JP4625904B2 - 動的衝突予測方法 - Google Patents

Description

この発明は動的衝突予測方法に関するものでり、より詳しくは自己および自己以外の対象物（障害物）が共に運動している状態で、両者の速度などの動的パラメータに基づいて衝突を予測する方法に関するものである。

この明細書において「自己」とは対象物（障害物）との衝突を回避したい主体、例えばロボットや車両などを言う。また「目」とは自己上に設けられた対象物の視覚的観測手段で、一般的にはロボットなどに搭載されたカメラなどを言うものである。

自己と対象物との距離を観測して衝突を回避する方法としては従来から超音波法と両眼視差法とが知られている。

超音波法においては、移動方向に自己から超音波を発してその反射により対象物の有無と自己と対象物との間の距離を観測し、その結果に応じて対象物との衝突を回避するものである。

また両眼視差法においては、自己上に左右２個の目を離間配置して、それぞれ視野内にある対象物の有無と自己と対象物との間の距離を観測し、その結果に応じて対象物との衝突を回避するものである。

いずれの方法においても、時間軸上のある時刻における瞬間の空間情報は得ることができる。しかし時刻間の対応点を計算しなければ対象物が移動している方向、特に自己の方を向いて接近しているか、何時衝突するかの情報を直接得ることが困難である。

かかる従来技術の現状に鑑みてこの発明の目的は、動的衝突予測を時刻間の対応点の計算のみを迅速で、簡単な計算で、かつ高い精度で達成する、ことにある。

このためこの発明の方法においては、
（ａ）水平方向と垂直方向の少なくとも一方について自己上に２個の目を離間配置し、
（ｂ）時間軸上に所定の時間間隔（Δｔ）で選ばれた複数の時刻のうちのひとつの時刻において２個の目で自己に対する対象物の相対速度（ｖｌ，ｖｒ）を観測し、
（ｃ）ΔＤを自己から対象物までの相対距離の変化、δを自己上での目の配置により経験的に定められるゼロに近い正の値、εを観測条件により経験的に定められる値としたときに、上記の観測の結果に基づいて下記の条件式を求め、

（ｄ）これらの条件式がすべて成立したときに「衝突する」と予測する
ことを要旨とするものである。

なお上記の条件式において、δとεは自己の大きさや危険度により定まる値である。測定誤差や自己および対象物の動きは一定でないこと、また目が必ずしも自己の選ばれた方向上の端縁に位置している訳ではないので、ある程度の余裕を考慮に入れる必要がある。また（ｖｌ² ＋ ｖｒ²）はαの最大値＝１とするための正規化処理である。

動的衝突予測を時刻間の対応点の計算のみでできるので、衝突予測を迅速で、簡単な計算で、かつ高い精度で達成することができる。

まず動的観測を行う際の基本的なメカニズムについて説明する。動的観測を行うには自己の位置と対象物の位置とを時間軸上で連続的に観測する必要がある。時間軸上の時間間隔Δｔにおける自己と対象物との位置の変化を図１に示す。ここでＰ１はある対象物における自己の位置であり、Ｐ２はそれからΔＴ後の対象物における自己の位置である。Ｑ１は上記対象物における対象物の位置であり、Ｑ２はそれからΔｔ後の対象物における対象物の位置である。ｄ１は上記対象物における自己と対象物との間の相対距離であり、ｄ２はそれからΔｔ後の自己と対象物との間の相対距離である。

上記のように時間間隔Δｔの間に自己と対象物との位置が変化した場合において、それぞれの値は従来技術でも観測可能である。つまり衝突予測に必要なパラメータそのものは従来技術でも得ることは可能である。

そして図中に示すベクトルＲが自己の方を向いているか否かを時間軸上の連続する刻刻の時刻（時間間隔＝Δｔ）で観測すればよい。自己の方に向いていれば衝突することになる。つまり従来技術でもこれにより理論的には衝突の予測はできる。

しかしこれには時刻間の対応点の計算と上記のパラメータを刻々の時間（時間間隔＝Δｔ）で観測しかつ計算する必要があり、時間が掛かり、計算が複雑となり、それだけに誤差も入り易く精度に問題があることは、上記したところである。

以下の諸事例の記載においては、説明の便宜上水平方向Ｘについての衝突予測（つまり２個の目を水平方向に離間配置する）について記載するが、この発明は垂直方向Ｙ（つまり２個の目を垂直方向に離間配置する）についての衝突予測にも敷延することができる。なおこの両方を組み合わせれば二次元方向（Ｘ、Ｙ）についての衝突予測も達成することができる。

なお以下の事例の説明においては、例えば右に向かう速度を正、左に向かう速度を負と、符号を定める。勿論この逆であってもよい。

図２に示すのは対象物が視野中心に沿って自己に近づく事例（事例１）である。速度ｖｌとｖｒとは図３に示すようになり、このときｖｌ＞０であり、ｖｒ＜０であるから、条件式１は明らかに成立する。α＝２ｖｌ・ｖｒ／（ｖｌ²＋ｖｒ²）は負となるから、その値がδより小ならば条件式２は成立する。対象物が自己に近づくのであるからΔＤは負となり条件式３が成立する。よってこの事例では衝突が予測されるのである。

