JP5499653B2 - 自律移動体、速度設定装置および速度設定プログラム - Google Patents

Description

本発明は、自律移動体、自律移動体の速度を設定する速度設定装置、および自律移動体の速度を設定するプログラムに関する。

近年、屋外の限られたエリアや、屋内の決められた範囲内の移動環境を自律的に移動する、いわゆる自律移動体としての車両や歩行ロボットなどが開発されている。自律移動体は、推定した自己位置と、移動環境の情報が記載された参照マップとから移動経路を計画し、当該移動経路に沿って移動する。

特許文献１では、自律移動ロボットが、所定環境内において、自己の位置と壁面との距離を計測して現在位置を推定して目的地に向かう技術が開示されている。該文献では、自己位置の計測ができなくなった場合の回復手段も開示されている。

また、特許文献２では、レール軌道上を移動する自律移動ロボットの速度制御手法が開示されている。該文献では、自律移動体と障害物との距離に応じて段階的に速度を変化させる手法が開示されている。

特開２００８−５９２１８号公報 特開平１１−３０５８３７号公報

特許文献２の自律移動体の速度設定方法では、障害物を検出する目的で移動体に取り付けられた視覚センサが、障害物を検出した場合に、障害物と移動体との距離から速度を設定している。

しかし、障害物を検出するまでは、速度を変動させることができないため、障害物が自律移動体の走行経路上に飛び出してきた場合などは、急減速する可能性がある。
また、視覚センサの出力にはノイズもあるため、ノイズの影響により、速度が減速または加速される可能性がある。

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、自律移動体の走行速度をスムーズに変化させることができる自律移動体、速度制御装置および速度制御プログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る自律移動体は、移動環境内の所定範囲を計測する視覚センサと、前記視覚センサによる計測結果から前記所定範囲内の実際に計測された通路面積を算出する第１の通路面積算出部と、前記移動体の自己位置を推定する自己位置推定部と、前記所定範囲に存在する固定された障害物の位置を示す参照マップと前記自己位置とから算出された通路面積を算出する第２の通路面積算出部と、前記第1の通路面積算出部と第２の通路面積算出部とから算出された各通路面積の面積比を算出する面積比算出部と、前記面積比から前記移動体の速度を設定する速度設定部と、を備える自律移動体である。
狭い通路や入り組んだ通路のような障害物の接近を移動体が検知することが難しいエリアに近づくに従って、走行速度を減速することができる。これにより、障害物が突然出現した場合にも急な速度変化を防止し、スムーズな減速が可能である。

また、前記視覚センサが計測する前記所定範囲は前記自律移動体の走行方向前方であって、前記自律移動体を中心とする所定半径内であり、前記所定半径は、前記移動環境内を走行する前記移動体の走行通路幅より大きいことが好ましい。これにより、走行通路の死角をより広範囲に検知するとともに、速度調整の精度を向上させることが可能である。

本発明により、急な速度変化を防ぎ、スムーズな速度変化を実現し、安全な自律移動体を提供できる。

実施の形態１に係る速度制御システムを示す自律移動体のブロック図。 実施の形態１に係る実計測面積算出部の説明図。 実施の形態１に係る計測可能面積算出手法の説明図。 実施の形態１に係る計測可能面積算出手法の説明図。 実施の形態１に係る計測可能面積算出の別手法の説明図。 実施の形態１に係る速度設定の為のフローチャート。

以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略される。

＜発明の実施の形態１＞
図１に実施の形態１に係る速度設定システムを有する自律移動体（以下、移動体）１００の構成を示す。移動体１００は少なくとも視覚センサ２、第1の通路面積算出部３、自己位置推定部４、第２の通路面積算出部５、面積比算出部６および速度設定部８を備えている。

視覚センサ２は、レーザレンジファインダ等のアクティブ距離センサを有している。そして、視覚センサ２は、移動体１００の移動環境内の所定範囲を計測する。視覚センサ２が計測可能な上限距離は、視覚センサ２の性能によって規定されるが、本実施の形態における所定範囲は任意に決めることが可能である。

