JPH0370803B2 - - Google Patents

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JPH0370803B2
JPH0370803B2 JP58192353A JP19235383A JPH0370803B2 JP H0370803 B2 JPH0370803 B2 JP H0370803B2 JP 58192353 A JP58192353 A JP 58192353A JP 19235383 A JP19235383 A JP 19235383A JP H0370803 B2 JPH0370803 B2 JP H0370803B2
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Koji Kameshima
Juji Hosoda
Yoshuki Nakano
Masakatsu Fuje
Taro Iwamoto
Kazuo Pponma
Takashi Yoshida
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    • G01S3/7865—T.V. type tracking systems using correlation of the live video image with a stored image
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ロボツト等の移動体の誘導装置に係
り、特に周囲の状況を理解し環境に適応して移動
体を目的地まで移動させることができる誘導装置
に関するものである。
〔従来の技術〕
現在稼働しているロボツトの多くは、工場等の
ような整つた環境下で使用されている。しかし、
近年では整つた環境下以外でも使用し得るトボツ
トが要求されている。この要求を実現するために
は、ロボツトに知能機能および移動機能を与える
ことが必要である。この移動機能の具備により、
ロボツトの作業範囲を拡大させることができると
共に、環境条件の悪い場所にもロボツトを所望の
目的地まで自律的に誘導する誘導装置が要求され
ている。その誘導装置の一例としては、ハンス・
ピー・モラベツク（Hans P.Moravec）による
“ザ・スタンフオード・カート・アンド・ザ・シ
ー・エム・ユー・ローバ”（The Stanford Cart
and The CMU Rover）と題する文献（1983年
２月24日発行く）に論じられているように誘導情
報に画像情報を用いる方式がある。この画像情報
を用いる誘導装置は、テレビカメラ等で得た画像
を処理して、画像の特徴点を抽出し、その特徴点
の配置に基づいて、方向距離等の３次元的な物体
配置を計算し、この計算に基づいて物体までの距
離を検出して、方位、速度等の誘導信号を求め、
この誘導信号によつて移動体を誘導するものであ
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
この種の誘導装置では、多数の画像情報の処理
ステツプを有しているとともに、各処理ステツプ
での演算操作に多大な時間を要する。このため、
移動体を高速で誘導する場合には、順次取り込ん
でいる画像情報の一部分しか利用することができ
ない。また、上述の誘導装置では、上述したよう
に画像処理上、各画像面を独立のものとして取扱
うため、振動等に起因する画像のぶれが、移動体
の誘導信号抽出に際して直接影響を与え、正確な
誘導信号が得られないことになる。
これらの事情のために、従来の誘導装置は、振
動がほとんど生じない整つた状況で用いられ、ま
た一定の目標物を常に利用できるか、もしくは認
識パターンを備えた状況下で用いられている。ま
た、周囲状況を十分に認識し得るように、移動体
を低速で走行させなければならなかつた。このた
め、上述の誘導装置は、一般の環境内で移動する
移動体に用いることは不向きである。
本発明は上述の事柄に基づいてなされたもの
で、移動体を一般の環境内で高速で移動誘導させ
ることができる誘導装置を提供することを目的と
する。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の上記の目的は、移動体から周囲環境を
観測することにより得られる観測画像にもとづい
て移動体を予め与えられた移動経路に沿つて誘導
する誘導装置において、移動体の位置情報に関連
してその位置で周囲環境を観測した場合の観測画
像から抽出されるであろうところの予測パターン
を作成する予測パターン作成手段と、実際に環境
を観測して得られた観測画像から観測特徴パター
ンを抽出する画像処理装置と、この画像処理装置
からの観測特徴パターンと前記予測パターン作成
