JP4718518B2 - 位置補正機能を提供する移動装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動装置の位置認識技術に係り、より詳細には、掃除ロボットのような移動装置の移動中に発生する障害物の衝突、滑り、障害物通過、及びキッドナップのような異常移動状態でも安定した位置認識ができる位置補正機能を提供する移動装置及び位置補正方法に関する。

一般的にロボットは産業用として開発されて工場自動化の一環として使われるか、人間が耐えられない極限の環境で人間を代替して作業を行うのに使われてきた。このようなロボット工学分野は、最近に最先端の宇宙開発産業に使われつつ、発展を繰り返して最近には人間親和的な家庭用ロボットの開発にまで至った。付け加えて、ロボットは、医療用機器を代替して人間の生体内に投入されることによって、既存の医療用機器では治療不能であった微細な人間生体組織の治療にまで利用される。このような顕著なロボット工学の発展は、インターネットによる情報革命とこれに続いて流行している生命工学分野を代替して新たに登場する最先端分野として脚光を浴びている。

このうち、前記家庭用ロボットは、産業用ロボットに限定されてきた既存の重工業中心のロボット工学分野を軽工業中心のロボット工学分野まで拡大させた主役であって、最も代表的なものとして掃除用ロボットをその例と挙げられうる。このような掃除用ロボットは、通常移動のための駆動手段と、掃除のための掃除手段、そして、前方向障害物を感知するための監視手段などで構成されている。

ここで、前記掃除用移動ロボットは、制限された領域内で前記監視手段を用いて障害物が現れれば、他の方向に転換する方式で移動を行うか、自身の位置を所定の手段によって計算して掃除する対象領域を把握した後、最適の経路に移動することによって、掃除時間及びエネルギー消費を減少させる。

このように、最近の移動ロボットをはじめとする一定領域内を移動する移動装置においては、自身の位置を正確に把握する技術、すなわち、精密な自己位置認識技術が必須的に要求される。

ところが、既存の自己位置認識技術に使われるエンコーダの場合、走行時間の増加につれて滑り（スリップ）現象などにより位置誤差が累積され、特に、このような位置誤差は、障害物の衝突や回避動作、そしてしきい通過のような低い障害物通過時によりさらに激しくなる。また、既存の自己位置認識技術に使われるジャイロスコープは低い障害物を通過する状況で回転する場合、誤差が累積される。人によって人為的に移動ロボットの位置が変化されうる、いわゆるキッドナップ（ｋｉｄｎａｐｐｉｎｇ）の場合にも同様に自己位置を認識できなくなる問題がある。
日本公開特許平６−２８４５１８号公報

本発明は、前記問題点を解決するために考案されたものであって、本発明が解決しようとする技術的課題は、既存に使われるエンコーダ、ジャイロスコープと共に加速度計を利用することによって、移動ロボットの滑り、障害物衝突、障害物通過、キッドナップのような異常移動状態を判別して誤差を最小化して補正しうる位置補正機能を提供する移動装置及び位置補正方法を提供することである。

