JP5347108B2 - 自走式機器装置の走行ルート計画方法 - Google Patents

Description

本発明は走行ルートの計画方法及びナビゲーション方法に関し、特に自走機器装置(Mobile Robot Device)の走行ルート計画方法、及び障害物を回避するナビゲーション方法に係る自走式機器装置の走行ルート計画方法に関するものである。

自走機器装置(自走ロボット等)の課題において、ルートの計画とは主に、障害物のある作業環境中において、適切なルート、つまりスタート地点から目的地点までの運動ルートを探すことで、このルートにおける運動過程においてロボットが安全に、ぶつかることなくすべての障害物を回避することが求められる。

従来のある技術中では、新たな障害物に遭遇すると、改めてルート計画を行い、もとの計画ルートを放棄する方法が採用されていた。また従来の別の技術中では、スタート地点から目的地点までの間において、ある直線を定義し計画ルートとし、もしこの直線中に障害物があれば、左折又は右折し、障害物を回避する。しかし、連続障害物(壁等)に遭遇すれば、その障害物を回避することはできず、すなわち目的地点に到達することはできない。又は、該障害物を回避することができ、目的地点に到達できたとしても、非常に多くの距離を余分に走行する場合が多い。

本発明の第一の目的は、自走機器装置に応用可能であり、これにより実際場所の自走機器装置はスタート地点と目的地点において走行ルートを計画することができる自走式機器装置の走行ルート計画方法を提供する。

本発明の第二の目的は、自走機器装置に応用可能であり、これにより実際場所の自走機器装置はスタート地点と目的地点において走行ルートを計画することができ、同時に目的地点に向けて前進を継続可能な障害物を回避可能なナビゲーション方法を提供する。

請求項１の発明は、自走機器装置に実体場所における走行ルートを提供し、
少なくとも以下のステップを含み、
該実体場所に基づき相対する網目状格子図を生じ、該網目状格子図は障害パラメーター値を有する複数のマップグリッドを含み、該各マップグリッドの該障害パラメーター値は相対位置上の該実体場所中の障害物位置によって決まり、
スタート地点と目的地点のマップグリッドから、拡張したマップグリッドが相互に遭遇するまで、十字状又は米の字状に近隣のマップグリッドへと拡張を持続し、相互に遭遇可能な拡張軌跡中において各マップグリッドを該走行ルートとして定義することを特徴とする自走式機器装置の走行ルート計画方法としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の自走式機器装置の走行ルート計画方法において、前記網目状格子図の辺縁は連続障害物として定義されることを特徴とする自走式機器装置の走行ルート計画方法としている。
請求項３の発明は、請求項１記載の自走式機器装置の走行ルート計画方法において、前記網目状格子図中の複数のマップグリッドはさらに、識別通し番号を含むことを特徴とする自走式機器装置の走行ルート計画方法としている。
請求項４の発明は、請求項１記載の自走式機器装置の走行ルート計画方法において、前記自走式機器装置の走行ルート計画方法はさらに、該自走機器装置の大きさに基づき、該マップグリッド中の該障害物により占拠されるマップグリッドが決まり、さらに相対的に占拠されるマップグリッドを外へと調整し、及び占拠した該各マップグリッドとして調整された障害パラメーター値を設定することを特徴とする自走式機器装置の走行ルート計画方法としている。

