JP6481347B2 - 移動量推定装置、自律移動体、及び移動量の推定方法 - Google Patents
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Description
本発明の一見地に係る移動量推定装置は、車輪の回転により移動する移動体の移動量を推定する装置である。移動量推定装置は、位置データ取得部と、第1推定部と、第2推定部と、を備える。
位置データ取得部は、投影物体像を形成する複数の位置データを取得する。投影物体像は、複数の位置データを所定の座標上にプロットすることにより形成される、移動体の周囲に存在する物体を所定の座標上に投影した像である。
第1投影物体像は、複数の第1位置データにより形成される投影物体像である。複数の第1位置データは、移動体の移動前又は移動後のいずれか一方において取得した複数の位置データである。
これにより、第2基準移動量と第1基準移動量との算出頻度を低減できる。また、移動体の周囲に壁などの物体が存在しない領域などの位置データを用いた位置推定や移動量の推定が困難な場所を移動体が移動中であっても、車輪移動量をより正確に補正できる。その結果、上記のような場所においても、補正された車輪移動量に基づいて、移動体の移動量を正確に推定できる。
これにより、今回算出した補正係数が、前回算出した過去補正係数と比較して車輪の特性に基づいて合理的に算出されているかどうかを判断できる。
◎移動体が所定の期間に移動したときの移動前及び移動後において、移動体の周囲に存在する物体を所定の座標上に投影した投影物体像を形成する複数の位置データを取得するステップ。
◎移動前又は移動後のいずれか一方において取得した複数の第2位置データを、所定の座標上にて平行移動及び/又は回転移動して複数の移動位置データを算出するステップ。
◎移動前又は移動後の他方において取得した複数の第1位置データにより形成される第1投影物体像と複数の移動位置データにより形成される移動投影物体像とが一致したときの複数の移動位置データが得られたときの、複数の第2位置データの平行移動の移動量及び/又は回転移動の移動量に基づいて、第1基準移動量を算出するステップ。
◎上記の所定の期間における車輪の回転量に基づいて第2基準移動量を算出するステップ。
◎第2基準移動量と第1基準移動量との比較に基づいて、車輪の回転量に基づいて算出される車輪移動量を補正するステップ。
◎補正された車輪移動量を移動体の移動量として推定するステップ。
(1)自律移動体の全体構成
以下、本発明の自律移動体について説明する。まず、第1実施形態に係る自律移動体100の全体構成について、図1を用いて説明する。本実施形態の自律移動体100は、予め決められた所望の予定走行経路を自律的に走行する移動体である。
自律移動体100は、本体部1と、走行部2と、位置データ取得部3と、制御部5と、を主に備える。本体部1は、自律移動体100の本体を構成する。
I.制御部の全体構成
次に、制御部5の全体構成について図2を用いて説明する。制御部5は、CPU(Central Processing Unit)と、ハードディスク装置と、ROM(Read Only Memory)と、RAM(Random Access Memory)と、記憶媒体読み出し装置などにより構成される記憶装置と、信号変換を行うインターフェースなどと、を備えたマイコンシステムなどにより実現できる。また、以下に示す制御部5の各部の機能の一部又は全部は、プログラムとして実現されていてもよい。さらに、当該プログラムは、マイコンボードの記憶装置に記憶されていてもよい。又は、制御部5の各部の機能の一部又は全部は、カスタムICなどにより実現されていてもよい。
図1に示した走行部2のように、2つの車輪21a、21bのそれぞれを個別にモータ23a、23bにより回転させて走行する走行部を、「差動二輪型」の走行部と呼ぶこともある。
次に、第1実施形態の移動量算出部531の構成について、図3を用いて説明する。第1実施形態の移動量算出部531は、第1推定部5311と、第2推定部5312と、を有している。
I.第1推定部における移動量の算出方法
次に、本実施形態の自律移動体100の動作について説明する。まず、第1推定部5311における自律移動体100の移動量の算出方法について説明する。上記のように、第1推定部5311は、自律移動体100の移動前後に取得した複数の位置データ(例えば、移動前に取得した複数の第1位置データと、移動後に取得した複数の第2位置データ)を用いて自律移動体100の移動量を推定する。