本発明の目的は、以上で言及した目的に制限されず、言及されていない他の目的は下の記載から当業者に明確に理解されうる。

前記技術的課題を達成するための本発明の一実施形態による位置補正機能を提供する移動装置は、移動装置の移動によって発生する少なくとも１つ以上の異常移動状態を反映する多重状態情報を獲得する感知部と、前記獲得された多重状態情報を参照して自立航法による前記異常移動状態の発生有無を判別する状態判別部と、前記異常移動状態が発生することによって、前記移動装置の移動距離を反映した移動位置情報を補正して前記移動装置の最終位置情報を算出する位置情報算出部を備え、前記感知部は、前記移動装置の移動距離を反映した移動位置情報を獲得する位置感知部と、前記移動位置情報を参照して移動速度を反映した速度情報を獲得する速度感知部と、前記移動装置の回転角度の方向と大きさとを反映した回転角度情報を獲得する回転角度感知部と、３軸加速度成分及び重力加速度を反映した加速度情報を獲得する加速度感知部と、前記移動装置の地面に対する接触如何を反映した接触情報を獲得する接触感知部と、を備え、前記多重状態情報は、前記移動位置情報、前記速度情報、前記回転角度情報、前記加速度情報、及び前記接触情報を含み、前記状態判別部が、前記異常移動状態が発生したと判別する場合は、前記速度情報により算出された速度変化と前記加速度情報により算出された移動方向とに平行した加速度成分の差分値が所定の第２臨界値以上であるスリップ状態と、前記接触情報により算出された接触状態が未接触であり、前記加速度情報により算出された地面に垂直な加速度成分と重力加速度との差が所定の第６臨界値以上である前記移動装置がキッドナップされた状態の場合とを含み、前記異常移動状態が、前記状態判別部により前記移動装置がスリップ状態またはキッドナップされた状態であると判別されたときに、前記位置情報算出部は、前記移動位置情報を前記加速度情報により算出された移動距離及び前記回転角度情報により算出された回転角度変化によって補正して前記最終位置情報を算出する。

本発明によれば、既存に使われていたエンコーダ、ジャイロスコープと共に加速度計を利用することによって、移動ロボットの滑り、障害物衝突、障害物通過、キッドナップのような異常移動状態を判別して誤差を最小化しうる。

その結果、掃除ロボットのような移動装置に使われるローカリゼーションシステム（Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）の性能向上に寄与しうる。

本発明の効果は前記効果に制限されず、言及されていないさらに他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解されうる。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。

本発明の利点及び特徴、そしてこれを達成する方法は添付された図面に基づいて詳細に後述されている実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されるものではなく、この実施例から外れて多様な形に具現でき、本明細書で説明する実施例は本発明の開示を完全にし、本発明が属する技術分野で当業者に発明の範ちゅうを完全に報せるために提供されるものであり、本発明は請求項及び発明の詳細な説明により定義されるだけである。一方、明細書全体に亙って同一な参照符号は同一な構成要素を示す。

本発明の一実施形態では、移動装置の代表例として掃除用移動ロボットを例として説明する。しかし、本発明の権利範囲が前記掃除用移動ロボットに限定されないということは明確である。

移動ロボットの自己位置認識は、前記移動ロボットの位置変化や速度変化などを感知するエンコーダ、慣性質量の動きを把握して移動ロボットの回転角度変化を感知するジャイロスコープによって具現しうる。

前記エンコーダは、一般的に移動ロボットの位置移動または方向変化指令を下し、前記移動ロボットがこれに追従して動く時、その動きを制御する目的で設置される。前記エンコーダを利用すれば、移動ロボットの輪の回転量を一定時間間隔で測定し、これを積分することによって、前記移動ロボットの位置が分かる。しかし、積分の度に誤差が累積され、特に前記走行輪の滑りが発生するか、障害物通過などによる走行輪の上下方向移動がある場合、相対的に過度な誤差が発生する短所がある。したがって、本発明の一実施形態では３軸加速度成分と重力方向の重力加速度を感知する加速度計をさらに使用して前記誤差を減らす。

このような誤差を減らすための移動ロボットの位置補正機能を説明するための３次元空間座標を導入する。図１は、本発明の一実施形態による移動装置の移動方向を基準にした３次元空間座標系を示す図面である。

前記図１から分かるように、前記移動ロボット１００が移動する方向をｘ方向に、前記移動方向と垂直でありつつ、地面と平行した方向をｙ方向に、地面に垂直な方向をｚ方向に設定する。そして、前記移動ロボット１００が障害物などを通過するか、傾斜した所を通過する時、胴体が傾いて各軸に対して回転状態が発生しうる。この場合、前記ｘ軸を中心に回転する方向をロール方向とし、前記ｙ軸を中心に回転する方向をピッチ方向とし、前記ｚ軸を中心に回転する方向をヨー（ｙａｗ）方向に設定する。そして、前記移動ロボット１００が障害物を通過するなどの非正常的な状態（異常移動状態）が発生した場合に、前記ｚ軸を回転軸に前記ｘ軸となす角をθとし、前記ｙ軸を回転軸として前記ｚ軸となす角をφとし、前記ｘ軸を回転軸として前記ｙ軸となす角をψと設定する。

