が「０」であるから、移動体１を第２センサＳ２のあ
る側で上方に第４センサＳ４がある側で下方に移動し
て、反時計方向に回転させて戻すようにする。また、図
２（ｋ）では検出ベクトルが（０，１，０，１）となる
ので、姿勢に反時計方向のずれがあることが分かり、時
計方向に回転して姿勢を戻すようにすればよい。

【００２０】図３は、本実施例の移動体位置姿勢のずれ
検出方法を適用したマイクロマシーンの外形を示す斜視
図である。図中マイクロマシーン１０は、円筒状の本体
１１に１対の駆動輪１２と１個の操縦輪１３を備え、図
示しないが内部にはジャイロを組み込んだ簡易な自律走
行制御装置を備えて、予め決められた経路に沿って床面
を走行する。図４は、図３のマイクロマシーン１０の底
面図である。本体１１の底面には床に向かって４個の模
様検出センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が取り付けられて
いる。４個のセンサは本体１１の中心で交叉する進行方
向に延びる直線とそれに垂直な直線の上を僅かに避けて
これら直線に挟まれるような位置に配置されている。セ
ンサの取り付け位置は、床模様の境界線が交わる点とマ
イクロマシーン１０の中心が一致したとき床模様の境界
線の直線部分を観測できるように決められる。本実施例
では、４個のセンサは丁度長方形の頂点位置に配置さ
れ、中心からの距離が等しくなるようにされている。こ
のように点対称に配置すると、各センサの情報の重みが
等しくなり単純な処理で必要な情報が得られる。

【００２１】図５はマイクロマシーン１０の前面図であ
る。模様検出センサＳは垂直下方に所定の光を射出し床
面１５の模様から反射してくる光を受けて、その強度か
らその位置における床面の模様を判定する。センサＳの
照射光は標的模様の色彩と対応して決められ、受光素子
の前面にフィルタを備えて照射光以外を除去するように
して測定の確度を向上させる。照射光として紫外線や赤
外線を用いてもよい。図６は、マイクロマシーン１０が
床面上を走行する様子を示す斜視図である。床面には市
松模様が一面に施されている。模様の色彩は無彩色であ
っても有彩色であってもよい。また紫外線や赤外線を使
用する場合は、それらの光線の反射率が異なる表面処理
を行えばよく、人の目に見えないような模様にすること
も可能である。

【００２２】マイクロマシーン１０は内蔵の誘導装置に
より決められた升目の角を中間的な目標にして自律走行
する。誘導装置がマイクロマシーン１０を決められた升
目の角に到達させたと見なすと、本実施例のずれ検出機
構が働いて、位置および姿勢のずれの方向を検出する。
検出情報に従って、その場でマイクロマシーン１０の位
置や姿勢を修正して、誘導装置の誘導誤差をリセットす
ることが好ましいが、それを可能とするような高い自由
度を持つ走行機構は軽量小型を旨とするマイクロマシー
ン１０には装備できない。そこで、本実施例を適用した
マイクロマシーン１０では次の目標地点まで誘導するた
めの誘導情報を修正するデータとして取り込むことによ
り、次の地点における位置や姿勢の精度向上を図る。

【００２３】図７は床面に施す別のパターンの例を示す
図面である。この例は正６角形を隙間無く連ねたハニカ
ム模様で、３色に塗り分けたものである。模様検出セン
サＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は最も濃く彩色した２１と２
２の境界線の内側すれすれの位置に対応するように配置
され、２１と２２の面を検出するように調整されてい
る。ここでは、４個の模様検出センサは移動体１の向き
に平行な長方形の頂点位置に配設されている。このよう
な構成であっても、先に図１および図２によって説明し
たと全く同じ論理で位置および姿勢のずれが検知され
る。なおこの構成では、模様の境界線の傾きが直進方向
とそれに垂直な方向で異なり、直進方向に検出感度が高
くなる。なお、面２１と２２に当たる面だけを濃色に彩
色してその他の面を区別しないで同じ淡色にしてもよ
い。上記の検出は面２１と２２だけを対象としているか
らである。また、模様検出センサが中間色で彩色した２
３の面や淡色の面２４を検出するように調整されていて
も同じである。

【００２４】図８は床面に施す別の標的パターンの例を
示す図面である。この例は模様を敷き詰めないで、必要
な位置だけに点在させるようにした場合である。移動体
は別途粗い精度の誘導手段を有するので、標的模様２５
のある位置近傍までは移動することができるから、その
後に上記に説明した模様検出を行うことにより、移動体
の位置および姿勢のずれ検出ができる。なお、位置姿勢
の検出には模様側面の境界の一部分だけあれば足りるの
で、模様の形状は非常に自由度がある。図８では中心部
に円形の模様を足して意匠性を持たせてある。このよう
に模様を点在させた場合は、広い面積に敷き詰める場合
と比較して施工コストや保全コストが低減する効果があ
り、また床面のデザインが自由になり美観を向上させる
効果がある。また、図９は、標的模様を単純な正方形で
構成したものである。この例では移動体１の底面の模様
検出センサＳを模様３６の外側を検出するように調整し
たが、これでも検出ベクトルの要素値が逆になるだけで
同じ作用効果を発揮する。