請求項５の発明は、自走式機器装置の障害物を回避するナビゲーション方法であって、
走行ルート計画ステップ、障害物を回避する走行(moving)ステップを含み、
該走行ルート計画ステップは、
実体場所に基づき相対する網目状格子図を生じ、該網目状格子図は障害パラメーター値を有する複数のマップグリッドを含み、該各マップグリッドの該障害パラメーター値は相対位置上の該実体場所中の第１障害物の位置によって決まり、
スタート地点と目的地点のマップグリッドから、拡張したマップグリッドが相互に遭遇するまで、十字状又は米の字状に近隣のマップグリッドへと拡張を持続し、相互に遭遇可能な拡張軌跡中において各マップグリッドを該走行ルートとして定義し、
該障害物を回避する走行ステップは、
（ａ）該走行ルート計画ステップの該走行ルートに基づき走行し、途中位置に進入しようとする前に、該実体場所にもともとあった該第１障害物ではない障害物を探知した場合には、該障害物を第２障害物として定義し、
（ｂ）該途中位置の次の右左折位置の右左折方向に基づき、該第２障害物を探知した位置において、該右左折方向に基づき右左折し、右左折後、続いてもし先ほど右左折した方向が左折であるなら、右手側(right-hand)の第２障害物に沿って走行を継続し、もし先ほど右左折した方向が右折であるなら、左手側(left-hand)の第２障害物に沿って走行を継続し、
（ｃ）もし前方にさらに別の新たな第２障害物を探知し、元の第２障害物の側辺に沿って走行を継続することができないなら、該新たな第２障害物を探知した該位置において後方へと転回し、後方へと転回後、続いて元の第２障害物の別の方向(the-other-hand)に沿って走行を継続し、
（ｄ）ステップ（ｂ）と（ｃ）の走行時に、該走行ルート上を既に走行しているか否かを判断し、もしそうなら、該走行ルートに基づき走行を継続し、
（ｅ）該目的地点まで走行、到達するまで、ステップ（ａ）からステップ（ｄ）を繰り返すことを特徴とする自走式機器装置の走行ルート計画方法としている。

本発明走行ルート計画方法及び障害物回避のナビゲーション方法は、自走機器装置に応用可能であり、実体場所に対応するデジタル地図データを自走機器装置に入力するだけで、自走機器装置はスタート地点と目的地点において走行ルートを計画することができ、同時にナビゲーション方法に基づき、迅速に障害物を回避することができ、さらに目的地点に向けて前進を継続することができる。

図１は本発明の自走機器装置の走行ルート計画方法のフローチャート、図２〜５は本発明走行ルート計画方法の実体場所に対する実施モデル図である。
本発明に係る自走式機器装置の走行ルート計画方法１０は、ステップ１０１とステップ１０３を含む。

該ステップ１０１では、ある実体場所５に基づき、相対する網目状格子図２０を生じる。

該網目状格子図２０は障害パラメーター値を有する複数のマップグリッド(Map grid)２０１を含む。

該各マップグリッド２０１の該障害パラメーター値は、相対位置上における実体場所５中の障害物位置により決まる。

図２に示すように、自走機器装置(図示なし)(ロボット等)が走行ルートの計画結果に基づき、実体場所５(工場等)において走行(Moving)可能とするため、実体場所５は障害物１２a〜１２bを含む。

先ず、実体場所５の平面地図を読み込み、実体場所５に基づき相対する網目状格子図２０を生じる。

該網目状格子図２０において、主に、それぞれ障害パラメーター値を有する複数のマップグリッド２０１を含む。該各マップグリッド２０１の大きさは、1cm×1cm等とすることができる。

ルート計画の完成後に、走行ルートに関する座標情報を提供可能とするため、網目状格子図２０中の複数のマップグリッド２０１に、１個の識別通し番号を付与する。

実体場所５において出現する障害物１２a〜１２bは、網目状格子図２０中において、障害物１２a〜１２bが占拠する位置を標記しなければならない。
該各マップグリッド２０１の障害パラメーター値は、相対位置上の実体場所５中の障害物１２a〜１２bの位置により決まる。

例えば、図３に標記する斜線エリアブロック１６のように、エリアブロック１６に属する該各マップグリッド２０１の障害パラメーター値は、すべて１等に設定され、他の占拠されていないマップグリッド２０１の障害パラメーター値は０等に設定される。