図２は、本発明の実施形態による位置補正機能を提供する移動装置の全体構成を示す図面である。前記図２を参照すれば、前記位置補正機能を提供する移動装置１００は、感知部１１０、状態判別部１２０、位置情報算出部１３０、動作制御部１４０、及び駆動部１５０を含む。

感知部１１０は、移動装置が掃除やマップ作成などの目的で移動することによって発生する少なくとも１つ以上の異常移動状態を反映する多重状態情報を獲得する。このような感知部１１０には、多様なセンサーが使われうるが、このような感知部１１０の構成を図３を参照して説明する。前記感知部１１０には位置感知部１１１、速度感知部１１２、回転角度感知部１１３、加速度感知部１１４、及び接触感知部１１５を含む。

位置感知部１１１は、前記移動ロボット１００が移動した距離を反映する移動位置情報を感知して獲得するが、このような移動位置情報の獲得は前述したエンコーダにより行われうる。前記エンコーダを用いてｘ軸方向の位置変化ΔＸ_ｅと移動ロボット１００の回転角Δθ_ｅが得られる。このような値を求めるために、まず移動ロボット１００の左側走行輪が移動した距離Ｕ_Ｌと右側走行輪の移動した距離Ｕ_Ｒとの平均を用いて移動ロボット１００が特定時間前方に移動した距離ΔＵを求めねばならない。そして、二輪間の距離をＤとすれば、数式Δθ_ｅ＝（Ｕ_Ｒ−Ｕ_Ｌ）／Ｄを用いて前記移動ロボット１００の回転角Δθ_ｅを求め、前記ｘ軸方向の位置変化ΔＸ_ｅは前記ΔＵと同一である。

したがって、前記のような方式によりｘ軸方向の位置変化ΔＸ_ｅと、前記ｘ軸を基準に移動ロボット１００が移動する方向がなす角度の変化Δθ_ｅとを含む前記移動位置情報を求めうる。ここで、下付きｅは、エンコーダを意味する。

速度感知部１１２は、前記獲得された移動位置情報ΔＸ_ｅ、Δθ_ｅを参照して移動ロボット１００の移動速度を反映した速度情報を獲得する。前記速度情報はΔＶｘ_ｅで表現され、このような速度情報の獲得も前記エンコーダにより行われる。ここでも、前記下付きｅは、エンコーダを意味する。

回転角度感知部１１３は、前記移動ロボット１００を中心とする前記図１の３次元座標空間の座標軸を基準に回転角度の大きさを反映する回転角度情報を獲得する。前記回転角度情報とは、前記図１の３次元空間の１軸に対する回転角度またはあらゆる座標軸に対する回転角度の変化を意味する。前記座標軸に対する回転角度の変化とは、前記ｘ軸を基準とする回転角度（ロール方向）の変化Δψ_ｇ、前記ｙ軸を基準とする回転角度（ピッチ方向）の変化Δφ_ｇ、前記ｚ軸を基準とする回転角度（ヨー方向）の変化Δθ_ｇを含む。このように、角速度を用いた回転角度情報の獲得は、前述したジャイロスコープにより行われうる。本発明の一実施形態では、前記３つの軸に対する回転角度の変化をいずれも測定するか、前記ｚ軸を基準とする回転角度の変化Δθ_ｇだけを測定しうる。但し、キッドナップの場合には、前記３つの軸に対する回転角度の変化をいずれも測定する必要がある。ここで、下付きｇは、ジャイロスコープを意味する。

加速度感知部１１４は、３軸加速度成分及び重力加速度を反映した加速度情報を獲得する。前記加速度情報とは、前記ｘ軸方向の加速度成分ａ_ｘ、前記ｙ軸方向の加速度成分ａ_ｙ、前記ｚ軸方向の加速度成分ａ_ｚ、及び重力加速度ｇを含む。このような加速度情報の獲得は、前述した加速度計により行われうる。

