JPH07248820A - 不整地移動ロボットの自律走行システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 自然災害地等のように流動的に変化する不整
地を路面とする現場でも、無人により安全かつ確実にロ
ボット車両の自律走行を行う。 【構成】 姿勢の変化が可能なロボット車両１には、ロ
ボット車両１の周囲の状況を検出するための外界センサ
７と内界センサ８による検出部５が搭載され、環境、自
己位置、地図、車体の各種情報を得ている。地形情報入
出力部１５は、地形情報により大局的な移動経路を設定
する。環境認識部１３は、外界センサ７の情報から環境
を認識し、自己位置認識部１４は、内界センサ８の情報
からロボット車両１の自己位置を認識する。統合制御部
１６では、認識された環境と自己位置の情報に従って障
害物の回避、既知または未知の地形に対する行動パター
ンを選択決定する。移動機構制御部１７は、決定された
行動パターンに従って移動経路を修正しながらロボット
車両１の移動を制御して自律走行させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、危険な災害地域や噴火
口等のように、人の行けない場所へ観測器材等を運ぶこ
とができる不整地移動ロボットの自律走行システムに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】火山噴火に伴う火砕流や、集中豪雨によ
る土石流などの自然災害の発生のおそれのある地域で
は、現在は、陸上自衛隊が出動し、装甲車等に隊員が乗
車して監視警戒活動にあたっている。

【０００３】しかし、隊員を乗車させることなく、遠隔
操縦できる車両を上記任務にあたらせることができれ
ば、貴重な人命を自然の猛威にさらすことなく、安全に
監視警戒活動を行うことができる。

【０００４】ところで、屋外の不整地を走行する無人ダ
ンプトラックの分野においては、走行路面を二次元平面
と仮定し、予定経路を教示することで、ダンプトラック
を自律走行させる発明が公知となっている。

【０００５】この種の屋外用ロボットに対する自律化に
ついては、ロボットの移動機構として、車輪式やクロー
ラ式を用いており、行動としては、平坦地の移動・障害
物回避ぐらいであった。すなわち、ロボットに対する自
律化よりは、費用対効果に鑑み、遠隔操縦、あるいは、
一部機能を自動化することが行われている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、火山噴火に伴
う火砕流や豪雨による土石流の監視活動は、予測できな
い自然の猛威を相手にすることにより、上述したシステ
ムでは対応することができず、また、遠隔操縦において
は、随伴する隊員が災害にまきこまれるおそれがある。
したがって、隊員は随伴せずに後方の地点で指揮命令と
監督を行うだけですむ安全な自律型の車両の開発が望ま
れている。

【０００７】ところで、火山噴火に伴う火砕流や豪雨に
よる土石流の不整地を移動するロボットの移動機構の形
態は、さまざま存在する。また、自律型の災害救援車両
が実際に走行する現場は、ダンプトラックが走行するよ
うな単なる凹凸があるにすぎない平坦な路面ではなく、
崖、川、斜面、山、谷等が存在する３次元的に起伏のあ
る自然災害地である。しかも、自然災害地であることか
ら、地形は絶えず変動するとともに当初は存在していな
いと判断していた障害物が新たに発生することがある。
このように流動的に変化する路面を走行する車両を誘導
するためには、走行路面を２次元平面と仮定し予定経路
を教示するといった上記誘導方法をそのまま採用するこ
とができない。このため、流動的に変化する自然災害地
を確実に走行できる装置の開発が望まれている。

【０００８】そこで、本発明は、上述した問題点に鑑み
てなされたもので、その目的は、自然災害地等のように
流動的に変化する不整地を路面とする現場でも、無人に
より安全かつ確実に自律走行が行える不整地移動ロボッ
トの自律走行システムを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による不整地移動ロボットの自律走行システ
ムは、姿勢の変化が可能な移動ロボットと、該移動ロボ
ットの大局的な移動経路を設定する設定手段と、前記移
動ロボットに搭載されて周囲の状況を検出する検出手段
と、該検出手段によって得られる環境、自己位置、地
図、車体の各種情報に基づいて障害物の回避、既知また
は未知の地形に対する行動パターンを決定する行動パタ
ーン決定手段と、該行動パターン決定手段により決定さ
れた行動パターンに従って前記移動経路を修正しながら
前記移動ロボットが自律走行できるように前記移動ロボ
ットの移動を制御する移動制御手段とを備えたことを特
徴としている。

