JP6606471B2 - 位置検出用ランドマーク及び移動体の位置検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボット等の移動体の位置検出の基準となる位置検出用ランドマーク、及び、該位置検出用ランドマークを使用した移動体の位置検出方法に関するものである。

ロボットや搬送車等の移動体をある領域内で移動させるシステムでは、移動体の現在位置を検出する必要がある。例えば、本出願人は過去に、管理端末のディスプレイに表示させた地図画像上で、ポインティングデバイスを使用して経路を入力するという簡易な操作のみで、ロボットを移動させる経路情報を作成し、無線通信ネットワークを介してロボットに指示信号を送信することにより、ロボットを経路に沿って移動させるシステムを提案している（特許文献１参照）。このシステムにおいても、ロボットの移動に伴い変化するロボットの現在位置の座標を、検出する必要がある。

特許文献１では、ロボットの現在位置の座標を検出する方法の基本的な原理を複数列挙しているが、その中にランドマークを使用する方法がある。これは、ロボットを移動させる施設内にランドマークを設置し、基準点とするものである。ロボットは、移動の過程でカメラにより撮影を行い、撮像データを管理側制御手段に送信する。管理側制御手段は、撮像データを画像処理し、撮像からランドマークが抽出されたら、撮像におけるランドマークとロボットとの相対位置を算出する。これにより、既定値であるランドマークの絶対座標に基づいて、ロボットの現在位置の絶対座標を知ることができる。

ランドマークを使用する位置検出の基本的な原理は上記のようであるが、実際にランドマークを使用して移動体の位置検出を行うには、種々の困難がある。例えば、移動体を移動させる領域には、多数のランドマークが設置される。そのため、多数のランドマークそれぞれを識別するための情報を、個々のランドマークにどのように持たせるかという問題がある。ランドマークの数が多くなるほど、識別情報が複雑となるおそれがあるが、識別情報は画像処理によって簡易かつ正確に読み取ることができるものでなければならない。また、移動体がカメラで取得した撮像には、環境中に存在する雑多な物が多数写りこんでいる。そのため、画像処理の際に、ランドマークを他の物品と区別できなかったり、他の物品をランドマークと誤認したりするおそれがある。

特開２０１５−００１８１０号公報

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、移動体の位置検出の基準とするために、画像処理によって簡易かつ正確に検出できる位置検出用ランドマーク、及び、該位置検出用ランドマークを使用した、環境の影響を受けにくい移動体の位置検出方法の提供を、課題とするものである。

上記の課題を解決するため、本発明にかかる位置検出用ランドマークは、
「移動体の位置検出の基準となる複数の位置検出用ランドマークであって、
それぞれシート状で、縦方向及び横方向それぞれに複数の小領域を有し、複数の該小領域における再帰反射材の有無のパターンが、複数の前記位置検出用ランドマークで異なっており、
一つの前記位置検出用ランドマークは、一枚の再帰反射シートで形成されており、複数の前記小領域のうち前記再帰反射材を有しない小領域は、前記再帰反射シートが切除された領域であると共に、
それぞれの前記位置検出用ランドマークの輪郭の一箇所のみに、前記再帰反射シートが切り欠かれた切欠き部を有する」ものである。

本構成の位置検出用ランドマーク（以下、単に「マーク」と称することがある）は、次のような移動体の位置検出方法に使用することができる。すなわち、
「前記移動体から可視光の波長領域外の光を投射し、投射した光の波長に対応したカメラで取得した撮像から、前記位置検出用ランドマークの像を抽出し、
前記切欠き部を基準として、複数の前記小領域に桁を割り当て、複数の前記小領域における前記再帰反射材の有無を二進法による数値に対応させて、前記位置検出用ランドマークの識別番号を検出し、
前記切欠き部を基準として、前記移動体の進行方向と前記位置検出用ランドマークの向きとの関係を検出する」ものである。

