JP3844247B2 - 自律移動のための経路生成装置及び該装置を用いた自律移動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、自律移動のための経路生成装置及び該装置を用いた自律移動装置に関する。
従来、省力化や無人化等のために屋内における自律移動装置(ロボット)による物品の運搬、情報伝達等を行う装置技術が知られている。このような自律移動装置は、その稼働領域の環境地図に基づいて生成した走行経路により稼働される。走行経路は環境地図上の特徴点からなる予め定められたノードを経由するように形成される。その経路の生成は、自律移動装置の稼働環境の変化に対応して生成する必要がある。稼働環境の変化にともなう目的地や経路の変更に柔軟に対応するため、稼働環境の通路の直線部、曲がり角、交差点、部屋をそれぞれブロックとし、各ブロックの種類と各ブロック間の接続情報、ブロック座標、ブロック座標間の変換パラメータを含むブロック情報のブロックの種類とブロック間の接続情報とに基づいて、走行経路を生成するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。この方法によると、ロボットの走行対象の施設の配置等が変更されて、走行経路を変更する場合に簡単に変更した環境データを作成することができ、変更された条件での最適走行経路を簡単に求めることができるとされる。
特開平11−85273号公報
しかしながら、上述した特許文献1に示されるような経路生成方法や経路生成装置においては、環境地図や環境のモデルを効率的に変更して稼働環境の変化に対応することに力点が置かれている。自律移動装置の稼働においては、走行経路そのものの最適化や効率的で柔軟な走行経路の生成の観点から、なお一層の改善が望まれている。
本発明は、上記課題を解消するものであって、最適経路を生成でき、また走行中において走行経路の最適化を行いながら効率的に走行できる自律移動のための経路生成装置及び該装置を用いた自律移動装置を提供することを目的とする。
上記課題を達成するために、請求項1の発明は、自律移動装置を現在位置から目的位置まで自律的に移動させるための経路を生成する経路生成装置であって、自律移動装置の走行領域の地図や走行経路を構成するための複数のノードの位置を含む走行パラメータを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶されたノードから自律移動用の経路を構成するノードを選択し、その選択したノードを用いて経路を生成する経路生成手段と、を備え、前記経路生成手段は、現在位置からノードに到達するためのコストが一番小さなノードを、現在位置から最初に到達すべきノードである始点ノードとして選択して経路を生成し、さらに前記経路生成手段は、前記生成した経路において現在位置から前記始点ノードを経由することなく前記始点ノードの次の経路上のノードに向かうコストが、前記始点ノードを経由するときのコストよりも小さい場合、前記選択した始点ノードの替わりにその始点ノードの次のノードを新たな始点ノードとして選択する自律移動のための経路生成装置である。
請求項2の発明は、請求項1に記載の自律移動のための経路生成装置において、前記経路生成手段は、目的位置がノードでない場合、目的位置に到達するためにコストが一番小さなノードを、目的位置に向かう経路上の最後のノードである終点ノードとして選択して経路を生成し、さらに前記経路生成手段は、前記生成した経路において終点ノードの手前のノードから終点ノードを経由することなく目的位置に向かうコストが、前記終点ノードを経由するときのコストよりも小さい場合、前記選択した終点ノードの替わりにその終点ノードの手前のノードを新たな終点ノードとして選択するものである。
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2に記載の自律移動のための経路生成装置において、前記経路生成手段は、始点ノード又は終点ノードとするために選択したノードと自律移動装置の現在位置又は目的位置との間に予め設定した通行不可能なエリアがある場合に、その間のコストを無限大とするものである。
請求項4の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の自律移動のための経路生成装置において、前記経路生成手段は、始点ノードとするために選択したノードと自律移動装置の現在位置との間に自律移動装置に備えた環境認識手段で障害物が検出された場合に、その間のコストを無限大とするものである。
請求項5の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の自律移動のための経路生成装置において、前記経路生成手段は、自律移動装置の現在位置から次のノードに向かう経路において、自律移動装置とそのノードとの間に自律移動装置に備えた環境認識手段で障害物が検出された場合に、その障害物を避ける位置に新たにノードを設定して、そのノードを始点ノードとして経路を再生成するものである。
請求項6の発明は、請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の自律移動のための経路生成装置において、前記経路生成手段は、自律移動装置の現在位置から次のノードに向かう経路において、自律移動装置とそのノードとの間に自律移動装置に備えた環境認識手段で障害物が検出された場合に、その障害物を避ける位置に新たにノードを設定して、一旦そのノードに到達してから経路を再生成するのである。
請求項7の発明は、請求項5又は請求項6に記載の自律移動のための経路生成装置において、前記経路生成手段は、前記新たに設定したノードを、前記障害物を避け、かつ、予め地図情報に設定された通行禁止エリアを避けた位置に設定するのである。