【００１０】

【作用】姿勢の変化が可能な移動ロボットには、検出手
段が搭載されており、この検出手段は、移動ロボットの
周囲の状況を検出して信号を出力する。検出手段の検出
信号から環境、自己位置、地図、車体の各種情報が得ら
れ、行動パターン決定手段は、これらの情報に基づいて
障害物の回避、既知または未知の地形に対する行動パタ
ーンを決定する。そして、移動制御手段は、決定された
行動パターンに従って予め設定手段により設定された大
局的な移動経路を修正しながら移動ロボットの移動を制
御し、移動ロボットを自律走行させる。

【００１１】

【実施例】図１は本発明による不整地移動ロボットの自
律走行システムの一実施例を示す機能ブロック図、図２
は同システムの詳細なブロック構成図である。

【００１２】この実施例による自律走行システムは、例
えば自然災害地のように流動的に変化する不整地を走行
する災害救援用の装軌車両としてのロボット車両１と、
このロボット車両１を自律制御する制御装置２とによっ
て概略構成されている。

【００１３】ここで、実施例における不整地とは、地形
と障害とによって定義されるもので、地形は、成分粒子
の種類、含水比、湿潤密度で決まる土質・岩質と、傾斜
角度、地表の曲率、地表の凹凸変化率で決まる形状とに
よって定義され、障害は、森林、岩、河川、湖沼、草、
氷による天然障害と、天然障害の人工障害化、都市、人
工物、地雷原による人工障害とによって定義される。

【００１４】ロボット車両１は、姿勢の変化が導入され
た車両本体の前後左右に４つのクローラを有する４輪ト
ラックフレーム構造の装軌車両から構成されている。さ
らに説明すると、ロボット車両１は、車両本体を整地、
不整地等の路面で走行させるための移動機構４と、車両
本体に搭載されて周囲の状況や車両本体の走行状態を認
識するための検出部（検出手段）５と制御装置２を備え
て構成されている。

【００１５】移動機構４は、各クローラを前後方向に移
動させる４つの移動用モータ４ａと、各クローラを固定
軸を中心として３６０°の範囲で回動させる４つの回動
用モータ４ｂとの合計８つのモータを有している。そし
て、ロボット車両１は、制御装置２からの指令に基づい
て各モータ４ａ，４ｂが独立に制御され、自然災害地の
起伏のある路面を有効にグリップしながら走行するよう
に構成されている。

【００１６】なお、ロボット車両１は、路面を走行する
移動体であればよく、用途、走行機構の形式（車輪式、
覆帯式等）等は任意である。

【００１７】ロボット車両１に搭載された検出部５は、
環境、自己位置、地図、車体等の各種情報に基づいて周
囲の状況を認識しており、外界センサ７と内界センサ８
とで構成されている。外界センサ７は、例えば図２に示
すように、図形情報と距離情報を得るためのＣＣＤ（ch
arge coupled device ）７ａと、レーザ光の出射による
反射から距離情報を得るためのＬＲＦ（Laser Range Fi
nder）７ｂと、地面の固さ、形状等の接触圧情報や地形
の凹凸情報を得るための触覚センサ７ｃと、凸物体の有
無情報を得るための超音波センサ７ｄとを備えて構成さ
れている。

【００１８】内界センサ８は、例えば図２に示すよう
に、慣性センサ８Ａと車体制御用センサ８Ｂで構成さ
れ、慣性センサ８Ａは、走行するロボット車両１の加速
度を検出するための加速度計８Ａａと、走行するロボッ
ト車両１の角速度を検出するためのＦＯＧ（Fiber Opti
cal Gyro）８Ａｂと、車体の傾斜角を検出するための傾
斜計８Ａｃとを備えている。また、車体制御用センサ８
Ｂは、各クローラを回転制御するモータ４ａ，４ｂの回
転角を検出するためのエンコーダ８Ｂａと、モータ４
ａ，４ｂの負荷を検出するためのモータ負荷計８Ｂｂと
を備えている。