なお、視覚センサ２としては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサまたはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサ等の撮像素子を備えた複数カメラを備えても良い。そして、視覚センサ２は、これら複数のカメラによって撮影した画像データを用いて距離画像データを生成してもよい。具体的には、視覚センサ２は、複数カメラによって撮影した画像データから対応点を検出する。次いで、視覚センサ２は、ステレオ視によって対応点の３次元位置を復元すればよい。ここで、複数の撮影画像における対応点の探索は、複数の撮影画像に対する時空間微分の拘束式を用いた勾配法や相関法等の公知の手法を適用して行えばよい。

第１の通路面積算出部３では、視覚センサ２による計測結果から前記所定範囲の実際に計測された通路面積（第１の通路面積）を算出する。図２を用いて第１の通路面積の算出方法を説明する。
図２（ａ）に記載の矢印Ａは、移動体１００に取り付けられた視覚センサ２が移動体１００の周囲を計測する半径を示している。斜線Ｂは第１の通路面積を表している。

図２（ｂ）は実際の計測点群を表した説明図である。図２（ｂ）の計測点１４の群から第１の通路面積を算出すればよい。該面積は、隣り合う２つの計測点と移動体中心から構成される三角形の面積を足し合わせることで算出すればよい。

自己位置推定部４では、前記所定範囲に存在する固定された障害物の位置が記載された参照マップや視覚センサ２で計測した計測結果などから移動体の位置を推定させる。
例えば、参照マップを用いて、視覚センサ２で計測した計測結果に含まれている障害物（壁面等）の法線ベクトルと、参照マップに存在する障害物（壁面等）の法線ベクトルとをマッチングさせるなどしたり、デッドレコニングの手法などを用いたりして自己位置を推定すればよい。
なお、参照マップには移動環境に存在する通路の位置情報や、固定された障害物（壁面や柱など）の位置情報などが記載されていればよく、移動体１００が保有していてもよいし、移動体１００とは別に存在するサーバなどに保存されていてもよい。

第２の通路面積算出部５では、参照マップと移動体１００の自己位置とから算出された通路面積を算出する。自己位置推定部４によって推定された移動体１００の自己位置を中心として、第１の通路面積算出部３で用いた所定範囲と同じ所定範囲を設定し、該所定範囲内の通路を判定して通路面積（第２の通路面積）を算出する。

第２の通路面積の算出方法としては、図３、４を用いて説明する。本実施の形態では図３、４のような、障害物の位置情報が記載された参照マップの一種でグリッド表示された面積計算用グリッドマップを有してもよい。面積計算用グリッドマップは、参照マップで表示するエリアと同じエリアを表示し、かつ該マップは同サイズの格子状のグリッドで仕切られている。各グリッドにはグリッドの状態情報が登録されていることが好ましい。本実施の形態では、状態の種類は、（１）未判定グリッド、（２）登録候補グリッド、（３）登録グリッド、（４）判定済みグリッド、（５）壁面グリッドがある。
（１）未判定グリッドとは、所定範囲内の通路か否かの判定がされていないグリッドである。（２）登録グリッドとは、未判定グリッドまたは登録候補グリッドから、新たに登録されたグリッドである。（３）登録候補グリッドとは、登録グリッドになる可能性があるグリッドである。（４）判定済みグリッドとは、所定範囲内の通路か否かの判定が既にされたグリッドである。（５）壁面グリッドは、該グリッドが壁面であることを示すグリッドである（図４Ｅ）。
また、自己位置推定部４で推定された移動体１００の自己位置は、面積計算用グリッドマップと同期させればよい。