請求項8の発明は、請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の経路生成装置を用いて自律移動のための経路を生成し、その経路に基づいて移動する自律移動装置であって、目的位置や操作指令を与えるためのインターフェースと、障害物や自己位置を認識するための環境認識手段と、走行を行うための走行手段と、環境認識手段で得られた情報を元に地図上で自己の位置を認識し、かつ、障害物を回避しながら前記経路生成装置で生成された経路に基づいて目的位置まで前記走行手段を制御する走行制御手段と、を備え、前記経路生成装置の記憶手段は、予め他の移動する物体を回避するために停留できる領域を記憶し、前記走行制御手段は、前記停留開始信号検出手段が信号を検出したとき前記領域に停留するように走行手段を制御するものである。
請求項1の発明によれば、ノード上にない出発位置からも、移動のためのコストが最小となる適当なノードを選択して目的位置に至る経路を生成することができる。
請求項2の発明によれば、ノード上にない目的位置へも、移動のためのコストが最小となる適当なノードを経由した経路を生成することができる。
請求項3の発明によれば、予め設定した情報を用いて確実に到達可能なノードを選択して、経路を生成することができる。
請求項4の発明によれば、現在の環境情報を用いて、到達できないノードを避けて始点ノードを設定して、経路を生成することができる。
請求項5の発明によれば、障害物があるため直接向かうことができるノードがない場合でも、ノードを設定しながら経路を生成して目的位置に到達できる。
請求項6の発明によれば、走行中の状況に応じて障害物を避けて、障害物の陰になってそれまで得られていなかった環境情報も考慮して、柔軟に最適な経路を設定しながら走行することができる。
請求項7の発明によれば、接近不可能なエリアにノードを作成することがなく、効率的な経路生成ができる。
請求項8の発明によれば、最適経路にもとづいて走行できるとともに、走行中において、他の移動物体を回避しながら走行する、効率的な走行が可能な自律移動装置が実現される。
以下、本発明の一実施形態に係る自律移動のための経路生成装置及び該装置を用いた自律移動装置について、図面を参照して説明する。図1は本発明の一実施形態に係る自律移動装置1のブロック構成を示し、図2は同自律移動装置の走行状態を示す。自律移動装置1は、走行領域の地図や走行経路を構成するための複数のノードの位置及びノード間の接続関係を含む走行パラメータを記憶する記憶手段2と、記憶手段2に記憶されたノードから自律移動用の経路を構成するノードを選択しその選択したノードを用いて経路を生成する経路生成手段3とを備えている。また、これらの記憶手段2と経路生成手段3によって、経路生成装置4が構成される。自律移動装置1は、経路生成装置4を用いて自律移動のための経路を生成し、その経路に基づいて移動する。
また、自律移動装置1は、目的位置や操作指令を与えるためのインターフェース5と、障害物や自己位置を認識するための環境認識手段6と、電池17を駆動源とするモータなどにより走行を行うための走行手段7と、環境認識手段6で得られた情報を元に地図上で自己の位置を認識し、かつ、障害物を回避しながら前記経路生成装置で生成された経路に基づいて目的位置まで前記走行手段を制御する走行制御手段8とを備えている。
また、自律移動装置1は、図2に示されるように、例えばレーザレーダや超音波センサによって構成される環境認識手段6によって、走行経路前方に存在する障害物Mを検出する。また、地図上の情報として記憶された壁Wなどの環境障害物の位置を考慮して、経路生成装置4によって最適経路が生成される。そして、自律移動装置1は、最適経路に従って、走行するとともに、走行中においても障害物Mを検出して、走行経路の最適化、及び走行経路の再生成を行いながら効率的、かつ柔軟に走行することができる。
自律移動のための経路生成装置4及びその装置を用いた自律移動装置1において、走行経路の最適化や走行効率の基本概念として、移動コストの概念が用いられている。移動コストは、2点間を移動するのに要する、時間やエネルギなどで見積もることができる。最も一般的なコストとして、2点間の直線距離、又は直線距離の和によってコストを定義でき、以下の説明においても直線距離がコストとして想定されている。また、斜面を自律移動する場合など、移動環境に応じて距離に重み付けしたコストを用いることもできる。
次に、自律移動装置1の走行移動中における走行制御手段8の動作を説明する。図3は走行制御手段8による経路生成制御フローを示す。自律移動装置1の走行中には、走行制御手段8において経路計画実行処理が行われる(S1)。経路計画実行処理においては、後述するように(図4参照)、経路生成装置4によって生成された経路を構成する経路上の1つのノードから次のノードに向けて移動する間の処理、例えば、障害物回避処理や経路の再生成に関する判断処理、が行われる。この経路計画実行処理に続いて、目的位置に到達したかどうかが調べられ、到着していれば経路生成制御処理は終了する(S2でY)。
また、自律移動装置1が目的位置に到達していない場合(S2でN)、経路生成の再計画を必要とするときにONにする経路生成フラグが経路計画実行処理においてONされていないかどうか調べられる。経路生成フラグがONでない場合(S3でN)、経路計画実行処理(S1)に戻って処理が繰り返される。また、経路生成フラグがONの場合(S3でY)、後述する経路生成処理(図5参照)が行われ(S4)、その後、経路計画実行処理(S1)に戻り、新たに生成された経路に従って処理が繰り返される。
次に、上述の経路計画実行処理について詳細説明する。図4は経路計画実行処理のフローを示す。自律移動装置1は、その環境認識手段6によって走行経路上の障害物の有無を探知しながら走行する。そして、障害物が検知されない場合(S11でN)、経路計画を実行、すなわち次のノードに向かって走行を継続して(S12)、経路計画実行処理を終了する。