この移動体の位置検出方法（以下、単に「位置検出方法」と称することがある）では、再帰反射材の有無を二進法による数値に対応させる。これにより、縦横に並んだ小領域における再帰反射材の有無のパターンを、複数のマークで異ならせるという簡易な構成であるにも関わらず、極めて多数のマークを識別できる識別番号を、マークに付与することができる。

また、マークの輪郭の一箇所のみに設けられた切欠き部に、小領域における再帰反射材の有無のパターンを二進法による数値に変換する際の基準と、マークの方向の基準という二つの機能を発揮させており、これによっても、複数種類の情報を有する位置検出用ランドマークを簡易な構成で実現している。

更に、移動体からマークに光を投射し、マークによる反射像をカメラで撮影するにあたり、可視光の波長領域「外」の波長の光を使用している。従って、環境中に存在する雑多な物品によって、撮像の画像処理が影響を受けることに起因して、マークの抽出精度が低下するおそれを低減し、マークを正確に検出することができる。また、可視光を用いることなくマークを検出するため、夜間や照度の低いときであっても、マークの検出のために照明を必要としない利点を有している。

以上のように、本発明の効果として、移動体の位置検出の基準とするために、画像処理によって簡易かつ正確に検出できる位置検出用ランドマーク、及び、該位置検出用ランドマークを使用した、環境の影響を受けにくい移動体の位置検出方法を、提供することができる。

本発明の一実施形態の位置検出用ランドマークについて、（ａ），（ｂ）複数のマークで共通する構成の説明図、及び（ｃ）〜（ｆ）異なる識別番号を有するマークを例示する図である。 施設へのマークの設置を示す図である。 管理端末のディスプレイに表示された地図画像及びマーク登録画面の説明図である。 （ａ）移動体による位置検出用ランドマークの撮影の説明図、及び、（ｂ）撮影範囲の説明図である。 （ａ）〜（ｄ）施設における移動体の位置が同一であるが移動体の進行方向が異なる場合について、撮影範囲を示す図（左図）及び撮像を示す図（右図）である。 （ａ）〜（ｄ）撮像から移動体の座標を検出する手順の説明図である。 （ａ），（ｂ）小領域や切欠き部の形状が異なる他の実施形態の位置検出用ランドマークを例示する図である。

以下、本発明の一実施形態である位置検出用ランドマーク１０（以下、単に「マーク１０」と称することがある）、及び、マーク１０を使用した移動体２０の位置検出方法について、図１乃至図６に基づいて説明する。

本実施形態の位置検出方法は、複数のマーク１０を使用する。複数のマーク１０それぞれは、シート状であり、縦方向及び横方向それぞれに複数の小領域１１を有しており、輪郭の一箇所のみに、再帰反射材が不連続となった切欠き部１５を有している。複数のマーク１０は、外形が同一で、小領域１１の形状及び数も同一であるが、小領域１１における再帰反射材の有無のパターンが異なっている。

更に、本実施形態では、一つのマーク１０は一枚の再帰反射シートで形成されており、複数の小領域１１のうち再帰反射材を有しない小領域１１と、切欠き部１５とは、再帰反射シートが切除されて形成されている。

より詳細に説明すると、図１（ａ）に示すように、マーク１０は正方形の四つの角部のうち、一つの角部が正方形に切除されて形成されており、切除による残部が切欠き部１５である。縦方向及び横方向それぞれに列設された小領域１１は同形であり、本実施形態では正方形である。ここでは、マーク１０一つ当たり小領域１１の列が縦方向に四つあり、一列目から三列目までそれぞれ四つ、四列目に三つ、計１５個の小領域１１を有する場合を例示している。

