JP5024560B2

JP5024560B2 - 移動体

Info

Publication number: JP5024560B2
Application number: JP2008315744A
Authority: JP
Inventors: 大河野
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: JP2010140246A

Description

本発明は、工場、オフィス、病院や商業施設等において、自律移動することにより各種用途に使用可能な移動体に関する。

生産工場等では、省力化のため製品や部材の運搬に自律走行できる移動体が利用されている。このような移動体は、床に設置した反射テープ、マグネットテープなどのガイドレールに沿って走行するように進行走行を制御して自律移動するものが主流であった。
ところが、この方法では移動体をガイドレールに沿って確実に誘導することはできるが、ガイドレールを設置する作業が煩雑であり走行経路の変更が容易でないことや、ガイドレールに破損や汚れが生じやすく移動体の誘導精度が低下する、或いは、移動体の走行の自由度が制限されるなどの技術課題も生じていた。
そのため、最近では床等にガイドレール設置することなく自律走行可能な移動体が提案され実用化されつつある。

例えば、特許文献１には、レーザ距離センサ等によって走行方向前方に存在する物体までの距離を計測し、この計測結果に基づいて自律移動装置を制御する旨が記載されている。
また、特許文献２には、移動体前方に設置した撮像部で進行方向を撮像し、撮像画像と予め撮影した参照画像のパターンマッチングを行い、ズレ量を逐次算出して移動体の走行方向を制御する制御方法が開示されている。
特開２００６−２９３９７５号公報特開２００８−０２８６１４号公報

ところが、特許文献１の技術では、走行する移動体の近傍（距離センサの計測可能な距離範囲内）に壁や識別用の物体（ランドマーク）が存在する場所でないと、距離センサが有効に機能しないという課題がある。
このため、走行経路の周囲に計測対象となる物体が存在しない場所では移動体を自律走行させることができない、或いは、走行経路の設定にかかる自由度が制限されてしまう。
また、広い場所で移動体を走行させる場合には、走行経路の近傍に走行経路に沿ってランドマークを設置しておく必要があり、走行経路を変更する際等にはランドマークの設置作業が発生して走行経路の変更にかかる作業が煩雑となる。

一方、特許文献２のように、ランドマークを光学的に撮像するものの場合、移動体が走行する走行経路の光環境（照明のオン又はオフや太陽の位置や天候等による日光の照射状態）の変化の度合いが過剰に大きいと、同じ地点から同じ方向を撮像したとしても、現在の撮像画像と予め撮影された参照画像との差異が過剰に大きくなり、その結果、移動体の制御にかかる精度が低下する可能性がある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、予め定められた走行経路に沿って精度良く自律走行できるようにした、移動体及び移動体システムを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、走行装置をそなえて、予め定められた走行経路を自律走行する移動体であって、前記移動体に取り付けられ、実画像を取得する撮像装置と、前記走行経路上の離散した複数の教示地点のそれぞれにおいて前記実画像の目標となる画像として取得した複数の教示画像を記憶する教示画像記憶手段と、前記実画像と前記教示画像との比較結果に基づいて前記走行装置を制御する画像誘導手段と、前記移動体から前記移動体の周囲の物体までの距離と方向とを検出する距離方向検出装置と、前記距離方向検出装置の検出結果に基づいて前記走行装置を制御する計測距離誘導手段と、予め定められた切替条件に基づいて、前記画像誘導手段及び前記計測距離誘導手段のうちの一方を有効とする誘導方法切替手段と、をそなえていることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、走行装置をそなえて、予め定められた走行経路を自律走行する移動体であって、前記移動体に取り付けられ、実画像を取得する撮像装置と、前記走行経路上の離散した複数の教示地点のそれぞれにおいて前記実画像の目標となる画像として取得した複数の教示画像を記憶する教示画像記憶手段と、前記実画像と前記教示画像との比較結果に基づいて前記走行装置を制御する画像誘導手段と、前記移動体から前記移動体の周囲の物体までの距離と方向とを検出する距離方向検出装置と、前記距離方向検出装置の検出結果に基づいて前記走行装置を制御する計測距離誘導手段と、予め定められた切替条件に基づいて、前記画像誘導手段及び前記計測距離誘導手段のうちの一方を有効とする誘導方法切替手段と、前記実画像の画素配置の中から予め定められた条件を満たす領域を特徴点として抽出する特徴点抽出手段と、をそなえ、前記誘導方法切替手段は、前記特徴点抽出手段により抽出された前記特徴点の数が予め設定された画像誘導終了数以下であるときには、前記計測距離誘導手段を有効とすることを特徴とするものである。