また、障害物が検知された場合(S11でY)、障害物回避ルートの探索が行われる(S13)。障害物回避ルート探索は、環境認識手段6による障害物情報や、記憶手段2に記憶した環境地図情報などを参照しながら行われる。また、この探索の間に、障害物が経路上から移動して問題が解消されることもある。小規模な経路迂回による、障害物回避動作が所定の時間内に成功した場合(S14でY)、障害物回避計画を実行、すなわち、障害物を回避して次のノードに向かう走行を継続して(S15)、経路計画実行処理を終了する。
また、障害物回避動作が所定の時間内に成功しなかった場合(S14でN)、ノード生成型障害物回避ルート探索が行われる(S16)。この、ノード生成型障害物回避ルート探索は、現在の走行経路から外れることによってのみ障害物回避が可能な場合に行われるものである。経路外に新たにノードを生成し、一旦その経路を経由して、再度もとの経路に戻ることで、もとの走行計画の成就が図られる。そのようなノード生成型障害物回避ルート探索が成功した場合(S17でY)、自律移動装置1は、障害物を回避するために新たに生成されたノードへの走行を開始して、障害物回避計画が実行され、本来の次のノードまで走行して(S15)、経路計画実行処理が終了する。
また、ノード生成型障害物回避ルート探索が不成功の場合(S17でN)、経路生成フラグがONにされ(S18)、経路計画実行処理が終了する。このフラグ情報は、前述のように、走行制御処理(図3)における経路生成開始要否の判断に用いられる。
次に、前述の経路生成処理について詳細説明する。図5は経路生成処理のフローを示す。経路生成処理は、始点ノード、終点ノードの選択処理(S41)、選択された始点ノード、終点ノードを最小コストで結ぶ経路の探索(S42)、経路探索によって生成された経路の見直しを行う始点ノード、終点ノードの再選択処理(S43)、及び生成された経路の記憶(S44)という手順で行われる。個々の詳細な処理について後述される。
ここで用語の説明をする。自律移動装置1は、インターフェイス5を介して入力して指定された出発位置Psから目的位置Pgへと走行する。走行中に経路を見直しながら進む場合、各時点における現在位置は新たな出発位置であるため、出発位置と同じ符号を用いて現在位置Psと表すことにする。目的位置Pgは移動計画中において変わることはない。経路生成手段3によって生成される経路は、記憶手段2に記憶された環境地図に予め定められた複数のノードを経由するように生成される。
ところで、出発位置(現在位置)Psと目的位置Pgは、必ずしもノード上の点にあるとは限らず、自律移動装置1の柔軟な利用の面から、任意の位置を与えられる方が望ましい。そこで、現在位置Psと目的位置Pgのそれぞれの位置から経路上の最初、又は最後のノードを、それぞれ、始点ノードPs1、終点ノードPgeと定義する。現在位置Ps又は目的位置Pgがノード上にある場合、以下の説明においてそれらのノードは始点又は終点ノードとされる。また、現在位置Psは、各時点における生成された経路上における自律移動装1の出発点であり、その位置は、自律移動装置の有する自己位置認識機能(記憶手段に記憶された地図情報、及び環境認識手段、又は走行手段からの走行情報に基づく)によって決定される。
次に、上記の経路生成処理の各ステップS41〜S44について説明する。図6は経路生成を説明する走行領域を示し、図7は始点・終点ノード選択処理フローを示し、図8は始点・終点ノード再選択処理フローを示し、図9は生成された経路の基本構成を示す。
まず、具体的な始点ノードPs1、終点ノードPgeの選択方法について説明する。図6(a)に示されるように、走行路周辺の環境地図情報として、例えば、壁W1〜W3の情報、及び走行禁止エリア(不図示)情報、走行路を生成するために必要なノードN0〜N7情報が予め決められ、記憶手段2に記憶される。
ここで、記憶された環境地図情報、すなわち内部地図情報について説明する。図13は内部地図情報の概念とデータファイル構成を示す。内部地図MP1には、図13(a)に示すように、例えば、2つの直線状の壁W1,W2が記憶されている。内部地図MP1内では、壁が線分の集まりで表現され、壁の位置及び形状は、壁の構成線分の端点WL0,WL1,WL2のx、y座標値で決定される。例えば、壁W1は、点WL0(5.0,0.0)と点WL1(5.0、3.0)で表される。このような壁のデータは、図13(b)に示すように、例えば、テキストデータファイルMapTxtとして、各行L1,L2毎に1つの壁を4つの実数値で表現して記憶されている。走行禁止エリアや厚みを有する壁についても、同様に線分によって表現され、記憶される。
図6(a)に戻って経路生成処理の説明を続ける。ノード情報として、例えば走行可能な走行路の曲がり角が接点(ノード)とされ、そのノードの座標情報、ノード間が一方通行なのか双方通行なのかなどの情報、さらにはノード間を走行するために必要なコスト(距離、時間、エネルギなどの評価値)情報が設定される。図6(a)において、矢印で接続されているノード間は、双方向走行可能なことを示している。
ここで、ノード情報のデータファイル構造について説明する。図14はノードを含む内部地図情報の概念とノードデータファイル構成を示す。内部地図MP2には、図14(a)に示すように、ノードND0,ND1,ND2の位置と各ノード間の接続関係が記憶されている。このようなノードに関するデータは、図14(b)に示すように、例えば、テキストデータファイルNodeTxtとして、記憶されている。ファイルの中身は、内部地図MP2の場合、1行目にノードの個数3が記載され、また、2〜4行目にはノード位置情報が、ノード名称B1,ノード番号B2,ノードXY座標B3による第1グループとして記載されている。また、区切り用の空白行に続いて、ノード間の連結情報が、ノード名称B1,ノード番号B2,各ノード毎の連結数B4、連結されるノード番号B5による第2グループとして記載されている。例えば、ノード番号1のノードND2は、2とのノードND0、ND2に連結されている。また、ノードND0からノードND1への連結がないのでこの間は、一方通行であることが分かる。
