JP4525473B2 - 移動ロボットの位置制御システムと位置制御方法 - Google Patents

Description

本発明は，例えば２足歩行ロボットや台車ロボット等の自律移動ロボットが，自己の位置を把握しつつ適切に移動するための位置制御システムと位置制御方法に関する。さらに詳細には，所定の移動領域内を移動する移動ロボットの位置制御システムと位置制御方法に関するものである。

従来より，あらかじめ与えられた経路を無人で自動的に移動する自律移動ロボットがある。ロボットの本体には，移動のための各種の駆動装置や時系列的に経路を記憶する記憶装置等が備えられ，記憶装置に記憶されている経路に従って移動するように各種の駆動装置が制御される。このようなロボットでは，その指示された経路をできるだけ正確にたどるためには，そのときの自己の位置を正しく認識する必要がある。

例えば，特許文献１に記載の無人搬送車では，レーザ光の投光器および受光器を有している。そして，壁面などに設けられた配置が既知である反射体に向けてレーザ光を投光し，その反射光を受光することによりその反射体までの距離と方向を得ることができる。これにより，複数の反射体を利用して三角計量を行い，その結果から自己の位置を把握するとされている。
特開平８−１１０８１７号公報

しかしながら，前記した従来の技術では，次のような問題点があった。（１）投光器と受光器とが同一の移動体上に搭載されているため，特に，移動しつつ測定する場合には，反射光を安定して受光することが難しい。（２）地形の凹凸や移動体の傾斜等によって投光方向が変化していると，反射体に正確に投光できないおそれがある。（３）同一領域内で複数の移動体を移動させる場合には，それらの間で投光源を区別する必要がある。そのために例えば，投光器の設置高さ，光の波長，投受光タイミング等を移動体ごとに変えるという方法が挙げられるが，いずれも移動体の台数が多くなると信頼性を確保するのが困難であるという問題点があった。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，移動中や姿勢が変化しているロボットでも正確に自己の位置を算出できるとともに，同一領域内に複数台のロボットが移動している場合でも互いに干渉しあうことなく，それぞれが自己の位置を容易に算出できる移動ロボットの位置制御システムと位置制御方法を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の移動ロボットの位置制御システムは，移動領域内における移動ロボットの位置制御システムであって，移動領域内の移動ロボットが受光できるように光を発信する光発信機が，複数箇所に固定して設けられており，移動ロボットには，光発信機からの光信号を受信する第１光センサと，第１光センサが受信した信号に基づいて自己の位置を算出する位置算出部と，位置算出部が算出した位置情報に基づいて移動制御を行う移動制御部とが備えられているものである。

本発明の移動ロボットの位置制御システムによれば，移動ロボットは，第１光センサで光発信機からの光信号を受信する。光信号を発信する光発信機は移動するものではないので，移動領域内で移動ロボットが移動していても，安定して受信できる。また，受信側である移動ロボットの数は各光信号の状態に影響を与えないので，移動ロボットが互いに干渉し合うことはない。さらに，光発信機が複数箇所に設けられているので，各光発信機の位置が既知であれば三角形量によって自己の位置を算出できる。従って，移動中や姿勢が変化しているロボットでも正確に自己の位置を算出できるとともに，同一領域内に複数台のロボットが移動している場合でも互いに干渉しあうことなく，それぞれが自己の位置を容易に算出できる移動ロボットの位置制御システムとなっている。

さらに本発明は，固定して配置された固定局を有し，固定局には，光発信機からの光信号を受信する第２光センサと，第２光センサが受信した信号に基づいて光発信機の故障を検出する故障検出部とを有している。
移動しない固定局によって光発信機からの光信号を受信すれば，光発信機からの光信号が既知の期待されている信号であるかどうかを判断できる。従って，光発信機の故障を検出することができる。