手段からの移動体の位置情報により得られる予測
パターンとを比較してその位置ずれ量をパターン
間の作用力として求め、この作用力によつて移動
体に移動信号を出力する誘導制御装置とを備える
ことで達成される。
〔作用〕
観測パターンと予測パターンとを照合し、その
ずれ量をこれらのパターン間で作用する作用力と
して求め、この作用力にもとづいて移動体にその
誘導信号を出力する。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。
まず、本発明の実施例の説明に先立つて、本発
明の原理を説明する。本発明の移動体の誘導信号
を得るためのアルゴリズムを、詳しく述べると、
第１図に示すように、移動体の走行モータの回転
量およびステアリング量等にもとづいて、移動体
の現在位置の事前推定値X0を求め、ついでこれ
に対応する予測画像fpを環境モデル情報Ｋと予測
手段Ｌとにより予測する、ここで、予測手段Ｌは
視点Xtに基づく環境モデルＫの透視計算を行う
手段である。又、情報Ｋは次の目標地点に対応す
る移動目標物体の形状データ（３次元輪郭）を示
す。その後、この予測画像fpと観測画像fnとの比
較を行つてその画像誤差Efを求め、この画像誤差
Efを交換手段Ｍにより位置誤差Exに変換する。こ
の位置誤差Exにもとづいて前記の事前推定値X0
を修正して位置推定値Ｘを求めている。この位置
推定値Ｘにもとづいて移動体は所望の経路に誘導
される。前述した移動体の現在位置を予め設定さ
れた経路に一致させるための情報は、位置推定の
残差Exとしてテレビカメラのサンプリング速度
（撮像速度）で常時入手される。
本発明においては、前述した誘導信号を求める
演算フローにおける位置誤差変換のための予測画
像fpと観測画像fnとの比較に際して、これらの画
像のパターン間に力学的モデルを導入して得られ
るダイナミツクな位置推定手段を用いている。
この推定手段は、第２図に示すように、同一空
間Ｓ内にパターンＡおよびパターンＢを配置し、
さらにこれらのパターンＡ，Ｂにそれぞれの操作
機構MA，MBを設け、操作機構MA，MBのいずれ
かもしくは両者を操作して、パターンＡ，Ｂ間に
働く相互作用φABを減少させるようにパターンを
動作させて、パターンマツチングをダイナミツク
に実行する。
次に上述したパターン間に働く相互作用φABに
ついて述べる。
以下、説明を単純化するために、第２図に示す
ように、空間Ｓを画面とし、パターンＡは観測画
像にもとづいくパターンとし、パターンＢは環境
モデルＫによつて生成された予測画像にもとづく
パターンとする。いま、パターンＡが与えられた
とき、パターンＢの位置をパターンＡに接近させ
る適応則を見出す必要がある。この適応則は空間
Ｓ上にパターンＡにより生成されたポテンシヤル
φAを導入することによつて得られる。このポテ
ンシヤルφAは次(1)式により求めることができる。
αφA＋XA＝０ ……(1) ここで、αはσx・∂2／∂x2＋σy・∂2／∂y2なる微
分作 用素である。ただし、σx、σyはポテンシヤルφAの
空間的広がりを表わるパラメータである。また、
(1)式において、XAはパターンＡを空間Ｓの部分
集合とみなしたときの定義関数である。
次に上述した空間Ｓ上のパターンＡのポテンシ
ヤルφA場により、パターンＢの受ける作用FB（例
えば引力）は、次(2)式より求めることができる。
ここでは説明の便宜上、２次元平面内でのｘ軸お
よびｙ軸方向への移動のみを対象としている。
FB＝SXB・DφAdS ……(2) ただし、XBはパターンＢを空間Ｓの部分集合
と同一したときの定義関数であり、Ｄは勾配作用
素、即ち（σx・∂／∂x，σy・∂／∂y）′なる微分作
用素 を表している。
上記では、目標地点に対する前後左右位置のず
れのみを検出し、移動機構を制御する方法を説明
した。この方法では、目標地点に対する方向ずれ
を直接検出していないが、実際上は問題とならな
い。なぜなら、左右の方向ずれはそれぞれ左右へ
の位置ずれと解釈できるからである。
実際移動中、このような解釈に基づいて移動機
構を第１図のように連続的に制御することによ
り、誤差の累積は防止される。
なお、上記(1)，(2)式ではＡを観測パターンＢを
予測パターンと定めた。この対応は、便宜的なも
のであり、Ａを予測パターン、Ｂを観測パターン
としても(2)式のFBの値は同一となる。
上述の(1)式および(2)式により、パターンＢをパ
ターンＡに対して変形させるための情報、すなわ
ち移動体の誘導情報を得ることができる。しか
し、この演算における(1)式においては無限次元の
連立方程式を含んでいるため、つぎの近似式(3)を
用いることがよい。
∂φA／∂t＝αφA＋XA ……(3) 上記(3)式のポテンシヤルφAの解を解いて、パ