これら複数のマーク１０を識別するための識別番号は、複数の小領域１１における再帰反射材の有無を、二進法による数値に対応させたものである。再帰反射材の有無を二進法による数値に変換するに当たり、切欠き部１５を基準として、複数の小領域１１に桁を割り当てる。例えば、図１（ｂ）に示すように、切欠き部１５の対角に位置する小領域１１を１桁目とし、同一方向に桁数が増加するように桁を割り当てる。切欠き部１５を紙面において右上としたとき、右及び上に向かって数が増加するように桁を割り当てることとすると、図１（ｃ）のマーク１０は、４桁、５桁、６桁、１０桁、１５桁目の小領域１１に再帰反射材を有している。再帰反射材「有り」を「１」とし、再帰反射材「無し」を「０」とした場合、図１（ｃ）のパターンを二進法の数字に変換すると、２^３＋２^４＋２^５＋２^９＋２^１４＝１６９５２である。つまり、図１（ｃ）のパターンのマークの識別番号は「１６９５２」である。

なお、本実施形態のように小領域１１の数が１５個のとき、再帰反射材の有無によって３２７６８通りのパターンを表示することができる。小領域１１の数は１５個に限定されるものではなく、必要とするマークの枚数、すなわち、識別すべきマークの数に応じて設定する。

図１（ｄ），（ｅ），（ｆ）に示すように、仮に切欠き部１５がないとしたら再帰反射材の有無のパターンが同一に見えるマーク１０であっても、切欠き部１５を基準として複数の小領域１１に桁を割り当てることにより、異なる識別番号を付与することができる。ここで、図１（ｂ）のように桁を割り当てた場合、図１（ｄ），（ｅ），（ｆ）のマーク１０のパターンを識別番号に変換すると、それぞれ「１５１１５」、「１２４７５」、及び「２０７０１」である。

切欠き部１５は、再帰反射材の有無のパターンを二進法による数値（識別番号）に変換する際の基準となることに加えて、マーク１０の向きの基準ともなる。本実施形態では、図１（ｂ）に矢印で示すように、切欠き部１５を紙面において右上としたときの上方向を、マーク１０の向きとする。

次に、上記構成のマーク１０を使用した位置検出方法について説明する。位置検出方法は、施設３０内を移動する移動体２０の現在位置を、移動に伴って管理端末（図示しない）で検出するものである。移動体２０と管理端末とは、無線通信ネットワークを介して双方向に無線通信を行う。

管理端末は、ハード構成として、主記憶装置、補助記憶装置、プロセッサ、及び、無線通信を行う通信装置を主に具備する汎用のコンピュータで構成されており、キーボード及びポインティングデバイスを含む入力装置と、ディスプレイを含む出力装置を備えている。主記憶装置には、少なくとも、移動体２０と無線通信ネットワークを介して無線通信を行う管理側無線通信手段、地図画像５０をディスプレイに表示させる地図表示手段、移動体２０から送信された撮像４０を画像処理する画像処理手段、画像処理の結果に基づいて移動体２０の現在位置を検出する現在位置検出手段、移動体２０の現在位置の座標を更新する座標更新手段、としてコンピュータを機能させるプログラムが記憶されている。

移動体２０には、上方に向けて光を投射する投射部（図示しない）と、上方を撮影するカメラ２１が設けられている。本実施形態では、赤外線の波長領域の光（９４０ｎｍ）を投射するＬＥＤを投射部に使用しており、カメラ２１は赤外線を含む波長領域の光（７５０ｎｍ〜９５０ｎｍ）に対応しているものである。また、移動体２０の本体内部には、主記憶装置、補助記憶装置、プロセッサ、及び、無線通信を行う通信装置を備えるマイクロコンピュータが格納されている。主記憶装置には少なくとも、管理端末と無線通信を行う移動体側無線通信手段、カメラ２１により取得された撮像４０のデータを管理端末に向けて送信する撮像送信手段、管理端末からの指示信号に基づきモータ等の駆動装置やバッテリの電力を管理する駆動制御手段、としてマイクロコンピュータを機能させるプログラムが記憶されている。

