JP4467534B2 - 障害物のある環境下で自律移動する移動ロボットおよび移動ロボットの制御方法。 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、予定走行経路を示す地点を点列として与え、移動ロボットが自分の位置・姿勢を計測し、上記点列のうちの目標地点と移動ロボットの現在位置との差に基づき、進行方向を決めるようにしたものが記載されている。
一方、障害物のある環境下で、障害物を避ける経路を生成し、障害物を避けながらロボットを移動させるようにした障害物回避経路方式が種々提案されている(例えば特許文献3、特許文献4参照)。
一方、障害物を回避させながらロボットを移動させ、回避後に経路に復帰させるようにしたものも考えられているが、グローバル的最適な経路を生成するものではなく、複雑な環境下でロボットは極小点に落ち込む可能性が高い。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであって、折線を複数の線分に分解し、ロボットの追従線分の切り替えを制御することにより、情報処理が簡単で、リアルタイム性が高く、折線に沿って滑らかに移動させることでき、さらに、障害物があっても、障害物を回避しながらグローバル的最適な経路を生成して自律的に移動することが可能な移動ロボットおよび移動ロボットの制御方法を提供することである。
以上のように、本発明では、以下のようにして前記課題を解決する。
障害物が存在する環境化において、与えられた経路に沿って移動する自律走行制御装置を備えた移動ロボットにおいて、該移動ロボットに、走行制御系と、移動ロボットの周囲の固定物および障害物の相対位置を観測する手段と、経路計画エンジンと、制御エンジンとを設ける。
上記制御エンジンは、移動ロボットの走行距離・走行方向と、上記観測した固定物もしくは障害物の相対位置から現在のロボットの位置を推定し、また、予め格納された移動ロボットの走行領域の固定物の位置を表すグリッドマップと上記観測した障害物の情報とを重ね合わせて統合マップを作成し、現在のロボットの位置と該統合マップを上記経路計画エンジンに渡して経路計画をリクエストする。
経路計画エンジンは、上記リクエストがあったとき、仮想ロボットを、上記統合マップ上で上記障害物を回避させながら、前記予め定められた経路に沿って移動させ、仮想ロボットの通過点を求め、この通過点の点列を上記制御エンジンに渡し、上記制御エンジンは、上記通過点の点列に沿って移動ロボットが移動するように上記走行制御系を制御する。
すなわち、経路計画エンジンは、仮想的距離センサにより前方の障害物との距離を求め、移動ロボットの走行領域の固定物の位置を表すグリッドマップと上記観測した障害物の情報とを重ね合わせた統合マップ上で、仮想ロボットと周りの障害物、壁との距離を求め、この距離と障害物および/または壁に応じて設定された重みとにより定まる値と、閾値とを比較して、仮想ロボットの前方の開いている自由空間を求め、該自由空間の方向を移動先として仮想ロボットを移動させる。
(1)グラフ探索を利用して、障害物を回避させながら、既定の経路に追従してロボットを走行させるようにしたので、複雑な環境下においても、最適な経路の探索が可能となり、経路追従と障害物回避とを統合させてロボットを走行させることができる。
(2)環境情報地図と、ステレオビジョンセンサで観測した情報を統合して、固定物の位置や障害物の位置を把握し、この地図上で仮想ロボットを移動させて、障害物を回避させながら上記折線に沿って移動する経路を求め、この経路を走行制御系に与えてロボットを走行させているので、グローバル的な最適な経路を生成してロボットを走行させることができる。
また、サブゴールの近傍で、仮想ロボットが追従する線分を切り換えるようにしたので、サブゴールの近くでもロボットを滑らかに移動させることができで、サブゴールでロボットが停止してしまうこともない。
(3)従来では、ロボットが自由に移動できる空間に関する情報の取得には、大規模な距離をセンシングする装置が必要であった。また、単純なステレオビジョン計測の場合では、空間情報を欠如するという問題があった。本発明では、環境情報地図と、ステレオビジョンセンサで観測した情報を統合して、固定物の位置や障害物の位置を把握しているので、ロボットが自由に移動できる空間に関する情報を比較的容易に取得することが可能となり、障害物のある環境下においても、障害物を回避させながらロボットを移動させることが可能となる。
