JP5188316B2 - 移動ロボット及び移動ロボットの走行速度制御方法 - Google Patents
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一方、後者の移動ロボットでは、障害物の有無や障害物までの距離に応じて、速度を変えて走行することができるものの、路面の凹凸や傾斜などの物理量を制御に用いていないので、不整地では安全に走行することができないという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
さらに、経路計画部では、図5に示すように、地図作成部から得られる走行可能領域Aや障害物Bを含む局所地図データDに自己位置計測部からのY軸(左右方向軸)加速度,Z軸(上下方向軸)加速度,位置,速度などの位置データを反映させ、現在速度で旋回可能な曲率を持つ経路の中から高速走行時の安全性を考慮して、障害物Bの間を通る経路Tを安全経路として随時選択する。
(ア)見通し距離
環境認識部により認識されたプロファイルデータに基づいて地図化された局所地図データDに対して、3次クロソイド法、あるいは、一定曲率を有する経路探索法を適用して、所定の幅をもつ経路Tが存在する最遠方地点の距離を探索し、その距離で停止できる速度を見通し距離の許容速度と規定する。
経路幅に対する許容速度は、経路幅が狭い場合には移動ロボットの幅寸法の大きさに左右されるが、経路幅が広い場合にはほとんど影響しない。そこで、経路と許容速度の関係を2次式で想定することとして、経路幅が狭い場合には許容速度を低く規定し、経路幅が広がるにつれて許容速度が高くなるように規定する。
(ウ)最大曲率値と操舵制約との兼ね合い
経路計画部で選択された安全経路の最大曲率値κsteerを以下に示す操舵制限式(式(1))に当てはめることにより、経路計画部で選択された安全経路を走行する際に許容される最高速度Vcを規定する。なお、この条件は速度増加の方向で作用する。
κsteer >(Ck・L・δ+m・Gy(Lf-Lr))/(Ck・L2+m・Vc2・(Lr-Lf)) 式(1)
但し、GyはY軸加速度、GzはZ軸加速度、μは地面摩擦係数、dはトレッド、hは重心地上高、δは最大操舵角度、Lfは重心〜前輪間距離、Lrは重心〜後輪間距離、mは質量、Lはホイールベース、Ckはスティフネス係数である。
(エ)路面凹凸
経路計画部で選択された安全経路を環境認識部により計測される路面の凹凸情報に適用して、得られる最大凹凸指数値で許容速度を規定する。
If |凹凸指数| > β 式(2)
VRufness=β/|凹凸指数|・Vcommand 式(3)
(オ)路面傾斜
路面凹凸と同じく、経路計画部で選択された安全経路を環境認識部により計測される路面の傾斜情報に適用して、得られる平均斜度値で許容速度を規定する。
If |平均斜度| >γ 式(4)
VRufness=γ/|平均斜度|・Vcommand 式(5)
なお、凹凸指数及び平均斜度は、いずれも車両タイプ移動ロボットの設計パラメータであり、車両のダンパ係数に依存する。
VTcommand=Min[(ア)〜(オ)] 式(6)
但し、例えば、公道を走行する場合のように、制限速度がある場合には、その制限速度を最高速度として速度指令を出力する。
さらにまた、安全経路に沿って許容速度で走行させるべく駆動操舵系に対して制御信号を随時出力する制御部は、指定経路制御手段と速度制御手段とから構成され、経路計画部から経路指令が入力されると共に、速度計画部から速度指令値(VTcommand )が入力され、加えて、自己位置計測部から方位と自己位置と速度と3軸加速度値とヨーレートが入力され、一方、駆動操舵系である操舵制御器に対して操舵角度指令値(制御信号)を出力すると共に、速度PD制御器に対して速度指令値(制御信号)を随時出力する。
速度制御手段では、速度指令値VTcommandに対して、走行中の揺動により、以下に示す(カ)Z軸加速度、(キ)ヨーレート、(ク)速度戻し、(ケ)速度PD制御器への指令値の各条件により減速する方向で速度を制御する。なお、舗装路の場合によくあるワンショット揺動に対しての効果は少ないと考えられるが、未舗装路の場合には、揺動の平均値は経路の凹凸と相関が高いので、本処理が安全側に作用する。
式(7)に示すように、Z軸加速度ddZが一定値αを超える場合、式(8)に示すように、Z軸加速度の大きさに反比例する速度に減速する。
If |ddZ| > α 式(7)
VTAz=α/|ddZ|・Vcurrent 式(8)
(キ)ヨーレート
走行中のヨーレートωTに基づいて、式(9)に示す横滑り制限を課して許容速度VTslipを算出し、
VTslip = (Gy+μGz)/ωT 式(9)
同じく走行中のヨーレートωTに基づいて、式(10)に示す横転制限を課して許容速度VTroll-overを算出する。
VTroll-over = (d・Gz+h・Gy)/(h・ωT) 式(10)
上記した(カ)、(キ)により減速方向になった後、式(11)に示す処理を行って、速度を一定の割合δで徐々に指令値まで戻す。
VTβ = VT-1 + δ・dt 式(11)
(ケ)速度PD制御器への指令値
上記した各条件(カ)〜(ク)により示される速度値の中から最低の値で速度を制御する(式(12))。
Min[(カ)〜(ク)] 式(12)
図1〜図5は、本発明に係る移動ロボットの一実施形態を示しており、この実施形態では、移動ロボットが車両タイプである場合を例に挙げて説明する。
