JP4173144B2 - ロボット掃除機のジャイロセンサーの補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、自律走行するロボット掃除機に係り、より詳しくは、ジャイロセンサーで転向角を検出し移動するロボット掃除機のジャイロセンサーの補正方法に係る。

一般に、ロボット掃除機は、本体上に取り付けられた超音波センサー等を用いて壁や障害物で取り囲まれた掃除領域の周囲に沿って走行しながら掃除すべき領域を決めるか、またはユーザーが入力した情報に基づいて掃除すべき領域を認識する。次いで、ロボット掃除機は、認識した掃除すべき領域を効率よく掃除することができる走行経路を計画する。その後、駆動部を制御し、計画通りの走行経路を追従しながら、吸塵部を稼働して掃除を行う。

ロボット掃除機が計画通りの走行経路に沿って移動する方法としては、絶対座標系を用いて自己の現在地を計算しながら走行する方法と、掃除領域の基準点からの走行距離と転向角度を用いる相対座標系を基準に自己の現在地を計算し走行する方法がある。

絶対座標系を用いて走行する方法の一例としては、ＣＣＤカメラを使用して天井を撮像したイメージを用いて現在地を計算し走行する方法がある。即ち、撮像した天井イメージから天井に取り付けられている電灯、蛍光灯といった取付物や別途に位置認識のために取り付けられている位置認識標識を検出し、これを用いてロボット掃除機の現在地を検出しながら走行する方法である。しかし、このようにＣＣＤカメラを用いる走行方法では、多くのイメージデータを迅速に処理する必要があるため、高性能のシステムを必要とし、構成するのに多くの費用がかかるという不都合がある。

相対座標系を用いて走行するロボット掃除機は、走行距離が検出できる走行距離検出センサーとロボット掃除機の転向角度が検出できる角度センサーを備えている。通常、走行距離の検出センサーとしては、走行輪体の回転数が検出できるエンコーダーが多用され、角度センサーとしては、相対角度が検出できるジャイロセンサーが多用される。ジャイロセンサーを用いれば、ロボット掃除機は、直進する中に方向を変える必要のある地点に至ると、所望する角度の分方向を変えて走行することができるため制御が簡単である。しかし、このようなジャイロセンサーは、基本的に測定角度の５〜１０％に相当する誤差を持っている。この誤差は、ジャイロセンサーの積分演算に起因する定数エラーと内部の各種の変数（温度、湿度等）の変化による時定数値（ｓｃａｌｅ ｆａｃｔｏｒ）の変化にて発生する。従って、ロボット掃除機の方向転換が多くなることで累積した転向角度が大きくなれば、この誤差も累積し、ロボット掃除機が計画通りの走行経路を追従することができなくなる。その結果、ロボット掃除機が計画した走行経路に沿って走行を完了しても掃除領域内において未掃除領域が発生するという問題点がある。

本発明は、前記のような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、ジャイロセンサーを用いるロボット掃除機が計画通りの走行経路を追従することができるようにするために、ロボット掃除機の移動量が一定値を超えれば、ジャイロセンサーの出力値を補正するロボット掃除機のジャイロセンサーの補正方法を提供することである。

前記のような本発明の目的は、ロボット掃除機が、該ロボット掃除機のジャイロセンサーの出力を補正する周期である補正基準値を超えて、移動すると、前記ジャイロセンサーの出力を補正する補正モードに切り換えるステップと；
上方カメラを用いて現在の前記ロボット掃除機が位置している天井を撮像し、撮像されたイメージを用いて補正のために前記ロボット掃除機が移動すべき移動経路を決め、当該移動経路に基づいて、ジャイロセンサーの出力値を補正する補正ステップとを含み；
前記補正基準値は、ロボット掃除機の累積角度であることを特徴とするロボット掃除機のジャイロセンサーの補正方法を提供することにより達成される。

また、前記補正ステップは、前記上方カメラで撮像した天井イメージから天井に取り付けられている取付物に相当する特徴点を抽出し、ロボット掃除機の現在地と移動すべき移動目的地である前記特徴点とで移動経路を決め、前記ロボット掃除機が走行していた方向と前記移動経路とがなす角度を算出するステップと；前記上方カメラを用いて前記移動経路を移動しながら、ジャイロセンサーの出力値から前記移動経路の角度を算出するステップと；前記上方カメラで算出した前記移動経路の角度と前記ジャイロセンサーで算出した前記移動経路の角度との差を算出するステップと；前記角度の差を用いてジャイロセンサーの出力値を補正するステップとを含む。

