JP3648604B2

JP3648604B2 - 自律移動装置

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Publication number: JP3648604B2
Application number: JP2001329903A
Authority: JP
Inventors: 龍雄酒井; 幸彦北野
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2021-10-26
Also published as: JP2002202815A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は障害物を検出して障害物を回避しながら目的地までの移動等の所要の動作を行う自律移動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
障害物の回避のために自律移動装置に障害物検知手段を設ける場合、超音波センサや赤外線センサ（非スキャン型センサ）を障害物検知手段としたものと、水平面内をスキャンするスキャン型センサを障害物検知手段としたものとが提供されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前者の障害物検知手段、つまり超音波センサや赤外線センサ等の非スキャン型センサで障害物を検知する場合、障害物の検知エリアを広く且つ障害物の位置を精度良く検知できるようにするには、たとえば特開平７−４９３８１号公報に示されているように検知エリアの小さいセンサを多数配置することになる。
【０００４】
すなわち、図１６(a)に示すように、検知エリアの大きいセンサＳを用いた場合、少数のセンサＳで全体の検知エリアを広くとることができるが、あるセンサＳで障害物９を検知しても、その障害物９が図中のイ位置にあるのかロ位置にあるのかを判断することができない。これは障害物の回避動作を行うにあたり、どの方向にどれだけ動けば回避できるかどうかが判然とせず、効率の良い回避動作ができないことを意味する。
【０００５】
そして、図１６(b)に示すように、検知エリアの小さいセンサＳを多数並べたとしても、図中ハで示すような小さい障害物９を見逃す可能性があるほか、図中ニで示すような超音波や赤外線を受信部に向けて反射しない障害物を検出することができないために、図１６(c)に示すように、検知エリアの間隙を補うセンサＳや角度を変えたセンサＳなど多数のセンサＳを配置しなくてはならず、そして、このように多数のセンサＳを設けることはコストの増大を招くだけでなく、センサＳ間の干渉を避けるために複雑な処理が必要となる。
【０００６】
また、非スキャン型のセンサが常に有効であると、このセンサは検知エリア内の端部に障害物がかかっているだけの時にも、検知エリア全体に障害物がある場合と同じ出力しか出せないために、たとえば装置が壁と障害物との間の狭い通路を通過しようとした場合、通過できる幅があってもエリア端部に障害物がかかっているために通過できないという弊害が生じる。
【０００７】
後者の障害物検知手段、つまり水平面内を例えば１８０°の範囲でスキャンするレーザーレーダーのようなスキャン型センサは、障害物の位置及び距離を精度良く検出することができるが、図１７に示すように、椅子やテーブルのようにスキャン面に脚部９０を位置させるだけで、スキャン面以外のところに天板等の上部構造物９１を存在させている障害物については、脚部９０を認識することができるものの、上部構造物９１は認識することができないために、脚部９０間を通過可能と判断して回避することなく直進移動し、上部構造物９１に衝突してしまうことがある。なお、図１７中のＬは設定された障害物検知距離（半径）であり、ハッチングを施した部分は障害物がないと判断している部分である。
【０００８】
前者の超音波センサや赤外センサである障害物検知手段と、後者のスキャン型センサである障害物検知手段とを組み合わせたならば、障害物に衝突してしまうことはなくなるとしても、前者の障害物検知手段で検出することができる障害物を回避する動作は、前者が有している問題点である効率の悪い動作となってしまう。
【０００９】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは障害物を確実に検出することができる上に効率の良い回避動作を常に行うことができる自律移動装置を提供するにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、障害物を検出して障害物の回避動作を行いつつ目的地への移動を行う自律移動装置において、進行方向の水平面内をスキャンして障害物の位置を検知するスキャン型センサと、該スキャン型センサによるスキャン面と異なる空間の障害物を検出する非スキャン型障害物センサと、常時はスキャン型センサの出力に基づいて障害物を検出するとともにスキャン型センサによる障害物検出出力により非スキャン型障害物センサを稼働状態としてスキャン型センサと非スキャン型障害物センサの両出力に基づいて障害物の位置もしくは存在領域を推定する障害物検出手段と、障害物検出手段の出力に基づいて目的地への走行制御を行う制御手段とを備えていることに特徴を有している。スキャン型センサで障害物が検出された場合にのみ、非スキャン型障害物センサを稼働状態とし、スキャン型センサと非スキャン型障害物センサの両出力に基づいて障害物の位置を推定するので、常時両方のセンサの検出情報を用いる場合に比べて効率のよい検出動作及び回避動作が可能となる。
