JPH03135676A - 衝突検知システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は移動体と障害物との衝突可能性を正確に把握し
て自動衝突検知するシステムに関する。

具体的には、従来人間の手作業で行っていた障害物回避
・経路生成処理を自動化できるシステムに関する。

（ロ）従来の技術 近年、三次元コンピュータアニメーションはテレビコマ
ーシャルを始めとして、多くの分野で頻繁に利用される
ようになってきた。これに伴い、コンピュータアニメー
ションに対して、より高画質な画像、よりリアリスティ
ックな動きなどの要求が一段と高くなってきている。

しかし、コンピュータアニメーションを制作する際、移
動体の行動制御はほとんどアニメータの手作業によるこ
とが多（、多くの物体が入り組んだ複雑な環境では、物
体同士の複雑な相互影響を考慮する必要があるため、ア
ニメータの負担が大きくなりすぎ、行動制御が複雑にな
ることが多い。そのため、最近、行動制御の自動化の研
究が盛んになってきている。ところが、現在ではそのほ
とんどが物体そのものの動作の自動化に主眼を置いてお
り、物体と他の物体との相互干渉を考慮した自動化につ
いては、十分論議が行われているとはいえない［Ｗｉｌ
ｈｅｌｍｓ、Ｊ、、”Ｔｏｗａｒｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉ
ｃＭｏｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ”、　ＩＥＥＥ　Ｃｏ
ｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ　ａｎｄＡｐｐｌｉｃ
ａｔｉｏｎｓ、Ｖｏｌ、７．ｌＩ４．Ａｐｒｉｌ　１９
８７．　ｐｐ、１ｌ−２２ｉ山川浩之はか「コンピュー
タアニメーションにおける行動制御の一手法」第４回Ｎ
ＩＣ０ＧＲＡＰＨ論文コンテスト論文集、　ｐｐ、９８
−１０３．　（１９８８）、社団法人日本コンピュータ
グラフィックス協会；深沢勝彦はか「動画像創成におけ
る自動動き制御方法の検討」情報処理学会　第３８回合
国大会講演論文集（Ｉ＋）　、　ｐｐ、７２８−７２９
．　（１９８９）］。

即ち、本来レンダリングを行うためのモデルである物体
の形状モデルと質感モデルのみを使用して困難な衝突回
避制御を行っているのが現状である。

更に、従来の衝突検知システムについて、詳述する。

自動衝突回避問題では、従来からロボットの分野などで
よく利用されるポテンシャル関数が導入される。これは
障害物からは移動体までの距離に応じて反発力が発生し
、逆に目標物までは引力を生じるという考え方に基づい
ている。

このようなポテンシャル関数導入の手法を採用する場合
、コンピュータグラフィックスやロボットの分野におい
て、障害物を回避しながら移動体経路を自動検出するた
めの一つの試みは、移動体を点と考えることであった。

これは、移動体はある一定の大きさを実際には持つがそ
の経路を求めることが複雑になるために、移動体自身は
点として扱うほうが都合がよいとの考慮によるものであ
る。

しかしながら、このように移動体を点と考える手法によ
れば、例えば点なら通り抜けることができるが、ある大
きさを持つものなら通り抜けることができないような狭
い障害物間を通り抜ける経路までも誤って自動生成して
しまう不都合があった。

そこで、このような不都合回避のために、あらかじめ移
動体の大きさの分だけ、障害物を膨張させた新たな環境
下で、点物体が移動する経路を考える手法が提案されて
いる。ところが、この場合においても複数の物体が複雑
に配置されている空間ではポテンシャル関数の計算が困
難であり、ポテンシャル７オースが期待しない方向を示
してしまう危惧があった。

更に、ポテンシャル関数を導入した手法では。

引力と反発力が釣り合う点で移動体が停留してしまう事
、反発力と正反対な方向に移動する物体に対して方向転
換をさせることができない事などの不都合もあった。

これに対して、Ｒｅｙｎｏｌｄｓは、５ｔｅｅｒ−ｔｏ
−Ａｖｏｉｄという考え方に基づく衝突回避制御を提案
している［Ｒｅｙｎｏｌｄｓ、ＣＪ、、”Ｆｌｏｃｋｓ
、Ｈｅｒｄｓ、ａｎｄ　５ｃｈｏｏｌｓ：Ａ　　Ｄｉｓ
ｔｒｉｂｕｔｅｄ　　Ｂｅｈａｖｉｏｒａｌ　　Ｍｏｄ
ｅｌ”　　ＣｏｍｐｕｔｅｒＧｒａｐｈｉｃｓ　Ｖｏｌ
、２１．１１４．　Ｊｕｌｙ　１９８７．（ＡＣＭ　５
ＩＧＧＲＡＰＨ’８７Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）ｐｐ、
　２５−３４］。

