JP5304365B2

JP5304365B2 - 移動ロボットの制御方法

Info

Publication number: JP5304365B2
Application number: JP2009067650A
Authority: JP
Inventors: 祐介木田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: JP2010218508A

Description

本発明は、移動ロボットの制御方法に関する。具体的には、レーザーレンジセンサを有し自律的に移動する移動ロボットにおいて、高さ方向にも広い範囲でレーザーセンシングを行うことができる移動ロボットの制御方法に関する。

周囲の障害物情報を取得して自律的に移動経路の選択を行う自律移動ロボットが知られている。このような自律移動ロボットでは、周囲の物体を検出するセンサとして、レーザーレンジセンサを備えている。

一般に、このような移動ロボットでは、水平方向にレーザーを発射するようにレーザーレンジセンサが取り付けられている。レーザーレンジセンサは、二次元的に所定角度範囲でレーザーを発射し、反射光を受光することによって障害物の検出情報を二次元的に得る。水平方向にレーザーを発射することにより、進行方向においてできる限り遠方にある障害物を検出することができる。

ここで、従来の自律移動ロボットの動作例を説明する。
図16は、従来の自律移動ロボットの動作を示す図である。
この移動ロボット10は、一対の同軸車輪11を有し、いわゆる倒立振り子制御によって自律的に安定性を保ちながら進行する。図16では、停止状態から車輪11を押し出して立ち上がり、進行する様子を示している。

停止状態（図16（A））では、車輪11を車体12の内部に収納している。この状態で地面に接地して安定している。次に、車輪11を押し出して立ち上がり、車輪11による倒立姿勢になる（図16（B））。このとき、車輪11を押し出しながら倒立振り子制御を実行して安定性を自律的に保つ。進行するにあたっては、車体12の側面に設けられたレーザーレンジセンサ13によって周囲の障害物を検出する。そして、検出した障害物を避けるように自律的に経路を選択しながら進行する（図16（C））。

また、レーザーレンジセンサを備えた移動ロボットが特許文献1および特許文献2に開示されている。特許文献1では、レーザーの発射方向を水平よりもやや上向きにした構成が開示されている。レーザーレンジセンサがレーザーを水平に発射するように車体に取り付けられていると、地面の凹凸などによって車体が前傾した場合に地面を障害物として検出してしまうという不都合が起こり得る。この点、特許文献1では、レーザー発射方向をやや上向きにしておくことにより、車体の前傾によって地面を障害物として誤検出する問題を解決している。

また、特許文献2では、高さ方向にも所定の角度範囲で物体を検出するレーザーセンサを備えている。さらに、特許文献2では、車体が前傾した場合に地面が検出範囲に入らないように、車体の前傾角度に応じて高さ方向の検出範囲を制限する構成が開示されている。

特開2007-122272号公報特開2006−247803号公報

しかしながら、レーザーを水平方向に発射する場合、所定高さ（ｈ）の障害物しか検出できない。そのため、高さが低かったり高かったりする障害物20を回避することができず、衝突する事故が発生してしまう。さらに特許文献1の構成ではレーザーレンジセンサを水平よりも上方に向けるため、高さが低い障害物の検出がますますできなくなる。

また、特許文献2のごとく、高さ方向にも検出幅をもつレーザーレンジセンサを採用することが考えられる。
ここで、レーザーレンジセンサの検出範囲を3次元的に拡大しようとすると、次の二つの方法が考えられる。
一つ目の方法としては、レーザーの発射方向を拡げるため、発光素子の発光方向を拡張するか、可動ミラーによってレーザーの発射方向を上下に振ることが考えられる。
二つ目の方法としては、垂直方向に可動のモータを設けて、レーザーレンジセンサそのものを上下動可能に設けることが考えられる。

しかし、レーザーの発射方向を拡げられたとしても、角度幅としては3°〜5°程度の微小範囲しか拡大できない。
また、レーザーレンジセンサを上下動可能にするために現在の機構に加えて複数のモータと位置測定用のエンコーダを付加せねばならず、それらの重量、コストおよびスペースの増加が発生するという問題がある。