再び図6に戻って経路生成処理の説明を続ける。始点ノードPs1の選択について説明する。図6(b)において、現在位置Psから直線距離の短い3つのノードN0,N1,N7に向かって矢印が示されている。これらの各ノードまでの距離の短い順に始点ノード候補がソート(並べ替え)され、環境地図情報又はセンサ(環境認識手段6)で検知された物体までの距離情報に基いて、到達出来ないノードを上位の候補から外すことによって得られる最上位(最短距離)のものが始点ノードに決定される。具体例では、まず現在位置Psから距離が短いノード順に通れるかどうか調べられる。
ここで、ノード間の通行可能性の判断処理について説明する。図15はノードを含む内部地図情報の概念と通行可能性判断における場合分けを示す。内部地図MP3には、図15(a)に示すように、現在位置Ps、ノードND0〜ND7、壁W1〜W3、及び各壁の構造を表す壁の端点の座標WL0〜WL4が記憶されている。これらの情報をもとに、例えば、現在位置PsからノードND7へ通行可能かどうかが、以下のようにして判断される。すなわち、通行可能性は、壁を表す線分WL0−WL1と、直線走行経路を表す線分Ps−ND7との交点の有無を調べ、交点がなければ通行可能とされる。
2つの線分の交点の有無は、図15(b)(c)に示すように、線分Ps−ND7を線分A−B、その直線の式Y=α・X+β、線分WL0−WL1を線分C−D、その直線の式Y=γ・X+σとして、これらの直線の式を用いて調べられる。図15(b)(c)に示すように、線分が交点を有する状態は、(Ya−α・Xa−β)(Yb−α・Xb−β)<0、かつ(Ya−γ・Xa−σ)(Yb−γ・Xb−σ)<0で表される。この場合、通行不可である。また、図15(d)に示す状態は、(Ya−α・Xa−β)(Yb−α・Xb−β)<0、であるが(Ya−γ・Xa−σ)(Yb−γ・Xb−σ)>0である。この場合、線分間に交点はなく、従って通行可となる。
再び図6に戻って経路生成処理の説明を続ける。一番近いノードN7が地図情報から通ることのできないことが分かるため、ノードN7が候補から除外される。次に近いノードであるN0へは到達することができるため、このノードN0が始点ノードPs1として決定される。同様にして、目的位置Pgに対する終点ノードPgeとしてノードN3が決定される。
上述の始点ノードPs1,終点ノードPgeの選択処理について、図7のフローを参照して説明する。まず、地図上の(m+1)個のノード群Ni(i=0〜m)、現在位置Ps、目的位置Pgの位置情報(座標)が読み込まれる(S101)。続いて、現在位置Psに近い順にソートしたノード群Nsi(i=0〜n)が生成される(S102)。次に、引数iがi=0と初期化され(S103)、ノードNsi、現在位置Ps間の走行可能性が調べられる。走行可能であれば(S104でY)、ノードNsiが始点ノードNs1として決定される(S105)。
また、ノードNsi、現在位置Ps間が走行不可能であれば(S104でN)、引数がインクリメントされ(S106)、他に調べるべきノードが残っていれば(S107でY)再度ステップS104が実行される。また、調べるべきノードがない場合(S107でN)、始点ノードPs1として選択されるノードはないとされ(S108)、経路生成失敗とされて処理が終了する(S116)。
また、終点ノードPgeの選択については、上記始点ノードPs1の選択と同様の手順で、ステップS109〜S116において処理が行われてPgeが選択され(S112)、又は終点ノードPgeとして選択されるノードはないとされ(S115)、経路生成失敗とされて処理が終了する(S116)。
次に、選択された始点ノードPs1、終点ノードPgeを最小コストで結ぶ最適経路を選び出す経路の探索(図5におけるステップS42の処理)について説明する。この経路探索に用いられるアルゴリズムは、公知のものであり、アルゴリズムA*と呼ばれるものである(新世代工学シリーズ「ロボット工学」白井良明編著、pp.120−124参照)。アルゴリズムA*は、自律移動装置の走行領域における設定されたノードNのコストf(N)を計算しながら経路を探索する。このコストf(N)は、始点ノードNs1から途中ノードNを経由して終点ノードNgeに至るときの最小コスト(例えば、最短距離)の推定値であり、f(N)=g(N)+h(N)で計算される。ここで、g(N)は始点ノードNs1と途中ノードNの間の現時点での最小コストであり、h(N)は、途中ノードNと終点ノードNgeの間の最小コストの推定値である。
ここで、1つの用語「展開」と2つのリスト「開リスト」、「閉リスト」を導入する。「開リスト(OPEN)」は、経路生成の対象となる例えばノードMをコストf(M)と共に登録して管理し、さらに、処理手順に従って、そのノードMから直接到達できる全てのノードM’をそのコストf(M’)とともに登録して管理するリストである。このリストOPENの中のノードM’はコストfで昇順にソートして管理される。このように、ノードMに関連するノードM’を登録する操作を「ノードMを展開する」という。また、「閉リスト(CLOSED)」は、既に展開されたノードを「開リスト(OPEN)」から取り出して、その展開されたノードを管理するリストである。
アルゴリズムA*による経路探索の手続は以下[1]〜[6]のようなものである。[1]始点ノードNs1をOPENに登録する。[2]OPENが空なら、経路は存在しないのでアルゴリズムを終了する。[3]OPENから先頭の(コストfが最小)ノードNを取り出し、それをCLOSEDに移す。[4]もし、ノードNが終点ノードNgeであれば、通って来たノードを順々に後戻りする。そして、始点ノードNs1に達したら、ここまでに辿ったノードにより経路が生成されたことになり、アルゴリズムを終了する。
[5]ノードNが終点ノードNgeでなければ、ノードNを「展開」し、その子孫ノードN’がどこから来たか記録する(プログラム的にはノードNへポインタを返す)。そして、全ての子孫ノードN’に対して以下の2つの操作を行う。