これは、視界内に傷害物が検知されれば、それを避ける
方向に、移動体の移動方向を変更することにより、長期
的な行動計画に基ずく、衝突回避を行おうとするもので
ある。

このような５ｔｅｅｒ−ｔｏ−＾ｖｏｉｄ手法は、前述
のポテンシャル関数による考え方より柔軟で一般性があ
り、現在では最も有望視されている。

従って、本願発明者はこの手法についての研究を進め、
これによる衝突回避システムのシュミレーション化に取
り組んでいる。

しかしながら、このような衝突回避システムにおいても
、今後の解決課題として、以下の如き問題点が列挙され
る。

（１）、障害物の輪郭によって障害物の検知が行われる
ため、輪郭の計算が行いやすい形の障害物しか対象とさ
れていない。

（２）、移動体の視界内に障害物が複数偏重なり合って
いる場合が考慮されていない。例えば、移動体の進行方
向線上に障害物がある時、それを避ける方向が単に今注
視している障害物だけにとられているため、近距離にあ
る他の障害物の方向に近づいてしまう可能性がある。

（３）、移動体の移動方向にどんなに遠くても障害物が
検知される場合、その影響力がほとんどなくても必ず衝
突回避のアルゴリズムが働いてしまい計算時間の無駄が
生じる。

（４）、壁などの移動体の視野を全て占めてしまうよう
な障害物が検、知された場合、それを回避する方向が特
定できない。

（ハ）発明が解決しようとする課題 本発明は、前記に列挙した５ｔｅｅｒ−ｔｏ−Ａｖｏｉ
ｄ手法のもつ欠点を改良し、障害物検知、及び衝突回避
が自動的に行えるような衝突検知システムを提供するも
のである。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明の衝突検知システムは、移動体の進行方向と垂直
な平面（衝突検出平面と呼ぶ）を求める手段と、三次元
空間に配置された静止あるいは移動可能な障害物を上記
移動体と垂直な平面上に写像する手段と、該写像手段で
の写像結果に基づいて移動体と傷害物との衝突が将来発
生する可能性があるかどうかを判定し、衝突を回避する
ための情報を出力する手段とを具備したものである。

（ホ）作用 本発明の衝突検知システムによれば、三次元空間を移動
する物体をその進行方向と垂直な平面に写像し、その平
面上に同じく三次元空間に配置された障害物を写像を行
うことで、移動体が将来障害物に衝突するかどうかの可
能性を移動体の実際の大きさを考慮しながら判定でき、
衝突を回避するための情報を提供することが可能となる
。

（へ）実施例 第１図は本発明の衝突検知システムの一実地例を示す機
能構成図である。

第１図に於て、ｌは移動体の進行方向に対して垂直な衝
突検出平面を求める衝突検出平面決定装置、２は該装置
ｌで決定された衝突検出平面上に三次元空間にある移動
体と同じく三次元空間に配置された障害物を写像する三
次元写像変換装置、３は該装置２で衝突検出平面に写像
された障害物領域と移動体領域との交差関係を判定して
衝突を回避するための衝突回避情報を出力する領域交差
判定装置である。

第２図は第１図の機能構成で達成するシステムの写像動
作を示す模式図であり、同図に基づき本発明システムの
動作を説明する。

衝突検出平面決定装置１は、移動体情報（三次元空間座
標と移動速度）に基づき、これの移動方向と垂直な平面
を決定する。

三次元写像変換装置２では、まず衝突検出平面決定装置
１からの移動検出平面情報に基づき、この平面（衝突検
出平面と呼ぶ）をｘ−ｙ平面とし、移動体Ｍの中心の移
動方向を２軸の正方向とする座標変換を行う。

該三次元写像変換装置２では、更に入力される移動体情
報（三次元空間座標と移動速度）に従い移動体Ｍを衝突
検出平面に等倍で写像し、その平面上を占める移動体Ｍ
の写像を含む方影（ピクセルのシンプルな集合で表す）
からなる仮想移動体の領域を設定する。この領域を移動
体領域ＭＥと呼ぶ。