【００１１】
また本発明は、障害物を検出して障害物の回避動作を行いつつ目的地への移動を行う自律移動装置において、進行方向の水平面内をスキャンして障害物の位置を検知するスキャン型センサと、該スキャン型センサによるスキャン面と異なる空間の障害物を検出する非スキャン型障害物センサと、スキャン型センサによるスキャン角度毎の検出物体距離情報から検出物体の形状を推定して予め設定してある特定形状か否かを検出する特定形状検出手段と、特定形状検出手段により特定形状が検出された場合にスキャン型センサと非スキャン型障害物センサの両出力に基づいて障害物の位置もしくは存在領域を推定し且つ特定形状検出手段により特定形状が検出されない場合にスキャン型センサの出力に基づいてのみ障害物の位置を推定する障害物検出手段と、障害物検出手段の出力に基づいて目的地への走行制御を行う制御手段とを備えていることに他の特徴を有している。この場合、上部構造物を有している障害物のようなスキャン型センサだけでは検出できない障害物がある領域での障害物の検出をより効率良く行うことができるとともに、障害物を確実に且つ効率良く回避することができる。
【００１２】
この場合の特定形状検出手段は、柱状物を特定形状として検出するための情報を予め記憶させた記憶部を有し、スキャン型センサから得られる一連の角度毎の検出物体距離データに基づいて隣合うデータの距離の差が記憶部に設定された範囲にあるものから検出物体の幅を推定するとともにこの幅が記憶部に設定された範囲のものであり且つ推定物体に関わるデータの両側のデータが記憶部に設定された距離以上に長い時に推定物体を特定形状物体であると判断するものを脚部を持つ机や椅子などのオーバーハングした上部構造物を有する障害物の検出に好適に用いることができる。
【００１３】
障害物検出手段は、特定形状検出手段で検出された特定形状物体までの距離が記憶部に設定された所定値より短い場合、スキャン型センサと非スキャン型障害物センサの両出力に基づいて障害物の位置もしくは存在領域を推定し、特定形状物体までの距離が記憶部に設定された所定値より長い場合、スキャン型センサの出力に基づいてのみ障害物の位置を推定するものであってもよい。
【００１４】
また、障害物検出手段は特定形状検出手段による検出出力があった場合に非スキャン型障害物センサを稼働状態とするものが好ましい。
【００１５】
また、制御手段は、特定形状検出手段による検出出力があった場合に走行速度を低下させるものであったり、スキャン型センサで検出された障害物への接近を所定距離までしか許可しないものであってもよい。
【００１６】
非スキャン型障害物センサには超音波センサを好適に用いることができ、この場合、超音波センサは複数を配設するとともに、これら複数の超音波センサによる包括障害物検知エリアが進行方向水平面内において半円を描くものとなるように配設するとよい。上下に並ぶ複数の超音波センサはその超音波発信タイミングを同期させておくことも好ましい。
【００１７】
非スキャン型障害物センサには、超音波センサのほか、幅方向の両端部に夫々配設されているとともに上下方向に広がるスリット光を出力し且つ障害物からの反射光で障害物を検出する光学的センサを用いてもよい。
【００１８】
回避動作に関しては、制御手段はスキャン型センサ出力に非スキャン型障害物センサの出力を重畳させた情報に基づいて自律移動動作を継続するものとして、自律移動のためのプログラムが備えている回避アルゴリズムに回避動作をまかせてしまうようにするほか、非スキャン型障害物センサによる障害物検知出力で所定の方向に非スキャン型障害物センサの障害物検知出力がなくなるまで向きを変えさせ、その後、自律移動を再開させるものとしたり、非スキャン型障害物センサによる左右いずれかの方向の障害物検知出力で逆方向に非スキャン型障害物センサの障害物検知出力がなくなるまで向きを変えさせ、その後、自律移動を再開させるようにしたり、非スキャン型障害物センサによる左右及び前方について夫々障害物検知出力を出す時、特定形状物体が検出された向きに、複数の特定形状物体が検出された時には進行方向との角度が小さい方に向きを変えさせるようにしてもよく、この時、制御手段は非スキャン型障害物センサによる障害物検知出力で該当方向に障害物を設定してその位置を記憶するとともに、その位置よりも目的地に近づいた時点で上記位置記憶を消去するものや、非スキャン型障害物センサによる障害物検知出力で該当方向に障害物を設定してその位置を記憶するとともに、その位置から所定距離離れた時点で上記位置記憶を消去するものを好適に用いることができる。
【００１９】
さらに制御手段は、特定形状検出手段による検出出力に対して、複数回の検出結果から特定形状物が移動しているかどうかの判断を行い、特定形状物が移動している時には停止を、移動していない場合は非スキャン型障害物センサの検出情報を有効にするものとするとよい。
【００２０】
