JPH07302118A - 自動移動ユニットの制御方法 - Google Patents
自動移動ユニットの制御方法Info
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Abstract
グに際して、障害物に対する規定の安全間隔をいっそう
良好に考慮できるようにする。 【構成】 自動移動ユニットSEが駆動輪で走行経路を
走行するとき、障害物に対する安全間隔を求めるに際し
て、自動移動ユニットSEの駆動特性と操舵特性に基い
て、運動学的動作を行なったときの走行距離を求めて、
これを当自動移動ユニットSEのケーシング外側周囲に
安全区域SZ1〜SZ3として設定する。これによっ
て、周囲環境内で自動移動ユニットSEと障害物との最
適な安全間隔を確保する。
Description
御方法に関する。
日、多種多様な用途がある。この関連で思い浮かぶの
は、自動ロボットはもとより、リモートセンシングセン
サや危険領域ではたらく移動ユニット、さらには自動式
産業用集塵機や製造産業における搬送車両である。しか
し、先験的に既知でない周囲環境において意味のある役
割を果たせるようにする目的で、自律的な移動ロボット
はその動作環境に関する信頼性のあるマップを少しずつ
段階的に構築しなければならないし、そのマップに基づ
き所定のいかなる時点でも自身の位置を特定できなけれ
ばならない。場合によってはこの種の自動ユニットが、
著しく複雑で非構造的な周囲環境において作動すること
になるため、それらの適用領域は依然として事務所や家
庭内に限られたままであることが多い。通例、先験的な
マップを利用できないことから、この種の自動ユニット
はセンサを備えていなければならず、それらのセンサに
よってユニットは、その周囲とフレキシブルに相互に作
用し合うことができるようになる。この種のセンサのい
くつかはレーザ距離スキャナやビデオカメラおよびたと
えば超音波センサである。
は、周囲環境マップの生成と移動ユニットの位置特定と
が互いに依存し合っていることである。この場合、種々
のエラーが生じる。一方ではこの種の移動ユニットは、
出発位置から進んだその道程の測定を誤り、他方では移
動ユニットは、出現した障害物までの距離を距離センサ
によって誤測定し、それを標識として周囲環境マップに
書き入れてしまう。これらのエラーは蓄積され、区間が
長くなるにつれて累算されていくので、所定の限界以降
は移動ユニットの有意義な操縦性ないし誘導制御はもは
や得られなくなってしまう。 自動移動ユニットを未知
の環境において誘導制御する方法は以下のとおりであ
る。すなわち、ユニットはその環境に関する2次元の格
子を構築し、この格子の個々のセルに占有値を設定す
る。格子セルごとに設定された占有値は、その環境内で
の障害物の出現を表す。格子マップにおいて自動ユニッ
トを誘導制御するこの種の方法は、J. Borenstein と Y
oram Koren 著の "Histogrammicin Motion Mapping for
Mobile Robot Obstacle Avoidance" IEEE Transaction
son Robotics Automation, Vol. 7, No. 4, 1991年
8月刊、に記載されている。
し必要な安全間隔を遵守する点にある。移動ユニットの
走行経路プラニングは実質的に、その操縦性ないし誘導
制御機能、選択された走行目的地、ならびに走行経路上
の障害物によって決定される。互いにすぐ近くに並んで
いる各障害物の間でもユニットの操縦性を保ち誘導制御
し続けることができるようにするために、遵守すべき安
全間隔は、移動ユニットの運動性ができるかぎりわずか
にしか妨げられないようにしておかなければならない。
題は、周囲環境内で自動ユニットと障害物との最適な安
全間隔を保証する方法を提供することにある。
は、自動移動ユニットはその駆動特性と操舵特性に基づ
き所定の運動学的動作を有しており、移動中のユニット
と障害物との間で遵守されるべき安全間隔は、前記運動
学的動作によって求められるユニット走行距離として設
定されることにより解決される。
ている。
点にある。すなわち、障害物に対する安全間隔はもは
や、自動移動ユニットのケーシングの周囲を取り囲む等
間隔の外皮状構造を介して確保されるのではなく、むし
ろ、安全間隔を残しておくために自動移動ユニットの運
動学的動作によって求められる走行距離が最小距離とし
て設定される。
の点にある。すなわち、三角関数によって、安全間隔を
考慮しながら操舵角を変化させ進んだ距離を算出するこ
とにより、自動移動ユニットの周囲に安全区域を配置さ
せることができる。この計算過程はたしかにコストがか
かるが、1度だけ行えばよい。次に、このようにして求
められた安全区域を、自動移動ユニットが動くときにた
とえばそのユニットといっしょに、セル構造化されたユ
ニット周囲環境マップにおいて並進させることができ
る。
る際のさらに別の利点は次のようにして得られる。すな
わち、たとえば非対称のユニットの場合、ユニット前方