また、前記移動目的地は、前記ロボット掃除機が走行していた方向と一定の角度をなすべく選択することが好ましい。このとき、前記一定の角度は、±９０°以下になるように選択する。

本発明に係るロボット掃除機のジャイロセンサーの補正方法によれば、ジャイロセンサーを用いて転向角度を検出するロボット掃除機の移動量が補正基準値以上になれば補正モードに切り換わってジャイロセンサーの出力値を補正するため、ジャイロセンサーの誤差が常時一定値以下を保ち、この結果、ロボット掃除機が計画通りの走行経路を精度良く追従することができる。

従って、本発明に係るジャイロセンサーの補正方法を用いるロボット掃除機で掃除を行えば、従来のロボット掃除機のようにジャイロセンサーの誤差に起因する未掃除領域は発生しない。

以下、添付した図面を参照して、本発明に係るロボット掃除機のジャイロセンサーの補正方法について説明する。

図１は、本発明に係るロボット掃除機のジャイロセンサーの補正方法を適用するロボット掃除機の一実施例の外観を示す斜視図であり、図２は、図１のロボット掃除機の機能ブロック図である。

図１及び図２を参照するに、ロボット掃除機１０は、吸塵部２０と、センサー部３０と、前方カメラ４１と、上方カメラ４２と、駆動部５０と、送／受信部６０と、電源部７０と、記憶装置８１と、制御部８０とを含んでなり、これらの構成要素は、本体１１上に適宜配設されている。

吸塵部２０は、向かい合う床面のゴミ等を空気と共に吸い込むことができるように各種の形態で構成可能である。一例として、吸込モーターと、この吸込モーターの吸込力にて外部のゴミ等が含まれた空気を吸い込む吸込ブラシと、吸込モーターと吸込ブラシとの間に設けられる集塵室とを含む簡単な構成が可能である。集塵室には、吸込ブラシ及び吸込モーターとそれぞれ連通する吸気ポート及び排気ポートが形成される。吸気ポートを通って吸い込まれる空気は、それに含まれているゴミ等が集塵室で分離された後、排気ポートから排気される。

センサー部３０は、ロボット掃除機の転向角度が測定できるジャイロセンサー３１と、走行距離が測定できる走行距離検出センサー３２、及び壁のような障害物が検出できる障害物検出センサー３３を含む。

ジャイロセンサー３１は、ロボット掃除機１０が走行方向を変えようとする時、走行方向を変更する直前の走行方向（以下、‘既存の走行方向’と称す）に対しロボット掃除機１０の転向した角度を検出するのに用いられるセンサーである。即ち、相対角度を検出する角度センサーである。このジャイロセンサー３１は、基本的に測定角度の５〜１０％に相当する誤差を持っている。この誤差は、ジャイロセンサー３１の出力値の積分演算に起因する定数エラーと内部の各種の変数（温度、湿度等）の変化による時定数値の変化にて発生する。ジャイロセンサー３１は、一定の方向、即ち、既存の走行方向に対し方向を変えるべき相対角度を測定する角度センサーであるため、ロボット掃除機１０の転向角度が累積すれば、前記誤差による転向角度の誤差も大きくなる。従って、ロボット掃除機１０が精度良く計画通りの経路を追従できるようにするためには、この誤差の補正が必要である。

走行距離検出センサー３２としては、輪体の回転数を検出する回転検出センサーを適用すればよい。例えば、回転検出センサーとしては、モーターの回転数を検出すべく設けられたエンコーダーを使用すればよい。制御部８０は、エンコーダーの回転数を用いてロボット掃除機１０が走行した距離を算出する。

障害物検出センサー３３は、赤外線を出射する赤外線発光素子と、反射されてきた赤外線を受信する赤外線受光素子とが垂直に対をなして本体１１の内側に本体１１の外周面に沿って多数配設されている。また他には、障害物検出センサー３３としては、超音波を出射し、反射されてきた超音波が受信できるように構成された超音波センサーを使用すればよい。障害物検出センサー３３は、障害物または壁との距離を測定するのにも用いられる。

上方カメラ４２は、上方のイメージが撮像できるように本体１１上に取り付けられ、撮像したイメージデータを制御部８０に出力する。前方カメラ４１は、前方のイメージが撮像できるように本体１１上に取り付けられ、撮像したイメージデータを制御部８０に出力する。この前方カメラ４１は、必要に応じて選択的に取り付けられる。例えば、前方の障害物を検出したり、充電ステーションに設けられた標識（図示せず）を検出するために前方カメラ４１を使用する場合に取り付けられる。この種の前方カメラ４１や上方カメラ４２としては、ＣＣＤカメラを使用することが好ましい。