図1に示す移動ロボット(以下単にロボットという)100は4つの車輪101と、これを駆動するモータ102を有し、モータ102にはエンコーダ103が設けられている。エンコーダ103の出力は移動量算出部104に入力され、移動量算出部104で、車輪102の回転量、すなわち、ロボットの移動量を算出する。従って、ロボットの出発位置(初期位置)が与えられれば、上記移動量からロボットの大まかな位置を求めることができる。
また、本実施例のロボット100は、ステレオビジョンセンサ40が設けられ、ステレオビジョンセンサ40により、例えば図2に示すようにロボット100の移動方向の固定物(障害物)との距離a1,a2,a3などを求めることができる。
さらに、ロボット100は、移動する領域の固定物などの位置を事前に記録した環境地図情報を有する。図3はロボット100が有する環境地図情報の一例を示す図であり、同図に示すように、環境地図情報は、例えばロボットの走行領域のグリッドマップであり、壁面などの固定物の位置が記録されている。ここでグリッドマップは、図3に示すように、水平面をある大きさのブロックで分割した平面からなる地図であり、固定物、障害物のあるグリッドには、例えば0以上の値、障害物のないグリッドには、0が与えられている。
したがって、上記グリッドマップ上の固定物の位置と、上記ステレオビジョンセンサ40で観測したロボットの周囲の固定物との距離とを照合することで、ロボットの位置をさらに正確に把握することができる。
すなわち、図4(a)のように新しい環境情報を観測した時に、障害物の位置が記録されたグリッドマップをコピーし、同図(b)に示すように、ロボットのステレオビジョンセンサ40の視野内のデータをクリアする。
ついで、同図(c)に示すように、ステレオビジョンセンサ40で観測して障害物の位置を得て、同図(d)に示すように(b)(c)のデータを統合し、新しい環境情報が書き込まれたグリッドマップを生成する。これにより、ロボットの走行領域の環境情報をグリッドマップで表現することができる。
さらに、上記事前に作られた環境地図情報とステレオビジョンセンサ40で障害物の位置情報を統合して、図5に示すように、経路計画用のグリッドマップを生成する。
すなわち、事前に固定物の位置が記録された環境地図情報と、上記のようにステレオビジョンセンサ40で観測した障害物の位置を示す地図情報を重ね合わせ、統合したグリッドマップを生成する。後述する経路計画においては、この統合グリッドマップを使用して、ロボットの走行方向を選定する。
ロボット100に与えられる経路情報は、例えば図6(a)に示すように、ロボットの現在位置から目的地までのパスを、サブゴール(同図の通過点A,B,C…)をつなぐ折線で表したものである。
上記サブゴールをつなぐ折線は、図7に示すように線分1〜線分nに分解されてサブゴールスタックに格納される。
そして、障害物がないときには、上記折線とのずれによって、既定経路に復帰するローカルな図6(b)に示すようなパスを生成し、また、図8に示すように経路上に障害物があるとき、この障害物を回避するパスを生成しながら、既定の折線の分解された線分に対して追従するようなグローバル的な最適なパスを生成し、このパスに沿ってロボット100が移動するように、走行制御系20に制御信号を送出する。
走行制御系20は、前記モータ103を駆動してロボットを移動させる。
なお、図1では車輪によってロボットを移動させる場合について示したが、ロボットの走行手段は上記に限られず、その他の走行手段を有するものであってもよい。
制御エンジン11は、ロボット位置推定部11aと、経路計画要求部11bと、走行コマンド生成部11cと、統合マップ作成部11dを具備し、環境情報の収集、ロボットの自己位置推定、経路計画エンジンを呼び出し、計画した経路の走行系への送信、及びロボットの追従する線分の切り替えなどを、ロボットが最終ゴールに到達まで繰り返し実行する。
すなわち、ロボット位置推定部11aは、ステレオビジョンセンサ40と、前記移動量算出部104で求めたロボットの大まかな位置を、前述したようにステレオビジョンセンサ40の観測値とグリッドマップ14(図3参照)とに基づき補正して、ロボットの現在位置を推定する。