ターンＢをパターンＡに移動操作するための操作
機構MBの出力UBは、次の(4)式によつて求めるこ
とができる。
UB＝−SXB・DφAdS ……(4) 上記(3)式および(4)式から構成されるパターンマ
ツチング機構は、画像メモリおよび２種類の領域
演算装置によりハードウエア化することができる
ものである。
なお、(4)式ではＡを観察パターン、Ｂを予測パ
ターンとしたが、Ａと予測パターンとし、Ｂを観
察パターンとしてもUBの値は同一となる。
以上述べた本発明の原理にもとづいて、本発明
の誘導装置の実施例を、第３図を参照して説明す
る。この図において、本発明の誘導装置によつて
誘導される移動体１は例えば車輪、無限軌道等の
走行部１Ａを備え、操向装置（図示せず）によつ
て所望の方向に移動することができる。この移動
体１は自己の位置を予測するための情報を提供す
る方位検出用のジヤイロスコープ１Ｂおよび走行
部１Ａの回転量検出用の検出器１Ｃを備えてい
る。また、移動体１はその前方の状況を画像状況
として取り込むテレビカメラ２を備えている。
この移動体１を誘導する本発明の誘導装置は、
ジヤイロスコープ１Ｂおよび検出器１Ｃからの情
報信号にもとづいて移動体１の経路中の位置を検
出する移動体位置検出手段３と、この移動体位置
検出手段３から推定される環境の特徴推定パター
ン、例えば建屋内の階段の平行線群、廊下と壁と
の境界、窓等の線形状パターンおよび建屋内経路
情報を記憶しこの情報から予測特徴パターンを作
成する記憶手段４と、テレビカメラ２からの観測
画像を同時に複数の特徴パターンに処理すると共
に、照合のために有効な特徴パターンを抽出する
画像処理装置５と、この画像処理装置５からの有
効な観測特徴パターンと前記予測特徴パターンを
作成する記憶手段４からの予測特徴パターンとの
一致性を検討する照合手段６と、この照合手段６
で得られた観測特徴パターンと予測特徴パターン
との比較により移動体１の誘導信号を演算し、移
動体１に出力する誘導制御手段７とを備えてい
る。
この照合手段６は予測パターンの一致性を計算
し、許容範囲を超えた不一致時には検出パターン
を消去する機能を有する。照合手段６は予測パタ
ーン（４よりの出力）に対応するパターンで選択
的の抽出される（雑音消去）。予測パターンが異
なるときは照合手段６の出力が異なる（複数出力
してもよい）。誘導制御手段７の誘導信号は上述
のように移動体１を目標経路に沿つて移動させる
と共に、その位置制御のための信号として用いら
れる。
誘導制御手段７は前述したように予測パターン
と観測パターンとの間に働くポテンシヤルφAの
場を演算するポテンシヤル場演算手段７Ａと、こ
のポテンシヤルφAの場によつて得られる観測パ
ターンの予測パターンに対する作用力FBの勾配
ベクトルを演算する作用力演算手段７Ｂとを備え
ている。これらの演算手段７Ａ，７Ｂの演算内容
は、前述した本発明の原理によつて実行される。
上記説明ではＡを観測パターンＢを予測パター
ンとしている。この対応づけを逆にし、Ａを予測
パターン、Ｂを観測パターンとしても同様の誘導
信号が得られる。
前述した画像処理装置５は、第４図に示すよう
に、入力画像を書き込む入力画像メモリ５０１
と、入力画像メモリ５０１への書き込みアドレス
を制御するパターンメモリ５０２、処理画像をス
トアする処理画像メモリ５０３と、与えられた画
像の画素ごとに各画素の濃淡値をその近傍の画素
の濃淡値にもとづいて修正する修正値を計算する
画像演算器５０４と、入力画像メモリ５０１およ
び処理画像メモリ５０３の画素の濃淡値の大きさ
方の値に対応する語長のデータに対する演算を実
行するハードロジツク回路５０５と、入力画像メ
モリ５０１、処理画像メモリ５０３およびハード
ロジツク回路５０５の値を選択的に出力するスイ
ツチ５０７〜５０９と、スイツチ５０７〜５０８
を制御するメモリコントローラ５１１と、メモリ
コントローラ５１１、パターンメモリ５０２、ハ
ードロジツク回路５０５、画像演算器５０７およ
びスイツチ５１０を制御するコントローラ５１２
とを備えている。この画像処理装置５は入力画像
すなわち観測画像から同時に複数の観測特徴パタ
ーンを抽出するために、複数個設置されている。
この画像処理装置５は前述したようにパターン
メモリ５０２により入力画像を入力画像メモリ５
０１にストアし得るので、歪補正のためのアドレ
ス変換演算は不要であり、画像入力信号に対して
リアルタイムで歪補正、位置向きの変換等を実行
することができる。この際、パターンメモリ５０
２の内容はコントローラ５１２により変換設定す
ることができる。また、この画像処理装置５はコ
ントローラ５１２により操作される画像演算器５
０４とハードロジツク回路５０５とにより、前述