移動体２０の移動に先立ち、移動体２０を移動させる施設３０の天井３１にマーク１０を貼付する。このとき、マーク１０の向きは、特に考慮する必要はない。例えば、図２に示すように、異なる識別コードを有する複数のマーク１０を、施設３０において移動体２０を移動させる空間の天井３１の処々に貼付する。なお、図２は、施設３０を真上から見た俯瞰図であり、天井３１を透視してマーク１０を裏面側から見た状態で図示している。

一方で、移動体２０を移動させる施設３０の地図画像５０を作成する。例えば、施設３０の設計図面など印刷された見取図を、スキャナで電子データに変換し、地図画像５０のデータとする。地図画像５０の作成に当たり、元となる見取図の縦横比は実空間の縦横比と等しいものである必要がある。作成された地図画像５０のデータは、管理端末の記憶装置に記憶させることができる。

上記の地図画像５０を、管理端末の主記憶装置に記憶されたプログラムで読み込み、図３に示すように、ディスプレイに表示させる。ディスプレイに表示された地図画像５０における縦方向または横方向の長さに対応させ、実空間の縦方向の距離または横方向の距離を入力する。これにより、ディスプレイに表示された地図画像５０における座標が、実空間の二次元座標と対応付けられる。

上記のように施設３０内に設置されたマーク１０については、その座標（実空間における座標）を識別番号と関連付けたマーク座標データベースを作成する。本実施形態では、管理端末でマーク座標データベースを作成することができる。具体的には、図３に示すように、管理端末のディスプレイに地図画像５０を表示させた上で、ランドマーク登録画面５５を表示させ、実際に設置したマーク１０ごとに、その識別番号と実空間における座標を入力する。これにより、マーク座標データベースが作成されると共に、実空間における座標が地図画像５０における座標に変換され、ディスプレイの地図画像５０上にマーク１０を示すアイコン５１が表示される。

施設３０内で移動体２０を移動させると、移動体２０は予め定めた時間間隔など、所定のタイミングでカメラ２１による撮影を行う。図４に示すように、カメラ２１からマーク１０までの距離をｈ、カメラ２１の画角を横方向にα度、縦方向にβ度とすると、撮影範囲３５の横方向のサイズＬｗ及び縦方向のサイズＬｈは、次のようである。なお、図４における線Ｌａは、カメラ２１の光軸である。
Ｌｗ＝ｈ×ｔａｎ（α／２）×２
Ｌｈ＝ｈ×ｔａｎ（β／２）×２

カメラ２１により取得された撮像４０のデータは管理端末に送信され、画像処理がなされる。撮影範囲３５にマーク１０が存在すれば、移動体２０から投射された赤外線がマーク１０の再帰反射材で反射されたマーク像４１が撮像４０から抽出される。マーク像４１の抽出は、例えば撮像４０の二値化に基づいて行うことができる。抽出されたマーク像４１について、切欠き部１５を基準として小領域１１における再帰反射材の有無のパターンを解析することにより、撮影されたマーク１０の識別番号が分かる。これにより、マーク座標データベースから撮影されたマーク１０の実空間における座標が分かる。従って、撮像４０におけるカメラ中心Ｐに対するマーク像４１の相対座標と、実空間におけるマーク１０の座標とから、移動体２０の実空間における座標を検出することができる。

より具体的に説明すると、カメラ２１により撮影された撮像４０は、移動体２０の位置だけではなく、そのときの移動体２０の進行方向、すなわちカメラ２１の向きによっても異なる。例えば、移動体２０が施設３０において図２に示す位置にある場合、移動体２０の進行方向が異なると、カメラ２１による撮影範囲３５と撮像４０は、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように異なったものとなる。ここで、図５（ａ）〜（ｄ）それぞれにおいて、左図は施設３０の第３室を真上から見た図２の部分拡大図に、移動体２０の進行方向を示す三角形の記号を付したものである。図５（ａ）〜（ｄ）それぞれの右図は、左図の方向に移動する移動体２０によって撮影された撮像４０を、移動体２０の移動方向が紙面下方向となるように示したものである。なお、移動体２０の進行方向は、図５（ａ）では南、図５（ｂ）では東、図５（ｃ）では北、図５（ｄ）では北西である。