そして、この自律移動装置は、事務所や病院、レストラン等の屋内において搬送や警備や清掃等の目的で利用されるロボットとして非常に好適に用いることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図１は本発明に係る自律移動装置１のブロック図であり、走行及び操舵が可能な走行手段２と、この走行手段２の制御を行う走行制御手段３と、進行方向の水平面内をスキャンして障害物の位置を検知するレーザー型レーダー装置からなるスキャン型センサ４と、超音波センサや赤外線センサからなるとともに上記スキャン型センサ４によるスキャン面と異なる空間の障害物を検知する非スキャン型障害物センサ５とを備えるほか、スキャン型センサ４によるスキャン面のスキャン情報から予め設定してある特定形状を検出する特定形状検出手段６と、スキャン型センサ４や非スキャン型障害物センサ５及び特定形状検出手段６の出力を総合して障害物の検出を行う障害物検出手段７と、障害物検出手段７で得られた障害物の位置に基づいて移動目標位置（目的地）までの走行制御を行う走行制御手段３と、目的地や検出した障害物の位置などを記憶する記憶手段８とを備えている。図中９５はシステムを構成している各要素に電力を供給している電源、９６は手動走行時や移動目標位置の入力などのためのヒューマンインターフェースである。
【００２２】
上記スキャン型センサ４は、たとえば図２に示すように、進行方向前方の水平面１８０°の範囲をスキャンするとともに、上記１８０°分を０．５°単位で距離測定を行う（スキャン範囲や距離測定の単位はこれに限定されるものではない）もので、正面（角度９０°付近）に障害物９があった場合、次表で示すようなデータを出力する。
【００２３】
【表１】

【００２４】
なお、上記表１中のＬはスキャン型センサ（レーダー装置）４に設定された距離（距離Ｌの出力が出ている角度領域には障害物が存在しないことになる）であり、ｄ１，ｄ２は障害物の大きさや位置によって変動する値である。
【００２５】
そしてこの自律移動装置１ではスキャン型センサ４による障害物検知を非スキャン型障害物センサ５による障害物検知距離よりも長くしているために、スキャン型センサ４による検知を主体として目的地１０への自律移動を行うが、たとえば図３に示すように対向する壁間の通路を目的地１０に向けて走行している時、スキャン型センサ４により進行方向正面に障害物９が検出された（図中ハッチング部Ａはスキャン型センサ４で壁や障害物９が無いとされている領域を示している）ならば、走行制御手段３は図中白抜き矢印で示すように、障害物９が無いと考えられる右前方側へ進行方向を一旦変更して障害物９を回避する動作を行う。この動作は走行制御手段３が障害物検出手段７の検出情報をもとに走行装置２を制御することで行われる。
【００２６】
そして、障害物９がたとえば１本乃至複数本の脚を備えたテーブルなどの場合、スキャン型センサ４はその上部構造物である天板を検出することができず、柱状物である脚のみを検出することになり、このためにスキャン型センサ４の出力から判断できる移動可能なエリアは図４中のハッチングを施した部分となるが、この時のスキャン型センサ４の出力は障害物９である柱状物（特定形状物９０）の存在により特異なものとなる。特定形状検出手段６は、この点を利用して次に述べるように特定形状物の存在を検出している。
【００２７】
図５を参照して特定形状物の存在の検出について説明すると、スキャン型センサ４のスキャンにおける障害物９までの距離データを得る間隔をΔΘとした時に、θ＝０から数えてｉ番目の距離データをＤ(i)、ｉ番目の距離データＤ（ｉ）と（ｉ−１）番目の距離データＤ（ｉ−１）との差をΔＤ、特定形状物９０の存在を推定するための隣り合う距離データの距離差の設定値をＤＲとすると、特定形状物９０が存在することで検出出力は表２で示すような状態となる。
【００２８】
【表２】

【００２９】
特定形状検出手段６は上記のような変化のある検出出力を図６のフローチャートで示す処理を行うことで、特定形状物９０（この場合は柱状物）の存在を検出する。すなわち、隣合う距離データの差が設定値を越えている複数のデータから手前に突出している物体があると推定でき、この推定物体データの両側のデータが設定距離以上に長く、且つ推定物体データが設定幅分以内に連続している時、特定形状物９０があるとする。上記各設定値は記憶手段８に予め記憶しておく。設定値は自律移動装置１が移動する環境によってその値を切り換えるようにしてもよい。
【００３０】
さらに詳しく説明すると、１回のスキャンで間隔ΔΘ毎に発振されるレーダの数をＮ（０≦ｉ≦Ｎ）、特定形状物９０の存在を推定するための隣り合う距離データの距離差の設定値をＤＲ、特定形状物９０であると推定するための幅の設定値をＤＮ、特定形状物９０表面のスキャン型センサ４に対向する距離変化の最大値をｄｄ（予め設定した正の値）とする。最大値ｄｄは指定する特定形状が円柱であり且つ存在する円柱の中で最大の半径がｒｒである時、ｄｄ＝ｒｒと設定することができる。また、ｉはｉ番目を示す整数値、ｊは１スキャンによるＮ個の距離データについての処理で特定形状を見つけるたびにインクリメントされる整数値、ｃは一つの特定形状から反射されたレーダー数であり、ここではｃ＝３である。ＤＮ＞ｃの場合に特定形状とする。
【００３１】
図６において、処理ルーティン毎にｉは１ずつインクリメントされ（ステップ＃２）、隣合う距離データ差ΔＤ、すなわちＤ（ｉ）−Ｄ（ｉ-1）の大きさが調べられる（ステップ＃４）。図５に示す例では、ｉ＝ｍにおいて、Ｄ（ｍ）−Ｄ（ｍ-1）＜−ＤＲであるためにステップ＃５に行き、ｃ＝１、ｍ＝ｉとなる。そしてｉ＝ｍ+1において、｜Ｄ（ｍ+1）−Ｄ（ｍ）｜≦ＤＲ且つＤ（ｍ+1）−Ｄ（ｍ）＜ｄｄであるために、処理はステップ＃６，＃７，＃８を通り、ｃ＝２となる。
【００３２】
また、ｉ＝ｍ+2において、｜Ｄ（ｍ+2）−Ｄ（ｍ+1）｜≦ＤＲ且つＤ（ｍ+2）−Ｄ（ｍ+1）＜ｄｄであるために、同様にしてｃ＝３となる。