したポテンシヤル場演算手段７Ａおよび作用力演
算手段７Ｂの機能を持つように切り換え使用する
ことができる。
次に上述した本発明の誘導装置の実施例によつ
て移動体１を誘導する動作を説明する。
いま、第３図に示す移動体１はその前方にある
階段に向かつて移動する場合を設定する。このと
きテレビカメラ２はその階段を撮影し、その画像
信号ｆを、画像処理装置５に出力する。このと
き、第５図に示すように画像処理装置５における
パターンメモリ５０２はテレビカメラ２のレンズ
の収差補正データを書き込んだ。歪パターンメモ
リに設定され、また画像演算器５０４は水平方向
の拡散に対応した演算パラメータに設定され、さ
らにハードロジツク回路５０５は画素の演算を行
うように制御される。この設定により、第５図に
示すように歪をもつた階段画像f1が入力された場
合に、この歪をもつた階段画像f1の情報は歪を除
去した階段画像f2の情報として入力画像メモリ５
０１にストアされる。この歪を除去された階段画
像f2はハードロジツク回路５０５および画像演算
器５０４により、例えば階段のステツプに相当す
る水平線画像f3に処理される。この水平線画像f3
は処理画像メモリ５０３にストアされる。このス
トアされた水平線画像f3の情報は、スイツチ５０
８，５１０によつて誘導制御装置７のポテンシヤ
ル場演算手段７Ａに出力される。
このポテンシヤル場演算手段７Ａは、(3)式の計
算を実行するものであり、前述したように第４図
に示す画像処理装置５と同一構成で実行し得るこ
とを述べた。このため、第６図はポテンシヤル場
演算手段７Ａの構成として取扱う。この場合、パ
ターンメモリ５０２は画像処理装置５からの画像
情報の特定領域を全画面に拡大する機能、すなわ
ち切り出し機能を行うように設定され、また、画
像演算器５０４はその演算パラメータを等方性の
拡散に設定され、さらに、ハードロジツク回路５
０５は加算モードに設定されている。この状態に
おいて、第５図に示す画像処理装置からの水平線
画像f3の情報は切り出し設定されたパターンメモ
リ５０２によつて例えば１つの水平線の情報f4の
みが入力画像メモリ５０１にストアされる。この
情報f4のみが入力画像メモリ５０１にストアされ
る。この情報f4はハードロジツク回路５０５にお
いて画像演算器５０４からの等方性の拡散を有す
る演算信号が加算されて、認識した情報f4への接
近の一つの尺度となるポテンシヤル場の情報f5に
変換される。このポテンシヤル場の情報f5は処理
画像メモリ５０３にストアされると共に、スイツ
チ５１０を通してこれに接続する作用力演算手段
７Ｂに出力される。
この作用力演算手段７Ｂは、(4)式の計算を実行
するものであり、前述したポテンシヤル場演算手
段７Ａと同様に第４図に示す画像処理装置５と同
一の構成で実現することができる。この作用力演
算手段７Ｂの動作を第７図によつて説明する。こ
の場合、パターンメモリ５０２は記憶手段から入
力される予測パターンに基づいてポテンシヤル場
の情報を切り出す。具体的には、パターンメモリ
５０２は入力されたポテンシヤル場の情報f5を予
測パターンが画面内の中央に位置するように切り
出すべく設定され、また画像演算器５０４は作用
力における勾配計算用の演算パラメータに設定さ
れ、さらにハードロジツク回路５０５は積算モー
ドに設定されている。この状態において、ポテン
シヤル場演算手段７Ａからのポテンシヤル場の情
報f5はパターンメモリ５０２によりその一部の情
報f6のみを抽出されて、入力画像メモリ５０１に
ストアされる。この情報f6はハードロジツク回路
５０５を通して画像演算器５０４に加えられる。
ここで、この情報f6は作用力の要素を表わす勾配
場の情報f7に演算される。この勾配場の情報f7は
予め設定した移動体１の移動経路に対する移動ず
れ量を表わしている。換言するならば、この勾配
場の情報f7は設定移動経路に対して移動体１が進
むべき位置向きを表わしている。この勾配場の情
報f7は処理画像メモリ５０３にストアされると共
に、ハードロジツク５０５により(4)式に対応する
その積算による作用力のベクトルにもとづいて移
動体１の誘導信号としてスイツチ５１０を通して
第３図に示す移動体１に出力される。この誘導信
号は移動体１の走行装置を操作する。これによ
り、移動体１は所定の経路に沿つて誘導され、目
的地に向かつて移動することができる。また、こ
の誘導信号は移動体位置予測手段３からの移動体
の予測位置値に比較され、実環境を走行する際に
生じる種々の誤差、例えばスリツプ、路面の凹凸
等により生じる走行距離誤差、左右のモータのア
ンバランス、ジヤイロスコープのドリフトに起因
するステアリング誤差等を修正すると共に、走行
開始時点での位置並びに方向誤差を補正してい