駆動部５０は、前方の両側に取り付けられた二つの走行輪体と、後方の両側に取り付けられた二つの従動輪体、前方の二つの走行輪体をそれぞれ回転駆動させる一対の駆動モーター及び走行輪体の動力を後方の従動輪体に伝えるべく設けられた動力伝達手段を含む。動力伝達手段は、タイミングベルトとプーリーから構成される。この他にも、動力手伝達段は、ギアから構成されてもよい。二つの走行輪体は、中心軸が一直線上に位置するように本体の下側に取り付けられる。また、駆動部５０の各駆動モーターは、制御部８０からの制御信号によって独立して正方向または逆方向に回転駆動する。走行方向は、各駆動モーターの回転数を変えることにより制御することができる。

送／受信部６０は、送信すべきデータをアンテナ６１を介して送出し、アンテナ６１を介して受信した信号を制御部８０に伝送する。従って、送／受信部６０を介して外部装置９０と信号をやり取りすることができる。ここでの外部装置９０とは、ロボット掃除機１０の移動をモニタしながら制御できるプログラムがインストールされたコンピュータシステム、或いはロボット掃除機を遠距離から制御できるリモコン等である。ロボット掃除機１０の制御部８０の処理容量を低減するために上方カメラ４２のイメージデータを用いてジャイロセンサー３１の出力値を補正するための計算を行うステップを、外部装置９０であるコンピュータシステムが行うように構成することができる。この種のシステムの場合は、ロボット掃除機１０の制御部８０は、送／受信部６０を介して上方カメラ４２のイメージデータを外部装置９０に伝送し、その処理結果を外部装置９０から受信しジャイロセンサー３１の出力値を補正する。

電源部７０は、充電バッテリから構成され、充電ステーション（図示せず）から供給された電源を貯蔵し、ロボット掃除機１０を構成する各構成要素に必要な電源を供給することでロボット掃除機１０が自律走行をし、掃除等の作業を行うことができるようにする。

制御部８０は、送／受信部６０を介して受信した信号を処理し、指示を受けた作業を行うことができるようにロボット掃除機１０の各構成要素を制御する。制御部８０は、ロボット掃除機１０が障害物検出センサー３３等を用いて壁や障害物を避けて掃除等の作業を行うべき作業領域を決め、その結果を記憶装置８１に格納する。または、ユーザーが入力した作業領域を記憶装置８１に格納する。また、制御部８０は、記憶装置８１に格納された作業領域を効率良く走行できる走行経路を算出する。次いでは、作業信号によって走行距離検出センサー３３と角度センサー３１を用いて走行経路を走行しながら掃除等の作業を行うように駆動部５０と吸塵部２０を制御する。制御部８０は、掃除作業が完了したか、または充電を必要とする場合には、ロボット掃除機１０が基準位置または充電ステーションに戻るように駆動部５０を制御する。制御部８０は、今まで知られている前方カメラ４１や上方カメラ４２または超音波センサー等を用いて位置を認識する方法を用いてロボット掃除機１０が基準位置または充電ステーションに戻るように制御する。その詳細は、本発明の要旨ではないため、ここではその説明を省略する。

また、制御部８０は、ロボット掃除機１０が作業を行う間、ロボット掃除機１０が補正基準値を超えて移動したか否かを判断する。ロボット掃除機１０が補正基準値を超えて移動したならば、作業を止めて補正モードに切り換え、ジャイロセンサー３１の出力値を補正する。ジャイロセンサー３１を補正する周期を決める補正基準値は、各種の基準にて決めることができる。例えば、ロボット掃除機１０が充電ステーションを離れて作業を行った時間を基準にしたり、ロボット掃除機１0が作業を行いながら移動した総走行距離を基準にしたりすることもできる。しかし、ジャイロセンサー３１の補正のためには、作業中におけるロボット掃除機１０の転向角度を全て合算した累積角度を基準にすることが好ましい。この補正基準値は、ジャイロセンサー３１の精度やロボット掃除機１０の転向時の滑り等を考慮して、ユーザーが適宜制御部８０に入力すればよい。

制御部８０は、補正モードに切り換われば、上方カメラ４２を用いて現在のロボット掃除機１０が位置している所の天井を撮像し、そのイメージデータを用いて、補正のためにロボット掃除機１０が移動すべき移動経路を決めた後、これを用いてジャイロセンサー３１の出力値を補正する。

以下、図３乃至図５を参照して、本発明に係るロボット掃除機のジャイロセンサーの補正方法について説明する。

まず、ロボット掃除機１０は、充電ステーションのような基準位置で待機している。このとき、ロボット掃除機１０は、掃除等の作業を行うべき作業領域を記憶しており、作業領域を効率良く掃除するために移動すべき走行経路の算出も完了している状態である。

