JP5152898B2 - 障害認識装置及びこれを有する自律走行移動体並びにその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、自律して走行する移動体において、走行路における障害の有無を認識するのに用いる障害認識装置及びこれを有する自律走行移動体並びにその制御方法に関するものである。

従来、上記した障害認識装置、例えば、自律走行移動体に搭載される障害認識装置としては、高精度の距離計測が可能で外界の形状計測を行い得るレーザレンジファインダ（ＬＲＦ）が多く採用されており、その中でもより確実且つより緻密な計測を行い得る、一本のレーザ光軸を一軸周りにスキャンさせるタイプのレーザレンジファインダが主流を占めている。

このようなレーザレンジファインダを自律走行移動体に固定した状態で搭載する場合には、レーザの光軸を一定高さの水平方向にスキャンさせる走査法と、レーザの光軸を一定の距離をおいた前方路面上にスキャンさせる走査法との二種類の走査法がある（例えば、非特許文献１参照）。
前者の走査法において、一定の高さ以上の物体は容易に発見することができるものの、一定の高さに達していない路面の起伏などは計測することができないため、例えば、不整地走行には適さない。

一方、後者の走査法は、路面の起伏も計測できるが、移動体の走行に伴って計測範囲を広げていくため、路面の同一部分は一度しか計測することができない。
ここで、両者の欠点を補填するべく、上記レーザレンジファインダを移動体の水平軸周りに揺動させるチルト機構を備えた、いわゆる二軸タイプのレーザレンジファインダを用いる場合には、視野内をもれなく計測することが可能になるものの、レーザのパルスレートやスキャンレートが低いことから、走行中において計測点が疎となってしまう。

つまり、自律走行移動体に搭載される障害認識装置として、一本のレーザ光軸をスキャンさせるタイプのレーザレンジファインダや、二軸タイプのレーザレンジファインダや、ステレオカメラ等の外界センサを複数組み合わせて使用しているのが現状である（例えば、非特許文献２及び特許文献１〜３参照）。
Field Robotics Center Carnegie Mellon University Sanjiv Singh & Paul Keller Obstacle Detection for High Speed Autonomous Navigation Stephan Roth,Bradley Hamner, Sanjiv Singh & Myung Hwangbo Carnegie Mellon University Results in Combined Route Traversal and Collision Avoidance 特開平11-212640号 特開2000-181541号 特許第3446466号

ところが、従来にあっては、上記したように、レーザレンジファインダ個々の計測レートが低いことから、移動体に安全な自律走行を行わせるために、複数台のレーザレンジファインダに、異なるタイプのレーザレンジファインダや、ステレオカメラなどのセンサを多数組み合わせて用いなければならず、その分だけシステムが複雑になるのに加えて、コストも高くついてしまうという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上述した従来の課題に着目してなされたもので、安価で且つシンプルな構造であるにもかかわらず、移動体の走行路における障害の有無を確実に認識することができ、例えば、自律走行移動体に搭載した場合には、安定した自律走行を行わせることが可能である障害認識装置及びこれを有する自律走行移動体並びにその制御方法を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に係る発明は、移動体に搭載して、走行路における障害の有無を認識するのに用いる障害認識装置であって、走行する前記移動体の前方路面上で且つ当該移動体の進行方向に対して横切る方向に光軸を走査する水平スキャンレーザレンジファインダを二個備えると共に、前記二個の水平スキャンレーザレンジファインダを前記移動体における水平軸周りに揺動させるチルト機構と、このチルト機構による前記二個の水平スキャンレーザレンジファインダの揺動角度を検出する角度検出手段を備え、前記二個の水平スキャンレーザレンジファインダの各光軸の走査線を前記移動体の前方路面上で互いに交差させるべく、前記二個の水平スキャンレーザレンジファインダの各走査軸のうちの少なくともいずれか一方の走査軸を他方の走査軸に対して傾けた構成としたことを特徴としており、この障害認識装置の構成を前述の従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係る障害認識装置では、水平スキャンレーザレンジファインダによって、走行する移動体の前方路面上で且つ当該移動体の進行方向に対して横切る方向に光軸を走査するようにしているが、段差などの障害に対して水平スキャンレーザレンジファインダの走査線に角度がついていれば、その形状のプロファイルを計測できるため、容易にこの障害を検出可能である。