の安全区域は前進走行中に求められ、ユニット後方の安
全区域は後進走行中に求められる。
自動移動ユニットにおいて、安全間隔内で到達できるす
べてのセルを求めるのが殊に有利である。このことによ
り走行経路プラニングおよび障害物回避のための計算の
煩雑さが低減される。
ると著しく好適である。3輪の運動学的動作は徹底的に
研究されており、多種多様に利用されている。
との衝突を回避する目的で自動移動ユニットに用いるこ
とができる。
隔を遵守するときに特有の運動学的動作を考慮すること
で、互いにすぐ近くに並んでいる各障害物の間において
自動移動ユニットをいっそう良好に誘導制御することが
できる。
するために、2つの異なるセンサをもつ装置が有利であ
る。この場合、一方のセンサは車輪の回転から進んだ経
路を測定し、他方のセンサは障害物との距離を求める。
走行経路プラニングを行う自動移動ユニットの制御ユニ
ットにより両方のセンサデータを比較することができ、
ユニットの幾何学的形状と運動学的動作の情報について
三角関数を用いることで、自動移動ユニットと走行経路
上の障害物との安全間隔が遵守されたまま維持されるよ
うに、走行経路プラニングを立てることができる。
る。
自動移動ユニットSEが示されている。この自動移動ユ
ニットは右車輪RR と左車輪RL を有しており、操舵輪
LR によって誘導制御可能である。さらに図1には実例
として3つの安全間隔d1〜d3が示されており、これ
らは自動移動ユニットの輪郭線に沿って配向されてい
る。これらの安全間隔は、自動移動ユニットSEの周囲
に外皮構造状に配置されている安全区域に対応してい
る。安全区域には参照符号SZ1〜SZ3が付されてお
り、相応に示された安全間隔に関連づけられている。本
発明による方法にとって、3輪の運動学的動作を適用す
るのかその他の運動学的動作を適用するのかは重要では
ない。さらにまた、後輪が駆動されるのか操舵輪が駆動
されるのかも重要なことではない。
作に関する実例が示されている。ここでは、2つの駆動
後輪を備えた3輪の運動学的動作を選んだ。この場合、
操舵輪は受動的な追従車輪として構成されている。座標
原点からの各駆動輪の車輪間隔はDであり、操舵輪と座
標原点との間隔はLである。この場合、座標にはxとy
とが付されている。右車輪において速度vR を設定する
ことができ、左車輪において速度vL を設定できる。両
方の速度のベクトルの和により、操舵輪におけるv_r
efが得られる。操舵角はsteer_anglで示さ
れている。
操舵角steer_anglと速度v_refが設定さ
れる。自動移動ユニットの幾何学的形状によって速度v
L と速度vR を求めることができ、これらの速度は、対
応する車輪の駆動モータにおいて調整できる。stee
r_anglとv_refはモータ制御関数(ac
t())へ渡される。この場合、ロボットは、受動的な
追従車輪があたかも駆動され操舵されているかのように
走行する。
を算出する必要がある。
発明による方法の計算原則が説明されている。たとえば
この場合、ユニットはロボットであるものとする。図2
のところで先に述べたモータの制御により、3輪の運動
学的動作によるロボットの記述が得られる。一定の操舵
角steer_anglをθに設定すれば、すべてのロ
ボット点は中心点(0,M)を中心に旋回する。
周囲の任意の点(x′,y′)へ動かそうとする場合、
適切な操舵角θは次のようになる。
(x,y)と周囲の点(x′,y′)を結んだ直線
(1)に対し垂線が下ろされる。垂線(2)とy軸との
交点から支点Mが得られる。操舵輪(追従車輪)も中心
点Mを中心とした円弧上を走行できるようにするために
は、操舵輪の位置を半径rに対し垂直におく必要があ
る。
とともに示されており、それらのゾーンは自動移動ユニ
ットの周囲に外皮構造状に配置されている。これらの安
全区域SZ1〜SZ3は次のようにして求められたもの
である。すなわち、たとえば自動移動ユニットの制御部
において、個々の安全区域に対し一定の安全間隔をまえ
もって与える。そして自動移動ユニットがそのスタート
点から個々の安全間隔だけ前進するならば、このユニッ
トの運動学的動作から、種々の操舵角に依存して自動移
動ユニットSEが進むであろう距離を算出する。安全間
隔だけ前進した後にそのつどの終位置におけるユニット
の輪郭線により囲まれる面積を合わせた量によって、そ
のつどの安全区域が得られる。
必要に応じて制御ユニットにおいて連続的に捕捉された
センサデータの評価により常に最新状態に保持される−
によって、自動移動ユニットが誘導制御される場合、た
とえば次のような処理が行われる。すなわち、走行経路
プラニングのために、ユニットのすぐ近くに存在する、
占有値の割り当てられた格子セルだけが考慮される。こ
の措置により計算時間が節約され、さらに、ユニットが
その近くの領域においてまだ走行動作を許されているに
もかかわらず、かなり遠くに配置された格子セルによっ
て特定の操舵角が禁止されることも回避される。したが
ってたとえば、配置された各格子セルに対し、早くとも
