JP3488279B2 - 自律走行作業車の走行制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、車輌周辺の撮像画像を
処理して作業対象領域と非作業対象領域との境界を検出
し、検出した境界に沿って自律走行するよう操舵系を制
御する自律走行作業車の走行制御方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、無人で自律走行する自律走行車に
対しては、自律走行のための自己位置検出として、電線
を地下に埋設し、この電線が発する磁界を磁気センサで
検出する技術が提案されているが、ゴルフ場、河川敷堤
防、公園等の各種フィールドで草刈、芝刈等の作業を無
人で行なう自律走行作業車等のように、自律走行領域が
広大な場合、領域の地下全てに電線を埋設することは困
難であり、設置費用も大きなものとなる。 【０００３】このため、前記自律走行作業車では、光セ
ンサ等の無接触センサあるいは機械的な接触式センサ等
を用いてフィールド上の既処理と未処理地との境界部を
検出し、検出した境界部に沿った倣い走行を行なうもの
が多く、最近では、特開昭６１−１３９３０４号公報等
に開示されているように、カメラを搭載して作業対象を
含む周辺領域を撮像し、撮像画像における明るさの変化
量から作業対象領域と非作業対象領域との境界を検出す
る技術が提案されている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、境界に
沿った倣い走行を行なう際に、撮像画像における明るさ
の変化量から作業対象領域と非作業対象領域との境界を
検出する技術では、境界部分における明るさの変化量が
他の部分に比較して所定量以上大きくなければならな
い。 【０００５】このため、境界の検出範囲が狭くなり、ま
た、夜間には照明が必要となる。さらに、明るさの変化
の少ない対象物では、境界の検出が困難となる。 【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、作業対象領域と非作業対象領域との境界に沿った走
行制御を行なうため撮像画像から境界を検出する際に、
検出範囲を拡大し、制御性を向上することのできる自律
走行作業車の走行制御方法を提供することを目的として
いる。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明は、車輌周辺の撮
像画像から作業対象領域と非作業対象領域との境界を検
出し、検出した境界に沿って自律走行するよう操舵系を
制御する自律走行作業車の走行制御方法において、前記
自律走行作業車に、撮像手段と連動して光を照射するた
めの発光手段を備え、互いに異なる方向から前記発光手
段によって光を照射した一対の画像を前記撮像手段で撮
像した後、前記一対の画像の対応する位置における明る
さの変化量から２値化画像を生成して前記境界を近似す
る直線を算出することを特徴とする。 【０００８】 【作用】本発明では、作業対象領域と非作業対象領域と
の境界に対して異なる方向から光を照射して撮像するこ
とにより、境界部分の明るさが互いに大きく異なる一対
の画像を得、その一対の画像から２値化画像を生成して
境界を近似する直線を算出する。 【０００９】 【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図面は本発明の一実施例に係わり、図１は境界検
出ルーチンのフローチャート、図２は走行制御ルーチン
のフローチャート、図３は芝刈作業車の概略説明図、図
４は操舵制御系の基本構成図、図５は境界検出部の回路
ブロック図である。 【００１０】図３において、符号１は無人で自律走行が
可能な自律走行作業車を示し、本実施例においてはゴル
フ場等の草・芝刈り作業を行う芝刈作業車である。この
芝刈作業車１には、（ａ）に示すように、草・芝刈作業
を行うためのモーア等の刈刃機構部２を車輌本体下部に
備えるとともに、作業領域を撮像する撮像手段として例
えば固体撮像素子（ＣＣＤ）を使用したＣＣＤカメラ
３、撮像の際に光を投光する投光手段としての左右１組
のストロボ４ａ，４ｂ（以下、代表してストロボ４と略
