JPH0764634A - 無人移動探査機の経路決定方法 - Google Patents
無人移動探査機の経路決定方法Info
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Abstract
のセンシングで見分けることができなかった障害物を発
見し、その障害物を回避し、安全に無人走行することが
できる障害物回避経路決定方法を提供する。 【構成】 移動探査機に搭載した地形センサによる1回
の外部領域センシングで比較的広い範囲に局所経路計画
手段により走行経路を計画し、走行しながら同じ地形セ
ンサで近傍の領域を近傍領域センシングし、障害物を発
見したときに同じ局所経路計画手段により緊急障害物回
避経路を決定し、障害物を避けて走行する。
Description
を決定するのに利用される無人探査機の経路決定方法に
関し、とくに無人探査機が現在位置から目的地に向う間
に障害物があった場合において、その障害物を避けて通
る緊急経路を決定するのに利用される障害物回避経路決
定方法に関するものである。
火星表面上で無人移動探査機を自律走行させる場合に、
走行の障害となる岩,穴,傾斜などをセンシングし、こ
れらを認識して移動探査機を走行させることができるよ
うにする技術はすでに開発されている。
までの走行経路を見つけ出すために、今までは、移動探
査機に搭載した3次元センサにより障害物を含む地形を
センシングして地形データを求め、その結果に基づいて
走行経路を決定していた。
走行経路決定方法では、センシングが広範囲にわたるも
のであり、特に遠方のセンシング精度に劣るため、障害
物となる岩や穴などを見落とす可能性が高く、安定走行
に問題があった。そして、遠方まで精度よくセンシング
して経路計画を設定するためには多くの時間を必要とし
ていた。
やすかった障害物を発見しやすくし、障害物を回避して
安全に無人走行できるようにすると共に、従来の遠方ま
で精度よくセンシングして経路計画を設定するのに比べ
て短時間で処理できる無人移動探査機の経路決定方法を
提供することを目的とするものである。
探査機の経路決定方法は、移動探査機に搭載した地形セ
ンサにより走行方向の前方における所定範囲の外部領域
センシングを行って外部地形データを取得してセンシン
グ領域内の局所地図を外部環境認識手段により作成し、
前記局所地図内で局所経路計画手段により局所経路を計
画し、局所経路に従った走行中に前記地形センサによっ
て前記所定範囲よりも狭い範囲の近傍領域のセンシング
を行い、局所経路上に障害物を発見した場合には前記近
傍領域センシングにより前記外部環境認識手段で取得さ
れた緊急障害物回避用局所地図データから障害物を回避
する緊急障害物回避経路を前記局所経路計画手段により
決定する構成としたことを特徴としている。
索方法では上記した構成としており、比較的広い範囲で
の外部環境認識手段による局所地図の作成と局所経路計
画手段による局所経路の計画では、地形センサによる少
数回の外部領域センシングのみで短時間で行うものと
し、近傍の狭い領域は精度のよい近傍領域センシングを
行って上記外部領域センシングでは発見できなかった障
害物を発見するようにし、障害物を発見した場合には前
記近傍領域センシングにより前記外部環境認識手段で取
得された緊急障害物回避用局所地図データをもとにして
障害物を回避する緊急障害物回避経路を前記局所経路計
画手段により設定するようにしているので、全体として
の経路決定時間が短縮されると共に移動探査機は安全に
無人走行することとなる。
路決定方法のフローチャート、図2の(a)は移動探査
機が外部領域センシングを行っている状態の概略説明
図、図2の(b)は移動探査機に設置した経路決定装置
の基本構成を示すブロック図、図3は広域地図と局所地
図との関係を示す図であって、図2に示す無人移動探査
機1は、地球のオフロード地形上や月および火星表面上
等を走行するものである。
機、2は地球、3は無人移動探査機1に搭載したアンテ
ナ、4は無人移動探査機1に搭載した地形センサ、5は
地表である。
移動探査機1は走行方向の前方における所定範囲の外部
領域センシングを行って外部地形データを取得する地形
センサ4と、前記外部地形データをもとにして外部領域
センシング内の局所地図データを取得する外部環境認識
手段41と前記外部環境認識手段41で取得された局所
地図内で局所経路を計画する局所経路計画手段42と、
前記局所経路に従って無人移動探査機1を移動させる移
動手段43と、無人移動探査機1の移動および姿勢変化
によって位置および高さデータから変化したことを検知
して外部環境認識手段41に補正データを送る慣性セン
サ44を備え、局所経路計画手段42には、地球上にあ
って広域地図を用いて作成された広域地図が通信局より
