JP3150018B2 - 無人移動探査機の経路決定方法 - Google Patents

無人移動探査機の経路決定方法

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JP3150018B2 JP21307293A JP21307293A JP3150018B2 JP 3150018 B2 JP3150018 B2 JP 3150018B2 JP 21307293 A JP21307293 A JP 21307293A JP 21307293 A JP21307293 A JP 21307293A JP 3150018 B2 JP3150018 B2 JP 3150018B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、無人移動探査機の経路
を決定するのに利用される無人探査機の経路決定方法に
関し、とくに無人探査機が現在位置から目的地に向う間
に障害物があった場合において、その障害物を避けて通
る緊急経路を決定するのに利用される障害物回避経路決
定方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】地球状のオフロード地形上や、月および
火星表面上で無人移動探査機を自律走行させる場合に、
走行の障害となる岩,穴,傾斜などをセンシングし、こ
れらを認識して移動探査機を走行させることができるよ
うにする技術はすでに開発されている。
【0003】そして、移動探査機の出発地点から目的地
までの走行経路を見つけ出すために、今までは、移動探
査機に搭載した3次元センサにより障害物を含む地形を
センシングして地形データを求め、その結果に基づいて
走行経路を決定していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
走行経路決定方法では、センシングが広範囲にわたるも
のであり、特に遠方のセンシング精度に劣るため、障害
物となる岩や穴などを見落とす可能性が高く、安定走行
に問題があった。そして、遠方まで精度よくセンシング
して経路計画を設定するためには多くの時間を必要とし
ていた。
【0005】
【発明の目的】本発明は、従来の場合には、見落とされ
やすかった障害物を発見しやすくし、障害物を回避して
安全に無人走行できるようにすると共に、従来の遠方ま
で精度よくセンシングして経路計画を設定するのに比べ
て短時間で処理できる無人移動探査機の経路決定方法を
提供することを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明に係わる無人移動
探査機の経路決定方法は、移動探査機に搭載した3次元
形センサにより走行方向の前方における所定範囲の障
害物を含む地形の外部領域センシングを行って高さ,斜
度,斜面方向,地質などの3次元地形データを取得して
センシング領域内の局所地図を外部環境認識手段により
作成し、前記局所地図内で局所経路計画手段により局所
経路を計画し、局所経路に従った走行中に前記3次元地
形センサによって前記所定範囲よりも狭い範囲の近傍領
域のセンシングを行い、局所経路上に前記外部領域セン
シングでは発見し得なかった障害物でかつ移動探査機が
乗り越え得る高さのしきい値を越える障害物を発見した
場合には前記近傍領域センシングにより前記外部環境認
識手段で取得された緊急障害物回避用局所地図から障害
物を回避する緊急障害物回避経路を前記局所経路計画手
段により決定する構成としたことを特徴としている。
【0007】
【発明の作用】本発明に係わる無人移動探査機の経過探
索方法において、比較的広い範囲での外部環境認識手段
による局所地図の作成と局所経路計画手段による局所経
路の計画は、3次元地形センサによる少数回の外部領域
センシングのみで短時間で行うものとし、近傍の狭い領
域は精度のよい近傍領域センシングを行って上記外部領
域センシングでは発見できなかった移動探査機が乗り越
え得る高さのしきい値を越える障害物を発見するように
し、障害物を発見した場合には前記近傍領域センシング
により前記外部環境認識手段で取得された緊急障害物回
避用局所地図をもとにして障害物を回避する緊急障害物
回避経路を前記局所経路計画手段により設定するように
しているので、全体としての経路決定時間が短縮され、