記する場合もある）を車輌前方に備え、さらに、走行履
歴を算出するための地磁気センサ５ａ及び車輪エンコー
ダ５ｂからなる推測航法センサを備えている。 【００１１】各左右のストロボ４ａ，４ｂは、図３
（ｂ）に示すように、それぞれが単独で発光させられた
とき、前記ＣＣＤカメラ３の画角をカバーするような照
射範囲となっており、後述する図１の境界検出ルーチン
によって、例えば、ゴルフ場のフェアウェイを芝刈りす
る際のフェアウェイとラフとの境界や、草・芝刈り作業
中の作業済み領域と未作業領域との境界等のような作業
対象領域と非作業対象領域との境界（以下、作業境界と
称する）を含む領域を撮像する際に、交互に発光させら
れる。 【００１２】前記芝刈作業車１は、エンジン駆動で走行
し、図４に示すように、前輪操舵機構９ａ、後輪操舵機
構９ｂが、それぞれ前輪用油圧シリンダ８ａ、後輪用油
圧シリンダ８ｂによって独立して駆動されるようになっ
ている。各油圧シリンダ８ａ，８ｂには、それぞれ前輪
操舵用油圧制御弁７ａ、後輪操舵用油圧制御弁７ｂを介
して、エンジン１ａによって駆動される油圧ポンプ６が
接続されており、制御装置２０により制御される。 【００１３】前記制御装置２０には、前記ＣＣＤカメラ
３及び左右のストロボ４ａ，４ｂが接続される境界検出
部３０と、前輪操舵用油圧制御弁７ａ及び後輪操舵用油
圧制御弁７ｂが接続されるとともに、前輪操舵機構９
ａ、後輪操舵機構９ｂにそれぞれ取付けられた舵角セン
サ１０ａ，１０ｂ、前記地磁気センサ５ａ、前記車輪エ
ンコーダ５ｂ等からの各信号が入力される走行制御部４
０とが備えられ、それぞれがマイクロコンピュータを中
心として構成されている。 【００１４】前記境界検出部３０では、ストロボ４に対
するトリガ信号、ＣＣＤカメラ３に対する電子シャッタ
制御信号を出力し、撮像した画像から作業境界を検出す
る。また、前記走行制御部４０では、作業に関して予め
記憶されている走行経路情報に従って、前記境界検出部
３０で検出した作業境界に沿った倣い走行を行なうよう
操舵系を制御し、地磁気センサ５ａ及び車輪エンコーダ
５ｂからの信号により車輌の走行履歴を記録する。 【００１５】前記境界検出部３０の具体的回路構成は図
５に示され、ＣＰＵ５０、ワークデータを保持するため
のＲＡＭ５１、制御用固定データ及び制御用プログラム
が格納されているＲＯＭ５２、各左右ストロボ４ａ，４
ｂを駆動するための各左右ストロボ駆動回路５６，５７
及びＣＣＤカメラ３が接続される入出力（Ｉ／Ｏ）イン
ターフェース５３を備えたマイクロコンピュータのデー
タバス５４及びアドレスバス５５に、例えば５１２×５
１２画素のフレームメモリからなるビデオメモリ６５が
切換回路６４を介して接続されている。 【００１６】また、前記ビデオメモリ６５には、前記切
換回路６４を介してＡＤ変換器６０、アドレス制御回路
６１が接続されており、前記ＡＤ変換器６０に、ＣＣＤ
カメラ３からのビデオ信号を増幅するアンプ５８が接続
されるとともに、前記アドレス制御回路６１に、ＣＣＤ
カメラ３のビデオ信号から同期信号を分離してタイミン
グ信号を生成する同期回路５９が接続されている。 【００１７】ＡＤ変換器６０では、アンプ５８で増幅さ
れたビデオ信号を、例えば約８ＭＨｚのサンプル速度で
同期回路５９からのタイミング信号に同期してデジタル
データに変換し、データバス６２を介して切換回路６４
に出力する。また、アドレス制御回路６１は、同期回路
５９からのタイミング信号に同期してアドレスデータを
生成し、アドレスバス６３を介して切換回路６４に供給
する。 【００１８】前記切換回路６４は、ＣＰＵ５０側のデー
タバス５４及びアドレスバス５５と、ＡＤ変換器６０側
のデータバス６２及びアドレスバス６３とのいずれか一
方を選択的にビデオメモリ６５に接続するものであり、
アドレス制御回路６１から切換回路６４にアドレスデー
タが供給されている間はＡＤ変換器６０側のデータバス
６２をビデオメモリ６５に接続して画像データを書込
み、この間、ＣＰＵ５０によるビデオメモリ６５へのア
クセスを禁止する。 【００１９】そして、ＣＣＤカメラ３からのビデオ信号
の供給が停止し、ＣＰＵ５０のビデオメモリ６５へのア