ICP法による移動量の推定方法について説明する。ICP法は、移動させない複数の位置データ(第1位置データとする)により形成される第1投影物体像と、移動させる複数の位置データ(第2位置データとする)により形成される投影物体像(移動投影物体像)とが一致するような、複数の第2位置データの移動量を探索して推定する方法である。
まず、複数の第2位置データを移動して算出される複数の移動位置データにより形成される移動投影物体像と、複数の第1位置データにより形成される第1投影物体像との間の距離を算出する。例えば、1つの第1位置データと、当該1つの第1位置データに対応する移動位置データ(1つであっても、複数であってもよい)との間の距離を所定の個数(例えば、第1位置データの個数)分合計して算出される距離を、移動投影物体像と第1投影物体像との間の距離として算出できる。
次に、ヒストグラムマッチング法による移動量の推定方法について説明する。ヒストグラムマッチング法は、図5に示すように、複数の第1位置データの座標値から生成される第1ヒストグラムと複数の第2位置データの座標値から生成される第2ヒストグラムとの一致度が最大値となるときの、第1ヒストグラム又は第2ヒストグラムの元のヒストグラムからのシフト量を自律移動体100の移動量と推定する方法である。図5は、ヒストグラムマッチング法による移動量の推定方法を模式的に示す図である。本実施形態では第1ヒストグラムと第2ヒストグラムとの相互相関関数の値を一致度として算出するが、これに限らず、第1ヒストグラムと第2ヒストグラムとの正規化相互相関関数の値やゼロ平均正規化相互相関関数の値を一致度として算出してもよい。
具体的には、例えば、算出した相互相関関数において、とりうるa値のそれぞれに対して相互相関関数の値を算出し、算出された相互相関関数の値のうち最大であるものを算出したときのa値を、自律移動体100の姿勢角度変化として推定する。
また、上記の第2ヒストグラムをシフトさせることは、複数の第2位置データを移動して複数の移動位置データを算出することに対応しているとも言える。
例えば、グローバルマップに存在していた物体がローカルマップに存在しない、及び/又は、グローバルマップに存在していない物体がローカルマップに存在していると、計算上は2つのマップ(地図情報)が一致したと判断されても、推定された移動量と位置とが実際の移動量や位置とは大きく食い違うことがある。
次に、補正係数算出部5313における補正係数の算出方法について、図6を用いて説明する。補正係数算出部5313においては、所定の期間(例えば、補正データ取得指令部5314における位置データ及び/又は車輪21a、21bの回転量の入力期間により決まる)における車輪21a、21bの回転量に基づいて算出された第2基準移動量と、所定の期間における自律移動体100の第1推定部5311における移動量の算出値(すなわち、第1基準移動量)との比較に基づいて、補正係数が算出される。
このとき、第1推定部5311は、位置データ取得部3から、自律移動体100の移動前の(所定の期間の開始タイミングにおける)複数の位置データ(第1位置データに対応)を取得し、記憶部51に記憶する。
具体的には、補正係数算出部5313は、所定の期間の間の車輪21a、21bの回転量と、予め決められた車輪21a、21bの径(基準車輪径)の円周長さ(すなわち、2π×基準車輪径)とに基づいて、第2基準移動量を算出する。
本実施形態において、補正係数算出部5313は、第1基準移動量と第2基準移動量との比(第1基準移動量/第2基準移動量)を、補正係数として算出する。補正係数を算出後、補正係数算出部5313は、算出した補正係数を記憶部51などに記憶して、補正係数算出プロセスを終了する。
次に、本実施形態の自律移動体100の具体的な動作について、図7を用いて説明する。以下においては、自律移動体100が記憶部51などに記憶された予め決められた複数の目標点を通過しながら、最終的な目標点まで自律的に移動するときの動作について説明する。
まず、自律移動体100が自律的な移動を開始すると、補正係数算出部5313が補正係数を算出するかどうかを確認する(ステップS1)。
走行制御部57にて算出される制御指令は、例えば、現在位置から次の目標位置まで移動する間の時間と自律移動体100の速度(車輪21a、21bの回転速度、すなわち、モータ23a、23bの回転速度)との関係を表したデータとして算出される。
例えば、自律移動体100が全ての目標位置を通過していないと判断して、自律移動を継続すると判断した場合(ステップS9において「No」の場合)、自律移動のプロセスはステップS1に戻り、自律移動を継続する。