伝送される。
ナ3からは慣性センサ44により移動探査機1の姿勢位
置情報等を地球上にある通信局や人工衛星等に送り(図
1,A1)、通信局では移動探査機1の現在位置を基準
とした図3の(a)に示す広域地図6を作成し(図1,
A2)、それに基いた広域経路7を設定し(図1,A
3)、これを移動探査機1の局所経路計画手段42に伝
送する。
示す広域経路7に沿って目的地10に向かおうとする
が、その出発位置で、レーザレンジファインダ等の3次
元地形センサ4で移動探査機1の進行方向の前方での比
較的広範囲の地形を1回だけ外部領域センシングし(図
1,B1)、センシング領域内の詳細な図3の(b)に
示すような局所地図8(図1,B2)を外部環境認識手
段41で作成する。
がら、局所地図8内で局所経路計画手段42により局所
経路9を計画し(図1,B3)、サブ目的地11へと走
行不能領域(障害物等)14a,14b,14cを回避
しながら移動手段43により走行することとなる。
シングと局所地図8の作成(地形環境認識)及び局所地
図8に基づく局所経路計画が重要である。
画では、以下のような移動探査機1の踏破能力を考慮す
る必要がある。
め、次のような地形の特徴量をセンシング認識すること
が必要になる。
り越え能力及び登坂能力を考慮し、地形の高さ,斜度,
斜面方向により、走行不能領域の推定判断を行う。
成(地形環境認識) 図3の(b)に示す局所地図8の作成手法は、3次元地
形センサ(例えば、レーザレンジファインダ等)4から
の信号を処理し、得られた地形の高さ,斜度,斜面方向
の情報を用いて、移動探査機1の踏破能力(障害物乗り
越え能力及び登坂能力)を越える地形を走行不能領域と
して認識するものである。
れぞれの求め方を示す。
図であって、図4に示すように、3次元地形センサ4に
より求められる距離から、センシング領域内の各測定点
の慣性座標系における位置及び地表の高さを求める。移
動探査機1の移動および姿勢変化により,位置,高さデ
ータは変化するが、その補正は、移動探査機1に搭載し
た慣性センサ44のデータを用いる。
り得られる測定点Pij(i=1,・・・n,j=1,
・・・,m,Pijは、センシング領域内におけるi,
j番目の測定点)の位置x,yと高さzは、Pijとセ
ンサ4間の距離R,センサ4からPijを見た横方向の
角度θ,奥行き方向の角度φより得られ、数式1〜3の
ように表現できる。なお、Pijの範囲は、θ,φを3
次元センサ4の視野の範囲で変化させることにより決定
される。
る地点に平面を当てはめた時の法線ベクトルを求めるこ
とに等しい。ここでは、最小二乗法を用いて、あてはま
る平面を算出した。
向を求める地点の座標をQ0(x0,y0,z0)、そ
の近傍地点の座標をQ1(x1、y1,z1)・・・Q
n(xn,yn,zn)、あてはめる平面Sの方程式を
数式4で表す。
ると、これらの関係は数式5で表される。
小二乗法でBを求めると、数式10が得られる。
面Sの法線ベクトルnは数式12で表される。
り、求める斜度α及び斜面方向βは数式13,14で表
される。
方向のデータを用い、移動探査機1の登坂能力及び乗り
越え能力から決定される走行不能領域14a,14b,
14cの識別手法について述べる。
であって、図3および図6に示すように、まず、斜度デ
ータから移動探査機1の登坂能力以上の斜度を持つ領域
を、走行不能領域Ai(i=1,・・・,N)として抽
出する。その他は、走行可能領域15とする。
高さHmaxと最小高さHminを高さデータより求
め、これらの値が数式15の条件を満たす場合は走行可
能領域15に変更する。これは、小石等の斜度は大きい
が乗り越えられる高さの地形は走行可能とするためであ
る。
である。数式15の条件判定を全てのAiについて行
う。
域15と走行不能領域14a,14b,14cを記録し
たセンシング領域内の局所地図8(図3の(b)参照)
が経路計画に使用される。
で作成された局所地図8に対して移動探査機1の現在位
置(出発点)13からサブ目的地11までの局所経路9
を局所経路計画手段42で見い出すための経路計画につ
いて述べる。
ポテンシャル法,(ハ)グラフ探索法等があるが、ここ
では、確実に経路が作成できるグラフ探索法を用いる。
図7に示す各グリッドは、局所地図8を分割しており、
その一辺の長さは、移動探査機1の最大長(対角線)に
相当するものとなっている。
4と走行可能領域15とに二値化し、経路探索地図16
とする。この方法によれば、画素数の少ない地図で経路
探索を行うことができるため、高速で処理することがで
きる。
目標点であるサブゴール17を定める。このサブゴール
17は、広域経路7上の地点である。
結ぶ直線経路30を算出する。
侵入しなければ、直線経路30を局所経路集合に登録
し、経路探索を終了する。