さらに本発明では，光発信機は，回転しつつスリット光を発光するスリット光発光部と，スリット光の回転周期に対して定期的にストロボ光を発光するストロボ光発光部とを有し，移動ロボットは，光発信機の位置を記憶する発信機位置記憶部を有し，位置算出部により，ストロボ光発光部からのストロボ光とスリット光発光部からのスリット光との，第１光センサによる受光タイミングの間隔によって，光発信機に対する相対角度を取得し，その結果と，光発信機の位置とに基づいて自己の位置を算出する。
このようなものであれば，光発信機からの光信号を受信した移動ロボットでは，ストロボ光発光部からの発光によってタイミングの起点を取得できるとともに，スリット光のタイミング間隔によって光発信機に対する相対角度を得ることができる。従って，光発信機の位置が既知であれば，自己の位置を算出することができる。

さらに本発明では，移動ロボットには，周囲の明るさを検知する照度計が備えられており，位置算出部は，照度計の計測値を利用して第１光センサの受信信号からノイズを除去し，除去後の信号と光発信機の位置とに基づいて自己の位置の算出を行うことが望ましい。
周囲の明るさは光信号のノイズとなりがちである。移動ロボットがこのようになっていれば，照度計によって計測された周囲の明るさをノイズとして受信信号から除去できる。従って，より正確に自己の位置を算出することができる。

また，移動ロボットには，光発信機の位置を記憶する発信機位置記憶部と，目標軌道を記憶する目標軌道記憶部とが備えられており，移動制御部は，位置算出部が算出した自己の現在位置と目標軌道との差に基づいて移動制御を行うことが望ましい。
この移動ロボットは，目標軌道記憶部に記憶されている目標軌道に沿って移動するように制御される。位置算出部によって算出された自己の現在位置とこの目標軌道とに差があれば，その差を減ずるように移動制御すれば，より目標軌道に近い移動とすることができる。

さらに本発明では，複数の光発信機が，スリット光の回転周期，スリット光の配置パターン，およびストロボ光の発光周期，からなる群の少なくとも１つを互いに異にすることが望ましい。
このようになっていれば，移動ロボットは，受信した光信号が複数の光発信機のうちのどの１台の発光によるものであるかを容易に判断できる。

さらに本発明では，移動領域内に複数の移動ロボットを有することが望ましい。
同様の複数の移動ロボットを移動領域内で同時に移動させても，それぞれ自己の位置を把握することは容易である。

さらに本発明では，移動ロボットは２次元の移動領域内で移動するものであり，光発信機は，第１光センサと異なる高さに配置されており，位置算出部は，自己の３次元位置を算出し，その高さ成分により算出の信頼度を判定することが望ましい。
例えば，移動ロボットの高さより高い位置に光発信機が配置されていれば，他の移動ロボットによって光信号が遮られるおそれがない。また，第１光センサは各移動ロボットに固定されているので，移動ロボットが２次元の移動領域内で移動する限り，その高さ成分は既知のものが得られるはずである。そこで，位置算出部で自己の位置を算出する際に３次元位置として算出し，その高さ成分と既知の高さとを比較すれば，その算出の信頼度が容易に判定できる。

さらに本発明では，複数の固定局を有し，複数の固定局の第２光センサが受信した信号に基づいて光発信機の位置ずれを検出することが望ましい。
光発信機が位置ずれした場合には，固定局の第２光センサによる受信信号の受信角度に既知の角度からのずれが生じる。従って，固定局によって光発信機の位置ずれを検出できる。

さらに本発明は，移動領域内における移動ロボットの位置制御方法であって，移動領域内の移動ロボットが受光できるように光を発信する光発信機を，複数箇所に固定して設けるとともに，固定局を固定して配置し，光発信機が，回転しつつスリット光を発光し，スリット光の回転周期に対して定期的にストロボ光を発光し，移動ロボットが，光発信機の位置を記憶しており，光発信機からの光信号を受信し，受信したストロボ光とスリット光との受光タイミングの間隔によって，光発信機に対する相対角度を取得し，その結果と，記憶している光発信機の位置とに基づいて自己の位置を算出し，算出した位置情報に基づいて移動制御を行い，固定局が，光発信機からの光信号を受信し，受信した光信号に基づいて光発信機の故障を検出する移動ロボットの位置制御方法にも及ぶ。