一方、前述したようにCPU30からロボットのグローバル移動経路であるサブゴールをつなぐ折線が与えられる。この折線は分解されてサブゴールスタック13に格納されている。
ロボット位置推定部11aは、ロボットの現在位置が上記サブゴールあるいは最終ゴールに達したか判定し、達していなければ上記サブゴールスタック13に格納された追従すべき線分を経路計画エンジン12に渡す。経路計画要求部11bは経路計画エンジン12に対して経路計画を要求する。
すなわち、障害物の近傍にロボットがいないときは、制御エンジン11からの追従すべき折線の情報とロボットの現在姿勢を受信して、折線を追従するように仮想ロボットを走行させる。
このため仮想ロボットが追従すべき折線を複数線分の追従に分解する。例えば、仮想ロボットがA点からスタートし、追従する折線をABCとする場合、制御は線分をAB、BCに分解し、それぞれの線分に沿って仮想ロボットが走行するように制御する。ただし、後述するように、途中で追従する線分を切り替える。
すなわち、経路計画エンジン12の経路計画部12aは、仮想ロボットの位置と上記追従すべき線分とのエラーに基づき仮想ロボットの速度と角度を決定する。そして、仮想ロボットを上記のように走行させて、仮想ロボットの通過点の点列を求める。
これによって、ロボットと各物体との安全な距離を設定する。この値に対して、図10(b)に示すように閾値を設定して、ロボットの前に開いている自由空間を決める。
そして、すべての開いている自由空間を移動先とするが、各選択肢にコストを付けて、グラブとしてつなげていき、このグラフに対してAスターの探索方法(例えば、P. E. Hart, N. J. Nilsson, B. Raphael: A Formal Basis for the Heuristic Determ ination of Minimum Cost Paths, IEEE Transactions on Systems Science and Cybern etics SSC4 (2), pp. 100-107, 1968. 参照)を利用して最適な経路を選択する。Aスターの探索方法は、ノードからリンクから構成されるグラフ探索の一つのアルゴリズムであり、Aスター探索方法を利用することにより、スタートノードからゴールノードまでの累積コストが最小となる経路を決定することができる。
例えば、前方に障害物があるノードAにロボットがあるとき、障害物を回避して移動できる選択肢はノードB,Cであるが、ノードB,Cの内、コストが小さいノードBへの経路を選択する。以下同様に、コストが小さくなる経路を選択することにより、障害物を回避する最適な経路を選択する。
経路計画エンジン12は上記のようにして仮想ロボットの移動経路を求め、経路計画として制御エンジン11に渡す。
制御エンジン11の走行コマンド生成部11cは、上記経路計画エンジン12から得た経路計画に基づき、走行制御系を駆動する走行コマンドを生成する。
この走行コマンドに基づき走行制御系20は、前記したようにモータ102を駆動し、ロボット100を移動させる。
ここで、上記各ノードはグリッドマップ上のグリッドに対応しており、隣り合うグリッドはリンクにより結合されている。そして、例えばノードB,Cに対応するグリッドは、ノードAに対応するグリッドから見て、障害物を回避して移動可能なノードAに対応するグリッドに隣接するグリッドである。
あるグリッド上にいるロボットが隣のグリッド上に移動するとき、コストが発生する。このコストとしては、例えば、障害物に接近して生じる危険の度合い、ゴールとの距離、旋回角度の大きさ、目標地点への旋回角度である。
同図に示すように、制御エンジン11は、ロボットの現在位置Pを読み込み、現在位置Pが最終ゴールに達したかを判定する(ステップS1,S2)。
ロボットの位置が最終ゴールに達した場合は、処理を終了する。
また、最終ゴールに達していない場合は、前記したように、ステレオビジョンセンサ40で観測した周囲の状況とグリッドマップ14を重ね合わせて、現在位置を推定して補正量ΔPを求め、移動量算出部104で推定したロボットの現在位置Pを補正量ΔPで補正する(ステップS3)。また、前記図5で説明したように、環境地図情報と、ステレオビジョンセンサ40で観測した障害物の位置を示す地図情報を重ね合わせ、統合したグリッドマップを生成する(ステップS4)。
