JP5696324B2 - 走行体 - Google Patents

Description

この明細書に開示される技術は、自律移動ロボット（以下、単に移動ロボットという）などの走行体に搭載するセンサの異常検知を行う技術に関するものである。

下記特許文献１では、走行体においてセンサのハードが故障したことを検知し、故障を検知した場合に適切な走行制御モードに切り替える技術が開示されている。また、下記特許文献２では、レーダ測距装置におけるオフセット誤差校正方法が開示されている。

特許第２９７００３２号公報 特開２００７−３３０６０号公報

ところで、レーザーレンジファインダのような回転走査型光学式測距センサを移動ロボットのような走行体に搭載して障害物までの距離計測を行う場合、計測距離によって測定値の異常の現れ方が異なるという問題がある。また、測定値が経年変化で異常な値になるという問題もある。このような問題が発生した場合、走行体は障害物に衝突する恐れがある。またセンサ自体が故障していない場合でも、回転走査型光学測距センサの表面が結露したりゴミが付着したりすると測定結果が異常になる。また、回転走査型光学式測距センサは一定速度で回転して計測しているが、何らかの外乱が加わった場合に回転に斑が生じ、計測値が異常になる場合がある。移動ロボットでは、このようなセンサの異常を検知する技術が重要である。
しかしながら、従来の技術においては、走行体の運用時にはこのような異常判定を行えないため、異常状態を判定することができずに運用を行うおそれがあるという問題があった。

この明細書に開示された走行体は、従来技術では検出できなかった運用時にも容易に、且つ適宜に回転走査型光学式測距センサの異常検出を行うことができる技術を提供するものである。

上述した課題を解決するため、この明細書に開示された走行体は、前面に凹部を有する走行体の外郭部と、前記凹部に設けられ、回転走査を行って凹部から走行体の前方を臨む領域に存在する物体までの距離を測定する光学式の回転走査型距離センサと、前記凹部の前記回転走査型距離センサの後方に設けられ、前記回転走査型距離センサによって測定される少なくとも二つの異なる既知の距離の経路を形成する経路形成部と、前記経路形成部により形成された前記少なくとも二つの距離を前記回転走査型距離センサが計測した値に基づいて、前記回転走査型距離センサの異常を検知する異常検知部とを有する。

本明細書に開示された走行体によれば、光学式の回転走査型距離センサの異常を、走行体の通常の運用時にも容易に、且つ適宜に検出することができる。

実施の形態の移動ロボットの外観を示す平面図である。 実施の形態の移動ロボットの構成を示すブロック図である。 回転走査型光学式測距センサの計測値の異常判定を行うためのパラメータを示す図である。 実施の形態１を示す平面図である。 実施の形態２を示す正面図である。 実施の形態２を示す側面図である。 実施の形態３を示す側面図である。 実施の形態４を示す平面図である。 実施の形態５における経時変化による異常を検出するための動作を示すフローチャートである。

以下、実施の形態の移動ロボットを走行体の一例として説明する。図１は実施の形態の移動ロボットを示す平面図、図２は移動ロボットの構成を示すブロック図である。

この移動ロボット１は、前面に凹部２を有する外郭部３と、この凹部２に設けられ、回転走査を行って凹部から走行体の前方Ｆを臨む領域に存在する物体までの距離を測定する光学式の回転走査型距離センサ４と、この凹部２に設けられた回転走査型距離センサ４の後方に設けられ、回転走査型距離センサ４によって測定される少なくとも二つの異なる既知の距離の経路を形成する経路形成部５と、この経路形成部５により形成された少なくとも二つの距離を回転走査型距離センサ４が計測した値に基づいて、回転走査型距離センサ４の異常を検知する異常検知部とを備える。

また、移動ロボット１の前面の両側部には、前方（単方向）Ｆ１にある障害物までの距離を測定する単方向測距センサ７を備えている。

異常検知部６は、回転走査型距離センサ４の検出値を取り込むＣＰＵ６１と、ＣＰＵ６１に接続され警報を発するアラーム装置６２と、測距データ及び走行制御に必要なプログラム等を記憶した記憶装置６３と、走行に関する指令、走行状態に関する情報等を送受信する無線装置６４とを備える。なお、移動ロボット１には、走行輪８等を駆動制御するアクチュエータ制御装置８１を備える。

回転走査型距離センサ４は、移動ロボット１の外郭部３の凹部２に設けられた支持台４１とこの支持台４１に支持され、光学式測距センサ４３を備えて一定速度で回転する回転体４２とを備え、光学式測距センサ４３は発光部と受光部を有する。