動探査機は踏破不能な障害物のみを回避しつつ、すな
わち、無駄な回避動作をすることなく安全に無人走行す
ることとなる。
【0008】
【実施例】図1は、本発明に係わる無人移動探査機の経
路決定方法のフローチャート、図2の(a)は移動探査
機が外部領域センシングを行っている状態の概略説明
図、図2の(b)は移動探査機に設置した経路決定装置
の基本構成を示すブロック図、図3は広域地図と局所地
図との関係を示す図であって、図2に示す無人移動探査
機1は、地球のオフロード地形上や月および火星表面上
等を走行するものである。
【0009】図2の(a)において、1は無人移動探査
機、2は地球、3は無人移動探査機1に搭載したアンテ
ナ、4は無人移動探査機1に搭載した3次元地形セン
サ、5は地表である。
【0010】そして、図2の(b)に示すように、無人
移動探査機1は走行方向の前方における所定範囲の外部
領域センシングを行って外部地形データを取得する3次
元地形センサ4と、前記外部地形データをもとにして外
部領域センシング内の局所地図データを取得する外部環
境認識手段41と前記外部環境認識手段41で取得され
た局所地図内で局所経路を計画する局所経路計画手段4
2と、前記局所経路に従って無人移動探査機1を移動さ
せる移動手段43と、無人移動探査機1の移動および姿
勢変化によって位置および高さデータから変化したこと
を検知して外部環境認識手段41に補正データを送る慣
性センサ44を備え、局所経路計画手段42には、地球
上にあって広域地図を用いて作成された広域地図が通信
局より伝送される。
【0011】そして、移動探査機1に搭載されたアンテ
ナ3からは慣性センサ44により移動探査機1の姿勢位
置情報等を地球上にある通信局や人工衛星等に送り(図
1,A1)、通信局では移動探査機1の現在位置を基準
とした図3の(a)に示す広域地図6を作成し(図1,
A2)、それに基いた広域経路7を設定し(図1,A
3)、これを移動探査機1の局所経路計画手段42に伝
送する。
【0012】そして、移動探査機1は、図3の(A)に
示す広域経路7に沿って目的地10に向かおうとする
が、その出発位置で、レーザレンジファインダ等の3次
元地形センサ4で移動探査機1の進行方向の前方での比
較的広範囲の地形を1回だけ外部領域センシングし(図
1,B1)、センシング領域内の詳細な図3の(b)に
示すような局所地図8(図1,B2)を外部環境認識手
段41で作成する。
【0013】移動探査機1は、広域経路7を基準としな
がら、局所地図8内で局所経路計画手段42により局所
経路9を計画し(図1,B3)、サブ目的地11へと走
行不能領域(障害物等)14a,14b,14cを回避
しながら移動手段43により走行することとなる。
【0014】ところで、移動探査機1にとって地形セン
シングと局所地図8の作成(地形環境認識)及び局所地
図8に基づく局所経路計画が重要である。
【0015】局所経路計画手段42における局所経路計
画では、以下のような移動探査機1の踏破能力を考慮す
る必要がある。
【0016】(a)障害物乗り越え能力 (b)登坂能力 (c)軟弱地踏破能力 そして、これらの踏破能力を越える領域を識別するた
め、次のような地形の特徴量をセンシング認識すること
が必要になる。
【0017】(a)地形の高さ (b)地形の斜度 (c)地形の斜面方向 (d)地質 そして、部分自律用アルゴリズムにおいては、障害物乗
り越え能力及び登坂能力を考慮し、地形の高さ,斜度,
斜面方向により、走行不能領域の推定判断を行う。
【0018】外部環境認識手段41での局所地図8の作
成(地形環境認識) 図3の(b)に示す局所地図8の作成手法は、3次元地
形センサ(例えば、レーザレンジファインダ等)4から
の信号を処理し、得られた地形の高さ,斜度,斜面方向
の情報を用いて、移動探査機1の踏破能力(障害物乗り
越え能力及び登坂能力)を越える地形を走行不能領域と
して認識するものである。
【0019】次に、地形の高さ,斜度及び斜面方向のそ
れぞれの求め方を示す。
【0020】(1)地形の高さの求め方 図4は3次元地形センサ4による距離データの概念説明
図であって、図4に示すように、3次元地形センサ4に
より求められる距離から、センシング領域内の各測定点
の慣性座標系における位置及び地表の高さを求める。移