しかし、図６（ａ）に示すように、段差Ｂなどの障害に対して水平スキャンレーザレンジファインダの走査線ＳＬが平行を成していると、この段差Ｂの検出は困難である。
この際、移動体の揺れが全くなければ、移動体の走行に伴って計測位置を変化させることで、すなわち、段差Ｂなどの障害に対して水平スキャンレーザレンジファインダの走査線ＳＬに角度をつけることで、段差Ｂなどの障害の検出は可能になるが、移動体の揺れがあると、異なるタイミングで取得したデータを三次元的に正しく重ね合わせる必要があり、ジャイロセンサなどで水平スキャンレーザレンジファインダの光軸角度を計測したとしても、そのセンサの誤差があれば、段差を誤検出する恐れがある。

本発明に係る障害認識装置では、二個の水平スキャンレーザレンジファインダの各走査軸のうちの少なくともいずれか一方の走査軸を他方の走査軸に対して傾けることで、各光軸の走査線を移動体の前方路面上で互いに交差させるようにしているので、図６（ｂ）に示すように、二本の走査線ＳＬによって、異なる切片の形状プロファイルが得られることとなり、これにより、任意の方向の段差Ｂも、一回のスキャン結果から得られるプロファイルの解析を行うことで検出可能であり、加えて、異なるタイミングで取得されたデータの重ね合わせの必要がなくなるため、その際の誤差も発生しない。

また、本発明に係る障害認識装置において、この障害認識装置を搭載した移動体が高速で走行する場合には、走行する移動体の前方で且つ移動体の制動距離から算出される距離付近の路面上に光軸をセットすることで、より高い密度でのデータ取得が可能となって、障害との接触を避け得ることとなる。
一方、この障害認識装置を搭載した移動体が低速で走行する場合には、チルト機構により二個の水平スキャンレーザレンジファインダを移動体における水平軸周りに揺動させるように成せば、二個の水平スキャンレーザレンジファインダを固定する場合の、同一地点を一度しか計測できないといった問題が解消されて、同一地点を複数回計測可能となって、例えば、移動障害物が存在する場合であったとしても、最新の正しい障害物位置情報を取得し得ることとなる。

本発明の請求項２に係る発明は、自律して走行する移動体であって、上記した障害認識装置を具備した外界計測部と、デッドレコニングなどの手段により自己位置を求める自己位置計測部と、前記外界計測部の障害認識装置の水平スキャンレーザレンジファインダで得たデータに基づいて走行可能領域及び障害による走行不能領域の判定処理を行うと共に、前記自己位置計測部で得た自己位置データに基づいて自己位置推定結果を生成するデータ解析部と、このデータ解析部から得た走行可能領域及び障害による走行不能領域の判定結果と自己位置推定結果に基づいてベース地図（移動体近傍約１００ｍ四方の地図）を作成する地図作成モジュールと、前記ベース地図に基づいて走行経路を決める走行経路決定モジュールを具備した地図作成部と、この地図作成部からの信号を受けて車体駆動部に制御信号を出力する車体制御部を備えている構成としている。

本発明の請求項３に係る発明は、自律して走行する移動体の制御方法であって、上記した障害認識装置の二個の水平スキャンレーザレンジファインダによって、最高速度で走行する前記移動体の少なくとも急制動停止可能位置よりも前方路面上で且つ当該移動体の進行方向に対して横切る方向に各光軸をそれぞれ走査すると共に、デッドレコニングなどの手段により前記移動体の自己位置を求め、前記障害認識装置の二個の水平レーザレンジファインダで得たデータに基づいて走行可能領域及び障害による走行不能領域の判定処理を行うと共に、前記デッドレコニングなどの手段により求めた前記移動体の自己位置のデータに基づいて自己位置推定結果を生成し、続いて、走行可能領域及び障害による走行不能領域の判定結果と自己位置推定結果に基づいてベース地図を作成すると共に、このベース地図に基づいて走行経路を決定し、この走行経路に沿って前記移動体を走行させるべく車体を制御する構成としている。

本発明に係る障害認識装置を搭載した自律走行移動体において、高速で走行中にその走行方向に障害を発見したときには、データ解析部，地図作成部及び車体制御部の走行アルゴリズムは減速を行うと共に、障害回避のための旋回を行う。これと同時に、チルト機構による移動体の水平軸周りの走査が開始され、発見した障害が移動障害物の場合には、それらを考慮した正しいデータ取得が可能になる。