侵入直前の走行可能領域(侵入点)19,走行不能領域
14から脱出する領域(脱出点)20を求める。次に、
侵入点19から走行不能領域14に沿い、右回り及び左
回りに走行可能領域15を脱出点20まで辿る。脱出点
20に辿ることができた場合、自己位置18とサブゴー
ル17とを結ぶ直線とのユークリッド距離が最大である
点を回避点21,22とし、局所経路候補として登録す
る。右回り,左回り共に脱出点まで辿ることができなか
った場合は、回避点を生成しない。
び、回避点21,22とサブゴール17を結ぶ直線経路
30を算出し、(c)の処理に戻る。
成されなかった場合は、サブゴール17が走行不能領域
14に囲まれていると見なす。
経路30上にある一つの走行不能領域14において1回
の探索について、最大二箇所の回避点21,22を生成
するのみであり、回避点の総数が少なくなるため、経路
探索処理が高速で終了する。
説明であるが、障害物5が複数個ある場合にも、同様な
手法にて、複数の回避点と、複数の局所経路を得ること
ができる。
も、より起伏が少なく平坦な地形である方が望ましい。
上述の走行経路は、経路探索で作成された局所経路候補
の中からより最適な経路を以下の方法で選択した。
地図16で作成されるため、その各グリッド毎に、対応
する局所地図8から、地形の特徴を以下の地形要素とし
て算出する。
形平坦度を算出する。移動探査機1の位置からサブゴー
ル17に至るまでの局所経路9の候補の中から、地形平
坦度が最小である経路を走行最適経路として選択する。
により、走行可能経路15の中から、移動探査機1がよ
り安定して走行できる経路を選択することができる。
る外部環境認識手段41での地形データと、それに基づ
く局所経路計画手段42での局所経路9の計画方法であ
る。しかし、計画された経路上に見落とされた障害物が
ある可能性がある。
る。レーザレンジファインダ等の3次元地形センサ4を
用いて外部領域センシングを行い、外部環境認識手段4
1で局所地図8を作成し、その局所地図8内で同一のレ
ーザレンジファインダ等の3次元地形センサ4を用い、
レンジ精度の良い近傍領域のみを近傍領域センシング
(図1,C1)して、外部環境認識手段41で緊急回避
用局所地図23を作成する(図1,C2)。
害物25を発見した場合には(図1,C3)、局所経路
計画手段43で緊急障害物回避経路24を決定し(図
1,C4)、これに沿って移動していく。
1の近傍のみと狭いため、地形は平坦とみなし、高さデ
ータだけで障害物を抽出するのが良い。障害物として認
識される条件は、地形の高さと面積がそれぞれのしきい
値を越えることである。
高さデータに対し、移動探査機1が乗り越えることがで
きる障害物の高さをしきい値として、二値化処理を行
う。
認識 障害物の領域を認識するために、二値化された地形デー
タに対し、ラベリング処理を行う。ラベリング処理の結
果、障害物の個数や、それぞれの面積や位置が求められ
る。次に、それぞれの領域の面積を調べ、画像上のノイ
ズと見なせる小さな領域を除去し、残ったものを真の障
害物とする。認識された障害物と走行可能領域は緊急回
避用局所地図23上に登録される。
物回避経路決定 走行時に計画局所経路上に障害物が発見された場合の緊
急回避経路決定手法として、高速で効果的な経路決定が
行える、一種の迷路脱出法を用いた。
図であって、障害物が認識されると次に走行すべき経路
の決定を行う。まず、前処理として、移動探査機1と実
際の障害物25との接触が起こるのを回避するため、膨
脹された障害物25aのように予め膨脹処理(Dila
tion処理)を施し、その処理後の膨脹された障害物
25aを含む緊急障害物回避用局所地図23を外部環境
認識手段41で作成し(図1のC2)、この局所地図2
3上に移動探査機1の現在位置a0と目標点26を指定
する。そして、図10の(a)に示すように、この現在
位置a0と目標点26とを直線で結び、この直線上をあ
るステップ距離L毎に目標点26に向かってポイント
(a1,a2,・・・an)を設定していく。
ければ、出発点a0より目標点26まで直線上にステッ
プ距離L毎にポイント(a1,a2・・・)が作られて
局所経路27上を走行する。(図1,C3からC7へ) 次に図10の(b)に示すように、直線経路27上のあ
るポイントK1が障害物25aにかかる場合には(図
1,C3のNo)、同じステップ距離Lを単位として回
避経路ポイントを探索する。
a3から障害物25aの左右どちら側から探索するかを
決める。障害物の広がりが少ない方向へ回避経路を決定
するほうが、より短い距離で目標点26に辿りつく。そ
こで、障害物25aの中心Gを求め、中心Gと目標点2
6までの直線経路27との位置関係を調べ、直線経路2
7に関して中心Gと反対側を障害物の広がりの少ない方