【００３３】
さらにｉ＝ｍ+3において、Ｄ（ｍ+3）−Ｄ（ｍ+2）＞ＤＲであるので、処理はステップ＃１０，＃１１，＃１２を通る。ｉｎｔ（ｘ）はｘを越えない最大の整数を返すものとしており、ここでは連続する最大数のみ固定して設定している。
【００３４】
こうしてＤ（ｍ），Ｄ（ｍ+1），Ｄ（ｍ+2）が一つの特定形状からの反射によって得られた距離であると判断し、特定形状までの距離をＨ（ｊ）＝ｉｎｔ（（ｍ＋ｍ+2）／２）＝Ｍ+1番目の距離としている（ステップ＃１２）。なお、ステップ＃９，＃１３ではｃ＝０としてｃをリセットしている。
【００３５】
ステップ＃１１におけるＤＮの値は固定でもよいし、特定形状の大きさを予め仮定して距離ごとに値を変化させてもよい。この場合、一つの距離データから推定できる検出物の大きさをＤ（ｉ）×ｓｉｎΔΘと仮定すると、図５に示した例での特定形状の大きさはＤ（ｍ）×ｓｉｎΔΘ×ｃと推定することができる。また、特定形状の最大の幅をＯmaxとすると、ある距離ｘでのＤＮの値は、Ｏmax／（ｘ・ｓｉｎΔΘ）以上の最小の整数とすることができる。
【００３６】
１回のスキャンが終了したならば、ステップ＃１４，＃１５を通り、検出した特定形状物の位置（角度θと距離Ｄ）データを記憶する。このような処理をスキャン型センサ４による１回のスキャン毎の障害物検出情報を得るたびに行うことで、柱状物である特定形状物９０を認識するとともに、その位置（θ，Ｄ）を記憶したならば、直ちに回避動作に移るのではなく、進行方向水平面以外の空間の障害物を検出する非スキャン型障害物センサ５を有効（もしくは電源を入れて可動状態）とする。予め考慮しなければならない特定形状の最大距離を設定しておいてもい。
【００３７】
図７はこの場合のフローチャートを示しており、図６のステップ＃１２の処理を＃２１，＃２２，＃２３に変更してある。この処理においては、考慮しなければならない特定形状までの距離Ｓを予め設定していて、距離データ（たとえばＤ（ｍ+1））とＳとが比較され、距離データが上記距離Ｓより大きければその距離データを無視するようにしている。また、考慮すべき特定形状物があれば、ｊをインクリメントして最後に記憶する。
【００３８】
なお、図６及び図７のフローでは、障害物９の位置まで認識しているが、進行方向における特定形状物の有無を判断するだけであってもよい。
【００３９】
特定形状検出手段６で特定の形状が検出されたならば、自律移動の速度を減速するルーティンを有効にするものでもよい。これにより、非スキャン型障害物センサ５の検出距離が長くとも上部構造物を有し得る障害物９に衝突することなく停止または回避することができる。
【００４０】
また、障害物９に接近できる距離を予め定めておいて、それ以上近づくことがないようにするルーティンを有効にしてもよく、この場合、後述する特定形状物を持たないものの、上部構造物を有している障害物、たとえばカウンターや手すりに衝突してしまうことを避けることができる。
【００４１】
上記非スキャン型障害物センサ５として超音波センサを用いるのであれば、図８(a)に示すように、上部構造物が想定される高さＨ内の障害物９をすべて検出できることができる配置としておく。図中Ｂは各超音波センサの検知エリアを示している。この時、これら複数の超音波センサ（非スキャン型障害物センサ５）による包括障害物検知エリアが図８(b)に示すように、進行方向水平面内において半円を描くものとなるようにしておくことで、上部構造物に対してどのような角度で接近しても非スキャン型障害物センサ５による障害物検出が可能となる。
【００４２】
また、上下にも超音波センサ５を並べる時には、上下の超音波センサ５，５を同期させて超音波の送信タイミングを同時にしておくと、図８(c)に示すように、一方の超音波センサ５からされた超音波の障害物９による反射波を他方の超音波センサ５で検出することで上下方向の障害物有無の検出精度を上げることができる。なお、図では障害物９が上下２つの超音波センサ５，５の中間の高さにある障害物９の端面を干渉を利用して検出している状態を示しているが、上記端面は通常曲面や傾斜面となっていることから、上下２つの超音波センサ５，５の中間の高さにない障害物９も検出することができる。また、非スキャン型障害物センサ５としての超音波センサは、送受兼用型のもののほか、送受独立型のものでも使用することができる。
【００４３】
非スキャン型障害物センサ５としては、図９に示すように、上下方向に広がるスリット光を出力し且つ障害物からの反射光で障害物を検出する光学的センサを用いるとともに、自律移動装置１の幅方向の両端部に配設したものとしてもよい。
【００４４】
次に特定形状物を検出した場合の回避動作について説明すると、前述のように、特定形状検出手段６で特定形状物を検出したならば、障害物検出手段７は非スキャン型障害物センサ５を有効としたり稼働状態とし、さらに非スキャン型障害物センサ５からも障害物検知出力を得られたならば、走行制御手段３は所定の方向に回転して向きを変えるように走行手段２を制御し、前記特定形状物の検出がなくなるか非スキャン型障害物センサ５による障害物検知出力がなくなると、走行制御手段３は自律移動を再開する。
【００４５】
たとえば、特定形状物の検出の後に非スキャン型障害物センサ５から障害物検知出力が得られたならば、走行制御手段３は走行手段２を停止させて、図１０に示すように、検知出力のあった非スキャン型障害物センサ５の正面に、図１０の場合では自律移動装置１の正面に仮想障害物９’を設定する。設定する仮想障害物９’のサイズ及び自律移動装置１からの距離は、予め他の設定値と同様に記憶手段８に設定しておくものとする。非スキャン型障害物センサ５が距離を測れるものであれば前記距離はその距離とする。また、図では仮想障害物９’を長方形で表しているが、一定間隔で並んだ点列でもよい。