この他、自走機器装置が網目状格子図２０の外部へと行ってしまうのを回避するため、網目状格子図２０の辺縁は連続障害物として定義され、該各マップグリッド２０１の障害パラメーター値はすべて１に設定される。
ステップ１０３では、スタート地点１４aと目的地点１４bのマップグリッド２０１より、近隣のマップグリッド２０１へと拡張を持続し、マップグリッド２０１が相互に遭遇するまで拡張し、相互に遭遇可能な拡張軌跡中において、各マップグリッド２０１を走行ルートとして定義する。

図４に示すように、上記したステップ１０１の前処理結果に基づき、スタート地点１４aと目的地点１４bのマップグリッド２０１より、それぞれ近隣のマップグリッド２０１へと拡張を持続し、拡張したマップグリッド２０１が相互に遭遇するまで拡張し、相互に遭遇可能な拡張軌跡中において、各マップグリッド２０１を走行ルートとして定義する。

つまり、池に石を２個投げ入れ形成された同心円が徐々に拡大し、最終的には遭遇するようなものである。

例えば、スタート地点１４aと目的地点１４bのマップグリッド２０１において、近隣のマップグリッド２０１へと拡張を持続する時、スタート地点１４aのマップグリッド２０１と目的地点１４bのマップグリッド２０１から、十字状(すなわち上、下、左、右)に近隣のマップグリッド２０１へと拡張を持続する。

拡張された該各マップグリッド２０１はさらに上、下、左、右の４個の近隣マップグリッド２０１へと拡張を持続する。

スタート地点１４aと目的地点１４bから拡張したマップグリッド２０１が相互に遭遇するまで、すなわち遭遇点１８aの所在位置まで拡張を持続する。

続いて、該遭遇点１８aの所在位置からそれぞれ２方向に分かれ、それぞれスタート地点１４aと目的地点１４bまで戻り、該遭遇点１８aからそれぞれスタート地点１４aと目的地点１４bまで戻る拡張軌跡(すなわち、それが経過したマップグリッド２０１)を形成し、該２本の軌跡を走行ルート１８として定義する(図５参照)。

十字状に近隣マップグリッド２０１へと拡張を持続する以外に、「米」字状により８個のマップグリッド２０１へと拡張を持続することもできる。
自 走機器装置は一定の投影面積(40cm×40cm等)を示すため、自走機器装置の大きさに応じて、網目状格子図２０中の障害物１２a〜１２bに占拠されるマップグリッド２０１は、さらに相対的に、占拠されたマップグリッド２０１を外へと調整する。

例えば、自走機器装置中心点から計算し、外へと20cm拡張し、さらに保護範囲10cmを加えると、外へ合計30cm拡張する必要がある。

つまり、障害物１２a、１２bにより占拠されたマップグリッド２０１は、さらに相対的に外へと30cm調整され、このように再調整し、占拠されるマップグリッド２０１を増加させる。

同一原理で、該各網目状格子図２０辺縁に位置する該各マップグリッド２０１は、さらに相対的に外へと30cm調整され、このように再調整し、占拠されるマップグリッド２０１を増加させる。

理想的には、計画された走行ルート１８は既存の障害をすでに回避可能であるが、第２障害物(つまり、実体場所５中にもともとある障害物１２a、１２bには属さない障害物)を回避可能とするため、自走機器装置上にセンサーを設置することができる。

該センサーは赤外線センサー、又は超音波センサーで、走行過程において遭遇する第２障害物を随時探知することができる。

図６は本発明を自走機器装置の障害物回避に用いるナビゲーション方法のフローチャート、図７〜９は本発明ナビゲーション方法に基づき、自走機器装置が実体場所において走行するルートモデル図である。

本発明を自走機器装置の障害物回避に用いるナビゲーション（Navigation）方法３０は、走行ルート計画ステップ３１と障害物を回避する走行（moving）ステップ３３を含む。