ここで、本発明に係る障害認識装置において、走行する移動体の前方路面上での光軸走査ポイントは、移動体の制動停止距離に依存するので、移動体の最高速度を考慮して、例えば、最高速度が時速５０ｋｍ／ｈ程度の場合は、最高速度で走行する移動体の少なくとも急制動停止可能位置、すなわち、最高速度で走行する移動体の約２０ｍ前方の路面上を走査するように成せばよい。

次に、水平スキャンレーザレンジファインダの各光軸における走査線の交差角度の求め方を説明する。
図６に示すような障害物（段差Ｂ）について、移動体の走破性から決定される段差高を車幅程度の領域において認識することを目的とし、走査線の交差角度を以下のように決定する。

図７に示すように、車幅Ｗ程度の走行路において、高さｈの段差Ｂで走査線ＳＬが交差する場合、交差角度をψは、式（１）で表せる。
ψ＝２atan（ｈ／Ｗ） 式（１）
これらを平面上に投影される走査線の交差角度として表現すると、図８に示すように、高さｈの段差Ｂにおいて角度ψで交差する走査線ＳＬを平面上に投影した場合、Ｘ１，Ｘ２，θ１，θ２は、式（２）〜式（５）でそれぞれ表せる。

Ｘ１＝ＬＨ／（Ｈ−ｈ／２）−Ｌ 式（２）
Ｘ２＝ＬＨ／（Ｈ−ｈ）−Ｘ１−Ｌ 式（３）
θ１＝atan（２・Ｘ１／Ｗ） 式（４）
θ２＝atan（２・Ｘ２／Ｗ） 式（５）
但し、Ｌは、走行する移動体の前方路面上での光軸走査ポイントまでの距離、Ｈは水平スキャンレーザレンジファインダの高さである。

そこで、水平スキャンレーザレンジファインダの高さＨを２０００ｍｍ、移動体の走破可能な障害（段差）高さｈを１００ｍｍ、移動体から走査線までの距離Ｌを２００００ｍｍ、移動体の幅Ｗを２０００ｍｍとすると、θ１＝２７．１°、θ２＝２８．４°となり、したがって、この仕様における走査線の交差角度θは、５５°程度になる。

本発明の請求項１に係る障害認識装置では、上記した構成としたから、シンプルで且つ低コストを実現したうえで、移動体の走行路における障害の有無を確実に認識することができ、例えば、自律走行移動体に搭載した場合には、安定した自律走行を行わせることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされ、加えて、移動体の低速走行時及び高速走行時にかかわらず、走行路における障害の有無を確実に認識することができるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の請求項２に係る自律走行移動体及び請求項３に係る自律走行移動体の制御方法では、それぞれ上記した構成としているので、安定した自律走行を行うことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

以下、本発明に係る障害認識装置及びこの障害認識装置を搭載した自律走行移動体を図面に基づいて説明する。
図１〜図５は、本発明に係る自律走行移動体の一実施形態を示しており、この実施形態では、自律走行移動体が自律走行車である場合を例に挙げて説明する。
図３及び図４に示すように、この自律走行車Ｃは、外界計測センサ類１１とともに障害認識装置１００を具備した外界計測部１０と、デッドレコニング用のホイルオドメータ２１，ヨーレートセンサ２２及びＧＰＳ２３を具備して自律走行車Ｃの自己位置を求める自己位置計測部２０と、外界計測部１０で得た外界データ及び自己位置計測部２０で得た 自己位置データが入出力回路２を介して入力されるデータ解析部３０と、このデータ解析部３０とＬＡＮ３を介して接続する地図作成部４０と、この地図作成部４０からの信号を受けて車体駆動部５０に制御信号を出力する車体制御部６０を備えている。

この場合、外界計測部１０は車体の前端部（図２左端部）に搭載され、一方、自己位置計測部２０はデータ解析部３０，地図作成部４０及び車体制御部６０とともに車体内部に収容されている。
そして、車体駆動部５０の操舵手段５１は、ドライバ５２及び入出力回路４を介して車体制御部６０と接続していると共に、車体駆動部５０の車速制御手段５３は、コンバータ５４及び入出力回路４を介して車体制御部６０と接続しており、この車体制御部６０には、地図作成部４０からの制御信号がＬＡＮ３を介して入力されるようになっている。