【００４６】
次に、特定形状検出手段６による特定形状物の検出がなくなるか、非スキャン型障害物センサ５による障害物検知出力がなくなるまで走行制御手段３は走行手段２を制御して自律移動装置１を回転させる。回転させる方向は、スキャン型センサ４での水平面のデータでθ＝０°及びθ＝１８０°の二つのデータのうち、障害物（壁）までの距離の長い方を走行制御手段３で判断して選択する。図１０の場合は右回転となる。この後、走行制御手段３は自律移動を再開する。ただし、再開前に障害物９の位置を仮想障害物９’として記憶手段８に記憶する。この位置情報は、障害物を表す点列の座標でよい。その後、スキャン型センサ４で水平面をスキャンするたびに記憶してある障害物のデータを水平面のスキャンデータに重畳し、それをもとに走行制御手段３は走行手段２を制御して回避動作を行う。
【００４７】
上記回転の向きは図１１に示すように、自律移動装置１の左右に配されて左前方及び右前方に夫々検出エリアＢ，Ｂを持つ非スキャン型障害物センサ５，５のどちらかが障害物９を検知した時に、逆の方向側へ非スキャン型障害物センサ５の障害物検知出力がなくなるまで回転するようにしてもよく、このようにすることで、効率的な回避動作を行うことができる。この時も、図１１(b)に示すように、新たに仮想障害物９’を設定してこれを記憶するものとし、スキャン平面上での障害物の検出が無くなった時点で走行制御手段３は自律移動を再開する。
【００４８】
自律移動の再開後は、走行制御手段３は図１２に示すように自律移動装置１と目的地１０までの距離Ｒｄと、設定した仮想障害物９’と目的地までの距離Ｒａ，Ｒｂとを比較して、距離Ｒｄよりも距離Ｒａ，Ｒｂの方が長ければ、設定した仮想障害物９’についての位置記憶を消去（Ｒｂ＜Ｒｄ＜Ｒａであれば、距離Ｒａの仮想障害物９’を消去）してしまうと、自律移動に際しての障害物９の回避ための計算処理を少なくすることができる。
【００４９】
上記消去処理は、図１３に示すように、自律移動装置１と仮想障害物９’との間の距離Ｒｄａ，Ｒｄｂが予め設定した距離Ｒｓｅｔより大きくなれば、設定した仮想障害物９’についての位置記憶を消去（Ｒｄａ＞Ｒｓｅｔ＞Ｒｄｂであれば、距離Ｒｄａの仮想障害物９’を消去）してしまうようにしても、同様の効果を得ることができる。
【００５０】
図１４(a)に示すように、特定形状検出手段６が特定形状物を検知したことで稼働した非スキャン型障害物センサ５が左右の両斜め方向前方並びに正面前方に夫々障害物検知出力を出す時、図１４(b)に示すように、走行制御手段３はスキャン型センサ４で検出されるとともに進行方向との角度が小さい特定形状物体９０側に向けて向きを変えさせるようにしてもよい。図示例ではθＬ＜θＲのために左に向けて回転する。
【００５１】
ところで、障害物９が移動可能な移動体である場合も存在していることから、特定形状検出手段６が特定形状物を検出した時、走行制御手段３は、図６もしくは図７のフロー中のＨ（ｉ）［０＝＜ｉ＜ｊ］番目のデータθ及びＤの値を記憶し、次に予め定めた時間だけ自律移動装置１を停止させ、その後、スキャン型センサ４でのスキャン面内の障害物検出を再度行うとともに特定形状物の認識処理を行い、再度Ｈ（ｉ）［０＝＜ｉ＜ｊ］番目のデータθ及びＤが得られたならば、前回のデータθ及びＤと比較して、異なっている時には、障害物９が移動体であると判断して、自律移動装置９の停止を所定の時間だけ継続させ、その後も定期的にスキャン型センサ４や非スキャン型障害物センサ５を作動させて、障害物９までの距離変化が無くなったならば、障害物９が停止したものとして自律移動を再開させるとよい。
【００５２】
また、前回とのデータとの比較に際して、距離Ｄを予め設定した距離以下のものだけに限定すれば、物体の移動が自律移動装置１の移動に影響するものだけを対象にすることができる。
【００５３】
走行制御手段３には、回避動作のための特別な回避アルゴリズムを用意するのではなく、障害物検出手段７でスキャン型センサ４の出力に非スキャン型障害物センサ５の出力を重畳させた情報に基づいて自律移動動作を継続するようにしてもよい。つまり、特定形状検出手段６で特定形状物の検出があり且つ非スキャン型障害物センサ５が上部構造物を検出した場合、障害物検出手段７はスキャン型センサ４の出力に非スキャン型障害物センサ５の出力を重畳させ、走行制御手段３は非スキャン型障害物センサ５での検知情報があたかもスキャン型センサ４で得られたかのように扱うことで、自律移動動作を継続させ、自律移動のためのプログラムが備えている回避アルゴリズムに回避動作をまかせてしまうようにしてもよい。
【００５４】
たとえば、図１５に示すように上部構造物である天板を備えたテーブルの柱状の脚部（特定形状物）をスキャン距離Ｒのスキャン型センサ４が検出した後、稼働状態となった図中３つの非スキャン型障害物センサ５が上部構造物を検出したならば、スキャン型センサ４の出力に非スキャン型障害物センサ５の出力を重畳して非スキャン型障害物センサ５の検出エリア上の所定半径ｒの位置に障害物９があるようにする。なお、図中のハッチングエリアは非スキャン型障害物センサ５の出力が重畳されたスキャン型センサ４の出力から障害物が無いと判断された領域を示している。これにより、非スキャン型障害物センサ５による検知情報をあたかもスキャン型センサ４で得たように扱うことができ、この状態で障害物回避アルゴリズムを含んでいる自律移動プログラムに自律移動動作を継続させるのである。この時、非スキャン型障害物センサ５が距離を検出できるタイプのものであれば、スキャン型センサ４の出力がその距離ｒに障害物があるようにとすればよい。非スキャン型障害物センサ５が障害物９の有無だけを検出できるものであれば、予め設定した値を用いるものとする。