接触感知部１１５は、前記移動ロボット１００の地面に対する接触如何を反映した接触情報を獲得する。
そして、前記多重状態情報は、前記移動位置情報、前記速度情報、前記回転角度情報、前記加速度情報、及び前記接触情報をいずれも含みうる。

再び前記図２に戻れば、状態判別部１２０は、前記獲得された多重状態情報を参照して自立航法による前記異常移動状態の発生有無を判別する役割を行う。位置情報算出部１３０は、前記異常移動状態が発生することによって、前記多重状態情報を補正して前記移動装置の最終位置情報を算出する役割を行う。

次いで、前記異常移動状態が発生する場合、移動ロボット１００がこれを判別して補正する過程を具体的に説明する。

本発明の一実施形態では、移動ロボット１００の移動中に発生する非正常的な状態である異常移動状態を大きく４つに分類する。このような分類方式は、本発明の実施形態の容易な説明のためのものであるだけで、このような分類方式が絶対的なものではないので、このような分類方式に限定されるものではない。第１に、滑りや衝突が発生してヨー方向の回転が発生する状態、第２に、移動ロボット１００の走行輪がいずれも障害物を通過してピッチ方向の回転が発生する状態、第３に、前記走行輪のうち１つのみ通過してロール方向の回転が発生する状態、第４に、移動ロボット１００自体が人により強制的に持ち上げられて移動するキッドナップ状態である。

第１に、前記異常移動状態のうち、最初の状態である滑りや衝突が発生してヨー方向の回転が発生する状態を説明する。

前記状態判別部１２０は、前記移動位置情報により算出された位置変化Δθ_ｅと前記回転角度情報により算出された回転角度変化Δθ_ｇの差分値が所定第１臨界値以上である場合、すなわち、┃Δθ_ｅ − Δθ_ｇ┃＞Ｔｈ１である場合に、前記異常移動状態が発生したと判別する。

または、前記状態判別部１２０は、前記速度情報により算出された速度変化ΔＶｘ_ｅと前記加速度情報により算出された移動方向に平行した加速度成分ａ_ｘの差分値が所定第２臨界値以上である場合、すなわち、┃ΔＶｘｅ−ａ_ｘ┃＞Ｔｈ２である場合に前記異常移動状態が発生したと判別する。

または、前記状態判別部１２０は、前記加速度情報により算出された地面に平行すると同時に、移動方向に直角な加速度成分ａ_ｙの大きさが所定の第３臨界値以上である場合、すなわち、┃ａ_ｙ┃＞Ｔｈ３である場合に前記異常移動状態が発生したと判別する。

前記のような３つの条件を選択的に満足する場合に、前記位置情報算出部１３０は、移動位置情報を前記移動ロボット１００の進行方向によって補正して前記最終位置情報を算出する。これを数式で示せば次の通りである。
Δθ ＝ Δθ_ｇ
Δｘ ＝ ∬ ａ_ｘ ｄｔｄｔ ｏｒ ０ （１）
Δｙ ＝ ∬ ａ_ｙ ｄｔｄｔ ｏｒ ０
すなわち、前記のような滑りや衝突を補償する場合、加速度成分を時間に対して２回積分して短い時間内に移動した実際走行距離を計算しうる。しかし、現在低価型加速度計の性能では正確度が劣る恐れがあるので、前記滑りの瞬間に移動距離を０に置いて誤差を最小化することもできる。

第２に、移動ロボット１００の走行輪がいずれも障害物を通過してピッチ方向の回転が発生する状態を説明する。この場合、前記状態判別部１２０は、前記加速度情報により算出された地面に垂直な加速度成分ａ_ｚの大きさが前記加速度情報により算出された重力加速度ｇの大きさと相異なる場合、前記ｙ軸を基準とする回転角度（ピッチ方向）の変化Δφ_ｇが所定の第４臨界値以上である場合、前記異常移動状態が発生したと判別する。すなわち、┃ａ_ｚ┃≠┃ｇ┃である場合、Δφ_ｇ＞Ｔｈ４が満足せねばならない。