(操作1)ノードN’がOPEN又はCLOSEDに存在しなければ、それは新たに探索されたノードである。そこで、ノードN’から終点ノードNgeまでの最小コストの推定値h(N’)、次に推定値f(N’)=g(N’)+h(N’)を計算する。ここで、g(N’)=g(N)+c(N,N’)、g(Ns1)=0であり、c(N,N’)はノードNとノードN’を直接結ぶコストである。そして、ノードN’を推定値f(N’)とともにOPENに登録する。
(操作2)ノードNがOPEN又はCLOSEDに存在すれば、それは既に探索されたノードである。そこで、最小値g(N’)をもたらす経路に経路を変更する(ポインタを付け替える)。そしてこの変更が発生したときのみ、ノードN’がCLOSEDに存在したらそれをOPENに戻した後、推定値f(N’)=g(N’)+h(N’)を計算する。
[6]この後、前記[2]へ戻って経路探索手続を繰り返す。
上述のアルゴリズムは、全てのノードにおいて、推定値hがその真の値よりも小さいか等しいとき、アルゴリズムA*と呼ばれる。このとき、最短経路上のノードは見過ごされることなく必ず調べられ、始点ノードNs1から終点ノードNgeへの経路として、満足経路(コストの合計が最小でない経路)ではなく、最適経路(コストの合計が最小の経路)が生成される。例えば、A点からB点への特選距離を障害物を無視してコスト推定値hとすると、推定値hは、障害物を考慮した真のコスト値よりも常に小さいか等しくなる。
上述のアルゴリズムA*を用いて探索して決定された経路が、前述の図6(c)において、ノードN0,N1,N2,N3を結ぶ経路として示されている。ただし、このような最適経路探索については、アルゴリズムA*によらずに、その他の経路探索方法を用いて行ってもよい。
次に、経路探索によって生成された経路を見直す処理である、始点ノードPs1、終点ノードPgeの再選択処理(図5におけるステップS43の処理)について説明する。まず図6(d)を参照して詳細説明し、その後、図8による始点・終点ノード再選択処理フローを説明する。図6(d)に示される探索された経路において、ノードN0が始点ノードPs1となっている。経路生成手段3は、生成した経路において現在位置Psから始点ノードPs1を経由することなく始点ノードPs1の次の経路上のノードN1に向かうコストが、始点ノードPs1を経由するときのコストよりも小さい場合、最初に選択した始点ノードPs1の替わりにその始点ノードPs1の次のノードN1を新たな始点ノードPs1として選択する。これは始点ノード再選択処理であり、同様に終点ノード再選択処理が行われる。
また、地図情報及びセンサ情報を用いて障害物が存在するかどうかがチェックされ、その結果、障害物が存在すれば、ノード間のコストは無限大とされる。そこで、図6(d)に示される経路の場合、現在位置PsとノードN1の間には壁W2が存在するため、この間のコストは無限大とされるので、始点ノードPs1の見直し選択は行われない。
図6(d)に示される終点ノートPgeについて見ると、ノードN2から終点ノードPgeを経由して目的位置Pgに至るよりも、ノードN2からノードPgeを経由せずに直接目的位置Pgへ行く方がコストが少ない(走行距離が少ない)ことが分かる。従って、終点ノードPgeについては、再選択処理が行われて、ノードN2が新たな終点ノードPgeとして選択される。
上述の始点・終点ノード再選択処理について、図8のフロー、及び図9の経路の基本構成を参照して説明する。ここに説明する処理は、経路を構成するノードを減らし、コストを減らす処理である。まず、経路探索結果である経路を構成するノードNpk(k=1〜e)、及び現在位置Ps、目的位置Pg、始点ノードNp1、終点ノードNpeが読み込まれる(S201)。さらに地図情報、センサ情報が読み込まれる。次に、経路探索結果Npkにおいて同じ点が続いていないか調べられ、重複点が削除される(S202)。
続いて、図9(a)に示されるように、e=1の場合(S203でY)、現在位置Psと目的位置Pg間が、地図情報及びセンサ情報を用いて、障害物が存在するかどうかがチェックされ、走行可能であれば(S204でY)、経路上のノードNp1が除外され、経路は現在位置Psから目的位置Pgに2点間を直行する経路とされノード再選択処理が終了する。
また、現在位置Psと目的位置Pg間について、地図情報及びセンサ情報を用いて、その間に障害物が存在するかどうかがチェックされ、走行不可能であれば(S204でN)、経路上のノードNp1はそのまま残され、経路は現在位置PsからノードNp1を経由して目的位置Pgに至る経路のままとされノード再選択処理が終了する。
また、図9(b)に示されるように、e=2の場合(S203でN、S206でY)、現在位置Psと目的位置Pg間について、地図情報及びセンサ情報を用いて、その間に障害物が存在するかどうかがチェックされ、走行可能であれば(S207でY)、経路上のノードNp1、Np2が除外され、経路は現在位置Psから目的位置Pgに2点間を直行する経路とされノード再選択処理が終了する。
また、現在位置Psと目的位置Pg間が、走行不可能であれば(S207でN)、さらに、現在位置PsとノードNp2間が走行可能かどうか調べられ、走行不可能であれば(S209でN)、さらに、ノードNp1と目的位置Pg間が走行可能かどうか調べられ、走行不可能であれば(S210でN)、経路上のノードNp1、Np2はそのまま残され、経路の見直しなしにノード再選択処理が終了する。
ノードNp1と目的位置Pg間が走行可能であれば(S210でY)、経路上のノードNp2が除去され(S211)、ノードNp1を経由する3点間の経路とされノード再選択処理が終了する。
また、現在位置PsとノードNp2間が走行可能であれば(S209でY)、さらに、ノードNp1と目的位置Pg間が走行可能かどうか調べられ、走行不可能であれば(S212でN)、経路上のノードNp1が除去され(S213)、ノードNp2を経由する3点間の経路とされノード再選択処理が終了する。