第２の通路面積を計算する方法について説明する。第２の通路面積は図３の斜線Ｃで示す部分である。この第２の通路面積を算出する方法は、以下のように行う。
第２の通路面積算出部６４は、（１）移動体１００の現在地のグリッドを「登録グリッド」として、面積計算用グリッドマップに登録し、１グリッド分の面積を第２の通路面積（初期値０）に加算する。
（２）「登録グリッド」の周りの８つのグリッドについて判定する。「登録グリッド」の周囲のグリッドが「未判定グリッド」である場合は、「未判定グリッド」を「登録候補グリッド」として更新し、中心の「登録グリッド」を「判定済みグリッド」として更新する。
（３）「登録候補グリッド」が、「登録グリッド」の条件を充足するか（すなわち、所定範囲内の通路のグリッドか否か）判定する。「登録グリッド」の条件を全て充足した場合、当該グリッドを「登録グリッド」として更新し、１グリッド分の面積を第２の通路面積に加算する。また、「登録グリッド」の条件を充足していない場合は、「登録候補グリッド」を「判定済みグリッド」に更新する。
（４）全ての「登録候補グリッド」について第２の通路か判定を行い、全ての「登録候補グリッド」が「登録グリッド」または「判定済みグリッド」に更新する。
（５）最終的に移動体１００の現在地のグリッドから連続する全てのグリッドが「判定済みグリッド」または「未判定グリッド」になるまで、（２）から（４）を繰り返す。
移動体１００の現在地のグリッドから連続する全てのグリッドが「判定済みグリッド」または「未判定グリッド」になった時点で第２の通路面積の計算を終了すればよい。
また、本実施の形態では「登録グリッド」の周りの８つのグリッドを判定しているが、隣接した４つのグリッドや、その他の近傍であってもよい。

なお、本実施の形態では、「登録候補グリッド」を「登録グリッド」と判定するための条件は３つある。「登録候補グリッド」が「壁面グリッド」でないか、図５の線Ｆ（移動体１００の進行方向に垂直な線）より進行方向前方であるか、移動体１００からの距離が視覚センサの所定範囲内であるかを判定する。

図５を用いて第２の通路面積算出の別手法を説明する。
図５は、自己位置推定部４で推定された移動体１００の自己位置を、面積計算用グリッドマップに投影した図である。移動体１００を中心とする半円Ｄは、移動体１００に取り付けられた視覚センサ２の所定範囲を表す。また、黒いグリッドＥは該グリッドが壁面グリッドであることを表している。
半円Ｄの面積から、壁面グリッドの面積を減算することで、容易に第２の通路面積を算出することが可能となる。該計測手法により、第２の通路面積算出に要する時間を短縮することが可能である。

面積比算出部６は、前記第１の通路面積と第２の通路面積との面積比を算出する。交差点などの危険エリアまでの距離ではなく、面積比で制限率を算出することにより、視覚センサがノイズを検出した際に、ノイズの影響を減少することが可能である。

速度設定部８は、移動体１００の速度に面積比算出部６で算出された面積比を積算することで、速度を算出し、走行速度を制限する指令を出力する。これにより、移動体１００の走行速度は制限される。なお、該速度には適当な係数を積算してもよい。

該発明により、他の移動障害物（人や他の移動体など）が移動体１００の死角から飛び出してきた場合であっても、急減速するのではなく、事前に速度を減速しておくことができるため、スムーズな速度変化が可能である。

図６は実施の形態１に係る移動体１００の走行速度設定手法を示すフローチャートである。３次元計測ステップ（Ｓ１０１）は、移動体１００が移動環境内の所定範囲を視覚センサなどの情報取得装置を用いて計測するステップである。第１の通路面積算出ステップ（Ｓ１０２）は、Ｓ１０１の計測結果から前記所定範囲内の実際に計測された通路面積を算出するステップである。自己位置推定ステップ（Ｓ１０３）は、移動体１００の自己位置を推定するステップである。第２の通路面積算出ステップ（Ｓ１０４）は、移動環境に存在する固定された障害物の位置を示す参照マップと、Ｓ１０３で推定された移動体１００の自己位置とから、第２の通路面積を算出するステップである。速度設定ステップ（Ｓ１０５）は、Ｓ１０２で算出された第１の通路面積と、Ｓ１０４で算出された第２の通路面積との面積比を、移動体１００の速度と積算することで、走行速度を設定するステップである。なお、速度には適当な係数を積算してもよい。

