JPH09128041A - 移動ロボットの誘導方法と誘導システム - Google Patents
移動ロボットの誘導方法と誘導システムInfo
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Abstract
易にし、マーカーの識別とマーカーと移動ロボットの相
対位置計測を兼ね備えた誘導方法と誘導システムを提供
する。誘導標識の数を最小限に抑制して誤動作を防止す
る。 【解決手段】移動ロボットの進行方向に沿った経路中に
光の反射特性の異なる2種類以上の光反射物体を所定の
順序で並べたマーカーを設置する。移動ロボット上に搭
載したレーザ源からマーカーへとレーザ光を回転照射
し、反射光検出装置によってマーカーを検出する。複数
のマーカーを順番に検出しながら移動ロボットを誘導す
る。マーカーの例として光反射テープと偏光フイルムを
用いる。
Description
トをその走行経路中に設置したランドマーク(誘導標
識)を頼りに指定した経路を走行させる方法とそのシス
テムに関する。
の要所要所に各種のランドマーク(誘導標識)を設置し
ておき、ロボットが標識を頼りに指定された経路を走行
していく方法がある。本発明はこのような移動ロボット
の誘導方法における標識の構成方法と、標識を検出・認
識する方法および標識によりロボットの位置と方向を正
確に計測し、補正する方法を提供する。
として、ランドマークによる誘導とデッドレコニング
(経路航法)による方法とがあるが、後者は誤差の蓄積
によって所定の経路からしだいに離れていくという大き
な欠点がある。ランドマークとなる物体の条件としては
以下のことを考慮しなければならない。 (1)周囲の物体と区別しやすいこと (2)構造が簡単で、小型、軽量であること (3)ロボットに正確な位置を示すことができること (4)汚れや破損によってデータが消失しないこと
は以下のような問題点があった。 (1)磁気テープや光反射テープを床面に設置する誘導
方法は、ルートの全てにテープを貼る必要があり、テー
プが人やロボット自身に踏まれて変形・破損したり磁気
が消失したりする (2)CCDカメラを搭載したシステムは、画像処理が
煩雑で、標識を誤認する可能性がある (3)ロボットの位置を計測するためには複数の標識を
必要とするため、設置が煩雑である
導及び情報検知用光反射テープの読み取り装置」には、
光反射テープと光フアイバケーブルを用いた無人誘導シ
ステムが開示されているが、床面に敷設した光反射テー
プは汚れやすく破損しやすいという欠点がある。特開平
4−346107号「光誘導ライン検出装置」では、床
面に金属片があったり、床面に設置した光反射テープが
汚れたり破損したような場合でも、誤認しないように、
二値化信号を演算処理して誘導ラインの位置を判定して
いるが、床面の凹凸などの外乱によって信号ノイズが発
生するため、信頼性に欠けるという欠点がある。特開平
4−42014号「移動体の自己位置検出方法と装置」
には、本発明者らによるレーザ光を用いた移動体の誘導
方法が記載されている。
は、移動ロボットを誘導するための標識の設置を容易に
し、かつマーカーの識別とマーカーと移動ロボットの相
対位置計測を兼ね備えた誘導方法とその装置を提供する
ことにある。本発明の他の目的は、誘導標識の数を最小
限に抑制して、誤動作を防止し、正確な誘導方法を達成
することにある。
ため、本発明はその第1の態様において、移動ロボット
の進行方向に沿った経路中に光の反射特性の異なる2種
類以上の光反射物体を所定の順序で並べたマーカーを設
置し、移動ロボット上に搭載したレーザ源から前記マー
カーへとレーザ光を回転照射し、移動ロボット上に搭載
した反射光検出装置によって前記マーカーを検出し、複
数のマーカーを順番に検出しながら誘導することを特徴
とする移動ロボットの誘導方法を提供する。
によってマーカー上の光反射物体の並び方を判別しマー
カーを識別する工程を包含することができる。さらにま
た、前記反射光検出装置によって前記マーカー上の複数
の地点と移動ロボット上の基準点との成す角度を計測
し、マーカーに対する移動ロボットの位置と向きを算出
する工程を包含することができる。本発明はその第2の
態様として、上記誘導方法を実施するための誘導システ
ムを提供する。
手法を用いた。 (1)標識は、光の反射特性の異なる2種類以上の物体
を適当な順序で並べたものとし、並べ方の組み合わせに
よるパターンによって、各標識に固有の符号(あるいは
番号)を付与する。また、光の反射特性の異なる物体を
並べた境界を少なくとも3個所以上設け、それらの境界
線を標点とする。ただし、標識を構成する物体の寸法は