動探査機1の移動および姿勢変化により,位置,高さデ
ータは変化するが、その補正は、移動探査機1に搭載し
た慣性センサ44のデータを用いる。
【0021】図4(a)に示すように、センシングによ
り得られる測定点Pij(i=1,・・・n,j=1,
・・・,m,Pijは、センシング領域内におけるi,
j番目の測定点)の位置x,yと高さzは、Pijと3
次元地形センサ4間の距離R,3次元地形センサ4から
Pijを見た横方向の角度θ,奥行き方向の角度φより
得られ、数式1〜3のように表現できる。なお、Pij
の範囲は、θ,φを3次元センサ4の視野の範囲で変化
させることにより決定される。
【0022】
【数式1】 x=Rsinθ
【0023】
【数式2】 y=Rcosθcosφ
【0024】
【数式3】 z=hs−Rcosθsinφ 但し、hsは地形センサ4の地上高である。
【0025】(2)地形の斜度及び斜面方向の求め方 センシング領域内の斜度及び斜面方向は、求めようとす
る地点に平面を当てはめた時の法線ベクトルを求めるこ
とに等しい。ここでは、最小二乗法を用いて、あてはま
る平面を算出した。
【0026】図5(a)に示すように、斜度及び斜面方
向を求める地点の座標をQ(x,y,z)、そ
の近傍地点の座標をQ(x、y,z)・・・Q
(x,y,z)、あてはめる平面Sの方程式を
数式4で表す。
【0027】
【数式4】 z=ax+by+c 平面Sと各地点間の誤差を(e,・・・,e)とす
ると、これらの関係は数式5で表される。
【0028】
【数式5】 Z=X・B+E 但し、Z,X,B,Eは数式6〜9で表すものである。
【0029】
【数式6】 Z=[Z・・・Zn]
【0030】
【数式7】
【0031】
【数式8】 B=[a b c ]
【0032】
【数式9】 E=[e・・・e 数式5において、二乗誤差EEを最小にするよう、最
小二乗法でBを求めると、数式10が得られる。
【0033】
【数式10】 B=(X・X)−1・X・Z 数式10で求められるBが数式11で表されるときの平
面Sの法線ベクトルnは数式12で表される。
【0034】
【数式11】 B=[a,b,c]
【0035】
【数式12】 n=[a,b,−1] 図5(b)は平面Sの法線ベクトルnの概念説明図であ
り、求める斜度α及び斜面方向βは数式13,14で表
される。
【0036】
【数式13】
【0037】
【数式14】
【0038】(3)走行不能領域の識別 前記(1),(2)の処理で得られた高さ,斜度,斜面
方向のデータを用い、移動探査機1の登坂能力及び乗り
越え能力から決定される走行不能領域14a,14b,
14cの識別手法について述べる。
【0039】図6は走行不能領域識別のフローチャート
であって、図3および図6に示すように、まず、斜度デ
ータから移動探査機1の登坂能力以上の斜度を持つ領域
を、走行不能領域Ai(i=1,・・・,N)として抽
出する。その他は、走行可能領域15とする。
【0040】次に、各走行不能領域Aiにおいて、最大
高さHmaxと最小高さHminを高さデータより求
め、これらの値が数式15の条件を満たす場合は走行可
能領域15に変更する。これは、小石等の斜度は大きい
が乗り越えられる高さの地形は走行可能とするためであ
る。
【0041】
【数式15】 Hmax−Hmin<Tz 但し、Tzは移動探査機障害物乗り越え能力のしきい値
である。数式15の条件判定を全てのAiについて行
う。
【0042】以上の処理により識別された、走行可能領
域15と走行不能領域14a,14b,14cを記録し
たセンシング領域内の局所地図8(図3の(b)参照)
が経路計画に使用される。
【0043】経路計画 (1)経路探索地図作成 図3において、外部環境認識手段41での地形環境認識
で作成された局所地図8に対して移動探査機1の現在位
置(出発点)13からサブ目的地11までの局所経路9
を局所経路計画手段42で見い出すための経路計画につ
いて述べる。
【0044】この手法には、(イ)迷路脱出法,(ロ)
ポテンシャル法,(ハ)グラフ探索法等があるが、ここ
では、確実に経路が作成できるグラフ探索法を用いる。
【0045】図7は、経路探索手順の説明図であって、
図7に示す各グリッドは、局所地図8を分割しており、
その一辺の長さは、移動探査機1の最大長(対角線)に