図４に示すのは対象物が視野中心に沿って自己から遠ざかる事例（事例２）である。速度ｖｌとｖｒとは図５に示すようになり、このときｖｌ＜０であり、ｖｒ＞０であるから、条件式１は明らかに成立する。α＝２ｖｌ・ｖｒ／（ｖｌ²＋ｖｒ²）は負となるから、その値がδより小ならば条件式２は成立する。対象物が自己から遠ざかるのであるからΔＤは正となり条件式３が成立しない。よってこの事例では衝突が予測されないのである。

図６に示すのは対象物が視野中心に斜交して自己に近づく事例（事例３）である。速度ｖｌとｖｒとは図７に示すようになり、このときｖｌ＞０であり、ｖｒ＜０であるから、条件式１は明らかに成立する。α＝２ｖｌ・ｖｒ／（ｖｌ²＋ｖｒ²）は負となるから、その値がδより小ならば条件式２は成立する。対象物が自己に近づくのであるからＤは負となり条件式３が成立する。よってこの事例では衝突が予測されるのである。

図８に示すのは対象物が視野中心方向と直行方向に自己から遠ざかる事例（事例４）である。速度ｖｌとｖｒとは図８に示すようになり、このときｖｌ＜０であり、ｖｒ＜０であるから、条件式１は明らかに成立する。α＝２ｖｌ・ｖｒ／（ｖｌ^２＋ｖｒ^２）は正となるから、条件式２は成立しない。対象物が自己から遠ざかるのであるからＤは正となり条件式３が成立しない。よってこの事例では衝突が予測されないのである。

つぎに観測の時刻ｔから衝突に至るまでの時間Ｔはつぎの式で求められる。

以上種々の事例によりこの発明の応用態様を説明したが，単純に考えれば対象物については選ばれた方向の両端縁についてのみ観測を行えば衝突の予測には充分と考えられる。しかしこの発明の実用に際しては対象物の選ばれた方向に沿っての複数の点について観測を行う必要がある。以下図１０によりこの理由を説明する。

図１０には自己に対面する２個の対象物Ａ、Ｂが示されている。対象物Ａは例えば円筒状のものであり、対象物Ｂは例えば丸棒状のものであるとする。

もし左右の端縁上の２点のみについて観測を行ったとしたら、いずれも「衝突あり」と予測される。しかし実際には、対象物Ａの場合は中央に孔があるので衝突しないが、対象物Ｂの場合には衝突してしまうのである。したがって、かかる場合にも正確に対処するには、対象物上の選ばれた方向に沿って複数の点について観測する必要があることになる。

この発明の応用はロボットや車両に限らず、航空機や船舶など三次元方向に移動するあらゆるタイプの主体の衝突予測に応用できるものである。

動的衝突予測の基本的メカニズムを説明するための模型図である。 事例１の場合の状態を示す模型図である。 事例１の場合の速度を示すグラフである。 事例２の場合の状態を示す模型図である。 事例２の場合の速度を示すグラフである。 事例３の場合の状態を示す模型図である。 事例３の場合の速度を示すグラフである。 事例４の場合の状態を示す模型図である。 事例４の場合の速度を示すグラフである。 対象物上の複数点観測の必要性を説明するための模型図である。

Claims (6)

1. 水平方向と垂直方向の少なくとも一方について自己上に２個の視覚的観測手段を離間配置し、時間軸上に所定の時間間隔（Δｔ）で選ばれた複数の時刻のうちのひとつの時刻において、前記自己上に離間配置された２個の視覚的観測手段のそれぞれで自己に対する対象物の相対速度（ｖｌ,ｖｒ）を観測し、ΔＤを自己から前記対象物までの相対距離の変化、δを自己上での前記２個の視覚的観測手段の配置と自己の大きさにより経験的に求められるゼロに近い正の値、εを観測条件により経験的に定められる負の値としたときに、上記の観測の結果に基づいて下記の条件式を求め、
   

   

   

   

   これらの条件式がすべて成立したときに「衝突する」と予測することを特徴とする動的衝突予測方法。
2. 前記の条件式を時間軸に沿った複数の連続する時間において求めて、衝突の予測を行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記２個の視覚的観測手段を水平方向に離間配置することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記２個の視覚的観測手段を垂直方向に離間配置することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. ４個の視覚的観測手段のうち２個の視覚的観測手段を水平方向に離間配置し、他の２個の視覚的観測手段を垂直方向に離間配置することを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. ある対象物における自己と対象物との間の相対距離をＤとしたときに、
   

   

   により該時刻から衝突までの時間を求めることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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