本発明の目的は、二次元的な検出能力しかもたないレーザーレンジセンサを用いて高さ方向にも広い範囲でレーザーセンシングを行う移動ロボットの制御方法を提供することにある。

本発明の移動ロボットの制御方法は、車体と、この車体の走行方向と直交する方向の両側において同軸上に配置された一対の車輪と、倒立制御状態にある車体から略水平方向にレーザーを発射するように当該車体に設けられたレーザーレンジセンサと、を備え、障害物を含む環境を自律的に走行する移動ロボットの制御方法であって、前記車体の傾斜角度を変更する傾斜角度変更工程と、前記車体の傾斜角度を検出する傾斜角度検出工程と、前記レーザーレンジセンサによる検出値をサンプリングする工程と、レーザーの発射角度とレーザーレンジセンサのセンサ値とを関連づけるようにマージ処理する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明では、前記移動ロボットの制御方法を移動ロボットが静止状態から倒立状態に移行する過程で実行することが好ましい。

本発明では、移動ロボットは、前記車体の前端および後端の少なくとも一方に伸縮自在の補助棒を有し、前記車体の傾斜角度を変更する工程は、前記補助棒の伸縮によって実行することが好ましい。

本発明では、移動ロボットは、静止時では車体を水平から傾斜させた状態で安定しており、前記車体の傾斜角度を変更する工程では、水平状態を超えて少なくとも一度は静止時とは反対の方向に車体が傾斜するまで車体角度を変更することが好ましい。

本発明では、前記移動ロボットの制御方法を移動ロボットが走行中に実行することが好ましい。

本発明の第1実施形態に係る移動ロボットの側面図。移動ロボットの上面図。移動ロボットが静止している状態を示す図。移動ロボットのシステム構成を示すブロック図。立ち上がり動作を行いつつセンシングデータを取得する手順を示すフローチャート。移動ロボットが徐々に車体角度を変化させる様子を示す図。移動ロボットが徐々に車体角度を変化させる様子を示す図。移動ロボットが徐々に車体角度を変化させる様子を示す図。移動ロボットが徐々に車体角度を変化させる様子を示す図。移動ロボットが倒立状態に至った状態を示す図。移動ロボットの走行制御の手順を示すフローチャート。地図データの一例を示す図。検出範囲を説明するための図。第2実施形態の動作手順を示すフローチャート。変形例1を示す図。従来の自律移動ロボットの動作を示す図。

以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第1実施形態）
本発明に係る第1実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る移動ロボットの側面図である。
図2は、移動ロボットの上面図である。
また、図3は、移動ロボットが静止している状態を示す図である。

移動ロボット100は、車体110と、左右一対の車輪120、120と、伸縮自在の補助バー（補助棒）130と、伸縮自在の補助ステップ（補助棒）140と、レーザーレンジセンサ150と、を備える。

車体110の形状については、本実施形態では椅子のような形状を例示しているが、特に限定されるものではない。
例えば、ただの直方体型であってもよいことはもちろんである。

一対の車輪120、120は、車体110の走行方向と直交する方向の両側において同軸上に配置されるとともに回転自在に車体110に支持されている。
ここで、背景技術では、車輪が車体に対して出し入れ自在に設けられていたが、本実施形態では、車輪120、120は車体110に対して出し入れする必要はなく、車輪120、120の位置は固定されていてもよい。したがって、車輪120、120を出し入れするための動力機構は必要ない。

なお、以下の説明では必要に応じて、一対の車輪120、120の車軸に相当する軸をピッチ軸とし、車体110の中心を通って移動ロボット100の走行方向と平行をなす軸をロール軸と称する。

車体110の前後端には地面に向けて伸縮自在の補助バー130と補助ステップ140とがそれぞれ設けられている。
ここでは、図1中の右方向を移動ロボット100の前側とし、図1中の左側を移動ロボット100の後側とする。そして、図3に示すように、静止状態では、前端の補助バー130を伸ばし、後端の補助ステップ140は縮める。すると、車体110は、ピッチ軸を中心とした揺動で後側に傾斜し、補助ステップ140に自重を預けた状態で安定する。
また、移動ロボット100が走行するときには、補助ステップ140も補助バー130も縮めて、車輪120、120だけの倒立制御で立ち上がって走行する。
本実施形態では、図3の静止状態から立ち上がるまでの動作に特徴を有するところ、立ち上がりの動作は図5のフローチャートを参照しつつ後述する。