そして、更に該三次元写像変換装＠２は、入力される傷
害物情報（三次元空間座標と移動速度）に基づいて、衝
突検出平面上に各障害物りを等倍写像し、夫々の障害物
領域ＤＥ、ＤＥを得る。

尚、該三次元写像変換装置２に障害物を障害物を写像す
るかどうかを決定するための障害物写像決定手段を付加
しておけば、移動体に対して十分遠い距離にある障害物
はある時間内では衝突の可能性がないので、これを写像
せずに無視できる。

このような障害物写像決定手段によれば、写像された障
害物は比較的近距離にあって、これを回避するための処
理が必要であることを示している。

従って、例えば衝突検出平面に写像された障害物領域Ｄ
Ｅが、例えば移動体領域ＭＥと交差する（重なる）なら
、この障害物りは移動体Ｍと近距離にあって、しかもこ
の移動体Ｍがこのまま直進すると近い将来その障害物り
と衝突する可能性が高いと言うことになる。又、これら
両領域ＤＥ、ＭＥが交差しなくても、障害物の移動を考
えるなら、それに応じた衝突の可能性があるということ
である。

領域交差判定装置３は、上記衝突検出平面に写像された
移動体領域ＭＥと障害物領域ＤＥ、ＤＥとの交差状況、
あるいは交差がなくともこれら領域の配置関係から将来
移動体Ｍが各障害物り、　Ｄと衝突するかどうかの可能
性を総合的に判断し、これに基づいて移動体の進行方向
を転換すべき方向を決定する。

該領域交差判定装置３の判定処理を中心としたシステム
アルゴリズムについて、第３図（イ）、（ロ）の衝突検
出平面模式図に従って、以下に詳述する。

■　視野　　３図　イ　及び　２図　照既に、移動体Ｍ
の大きさを正確に反映するように、その輪郭で囲まれる
最小の領域が移動体領域ＭＥとして設定されている。こ
こでは該領域ＭＥに対してその視野をある一定の幅でひ
とまわり大きくとった視野を環境領域ＣＥとして設定す
る。

以後、これら円領域ＭＥ、ＣＥ内の障害物領域の存在に
基すいて、移動体Ｍと傷害物りとの衝突判定及び衝突回
避方向の決定を行う。

Ｕ　　　動経路の自　生成 （１）、各傷害物Ｄｉ　　［−１，２，３・・・］に対
して各衝突発生可能度Ｐ（ｉ　）を求める。

（２）、後述する衝突発生可能度Ｐ（ｉ）がゼロになる
傷害物Ｄｉは移動体視野も含めた境界視野から除去る。

（３）、移動体視野内、即ち上述の移動体領域ＭＥに傷
害物体が検出されなければ、直進する。

（４）、境界視野内に残った傷害物りに対して、衝突回
避制御を行う。

肌−１文旦皿韮 障害物りの座標を（ｘ、ｙ、ｚ）、その移動速度の座標
成分を（Ｖ　Ｘ＋　Ｖ　ＹＩ　Ｖ　ｚ）、移動体の２軸
方向の速度をＶ、障害物と移動体との距離をｄ、並びに
距離の定数をｋＤとした場合の各傷害物Ｄｉに対する衝
突発生可能度Ｐ（ｉ　）は以下の通りである。

Ｐ（ｉ　）＝ｆ（ｄ）・ｇ（Ｖ、ｖ；７）・ｈ（ｘ、ｙ
、ｖ）但し、 ■ｈ（ｘ、ｙ＋７） （Ｉ）、各障害物領域ＤＥの頂点と原点とを結ぶ直線が
その傷害物領域ＤＥと接し、しかも交差しないような頂
点を検出する。

（２）、原点を中心とした単位円ＵＣを設定し、検出さ
れた上記各頂点と原点とを結ぶ直線がこの単位円ＵＣと
交わる点を検出し、この点をベクトル表示する。即ち、
各傷害物領域ＤＥについて２つずつのベクトルが決定さ
れる。同図の場合、ＯＰ’。