【００１９】制御装置２は、ＣＣＤ画像処理部９、ＬＲ
Ｆ画像処理部１０、触覚機構部１１、超音波信号処理部
１２、環境認識部１３、自己位置認識部１４、地形情報
入出力部（設定手段）１５、統合制御部１６、移動機構
制御部（移動制御手段）１７を備えて構成されており、
各部相互間は、ＲＳ２３２Ｃやイサーネット等の通信用
インターフェース１８を介して電気的に接続されてい
る。ここで、ＣＣＤ画像処理部９、ＬＲＦ画像処理部１
０、触覚機構部１１、超音波信号処理部１２、環境認識
部１３、自己位置認識部１４、統合制御部１６によって
行動パターン決定手段２ａを構成している。

【００２０】さらに各構成について図２を参照して説明
すると、ＣＣＤ画像処理部９は、距離画像生成手段９
ａ、エッジ抽出手段９ｂ、領域分割手段９ｃ、パターン
認識手段９ｄを備えて構成されている。距離画像生成手
段９ａは、ＣＣＤ７ａからの図形情報に基づいて比較的
狭い視野での距離画像からロボット車両１前方の地形の
高さ情報を高分解能に生成している。エッジ抽出手段９
ｂは、ＣＣＤ７ａからの図形情報に基づいて地形の変化
部分である平坦地と凹凸地・障害物との境界をエッジ情
報として高速に抽出している。領域分割手段９ｃは、エ
ッジ抽出手段９ｂで抽出されたエッジ情報とＣＣＤ７ａ
からの図形情報とに基づいて所定のテキスチャによる模
様毎の領域分割を行い走破不可能領域を検知している。
物体認識手段９ｄは、領域分割手段９ｃで得られた領域
分割情報とＣＣＤ７ａからの図形情報とに基づいて物体
認識を行い、ロボット車両１の周辺を移動する移動体等
のシーン情報として移動体、形状、種類の各情報を得て
いる。

【００２１】ＬＲＦ画像処理部１０は、距離画像生成手
段１０ａ、領域分割手段１０ｂ、多角形近似手段１０
ｃ、多面体近似手段１０ｄを備えて構成されている。距
離画像生成手段１０ａは、ＬＲＦ７ｂの距離情報に基づ
いて比較的広い視野での距離画像を生成している。領域
分割手段１０ｂは、ＬＲＦ７ｂの距離情報に対して座標
変換を行い、距離画像生成手段１０ａの距離画像から得
られる高さ情報により凹領域、凸領域、平坦地領域、死
角領域の４つの領域に粗く分割している。多角形近似手
段１０ｃは、領域分割手段１０ｂで４つに分割された各
領域に走破可能な領域と走破不可能な領域の境界線を引
いてさらに多角形で近似している。多面体近似手段１０
ｄは、車体から地形までの距離の差による領域内の地形
の傾き情報を用いて多角形近似手段１０ｃにより多角形
近似された地形を多面体近似している。

【００２２】触覚機構部１１は、接触圧信号生成手段１
１ａ、接触信号生成手段１１ｂを備えて構成されてい
る。接触圧信号生成手段１１ａは、触覚センサ７ｃの接
触圧情報に基づいてロボット車両１の通過が可能か否か
を判定するための地面の固さ、形状等の接触圧信号を生
成しており、通過可能な場合にはオンの接触圧信号を、
通過不可能な場合にはオフの接触圧信号をそれぞれ出力
している。接触信号生成手段１１ｂは、触覚センサ７ｃ
による地面との接触情報に基づいてロボット車両１前方
の一次元的な地形の凹凸を示す接触信号を高速に生成し
ており、地形が凹凸の場合にはオンの接触信号を、平坦
の場合にはオフの接触信号をそれぞれ生成している。

【００２３】超音波信号処理部１２は、超音波センサ７
ｄからの凸物体有無情報に基づいて凸物体が有る場合に
は方向、距離をあいまいなベクトルで表現したファジー
ベクトルによる凸物体信号を、凸物体が無い場合にはオ
フの凸物体信号をそれぞれ生成している。

