JPH0434664A - 衝突回避制御システム - 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 本発明は移動物体と障害物との衝突可能性を総合的に把
握して、この衝突を回避する移動物体の移動方向を自動
生成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
ションに灯して、より高画質な画像、より現実感のある
動きなどの要求が一段と高（なってきている。

このようなコンピュータアニメーションを制作する際、
移動物体の行動制御はほとんど制作者の手作業によるこ
とが多く、多数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行動
制御が複雑になり、制作者の作業負担が大きくなる欠点
があった。そのため、最近では、移動体の行動制御の自
動化の研究が盛んになってきている。

しかしながら、現存の研究段階では、物体そのものの動
作の自動化に主眼が置かれており、移動物体の経路生成
に関した自動化については、十分論議が尽くされている
とは云えない［Ｗｉｌｈｅｌｍｓ、Ｊｌ、”Ｔｏｗａｒ
ｄＡｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｍｏｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ
”、ＩＥＥＥＣｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ　ａ
ｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、　　Ｖｏｌ、７、参
４、Ａｐｒｉｌ　１９８７、ｐｐ、　１１−２２　；　
　雨用浩之ほか「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Ｊ１４回ＮＩＣ０ＧＲＡＰＨ論文コン
テスト論文集、ｐｐ、　９Ｂ−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回全国大会講演論文集（ＩＩ　）　
、　ｐｐ、　７２Ｂ−７２９、（１９８９）］　。

また、移動物体の経路生成に関した自動化についての報
告もあるが、物体間の相互作用を考慮せず、衝突回避制
御・進行方向制御を行っている。

ここで、従来の衝突検知システムについて、さらに詳述
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
ポテンシャル法がよく利用される。これは障害物からは
移動物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物体経路を自動検出する
ための一つの試みは、移動物体を点と考えることであっ
た。これは、移動物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、移動物
体自身を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、このように移動物体を点と考える手法に
よれば、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
動物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、煮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
雑に存在する空間では障害物を膨張させる計算が複雑且
つ困難であって、静的な環境下での経路生成への適用例
が中心であった。

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物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、レイノルド［Ｒｅｙｎｏｌｄｓｌは、ス
テア−・トウ・アポイド［５ｔｅｅｒ−ｔｏ−Ａｖｏｉ
ｄ］　という考え方に基づく衝突回避制御方法を提案し
ている（Ｒｅｙｎｏｌｄａ％Ｃ，！、、Ｆｌｏｃｋｓ、
　Ｈｅｒｄｓ、　ａｎｄ　５ｃｈｏｏｌｓ：　Ａ　Ｄｉ
ｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｅｈａｖｉｏｒａｌ　Ｍｏｄｅ
ｌｌｌＣｏｍｐｕｔｅｒＧｒａｐｈｉｃｓ　Ｖｏｌ、２
１、Ｉ４、Ｊｕｌｙ　１９８７、（ＡＣＭ　５ＩＧＧＲ
ＡＰＩ（’８７　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）ｐｐ、２５
−３４］。

これは、視界内に障害物が検知されれば、それを避ける
方向に、移動物体の移動方向を変更することにより、長
期的な行動針−に基づく衝突回避を行なうものである。

このような５ｔｅｅｒ−ｔｏ−Ａｖｏｉｄ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、有望視されている。

（ハ）発明が解決しようとする課題 上述の如き５ｔｅｅｒ−ｔｏ−Ａｖｏｉｄ手法による衝
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。

■、移動物体の視界内に障害物が複数個存在している場
合が考慮されていない。例えば、移動物体の進行方向線
上に障害物がある時、単に今注視している障害物だけを
注目して避ける方向を決定しているため、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。

■、どんなに遠くても移動物体の移動方向上に障害物が
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、余分な衝突回避
動作・無駄な計算時間が生じる。

■、壁などの移動物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。

本発明は、このような５ｔｅｅｒ−ｔｏ−Ａｖｏｉｄ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回避制御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 本発明の衝突回避制御システムは、移動物体の中心を原
点、その進行方向を正の２軸方向とする３次元座標空間
において、移動物体及び障害物をＸＹ平面からなる衝突
検出平面上に写像投影を行う写像投影手段と、該写像投
影手段に対して平行写像投影か透視写像投影かを指示す
る手段と、該写像投影手段で衝突検出平面に写像された
移動物体領域と障害物領域との交差関係を判定して衝突
を検出するための衝突検出手段と、障害物に対する衝突
危険度を求める衝突危険度算出手段と、衝突危険度算出
手段で得られた衝突危険度に基づき衝突の回避方向を決
定する手段とを具備してなるものである。