【００５５】
以上のような構成を備える自律移動装置１は、事務所や病院、レストラン等のテーブルや椅子のような障害物が多数存在している環境のなかで、搬送や警備や清掃等の目的で利用されるロボットとして好適に利用することができる。
【００５６】
図３と図４と図１０及び図１１において、スキャン型センサ４による検出領域が矩形となっているのは、廊下などの通路における壁をイメージしているためで、この形に限定されるものではない。また、スキャン型センサ４を一つだけ設けたもので説明しているが、複数のスキャン型センサを備えたものであってもよいのはもちろんである。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、障害物の位置情報を正確に知ることができるスキャン型センサに加えてスキャン型センサによるスキャン面と異なる空間の障害物を検知する非スキャン型障害物センサも備えているために、上部構造物を有している障害物も検知して回避することができるものであり、しかもスキャン型センサで障害物が検出された場合にのみ、非スキャン型障害物センサを稼働状態とし、スキャン型センサと非スキャン型障害物センサの両出力に基づいて障害物の位置を推定するので、常時両方のセンサの検出情報を用いる場合に比べて効率のよい検出動作及び回避動作が可能なものである。
【００５８】
また本発明は、スキャン型センサによるスキャン角度毎の検出物体距離情報から検出物体の形状を推定して予め設定してある特定形状か否かを検出する特定形状検出手段と、特定形状検出手段により特定形状が検出された場合にスキャン型センサと非スキャン型障害物センサの両出力に基づいて障害物の位置もしくは存在領域を推定し且つ特定形状検出手段により特定形状が検出されない場合にスキャン型センサの出力に基づいてのみ障害物の位置を推定する障害物検出手段とを備えているために、上部構造物を有している障害物のようなスキャン型センサだけでは検出できない障害物がある領域での障害物の検出をより効率良く行うことができるものであり、障害物を確実に且つ効率良く回避することができる。
【００５９】
上記特定形状検出手段が、柱状物を特定形状として検出するための情報を予め記憶させた記憶部を有して、スキャン型センサから得られる一連の角度毎の検出物体距離データに基づいて隣合うデータの距離の差が記憶部に設定された範囲にあるものから検出物体の幅を推定するとともにこの幅が記憶部に設定された範囲のものであり且つ推定物体に関わるデータの両側のデータが記憶部に設定された距離以上に長い時に推定物体を特定形状物体であると判断するものであると、脚部を持つ机や椅子などのオーバーハングした上部構造物を有する障害物の検出を的確に行うことができる。
【００６０】
障害物検出手段は、特定形状検出手段で検出された特定形状物体までの距離が記憶部に設定された所定値より短い場合、スキャン型センサと非スキャン型障害物センサの両出力に基づいて障害物の位置もしくは存在領域を推定し、特定形状物体までの距離が記憶部に設定された所定値より長い場合、スキャン型センサの出力に基づいてのみ障害物の位置を推定するものであってもよい。スキャン型センサのみでは検出できない障害物に衝突する可能性のある範囲にある時以外は、スキャン型センサの出力を利用するだけで移動することができる。
【００６１】
また、障害物検出手段は特定形状検出手段による検出出力があった場合に非スキャン型障害物センサを稼働状態とするものが電力消費を抑えることができる点並びに通常はスキャン型センサの出力を処理するだけで障害物の回避を行うことができて、高速な応答を得ることができる点で好ましい。
【００６２】
また、制御手段は、特定形状検出手段による検出出力があった場合に走行速度を低下させると、非スキャン型障害物センサの検出距離が短くても上部構造物を有している障害物に衝突することなく停止または回避することができる。
【００６３】
また、スキャン型センサで検出された障害物への接近を所定距離までしか許可しないものであれば、特定形状物を持たないにもかかわらず上部構造物を有しているものとの衝突の回避に有効である。
【００６４】
非スキャン型障害物センサには超音波センサがコスト的に有利であり、この場合、超音波センサは複数を配設するとともに、これら複数の超音波センサによる包括障害物検知エリアが進行方向水平面内において半円を描くものとなるように配設すると、上部構造物に対してどのような角度で接近しても上部構造物を検出することができるものとなる。また、上下に並ぶ複数の超音波センサはその超音波発信タイミングを同期させておくと、干渉を逆利用して障害物検出を有利に行うことができ、非スキャン型障害物センサの個数の削減を図ることができる。
【００６５】
非スキャン型障害物センサには、超音波センサのほか、幅方向の両端部に夫々配設されているとともに上下方向に広がるスリット光を出力し且つ障害物からの反射光で障害物を検出する光学的センサを用いても、コスト的に有利である。
【００６６】