【００２５】

【発明の効果】以上詳細に説明した通り、本発明の移動
体の位置および姿勢のずれ検出方法および移動体を使用
することにより、内蔵した誘導装置や遠隔の誘導装置の
負担を著しく軽減して、簡易で軽量なずれ検出機構を搭
載するだけで十分な精度を有する位置決めを行うことが
できる。従って、負荷容量の小さいマイクロマシーンな
どの移動体に適用して大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の移動体の位置姿勢のずれ検出方法の１
実施例を説明する図面である。

【図２】本実施例において、模様と移動体の位置関係と
検出ベクトルの変化を示す図面である。

【図３】本実施例の移動体位置姿勢のずれ検出方法を適
用したマイクロマシーンの外形を示す斜視図である。

【図４】図３のマイクロマシーンの底面図である。

【図５】図３のマイクロマシーンの前面図である。

【図６】図３のマイクロマシーンが床面上を走行する様
子を示す斜視図である。

【図７】本実施例で使用する別の標的模様の例を示す図
面である。

【図８】本実施例で使用する点在型標的模様の例を示す
図面である。

【図９】本実施例で使用するさらに別の標的模様の例を
示す図面である。

【符号の説明】

１ 移動体 ３、４ 濃い正方形部分 ５、６ 淡い正方形部分 １０ マイクロマシーン １１ 本体 １２ 駆動輪 １３ 操縦輪 １５ 床面 ２１、２２ 濃色部 ２３ 中間色部 ２４ 淡色部 ２５、２６ 標的模様 Ｓ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ 模様検出センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０５Ｄ 1/02 Ｇ０５Ｄ 1/02 Ｅ (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B25J 9/10 B25J 13/08 G01B 11/00 G01B 11/26 G01C 21/00 G05D 1/02

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動体の走行する床面に複数の検出面を
   境界線が互いに角度を持って交わるように配置した標的
   模様を施し、移動体の底面に４個の模様検出センサを該
   標的模様の検出面の境界に対応する位置に配置し、各模
   様検出センサ位置が床面に設ける標的模様の対応する検
   出面内にあるか否かを検出した結果の組み合わせによ
   り、該標的模様位置に対する移動体の位置と該標的模様
   の向きに対する移動体の姿勢のずれ方向を判定し、走行
   軌道を修正するようにしたことを特徴とする移動体の位
   置および姿勢のずれ検出方法。
2. 【請求項２】 前記標的模様が交叉する直線に挟まれた
   面が点対称に配置された模様であって、前記移動体の底
   面に４個のセンサを平行四辺形の頂点位置に取り付け
   て、前記標的模様の対称中心点位置と４個のセンサを配
   置した前記平行四辺形の中心位置を対比するようにした
   ことを特徴とする請求項１記載の移動体の位置および姿
   勢のずれ検出方法。
3. 【請求項３】 前記標的模様が市松模様であって、移動
   体の底面に４個のセンサを長方形の頂点位置に取り付け
   たことを特徴とする請求項２記載の移動体の位置および
   姿勢のずれ検出方法。
4. 【請求項４】 前記標的模様が交叉する直線に挟まれた
   点対称図形からなり床面に点在する模様であって、移動
   体の底面に４個のセンサを長方形の頂点位置に取り付け
   たことを特徴とする請求項２記載の移動体の位置および
   姿勢のずれ検出方法。
5. 【請求項５】 前記標的模様が平行四辺形の床面に点在
   する模様であって、移動体の底面に４個のセンサを長方
   形の頂点位置に取り付けたことを特徴とする請求項２記
   載の移動体の位置および姿勢のずれ検出方法。
6. 【請求項６】 前記標的模様が色分けされたハニカム模
   様であって、移動体の底面に４個のセンサを長方形の頂
   点位置に取り付けたことを特徴とする請求項２記載の移
   動体の位置および姿勢のずれ検出方法。
7. 【請求項７】 複数の検出面を境界線が互いに角度を持
   って交わるように配置した床面上の標的模様に基づき位
   置決めをする機構を有し位置姿勢を制御して自律走行す
   る移動体であって、４個のセンサを底面に前記検出面の
   境界に対応する平行四辺形の頂点位置に取り付けて、各
   模様検出センサ位置が対応する前記検出面にあるか否か
   を検出した結果の組み合わせにより、位置姿勢のずれを
   検出するようにしたことを特徴とする自律走行移動体。