相当するものとなっている。
【0046】各グリッドを走行不能領域(障害物等)1
4と走行可能領域15とに二値化し、経路探索地図16
とする。この方法によれば、画素数の少ない地図で経路
探索を行うことができるため、高速で処理することがで
きる。
【0047】(2)経路探索 経路探索手順を図7に基づいて説明する。
【0048】(a)経路探索地図16内に、経路探索の
目標点であるサブゴール17を定める。このサブゴール
17は、広域経路7上の地点である。
【0049】(b)自己位置18とサブゴール17とを
結ぶ直線経路30を算出する。
【0050】(c)直線経路30が走行不能領域14に
侵入しなければ、直線経路30を局所経路集合に登録
し、経路探索を終了する。
【0051】(d)走行不能領域14へ侵入する場合、
侵入直前の走行可能領域(侵入点)19,走行不能領域
14から脱出する領域(脱出点)20を求める。次に、
侵入点19から走行不能領域14に沿い、右回り及び左
回りに走行可能領域15を脱出点20まで辿る。脱出点
20に辿ることができた場合、自己位置18とサブゴー
ル17とを結ぶ直線とのユークリッド距離が最大である
点を回避点21,22とし、局所経路候補として登録す
る。右回り,左回り共に脱出点まで辿ることができなか
った場合は、回避点を生成しない。
【0052】(e)回避点21,22と自己位置18及
び、回避点21,22とサブゴール17を結ぶ直線経路
30を算出し、(c)の処理に戻る。
【0053】なお、サブゴール17に到達する経路が作
成されなかった場合は、サブゴール17が走行不能領域
14に囲まれていると見なす。
【0054】本方法では、サブゴール17に向かう直線
経路30上にある一つの走行不能領域14において1回
の探索について、最大二箇所の回避点21,22を生成
するのみであり、回避点の総数が少なくなるため、経路
探索処理が高速で終了する。
【0055】上述の説明では、障害物5が1個の場合の
説明であるが、障害物5が複数個ある場合にも、同様な
手法にて、複数の回避点と、複数の局所経路を得ること
ができる。
【0056】(3)経路決定 移動探査機1の走行経路は、走行距離が短い経路より
も、より起伏が少なく平坦な地形である方が望ましい。
上述の走行経路は、経路探索で作成された局所経路候補
の中からより最適な経路を以下の方法で選択した。
【0057】(a)地形の状況を表す地形平坦度の算出 経路探索は移動探索機1のサイズを一辺とした経路探索
地図16で作成されるため、その各グリッド毎に、対応
する局所地図8から、地形の特徴を以下の地形要素とし
て算出する。
【0058】・高さ地形要素(高さの平均値) ・斜度地形要素(斜度の分散値) ・斜面方向地形要素(斜面方向平均値) 各地形要素は移動探査機1の踏破能力で規格化する。
【0059】(b)走行最適経路の選択 局所経路候補の各経路毎に、上記各要素に基づいて、地
形平坦度を算出する。移動探査機1の位置からサブゴー
ル17に至るまでの局所経路9の候補の中から、地形平
坦度が最小である経路を走行最適経路として選択する。
【0060】本処理を局所経路計画手段42で行うこと
により、走行可能経路15の中から、移動探査機1がよ
り安定して走行できる経路を選択することができる。
【0061】緊急障害物回避 これまでに述べてきたことは、外部領域センシングによ
る外部環境認識手段41での地形データと、それに基づ
く局所経路計画手段42での局所経路9の計画方法であ
る。しかし、計画された経路上に見落とされた障害物が
ある可能性がある。
【0062】図8は緊急障害物回避の概念説明図であ
る。レーザレンジファインダ等の3次元地形センサ4を
用いて外部領域センシングを行い、外部環境認識手段4
1で局所地図8を作成し、その局所地図8内で同一のレ
ーザレンジファインダ等の3次元地形センサ4を用い、
レンジ精度の良い近傍領域のみを近傍領域センシング
(図1,C1)して、外部環境認識手段41で緊急回避
用局所地図23を作成する(図1,C2)。
【0063】移動探査機1が移動しながら、未確認の障
害物25を発見した場合には(図1,C3)、局所経路
計画手段43で緊急障害物回避経路24を決定し(図
1,C4)、これに沿って移動していく。
【0064】(1)未発見障害物認識アルゴリズム 近傍領域センシングでは、センシング領域が移動探査機