上記の第1実施形態の移動量算出部531においては、補正係数算出部5313において算出された補正係数が適切に算出されたかどうかを確認していなかった。しかし、これに限られない。第2実施形態の移動量算出部531’においては、補正係数算出部5313において算出された補正係数が適切かどうかを評価している。
そのため、図8に示すように、第2実施形態の移動量算出部531’は、第1推定部5311と、第2推定部5312と、補正係数算出部5313と、補正データ取得指令部5314と、さらに、評価部5315と、を有している。図8は、第2実施形態に係る移動量算出部の構成を示す図である。
なお、補正係数が第1基準移動量と第2基準移動量との差として算出された場合、評価部5315は、例えば、今回算出された補正係数が正値(第1基準移動量が第2基準移動量よりも大きい)の場合に、今回算出された補正係数が不適切なものであると評価する。
上記の第1実施形態及び第2実施形態の移動量算出部531、531’においては、第2推定部5312は、車輪21a、21bの基準車輪径から算出した周囲長さと、車輪21a、21bの回転量などとに基づいて車輪移動量を算出し、補正係数を用いて車輪移動量を補正していた。しかし、補正の対象は車輪移動量に限られない。
一方、補正係数が第1基準移動量と第2基準移動量との差として算出された場合、第2推定部5312’’は、例えば、基準車輪径に車輪径の変化量(補正係数を車輪移動量とした場合に算出される車輪径)を加算することにより、車輪21a、21bの車輪径を補正できる。
なお、補正係数が第1基準移動量と第2基準移動量の差として算出されている場合には、補正係数を車輪移動量とした場合に算出される車輪径を、車輪21a、21bの径の変化とできる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
例えば、上記の第1〜第3実施形態をすべて組み合わせてもよい。この場合、移動量推定部53’’’は、第1推定部5311と、第2推定部5312、5312’’と、補正係数算出部5313と、補正データ取得指令部5314と、評価部5315と、径変化算出部5316と、を有していてもよい。これにより、移動量推定部53’’’は、上記の第1〜第3実施形態における移動量算出部531、531’、531’’の全ての効果を発揮できる。
上記の第1〜第3実施形態における走行部2は、二輪差動型の走行部であった。しかし、これに限られず、オムニホイールなどの他の車輪を有する走行部を用いても、上記の第1〜第3実施形態における効果を得られる。
上記の第1〜第3実施形態の第1推定部5311においては、上記のICP法又はヒストグラムマッチング法のいずれか1つを用いて、自律移動体100の移動量を算出していた。しかし、これに限られず、ICP法とヒストグラムマッチング法とを組み合わせて、移動量を算出してもよい。例えば、自律移動体100の回転運動の移動量(姿勢の変化量)をヒストグラムマッチング法により算出し、自律移動体100の移動量(平行移動量)をICP法により算出してもよい。
上記の第1〜第3実施形態に係る自律移動体100の本体部1には、位置データ取得部3の位置データ検出可能領域に干渉するような部材は特に取り付けられていなかった。しかし、これに限られず、本体部1に、位置データ取得部3の位置データ検出可能領域に少なくとも一部が入るように、既知の形状の干渉部材を取り付けてもよい。
上記の第1〜第3実施形態においては、補正係数算出部5313にて算出された補正係数を、車輪移動量又は車輪21a、21bの径の補正に用いていた。しかし、これに限られず、移動領域の床面の状態を調べるために補正係数を用いてもよい。
1 本体部
2 走行部
21a、21b 車輪
23a、23bモータ
3 位置データ取得部
31 前方データ取得部
33 後方データ取得部
5 制御部
51 記憶部
53、53’’’ 移動量推定部
531、531’、531’’移動量算出部
5311 第1推定部
5312、5312’’ 第2推定部
5313 補正係数算出部
5314 補正データ取得指令部
5314a 第1取得指令部
5314b 第2取得指令部
5315 評価部
5316 径変化算出部
55 位置推定部
57 走行制御部
7 操作部
71a、71b 操作ハンドル
8 補助輪部
8a、8b 補助車輪
9 取付部材
Claims (11)
- 車輪の回転により、操作者による移動操作により教示された移動経路を自律的に移動する移動体の移動量を推定する移動量推定装置であって、
前記移動体の周囲に存在する物体を所定の座標上に投影した投影物体像を形成する複数の位置データを取得する位置データ取得部と、