従来、移動ロボットの静止状態では車輪を車体に収納することにより車体を地面に載置させていた。そして、立ち上がるときには車輪を車体から押しだして倒立するようにしていた。しかし、このような機構では車輪を出し入れするために大掛かりな動力機構が必要となっていた。
この点、本実施形態では、伸縮自在の補助バー130および補助ステップ140を備えている。これにより、補助バーおよび補助ステップの伸縮により、図3の静止状態で安定させたり、移動ロボットを立ち上がらせることできる。補助バーおよび補助ステップは、単に棒体を押し引きする機構であればいいので、従来のように車輪を出し入れする機構に比べて非常に簡便な機構によって実現できる。これにより、部品点数の削減、低コスト、低重量の効果を奏することができるものである。

レーザーレンジセンサ150は、車体110の前端側の側壁に設けられている。
レーザーレンジセンサ150は、移動ロボット100が走行状態にあるときにレーザーを水平に発射するように取り付けられている。そして、レーザーレンジセンサ150は、図2に示されるように二次元方向にはある程度の検出角度幅を有する。

図4は、移動ロボット100のシステム構成を示すブロック図である。
移動ロボット100は、姿勢センサ160と、駆動回路121、121と、一対の車輪速度センサ170、170と、制御装置180と、を備えている。
姿勢センサ160は、車体110に内蔵され、車体110のピッチ角度、ピッチ角速度、加速度等を検出する。姿勢センサ160は、例えば、ジャイロセンサ、加速度センサ等から構成されている。

左右の車輪速度センサ170、170は、左右の車輪120、120にそれぞれ配設されており、各車輪120、120の回転速度をそれぞれ検出する。車輪速度センサ170、170は、検出した各車輪120、120の回転速度を制御装置180に出力する。

駆動回路121、121は、車体に内蔵されており、制御装置180からの指令に応じて車輪120、120の回転速度を駆動制御する。

制御装置180は、制御処理、演算処理等を行うCPU（Central Processing Unit）、CPUによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたROM（Read Only Memory）、処理データ等を一時的に記憶するRAM（Random Access Memory）等を有し、走行制御部181と、立ち上がり制御部182と、地図データ生成部183と、を含む構成である。

走行制御部181は、姿勢センサ160によって検出された車体110のピッチ角度およびピッチ角速度等に基づいて、車体110のバランスを保ちつつ所定の移動速度で所定の方向へ移動するように各車輪120、120を駆動制御する。
これにより、移動ロボット100は、バランスを保ちながら所定の移動速度で走行する。
また、走行制御部181は、走行可能な経路を自律的に選択して、移動ロボット100が安全な走行ができるようにする。
この際、走行制御部181は、地図データ生成部183にて生成された地図データを参照しつつ安全な経路を事前に選択し、さらに、走行中はレーザーレンジセンサ150からの検出結果を随時参照して危険を回避する。

立ち上がり制御部182は、移動ロボット100が静止状態から立ち上がるまでの補助ステップ140および補助バー130の伸縮を駆動制御する。地図データ生成部183は、レーザーレンジセンサ150による検出結果に基づいて障害物の位置を反映した周辺地図を作成する（図12参照）。立ち上がり制御部182による立ち上がり動作および地図データ生成部183による地図データの作成手順についてはフローチャートを参照しつつ後述する。

移動ロボット100が静止状態から立ち上がって走行状態に移行するまでの過程について説明する。
図5は、立ち上がり動作を行いつつセンシングデータを取得する手順を示すフローチャートである。
はじめ、図3に示されるように移動ロボット100が静止している。すなわち、補助ステップ140は最短に短縮し、補助バー130は最長に伸ばし、ピッチ軸を中心とした揺動で後側に傾斜して補助ステップ140に自重を預けた状態で安定している。この状態から立ち上がりの動作を開始する（ST100）。