クセスが可能になると、ＣＰＵ５０では、ビデオメモリ
６５から画像データを読出し、読出した画像データを処
理して作業境界を近似する直線の傾き、切片を求めた
後、Ｉ／Ｏインターフェース５３を介して前記走行制御
部４０に出力する。 【００２０】以下、境界検出部３０による作業境界検
出、次いで、走行制御部４０による倣い制御について説
明する。 【００２１】まず、境界検出部３０にて実行される図１
の境界検出ルーチンでは、左右ストロボ４ａ，４ｂを交
互に発光させ、各ストロボ発光時に撮像した一対の画像
から作業境界を検出する。 【００２２】すなわち、ステップS101で、左ストロボ駆
動回路５６を介して左ストロボ４ａを作動させると、ス
テップS102で、左ストロボ４ａの発光と同期してＣＣＤ
カメラ３の電子シャッタをトリガしてストロボ作動時の
画像を撮像する。そして、ＣＣＤカメラ３からのアナロ
グビデオ信号をＡＤ変換器６０を介して例えば約８ＭＨ
ｚのサンプル速度で同期回路５９からのタイミング信号
に同期してデジタル信号に変換し、例えば１フレーム５
１２画素×５１２画素の画像データとしてビデオメモリ
６５に書込む。 【００２３】次いで、ステップS103へ進んで、左ストロ
ボ作動時の画像を入力する。すなわち、ビデオメモリ６
５への書込みが終了すると切換回路６４によってＣＰＵ
５０によるビデオメモリ６５のアクセスが可能となるた
め、左ストロボ作動時の画像データを読込む。 【００２４】そして、ステップS104で、入力した左スト
ロボ作動時の画像に対し、例えば２０×２０画素の平均
値をＸ，Ｙ方向に４画素ずつずらした状態の画素データ
の平均値を求めることにより２次元移動平均処理を行な
い、ノイズや特異点を除去して平均化処理画像を得る
と、ステップS105へ進む。 【００２５】ステップS105では、右ストロボ駆動回路５
７を介して右ストロボ４ｂを作動させ、ステップS106
で、ＣＣＤカメラ３の電子シャッタをトリガして右スト
ロボ作動時の画像を撮像すると、この右ストロボ作動時
の画像を同様にビデオメモリ６５に書込み、ステップS1
07で右ストロボ作動時の画像を入力する。 【００２６】続いて、ステップS108では、右ストロボ作
動時の画像に対して、同様に２次元移動平均処理を行な
い、ステップS109で、左ストロボ作動時の平均化処理画
像と右ストロボ作動時の平均化処理画像との２枚の画像
に対し、これらの画像間の対応する画素毎に輝度の差分
を計算して輝度差画像を得ると、ステップS110で、画面
上の明るさの変化点（境界）を抽出するため、輝度差画
像の水平軸方向の輝度変化量を算出し、輝度微分値画像
を得る。 【００２７】そして、ステップS111へ進み、画像を２値
化するためのスライスレベルを算出する。このスライス
レベルは、例えば、輝度微分量を横軸、度数を縦軸とし
て作成したヒストグラム等から算出され、設定した画面
領域内の輝度変化量の上位１０データの平均値の約５０
％に設定される。 【００２８】その後、ステップS112へ進み、前記ステッ
プS111で設定したスライスレベルを越えている画素を、
前記ステップS110で得た輝度微分値画像から抽出して２
値化画像を生成すると、ステップS113で、この２値化画
像に対してハフ変換を行ない、作業境界を近似するため
の直線を算出し、ステップS114へ進む。 【００２９】前記ハフ変換では、複数の直線群が得られ
るため、ステップS114では、これらの複数の直線群の中
で最も度数の高い（相関が強い）ものを境界近似直線Ｌ
として抽出し、この境界近似直線Ｌの傾きと切片とを走
行制御部４０に出力する。そして、ステップS101へ戻
り、以上の処理を繰返す。 【００３０】すなわち、草・芝の葉の高さの異なる作業
境界に対してストロボ４ａ，４ｂを交互に発光させて撮
像すると、葉の高い側から光を照射して撮像した画像で
は、境界に沿って影ができ、葉の低い方から光を照射し
て撮像した画像では、境界が明るく照らされるため、こ
れらの２枚の画像から得られる輝度差画像では、境界の
輝度変化量が大きくなっている。従って、境界の検出範
囲が広くなり、比較的遠方まで境界を調べることができ
るばかりでなく、昼夜を問わず確実に作業境界を検出す