ＯＱ’、ＯＲ’、ＯＳ’　　となる。

（３）、隣り合うベクトルの内、同じ障害物領域ＤＥに
属さないベア・ベクトルを検出する。この場合（ＯＰ’
、Ｏ５’）、（ＯＱ’、ＯＲ’）となる。

（４）、求める回避方向の候補は、これらベア・ベクト
ルの和で表される。この場合は以下のとおり。

０Ａ１＝ａＯＰ’＋ｂＯ５’ ０Ａ２＝ｃＯＲ’＋ｄＯＱ’ （５）、上記の候補を表す式の変数ａ、ｂ、ｃ、ｄを衝
突発生可能度Ｐ（Ａ）、ＰＣＢ）により求める。即ち。

０Ａ１＝ａＯＰ’／Ｐ（Ａ）＋ｂＯ５’／Ｐ（Ｂ）ＯＡ
２＝ｃＯＲ’／Ｐ（Ａ）＋ｄＯＱ’／Ｐ（Ｂ）■　経路
生成　　３図　口　　照 上述のようにして得られた衝突回避方向ベクトルの複数
の候補の内からゴールＧに向かうベクトルＯＧに最も近
いベクトルを選択する。この場合は、ＯＡＩが選択され
る。

以上如きアルゴリズムは逐次実行されるので、移動体Ｍ
や傷害物りの形・大きさの動的に変化したとしても、こ
れに影響されずに、適切に傷害物りを検知できるととも
に最適な移動経路を見い出す事ができる。

このように、本発明では、前述のＲｅｙｎｏｌｄｓの５
ｔｅｅｒ−ｔｏ−Ａｖｏｉｄによる制御の様々な欠点を
補いかつ行動属性をあらかじめ物体のモデルに組み込む
ことにより、アニメークに意識させることなく衝突を自
動的に回避できるようなアルゴリズムが実現できる。こ
のアルゴリズムによれば、物体の形状情報とその物体の
移動速度（大きさ及びその方向）など動的な変化を伴う
行動情報とを基に障害物を検知、衝突回避を行うことが
可能になる。

また一般に、障害物の衝突回避制御は、移動空間の大局
情報に基づく方法と局所情報に基づく方法とがあるが、
瞬間的には移動体は衝突を避ける方向に移動する。即ち
、大局的にみれば、目的地点に近付くというのが大局的
制御であり、移動体の方向転換制御に利用される。

これに対して、本発明システムのアルゴリズムでは、こ
の大局的情報も考慮しつつ、環境の動的変化があっても
対処できるよう局所情報を活用して方向転換と速度制御
を行い、衝突を回避するのが可能となる。

言い換えると、本システムのアルゴリズムの一つの特長
は、移動体と障害物の距離を考慮しており、たとえ進行
方向上に障害物があろうとも、遠くにある場合は進路変
更を行わないので、無駄な計算時間を省くことができる
。又、障害物との距離が分かっていることから、たとえ
移動速度ベクトルの一点上に障害物が存在したとしても
、それのみにとられれることなく、視界内に入っている
他の障害物を総合的に理解した上で、まずどの障害物を
避けなければならないかを判断することができる。そし
て、単に障害物との距離だけにより移動体の衝突回避方
向を決定するのではなく将来衝突する可能性のある障害
物の進路及びその速度をも考慮して、無駄な回避や非効
率な回避動作を行わないように制御することも可能であ
る。

（ト）発明の効果 本発明の衝突検知システムによれば、傷害物との衝突を
回避しつつ移動体の経路を求めるのに、三次元空間に配
置された障害物を膨張させるような複雑な計算を行う必
要がなく、また、衝突検出平面に写像された移動体領域
と障害物領域との交差関係をチエツクするのみで将来移
動体が障害物と衝突するかどうかの可能性を容易に判断
することができる。

しかも、移動体は点ではなく実際の大きさを考慮してい
るため、ロボットなどの分野にも実用的に利用すること
ができる。しかも、動的に障害物をモニタリングしてい
るために、動的に移動体や障害物の大きさ・形が変化し
ても全く影響を受けずに傷害物の回避ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の衝突検知システムの一実地例を示す機
能構成図、第２図は第１図の機能構成で達成するシステ
ムの写像動作を示す模式図、第３図（イ）、（ロ）は衝
突検出平面模式図である。 ｌ・・・衝突検出平面決定装置、２・・・三次元写像変
換装置、３・・・領域交差判定装置。 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）移動体の進行方向と垂直な平面を求める手段と、
   ３次元空間に配置された静止あるいは移動可能な障害物
   を上記移動体と垂直な平面上に写像する手段と、該写像
   手段での写像結果に基づいて移動体と傷害物との衝突が
   将来発生する可能性があるかどうかを判定し、衝突を回
   避するための情報を出力する手段とを具備してなる衝突
   検知システム。