また、ノードNp1と目的位置Pg間が走行可能であれば(S212でY)、ノードNp1とノードNp2のどちらを除去するか決めるために、ノードNp1を経由する距離L1=(Ps−Np1−Pg間距離)と、ノードNp2を経由する距離L2=(Ps−Np2−Pg間距離)とが計算され(S214)、その大小が比較される。距離L2が距離L1より短い場合(S214でY)、ノードNp1が除外され(S213)、そうでない場合(S214でN)、ノードNp2が除外される(S216)。この結果、3点間の経路とされノード再選択処理が終了する。
また、図9(c)に示されるように、2<eの場合(S217でY)、現在位置PsとノードNp2間が走行可能かどうか調べられ、走行不可能であればそのままとされ(S218でN)、走行可能であれば(S218でY)、ノードNp1が除外され、ノードNp2が新たな始点ノードとされる(S219)。さらに、終点ノードNpeの1つ手前のノードNp(e−1)と目的位置Pg間が走行可能かどうか調べられ、走行不可能であれば(S220でN)、ノード再選択処理が終了する。
また、ノードNp(e−1)と目的位置Pg間が走行可能であれば(S220でY)、終点ノードNpeが除外され、ノードNp(e−1)が新たな終点ノードとされ、ノード再選択処理が終了する。
上述の始点・終点ノード再選択処理が行われた後、決定された経路が、前述の図6(e)に示されている。なお、上述の2<eの場合におけるノード再選択処理は、得られた結果の経路に対して再度同様の処理を繰り返して行ってもよい。
次に、自律移動装置1が走行中に障害物を検知した場合における経路生成装置4による経路の再生成について説明する。経路生成手段3は、経路上に障害物が現れた場合、次のような対応を行う。経路生成手段3は、選択した始点ノード又は終点ノードと自律移動装置の現在位置との間に障害物が検出された場合に、その間のコストを無限大とすることにより、到達できないノードを避けて、経路を生成する。また、経路生成手段3は、その障害物を避ける位置に新たにノードを設定して、そのノードを始点ノードとして経路を再生成することで、直接向かう経路がないノードに到達できるようにする。
また、経路生成手段3は、その障害物を避ける位置に新たにノードを設定して、一旦そのノードに到達してから経路を再生成することで、走行中の状況に応じて障害物を避けて、柔軟に最適な経路を設定しながら走行する。これらの場合、経路生成手段3は、新たに設定したノードを、障害物を避け、かつ、予め地図情報として設定された通行禁止エリアを避けた位置に設定することで、接近不可能なエリアにノードを作成することがなく、効率的な経路生成を行う。
具体的な経路を参照して、障害物を検知した場合の経路の再生成について説明する。図10は非固定障害物の存在する走行領域を示す。図10(a)に示すように、自律移動装置1が経路生成装置を用いて経路生成を行って、経路Ps,N0,N1,N2,Pgに沿って移動している場合について述べる。自律移動装置1は、図10(b)に示すように、非固定障害物M1が走行経路上に現れたことをセンサで検知した場合、既存の障害物回避アルゴリズムに従って、障害物回避ルート計算・動作が開始される。そして、経路上の進行方向前方に大きな障害物が位置するときなどのように、回避時間が大となる場合、予め定めた所定の制限時間内に、現在位置と向かっているノード又は目的位置との間における予め定めた距離以内に、障害物の検知がなくならない場合には回避動作が打ち切られる。
続いて、ノード生成型障害物回避ルート探索が行われる。経路生成装置は、地図情報とセンサ情報による空き空間、及び進行方向の環境情報などから、仮のノードNXを新たに生成する(仮のノードNXの生成方法については後述)。そして、経路生成装置は、この仮のノードNXから目的位置Pgに至るまでの経路を、前出の図6及び図6に関連して説明した処理フロー(図7,図8)に従って生成する。その生成された経路と自律移動装置1の現在位置Psとを連結することにより、目的位置Pgまでの経路が再生成される。このような経路の再生成の際には、既に作られている目的位置Pgまでの経路の修正という方法をとってもよい。このようなノード生成型障害物回避ルートの探索方法を探索方法(1)とする。
また、図10(c)に示すように、出現した非固定障害物M2のようにその種類によっては、仮ノードNXから目的位置Pgに至る経路の生成を、仮ノードNXに到着後に行う方が、視界が開けてセンサ情報が有効に利用できることなどから、回避ルート探索が容易となることがある。そこで、計算時間の観点で有利となる場合もあるため、自律移動装置1の走行領域を小エリアに区分して、エリア毎に回避ルート探索方法を切り替えることが有効となる。このようなノード生成型障害物回避ルートの探索方法を探索方法(2)とする。
上述の探索方法(1)と探索方法(2)について比較検討する。図10(c)において、自律移動装置1が現在位置Psの位置にいるときには、非固定障害物M2の奥行きまで分からないため、探索方法(1)の方法によると、前述の図10(b)に示される新たな経路と同じ結果の経路が得られる。ところが、図10(c)に示すように仮ノードNXに到着した後だと、非固定障害物M2の情報をより詳しく得ることができるので、経路生成のための計算時間のロスが少なくでき、また、生成される経路も移動コストの少ないものが得られる可能性がある。仮ノードNXに到着後に経路の再生成を行う場合でも、既に作られている目的位置Pgまでの経路を再利用することができる。
上述のノード生成型障害物回避ルートの探索方法である探索方法(1)、及び探索方法(2)が利用できない場合について説明する。図10(d)に示されるように、非固定障害物M3によって経路が完全に塞がれているなどの理由で、非固定障害物M3の近傍において仮ノードNXの生成が不可能であると判断される場合、仮ノードNXの設定は行わずに、前出の図6及び図6に関連して説明した処理フロー(図7,図8)に従って経路の再生成が行われる。すなわち、ノードN1のところから大きく迂回する、新たにノードN1,N6,N5,N4,N3,Pgを結ぶ経路が生成される。