【００２４】環境認識部１３は、環境認識手段１３ａ、
コーション発生手段１３ｂ、センサ選択制御手段１３ｃ
を備えて構成されている。環境認識手段１３ａは、ＣＣ
Ｄ画像処理部９からの距離画像，シーン情報、ＬＲＦ画
像処理部１０からの距離画像，多面体近似情報、触覚機
構部１１からの接触圧信号に基づいて３次元地形形状、
地面の固さ、ロボット車両１の周囲を移動する移動体等
の環境の認識を行っている。コーション発生手段１３ｂ
は、ＣＣＤ画像処理部９からのエッジ情報，ＬＲＦ画像
処理部１０、触覚機構部１１からの凸物体の有無または
超音波信号処理部１２からの地形の凹凸を示すオン・オ
フ信号に基づいて誤認識による無用な停止を避けるため
に、平坦地から凹凸地・障害物への真の変化を検知して
方向、危険度をパラメータとするコーションファジーベ
クトルを生成して検出能力の向上を図るためのコーショ
ン信号を発生している。センサ選択制御手段１３ｃは、
環境認識手段１３ａが認識した環境に不足する情報を得
るために必要な外界センサ７を選択するとともに、選択
された外界センサ７の機構部、例えば雲台、視野、ズー
ム等を制御している。

【００２５】自己位置認識部１４は、加速度計８Ａａか
らの加速度情報、ＦＯＧ８Ａｂからの回転角情報に基づ
いてロボット車両１の自己位置を認識しており、傾斜計
８Ａｃの傾斜情報、エンコーダ８Ｂａ、モータ負荷計８
Ｂｂからの信号を補正情報とし、この補正情報に基づい
て慣性センサ８Ａのドリフトにより生じる位置誤差を補
正して高精度な三次元的な位置情報を得ている。

【００２６】地形情報入出力部１５は、グローバルパス
生成手段１５ａ、マップ更新手段１５ｂを備えて構成さ
れている。グローバルパス生成手段１５ａは、オペレー
タの操作により入力される情報欠落、誤りを含むあいま
いな地図情報において出発点と目標点が設定されると、
この出発点と目標点との間の位置と速度を点（図３の×
印に相当）として生成し、さらに滑らかな走行を行うた
めに各点間を補間（図３の破線に相当）して大局的な移
動経路を計画している。マップ更新手段１５ｂは、オペ
レータの操作によって入力される地図情報を入力とし
て、または環境認識手段１３ａで認識された環境情報と
自己位置認識部１４で認識された位置情報とを入力とし
て、地図上でのマッチングをとりながらマップの更新を
行っている。

【００２７】統合制御部１６は、ローカルパス生成手段
１６ａ、データベース記憶手段１６ｂ、行動パターン推
論手段１６ｃ、行動パターン生成手段１６ｄ、行動パタ
ーン選択手段１６ｅを備えて構成されている。ローカル
パス生成手段１６ａは、多角形近似手段１０ｃからの多
角形近似情報とグローバルパス生成手段１５ａから入力
された大局的な経路によるグローバルパス情報とに基づ
いて障害物回避用の経路を生成してロボット車両１の移
動速度および方向を計画している。データベース記憶手
段１６ｂには、凹凸地等の地形とその地形の越え方、姿
勢について予めデータベース化された知識データベース
が記憶されている。さらに説明すると、このデータベー
ス記憶手段１６ｂには、移動機構４に対する走破性能が
記述されている移動機構データベースと、不整地の地形
モデルが記述されている不整地データベースと、移動機
構４が取り得る姿勢が記述されている姿勢データベース
と、地形に対する行動が姿勢を１つの状態として行動演
算子をその姿勢遷移とした状態遷移図で表現された行動
パターンデータベースとが記憶されている。行動パター
ン推論手段１６ｃは、環境認識手段１３ａが認識した環
境情報および自己位置認識部１４が認識した位置情報か
ら越え方が分かっている既知の凹凸地を移動する場合
に、データベース記憶手段１６ｂに記憶された行動パタ
ーンデータベースに従って行動パターンを選択するため
の推論を行っている。行動パターン生成手段１６ｄは、
環境認識手段１３ａが認識した環境情報および自己位置
認識部１４が認識した位置情報から越え方が分からない
未知の凹凸地を移動する場合に、データベース記憶手段
１６ｂに記憶された姿勢データベースを用いて姿勢の変
化、速度、方向等のロボット車両１の行動パターンを新
たに計画している。行動パターン選択手段１６ｅは、環
境認識手段１３ａが認識した環境情報、自己位置認識部
１４が認識した位置情報、移動機構４の性能情報に従っ
て障害物回避時の行動パターン、平坦地の移動時の行動
パターン、行動パターン推論手段１６ｃで推論された越
え方が分かっている既知の凹凸地の移動の行動パター
ン、行動パターン生成手段１６ｄで新規に計画された未
知の凹凸地の移動の行動パターンの何れかの選択を行っ
ている。