前記移動体が移動したときの移動前又は移動後のいずれか一方において取得した複数の第1位置データにより形成される第1投影物体像と、前記移動前又は前記移動後の他方において取得した複数の第2位置データを前記所定の座標上にて平行移動及び/又は回転移動した複数の移動位置データにより形成される移動投影物体像とが一致したときの前記複数の第2位置データの前記平行移動の移動量及び/又は前記回転移動の移動量を、前記移動体が移動した移動量として算出する第1推定部と、
前記移動体が移動中の所定の期間における前記車輪の回転量に基づいて算出した第2基準移動量と、前記移動体が前記所定の期間移動したときの前記第1推定部における移動量の算出値である第1基準移動量との比較に基づいて、前記車輪の回転量に基づいて算出される車輪移動量を補正し、補正された前記車輪移動量を前記移動体の移動量として推定する第2推定部と、
を備える移動量推定装置。 - 前記第2基準移動量と前記第1基準移動量との比較結果としての補正係数を、前記第1基準移動量と前記第2基準移動量とに基づいて算出する補正係数算出部をさらに備え、
前記第2推定部は前記補正係数を用いて前記車輪移動量を補正する、請求項1に記載の移動量推定装置。 - 前記所定の期間よりも過去の期間である過去期間において算出された過去補正係数と前記補正係数との比較結果に基づいて、前記補正係数が適切に算出されたかどうかを評価する評価部をさらに備える、請求項2に記載の移動量推定装置。
- 前記補正係数が適切に算出されていないと判断された場合、前記第2推定部は前記過去補正係数を前記補正係数として用いる、請求項3に記載の移動量推定装置。
- 前記補正係数算出部は、前記第1基準移動量と前記第2基準移動量と所定の値を有する更新係数とに基づいて前記補正係数を算出する、請求項2〜4のいずれかに記載の移動量推定装置。
- 前記第2推定部は、予め決められた前記車輪の径である基準車輪径と前記車輪の回転量とに基づいて前記車輪移動量を算出し、前記車輪移動量を前記補正係数に基づいて補正する、請求項2〜5のいずれかに記載の移動量推定装置。
- 前記第2推定部は、予め決められた前記車輪の径である基準車輪径と前記補正係数とに基づいて補正車輪径を算出し、前記補正車輪径と前記車輪の回転量とに基づいて前記移動体の移動量を算出する、請求項2〜6のいずれかに記載の移動量推定装置。
- 前記補正車輪径と前記基準車輪径との比較に基づいて、前記車輪の径の変化を算出する径変化算出部をさらに備える、請求項7に記載の移動量推定装置。
- 前記第1基準移動量と前記第2基準移動量とを算出する前記所定の期間を指定する補正データ取得指令部をさらに備える、請求項1〜8のいずれかに記載の移動量推定装置。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の移動量推定装置と、
車輪を有し、前記車輪の回転により走行可能な走行部と、
前記移動量推定装置において推定される移動量に基づいて現在位置を推定する位置推定部と、
前記現在位置から所定の目標位置まで走行するよう前記走行部を制御する走行制御部と、
を備える自律移動体。 - 車輪の回転により、操作者による移動操作により教示された移動経路を自律的に移動する移動体の移動量の推定方法であって、
前記移動体が所定の期間に移動したときの移動前及び移動後において、前記移動体の周囲に存在する物体を所定の座標上に投影した投影物体像を形成する複数の位置データを取得するステップと、
前記移動前又は前記移動後のいずれか一方において取得した複数の第2位置データを、前記所定の座標上にて平行移動及び/又は回転移動して複数の移動位置データを算出するステップと、
前記移動前又は前記移動後の他方において取得した複数の第1位置データにより形成される第1投影物体像と前記複数の移動位置データにより形成される移動投影物体像とが一致したときの前記複数の移動位置データが得られたときの、前記複数の第2位置データの前記平行移動の移動量及び/又は前記回転移動の移動量に基づいて、第1基準移動量を算出するステップと、
前記所定の期間における前記車輪の回転量に基づいて第2基準移動量を算出するステップと、
前記第2基準移動量と前記第1基準移動量との比較に基づいて、前記車輪の回転量に基づいて算出される車輪移動量を補正するステップと、
補正された前記車輪移動量を前記移動体の移動量として推定するステップと、
を含む移動量の推定方法。
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