1の近傍のみと狭いため、地形は平坦とみなし、高さデ
ータだけで障害物を抽出するのが良い。障害物として認
識される条件は、地形の高さと面積がそれぞれのしきい
値を越えることである。
【0065】(a)障害物抽出 3次元地形センサ4の距離データから算出される地形の
高さデータに対し、移動探査機1が乗り越えることがで
きる障害物の高さをしきい値として、二値化処理を行
う。
【0066】(b)外部環境認識手段41での障害物の
認識 障害物の領域を認識するために、二値化された地形デー
タに対し、ラベリング処理を行う。ラベリング処理の結
果、障害物の個数や、それぞれの面積や位置が求められ
る。次に、それぞれの領域の面積を調べ、画像上のノイ
ズと見なせる小さな領域を除去し、残ったものを真の障
害物とする。認識された障害物と走行可能領域は緊急回
避用局所地図23上に登録される。
【0067】(2)局所経路計画手段42での緊急障害
物回避経路決定 走行時に計画局所経路上に障害物が発見された場合の緊
急回避経路決定手法として、高速で効果的な経路決定が
行える、一種の迷路脱出法を用いた。
【0068】図9は緊急障害物回避経路決定の概念説明
図であって、障害物が認識されると次に走行すべき経路
の決定を行う。まず、前処理として、移動探査機1と実
際の障害物25との接触が起こるのを回避するため、膨
脹された障害物25aのように予め膨脹処理(Dila
tion処理)を施し、その処理後の膨脹された障害物
25aを含む緊急障害物回避用局所地図23を外部環境
認識手段41で作成し(図1のC2)、この局所地図2
3上に移動探査機1の現在位置a0と目標点26を指定
する。そして、図10の(a)に示すように、この現在
位置a0と目標点26とを直線で結び、この直線上をあ
るステップ距離L毎に目標点26に向かってポイント
(a1,a2,・・・an)を設定していく。
【0069】図10の(a)に示すように、障害物がな
ければ、出発点a0より目標点26まで直線上にステッ
プ距離L毎にポイント(a1,a2・・・)が作られて
局所経路27上を走行する。(図1,C3からC7へ) 次に図10の(b)に示すように、直線経路27上のあ
るポイントK1が障害物25aにかかる場合には(図
1,C3のNo)、同じステップ距離Lを単位として回
避経路ポイントを探索する。
【0070】そして、まず、直線経路27上のポイント
a3から障害物25aの左右どちら側から探索するかを
決める。障害物の広がりが少ない方向へ回避経路を決定
するほうが、より短い距離で目標点26に辿りつく。そ
こで、障害物25aの中心Gを求め、中心Gと目標点2
6までの直線経路27との位置関係を調べ、直線経路2
7に関して中心Gと反対側を障害物の広がりの少ない方
向とする。図10の(b)においては、障害物中心Gが
直線経路27に関して左側にあるため、右側から回避経
路ポイントを探していく。この時、図10の(b)に示
す4つのポイントK2,K3,K4,a4を探索する。
もし、この4つのポイント中に回避経路ポイントが見つ
からなければ、直線経路27に関して障害物中心Gと同
じ側のポイントL1,L2,L3,L4を検索する。
【0071】図10の(b)に対する第1の回避点a4
が見つかれば、図10の(c)に示すようにその第1の
回避点a4から目標点26までの直線経路28を設定
し、同じ手順でポイントM1,M2,M3,a5を探索
し、第2の回避点a5を見つける。
【0072】この処理を局所経路計画手段42で繰り返
すことにより、目標点26までの障害物回避経路を比較
的短時間のうちに決定することができる。(図1,C
4)緊急障害物回避経路24が決定できれば、その経路
24上を移動探査機1が走行し、障害物25を回避して
(図1,C5)目標点26に到達する。(図1,C
6)。そして、局所経路9に戻り、局所経路9上を走行
する。(図1,C7)さらに、局所経路9上で3次元地
形センサ4によりセンシングしながら同様な手順で走行
する。(図1C7からC1へ戻る)図3のサブ目的地1
1に到達すると、図1のD1から再び図1のB1に戻
り、3次元地形センサ4による広範囲を、局所領域セン
シングし、局所地図8を作成して上記と同じ手順を辿
り、図3の目的地10に到達する(図1のE)。
【0073】
【発明の効果】本発明によれば、移動探査機の進行方向