本発明の移動ロボットの位置制御システムと位置制御方法によれば，移動中や姿勢が変化しているロボットでも正確に自己の位置を算出できるとともに，同一領域内に複数台のロボットが移動している場合でも互いに干渉しあうことなく，それぞれが自己の位置を容易に算出できる。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，台車とその上に支持された本体とを有する自律移動型の台車ロボットおよびその台車ロボットが会場のステージ内で移動する際の位置制御システムに本発明を適用したものである。

本形態に係る台車ロボット１０は，その概略側面図を図１に示すように，車輪１１とその上に支持される本体１２とを有している。図中奥側にも車輪１１と同様の車輪があり，２つの車輪をそれぞれ回転制御することによって，所定の方向へ移動できるものである。ここでは，その側面に腕１３を有している台車ロボット１０を図示している。

台車ロボット１０の本体１２は，頭部２１と胴部２２とを有している。頭部２１は首に相当する軸２３によって水平面内方向に所定角度範囲で回転可能である。頭部２１の頭頂には，受光センサ２４が設けられている。さらに，受光センサ２４の近傍に，周囲の環境照度を計測する照度計測装置２５も備えている。また，胴部２２には，受光センサ２４の信号を受けて自己の３次元位置を算出する位置算出部２６，台車ロボット１０の移動を制御する移動制御部２７が設けられている。

受光センサ２４は，頭頂の垂直上方から約６０°以内の傾斜角度範囲からの入射光を受けることができる。この受光センサ２４は，後で述べるように主に近赤外波長光を受光するためのものであるので，ここでは波長選択性の光学フィルタを備えたものを使用している。照度計測装置２５は，受光センサ２４にとってノイズとなる周囲の照度を計測して，位置算出部２６に入力する。移動制御部２７は，記憶されている目標軌道に基づいて，車輪１１を駆動して台車ロボット１０の移動方向や速度を制御する。

位置算出部２６は，図２に示すように，アンプ３１，デジタル処理回路３２，シングルボードコンピュータ３３を有している。アンプ３１は，受光センサ２４の信号を受けて増幅する。デジタル処理回路３２は，アンプ３１の出力信号を受け，適切なしきい値を用いてデジタル信号に変換する。このデジタル化の際のノイズ除去のためのしきい値は，照度計測装置２５の結果から得た周囲環境の明るさに基づいて算定される。これにより，周囲の環境変化に強い，安定した測定を行うことができる。シングルボードコンピュータ３３は，デジタル処理回路３２によってデジタル化された信号を基に，自己の３次元位置を算出する。

次に，この台車ロボット１０が移動する範囲であるステージが設けられる会場４０について説明する。会場４０には，図３に示すように，ステージの周囲の壁面等に複数個の光発信機４１が固定されている。光発信機４１は，その発信光を各台車ロボット１０の受光センサ２４によって受光できるように，台車ロボット１０よりも高い位置に設置される。この図では，約２０ｍ×２５ｍのステージに対し，６個の光発信機４１が円周上にほぼ等間隔に設置された例を図示している。これらの光発信機４１の配置はあらかじめ定められ，各台車ロボット１０に記憶されている。台車ロボット１０は，このような会場４０のステージの範囲内を移動している場合に，自己の３次元位置を認識できる。

光発信機４１は，図４にその概略外観を示すように，所定の時間間隔で発光するストロボ光源４５と，複数個のスリット４６が設けられた回転シリンダ４７とを有している。回転シリンダ４７には，レーザ光源が内蔵され，それぞれのスリット４６から略鉛直方向の扇面形にレーザ光を発光する。このスリット４６は回転軸に対して傾きを持たせることができる。受光側では，レーザ光の受光タイミング間隔によって，受光センサ２４と光発信機４１との鉛直方向の相対角度関係を知ることができる。このスリット４６から発光されるレーザ光源は常時点灯されている。