【００２８】移動機構制御部１７は、車体監視手段１７
ａ、指令手段１７ｂ、走行・姿勢制御手段１７ｃを備え
て構成されている。車体監視手段１７ａは、地形の凹凸
を示す触覚機構部１１からのオン・オフ信号、凸物体の
オン・オフを示す超音波信号処理部１２からのオン・オ
フ信号、傾斜計８Ａｃおよび車体制御用センサ８Ｂから
の信号に基づいて、ロボット車両１が正常に動作してい
るか否かを監視している。指令手段１７ｂは、行動パタ
ーン選択手段１６ｅで選択された行動パターンに従って
方向・速度および姿勢の各々の指令信号を発生してい
る。また、コーション発生手段１３ｂからコーション信
号の入力がある場合には、コーション発生手段１３ｂか
らのコーションファジーベクトルにより生成されるリア
クションベクトルと、計画された移動経路とを合成する
ことによってロボット車両１の近傍（例えば車体の両
側）に存在する凹凸地・障害物を無条件に避けるように
方向・速度および姿勢の各々の指令信号を発生してお
り、危険な状態を検知した場合には、ロボット車両１が
自動的に停止するようになっている。走行・姿勢制御手
段１７ｃは、指令手段１７ｂからの各指令信号および車
体監視手段１７ａからの各信号に従ってロボット車両１
における移動機構４の８つのモータ４ａ，４ｂの回転・
停止を独立に制御しており、例えば平坦地では車体を水
平に保ち、地形変化に対してはクローラを固定軸を中心
に回動させて姿勢を変化させることにより、車体を水平
に保ってロボット車両１を円滑に走行制御している。

【００２９】上記のように構成された自律走行システム
では、電源が投入され、地形情報入出力部１５より地図
情報が入力されて出発点と目標点を結ぶ大局的な移動経
路が決定されると、ロボット車両１に搭載された検出部
５からの検出信号によって得られる各種情報に基づい
て、環境認識部１３および自己位置認識部１４が環境、
自己位置および車体状態を認識する。そして、認識した
環境、自己位置および車体の各情報に基づいて統合制御
部１６が行動パターンの生成、選択を行い指令信号を出
力する。移動機構制御部１７では、選択された行動パタ
ーンに伴う指令信号によりロボット車両の方向・速度お
よび姿勢を制御してロボット車両１を自律走行させる。

【００３０】さらに図３を用いて出発点から目標点まで
の地形の変化に伴うロボット車両の自律走行動作を説明
する。図３は上記システムにおけるロボットの自律走行
動作の一例を示している。なお、移動経路上をロボット
車両１が自律走行するにあたっては、移動経路上または
近傍に障害物が存在する場合、移動経路上に凹凸地が存
在する場合にコーションを発生してロボット車両１が次
に取るべき方向・速度および姿勢の制御がなされる。

【００３１】まず、区間Ａにおいて、移動経路の近傍に
障害物が存在することを検知してコーションが発生する
と、方向、危険度をパラメータとするコーションファジ
ーベクトルにより生成されるリアクションベクトルと移
動経路のベクトルとを合成したベクトルを指令値とし、
この指令値に従ってロボット車両１の方向・速度および
姿勢が制御され、ロボット車両１は障害物を無条件に避
けるリアクション行動により自律走行する。

【００３２】次に、区間Ｂにおいて、移動経路上に障害
物が存在することを検知してコーションが発生すると、
障害物回避用の移動経路を生成し、その移動経路に従っ
てロボット車両１の方向・速度および姿勢が制御され、
ロボット車両１は障害物を回避するように自律走行す
る。