（ホ）作用 本発明の衝突回避制御システムによれば、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の写像
を行い、お互いの速度、位置を把握することで、移動物
体が将来障害物に衝突するかどうかの可能性を移動物体
の実際の大きさを考慮しながら判定でき、さらに総合的
に周りの環境を判断して衝突を回避することが可能とな
る。

（へ）実施例 まず、本発明の衝突回避制御システムの一実施例のアル
ゴリズムをｌｌ１図の７０−チャートに基づいて解説す
る。ここでは移動物体は、等速運動を行うものとする。

同図に於て、ステップＳ１では、移動物体の中心を原点
、その進行方向を正の２軸方向とする３次元オブジェク
ト座標空間に位置する移動物体と障害物情報とゴール情
報を、衝突検出平面上に平行写像投影を行う。

ステップＳ２では、上記ステップＳ１で投影された障害
物と移動物体との位置関係に於て、投影された移動物体
の領域内に障害物が重なって投影されたかどうかを判定
する。

ステップＳ３では、上記ステップｓ２に基づく判定によ
り投影された移動物体の領域内に障害物が投影されなか
った場合、移動物体の進行方向を変えずに直進とする進
路決定を行う。

ステップＳ４では、ステップＳ２に基づく判定により投
影された移動物体の領域内に障害物が重なって投影され
た場合、透視投影を行い、全体的に周りの環境における
障害物の状況を把握する。

次に、ステップＳ５では、ステップｓ４で透視投影され
た障害物に対して、それぞれ衝突危険度を算出する。

ステップＳ６では、ゴール方向の情報を加味して、大局
的に物体が進むべき方向を選択する。

ステップＳ７では、ステップ５で得られた衝突危険度を
基に衝突回避方向の候補を選、び、その中からステップ
Ｓ６で得られた大局情報を加味して最適な衝突回避方向
を導き出す。

以上の如きアルゴリズムを実現する本発明システムの機
能構成を第２ｒｌ！ｉに示し、該システムに於ける平行
写像投影動作、及び平行写像投影動作を第３図、及び第
４図の模式図に示す。

これらの図に基づき、以下に本発明システム及びその動
作を解説する。

第２図に於て、写像変換装置ｌは、ＩＩＥＩ図のステッ
プＳｌを実現するものであって、３次元座標空間の移動
物体及び障害物を衝突検出平面上に平行写像投影を行う
。

尚、該写像変換装置１に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
動物体がある時間内で、衝突の可能性がないほど遠い距
離にある障害物に対して、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。

該写像変換装置ｌでは平行写像投影を行い、移動物体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
動物体Ｍの写像を含む方形（ピクセルのシン１プルな集
合で表す）からなる仮想移動物体の領域を設定する。こ
の領域をオブジェクト・ビュー（移動物体領域）ＭＥと
呼ぶ。更に、該写像変換装置１は、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を得る。

衝突判定装置２は、１ｓ１図のステップＳ２を実現する
ものであって、該写像変換装置１で衝突検出平面に写像
された移動物体領域ＭＥと障害物領域ＤＥとの交差関係
を判定して衝突を検出する。

従って、衝突検出平面に写像された障害物領域・ＤＥが
、移動物体領域ＭＥと交差する（１なる）なら、この障
害物りは移動物体Ｍと近距離にあって、しかもこの移動
物体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。

一方、上記写像変換装置１における平行投影の結果、移
動物体領域ＭＥに障害物領域ＤＥが重ならない場合、衝
突判定装置２は領域交差がない旨を衝突回避方向決定装
置４に伝える。この場合、該衝突回避方向決定波Ｗ４は
、第１図のステップＳ３を実現し、移動物体に対してそ
のまま直進するよう指示する。

写像変換方式決定装置３は、３次元座標中間の移動物体
及び障害物を衝突検出平面上に透視写像投影を行うか平
行写像投影を行うかを該写像変換装置１に指示する。そ
して、もし移動物体領域ＭＥと障害物領域ＤＥが菫なれ
ば、周りの環境を見るため、第１図のステップＳ４を実
現する。すなわち、該写像変換方式決定波ｆ１３は、写
像変換装置ｌｌに透視投影を行うよう指示する。該写像
変換装置ｌは、該写像変換方式決定装置３の指示にした
がって、透視写像変換を行う。

この場合、上記衝突判定装置２は、得られた各障害物、
移動物体の情報（速度・位置）を基に第１図のステップ
Ｓ５を実現して衝突危険度を算出する。

このように算出された衝突危険度は、上記衝突回避方向
決定装置４に伝えられると、該装置４は第１図のステッ
プＳ７を実現する。即ち、この衝突危険度を基に、第１
図のステップＳ６を実現する写像変換装置Ｉによって得
られたゴール情報も加味して最適な衝突回避方向を決定
する。