走行ルート計画ステップ３１の２個のステップ３１１、３１３はそれぞれ上記したステップ１０１、１０３と相同であるため、重ねて記述しない。

図７に示すように、走行ルート１８中に一切の障害物がないなら、ステップ３３３とステップ３３５に基づき走行する自走機器装置は、識別通し番号２０１a、２０１b、２０１c、２０１d、２０１e、２０１f、２０１g、２０１n、２０１o、２０１pの該各マップグリッド２０１を走行、通過し、最後に目的地点１４bに到達する。

障害物を回避する走行ステップ３３のステップ３３１中において、走行ルート計画ステップ３１の走行ルート１８に基づき走行する。途中位置に進入しようとする前に、実体場所５中にもともとあるのではない障害物を探知したなら、該障害物を第２障害物２２として定義する。

図８に示すように、走行ルート１８の途中位置において、該途中位置が対応するマップグリッド２０１の識別通し番号は２０１dで、一個の第２障害物２２がある。

自走機器装置は、走行ルート計画ステップ３１の走行ルート１８に基づき走行し、識別通し番号が２０１a〜２０１cの該各マップグリッド２０１を走行、通過する。

自走機器装置がこの途中位置まで走行しようとする前に、識別通し番号が２０１cであるマップグリッド２０１において、障害物が探知され、該障害物は第２障害物２２として定義される。

続いて、障害物を回避する走行ステップ３３のステップ３３３中において、該途中位置の次の右左折位置の右左折方向に基づき、該途中位置において、該右左折方向に基づき右左折を行う。

右左折後、もしその方向が左折であるなら、右手側(right-hand)の第２障害物２２に沿って走行を継続する。

右左折後、もしその方向が右折であるなら、左手側(left-hand)の第２障害物２２に沿って走行を継続する。

図８と図１０に示すように、該途中位置の次の右左折位置は、識別通し番号２０１gのマップグリッド２０１である。該識別通し番号２０１gのマップグリッド２０１の右左折方向は右折である。自走機器装置は次の右左折位置の方向に基づき、識別通し番号２０１cのマップグリッド２０１において右折する。

右折後、続いて、自走機器装置がもし、先ほど右左折した方向が左折であったと判断したなら、右手側(right-hand)の第２障害物２２に沿って走行を継続する。

もし先ほど右左折した方向が右折であったと判断したなら、左手側(left-hand)の第２障害物２２に沿って走行を継続する。

図８の範例説明に続き、自走機器装置は、識別通し番号２０１cのマップグリッド２０１において右折する。右折後、続いて、自走機器装置がもし、先ほど右左折した方向が右折であったと判断したなら、左手側(left-hand)の第２障害物２２に沿って走行を継続し、さらに識別通し番号２０１h、２０１i、２０１j、２０１eの該各マップグリッド２０１を走行、通過する。

次に、障害物を回避する走行ステップ３３のステップ３３５中において、もし前方にさらに別の新たな第２障害物２２’が探知され、第２障害物２２側辺に沿って走行を継続することができないなら、別の新たな第２障害物２２’を探知した位置において後方へと転回し、後方へと転回後、続いて、別の方向(the-other-hand)の該第２障害物２２に沿って走行を継続する。

図９と図１０に示すように、第２障害物２２を探知した後、次の右左折点が右折であるため、その時の自走機器装置は、次の右左折点に従い右折し、第２障害物２２の左壁（すなわち、自走機器装置の左手側）に沿って走行する。

もし第２障害物２２が占拠するマップグリッド２０１が多く、自走機器装置が左壁に沿って走行を継続する必要がある場合には、例えば、図９に示す第２障害物２２がマップグリッド２０１d、２０１iを占拠するように、別の第２障害物２２’が自走機器装置の前方において、もし探知されたなら、すなわち図９に示すマップグリッド２０１qはすでに第２障害物２２’により占拠されている。