上述した速度設定手法は、図６のフローチャートに示した処理手順が記述された速度設定プログラムをマイクロプロセッサ等のコンピュータに実行させることによって実現してもよい。

速度設定プログラムは、様々な種類の記憶媒体に格納することが可能であり、また、通信媒体を介して伝達されることが可能である。ここで、記憶媒体には、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、ＲＯＭカートリッジ、不揮発性ＲＡＭカートリッジ等が含まれる。また、通信媒体には、電話回線等の有線通信媒体、マイクロ波回線等の無線通信媒体等が含まれ、インターネットも含まれる。

また、速度設定部８が設定する速度は、移動体１００の走行速度でなく、最大速度であってもよい。

さらに、上述の視覚センサによる計測、自己位置の推定、面積比の算出、速度の設定等は逐次繰り返し実行すればよい。これにより、その時々に応じた最適な速度設定が可能である。

さらにまた、所定範囲は自律移動体１００の走行通路の幅より大きい範囲を設定することが好ましい。これにより、移動環境内の移動体の死角を検出しやすく、移動体の死角を考慮した速度調整の精度を向上させることができる。

本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

１００ ・・・移動体
２ ・・・視覚センサ
３ ・・・第１の通路面積算出部
４ ・・・自己位置推定部
５ ・・・第２の通路面積算出部
６ ・・・面積比算出部
８ ・・・速度設定部
１０ ・・・モータ
１２ ・・・車輪
１４ ・・・計測点
矢印Ａ ・・・視覚センサの計測範囲
斜線Ｂ ・・・第１の通路面積
斜線Ｃ ・・・第２の通路面積
半円Ｄ ・・・計測範囲
グリッドＥ・・・壁面グリッド
線Ｆ ・・・移動体１００の走行方向に垂直な方向

Claims (4)

1. 移動体であって、
   移動環境内の所定範囲を計測する視覚センサと、
   前記視覚センサによる計測結果から前記所定範囲内の実際に計測された通路面積を算出する第１の通路面積算出部と、
   前記移動体の自己位置を推定する自己位置推定部と、
   前記所定範囲に存在する固定された障害物の位置を示す参照マップと前記自己位置とから算出された通路面積を算出する第２の通路面積算出部と、
   前記第1の通路面積算出部と第２の通路面積算出部とから算出された各通路面積の面積比を算出する面積比算出部と、
   前記面積比を前記移動体の速度と積算することで走行速度を減速して設定する速度設定部と、
   を備える自律移動体。
2. 前記視覚センサが計測する前記所定範囲は前記自律移動体の走行方向に垂直な線より前方であって、前記自律移動体を中心とする所定半径内であり、
   前記所定半径は、前記移動環境内を走行する前記移動体の走行通路幅より大きいことを特徴とする請求項１に記載の自律移動体。
3. 視覚センサが計測した移動環境内の所定範囲の計測結果から算出した前記所定範囲内の走行可能な面積と、前記所定範囲内に存在する固定された障害物の位置を示す参照マップと自律移動体の自己位置とから算出された前記所定範囲内の非障害物面積との面積比を算出する面積比算出部と、
   前記面積比を前記自律移動体の速度と積算することで走行速度を減速して設定する速度設定部と、
   を備える速度設定装置。
4. 視覚センサが計測した移動環境内の所定範囲の計測結果から算出した前記所定範囲内の走行可能な面積と、前記所定範囲内に存在する固定された障害物の位置を示す参照マップと自律移動体の自己位置とから算出された前記所定範囲内の非障害物面積との面積比を算出する面積比算出ステップと、
   前記面積比を前記自律移動体の速度と積算することで走行速度を減速して設定する速度設定ステップと、
   を備える速度設定処理をコンピュータに実行させるための速度設定プログラム。

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