外界計測部１０の障害認識装置１００は、図１に示すように、ベース１０１と、このベース１０１に水平軸１０２（自律走行車Ｃに搭載した状態では自律走行車Ｃの水平軸１０２）周りに揺動可能に支持された可動雲台１０３と、この可動雲台１０３に支持された二個の水平スキャンレーザレンジファインダ１０４，１０４と、可動雲台１０３とともに二個の水平スキャンレーザレンジファインダ１０４，１０４を上記水平軸１０２周りに揺動させるプーリ１０５，ベルト１０６及びモータ１０７から成るチルト機構と、このチルト機構による二個の水平スキャンレーザレンジファインダ１０４，１０４の揺動角度を検出するエンコーダ（角度検出手段）１０８を具備しており、チルト機構のモータ１０７は、ドライバ５５及び入出力回路４を介して車体制御部６０と接続している。

上記二個の水平スキャンレーザレンジファインダ１０４，１０４は、図２にも示すように、走行する自律走行車Ｃの前方路面上で且つこの自律走行車Ｃの進行方向に対して横切る方向に光軸を走査するようになっており、これらの水平スキャンレーザレンジファインダ１０４，１０４の各光軸の走査線ＳＬを自律走行車Ｃの前方路面上で互いに交差させるべく、水平スキャンレーザレンジファインダ１０４，１０４の各走査軸１０４ａ，１０４ａを互いに傾斜させている。

上記データ解析部３０は、図５にも示すように、外界計測部１０で得た距離データ等に基づいて走行可能領域及び障害による走行不能領域の判定処理を行う障害物検出モジュール３０Ａを有していると共に、自己位置計測部２０で得た車速やヨーレート等による自己位置データに基づいて自己位置推定結果を生成する自己位置情報生成モジュール３０Ｂを有している。

上記地図作成部４０は、データ解析部３０から得た各種データに基づいて、ベース地図を作成する地図作成モジュール４０Ａを有していると共に、この地図作成モジュール４０Ａで作成されたベース地図に基づいて、走行経路を決める走行経路決定モジュール４０Ｂを有している。
次に、上記した自律走行車Ｃの走行動作を説明する。

まず、自律走行車Ｃの走行を開始すると、低速走行段階において、図３（ａ）に示すように、外界計測部１０の水平スキャンレーザレンジファインダ１０４，１０４によって、最高速度で走行した際の自律走行車Ｃの少なくとも急制動停止可能位置よりも前方で且つ自律走行車Ｃの進行方向に対して横切る方向に光軸を走査すると共に、外界計測部１０のチルト機構により、可動雲台１０３とともに二個の水平スキャンレーザレンジファインダ１０４，１０４を上記水平軸１０２周りに揺動させて計測を行い、走行可能領域を検出する。

このとき、二個の水平スキャンレーザレンジファインダ１０４，１０４の各走査軸１０４ａ，１０４ａを互いに傾斜させることで、各光軸の走査線ＳＬを移動体の前方路面上で互いに交差させるようにしているので、二本の走査線ＳＬによって、異なる切片の形状プロファイルが得られることとなり、これにより、任意の方向の障害Ｂも、一回のスキャン結果から得られるプロファイルの解析を行うことで検出可能である。

また、チルト機構により二個の水平スキャンレーザレンジファインダ１０４，１０４を上記水平軸１０２周りに揺動させているので、同一地点を複数回計測可能となって、例えば、移動障害物が存在する場合であったとしても、最新の正しい障害物位置情報を取得し得ることとなる。
次いで、自律走行車Ｃが高速で走行するようになると、車体制御部６０からの指令により、チルト機構がその動作を停止する。図３（ｂ）に示すように、二個の水平スキャンレーザレンジファインダ１０４，１０４を固定すると、自律走行車Ｃの前方で且つ自律走行車Ｃから算出される距離付近の路面上に光軸がセットされることとなり、より高い密度でのデータ取得が可能となって、障害との接触を避け得ることとなる。

そして、高速で走行中にその走行方向に障害を発見したときには、データ解析部３０，地図作成部４０及び車体制御部６０の走行アルゴリズムが減速を行うと共に、障害回避のための旋回を行う。これと同時に、上記チルト機構による自律走行車Ｃの水平軸１０４ａ周りの走査が開始され、発見した障害が移動障害物の場合には、それらを考慮した正しいデータ取得が可能になる。

このように、障害を検出すると、そのデータがデータ解析部３０及び地図作成部４０に送られ、地図作成モジュール４０Ａにおいてベース地図が作成される。
そのベース地図をもとに、地図作成部４０の走行経路決定モジュール４０Ｂが走行計画をたて、その走行経路に基づいて操舵手段５１及び車速制御手段５３が制御され、障害物を回避しながら移動を行う。この際、低速走行時には、二個の水平スキャンレーザレンジファインダ１０４，１０４をチルト作動させ、高速走行時には、二個の水平スキャンレーザレンジファインダ１０４，１０４を固定する制御が成される。