既知なるものとし、標点間の距離は既知である。
は、標識を構成する物体に適当な光を照射し、反射光の
反射特性の違いを検出することにより、標識を構成する
物体の反射特性の違いを識別し、もって標識のパターン
すなわち標識に固有の符号を同定する。同時に、反射光
の反射特性の変化から光の反射特性の異なる物体を並べ
た境界、すなわち上記の標点を検出する。ただし、光の
発射方向のロボットの基準の向きからの角度を計測でき
るようにする。
号を、あらかじめロボットに与えられた地図上の標識の
符号と照合することにより、ロボットは自分が地図上の
どの位置にいるかを知る(確認する)。ただし、それだ
けでは、ロボットがその標識の近傍にいることは判る
が、ロボットの正確な位置や向きは不明である。しか
し、光の発射方向のロボットの基準の向きからの角度を
計測できていることにより、上記標点をロボットから見
たときのロボットの基準の向きからの角度が判り、少な
くとも3点の標点を用いて、三角測量の原理により、標
識を基準とするロボットの位置と向きを決定できる。こ
れにより、ロボットは、自己の位置決めあるいは補正を
正確に行うことができる。
が例えば縦向きと横向きというように異なる2種類の偏
光フイルムを、光の反射物体(例えば反射テープ)上に
適当な順序で並べ、並べ方の組み合わせによるパターン
によって、各標識に固有の符号(あるいは番号)を付与
する。ここで、偏光フイルムに無偏光の光を入射する
と、反射物体で反射後、再び偏光フイルムを透過してく
る反射光はその偏光フイルムの偏光方向に対応した偏光
光である。
な無偏光な光をスキャンする部分と、標識からの反射光
の偏光方向の違いを検出する部分から構成する。光源に
半導体レーザを使う場合、半導体レーザは直線偏光とな
っているので、光源の直後に1/4波長板をおき、円偏
光とすることで実用上、無偏光とみなすことができる。
受光部の先頭に、標識に用いたものと同じ2種類の偏光
フイルムをそれぞれ設置する。これにより、各受光部は
特定の偏光光のみに応答する。各受光部の出力の差信号
をとると、標識以外の物体からの反射光は無偏光のた
め、両受光部の出力は小さく等しいので差信号はゼロと
なり、標識からの反射光は、偏光フイルムの偏光方向に
よって、+出力または−出力となる。これにより、標識
の存在と標識のパターンすなわち符号を検出でき、差信
号の+から−、−から+への変化点を標点として検出す
る。
置する必要はなく、コーナーや基準点などに設置するだ
けでよいから、その数が最小限に抑制され、誤動作が防
止されて正確な誘導方法が達成される。以下、本発明に
よる好適な実施形態を添付図面を参照しながら説明す
る。
路の例を表している。このような経路で移動ロボット1
0を誘導するとき、ロボットの内界センサーによるデッ
ドレコニング動作だけでは走行中の位置検出誤差の蓄積
によりコースを外れてしまうことがある。そこで曲がり
角やエレベータ昇降口付近、作業場所14付近などの精
度の高い自己位置検出やポジショニングが必要な地点に
マーカー(誘導標識)20,21を設けて、それらを検
出することで、ロボット自身が地図上でどの辺にいるの
かを認識できるようにする。
与することにより、マーカーを検出すると同時にマーカ
ーを識別し、さらにマーカー上の複数の地点と移動ロボ
ット上の基準点との成す角度を計測して、移動ロボット
の正確な自己位置及び向きを知ることができ、より精度
の高いロボットの誘導システムを構築することができ
る。
り、例えば幅Wが200mm、高さHが40mmの薄い
アルミニウム板22上に、光が入射した方向に反射する
反射テープ24を接着剤などで貼り付け、その上に透明
な偏光方向が直交する縦向きと横向きの2種類の偏光フ
イルム31〜38を平行に並べて貼り付けた構成となっ
ている。偏光フイルム自身は1種類でよく、縦向きにカ
ットしたものと横向きにカットしたものとで2種類を形
成させる。マーカー全体の厚さは約2mm程度で、薄く
て軽いので壁面に設置しても人の進行の妨げになること
はなく、電源に接続する必要もない。光源やコードなど
の付加設備がいらないので、壁面などに簡単に取り付け
ることができる。
射テープ24上に数字で番地情報を書けば人間によって
もマーカー20の情報が読み取り可能になり、人間とロ
ボットに同時に識別可能な標識となる。また、反射テー
プ24上に「非常口」などと記載すれば、案内標識を兼
ねることもできて便利である。
されたマーカーの読み取り装置などを表している。移動
ロボット40の基礎部分42には、従来の自律移動ロボ
ットと同様に電源や走行用モータ43などが収納され、
車輪45、46を駆動し、前輪47によって操向されな