その格子セルに当たるまでユニットが走行しなければな
らない最小距離が算出される。つまりこの場合、ユニッ
トがその運動学的動作に基づき最短経路で格子セルに達
するように操舵角が選定される。図4には実例として、
走行経路プラニングに際して考慮されるセルが示されて
いる。これらのセルの色調により、それらが種々異なる
安全区域SZ1〜SZ3に属している様子が描かれてい
る。セルの色合いが濃くなるにつれて、移動ユニットは
走行に際してそのセルにぶつかる可能性が高まる。
れる安全間隔は45cmよりも小さい。ロボットのすぐ
近くの黒い格子セルは、たとえば15cmである最小安
全間隔に対する安全ゾーンSZ1を表している。移動ユ
ニットの駆動軸に沿って位置しているセルは、たとえば
障害物回避のためには考慮されない。それというのはロ
ボットは、その運動学的動作ゆえにその場でかなり長い
間旋回してはじめてそれらのセルに達することになるか
らである。
自動移動ユニットとセル状の周囲環境マップ内の1つの
セルとの安全間隔をいかにして遵守できるかの実例が示
されている。
図5に示されているように、移動ユニットの周囲が10
個のセクタ(1)〜(10)に分けられる。以下の説明
のため、1つの格子セルiの中央は座標(xi,yi)を
有する。
とがあてはまる: 領域(1): hit=Xi−XF 領域(2): hit=XR−Xi この場合、10個のセクタへの分割は具体的説明のため
に行うにすぎない。本発明を損なうことなく、これより
も僅かな個数のセクタを採用することもできる。たとえ
ば、セクタの個数ならびに形状は、走行経路プラニング
に際していかなる方式を採用するか、およびユニットが
いかなる運動学的動作を有するかに依存する。
のセクタにおいて安全間隔を維持するための計算例が示
されている。この場合、セクタ(2),(3),
(5),(6)について同じような前提条件が成り立
つ。以下では、図6に示されているセクタ(2)につい
ての計算を実例として行う。ここでは次式が適用され
る:
その運動学的動作に依存して、占有値の割り当てられた
格子セルまで進まなければならない距離を表す。
された周囲環境マップにおける別のセクタでの安全間隔
遵守のための計算例が示されている。セクタ(7),
(8),(9),(10)について同じような前提条件
が成り立つ。以下では、図7に示されているセクタ
(7)についての計算を実例として行う。ロボットがそ
の場で旋回する場合(steer_angl=±π/
2)、一定の操舵角であればロボットは占有値の割り当
てられた1つのセルと最短経路でぶつかる。障害物(x
i,yi)に最初に触れるユニット輪郭線上の点を
(xs,ys)で表す。ここでは次式が適用される:
値の割り当てられたセルまでその運動学的動作に依存し
て進まなければならない距離を意味する。
ットと障害物との最適な安全間隔が保証される。
図である。
ある。
マップにおいて適用するための実例を示す図である。
において安全間隔を遵守するための計算例を示す図であ
る。
領域において安全間隔を遵守するための計算例を示す図
である。
Claims (7)
- 【請求項1】 自動移動ユニットの制御方法において、 a)自動移動ユニットはその駆動特性と操舵特性に基づ
き所定の運動学的動作をし、 b)移動中のユニットと障害物との間で遵守されるべき
安全間隔を、前記運動学的動作によって求められるユニ
ット走行距離として設定することを特徴とする、 自動移動ユニットの制御方法。 - 【請求項2】 自動移動ユニット周囲の安全区域を当該
ユニットにより次のように求め、すなわち、 a)自動移動ユニットのスタート位置とスタート操舵角
を設定し、 b)0゜〜360゜の種々の操舵角に対し、前記安全間
隔が一定の走行距離であるとしてそれぞれ当該自動移動
ユニットの終位置を、スタート位置からの少なくとも前
進走行後に運動学的動作を介して求めて記録し、 c)自動移動ユニットの輪郭線を考慮して、当該自動移
動ユニットのスタート位置に属する安全区域を、記録さ
れたそのつどのユニット終位置における輪郭線により囲
まれた面積を合わせた量として決定する、請求項1記載
の方法。 - 【請求項3】 そのつど所定の安全間隔に対し安全区域
を1度だけ求め、該安全区域は移動中のユニットにより
いっしょに移動する、請求項2記載の方法。 - 【請求項4】 前進走行中は自動移動ユニット前方の安
全区域を求め、後進走行中は自動移動ユニット後方の安
全区域を求める、請求項2または3記載の方法。 - 【請求項5】 セル構造化された周囲環境マップにおい
て、当該ユニットが安全間隔だけ進むことにより到達で
きる占有セルが求められる、請求項1〜4のいずれか1
項記載の方法。 - 【請求項6】 前記運動学的動作は3輪の運動学的動作
である、請求項1〜5のいずれか1項記載の方法。 - 【請求項7】 自動移動ユニットの走行経路プラニング
に際して障害物との衝突を回避するために用いる、請求
項1〜6のいずれか1項記載の方法。
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