このような撮像４０から、図６（ａ）に示すように、カメラ中心Ｐに対するマーク像４１の中心の相対座標（ｘ_ｒ，ｙ_ｒ）が分かる。同時に、マーク１０の方向に対する移動体２０の進行方向のなす角度θが、撮像４０から分かる。

ここで、撮像４０は天井３１に貼られたマーク１０を下方から見上げて撮影した像であるのに対し、マーク座標データベースにおけるマーク１０の座標は、施設３０を真上から見た状態の座標である。そこで、下方から見上げて撮影した撮像４０を、真上から見た状態に変換すると、図６（ｂ）に示すように、カメラ中心Ｐに対するマーク像４１の相対座標は（ｘ_ｒ，−ｙ_ｒ）となる。

そして、撮像４０における座標軸を、地図画像５０における座標軸（ひいては実空間における座標軸）と一致させるために、図６（ｃ）に示すように、点Ｐを中心として角度θだけ相対座標（ｘ_ｒ，−ｙ_ｒ）を回転させる。回転後の相対座標（ｘ_ｔ，ｙ_ｔ）は次のようである。
ｘ_ｔ＝ｘ_ｒ・ｃｏｓθ−（−ｙ_ｒ）ｓｉｎθ
ｙ_ｔ＝ｘ_ｒ・ｓｉｎθ＋（−ｙ_ｒ）ｃｏｓθ

撮像４０のサイズが横方向ｘピクセル、縦方向ｙピクセルとすると、撮像４０における相対座標（ｘ_ｔ，ｙ_ｔ）を、上記のＬｗ，Ｌｈを用いて実空間における長さを単位とした座標に変換すると、（ｘ_ｔ（Ｌｗ／ｘ），ｙ_ｔ（Ｌｈ／ｙ））である（図６（ｄ）参照）。

従って、上記の画像処理によって決定された識別番号によって特定されるマーク１０の実空間における座標を（Ｘ，Ｙ）すると、実空間における移動体２０の現在座標（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）は、次のように検出される。
ｘ_ｐ＝Ｘ−ｘ_ｔ（Ｌｗ／ｘ）
ｙ_ｐ＝Ｙ−ｙ_ｔ（Ｌｈ／ｙ）
検出された現在座標（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）は、管理端末の記憶装置に記憶される。また、実空間における現在座標（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）から地図画像５０における現在座標が算出され、この算出結果に基づいて、地図画像５０上で移動体２０を表すアイコン（図示しない）の位置が更新される。

以上のように、本実施形態によれば、再帰反射材の有無を二進法による数値に対応させているため、縦横に並んだ小領域１１における再帰反射材の有無のパターンを、複数のマーク１０で異ならせるという簡易な構成であるにも関わらず、極めて多数のマーク１０を識別できる識別番号を、マークに付与することができる。

また、マーク１０の輪郭の一箇所のみに設けられた切欠き部１５を、小領域１１における再帰反射材の有無のパターンを二進法による数値に変換する際の基準とすると共に、マーク１０の方向の基準としても使用することにより、シンプルな構成のマーク１０に複数種類の情報を持たせている。

仮に、縦横に並んだ小領域１１の一部を着色したり色分けしたりしても、そのパターンを二進法による数値（識別番号）に対応させることは可能である。しかしながら、その場合は可視光に対応したカメラ２１でマーク１０を撮影することとなり、環境中に存在する雑多な物品の影響を受け、他の物品をマーク１０と誤認するなど、撮像４０からマーク１０を抽出する精度が低下するおそれがある。これに対して、本実施形態のマーク１０では、小領域１１における再帰反射材の有無のパターンを二進法による数値に対応させ、マーク１０で赤外線を反射させた像を撮影しているため、環境による外乱を受けることなく、マーク１０を正確に検出することができる。また、赤外線による検出であるため、夜間や照度の低いときであっても、マーク１０の検出のために照明を必要としない利点を有している。