がら走行する。
0と走査部55と反射光受光装置60とで構成されてい
る。コリメート光源として20mW半導体レーザの光を
円偏光し、見掛け上無偏光な光として使用する。半導体
レーザから照射された光51は、モータ56によって駆
動されるターンテーブル57上に45度傾斜して取り付
けられた反射ミラー58で水平面上にスキャンされ、壁
面12上のマーカー70に向けて回転照射される。回転
速度は、例えば10rps程度でよい。
置60が取り付けられ、その回転角度は同軸に取り付け
られた光学式ロータリーエンコーダ59により計測され
る。受光装置60には、直交する偏光方向を持つ2つの
偏光フイルム61,62の後側にそれぞれ取り付けられ
た2個のフォトダイオード63,64が用いられてい
る。この受光装置60は、マーカー70等から反射して
くる光の偏光方向と強度を同時に測定することができ
る。
ルコンピュータ80が搭載され、パーソナルコンピュー
タ80にはあらかじめ移動経路の地図情報が入力されて
おり、マーカー読み取り装置からの情報をもとにして移
動ロボットの現在位置を算出し、次の方向へと移動させ
るような命令を走行用モータ43などの走行装置へと出
すようになっている。
うに構成されており、レーザ源50から照射された無偏
光な光51は、マーカー70上を水平にQ方向にスキャ
ンされる。その反射光Rは、マーカー70上に配列され
た偏光フイルム71〜74(図4)と反射テープによっ
てそれぞれの向きに偏光された反射光となる。
(縦向きと横向き等)をP偏光、S偏光とすると、図に
示したマーカー70からの反射光Rは、順にP偏光−S
偏光−P偏光−S偏光となる。この反射光をP偏光、S
偏光の偏光フイルム61,62をそれぞれ取り付けた受
光装置60上のフォトダイオード63,64で光電変換
し検出する。
2又は反射物体76)からの反射光は無偏光なのでP偏
光の偏光フイルムを取り付けたフォトダイオード(P素
子)の出力と、S偏光の偏光フイルムを取り付けたフォ
トダイオード(S素子)の出力はほぼ同じ値を示し、そ
の出力差はほとんどない。これに対して、どちらかに偏
光した光が反射してきた場合は、P素子またはS素子の
どちらかの出力だけが大きくなり、その出力差(P−
S)をとるとプラスかマイナスの値を示して、光の反射
場所がP偏光のフイルムを貼った場所かS偏光のフイル
ムを貼った場所か判別することができる。また同時に、
(P−S)の値があるしきい値M以上を示す場所がマー
カーの存在領域であることも容易に認識することができ
る。
パターンで偏光フイルムを配列させてそれぞれのパター
ンに地図上の番地情報などを持たせると、それを検出し
た移動ロボットが地図上での自己位置を知ることができ
る。また、2つのフォトダイオードの出力差からP偏
光、S偏光を検出する方法にしたので、S/N比の高い
検出装置となっている。
ルムの寸法はあらかじめわかっているので、その偏光フ
イルムの各パターンの境目を検出して、ロボットから見
た境目間の角度をマーカー読み取り装置の回転軸に取り
付けたロータリーエンコーダ59で計測すると、三角測
量の原理によってマーカーに対するロボットの自己位置
と方位を算出することができる。
で、マーカー70の偏光フイルムの境目をA,B,C
(例えば図2における偏光フイルム31と32の境目を
A,34と35の境目をC,37と38の境目をB)と
すると、それらの座標は既知であるので、ロボットの位
置T(X,Y)と方向θr は次式によって求めることが
できる。 xr = xa (1+Kcotβ)/(1+K2 ) yr = Kxr θr = tan-1(yr /xr )− θc ただし、 α = θc − θb β = θa − θc K = (xa − xb )/(−xb cotα−xa c
otβ) ただし、(−xb cotα−xa cotβ)=0 のと
きは、 xr = xa /tanα yr = 0 となる。
基準点から望んだ境目A,B,Cの角度である。この図
から、少なくとも3点の境目が存在すれば自己位置の計
測が可能であることから、1枚のマーカーにつき偏光フ
イルムは最低2枚あればロボットの自己位置計測が可能
であることがわかる。
システムのブロック図を示す。レーザ発振器によって半
導体レーザからレーザ光が放出され、DCモータドライ
バによって駆動されるDCモータ56に取り付けられた
回転ミラー58によって回転走査され、レーザ光が偏光
マーカー70へと照射される。マーカー70から反射し
てきた光は、P偏光とS偏光の偏光フイルム61,62
をそれぞれ通過し、フォトダイオード63,64によっ
て光電変換される。変換された電気信号はチューナ・ア