回避動作に関しては、スキャン型センサ出力に非スキャン型障害物センサの出力を重畳させた情報に基づいて自律移動動作を継続するものとして、自律移動のためのプログラムが備えている回避アルゴリズムに回避動作をまかせてしまうようにすれば、特別な回避アルゴリズムを必要とすることなく、障害物を回避した自律移動が可能である。
【００６７】
また、非スキャン型障害物センサによる障害物検知出力で所定の方向に非スキャン型障害物センサの障害物検知出力がなくなるまで向きを変えさせ、その後、自律移動を再開させるものとしたり、非スキャン型障害物センサによる左右いずれかの方向の障害物検知出力で逆方向に非スキャン型障害物センサの障害物検知出力がなくなるまで向きを変えさせ、その後、自律移動を再開させるものとすると、障害物（上部構造物）の詳細な位置が検知できていなくても簡単な方法で効率の良い回避動作を行うことができる。また、非スキャン型障害物センサによる左右及び前方について夫々障害物検知出力を出す時、特定形状物体が検出された向きに、複数の特定形状物体が検出された時には進行方向との角度が小さい方に向きを変えさせるようにすれば、上部構造物のオーバーハングの無くなる確率の大きい方向へ向きを変えさせることができる。
【００６８】
この時、制御手段は非スキャン型障害物センサによる障害物検知出力で該当方向に障害物を設定してその位置を記憶するとともに、その位置よりも目的地に近づいた時点で上記位置記憶を消去するものや、非スキャン型障害物センサによる障害物検知出力で該当方向に障害物を設定してその位置を記憶するとともに、その位置から所定距離離れた時点で上記位置記憶を消去するものを用いると、障害物回避処理に必要な計算に際しての不要なデータを消去すべき時点を簡便に判断することができ、これに伴って上記計算処理の負荷を低減することができて、高速な回避動作を行うことができる。
【００６９】
さらに制御手段は、特定形状検出手段による検出出力に対して、複数回の検出結果から特定形状物が移動しているかどうかの判断を行い、特定形状物が移動している時には停止を、移動していない場合は非スキャン型障害物センサの検出情報を有効にするものとすると、移動している障害物との衝突の回避及び移動する障害物が他の自律移動装置である場合の相互回避動作のデッドロックの防止を図ることができる。
【００７０】
そして、この自律移動装置は、事務所や病院、レストラン等の屋内において搬送や警備や清掃等の目的で利用されるロボットとして非常に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例のブロック図である。
【図２】同上のスキャン型センサの動作説明図である。
【図３】同上の障害物検知に際しての基本動作を示す説明図である。
【図４】同上の上部構造物を有する障害物の検知の際の状況を示す説明図である。
【図５】同上のスキャン型センサによる特定形状検出についての説明図である。
【図６】同上の特定形状物認識処理のフローチャートである。
【図７】同上の特定形状物認識処理の他例のフローチャートである。
【図８】 (a)(b)(c)は同上の非スキャン型障害物センサの一例についての斜視図と平面図と側面図である。
【図９】同上の非スキャン型障害物センサの他例を示すもので、(a)は平面図、(b)は側面図である。
【図１０】 (a)(b)は同上の動作説明図である。
【図１１】 (a)(b)は同上の動作説明図である。
【図１２】同上の仮想障害物の消去に関する動作説明図である。
【図１３】同上の仮想障害物の消去に関する他の動作説明図である。
【図１４】 (a)(b)は回避動作のさらに別の例の動作説明図である。
【図１５】障害物検知についての別の例の動作説明図である。
【図１６】 (a)(b)(c)は夫々従来例の説明図である。
【図１７】 (a)(b)は他の従来例の平面図と側面図である。
【符号の説明】
１自律移動装置
３走行制御手段
４スキャン型センサ
５非スキャン型障害物センサ
６特定形状検出手段
７障害物検出手段

Claims

障害物を検出して障害物の回避動作を行いつつ目的地への移動を行う自律移動装置において、進行方向の水平面内をスキャンして障害物の位置を検知するスキャン型センサと、該スキャン型センサによるスキャン面と異なる空間の障害物を検出する非スキャン型障害物センサと、常時はスキャン型センサの出力に基づいて障害物を検出するとともにスキャン型センサによる障害物検出出力により非スキャン型障害物センサを稼働状態としてスキャン型センサと非スキャン型障害物センサの両出力に基づいて障害物の位置もしくは存在領域を推定する障害物検出手段と、障害物検出手段の出力に基づいて目的地への走行制御を行う制御手段とを備えていることを特徴とする自律移動装置。
障害物を検出して障害物の回避動作を行いつつ目的地への移動を行う自律移動装置において、進行方向の水平面内をスキャンして障害物の位置を検知するスキャン型センサと、該スキャン型センサによるスキャン面と異なる空間の障害物を検出する非スキャン型障害物センサと、スキャン型センサによるスキャン角度毎の検出物体距離情報から検出物体の形状を推定して予め設定してある特定形状か否かを検出する特定形状検出手段と、特定形状検出手段により特定形状が検出された場合にスキャン型センサと非スキャン型障害物センサの両出力に基づいて障害物の位置もしくは存在領域を推定し且つ特定形状検出手段により特定形状が検出されない場合にスキャン型センサの出力に基づいてのみ障害物の位置を推定する障害物検出手段と、障害物検出手段の出力に基づいて目的地への走行制御を行う制御手段とを備えていることを特徴とする自律移動装置。