つまり、自走機器装置が左壁に沿って走行する時、やはり障害に遭遇し、この種の状況において、自走機器装置は後方へと方向転換する。

この時、自走機器装置は識別通し番号２０１hのマップグリッド２０１において後方へと転回(つまり180°転回)し、後方へと転回後、続いて別の方向(the-other-hand)側の第２障害物２２に沿って走行を継続する。

この時の別の方向側は右手側である。

右手側の第２障害物２２に沿って走行を継続する自走機器装置は、識別通し番号２０１c、２０１k、２０１l、２０１m、２０１eの該各マップグリッド２０１を走行、通過する。

次に、第２障害物２２を回避する走行ステップ３３のステップ３３７では、ステップ３３３及びステップ３３５の走行時に、自走機器装置は走行ルート１８上を既に走行しているか否かを判断する。もしそうなら、走行ルート１８に従い走行を継続する。

ステップ３３３及びステップ３３５に基づき走行する自走機器装置は、識別通し番号２０１eのマップグリッド２０１に到達する。

識別通し番号２０１eのマップグリッド２０１に到達した時、自走機器装置は走行ルート１８上を既に走行しているか否かを判断する。

続いて、第２障害物を回避する走行ステップ３３のステップ３３９では、目的地点に到達するまで、ステップ３３１からステップ３３７を繰り返す。

第２障害物２２、２２’回避を通過した自走機器装置は、さらにステップ３３１からステップ３３７の走行方式に基づき、識別通し番号２０１f、２０１g、２０１n、２０１o、２０１pのマップグリッド２０１を走行、通過し、最後には目的地点１４bに到達する。

図１１は本発明方法を応用する自走機器装置の構造モデル図である。

本発明方法を応用する自走機器装置のハードウエア構成は、従来の技術を採用することができる。

本発明の走行ルート計画方法１０及びナビゲーション方法３０は、プログラミング(Programming)によりプログラムコード(Program code)を作る。

該プログラムコードはフラッシュメモリ４０３に保存する。

少なくとも１個以上のセンサー４０５は障害物の探知に用いる。
CPU４０１は該プログラムコードを執行し、かつ該各センサー４０５が生じる信号を受信する。

走行機構ユニット４０９は自走機器装置を少なくとも前進、右左折転回、停止させることができ、しかも走行機構ユニット４０９はCPU４０１の制御を受ける。

実体場所５に基づき生じる相対網目状格子図２０のデジタルデータはメモリ４０７に保存する。

該メモリ４０７はエレクトリックメモリ或いは非エレクトリックメモリを採用することができる。

本発明の自走機器装置の走行ルート計画方法のフローチャートである。 本発明走行ルート計画方法の実体場所に対する実施モデル図である。 本発明走行ルート計画方法の実体場所に対する実施モデル図である。 本発明走行ルート計画方法の実体場所に対する実施モデル図である。 本発明走行ルート計画方法の実体場所に対する実施モデル図である。 本発明を自走機器装置の障害物回避に用いるナビゲーション方法のフローチャートである。 本発明ナビゲーション方法に基づき、自走機器装置が実体場所において走行するルートモデル図である。 本発明ナビゲーション方法に基づき、自走機器装置が実体場所において走行するルートモデル図である。 本発明ナビゲーション方法に基づき、自走機器装置が実体場所において走行するルートモデル図である。 本発明が第２の障害物を探知した時、第２の障害物をいかにして回避するかのフローチャートである。 本発明方法を応用する自走機器装置の構造モデル図である。

１０ 走行ルート計画方法
２０ 網目状格子図
２２、２２’ 第２障害物
２０１a〜２０１q マップグリッド
１２a〜１２b 障害物
１４a スタート地点
１４b 目的地点
１６ エリアブロック
１８ 走行ルート
３０ ナビゲーション方法
３１ 走行ルート計画ステップ
３３ 第２障害物を回避する走行ステップ
１０１〜１０３ ステップ
３１１〜３１３ ステップ
３３１〜３３９ ステップ
４０１ CPU
４０３ フラッシュメモリ
４０５ センサー
４０７ メモリ
４０９ 走行機構ユニット
５ 実体場所