図1及び図2に示すように、この移動ロボット1は、前方側のプロファイルデータを約100msec周期で取得する水平ラインスキャンタイプの1軸レーザレンジファインダを具備した環境認識部2と、この環境認識部2で取得されるプロファイルデータを随時地図化して走行可能領域及び走行不能領域に区分けする地図作成部3と、GPSやIMUやデッドレコニング用のホイルオドメータやヨーレートセンサを具備して刻々変化する自己位置を約10msec周期で求める自己位置計測部4を備えており、環境認識部2の1軸レーザレンジファインダでは、図2に示すように、レーザ光Laを2次元走査して前方側のプロファイルデータを取得するものとなっている。
駆動操舵系8に対して制御信号を随時出力する制御部7は、指定経路制御手段と速度制御手段とを具備しており、経路計画部5及び速度計画部6から経路指令及び速度指令値がそれぞれ入力されると共に、自己位置計測部4から方位と自己位置と速度と3軸加速度値とヨーレートが入力され、一方、駆動操舵系8のうちの操舵制御器に対して操舵角度指令値(制御信号)を出力すると共に、速度PD制御器に対して速度指令値(制御信号)を随時出力するものとなっている。
速度制御手段では、速度指令値に対して、走行中の揺動により、Z軸加速度、ヨーレート、速度戻し、速度PD制御器への指令値の各条件に基づいて減速する方向で速度を制御する。
上記した移動ロボット1では、その走行時において、環境認識部2の1軸レーザレンジファインダが、レーザ光Laを2次元走査して前方側のプロファイルデータを約100msecの周期で取得すると共に、地図作成部3においてこの取得したプロファイルデータを随時地図化して走行可能領域A及び走行不能領域に区分けする。
次いで、制御部7において、経路計画部5からの経路指令と、速度計画部6からの速度指令値と、自己位置計測部4からの自己位置データに基づいて、約1msecの周期で駆動操舵系8のうちの操舵制御器に対して操舵角度指令値(制御信号)を出力すると共に、速度PD制御器に対して速度指令値(制御信号)を随時出力する。
図3に示すように、Z軸加速度ddZが閾値αを越える破線矢印で示した部位において、速度Vcurrentを落とす方向の速度指令値VTAzが出力されおり、上記した走行速度制御が機能していることが判る(式(7)及び式(8)参照)。
上記した速度指令値VTAz,VTslip,VTroll-overTにより減速方向になった後、式(11)に示す処理が行われて、速度を一定の割合で徐々に指令値まで戻していることが判る。
2 環境認識部
3 地図作成部
4 自己位置計測部
5 経路計画部
6 速度計画部
7 制御部
8 駆動操舵系
A 走行可能領域
B 障害物
D 局所地図データ
T 安全経路
Claims (4)
- 自律して走行する移動ロボットであって、
前方側のプロファイルデータを周期的に取得する環境認識部と、
この環境認識部で取得されるプロファイルデータを随時地図化して走行可能領域及び走行不能領域に区分けする地図作成部と、
変化する自己位置を周期的に求める自己位置計測部と、
前記地図作成部から得られる走行可能領域を含む局所地図データに前記自己位置計測部からの位置データを反映させて安全経路を随時選択する経路計画部と、
この経路計画部で選択される安全経路における最大曲率及び前記地図作成部から得られる走行可能領域を含む局所地図データが入力される毎に、これらのデータにおける少なくとも見通し距離,経路幅,最大曲率値と操舵制約との兼ね合い,路面凹凸及び路面傾斜の条件によりそれぞれ規定される各許容速度の値の中から最低速度の値を速度指令値として出力する速度計画部と、
指定経路制御手段と速度制御手段とから構成され、前記経路計画部から安全経路指令が入力されると共に、前記速度計画部から速度指令値が入力され、前記自己位置計測部から方位と自己位置と速度と3軸加速度値とヨーレートが入力され、前記安全経路に沿って許容速度で走行させるべく前記駆動操舵系に対して操舵角度指令の制御信号を出力すると共に、速度指令値の制御信号を随時出力する制御部を備えている
ことを特徴とする移動ロボット。 - 前記速度計画部は、見通し距離,経路幅,最大曲率値と操舵制約との兼ね合い,路面凹凸及び路面傾斜の条件によりそれぞれ規定される各許容速度の値に加えて、前記経路計画部で選択される安全経路におけるコーナーまでの距離により規定される許容速度の値の中から最低速度の値を速度指令として出力する請求項1に記載の移動ロボット。
- 自律して走行する移動ロボットの走行速度制御方法であって、
前記移動ロボットの前方側のプロファイルデータを周期的に取得すると共に、この取得したプロファイルデータを随時地図化して走行可能領域及び走行不能領域に区分けし、
これで得られる走行可能領域を含む局所地図データに刻々変化する自己位置データを反映させて安全経路を随時選択し、
この選択した安全経路を得る毎に、該安全経路の最大曲率及び前記走行可能領域を含む局所地図データにおける少なくとも見通し距離,経路幅,最大曲率値と操舵制約との兼ね合い,路面凹凸及び路面傾斜の条件によりそれぞれ規定される各許容速度の値の中から最低の速度を許容速度として設定し、
この許容速度,前記安全経路及び前記自己位置データである方位,自己位置,速度,3軸加速度値及びヨーレートに基づいて、前記安全経路に沿って許容速度で走行させるべく駆動操舵系に対して操舵角度指令の制御信号を出力すると共に、速度指令値の制御信号を随時出力する
ことを特徴とする移動ロボットの走行速度制御方法。 - 前記見通し距離,経路幅,最大曲率値と操舵制約との兼ね合い,路面凹凸及び路面傾斜の条件によりそれぞれ規定される各許容速度の値に加えて、前記経路計画部で選択される安全経路におけるコーナーまでの距離により規定される許容速度の値の中から最低の速度を許容速度として設定する請求項3に記載の移動ロボットの走行速度制御方法。
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