本発明によると、外光が変化して撮像画像を用いた経路補正方法では適正な補正量が得られなかった際に自動的に最適なセンサによる経路補正方法に切り替え、走行経路直線部上を正確に走行することができる。

以下、本発明の一実施形態にかかる移動体について図を参照して説明する。

図１は本発明の第一の実施の形態を表す図であり、（ａ）は本発明の移動体の構成、（ｂ）は本発明の構成を示す図である。図１（ａ）において１は移動体であり、車体２に電子演算器，記憶装置及び入力装置からなる駆動制御部（教示画像記憶手段，画像誘導手段，計測距離誘導手段，誘導方法切替手段）３を内蔵している。

駆動部（走行装置）４は車輪（走行装置）５を駆動制御しており、前記駆動制御部３からの指令に従って前記車輪５を駆動することで前記移動体１の前進後退および姿勢角（操舵）を制御することができる。このような構成で移動体１の前記車輪５を制御することで、移動体１は自律走行できるのである。６は撮像部（撮像装置）であり、前記移動体１の中心軸上に進行方向に向けて設置されており、進行方向の画像（実画像）を撮像する。前記撮像部６で撮像された画像は前記駆動制御部３に伝達される。ここで、撮像部６を進行方向に向けて設置しているのは、高速走行中でも撮像部の取得画像が乱れにくく、より安定的にパターンマッチングできるためである。７は距離計測部であり、移動体周囲の壁や柱といった構造物および歩行者など移動体の周囲の環境の距離を計測する。距離計測部７で計測された距離データは前記駆動制御部３に伝達される。

図１（ｂ）において各矢印は建物内の移動体１の走行経路を示している。ここで建物に窓から外光が入り、外光の変化に従って前期撮像部６の撮像画像が変化する区間を距離センサ併用区間とする。
そして、本実施形態では、距離センサ併用区間において、前記移動体１が前記撮像部６を用いて走行経路直線部１５の延長上の撮像用ランドマークを撮像し、また前記距離計測部７を用いて移動体周囲環境の距離を計測し、前記駆動制御部３が撮像画像および距離データを適切に組み合わせて走行経路に対する前記移動体１の移動補正量を求め、移動体を走行制御するように構成されている。

図２は本発明の撮像部の特性を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は撮像画像を示す図である。図２を用いて撮像部６の特性を説明する。撮像部としてカメラを用いると、図２（ａ）に示すように撮像画像１２上の撮像対象１４の位置は撮像部６から見た撮像対象１４の角度ＴＨと一意の関係にある。図２（ｂ）に示すように撮像部の撮像範囲（角度）を−Ｒ［ＤＥＧ］〜Ｒ[ＤＥＧ]、画素数で表わす画像の幅をＷ[ＰＩＸＥＬ]とし、画像上の撮像対象の位置がＸ[ＰＩＸＥＬ]だとすると、撮像手段から見た撮像対象の角度ＴＨは（１）式で求められる。
ＴＨ＝−２＊Ｒ／Ｗ＊Ｘ＋Ｒ −（１）

本発明において撮像部６は移動体１の進行方向に向けて設置されているので、（１）式のＴＨが、移動体１の進行方向に対する撮像用ランドマーク１０の角度を表す。

以上説明した撮像部６の特性を用いて、走行経路直線部１５に対する移動体１の左右方向の位置ズレおよび姿勢角を求め、補正する処理を説明する。ここで本発明では、図３に示すように予め移動体を走行経路直線部１上に静止させて撮像部で画像を取得し、前記取得した画像を撮像用ランドマークとして記憶しているものとする。図４は図３の状態での撮像画像を示す図であり、本実施例では撮像した画像全体を撮像用ランドマークとして記憶して使用する。撮像用ランドマークを走行中の撮像画像とパターンマッチングして求めた画像上の位置をＨで表す。