Claims (5)

1. 自走機器装置に実体場所における走行ルートを提供し、
   少なくとも以下のステップを含み、
   該実体場所に基づき相対する網目状格子図を生じ、該網目状格子図は障害パラメーター値を有する複数のマップグリッドを含み、該各マップグリッドの該障害パラメーター値は相対位置上の該実体場所中の障害物位置によって決まり、
   スタート地点と目的地点のマップグリッドから、拡張したマップグリッドが相互に遭遇するまで、十字状又は米の字状に近隣のマップグリッドへと拡張を持続し、相互に遭遇可能な拡張軌跡中において各マップグリッドを該走行ルートとして定義することを特徴とする自走式機器装置の走行ルート計画方法。
2. 請求項１記載の自走式機器装置の走行ルート計画方法において、前記網目状格子図の辺縁は連続障害物として定義されることを特徴とする自走式機器装置の走行ルート計画方法。
3. 請求項１記載の自走式機器装置の走行ルート計画方法において、前記網目状格子図中の複数のマップグリッドはさらに、識別通し番号を含むことを特徴とする自走式機器装置の走行ルート計画方法。
4. 請求項１記載の自走式機器装置の走行ルート計画方法において、前記自走式機器装置の走行ルート計画方法はさらに、該自走機器装置の大きさに基づき、該マップグリッド中の該障害物により占拠されるマップグリッドが決まり、さらに相対的に占拠されるマップグリッドを外へと調整し、及び占拠した該各マップグリッドとして調整された障害パラメーター値を設定することを特徴とする自走式機器装置の走行ルート計画方法。
5. 自走式機器装置の障害物を回避するナビゲーション方法であって、
   走行ルート計画ステップ、障害物を回避する走行(moving)ステップを含み、
   該走行ルート計画ステップは、
   実体場所に基づき相対する網目状格子図を生じ、該網目状格子図は障害パラメーター値を有する複数のマップグリッドを含み、該各マップグリッドの該障害パラメーター値は相対位置上の該実体場所中の第１障害物の位置によって決まり、
   スタート地点と目的地点のマップグリッドから、拡張したマップグリッドが相互に遭遇するまで、十字状又は米の字状に近隣のマップグリッドへと拡張を持続し、相互に遭遇可能な拡張軌跡中において各マップグリッドを該走行ルートとして定義し、
   該障害物を回避する走行ステップは、
   （ａ）該走行ルート計画ステップの該走行ルートに基づき走行し、途中位置に進入しようとする前に、該実体場所にもともとあった該第１障害物ではない障害物を探知した場合には、該障害物を第２障害物として定義し、
   （ｂ）該途中位置の次の右左折位置の右左折方向に基づき、該第２障害物を探知した位置において、該右左折方向に基づき右左折し、右左折後、続いてもし先ほど右左折した方向が左折であるなら、右手側(right-hand)の第２障害物に沿って走行を継続し、もし先ほど右左折した方向が右折であるなら、左手側(left-hand)の第２障害物に沿って走行を継続し、
   （ｃ）もし前方にさらに別の新たな第２障害物を探知し、元の第２障害物の側辺に沿って走行を継続することができないなら、該新たな第２障害物を探知した該位置において後方へと転回し、後方へと転回後、続いて元の第２障害物の別の方向(the-other-hand)に沿って走行を継続し、
   （ｄ）ステップ（ｂ）と（ｃ）の走行時に、該走行ルート上を既に走行しているか否かを判断し、もしそうなら、該走行ルートに基づき走行を継続し、
   （ｅ）該目的地点まで走行、到達するまで、ステップ（ａ）からステップ（ｄ）を繰り返すことを特徴とする自走式機器装置の走行ルート計画方法。

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