立ち上がり動作にあたって、まず、レーザーレンジセンサ150を起動する（ST110）。
このとき、車体110は後傾しているため、レーザーレンジセンサ150から発射されるレーザーは斜め上方に発射されることになる（図6参照）。

そして、移動ロボット100は、傾斜角度変更工程（ST200）とセンシング処理工程（ST300）とを繰り返して高さ方向のレーザーセンシングを実行する。
傾斜角度変更工程（ST200）は、補助ステップ140を伸長させる工程（ST121）と、補助バー130を短縮させる工程（ST122）と、からなる。
一回の傾斜角変更工程（ST200）による車体110の角度変化は予め設定された小刻みなものになるように設定されている。そして、図6に示されるように、補助ステップ140を地面に向けて所定長さだけ伸ばし（ST121）、同時に、補助バー130を所定長さだけ縮める（ST122）。すると、車体110の角度は図7に示されるようにわずかに前傾方向に変化する。それとともに、レーザーレンジセンサ150によるレーザーの発射方向も仰角から俯角方向に変化する。

傾斜角変更工程（ST200）によって車体110がわずかに前傾方向に変化したところで、次にセンシング処理工程（ST300）が実行される。センシング処理工程（ST300）は、傾斜角を検出する工程（ST131）と、レーザーレンジセンサ150の検出値をサンプリングする工程（ST132）と、マージ処理する工程（ST133）と、からなる。
ST131において、姿勢センサ160が現在の車体110の角度を検出する。これは、現在のレーザー発射角度を求めることと同義である。

続いて、ST132において、レーザーレンジセンサ150のセンサ値をサンプリングする。
これにより、現在のレーザー発射方向に障害物が有るか無いか、障害物までの距離がどの程度かを検出する。そして、ST133において、レーザーの発射角度とレーザーレンジセンサのセンサ値とを関連づけるようにマージ（併合）して記憶する。

ST140において、車体110の傾斜角度が予め設定した規定値に達したかを判断し、規定値に達していない場合（ST140：NO）には、ST200に戻って、傾斜角度変更工程（ST200）とセンシング処理工程（ST300）とを繰り返す。
傾斜角度変更工程（ST200）によって車体110の角度が徐々に前傾方向に変化し、図6、図7の状態を経て、さらには、図8に示すように、レーザーの発射角度が俯角を向くようになる。
最終的には、補助ステップ140が最長まで伸び、補助バー130が最も短縮した図9の状態になる。

この間、センシング処理工程（ST300）によって、レーザーの発射角度が仰角から俯角になる広い範囲においてセンシングを行い（ST140、ST150）、さらに、レーザーの発射方向とセンサ値とマージして記憶していく。これにより、高さ方向に広い角度範囲においてレーザーセンシングを行ったデータが取得される。取得されたデータは地図データ生成部183に蓄積されていく。

ST140において、車体110の傾斜角度が予め設定した規定値に達した場合（ST140：YES）、ループ処理に行かず、ST150において車体110を水平角度にする。すなわち、図9の状態から徐々に補助バー130を伸ばして車体110の角度を水平にする。車体角度が水平に近づいたところで、走行制御部181による倒立制御を開始する（ST160）。

このような工程を経て、図3の静止状態から図10の倒立状態に至る。

次に、移動ロボット100の走行制御について説明する。
図11は、移動ロボット100の走行制御の手順を示すフローチャートである。
走行にあたって、まず、ST200において地図データの作成を実行する。これは、立ち上がり動作の間に取得したセンシングデータを用いて周辺の地図データを生成する工程である。レーザーレンジセンサ150が本来有する2次元的なセンシングデータに加え、車体110の傾斜角度とともにレーザー発射角度を高さ方向で変化させているので、三次元的なセンシングデータが地図データ生成部183に蓄積されている。これに基づいて、図12に示すような地図データを生成する。図12中において、符号910、930は障害物を表す。