経路形成部５は、凹部２における回転走査型距離センサ４の後方に設けられる。この経路形成部５が設けられる領域は、回転走査型距離センサ４による通常の使用態様である障害物検知に用いられない回転走査範囲を使用している。なお、図１において、領域Ａ１は回転走査型距離センサ４による障害物検知に使う回転走査範囲を示しており、領域Ａ２は回転走査型距離センサ４による障害物検知に使われない領域を示している。回転走査型距離センサ４は常時回転しており、その回転時に障害物検知に用いられない回転走査範囲を用いて該回転走査型距離センサ４の異常判定を行うことができることとなる。

図３は、経路形成部５により形成された二つの既知の経路の距離Ｌ１とＬ２とを回転走査型距離センサ４により測定し、これらの測定値に基づいて測距値に異常があるか否かを判定するための、基本的な判定式のパラメータを示すための図である。なお、図３では、二つの経路Ｌ１とＬ２が重なる場合について説明している。

図３において、回転走査型距離センサ４による二つの既知の経路の距離Ｌ１とＬ２に対する測定値がｌ１、ｌ２であった場合、ｌ２−ｌ１が次式の範囲内に収まらない場合に異常を判定することとする。

Ｌ２−Ｌ１−｜δ_1a−δ_2a｜＜ｌ２−ｌ１＜Ｌ２−Ｌ１＋｜δ_1a＋δ_2a｜
（１）

ここで、δ_1a、δ_2aは、それぞれ光路ｎ（１，２，・・・）における計測誤差の時間に関する相加平均であり、時刻ｔにおける計測誤差は次式で表される。二つの経路の測定値を用いて異常を判断することにより、計測距離によって測定値の異常の現れ方が異なるという問題を解消できることとなる。

δ₁（ｔ）＝｜Ｌ１−ｌ１｜
δ₂（ｔ）＝｜Ｌ２−ｌ２｜

実施の形態１．
図４は、実施の形態１における回転走査型距離センサ４の異常検出の例を示す。図４において、経路形成部５は、上下方向に長いスリット５１を有する第１の反射板５２と、第１の反射板５２の回転走査型距離センサ４に対する後方に設けられた第２の反射板５３を有し、回転走査型距離センサ４から照射されて第１の反射板５２で反射された反射光を受信するまで、回転走査型距離センサ４から照射された光が進行した第１の経路Ｌ１と、回転走査型距離センサ４から照射されてスリット５１を介して第２の反射板５３で反射された反射光を受信するまで、回転走査型距離センサ４から照射された光が進行した第２の経路Ｌ２とを形成している。この場合において、予め、回転走査型距離センサ４による回転に同期して設定された測定位置の角度差をθとすると、経路Ｌ１における経路Ｌ２方向における測定された距離成分はｌ１・ｃｏｓθで表される。

この場合の異常判定式は次式で表される。

Ｌ２−Ｌ１−｜δ_1a−δ_2a｜＜ｌ２−ｌ１・ｃｏｓθ＜Ｌ２−Ｌ１
＋｜δ_1a＋δ_2a｜ （２）

ここで、Ｌ１は回転走査型距離センサ４の回転中心から第１の反射板５２までの距離であり、Ｌ２は回転走査型距離センサ４の回転中心から第２の反射板５３までの距離であり、ｌ１、ｌ２はそれぞれの測定値であり、θはｌ１とｌ２のなす角度であり、δ_naは計測誤差の相加平均であり、時刻ｔにおける計測誤差はδ１（ｔ）＝｜Ｌ１−ｌ１・ｃｏｓθ｜、δ２（ｔ）＝｜Ｌ２−ｌ２｜で示される。

測定値ｌ１、ｌ２が、上式を満たさない場合、外乱により回転走査型距離センサ４の回転速度が一定でなくなった場合における異常検知を知ることが可能となる。すなわち、通常、回転走査型距離センサ４は一定速度で回転しているため、測距時におけるθは固定値として計算できる。しかしながら、移動ロボットに何らかの外乱が加わり、回転走査型距離センサ４の回転が一定でなくなるような異常が発生した場合は、θの値が異なることとなり、光路差が正しく計算されず上式が満たされなくなり、回転操作型距離センサ４の異常を検知することが可能となる。

実施の形態２．
なお、図５と図６に示されるように、回転走査型距離センサ４をチルト台４５に搭載し、図６に示されるように、回転走査型距離センサ４を上下方向に角度φだけ傾斜させて図４に示した測定を行うことにより、経路形成部５により４つ以上の経路を形成することもできる。この場合、式（２）の計測誤差の相加平均δ_naはφの関数として表されることとなる。なお、図６においてＢは回転走査型距離センサ４より照射された光ビームを示している。