この際、前記位置情報算出部１３０は、前記移動位置情報を前記ピッチ角によって補正して前記最終位置情報を算出する。これを数式で表せば次の通りである。

ΔＸ＝ΔＸ_ｅ＊ｃｏｓφ_ｇ （２）

ここで、前記Δ_Ｘｅは前記速度感支部１１２のエンコーダにより獲得されたｘ軸方向の移動位置情報であり、ピッチ角φ_ｇは３軸角速度情報を用いて求める。

第３に、前記走行輪のうち、１つのみ通過してロール方向の回転が発生する状態を説明する。
この場合、前記状態判別部１２０は、前記加速度情報により算出された地面に垂直な加速度成分ａ_ｚの大きさが前記加速度情報により算出された重力加速度ｇの大きさと相異なる場合、前記ｘ軸を基準とする回転角度（ロール方向）の変化Δψ_ｇが所定の第５臨界値以上である場合、前記異常移動状態が発生したと判別する。すなわち、┃ａ_ｚ┃≠┃ｇ┃である場合、Δψ_ｇ＞Ｔｈ５が満足せねばならない。

この際、前記位置情報算出部１３０は、前記移動位置情報を前記加速度情報により算出されたロール角によって補正して前記最終位置情報を算出する。これを数式で表せば次の通りである。

Δθ＝Δθ_ｇ／ｃｏｓψ_ｇ （３）

ここで、前記Δθ_ｇは、前記回転角度感知部１１３により獲得されたヨー方向の変化Δθ_ｇであるために、前記ロール角ψ_ｇのコサイン値を割れば、補正された回転角Δθが得られる。

一方、前記移動ロボット１００が傾斜のある平面で回転する場合と前記第３の場合は、区別されるが、このような状況を区別するために前記移動ロボット１００の回転時、ｚ軸方向の加速度成分ａ_ｚが変われば、前記第３の場合であり、前記ａ_ｚ成分が変わらず、一定しているならば、傾斜のある平面で回転すると判別して、特別な補正作業はしない。

第４に、前記移動ロボット１００自体が人や機械などにより強制的に持ち上げられて移動される、いわゆるキッドナップ状態が発生した状態を説明する。この場合、前記状態判別部１２０は，前記接触情報により算出された接触状態が未接触であり、前記加速度情報により算出された地面に垂直な加速度成分ａ_ｚと重力加速度の差が所定の第６臨界値以上である場合、すなわち、┃ａ_ｚ−ｇ┃＞Ｔｈ６である場合、前記異常移動状態が発生したと判別する。この際、前記位置情報算出部１３０は、前記移動位置情報を前記加速度情報により算出された移動距離及び前記回転角度情報により算出された回転角度変化によって補正して前記最終位置情報を算出する。

前記状態判別部１２０が移動ロボット１００の異常移動状態の発生有無を判断するために、基準となる所定の臨界値Ｔｈ１ないしＴｈ６を導入したところ、本発明の実施形態では特定の値を前記臨界値に設定する必要はなく、当業者の判断で前記異常移動状態が発生したと判断できる基準となる値を前記臨界値Ｔｈ１ないしＴｈ６として使用しうる。

一方、再び前記図２を参照すれば、動作制御部１４０は、前記のような４つの場合によって各々算出された最終位置情報を参照して移動ロボット１００の動作制御信号を発生させる。駆動部１５０は、前記発生した動作制御信号を参照して前記移動ロボット１００の移動動作を実行可能にする。

前記図２及び図３の各構成要素は、ソフトウェアまたはＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）または注文型半導体（ＡＳＩＣ）のようなハードウェア構成要素を意味する。しかし、前記構成要素は、ソフトウェアまたはハードウェアに限定されるものではない。アドレッシング可能な保存媒体に存在すべく構成されても良く、１つまたはそれ以上のプロセッサーを実行させるように構成されても良い。構成要素から提供される機能は、より少数の構成要素及びモジュールで結合されるか、追加的な構成要素とモジュールにさらに分離されうる。複数の構成要素を結合して特定の機能を行う一つの構成要素で具現されることもある。