本実施形態では、レーザー発射角度を仰角から俯角にかけて変化させているので、レーザーレンジセンサ150の設置高さと同じ高さにある障害物のみならず、それよりも低かったり高かったりする障害物も地図データ上にプロットされる。

ここで、本実施形態において、検出範囲の限界は次の式で与えられる。
図13に示すように、検出範囲における手前側の限界をL[m]、手前側限界における検出可能高さをH[m]、とする。
地面からレーザーレンジセンサ150が設けられている高さをF[m]とする。
また、最も前傾したときの角度θ₁と最も後傾したときの角度θ₂を図13のようにとる。
このとき、L、Hは次のように表わされる。

L＝Fcosθ₁＋Fsinθ₁×tanθ₁

H＝Fsin(π−θ₂)＋｛L＋Fcos（θ₂−π／2）｝×tan（θ₂−π／2）

地図データの生成に続いて、移動経路の選択を行う（ST210）。
これにより、図12中の矢印で示すように、障害物910、930を避ける安全経路の選択を行う。

次に、ST220においてレーザーレンジセンサ150のセンサ値を確認し、進行方向に障害物がないことを確認する（ST230）。障害物がない場合は（ST230：YES）、移動ロボット100は経路に沿って進行する（ST240）。そして、目的地に到達するまでST210に戻ってループ処理を行い、目的地に到着したところで（ST250：YES）停止処理を行う（ST260）。

このような構成を備える第1実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（1）本実施形態では、立ち上がり動作の際に車体の傾斜角度を変化させることにより、二次元的な検出能力しかもたないレーザーレンジセンサ150を用いて、三次元的なセンシングを行うことができる。
従来は、レーザーを水平に発射していたので、レーザーを発射する高さより低かったり高かったりする障害物は検出できず、移動ロボットが自律的に回避することはできなかった。
この点、本実施形態によれば、移動ロボット100は立ち上がり動作の過程でレーザーの発射方向を仰角から俯角へ変化させる。これにより、高さ方向にも広い範囲においてレーザーセンシングを行って、三次元的に障害物の検出を行うことができる。

（2）三次元的にセンシングを行うにあたり、立ち上がり動作の過程で車体110とともにレーザーの発射角度を変化させている。
このとき、車体110の角度変化は移動ロボット100が静止状態の安定のために備えている補助ステップ140および補助バー130を用いるだけであり、その他の別途の機構を用いる必要はない。
また、車体110の傾斜角度を検出するための姿勢センサ160は、倒立制御のために本来備わっているものを使用することができる。
したがって、部品点数、コスト、重量の増加を招くことなく3次元的レーザーセンシングを可能とする。たとえば、レーザーレンジセンサ自体を三次元センサに改良したり、レーザーレンジセンサだけを高さ方向に駆動するための機構を付加することに比べ、本実施形態は非常に簡便に実施できるという利点を有する。

（第2実施形態）
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
第2実施形態の基本的構成は第1実施形態に同様であるが、第2実施形態では、一度前傾したのちに水平に戻る際にもセンシングする点に特徴を有する。
図14は、この第2実施形態の動作手順を示すフローチャートである。
図14において、傾斜角変更工程(ST120)とセンシング処理工程（ST130）によって車体110を徐々に前傾方向に傾斜させながらセンシングを行う。そして、ST140において車体の前傾角度が規定値に達すると（ST140：YES）、次は、車体110を後傾側に変化させつつセンシングを行う処理に移行する。

すなわち、補助ステップ140を短縮すると同時に補助バー130を伸長させる（ST171、ST172）。そして、車体角度およびレーザーレンジセンサによる検出値をサンプリングして、両者をマージする（ST181、ST182、ST183）。このようにして車体110が水平角度に達したところで（ST190：YES）、倒立制御を開始する（ST160）。

このような構成によれば、水平角度から前傾方向の規定値までは二回センシングしていることになる。したがって、水平角度から前傾方向の規定値までについてより詳細かつ正確なデータを取得することができ、地図データも詳細かつ正確にすることができる。
移動ロボット100にとって危険な障害物は地面にある落下物であったり、地面の突然の窪みなど、低い高さにあることが予想される。
この点、本実施形態によれば、水平角度から前傾方向の規定値までを二度繰り返してセンシングするので、詳細かつ正確な地図データを作成してより確実に危険を回避することができる。