以下に、本発明が特徴とする写像変換装置ｌに於ける透
視写像投影アルゴリズムについて、第４図の衝突検出平
面模式図に従って、詳述する。

出　面について： 第４図（ａ）に示す様に、透視写像投影処理により、同
図（ｂ）に示す如くこの平面に投影された各種障害物り
の領域ＤＥの存在に基づいて、移動物体とこの障害物り
との衝突判定及び衝突回避方向の決定を行う。

の　　生成について： ■、各傷害物Ｄｉ（−１，２，３・・・］に対して各衝
突危険度Ｐ（ｊ　）を求める。

■、後述する衝突危険度Ｐ（ｉ　）がゼロになる障害物
Ｄｉは衝突検出平面から除去る。

■、衝突検出平面内に残った障害物りに対して衝突回避
制御を行う。

１久亙羞１ 衝突可能性は、上記衝突危険度Ｐ（ｉ　）で表される。

障害物りの座標を（Ｘ、Ｙ、Ｚ）、その移動速度の座標
成分を■。（ｖｘ、ｖ７、Ｖｚ）、障害物のＺ軸方向の
最小速度をＶ　ｚｍｉｎ、この障害物の最大速度をＶ　
、ｍａｘ、移動物体のＺ軸方向の速度をＶ、障害物と移
動物体との距離をＤ、並びに、距離の定数をＴｃとした
場合の各障害物Ｄ１に対する衝突危険度Ｐ（ｉ　）は以
下の通りである。

Ｐ（ｉ　）”Ｆ（Ｄ）・Ｇ（Ｖ、Ｖｚ）’Ｈ（Ｘ、Ｙ、
Ｖｏ）但し、 装置４に於ける衝突回避アルゴリズムについて、第５図
のベクトル図を参照しながら、衝突回避方向候補抽出処
理について解説する。

まず、第５図（ａ）に於て： ■、各障害物領域ＤＥの頂点と原点とを結ぶ直線がその
障害物領域ＤＥと接し、しかも交差しなり）ような頂点
を検出する。

■、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、各障
害物領域ＤＥについ一〇２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。

■、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−ン　　　−
ｍ−÷　　　　　−す　　　　−一−すは、（ＯＰ′、
Ｏ５′）、（ＯＱ′、ＯＲ′）となる。

■、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。

−一−◆　　　　　　−ｍ−÷　　　　　−÷０Ａ１＝
ａＯＰ’＋ｂＯ８’ 一藁　　　　　　　−一一与 ０Ａ２＝ｃＯＲ’＋ｄＯＱ’ ■、上記の候補を表す式の変数ａ、ｂ、ｃ、ｄを衝突危
険度Ｐ（Ａ）、Ｐ（Ｂ）により求める。即ち、ＯＡｌ　
＝ｏｐ゛（１−Ｐ（Ａ）） ＋Ｏ５’　（１−Ｐ（Ｂ）） ＯＡ２＝ＯＲ’　（１−Ｐ（Ａ）） ＋ＯＱ’　（１−Ｐ（Ｂ）） 次に、第５１ｆｆｌ（ｂ）に示すように、上述の如くし
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、ＯＡ２が選択されることになる。

以上如きアルゴリズムは逐次実行されるので、移動物体
Ｍや障害物りの形・大きさの動的に変化したとしても、
これに影響されずに、適切に障害物りを検知できるとと
もに最適な衝突回避を行う事ができる。

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、アニメータ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、Ｔｈ体体形形状情報その物体
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、
瞬間的には移動物体は衝突を避ける方向に移動する。ま
た、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、移動物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、移動物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６、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物体の衝突回
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 本発明の衡突回避制御システムによれば、障害物との衝
突を回避するのに、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物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物体が障害物と
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、移動物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、動的に障害物及びゴールをモニタ
リングしているために、動的に移動物体や障害物の大き
さ・形が変化しても３・・・写像変換方式決定装置、 ４・・・衝突回避方向決定装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）移動物体の中心を原点、その進行方向を正のＺ軸
   方向とする３次元座標空間において、移動物体及び障害
   物をＸＹ平面からなる衝突検出平面上に写像投影を行う
   写像投影手段と、該写像投影手段に対して平行写像投影
   か透視写像投影かを指示する手段と、該写像投影手段で
   衝突検出平面に写像された移動物体領域と障害物領域と
   の交差関係を判定して衝突を検出するための衝突検出手
   段と、障害物に対する衝突危険度を求める衝突危険度算
   出手段と、衝突危険度算出手段で得られた衝突危険度に
   基づき衝突の回避方向を決定する手段とを具備してなる
   衝突回避制御システム。