図５は移動体が走行経路直線部１５からズレた状態を示す図であり、ＴＨは撮像部に対する撮像用ランドマークの角度を表す。
図６は図５の状態での各撮像部の取得画像である。図６は撮像部での取得画像を表し、画像上の撮像用ランドマークの水平方向の位置をＨで表す。図６において画像上の撮像対象の位置（画素配置）がＶ[ＰＩＸＥＬ]だとすると、ＴＨは（１）式のＸにＨを代入することで求まる。このようにして求めたＴＨを駆動部３にフィードバック出力するのである。

本実施例では制御式の一例として、前記移動体１を速度制御して補正する制御式を示す。前記移動体１の進行方向を正確に走行経路直線部に一致させるため、撮像用ランドマークに対する姿勢角に関して目標とする状態はＴＨ＝０で表される。前記移動体１の姿勢角の変化速度をＶＴＨ、姿勢角に対する制御ゲインをＧＴＨとし、移動体が走行経路上を走行するように補正する速度指令値を求める制御式は（２）式で表される。
ＶＴＨ＝―ＧＴＨ＊ＴＨＦ ―(２)

駆動制御部４は（２）式から得られる、ＶＴＨに従って前記移動体１の車輪５を制御するのである。このようにして走行経路直線部１５に対する姿勢角を補正する速度指令値を算出し、車輪５を駆動して移動体１を走行制御する。
以上説明した処理により、移動体１の位置および姿勢角を補正し、走行経路直線部を正確に移動することができる。

図７は本発明の距離計測部の計測方法を示す図である。距離計測部として半導体レーザで平面内を走査する方式の距離センサを用いると、図７に示すように一定角度ごとレーザを照射し、物体に反射して戻ってくるまでの時間から各点までの距離が求まる。図３に示すように平板状の距離計測用ランドマークが設置されているとすると、連続した計測データから距離が連続的に変化す領域を検索し、検索により抽出した距離計測用ランドマーク候補領域に対して最小自乗法により領域の直線性を評価して、平板であると判定した領域の両端の計測データから距離計測用ランドマーク基準点の位置および移動体１に対する距離計測用ランドマークの角度が求められる。距離計測用ランドマークの位置および角度の値と予め指定されている通過点指定位置ｈ，ｖの値を用いて、移動体の現在地からの補正量が求まる。ここで、距離計測用ランドマークを精度良く計測するためには、移動体１を静止させて計測することが望ましい。

駆動制御部は補正量を基に移動体を駆動し、通過点指定位置に位置決めさせる。これにより経路を補正できるのである。
以上説明した、撮像部を用いた経路補正方法と距離計測部を用いた経路補正方法を組み合わせて、外光が変化する環境でも安定的に経路を補正して正確に経路上を走行する制御方法を説明する。

各走行経路直線部において、外光による撮像画像の変化が少ない場所では撮像画像と撮像用ランドマークのパターンマッチングが成功する確率が高く、撮像部のみを利用して走行経路上を走行することが可能である。一方、距離センサ併用区間のように外光の変化に従って前記撮像部６の撮像画像が変化する場所では、撮像画像と撮像用ランドマークのパターンマッチングが成功した特徴点の数が減少する。このような状況では、撮像用ランドマークのパターンマッチングが成功した特徴点の数が予め定められたしきい値以上であればマッチング結果を有効として静止することなく走行し、しきい値以下の場合は一旦停止して距離計測用ランドマークを計測して計測結果を有効として経路を補正する。このようにして撮像画像および距離データを適切に組み合わせて走行経路に対する前記移動体１の移動補正量を求め、移動体を走行制御することで教示した走行経路を走行し、目的地へ到達できるのである。