（変形例1）
上記第1実施形態および第2実施形態では、前傾方向の規定値として、補助ステップ140が最長まで伸び、補助バー130が最も短縮した図9の状態になる場合を例示した。
ここで、前傾方向の規定値としては、補助ステップ140が最長まで伸びた状態とする必要はなく、例えば、図15に示すように、ある程度俯角側に車体110が傾斜したところで倒立制御を開始するようにしてもよい。
これにより立ち上がり動作に掛かる時間を短縮することができる。

（変形例2）
上記実施形態では、静止状態から倒立制御に移行する過程において車体110とともにレーザーの発射角度を変化させることにより高さ方向の広い範囲においてレーザーセンシングを行う場合を説明した。
このような障害物検出動作は、立ち上がり動作時のみならず、移動ロボットが走行している途中で実行してもよい。すなわち、移動ロボットの走行中に車体の傾斜角度を意図的に変化させてレーザーの発射方向を高さ方向に振る。
このときのレーザー発射角度とレーザーレンジセンサのセンサ値とをサンプリングすることによって三次元的に障害物の検出を行うことができる。
例えば、立ち上がり時に作成した地図データのカバー領域のマージンまで到達したときに前記の障害物検出動作を行ってもよい。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
レーザーレンジセンサが車体の前端に設けられている実施形態を例示したが、レーザーレンジセンサは必要に応じて車体の後端にも設けられていてもよい。
これにより、後方についても三次元的に障害物の検出を行うことができる。
上記実施形態では、静止時はレーザーの発射方向が仰角であり、立ち上がり動作を行う過程でレーザー発射方向を俯角に変化させる場合を例示した。
これに対し、逆に、静止時はレーザー発射方向が俯角であり、立ち上がり動作を行う過程でレーザー発射方向を仰角に変化させるようにしてもよい。

10…移動ロボット、11…車輪、12…車体、13…レーザーレンジセンサ、20…障害物、100…移動ロボット、110…車体、120…車輪、121…駆動回路、130… 補助バー、140…補助ステップ、150…レーザーレンジセンサ、160…姿勢センサ、170…車輪速度センサ、180…制御装置、181…走行制御部、182…立ち上がり制御部、183…地図データ生成部、910、930…障害物。

Claims

車体と、
この車体の走行方向と直交する方向の両側において同軸上に配置された一対の車輪と、
倒立制御状態にある車体から略水平方向にレーザーを発射するように当該車体に設けられたレーザーレンジセンサと、を備え、障害物を含む環境を自律的に走行する移動ロボットの制御方法であって、
前記車体の傾斜角度を変更する傾斜角度変更工程と、
前記車体の傾斜角度を検出する傾斜角度検出工程と、
前記レーザーレンジセンサによる検出値をサンプリングするサンプリング工程と、
レーザーの発射角度とレーザーレンジセンサのセンサ値とを関連づけるようにマージ処理するマージ処理工程と、を備え、
前記傾斜角度変更工程、前記傾斜角度検出工程、前記サンプリング工程および前記マージ処理工程を、移動ロボットが静止状態から倒立状態に移行する過程で実行する
ことを特徴とする移動ロボットの制御方法。
請求項１に記載の移動ロボット制御方法において、
移動ロボットは、前記車体の前端および後端の少なくとも一方に伸縮自在の補助棒を有し、
前記傾斜角度変更工程は、前記補助棒の伸縮によって実行する
ことを特徴とする移動ロボットの制御方法。
請求項１または請求項２に記載の移動ロボットの制御方法において、
移動ロボットは、静止時では車体を水平から傾斜させた状態で安定しており、
前記傾斜角度変更工程では、水平状態を超えて少なくとも一度は静止時とは反対の方向に車体が傾斜するまで車体角度を変更する
ことを特徴とする移動ロボットの制御方法。