このように、回転走査型距離センサ４をチルト台４５に搭載し、チルト台４５を種々の角度に傾けて式（２）で示される判定を行うことにより、多くの光路差における異常判定を行うことができ、回転走査型距離センサ４の異常判定の信頼性を高めることが可能となる。

実施の形態３．
図７は、経路形成部５の他の構成例を示す図である。図７（ａ）は側面図であり、図７（ｂ）は平面図を示している。図７に示される経路形成部５は、第３の反射板５５と第４の反射板５６と反射鏡５７とを有し、回転走査型距離センサ４から照射されて第３の反射板５５で反射された反射光を受信するまで、回転走査型距離センサ４から照射された光が進行した第３の経路Ｌ３と、回転走査型距離センサ４から照射されて反射鏡５７を介して第４の反射板５６で反射されるまでの経路を片道路として、回転走査型距離センサから照射された光が進行する第４の経路Ｌ４（Ｌ３＋Ｈｒ）とを形成する。

この場合も式（１）と同様に、異常判定式を用いて回転走査型距離センサ４の測距異常を検出することが可能となる。

実施の形態４．
図８は移動ロボットの前面の両側部に備えられ障害物までの距離を測定する単方向測距センサを用いて、回転走査型距離センサの測距異常を検出する場合を説明する説明図である。

図８に示されるように位置Ａから位置Ｂにかけて壁Ｗの面垂直方向に移動ロボット１が移動するように移動ロボット１の位置制御を行う。この場合、移動ロボット正面の両側部に設けられた二つの単方向測距センサ７の測距値が同一となる状態を維持して移動ロボット１を移動させることで、壁Ｗの面垂直方向に移動ロボット１を向けつつ移動させることができる。そしてその場合に、回転走査型距離センサ４における測距値（最短値）を位置Ａと位置Ｂで測定し、例えば式（１）を用いて、回転走査型距離センサ４の異常を判断することができる。この実施の形態によれば、経路Ｌ１とＬ２を、位置Ａから壁までの経路と位置Ｂから壁までの経路として形成することができて、経路差を大きくとることができ、測定距離の違いによる回転走査型距離センサの計測異常の有無が判断し易くなる。

実施の形態５．
実施の形態１〜４において計測した回転走査型距離センサ４の測距値における計測誤差δを図２で示した記憶装置６３に所定時間ごとに履歴として記憶させることにより、その経時変化（経年変化）による回転走査型距離センサ４の異常検出を行うこともできる。

図９は経時変化における異常を検出するための動作を示すフローチャートである。まず、現在の計測誤差δcurrentを取得し（Ｓ１）、比較したい時期の計測誤差δcompareを記憶装置から取得する（Ｓ２）。このδcompareはロボット運用開始時の値を初期値として用いることもできる。そして、これらの値の差が閾値より大きくなった場合（Ｓ３,Ｙ）に回転走査型距離センサの異常を判定し（Ｓ４）、そうでない場合（Ｓ３,Ｎ）は経時変化による異常は無いものと判断する（Ｓ５）。