上記した一実施形態では、本発明に係る障害認識装置を自律走行車に搭載した場合を示したが、これに限定されるものではなく、遠隔操作車両に搭載してもよい。

本発明に係る障害認識装置の一実施形態を示す正面図説明図（ａ）及び側面説明図（ｂ）である。 図１における障害認識装置を搭載した自律走行車の平面説明図である。 図１における障害認識装置を搭載した自律走行車の低速走行時における側面説明図（ａ）及び高速走行時における側面説明図（ｂ）である。 図１における障害認識装置を搭載した自律走行車の一実施形態を示すブロック図である。 図１における障害認識装置を搭載した自律走行車の制御フローを示すブロック図である。 図１における障害認識装置のレーザレンジファインダのスキャン動作を示す斜視説明図（ａ），（ｂ）である。 図１に示した障害認識装置のレーザレンジファインダにおける走査線の交差角度を説明する斜視説明図である。 図１に示した障害認識装置のレーザレンジファインダにおける走査線の交差角度と障害と自律走行車の各仕様との関係を説明する自律走行車の側面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。

符号の説明

１０ 外界計測部
２０ 自己位置計測部
３０ データ解析部
４０ 地図作成部
４０Ａ 地図作成モジュール
４０Ｂ 走行経路決定モジュール
６０ 車体制御部
１００ 障害認識装置
１０４ 水平スキャンレーザレンジファインダ
１０４ａ 走査軸
１０８ エンコーダ（角度検出手段）
Ｂ 段差（障害）
Ｃ 自律走行車（自律走行移動体）
ＳＬ 走査線

Claims (3)

1. 移動体に搭載して、走行路における障害の有無を認識するのに用いる障害認識装置であって、
   走行する前記移動体の前方路面上で且つ当該移動体の進行方向に対して横切る方向に光軸を走査する水平スキャンレーザレンジファインダを二個備えると共に、前記二個の水平スキャンレーザレンジファインダを前記移動体における水平軸周りに揺動させるチルト機構と、このチルト機構による前記二個の水平スキャンレーザレンジファインダの揺動角度を検出する角度検出手段を備え、
   前記二個の水平スキャンレーザレンジファインダの各光軸の走査線を前記移動体の前方路面上で互いに交差させるべく、前記二個の水平スキャンレーザレンジファインダの各走査軸のうちの少なくともいずれか一方の走査軸を他方の走査軸に対して傾けた
   ことを特徴とする障害認識装置。
2. 自律して走行する移動体であって、
   請求項１に記載の障害認識装置を具備した外界計測部と、
   デッドレコニングなどの手段により自己位置を求める自己位置計測部と、
   前記外界計測部の障害認識装置の水平スキャンレーザレンジファインダで得たデータに基づいて走行可能領域及び障害による走行不能領域の判定処理を行うと共に、前記自己位置計測部で得た自己位置データに基づいて自己位置推定結果を生成するデータ解析部と、
   このデータ解析部から得た走行可能領域及び障害による走行不能領域の判定結果と自己位置推定結果に基づいてベース地図を作成する地図作成モジュールと、前記ベース地図に基づいて走行経路を決める走行経路決定モジュールを具備した地図作成部と、
   この地図作成部からの信号を受けて車体駆動部に制御信号を出力する車体制御部を備えている
   ことを特徴とする自律走行移動体。
3. 自律して走行する移動体の制御方法であって、
   請求項１に記載の障害認識装置の二個の水平スキャンレーザレンジファインダによって、最高速度で走行する前記移動体の少なくとも急制動停止可能位置よりも前方路面上で且つ当該移動体の進行方向に対して横切る方向に各光軸をそれぞれ走査すると共に、デッドレコニングなどの手段により前記移動体の自己位置を求め、
   前記障害認識装置の二個の水平レーザレンジファインダで得たデータに基づいて走行可能領域及び障害による走行不能領域の判定処理を行うと共に、前記デッドレコニングなどの手段により求めた前記移動体の自己位置のデータに基づいて自己位置推定結果を生成し、
   続いて、走行可能領域及び障害による走行不能領域の判定結果と自己位置推定結果に基づいてベース地図を作成すると共に、このベース地図に基づいて走行経路を決定し、
   この走行経路に沿って前記移動体を走行させるべく車体を制御する
   ことを特徴とする自律走行移動体の制御方法。

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