ついで、現在位置Pがサブゴールに達したかを判定し、サブゴールに達した場合は、サブゴールスタックから次のサブゴールを取り出し(ステップS5,S6)、ステップS7に行く。また、現在位置Pがサブゴールに達していない場合には、ステップS5からステップS7に行き、経路計画エンジン12にパス・ プラニング(経路計画)を要求する(ステップS7)。
そして、経路計画エンジン12からパス・プラニングを取得し(ステップS8)、走行制御系20に走行コマンドを送出する。
図13において、制御エンジン11から経路計画エンジン12に対して経路計画の要求があると、探索グラフを作成し(ステップS1,S2)、このグラフ上のルートノード上に、現在のロボット位置をセットする(ステップS3)。また、オープンリストにこのルートノードを追加する(ステップS4)。
ついで、上記オープンリストからノードを取得し、このノード上に仮想ロボットをセットし(ステップS5,S6)、仮想ロボットが最終ゴールに達したかを判定する(ステップS7)。仮想ロボットが最終ゴールに達したら処理を終わる。
最終ゴールに到達していなければ、サブゴールを切り換えるか、すなわち、追従する線分を切り換えるかを判定する。
追従する線分を切り替える条件としては、図14(a)に示すように、ロボットと現在向かっているサブゴールBとの距離dが閾値より小さい場合、あるいは図14(b)に示すように、仮想ロボットの現在追従している線分からの誤差εABより、次の線分からの誤差εBCが小さい場合である。
サブゴールを切り換える場合には、サブゴールスタックから次のサブゴールを取り出す(ステップS8,S9)。また、サブゴールを切り換えない場合には、ステップS10に行き、ループ回数が閾値THを越えたか否かを判定する。ループ回数が閾値THを越えたら、上記処理により得られた仮想ロボットの走行経路の点列を制御エンジン11に渡す。なお、この閾値THは、制御エンジン11に渡す点列の数を設定するものであり、この閾値に応じた数の点列が制御エンジンに渡される。
制御エンジン11は、経路計画エンジン12から受け取った点列(通過点ポイント)の数が0以上の場合、走行制御系20に走行コマンドを与える。ポイントの数が0である場合は、ロボットの移動先がないと意味するため、走行制御系20に走行停止を指示する。 制御エンジン11が次の循環に入る。各循環では経路計画エンジン12から生成した通過点の数が連続的に0である場合、ロボットを現在のサブゴールに向け、ランダムに向きを変え、経路を探す。
ロボットが障害物の近傍にいない場合には、ステップS14にいき、仮想ロボットの位置と上記追従すべき線分とのエラーを求め、このエラーに基づき仮想ロボットの速度と角度を決定し(ステップS15)、ステップS17に行く。
ついで、ステップS17にいき、移動可能な選択肢を親ノードに子ノードとして追加し、コスト計算をする(ステップS18)。
ついで、オープンリストに全ての子ノードを追加し、コストによりオープンリストをソートする(ステップS19,S20)。
図15は、上記ステップS17からS20の処理を説明する図である。
同図に示すように選択肢となる子ノードが3つある場合、親ノードa1に3つの子ノードb1,b2,b3が追加され、それぞれの子ノードのコストが計算される。コストは、前述したように、例えばロボットが移動先へ移動する際の旋回角度の大きさ、次の移動先の障害物との間の距離、ゴールとなるサブゴールとの間の距離、現在のロボットの向きとゴール方向との角度の差等から計算される。例えば、旋回角度が小さく、次の移動先と障害物との距離が遠く、ゴールとの距離が近く、現在のロボットの向きとゴール方向との角度の差が小さい場合にコストが小さくなる。
図13に戻り、コストが計算されると、子ノードがオープンリストに追加され、オープンリストがコストによりソートされ、コストの少ない子ノードが次の親ノードとなる。
ついで、ステップS5に戻り、上記ノードをオープンリストから取得し、上記処理を繰り返す。
本実施例においては、図16(b)の(1)(2)(3)式の制御則により、現在の仮想ロボットの進行方向に対する旋回角度ζおよび仮想ロボットの単位時間当たりの移動距離νを求める(定数kθ(θは下添え字)、ke 、Mは定数)。