また，ストロボ光源４５は回転シリンダ４７の回転に同期して，回転シリンダ４７が２回転すると１回点灯する。これにより，ストロボ光源４５からのストロボ光とスリット４６からのレーザ光との受光タイミング間隔によって，受光センサ２４と光発信機４１との水平方向の相対角度関係を知ることができる。また，回転シリンダ４７の回転速度，すなわち，このストロボ光源４５の発光タイミングは，各光発信機４１ごとに異なるものとする。従って，ストロボ光の受光タイミング間隔によって，その光がどの光発信機４１から発せられたものであるかを判断できる。

ここでは，これらのストロボ光やレーザ光は，近赤外波長等の不可視光を用い，人の目にちらつきとして感じられることを防止している。また，これらの光を受光する台車ロボット１０の受光センサ２４は，上記のように波長選択性の光学フィルタを備えている。この光学フィルタは，光発信機４１の発する波長の光を透過し，ノイズとなる環境光を反射するので，スポットライトを浴びつつ台車ロボット１０が移動する場合でもノイズの影響は小さく抑えられる。この光発信機４１としては，度量衡学用の室内ＧＰＳとして知られているものが利用できる。

また，会場４０には，図３に示すように，光発信機４１の他に故障検出用センサ４２が固定設置されている。この故障検出用センサ４２は，台車ロボット１０の受光センサ２４と同様の受光センサであり，受光センサ２４と同程度の高さ位置に固定されている。それぞれの故障検出用センサ４２はさらに，位置算出部２６と同様の算出装置も備えている。この故障検出用センサ４２は，光発信機４１の故障あるいは位置ズレ等を検出するためのものである。

次に，この台車ロボット１０を会場４０内で自律移動させる方法について説明する。まず，各台車ロボット１０には，所定の経時的な移動経路である目標軌道があらかじめ与えられ，それぞれ本体１２内に記憶されている。移動制御部２７は，その記憶された目標軌道を順次読み出して，次回の目標位置へと移動するように各部を制御する。しかし，床面との間でのすべりの影響等により，所定の経路から多少ずれる場合がある。そのため，自己の位置を適宜測定して経路を補正しつつ移動する。

自己の位置を測定する際には，まず，受光センサ２４によって受光した光のうちから，光発信機４１から発せられているストロボ光を見分ける。さらに，ストロボ光の受光タイミング間隔から，そのストロボ光がどの光発信機４１から発せられた光であるかを把握する。そして，ストロボ光とそれに続くレーザ光を受光し，位置算出部２６によって，その光発信機４１に対する自己の方位角を算出する。少なくとも２台の光発信機４１からの光に対して同様に行うことにより，既知の２点からの方位角が求められる。従って，三角計量により，それらの方向の交点として自己の位置を求めることができる。

ここで，理論上は２個の光発信機４１があれば，それらからの方位角の交点として自己の位置を求めることができる。しかし，実際には完全に正確に求められることは少ない。そこで，３個以上の光発信機４１を用いることにより，より正確を期すこととする。さらには，各光発信機４１からの推測される距離（求められた交点と既知の光発信機４１の位置との距離）によって，その測定の信頼度を設けてもよい。さらに，台車ロボット１０は鉛直方向に積極的には移動しないので，求められた交点の鉛直方向の位置によってその測定の信頼度を判定しても良い。

台車ロボット１０は，このようにして求められた自己の３次元位置の水平面内成分が，期待されている経路からある程度以上はずれている場合は，次回の移動経路を修正する。このとき，上記の信頼度やズレの大きさによって修正のゲインを変えるとよい。また，進行方向のズレと進行方向に交差する方向のズレとでは，修正ゲインを変えるとよい。例えば，進行方向のズレは高いゲインで修正し，交差方向のズレは低いゲインで修正するのである。このようにすれば，違和感のない軌道修正を行うことができる。