作業開始信号によってロボット掃除機１０は、基準位置を離れ、算出した走行経路に沿って走行しながら掃除等の作業を行う。

制御部８０は、ロボット掃除機１０が掃除等の作業を行う間、ロボット掃除機１０が補正基準値を越えて移動したか否かを判断する。仮に、ロボット掃除機１０が補正基準値を超えて移動したと判断されれば、ロボット掃除機１０の作業を止め、補正モードに切り換える（S１０）。このとき、補正基準値は、上述した如く、ロボット掃除機１０が作業を行う間に方向を変えるために転向した角度の総和を示すロボット掃除機１０の累積角度である。累積角度の補正基準値は、ユーザーがロボット掃除機１０の本体１１に設けられたキー入力手段（図示せず）または外部装置９０を介して記憶装置８１に格納させる。

補正モードに切り換われば、制御部８０は、上方カメラ４２を用いてジャイロセンサー３１の出力値を補正する（S２０）。補正モードにおいて制御部８０が上方カメラ４２を用いてジャイロセンサー３１を補正するステップS２０を具体的に説明すると、次の通りである。

まず、制御部８０は、駆動部５０を制御してロボット掃除機１０がその場で止まるようにする。次いで、上方カメラ４２が天井２のイメージ１を撮像するように制御する。その後、上方カメラ４２から送られてきたイメージデータを用いてロボット掃除機１０の現在地を判断し、ジャイロセンサー３１の補正のために移動すべき移動経路Ｐを決める。このとき、制御部８０がイメージデータから移動経路Ｐを決める方法としては、公知の種々のイメージ処理技術を適用すればよい。その一例としては、制御部８０は、イメージデータから特徴点を抽出し、これを用いて移動経路を決めることができる。ここでは、通常、家の中や事務室等の天井に取り付けられている蛍光灯、火災感知器、電灯等の付着物がその特徴点になり得る。もしくは、場合によっては、カメラを用いた位置認識のために別に設けた位置認識マークがその特徴点になることもある。撮像したイメージデータから特徴点を抽出する映像処理方式は、知られている種々の方式を適用すればよい。例えば、撮像したイメージをグレーレベルに変換した後、次の類似の値を有するピクセル点をつないで算出した座標値を特徴点として処理する方式を適用してもよい。また、特徴点に関するイメージデータの分布形態を予め記憶しておいた後、記憶されているデータ値と類似の分布を有するイメージ領域を当該特徴点として決め付けるようにしてもよい。

図５には、上方カメラ４２で撮像したイメージ１の一例が示されている。制御部８０は、撮像したイメージ１から前記のような映像処理方式を通じて特徴点を抽出し、その特徴点を用いてロボット掃除機１０の現在地とロボット掃除機１０の現在地から一定の距離離れている移動目的地を選択する。図５では、蛍光灯３の隅部に相当する点Ｂを移動目的地として選択した。このとき、移動目的地Ｂの選択基準は、移動目的地Ｂと現在のロボット掃除機１０の位置Ａとをつなぐ線Ｐ（以下、‘移動経路’と称す）がロボット掃除機１０の直前の走行方向Ｙと一定の角度をなすように移動目的地Ｂを選択することである。ここで、移動経路とロボット掃除機１０の走行方向Ｙとがなす角度は、±１８０°以下から適宜選ぶことができるが、±９０°以下になるように選ぶことが好ましい。次いで、制御部８０は、直前のロボット掃除機１０の走行方向Ｙに対し移動経路Ｐがなす角度qを記憶装置８１に格納する（Ｓ２１）。

次いで、制御部８０は、駆動部５０を制御して移動目的地Ｂに移動する。このとき、制御部８０は、上方カメラ４２が撮像したイメージデータを用いてロボット掃除機１０が移動目的地Ｂに到達したか否かを判断する。また、制御部８０は、ロボット掃除機１０が移動する間にジャイロセンサー３１の出力値を読み出し、ジャイロセンサー３１による移動経路Ｐの角度θ’を算出する（Ｓ２２）。

次いで、制御部８０は、次の式（１）を用いて上方カメラ４２のイメージデータから算出した移動経路Ｐの角度θとジャイロセンサー３１から算出した移動経路Ｐの角度θ’との差Δθを計算し、記憶装置に格納する（Ｓ２３）。