る。
以上の説明から明らかなように、本発明では設
定した経路すなわち移動体の目標値は予測パター
ン作成手段４に格納されている外界のデータおよ
び走行経路のみであり、直接実環境での位置、移
動経路を規定していない。このため、移動経路を
変更する場合には、予測パターン作成手段内の記
憶データを書替えるだけでよい。また、移動目標
を直接実環境で与えていないので、膨大な移動計
画を有する場合にも、移動体の絶対位置を高精度
に測定する必要がないものである。
上述した実施例によれば、テレビカメラによつ
て観測した観測画像は画像処理装置によつて、同
時に複数の特徴パターンに抽出され、その内で最
も良好に認識されたパターンを誘導の指標とする
ので、精度のよい誘導が可能である。さらに、こ
の観測パターンと予測パターンとの間の偏差を表
す情報は、誘導制御装置７によつてリアルタイム
で検出される。
なお、上述の実施例においては、誘導性の向上
のために照合手段６によつて観測特徴パターンと
予測特徴パターンとの一致性判断を行つたが、こ
の照合手段６を用いなくても、本願発明は実行可
能である。
また、上述の実施例においては、移動体とし
て、平面上を移動する走行車を例にとり説明した
が、本発明は海中、空中での移動体の誘導にも適
用することができる。さらに本発明は視覚手段と
して超音波レーダ等を用いてパターン計測を行つ
た場合にも同様に適用することができる。また、
移動体の位置検出方策として、移動体の速度にも
とづいて位置を検出することも可能である。
〔考案の効果〕
以上詳述したように、本発明によれば、移動体
を広範囲の一般的な環境内で高速で移動させるこ
とができる。また、移動体を自律的に誘導するた
めの知能化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の原理を説明するブロツク図、
第２図は本発明の原理の動作を説明する図、第３
図は本発明の誘導装置の一実施例の構成を示す
図、第４図は本発明の装置を構成する画像処理装
置の一例の構成を示す図、第５図はその動作を示
す図、第６図は本発明の装置を構成するポテンシ
ヤル場演算手段の一例の構成を示す図、第７図は
本発明の装置を構成する作用力演算手段の一例の
構成を示す図である。 １……移動体、１Ａ……その走行部、１Ｂ……
ジヤイロスコープ、１Ｃ……検出器、２……テレ
ビカメラ、３……移動体位置検出手段、４……予
測特徴パターン作成手段、５……画像処理装置、
６……照合手段、７……誘導制御装置。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 移動体から周囲の環境を観測することにより
    得られる観測画像にもとづいて移動体を予め与え
    られた移動経路に沿つて誘導する誘導装置におい
    て、移動体の位置情報に関連してその位置で周囲
    環境を観測した場合の観測画像から抽出されるで
    あろうところの予測パターンを作成する予測パタ
    ーン作成手段と、実際に周囲環境を観測して得ら
    れた観測画像から観測特徴パターンを抽出する画
    像処理装置と、この画像処理装置からの観測特徴
    パターンと前記予測パターン作成手段からの予測
    パターンとを比較してその位置ずれ量をパターン
    間の作用力として求め、この作用力によつて移動
    体に誘導信号を出力する誘導制御装置とを備えた
    ことを特徴とする誘導装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の誘導装置におい
    て、前記画像処理装置は、観測画像から同時に複
    数の特徴パターンを抽出するために複数個備えた
    ことを特徴とする誘導装置。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
    誘導装置において、前記誘導制御装置は、観測特
    徴パターンをポテンシヤル場演算手段と、該ポテ
    ンシヤル場に置かれた予測パターンの受ける作用
    力を演算し、これにもとづいて誘導信号を出力す
    る作用力演算手段とを備えたことを特徴とする誘
    導装置。 ４ 特許請求の範囲第１項または第２項に記載誘
    導装置において、前記誘導制御装置は、予測パタ
    ーンをソースとするポテンシヤル場を演算するポ
    テンシヤル場演算手段と、該ポテンシヤル場に置
    かれた観測特徴パターンの受ける作用力を演算
    し、これにもとづいて誘導信号を求める作用力演
    算手段とを備えたことを特徴とする誘導装置。
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