ンプによって信号が選択・増幅され、二値化されてしき
い値を超える値だけが二値化フイルタを介して取り出さ
れ、さらにA/D変換器を介してパーソナルコンピュー
タ80へと送られる。
ータ56の回転角度からレーザ光の照射角度を検出し、
クロック発生器を介してA/D変換器へと信号を送り、
さらにパーソナルコンピュータ80へと信号が送られ
る。パーソナルコンピュータ80は、あらかじめ入力さ
れている移動経路の地図情報から移動ロボットの現在位
置を算出し、次の方向へと移動させるように走行用モー
タ43などの走行装置へと命令を出す。
知の寸法のマーカーを配置すると、マーカーの配列パタ
ーンから地図上の自己位置を知り、さらにパターンの境
目のなす角を検出して、マーカーに対する自己位置であ
る座標と方位を知ることができるので、移動ロボットの
正確な誘導を行うことができる。
FMS工場の組立ライン用ロボット、特定区画内での自
動車のナビゲーションシステム、郵便配達ロボット、警
備巡回ロボット、アミューズメントパークのアトラクシ
ョン用車両、建物内でのゴミ収集ロボットなどに広く応
用することができる。
ば、 (1)光反射マーカーを利用したロボット誘導システム
は、マーカー検出可能な任意の位置でのロボットの自己
位置と方位の精度の高い計測が可能である (2)S/N比の高い検出ができるので計測誤差が小さ
くなる (3)マーカーは小型・軽量で電源不要なので設置や移
動が容易である (4)複数のマーカーは分離して設置されるので数が少
なくて済み、低コストで設置できる (5)マーカーに文字を付加することにより、情報を目
視することができ、案内板としても利用できる 等の利点が得られ、その技術的効果には極めて顕著なも
のがある。
面図である。
を表す斜視図である。
図である。
法を表す座標平面図である。
ク図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 移動ロボットの進行方向に沿った経路中
に光の反射特性の異なる2種類以上の光反射物体を所定
の順序で並べたマーカーを設置し、 移動ロボット上に搭載したレーザ源から前記マーカーへ
とレーザ光を回転照射し、 移動ロボット上に搭載した反射光受光装置によって前記
マーカーを検出し、 複数のマーカーを順番に検出しながら誘導することを特
徴とする移動ロボットの誘導方法。 - 【請求項2】 前記反射光受光装置によってマーカー上
の光反射物体の並び方を検知し複数のマーカーを識別す
る工程を包含する請求項1記載の誘導方法。 - 【請求項3】 前記反射光受光装置によって前記マーカ
ー上の複数の地点と移動ロボット上の基準点との成す角
度を計測し、 マーカーに対する移動ロボットの位置と向きを算出する
工程を包含する請求項1記載の誘導方法。 - 【請求項4】 移動ロボットの進行方向に沿った経路中
に設置した標識を目標にして移動ロボットを誘導するシ
ステムであって、 経路中に設置されかつ光の反射特性の異なる2種類以上
の光反射物体が所定の順序で並べられているマーカー
と、 移動ロボット上からレーザ光を回転させながら走査する
レーザ走査手段と、 前記レーザ光が前記マーカーに当たって反射してくる光
を検出するように移動ロボット上に搭載されている反射
光受光装置とを備えることを特徴とする移動ロボットの
誘導システム。 - 【請求項5】 前記マーカーは板状の物体上に光反射テ
ープが貼着され、さらにその上に偏光の向きが異なる2
種類の偏光フイルムが並べられている請求項4記載の誘
導システム。 - 【請求項6】 前記反射光受光装置は偏光の向きが異な
る2種類の偏光フイルムを包含し、前記マーカーにおけ
る2種類の偏光フイルムの並び方を検知して複数のマー
カーを識別するようになっている請求項5記載の誘導シ
ステム。 - 【請求項7】 さらに、前記レーザ走査手段のレーザ照
射方向を検出するロータリーエンコーダと、 前記反射光受光装置と前記ロータリーエンコーダからの
信号を用いて移動ロボットの現在位置と向きを算出する
コンピュータとを有する請求項4記載の誘導システム。 - 【請求項8】 前記マーカー上に文字が表示され、マー
カーの情報が移動ロボットによって読み取り可能である
と共に目視可能となっている請求項4記載の誘導システ
ム。
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JP30225695A JP3340606B2 (ja) | 1995-10-27 | 1995-10-27 | 移動ロボットの誘導方法と誘導システム |
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