特定形状検出手段は、柱状物を特定形状として検出するための情報を予め記憶させた記憶部を有しており、スキャン型センサから得られる一連の角度毎の検出物体距離データに基づいて隣合うデータの距離の差が記憶部に設定された範囲にあるものから検出物体の幅を推定するとともにこの幅が記憶部に設定された範囲のものであり且つ推定物体に関わるデータの両側のデータが記憶部に設定された距離以上に長い時に推定物体を特定形状物体であると判断するものであることを特徴とする請求項２記載の自律移動装置。
障害物検出手段は、特定形状検出手段で検出された特定形状物体までの距離が記憶部に設定された所定値より短い場合、スキャン型センサと非スキャン型障害物センサの両出力に基づいて障害物の位置もしくは存在領域を推定し、特定形状物体までの距離が記憶部に設定された所定値より長い場合、スキャン型センサの出力に基づいてのみ障害物の位置を推定するものであることを特徴とする請求項２または３記載の自律移動装置。
障害物検出手段は、特定形状検出手段による検出出力があった場合に非スキャン型障害物センサを稼働状態とするものであることを特徴とする請求項２〜４のいずれかの項に記載の自律移動装置。
制御手段は、特定形状検出手段による検出出力があった場合に走行速度を低下させるものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の自律移動装置。
制御手段は、スキャン型センサで検出された障害物への接近を所定距離までしか許可しないものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかの項に記載の自律移動装置。
非スキャン型障害物センサが超音波センサであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかの項に記載の自律移動装置。
超音波センサは複数が配設されているとともに、これら複数の超音波センサによる包括障害物検知エリアが進行方向水平面内において半円を描くものとなるように配設されていることを特徴とする請求項８記載の自律移動装置。
上下に並ぶ複数の超音波センサはその超音波発信タイミングが同期していることを特徴とする請求項８または９記載の自律移動装置。
非スキャン型障害物センサは幅方向の両端部に夫々配設されているとともに上下方向に広がるスリット光を出力し且つ障害物からの反射光で障害物を検出する光学的センサであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかの項に記載の自律移動装置。
制御手段はスキャン型センサ出力に非スキャン型障害物センサの出力を重畳させた情報に基づいて自律移動動作を継続するものであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかの項に記載の自律移動装置。
制御手段は非スキャン型障害物センサによる障害物検知出力で所定の方向に非スキャン型障害物センサの障害物検知出力がなくなるまで向きを変えさせ、その後、自律移動を再開させるものであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかの項に記載の自律移動装置。
制御手段は非スキャン型障害物センサによる左右いずれかの方向の障害物検知出力で逆方向に非スキャン型障害物センサの障害物検知出力がなくなるまで向きを変えさせ、その後、自律移動を再開させるものであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかの項に記載の自律移動装置。
制御手段は非スキャン型障害物センサによる左右及び前方について夫々障害物検知出力を出す時、特定形状物体が検出された向きに、複数の特定形状物体が検出された時には進行方向との角度が小さい方に向きを変えさせるものであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかの項に記載の自律移動装置。
制御手段は非スキャン型障害物センサによる障害物検知出力で該当方向に障害物を設定してその位置を記憶するとともに、その位置よりも目的地に近づいた時点で上記位置記憶を消去するものであることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれかの項に記載の自律移動装置。
制御手段は非スキャン型障害物センサによる障害物検知出力で該当方向に障害物を設定してその位置を記憶するとともに、その位置から所定距離離れた時点で上記位置記憶を消去するものであることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれかの項に記載の自律移動装置。
制御手段は、特定形状検出手段による検出出力に対して、複数回の検出結果から特定形状物が移動しているかどうかの判断を行い、特定形状物が移動している時には停止を、移動していない場合は非スキャン型障害物センサの検出情報を有効にするものであることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかの項に記載の自律移動装置。
事務所や病院、レストラン等の屋内において搬送や警備や清掃等の目的で利用されるロボットとして形成されていることを特徴とする請求項１〜１８のいずれかの項に記載の自律移動装置。