の前方を広い範囲で少数回外部領域センシングして外部
環境認識手段で局所地図を作成し、この局所地図上で局
所経路計画手段により局所経路を計画するので、その処
理が簡単かつ短時間に行える。そして、近傍領域のみは
精度よく近傍領域センシングして前記外部領域センシン
グでは発見できなかった障害物でかつ移動探査機が乗り
越え得る高さのしきい値を越える障害物を発見して、局
所経路計画手段により緊急障害物回避経路を決定するこ
とによりこの緊急障害物回避経路に沿って走行するの
、無駄な回避動作を行わせることなく移動探査機を安
全に無人走行させることが可能になるという著しく優れ
た効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる無人移動探査機の経路決定方法
のフローチャートである。
【図2】移動探査機が外部領域センシングを行っている
状態の概略説明図および移動探査機に設置した経路決定
装置の基本構成を示すブロック図である。
【図3】広域地図(図3の(a))と局所地図(図3の
(b))との関係を示す説明図である。
【図4】3次元地形センサによる距離データ作成の概念
を示す障害物の座標の説明図(図4の(a))およびセ
ンシング領域の説明図(図4の(b))である。
【図5】(a) 平面Sの概念説明図である。 (b) 平面Sの法線ベクトルnの概念説明図である。
【図6】走行不能領域識別のフローチャートである。
【図7】経路検索手順を示す説明図である。
【図8】本発明にかかわる緊急障害物回避の概念説明図
(図7の(a))および緊急障害物回避用局所地図の説
明図(図7の(b))である。
【図9】緊急障害物回避経路決定の概念説明図である。
【図10】障害物がない場合の経路決定の説明図(図1
0の(a))、障害物がありかつ第1回避点を見付ける
ときの説明図(図10の(b))、および障害物があり
かつ第2回避点を見付けるときの説明図(図10の
(c))である。
【符号の説明】
1 無人移動探査機 3 通信局(地球) 4 3次元地形セン 5 障害物 6 広域地図 7 広域経路 8 局所地図 9 局所経路 10 目的地 11 サブ目的地 13 出発点 14(14a,14b,14c) 走行不能領域 15 走行可能領域 23 緊急回避用局所地図(近傍領域) 24 緊急障害物回避経路 25 未確認障害物 26 目標点 41 外部環境認識手段 42 局所経路計画手段 43 移動手段 44 慣性センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡 本 伸 也 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日 産自動車株式会社 内 (56)参考文献 特開 平3−231311(JP,A) 特開 平3−260814(JP,A) 特開 平4−365104(JP,A) 特開 昭64−26914(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05D 1/02

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 移動探査機に搭載し次元地形センサ
    により走行方向の前方における所定範囲の障害物を含む
    地形の外部領域センシングを行って高さ,斜度,斜面方
    向,地質などの3次元地形データを取得してセンシング
    領域内の局所地図を外部環境認識手段により作成し、前
    記局所地図内で局所経路計画手段により局所経路を計画
    し、局所経路に従った走行中に前記3次元地形センサに
    よって前記所定範囲よりも狭い範囲の近傍領域のセンシ
    ングを行い、局所経路上に前記外部領域センシングでは
    発見し得なかった障害物でかつ移動探査機が乗り越え得
    る高さのしきい値を越える障害物を発見した場合には前
    記近傍領域センシングにより前記外部環境認識手段で取
    得された緊急障害物回避用局所地図から障害物を回避す
    る緊急障害物回避経路を前記局所経路計画手段により決
    定することを特徴とする無人移動探査機の経路決定方
    法。
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