図４は、本発明の実施形態による位置補正方法を全体的に示すフローチャートである。
まず感知部１１０は、移動装置の移動によって発生する少なくとも１つ以上の異常移動状態を反映する多重状態情報を獲得する（Ｓ１０２）。次いで、状態判別部１２０が前記獲得された多重状態情報を参照して自立航法による前記異常移動状態の発生有無を判別する（Ｓ１０４）。次いで、位置情報算出部１３０は、前記異常移動状態が発生することによって、前記多重状態情報を補正して前記移動装置の最終位置情報を算出する（Ｓ１０６）。次いで、動作制御部１４０は、前記算出された最終位置情報を参照して動作制御信号を発生させる（Ｓ１０８）。最後に、駆動部１５０は、前記発生した動作制御信号を参照して前記移動装置の移動動作を行う段階（Ｓ１１０）を行う。

以上、添付図を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明が属する技術分野で当業者ならば本発明がその技術的思想や必須特徴を変更せずとも他の具体的な形に実施されうるということが理解できるであろう。したがって、前述した実施例は全ての面で例示的なものであって、限定的なものではないと理解せねばならない。

本発明は、移動装置の位置認識技術関連の技術分野に好適に適用されうる。

本発明の一実施形態による移動装置の移動方向を基準にした３次元空間座標系を示す図である。 本発明の実施形態による位置補正機能を提供する移動装置の全体構成を示す図である。 前記図２の移動装置の感知部の構成を示す図である。 本発明の実施形態による位置補正方法を全体的に示すフローチャートである。

符号の説明

１００ 移動装置
１１０ 感知部
１１１ 位置感知部
１１２ 速度感知部
１１３ 回転角度感知部
１１４ 加速度感知部
１１５ 接触感知部
１２０ 状態判別部
１３０ 位置情報算出部
１４０ 動作制御部
１５０ 駆動部

Claims (1)

1. 移動装置の移動によって発生する少なくとも１つ以上の異常移動状態を反映する多重状態情報を獲得する感知部と、
   前記獲得された多重状態情報を参照して自立航法による前記異常移動状態の発生有無を判別する状態判別部と、
   前記異常移動状態が発生することによって、前記移動装置の移動距離を反映した移動位置情報を補正して前記移動装置の最終位置情報を算出する位置情報算出部と、を備え、
   前記感知部は、
   前記移動位置情報を獲得する位置感知部と、
   前記移動位置情報を参照して移動速度を反映した速度情報を獲得する速度感知部と、
   前記移動装置の回転角度の方向と大きさとを反映した回転角度情報を獲得する回転角度感知部と、
   ３軸加速度成分及び重力加速度を反映した加速度情報を獲得する加速度感知部と、
   前記移動装置の地面に対する接触如何を反映した接触情報を獲得する接触感知部と、を備え、
   前記多重状態情報は、前記移動位置情報、前記速度情報、前記回転角度情報、前記加速度情報、及び前記接触情報を含み、
   前記状態判別部が、前記異常移動状態が発生したと判別する場合は、前記速度情報により算出された速度変化と前記加速度情報により算出された移動方向とに平行した加速度成分の差分値が所定の第２臨界値以上であるスリップ状態と、前記接触情報により算出された接触状態が未接触であり、前記加速度情報により算出された地面に垂直な加速度成分と重力加速度との差が所定の第６臨界値以上である前記移動装置がキッドナップされた状態の場合とを含み、
   前記異常移動状態が、前記状態判別部により前記移動装置がスリップ状態またはキッドナップされた状態であると判別されたときに、
   前記位置情報算出部は、前記移動位置情報を前記加速度情報により算出された移動距離及び前記回転角度情報により算出された回転角度変化によって補正して前記最終位置情報を算出する位置補正機能を提供する移動装置。

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