ることができるのである。 【００３１】このように、前記境界検出部３０で作業境
界が検出されると、走行制御部４０では、図２の走行制
御ルーチンを適宜実行し、作業境界に沿った倣い走行を
制御する。 【００３２】この走行制御ルーチンは、１行程毎に往復
しながら芝刈りを行なう形式、あるいは、輪状に芝刈作
業を行なう形式等、予め記憶されている走行経路情報と
地磁気センサ５ａ及び車輪エンコーダ５ｂからの信号に
基づいて算出される走行履歴とに従って走行を行なう場
合の基本走行制御ルーチンであり、ステップS201で、境
界検出部３０で検出した画面上における境界近似直線Ｌ
を入力すると、ステップS202で、この直線Ｌと、予め設
定しておいた画面上の目標直線Ｌ0 （ｙ＝ｐｘ＋ｑ）と
を比較し、芝刈作業車１の車輌本体の目標直線Ｌ0 から
の偏差量Ｃと進行方向の目標直線Ｌ0 に対する偏差角θ
とを求める。 【００３３】次に、ステップS203へ進み、前記偏差量Ｃ
及び前記偏差角θを一定にする前輪目標舵角及び後輪目
標舵角を算出し、ステップS204で、前後輪の各舵角セン
サ１０ａ，１０ｂからの各信号を入力して前輪舵角、後
輪舵角を求め、ステップS205で、前輪舵角と前輪目標舵
角とを比較する。 【００３４】前記ステップS205における比較の結果、前
輪舵角≧前輪目標舵角の場合には、ステップS206へ進
み、前輪操舵用油圧制御弁７ａをＯＦＦとし、前輪舵角
＜前輪目標舵角の場合には、ステップS207へ分岐して前
輪操舵用油圧制御弁７ａをＯＮとし、ステップS208へ進
む。 【００３５】ステップS208では、後輪舵角と後輪目標舵
角との比較が行なわれ、後輪舵角≧後輪目標舵角の場
合、ステップS209へ進んで、後輪操舵用油圧制御弁７ｂ
をＯＦＦとし、後輪舵角＜後輪目標舵角の場合には、ス
テップS210へ分岐して後輪操舵用油圧制御弁７ｂをＯＮ
とする。 【００３６】その後、ステップS211へ進み、予め設定さ
れた時間（例えば、数秒の制御インターバル）が経過し
たか否かを判定し、この制御インターバルが設定時間だ
け経過していない場合には、前述のステップS204へ戻っ
て前後輪の各舵角センサ１０ａ，１０ｂからの信号によ
り前後輪舵角を検出して同様の過程を繰返して前後輪の
舵角が目標舵角に収束するよう制御し、制御インターバ
ルが設定時間以上経過している場合には、ステップS201
へ戻って境界近似直線式を再度入力することにより前後
輪目標舵角を修正する。 【００３７】 【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、作業
対象領域と非作業対象領域との境界に沿った走行制御を
行なうため撮像画像から境界を検出する際に、異なる方
向から光を照射して一対の画像を撮像するため、この一
対の画像における境界部分の明るさが互いに大きく異な
るようになり、昼夜を問わず確実に境界を検出すること
ができ、しかも、比較的遠方まで境界を検出することが
でき、制御性を向上することができる等優れた効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】 【図１】境界検出ルーチンのフローチャート 【図２】走行制御ルーチンのフローチャート 【図３】芝刈作業車の概略説明図 【図４】操舵制御系の基本構成図 【図５】境界検出部の回路ブロック図 【符号の説明】 １ 芝刈作業車（自律走行作業車） ３ ＣＣＤカメラ（撮像手段） ４ ストロボ（発光手段）

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 車輌周辺の撮像画像から作業対象領域と
   非作業対象領域との境界を検出し、検出した境界に沿っ
   て自律走行するよう操舵系を制御する自律走行作業車の
   走行制御方法において、 前記自律走行作業車に、撮像手段(3)と連動して光を照
   射するための発光手段(4)を備え、 互いに異なる方向から前記発光手段(4)によって光を照
   射した一対の画像を前記撮像手段(3)で撮像した後、 前記一対の画像の対応する位置における明るさの変化量
   から２値化画像を生成して前記境界を近似する直線を算
   出することを特徴とする自律走行作業車の走行制御方
   法。