加えて、小領域１１のサイズにカットした再帰反射材を台紙に貼ってマークとすることも想到し得るのに対し、本実施形態では一つのマーク１０が一枚の再帰反射シートで形成されており、再帰反射材を有しない小領域１１及び切欠き部１５では、再帰反射シートが切除されている。このような構成とすることにより、再帰反射材による輪郭を容易に形成することができるため、輪郭において再帰反射材が切り欠かれている切欠き部１５を、容易に形成することができる。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

例えば、移動体２０から赤外線領域の波長の光を投射し、これを反射するマーク１０の像をカメラ２１で撮影する場合を例示したが、投射する光の波長に対応しているカメラ２１を使用するものであれば、移動体２０から投射する光は赤外線に限定されず、紫外線であっても良い。また、カメラ２１は、撮影対象とする光の波長の範囲に投射される光の波長を含んでいればよく、撮影対象とする光の波長の範囲に可視光の波長領域を含んでいても構わない。

また、上記では、移動体２０のカメラ２１で取得した撮像４０のデータを管理端末に送信し、管理端末側で撮像の画像処理を行う場合を例示したが、移動体２０側で撮像４０の画像処理を行うこととしても良い。例えば、移動体２０のマイクロコンピュータで撮像４０を画像処理し、マーク像４１を抽出して識別番号を特定すると共に、相対座標（ｘ_ｒ，ｙ_ｒ）及び角度θを検出してから、これらのデータを管理端末に送信し、現在座標（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）を求めるその後の処理を管理端末で行う構成とすることができる。或いは、撮像４０の画像処理から最終的に現在座標（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）を求めるまでの処理すべてを移動体２０側で行ってから、現在座標（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）を管理端末に送信する構成とすることができる。

更に、上記では、マーク１０における小領域１１が四角形（正方形）の場合を例示したが、小領域１１の形状は特に限定されるものではなく、図７（ａ），（ｂ）にそれぞれ示すように、三角形や円形の小領域１１とすることができる。また、上記では、再帰反射シートの角部を正方形に切除して切欠き部１５とした場合を例示したが、図７（ａ），（ｂ）にそれぞれ示すように、角部を三角形や円形に切除して切欠き部１５とすることができる。

１０ マーク（位置検出用ランドマーク）
１１ 小領域
１５ 切欠き部
２０ 移動体
２１ カメラ
４０ 撮像
４１ マーク像（位置検出用ランドマークの像）

Claims (2)

1. 移動体の位置検出の基準となる複数の位置検出用ランドマークであって、
   それぞれシート状で、縦方向及び横方向それぞれに複数の小領域を有し、複数の該小領域における再帰反射材の有無のパターンが、複数の前記位置検出用ランドマークで異なっており、
   一つの前記位置検出用ランドマークは、一枚の再帰反射シートで形成されており、複数の前記小領域のうち前記再帰反射材を有しない小領域は、前記再帰反射シートが切除された領域であると共に、
   それぞれの前記位置検出用ランドマークの輪郭の一箇所のみに、前記再帰反射シートが切り欠かれた切欠き部を有する
   ことを特徴とする位置検出用ランドマーク。
2. 請求項１に記載の位置検出用ランドマークを使用した移動体の位置検出方法であり、
   前記移動体から可視光の波長領域外の光を投射し、投射した光の波長に対応したカメラで取得した撮像から、前記位置検出用ランドマークの像を抽出し、
   前記切欠き部を基準として、複数の前記小領域に桁を割り当て、複数の前記小領域における前記再帰反射材の有無を二進法による数値に対応させて、前記位置検出用ランドマークの識別番号を検出し、
   前記切欠き部を基準として、前記移動体の進行方向と前記位置検出用ランドマークの向きとの関係を検出する
   ことを特徴とする移動体の位置検出方法。

Images