以上に説明した実施の形態によれば、回転走査型距離センサの異常を移動ロボットの運用時においても常時、故障、経年変化、センサ出力の変化や計測値の異常を含めて検出することができる。
（付記１）
前面に凹部を有する走行体の外郭部と、
前記凹部に設けられ、回転走査を行って凹部から走行体の前方を臨む領域に存在する物体までの距離を測定する光学式の回転走査型距離センサと、
前記凹部の前記回転走査型距離センサの後方に設けられ、前記回転走査型距離センサによって測定される少なくとも二つの異なる既知の距離の経路を形成する経路形成部と、
前記経路形成部により形成された前記少なくとも二つの距離を前記回転走査型距離センサが計測した値に基づいて、前記回転走査型距離センサの異常を検知する異常検知部と
を有する走行体。
（付記２）
前記経路形成部は、上下方向に長いスリットを有する第１の反射板と、前記第１の反射板の後方に設けられた第２の反射板を有し、前記回転走査型距離センサから照射されて前記第１の反射板で反射された反射光を受信するまで、前記回転走査型距離センサから照射された光が進行した第１の経路と、前記回転走査型距離センサから照射されて前記スリットを介して前記第２の反射板で反射された反射光を受信するまで、前記回転走査型距離センサから照射された光が進行した第２の経路とを形成する付記１に記載の走行体。
（付記３）
前記経路形成部は、前記凹部内で前記回転走査型距離センサを搭載したチルト台を有し、前記チルト台の上下方向の角度を少なくとも二通りに変更して前記回転走査型距離センサによって測定される少なくとも二つの距離の異なる経路を形成する付記１又は付記２に記載の走行体。
（付記４）
前記経路形成部は、第３の反射板と第４の反射板と反射鏡とを有し、前記回転走査型距離センサから照射されて前記第３の反射板で反射された反射光を受信するまで、前記回転走査型距離センサから照射された光が進行した第３の経路と、前記回転走査型距離センサから照射されて前記反射鏡を介して前記第４の反射板で反射された反射光を受信するまで、前記回転走査型距離センサから照射された光が進行した第４の経路とを形成する付記１に記載の走行体。
（付記５）
前記異常検知部は、第１の経路と第２の経路との測定値に基づいて、前記回転走査型距離センサの回転速度に異常があることを検知する付記２に記載の走行体。
（付記６）
前記異常検知部は、前記回転走査型距離センサにより計測された値を履歴管理し、経年変化を検知する付記１乃至付記５のいずれかに記載の走行体。
（付記７）
走行体の前側面に設けられ、回転走査を行って走行体の前方に存在する物体までの距離を測定する光学式の回転走査型距離センサと、
前記走行体の全面側の両側部に設けられ、それぞれが前記走行体の前方に存在する物体までの距離を測定する少なくとも二つの補助センサと、
前記補助センサによる測定値に基づいて前記走行体の向きが、前記走行体の前方にある壁面に対して垂直となるように制御する姿勢制御部と、
前記姿勢制御部により姿勢を制御された状態において前記走行体と壁の間の距離を変更させる距離制御部と、
前記距離制御部により変更された距離を変更前後で前記回転式走査型距離センサにより測定させ、該測定された二つの測定値に基づいて、前記回転走査型距離センサの異常を検知する異常検知部と
を有する走行体。

１ 移動ロボット、２ 凹部、３ 外郭部、４ 回転走査型距離センサ、５ 経路形成部、６ 異常検知部、７ 単方向測距センサ、８ 走行輪、４１ 支持台、４２ 回転体、４３ 光学式測距センサ、４５ チルト台、５１ スリット、５２ 第１の反射板、５３ 第２の反射板、５５ 第３の反射板、５６ 第４の反射板、５７ 反射鏡、Ｌ１ 第１の経路、Ｌ２ 第２の経路、Ｌ３ 第３の経路、Ｌ４ 第４の経路。

Claims (3)

1. 前面に凹部を有する走行体の外郭部と、
   前記凹部に設けられ、回転走査を行って凹部から走行体の前方を臨む領域に存在する物体までの距離を測定する光学式の回転走査型距離センサと、
   前記凹部の前記回転走査型距離センサの後方に設けられ、前記回転走査型距離センサによって測定される少なくとも二つの異なる既知の距離の経路を形成する経路形成部と、
   前記経路形成部により形成された前記少なくとも二つの距離を前記回転走査型距離センサが計測した二つの値の差が所定の範囲内に収まらない場合、前記回転走査型距離センサの外乱による異常を検知する異常検知部とを有し、
   前記経路形成部は、上下方向に長いスリットを有する第１の反射板と、前記第１の反射板の後方に設けられた第２の反射板を有し、前記回転走査型距離センサから照射されて前記第１の反射板で反射された反射光を受信するまで、前記回転走査型距離センサから照射された光が進行した第１の経路と、前記回転走査型距離センサから照射されて前記スリットを介して前記第２の反射板で反射された反射光を受信するまで、前記回転走査型距離センサから照射された光が進行した第２の経路とを形成する走行体。
2. 前記経路形成部は、前記凹部内で前記回転走査型距離センサを搭載したチルト台を有し、前記チルト台の上下方向の角度を少なくとも二通りに変更して前記回転走査型距離センサによって測定される少なくとも二つの距離の異なる経路を形成する請求項１に記載の走行体。
3. 走行体の前側面に設けられ、回転走査を行って走行体の前方に存在する物体までの距離を測定する光学式の回転走査型距離センサと、
   前記走行体の前面側の両側部に設けられ、それぞれが前記走行体の前方に存在する物体までの距離を測定する少なくとも二つの補助センサと、
   前記補助センサによる測定値に基づいて前記走行体の向きが、前記走行体の前方にある壁面に対して垂直となるように制御する姿勢制御部と、
   前記姿勢制御部により姿勢を制御された状態において前記走行体と壁の間の距離を変更させる距離制御部と、
   前記距離制御部により変更された距離を変更前後で前記回転式走査型距離センサにより測定させ、該測定された二つの測定値の差が所定の範囲内に収まらない場合、前記回転走査型距離センサの外乱による異常を検知する異常検知部と
   を有する走行体。

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