次に、走行中の自律移動装置が障害物を検知した場合の、ノード生成型障害物回避ルートの探索方法(1)に基づく経路の再生成についてその全体を説明する。図11は非固定障害物M4の存在する走行領域を示す。図11(a)に示すように、自律移動装置1が経路生成装置を用いて経路生成を行って、ノードPs,N0,N1,N2,Pgを結ぶ経路に沿って移動している場合について述べる。
自律移動装置1は、図11(b)に示すように、非固定障害物M4が走行経路上に現れたことをセンサで検知した場合、走行経路上を自律移動しながら、まず、既存の障害物回避アルゴリズムによる障害物回避計算・動作を行う。
そして、障害物回避計算・動作が大であるとき(非固定障害物M4に接近しすぎる場合など)、経路生成装置は、地図情報、センサ情報による空き空間、及び進行方向の環境情報などから、図11(c)に示すように、仮のノードNXを新たに生成する。
続いて経路生成装置は、仮のノードNXから目的位置Pgに至るまでの経路を新たに生成する。仮のノードNXから各ノードNiまでの距離の短い順に始点ノードの候補をソートし、地図情報又はセンサ情報に基いて、到達できないノードをソートして順位付けした上位の(距離の近い)候補から外すことによって、最後に得られたノードを(仮の)始点ノードPs1に決定する。具体的には、図11(d)に示すように、まず仮のノードNXを現在位置として、この仮のノードNXから距離が近いノード順に通れるかどうかが調べられる。一番近いノードN0へは仮のノードNXから到達することができるため、ノードN0が(仮の)始点ノードPS1として決定される。
目的位置Pgにおける終点ノードPgeについても、始点ノードPs1の選択決定と同様の処理が行われ、ノードN3が終点ノードPgeとされる。
上述において決定された始点ノードPs1、終点ノードPgeについて、経路生成手段によって、アルゴリズムA*を用いて経路探索が行われる。経路探索の結果生成された経路は、図11(e)に示されるようになる。
続いて、生成された経路に基づいて、始点ノードPs1、終点ノードPgeの見直しが行われる。図11(f)に示されるように、探索された経路において、それぞれ仮ノードNXとそこから2番目のノードN1との間、及び目的位置Pgとそこから経路を逆戻りする2番目のノードN2との間について、地図情報及びセンサ情報からそれらの間に障害物が存在するかどうかが調べられる。いずれか又は両方について障害物が存在しなければ、そのいずれか又は両方の2番目のノードがそれぞれ新たに始点ノードPs1、終点ノードPgeとされる。図11に示す経路の場合、ノードN0が経路から除去され、新たにノードN1が始点ノードPs1とされる。また、ノードN3が除去され、新たにノードN2が終点ノードPgeとされる。このように経路からノードが除去されることにより、確実に走行コストが減少する方向に向かう(三角形の2辺の長さの和は他の1辺の長さより大きい)。
このようにして、経路上に出現した非固定障害物M4を回避するため、仮のノードNXが設定され、そのノードNXから目的位置Pgまで新たに経路が生成された結果が、図11(g)に示されている。新たに生成された経路に、自律移動装置1の現在位置Psから仮のノードNXまでの経路を追加し、最終の経路が生成される。自律移動装置1は、この最終経路に従って移動し、障害物を回避して目的位置まで到達することが可能となる。
次に、上述した仮のノードNXの生成方法について説明する。図12(a)(b)は自律移動装置が障害物を検知し、仮のノードNXを生成する状況を示す。自律移動装置1は、環境認識手段6として、例えばレーザレーダを有し、進行方向前方を所定の一定角度間隔Δθで走査して障害物の方向と距離を検知する。レーザレーダの替わりに、複数の測距型超音波センサを、進行方向を中心として放射状の検知エリアとなるように配置したものを用いても、以下の方法を同様に適用できる。自律移動装置1が、次の目的のノードNnextに向かって走行中に前方の障害物Mを検知し、その障害物Mの端部が、レーザビームLB0により走査角φの位置に、距離Dとして見い出されたとする。その後、レーザビームの走査角を角度間隔Δθづつ増加させ、ビームをレーザビームLB1,LB2、・・と走査した結果、ある角度まで、半径Dの円内に障害物が検知されなかったとする。
ところで、自律移動装置1は、装置本体の幅Wと長さLに、所定の余裕を持たせて幅HW、長さHLとして、幅HW以上、奥行きHL以上の空間があれば、その空間に移動することができるものとする。また、図12(b)に示すように、距離Dにおけるレーザビームのスキャン幅dは、d≒D・sin(Δθ)である。そこで、kを整数として、HW<k×Dであれば、すなわち、少なくとも角度k×Δθの間において、少なくとも距離D+HLの範囲に障害物が検知されなかったら、自律移動装置1は、障害物Mより前方に移動することができる。
そこで、図12(b)の場合、レーザビームLB2とLB3の間の角度であって、自律移動装置1(の環境認識手段6)からの距離D+HLの位置が、仮のノードNXの位置として決定される。障害物Mの左右に通行可能領域がある場合、仮のノードNXを障害物Mの左右いずれにも設けることができるが、現在の目的のノードNnextへの最短距離となる位置、すなわち、正面方向からのふれ角度が小さい方に仮のノードNXを設けるものとする。
また、仮のノードNXの決定に際して、環境認識手段6で検知された情報だけでなく、地図情報に記憶された壁の情報を用いることによってより効率的な経路生成ができる。すなわち、壁の始点・終点情報から壁の式が得られ、自律移動装置1の自己位置・方向、及び、レーザレーダによる走査方向が既知であるから、自律移動装置1から壁までの距離と方向が容易に算出できる。また、計算の対象とする壁として、自律移動装置1から所定の距離に存在するもののみを選択することにより、計算効率を上げることができる。なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。