次に，光発信機４１の故障検出方法について説明する。例えば毎日のロボット使用前等に，各光発信機４１から発光させ，故障検出用センサ４２で受光して相対角度位置を算出することにより，全ての光発信機４１が正しく発光しているかどうかが確認できる。特に，各光発信機４１や故障検出用センサ４２は会場４０の所定の位置に固定されているので，これらの相対角度位置は所定の既知の値が得られるはずである。

しかし，もし光発信機４１の位置ズレや発光タイミングのズレ等の故障が発生した場合は，この結果が変化する。そこで，ステージ外に設けられるコントロールルーム等に，これらの故障検出用センサ４２の検出結果を表示できるディスプレイを備え，管理者による監視ができるようにする。２個以上の故障検出用センサ４２を設けておけば，故障検出用センサ４２の故障と光発信機４１の故障との区別をしたり，光発信機４１の位置ズレ方向も知ることができる。

また，各台車ロボット１０にも無線通信装置を備え，コントロールルーム等とのデータ送受信ができるようにしても良い。そして，例えば，自己の３次元位置を算出するたびにその位置データを送信させるようにしても良い。このようにすれば，コントロールルームのディスプレイに，ステージ中のどの位置に各台車ロボット１０がいるかを表示させることができ，管理者がステージの状態を容易に把握できる。さらには，コントロールルームに送信された３次元位置を時系列的に記憶しておき，直前の位置と移動方向から次回の移動による移動位置を予測してもよい。複数の台車ロボット１０の予測移動経路を重ねてディスプレイに表示させれば，衝突や追突などの可能性をあらかじめ把握することができる。

以上詳細に説明したように本形態の台車ロボット１０および会場４０の位置制御システムによれば，各台車ロボット１０に受光センサ２４と位置算出部２６とを備え，会場４０に複数の光発信機４１を備えている。各台車ロボット１０は，既知の配置にある光発信機４１からの光を受光して，自己との相対的な角度位置を算出することができる。そして，複数の光発信機４１を利用して三角形量することで，自己の３次元位置を把握することができる。

さらに，各光発信機４１は，台車ロボット１０より高い位置に配置されているので，複数の台車ロボット１０がステージ内に存在しても，互いに干渉することはない。また，台車ロボット１０の台数が多くなっても，設備はそのままで利用できる。さらに，受光センサ２４の受光可能範囲が広いので，台車ロボット１０の姿勢が変化しても，位置測定は可能である。従って，移動中や姿勢が変化しているロボットでも正確に自己の位置を算出できるとともに，同一領域内に複数台のロボットが移動している場合でも互いに干渉しあうことなく，それぞれが自己の位置を容易に算出できる位置制御システムとなっている。

なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，上記の形態では，台車ロボット１０を例示しているが，移動方法は２輪台車に限らず，２足以上の脚部による歩行や，４輪，キャタピラ等どのようなものでも良い。
また例えば，光発信機４１の個数や配置は，上記の例に限らない。特に広い会場では，周囲のみでなく中央付近にも配置するとより精度の良い測定が可能である。また，故障検出用センサ４２の個数や配置も変更可能なことは当然である。
また例えば，受光可能範囲が狭い受光センサを使用する場合は，受光センサの向きを変更できる機構を備えて，受光センサの出力レベルをモニタしつつ向きを変えるようにすると良い。そして，出力レベルがある一定値以上となる向きに受光センサを配置してから測定を行えば，より正確な測定が可能となる。

本形態のロボットの概略構成を示す側面図である。 位置算出部を示すブロック図である。 会場の設備を示す説明図である。 光発信機の外観を示す説明図である。

符号の説明

１ 台車ロボット
２４ 受光センサ
２５ 照度計測装置
２６ 位置算出部
２７ 移動制御部
３３ シングルボードコンピュータ
４１ 光発信機
４２ 故障検出用センサ
４５ ストロボ光源
４６ スリット

Claims (7)