また、認識した撮像用ランドマークの数が複数であり、どのランドマークの計測結果を使用すればよいか判定できない際に自動的に切り替えるようにしてもよい。また、撮像部で撮像した画像から求めた進行方向からの角度のズレ量が予め定められた範囲を超えた際にパターンマッチングが誤認識した、もしくは走行経路に対する角度のズレ量が大きすぎると判定して距離計測部を用いた経路補正方法に自動的に切り替えるようにしてもよい。
なお、走行経路は直線部と、直線部と直線部とを接続する方向転換部からなり、前記移動体１は、あらかじめ与えられた走行データに記載された距離情報と、スタート地点からの現在の走行距離とを照会する方法、もしくは距離センサを用いた走行経路直線部終端への位置決め完了のいずれかによって、現在直線部と方向転換部のどちらを走行しているかを判別し、直線部では本発明の走行制御を行い、方向転換部では車輪回転量を基に方向を変えて次の直線部の走行を開始するようになっている。

本発明の一実施形態を示す移動体の構成図である。撮像手段の特性を表す図である。移動体が走行経路直線部上に位置し、進行方向が走行経路と一致している状態を示す図である。図３の状態での撮像画像を表す図である。移動体が走行経路直線部からズレ、進行方向が走行経路と一致していない状態を示す図である。図５の状態での撮像画像を表す図である。距離センサによる距離計測用ランドマーク計測方法を現す図である。

符号の説明

１移動体
２車体
３駆動制御部
４駆動部
５車輪
６撮像部
７距離計測部
１０撮像用ランドマーク
１１距離計測用ランドマーク
１２撮像画像
１４撮像対象
１５走行経路直線部
Ｒ撮像部の左右方向の一方の画角
ＴＨ撮像部に対する撮像対象の角度[deg]
Ｘ撮像対象の画像上の左右方向の位置[pixel]
Ｗ撮像画像の左右方向の幅[pixel]
Ｈ撮像用ランドマークの画像上の左右方向の位置[pixel]

Claims

走行装置をそなえて、予め定められた走行経路を自律走行する移動体であって、
前記移動体に取り付けられ、実画像を取得する撮像装置と、
前記走行経路上の離散した複数の教示地点のそれぞれにおいて前記実画像の目標となる画像として取得した複数の教示画像を記憶する教示画像記憶手段と、
前記実画像と前記教示画像との比較結果に基づいて前記走行装置を制御する画像誘導手段と、
前記移動体から前記移動体の周囲の物体までの距離と方向とを検出する距離方向検出装置と、
前記距離方向検出装置の検出結果に基づいて前記走行装置を制御する計測距離誘導手段と、
予め定められた切替条件に基づいて、前記画像誘導手段及び前記計測距離誘導手段のうちの一方を有効とする誘導方法切替手段と、
前記実画像の画素配置の中から予め定められた条件を満たす領域を特徴点として抽出する特徴点抽出手段と、をそなえ、
前記誘導方法切替手段は、前記特徴点抽出手段により抽出された前記特徴点の数が予め設定された画像誘導開始数以上であるときには、前記画像誘導手段を有効とする
ことを特徴とする、移動体。
走行装置をそなえて、予め定められた走行経路を自律走行する移動体であって、
前記移動体に取り付けられ、実画像を取得する撮像装置と、
前記走行経路上の離散した複数の教示地点のそれぞれにおいて前記実画像の目標となる画像として取得した複数の教示画像を記憶する教示画像記憶手段と、
前記実画像と前記教示画像との比較結果に基づいて前記走行装置を制御する画像誘導手段と、
前記移動体から前記移動体の周囲の物体までの距離と方向とを検出する距離方向検出装置と、
前記距離方向検出装置の検出結果に基づいて前記走行装置を制御する計測距離誘導手段と、
予め定められた切替条件に基づいて、前記画像誘導手段及び前記計測距離誘導手段のうちの一方を有効とする誘導方法切替手段と、
前記実画像の画素配置の中から予め定められた条件を満たす領域を特徴点として抽出する特徴点抽出手段と、をそなえ、
前記誘導方法切替手段は、前記特徴点抽出手段により抽出された前記特徴点の数が予め設定された画像誘導終了数以下であるときには、前記計測距離誘導手段を有効とする
ことを特徴とする、移動体。