本発明の一実施形態に係る自律移動装置のブロック構成図。 同上自律移動装置の走行状態を示す平面図。 同上自律移動装置の走行制御処理フロー図。 同上自律移動装置の経路計画実行処理フロー図。 本発明の一実施形態に係る自律移動のための経路生成装置における経路生成処理フロー図。 (a)〜(e)は同上経路生成装置による経路生成を説明する走行領域の平面図。 同上経路生成装置による始点・終点ノード選択処理フロー図。 同上経路生成装置による始点・終点ノード再選択処理フロー図。 (a)〜(c)は同上経路生成装置により生成された経路の図。 (a)〜(d)は同上経路生成装置による走行時の障害物検知時の経路再生成を説明する走行領域の平面図。 (a)〜(g)は同上経路生成装置による走行時の障害物検知時の他の経路再生成を説明する走行領域の平面図。 (a)(b)は同上経路生成装置による仮ノードの生成方法を説明する平面図。 (a)は同上経路生成装置における内部地図情報の概念図、(b)は(a)の内部地図情報のデータファイル構成図。 (a)は同上経路生成装置におけるノードを含む内部地図情報の概念図、(b)は(a)の内部地図情報におけるノードのデータファイル構成図。 (a)は同上経路生成装置におけるノードを含む内部地図情報の概念図、(b)〜(d)は同上経路生成装置における通行可能性判断処理の説明図。
符号の説明
1 自律移動装置
2 記憶手段
3 経路生成手段
4 経路生成装置
5 インターフェイス
6 環境認識手段
7 走行手段
8 走行制御手段
Ns1、Np1 始点ノード
Nge、Npe 終点ノード
Ps 現在位置
Pg 目的位置

Claims (8)

  1. 自律移動装置を現在位置から目的位置まで自律的に移動させるための経路を生成する経路生成装置であって、
    自律移動装置の走行領域の地図や走行経路を構成するための複数のノードの位置を含む走行パラメータを記憶する記憶手段と、
    前記記憶手段に記憶されたノードから自律移動用の経路を構成するノードを選択し、その選択したノードを用いて経路を生成する経路生成手段と、を備え、
    前記経路生成手段は、現在位置からノードに到達するためのコストが一番小さなノードを、現在位置から最初に到達すべきノードである始点ノードとして選択して経路を生成し、
    さらに前記経路生成手段は、前記生成した経路において現在位置から前記始点ノードを経由することなく前記始点ノードの次の経路上のノードに向かうコストが、前記始点ノードを経由するときのコストよりも小さい場合、前記選択した始点ノードの替わりにその始点ノードの次のノードを新たな始点ノードとして選択することを特徴とする自律移動のための経路生成装置。
  2. 前記経路生成手段は、目的位置がノードでない場合、目的位置に到達するためにコストが一番小さなノードを、目的位置に向かう経路上の最後のノードである終点ノードとして選択して経路を生成し、
    さらに前記経路生成手段は、前記生成した経路において終点ノードの手前のノードから終点ノードを経由することなく目的位置に向かうコストが、前記終点ノードを経由するときのコストよりも小さい場合、前記選択した終点ノードの替わりにその終点ノードの手前のノードを新たな終点ノードとして選択する請求項1に記載の自律移動のための経路生成装置。
  3. 前記経路生成手段は、始点ノード又は終点ノードとするために選択したノードと自律移動装置の現在位置又は目的位置との間に予め設定した通行不可能なエリアがある場合に、その間のコストを無限大とする請求項1又は請求項2に記載の自律移動のための経路生成装置。
  4. 前記経路生成手段は、始点ノードとするために選択したノードと自律移動装置の現在位置との間に自律移動装置に備えた環境認識手段で障害物が検出された場合に、その間のコストを無限大とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の自律移動のための経路生成装置。
  5. 前記経路生成手段は、自律移動装置の現在位置から次のノードに向かう経路において、自律移動装置とそのノードとの間に自律移動装置に備えた環境認識手段で障害物が検出された場合に、その障害物を避ける位置に新たにノードを設定して、そのノードを始点ノードとして経路を再生成する請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の自律移動のための経路生成装置。
  6. 前記経路生成手段は、自律移動装置の現在位置から次のノードに向かう経路において、自律移動装置とそのノードとの間に自律移動装置に備えた環境認識手段で障害物が検出された場合に、その障害物を避ける位置に新たにノードを設定して、一旦そのノードに到達してから経路を再生成する請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の自律移動のための経路生成装置。
  7. 前記経路生成手段は、前記新たに設定したノードを、前記障害物を避け、かつ、予め地図情報に設定された通行禁止エリアを避けた位置に設定する請求項5又は請求項6に記載の自律移動のための経路生成装置。
  8. 請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の経路生成装置を用いて自律移動のための経路を生成し、その経路に基づいて移動する自律移動装置であって、
    目的位置や操作指令を与えるためのインターフェースと、
    障害物や自己位置を認識するための環境認識手段と、
    走行を行うための走行手段と、
    環境認識手段で得られた情報を元に地図上で自己の位置を認識し、かつ、障害物を回避しながら前記経路生成装置で生成された経路に基づいて目的位置まで前記走行手段を制御する走行制御手段と、を備え、
    前記経路生成装置の記憶手段は、予め他の移動する物体を回避するために停留できる領域を記憶し、
    前記走行制御手段は、前記停留開始信号検出手段が信号を検出したとき前記領域に停留するように前記走行手段を制御することを特徴とする自律移動装置。
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