向とする。図10の(b)においては、障害物中心Gが
直線経路27に関して左側にあるため、右側から回避経
路ポイントを探していく。この時、図10の(b)に示
す4つのポイントK2,K3,K4,a4を探索する。
もし、この4つのポイント中に回避経路ポイントが見つ
からなければ、直線経路27に関して障害物中心Gと同
じ側のポイントL1,L2,L3,L4を検索する。
が見つかれば、図10の(c)に示すようにその第1の
回避点a4から目標点26までの直線経路28を設定
し、同じ手順でポイントM1,M2,M3,a5を探索
し、第2の回避点a5を見つける。
すことにより、目標点26までの障害物回避経路を比較
的短時間のうちに決定することができる。(図1,C
4)緊急障害物回避経路24が決定できれば、その経路
24上を移動探査機1が走行し、障害物25を回避して
(図1,C5)目標点26に到達する。(図1,C
6)。そして、局所経路9に戻り、局所経路9上を走行
する。(図1,C7)さらに、局所経路9上で3次元セ
ンサ4によりセンシングしながら同様な手順で走行す
る。(図1C7からC1へ戻る) 図3のサブ目的地11に到達すると、図1のD1から再
び図1のB1に戻り、3次元センサ4による広範囲を、
局所領域センシングし、局所地図8を作成して上記と同
じ手順を辿り、図3の目的地10に到達する(図1の
E)。
の前方を広い範囲で少数回外部領域センシングして外部
環境認識手段で局所地図を作成し、この局所地図上で局
所経路計画手段により局所経路を計画するので、その処
理が簡単かつ短時間に行える。そして、近傍領域のみは
精度よく近傍領域センシングして前記外部領域センシン
グでは発見できなかった障害物を発見して、局所経路計
画手段により緊急障害物回避経路を決定することにより
この緊急障害物回避経路に沿って走行するので、移動探
査機は安全に無人走行を行うことが可能になるという著
しく優れた効果がもたらされる。
のフローチャートである。
状態の概略説明図および移動探査機に設置した経路決定
装置の基本構成を示すブロック図である。
(b))との関係を示す説明図である。
障害物の座標の説明図(図4の(a))およびセンシン
グ領域の説明図(図4の(b))である。
(図7の(a))および緊急障害物回避用局所地図の説
明図(図7の(b))である。
0の(a))、障害物がありかつ第1回避点を見付ける
ときの説明図(図10の(b))、および障害物があり
かつ第2回避点を見付けるときの説明図(図10の
(c))である。
Claims (1)
- 【請求項1】 移動探査機に搭載した地形センサにより
走行方向の前方における所定範囲の外部領域センシング
を行って外部地形データを取得してセンシング領域内の
局所地図を外部環境認識手段により作成し、前記局所地
図内で局所経路計画手段により局所経路を計画し、局所
経路に従った走行中に前記地形センサによって前記所定
範囲よりも狭い範囲の近傍領域のセンシングを行い、局
所経路上に障害物を発見した場合には前記近傍領域セン
シングにより前記外部環境認識手段で取得された緊急障
害物回避用局所地図データから障害物を回避する緊急障
害物回避経路を前記局所経路計画手段により決定するこ
とを特徴とする無人移動探査機の経路決定方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21307293A JP3150018B2 (ja) | 1993-08-27 | 1993-08-27 | 無人移動探査機の経路決定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21307293A JP3150018B2 (ja) | 1993-08-27 | 1993-08-27 | 無人移動探査機の経路決定方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0764634A true JPH0764634A (ja) | 1995-03-10 |
JP3150018B2 JP3150018B2 (ja) | 2001-03-26 |
Family
ID=16633083
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21307293A Expired - Fee Related JP3150018B2 (ja) | 1993-08-27 | 1993-08-27 | 無人移動探査機の経路決定方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3150018B2 (ja) |
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