θ−θ’＝Δθ （１）
ここで、上方カメラ４２を用いて算出した移動経路Ｐの角度θがジャイロセンサー３１から算出した移動経路Ｐの角度θ’より大きい場合は、角度の差Δθが正の値になり、上方カメラ４２を用いて算出した移動経路Ｐの角度θがジャイロセンサー３１から算出した移動経路Ｐの角度θ’より小さい場合は、角度の差Δθが負の値になる。

そして、制御部８０は、格納された移動経路Ｐの角度の差値Δθをジャイロセンサー３１の補正値として設定する（Ｓ２４）。従って、制御部８０は、ジャイロセンサー３１を用いてロボット掃除機１０の転向角度を検出する場合は、常時ジャイロセンサー３１の出力値から算出した角度から格納されている角度の差Δθを引いた値をロボット掃除機１０の実際の転向角度として認識する。

最後に、制御部８０は、ロボット掃除機１０の駆動部５０を制御して移動目的地Ｂに移動する前の作業を中断した位置Ａにロボット掃除機１０を戻らせる。ロボット掃除機１０が従前の作業位置Ａに戻れば、制御部８０は、補正モードを終了し、ロボット掃除機１０を制御して中断していた掃除等の作業を継続して行わせる。

制御部８０は、継続して掃除等の作業を行うように制御しながら、一定の時間毎にロボット掃除機１０の移動量が補正基準値を超えているか否かを判断する。仮に、ロボット掃除機１０が補正基準値を越えて移動したならば、掃除作業を止め、再び補正モードを行う（Ｓ１０）。

以上で説明したように、本発明に係るジャイロセンサーの補正方法を適用したロボット掃除機では、補正基準値を超えて移動すれば補正モードを行うことでジャイロセンサーによる角度の誤差を補正するため、ジャイロセンサーの誤差が累積することがなく、走行精度が向上する。従って、ロボット掃除機の走行精度の不良に起因する未掃除領域は発生しなくなる。

本発明は、前述した特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば誰でも種々の変形実施が可能であることはもとより、そのような変更は、特許請求の範囲の記載範囲に属することは自明である。

本発明は、産業用ロボットや家庭向けロボット等を含むロボット産業分野で用いることができる。

本発明に係るロボット掃除機の外観を示す斜視図である。 図１に示すロボット掃除機の機能ブロック図である。 本発明に係るロボット掃除機のジャイロセンサーの補正方法を示すフローチャートである。 図３に示すロボット掃除機のジャイロセンサーの補正方法における補正ステップの一実施例を示すフローチャートである。 図１に示すロボット掃除機の上方カメラで撮像した天井のイメージを概念的に示す図である。

符号の説明

１ 天井イメージ
２ 天井
３ 蛍光灯
５ 火災警報機
１０ ロボット掃除機
１１ 本体
２０ 吸塵部
３０ センサー部
３１ ジャイロセンサー
３２ 走行距離検出センサー
３３ 障害物検出センサー
４１ 前方カメラ
４２ 上方カメラ
５０ 駆動部
６０ 送／受信部
７０ 電源部
８０ 制御部
８１ 記憶装置
９０ 外部装置
Ｐ 移動経路

Claims (3)

1. ロボット掃除機が、該ロボット掃除機のジャイロセンサーの出力を補正する周期である補正基準値を超えて、移動すると、前記ジャイロセンサーの出力を補正する補正モードに切り換えるステップと；
   上方カメラを用いて現在の前記ロボット掃除機が位置している天井を撮像し、撮像されたイメージを用いて補正のために前記ロボット掃除機が移動すべき移動経路を決め、当該移動経路に基づいて、ジャイロセンサーの出力値を補正する補正ステップとを含み；
   前記補正基準値は、ロボット掃除機の累積角度であることを特徴とするロボット掃除機のジャイロセンサーの補正方法。
2. 前記補正ステップは、
   前記上方カメラで撮像した天井イメージから天井に取り付けられている取付物に相当する特徴点を抽出し、ロボット掃除機の現在地と移動すべき移動目的地である前記特徴点とで移動経路を決め、前記ロボット掃除機が走行していた方向と前記移動経路とがなす角度を算出するステップと；
   前記上方カメラを用いて前記移動経路を移動しながら、ジャイロセンサーの出力値から前記移動経路の角度を算出するステップと；
   前記上方カメラで算出した前記移動経路の角度と前記ジャイロセンサーで算出した前記移動経路の角度との差を算出するステップと；
   前記角度の差を用いてジャイロセンサーの出力値を補正するステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載のロボット掃除機のジャイロセンサーの補正方法。
3. 前記ロボット掃除機が走行していた方向と前記移動経路とがなす角度は、±９０°以下であることを特徴とする請求項２に記載のロボット掃除機のジャイロセンサーの補正方法。

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