ここで、同図(a)はサブゴールを結ぶ線分と、仮想ロボットの位置と進行方向の関係を示し、Aw (xa ,ya )、Bw (xb ,yb )は、それぞれ、スタートのサブゴール、目標となるサブゴールの位置座標(wの添え字を付したものはワールド座標)、Rw (xr ,yr )はロボットの現在位置の位置座標(ワールド座標)、Xr はロボットの移動方向、Yr はロボットの移動する方向に直交する方向、db はロボットとゴールとなるサブゴールとの間の距離、αはロボットの進行方向と、ゴールとなるサブゴールとロボットを結ぶ線との間の角度である。
また、同図(b)において、(4)式は、ワールド座標系(添え字wの座標系)とロボット座標系(添え字rの座標系)の変換式、(5)(9)式は、それぞれ追従すべき線分の傾き、この線分のX軸に対する角度θを示し、また、(6)(7)(8)式におけるεABはロボット位置と線分との誤差を示す。
11 制御エンジン
12 経路計画エンジン
13 サブゴールスタック
14 グリッドマップ
20 走行制御系
30 CPU
40 ステレオビジョンセンサ
100 移動ロボット
101 車輪
102 モータ
103 エンコーダ
104 移動量算出部
Claims (2)
- 障害物が存在する環境化において、与えられた経路に沿って移動する自律走行制御装置を備えた移動ロボットであって、
上記移動ロボットは、該ロボットを移動させる走行制御系と、移動ロボットの周囲の固定物および障害物の相対位置を観測する手段と、経路計画エンジンと、制御エンジンとを備え、
上記制御エンジンは、移動ロボットの走行距離・走行方向と、上記観測した固定物もしくは障害物の相対位置から現在のロボットの位置を推定し、また、予め格納された移動ロボットの走行領域の固定物の位置を表すグリッドマップと上記観測した障害物の情報とを重ね合わせて統合マップを作成し、
現在のロボットの位置と該統合マップを上記経路計画エンジンに渡して経路計画をリクエストし、
経路計画エンジンは、上記リクエストがあったとき、障害物がないときは、上記統合マップ上で、設定された経路に従って仮想ロボットの通過点を求め、
障害物があるときは、仮想的距離センサにより前方の障害物との距離を求め、移動ロボットの走行領域の固定物の位置を表すグリッドマップと上記観測した障害物の情報とを重ね合わせた統合マップ上で、仮想ロボットと周りの障害物、壁との距離を求め、
この距離と障害物および/または壁に応じて設定された重みとにより定まる値と、閾値とを比較して、仮想ロボットの前方の開いている自由空間を求め、該自由空間の方向を移動先として仮想ロボットを移動させて仮想ロボットの通過点を求め、
上記通過点の点列を上記制御エンジンに渡し、
上記制御エンジンは、上記通過点の点列に沿って移動ロボットが移動するように上記走行制御系を制御する
ことを特徴とする自律走行機能を備えた移動ロボット。 - 障害物が存在する環境化において、与えられた経路に沿って移動する自律走行制御装置を備えた移動ロボットの制御方法であって、
上記移動ロボットは、該ロボットを移動させる走行制御系と、移動ロボットの周囲の固定物および障害物の相対位置を観測する手段を備え、
移動ロボットの走行距離・走行方向と、上記観測した固定物もしくは障害物の相対位置から現在のロボットの位置を推定し、
また、予め格納された移動ロボットの走行領域の固定物の位置を表すグリッドマップと上記観測した障害物の情報とを重ね合わせて統合マップを作成し、
仮想ロボットを、障害物がないときは、上記統合マップ上で、設定された経路に従って仮想ロボットの通過点を求め、
障害物があるときは、仮想的距離センサにより前方の障害物との距離を求め、移動ロボットの走行領域の固定物の位置を表すグリッドマップと上記観測した障害物の情報とを重ね合わせた統合マップ上で、仮想ロボットと周りの障害物、壁との距離を求め、
この距離と障害物および/または壁に応じて設定された重みとにより定まる値と、閾値とを比較して、仮想ロボットの前方の開いている自由空間を求め、該自由空間の方向を移動先として仮想ロボットを移動させて仮想ロボットの通過点を求め、
この通過点の点列に沿って移動ロボットが移動するように上記走行制御系を制御する
ことを特徴とする移動ロボットの制御方法。
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