1. 移動領域内における移動ロボットの位置制御システムにおいて，
   前記移動領域内の前記移動ロボットが受光できるように光を発信する光発信機が，複数箇所に固定して設けられており，
   前記移動ロボットには，
   前記光発信機の位置を記憶する発信機位置記憶部と，
   前記光発信機からの光信号を受信する第１光センサと，
   前記第１光センサが受信した信号に基づいて自己の位置を算出する位置算出部と，
   前記位置算出部が算出した位置情報に基づいて移動制御を行う移動制御部とが備えられており，
   前記光発信機は，
   回転しつつスリット光を発光するスリット光発光部と，
   前記スリット光の回転周期に対して定期的にストロボ光を発光するストロボ光発光部とを有し，
   前記移動ロボットは，
   前記位置算出部により，前記ストロボ光発光部からのストロボ光と前記スリット光発光部からのスリット光との，前記第１光センサによる受光タイミングの間隔によって，前記光発信機に対する相対角度を取得し，その結果と，前記光発信機の位置とに基づいて自己の位置を算出するものであり，
   固定して配置された固定局を有し，
   前記固定局は，
   前記光発信機からの光信号を受信する第２光センサと，
   前記第２光センサが受信した信号に基づいて前記光発信機の故障を検出する故障検出部とを有することを特徴とする移動ロボットの位置制御システム。
2. 請求項１に記載の位置制御システムにおいて，
   前記移動ロボットには，
   周囲の明るさを検知する照度計と，
   前記光発信機の位置を記憶する発信機位置記憶部と，
   目標軌道を記憶する目標軌道記憶部とが備えられており，
   前記位置算出部は，前記照度計の計測値を利用して前記第１光センサの受信信号からノイズを除去し，除去後の信号と前記光発信機の位置とに基づいて自己の位置の算出を行い，
   前記移動制御部は，前記位置算出部が算出した自己の現在位置と目標軌道との差に基づいて移動制御を行うことを特徴とする移動ロボットの位置制御システム。
3. 請求項１に記載の位置制御システムにおいて，
   前記複数の光発信機が，スリット光の回転周期，スリット光の配置パターン，およびストロボ光の発光周期，からなる群の少なくとも１つを互いに異にすることを特徴とする移動ロボットの位置制御システム。
4. 請求項１に記載の位置制御システムにおいて，
   移動領域内に複数の移動ロボットを有することを特徴とする移動ロボットの位置制御システム。
5. 請求項１に記載の位置制御システムにおいて，
   前記移動ロボットは２次元の移動領域内で移動するものであり，
   前記光発信機は，前記第１光センサと異なる高さに配置されており，
   前記位置算出部は，自己の３次元位置を算出し，その高さ成分により算出の信頼度を判定することを特徴とする移動ロボットの位置制御システム。
6. 請求項１に記載の位置制御システムにおいて，
   複数の固定局を有し，
   前記複数の固定局の前記第２光センサが受信した信号に基づいて前記光発信機の位置ずれを検出することを特徴とする移動ロボットの位置制御システム。
7. 移動領域内における移動ロボットの位置制御方法において，
   前記移動領域内の前記移動ロボットが受光できるように光を発信する光発信機を，複数箇所に固定して設けるとともに，固定局を固定して配置し，
   前記光発信機が，
   回転しつつスリット光を発光し，
   前記スリット光の回転周期に対して定期的にストロボ光を発光し，
   前記移動ロボットが，
   前記光発信機の位置を記憶しており，
   前記光発信機からの光信号を受信し，
   受信した前記ストロボ光と前記スリット光との受光タイミングの間隔によって，前記光発信機に対する相対角度を取得し，
   その結果と，記憶している前記光発信機の位置とに基づいて自己の位置を算出し，
   算出した位置情報に基づいて移動制御を行い，
   前記固定局が，
   前記光発信機からの光信号を受信し，
   受信した光信号に基づいて前記光発信機の故障を検出することを特徴とする移動ロボットの位置制御方法。

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