【００３３】次に、区間Ｃまたは区間Ｄにおいて、移動
経路上に越え方が分かっている凹凸地（超堤または超
壕）の存在を検知してコーションが発生すると、予めデ
ータベースとして記憶された種々の行動パターンの中か
ら次にロボット車両１が取るべき行動パターンを選択
し、この選択された行動パターンに従ってロボット車両
１の方向・速度および姿勢が制御され、ロボット車両１
は既知の凹凸地である超堤または超壕を越えて自律走行
する。

【００３４】次に、区間Ｅにおいて、移動経路上に移動
体や軟弱地による未知の凹凸地の存在を検知してコーシ
ョンが発生すると、自ら新たな行動パターンを生成し、
この行動パターンに従ってロボット車両１の方向・速度
および姿勢が制御され、ロボット車両１は未知の凹凸地
を越えて自律走行する。

【００３５】したがって、上記のように構成された自律
走行システムによれば、地図上において出発点と目標点
が決まると、後はオペレータが介在せずにロボット車両
１を地形の変化に応じて自律走行させることができる。
しかも、ロボット車両１の自律走行と並行してマップの
更新とともに移動経路が修正されるので、特に、自然災
害地等のように流動的に変化する不整地を路面とする危
険な現場でも、姿勢変化を導入したロボット車両１を無
人により安全かつ確実に自律走行することができ、単純
な作業（例えば地雷の処理、探知、運搬、偵察等）にお
ける省人化および省力化を図ることができる。

【００３６】そして、ロボット車両１の走行にあたって
は、平坦地から凹凸地・障害物への真の変化を検知して
いるので、平坦地の走行において、移動経路上に障害物
が存在する場合だけでなく、移動経路の近傍に障害物が
存在する場合にも無用にロボット車両１を停止させずに
障害物を回避して自律走行させることができる。

【００３７】また、ロボット車両１の走行中は、常にそ
の姿勢が水平に保たれるので、ロボット車両１上に装備
されたマニピュレータ等の作業装置を安定した状態に保
持して走行を行うことができる。

【００３８】さらに、凹凸地のように地形に変化がある
場合、ロボット車両１によって越えられる地形について
は、その行動パターンが予めデータベースとして記憶さ
れており、未知の地形についても自ら行動パターンを生
成するので、特別な入力操作を必要とせず、オペレータ
による作業負担を軽減でき、地形に応じたロボット車両
１の走行が可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による不整
地移動ロボットの自律走行システムによれば、自然災害
地等のように流動的に変化する不整地を路面とする現場
であっても、地図上において出発点と目標点が決まる
と、後はオペレータが介在することなく、姿勢変化を導
入したロボットを地形の変化に応じて無人により安全か
つ確実に自律走行させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による不整地移動ロボットの自律走行シ
ステムの一実施例を示す機能ブロック図

【図２】同システムの詳細なブロック構成図

【図３】同システムにおけるロボットの自律走行動作の
一例を示す図

【符号の説明】

１…ロボット車両、２…制御装置、２ａ…行動パターン
決定手段、４…移動機構、５…検出部（検出手段）、７
…外界センサ、８…内界センサ、９…ＣＣＤ画像処理
部、１０…ＬＲＦ画像処理部、１１…触覚機構部、１２
…超音波信号処理部、１３…環境認識部、１４…自己位
置認識部、１５…地形情報入出力部（設定手段）、１６
…統合制御部、１７…移動機構制御部（移動制御手
段）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 姿勢の変化が可能な移動ロボットと、該
   移動ロボットの大局的な移動経路を設定する設定手段
   と、前記移動ロボットに搭載されて周囲の状況を検出す
   る検出手段と、該検出手段によって得られる環境、自己
   位置、地図、車体の各種情報に基づいて障害物の回避、
   既知または未知の地形に対する行動パターンを決定する
   行動パターン決定手段と、該行動パターン決定手段によ
   り決定された行動パターンに従って前記移動経路を修正
   しながら前記移動ロボットが自律走行できるように前記
   移動ロボットの移動を制御する移動制御手段とを備えた
   ことを特徴とする不整地移動ロボットの自律走行システ
   ム。