JPS60217412A - 移動ロボツトの移動制御装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は移動ロボットの移動制御装置に係り、特に複雑
な環境中を高速で移動するのに好適な移動ロボットの移
動制御装置に関する。

〔発明の背景〕

従来、移動ロボットはその移動制御のために、外界の環
境′ｆ：認識する手段とこの手段にもとづいて移動ロボ
ットの機構を制御する手段とを備えている。この種の移
動制御の一例として、１９８３年２月２４日、カーネギ
−・メロン大学発行の「Ｔｈｅ　Ｓ　ｔＱｎｆｏｙＦｌ
ＣＱＹＥ　ａｎｄ　Ｔｈｅ　ＣＭＣＲＯＶｅｒＪと題す
る文献に記載されている。この種の移動ロボットにおい
ては、環境認識に多大な時間を要するため、この間、移
動ロボットはその行動作業を中断しなければならず、環
境中を連続的に移動し作業することが難しかった。

〔発明の目的〕

本発明は複雑な環境中を外界認識を行ないながら移動並
びに作４を行うことができる移動ロボットの移動制御装
置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は上記の目的を達成するために、視覚手段からの
観測画像を用いて移動ロボットを所定の径路に誘導制御
するものにおいて、視覚手段からの観測画像を処理して
移動ロボットの誘導信号を出力する観測サブシステムと
、移動ロボットの位置情報にもとづいて移動ロボットの
現在位置を予測しそのアクチュエータの操作信号を計算
する移動作業サブシステムと、視覚手段からの観測画像
を解析して移動ロボットの周囲の状況を認識する環境理
解サブシステムと、移動ロボットの）ｆＬＪＪ並びに作
業に必要な知識を記憶する移動作業知識ベースと、移動
ロボットの移動計画を策定し、これを移動作業サブシス
テムに出力する行動計画サブシステムとを備え、移動ロ
ボットを複雑な環境中で高速に誘導させるものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の移動ロボツ°トの移動制御装置の全体
構成を示すブロック図であり、この図において、移動ロ
ボットＡは移動機構Ｂとこれに設けたマニピュレータ等
の作業機Ｃとを備えている。

移動機構Ｂには視覚手段りが設置されている。視覚手段
りは周囲の状況を観測画像Ｄ１　として観測サブシステ
ムＥに出力する。観測サブシステムＥは移動作業システ
ムＦからの位置予測結果Ｆ１にもとづいて知能サブシス
テムＧからの予測パターンＧ１と観測画像Ｄ１との比較
を行い移動ロボットＡのための誘導信号Ｅｌｆ移動作業
サブシステムＦに出力する。移動作業サブシステムＦは
知能サブシステムＧからの移動作業動作の指示Ｇ２に従
ってロボットのアクチュの操作信号Ｆ２の基準値ＦＡを
生成し、これを誘導信号Ｅｌにより補正した後に、操作
信号Ｆ２として移動ロボットＡの各アクチュエータに出
力する。これによシ、操作された各アクチュエータの出
力Ｆ３は移動作業サブシステムＦに帰還される。

前述した移動作業サブシステムＦからのアクチュエータ
の操作信号Ｆ２は次の式（１）によって得られる。

Ｆｚ−Ｆｌ＋α・Ｅｌ　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・（１）但し、α：定数 前述した知能サブシステムＧは環境理解サブシステムＨ
１行動計画システムｌおよび移動作業知能ペースＪを備
えている。環境理解サブシステムＨは観測サブシスチム
Ｅからの画像検出ノ（ターンＥ２を解析し移動口前ット
の周囲状況を認識すると共に、予測パターンＧｌを観測
サブシステムＥに出力する０知能作業知識ベースＪは移
動ロボットＡの移動並びに作業に必要な知識を記憶して
いる。行動計画サブシステムＩは環境理解サブシステム
Ｈからの情報Ｈ１と移動作業知識ベースＪからの情報Ｊ
ｌとにより、移動ロボットＡの移動並び作業動作の計画
内容Ｇ２を策定し、これを移動作業サブシステムＦに出
力する。

前述した移動ロポツ）Ａおよび観測サブシステムＦの詳
細な構成を以下に説明する０ まず、本発明を構成する移動ロボツ）Ａおよび観測サブ
システムＦの説明に先立って、本発明に用いられる原理
を説明する。本発明においては、環境モデル並びに移動
経路に関する情報が既に与見られているとの前提のもと
で、移動ロボットに搭載したカメラによシ撮影した画像
にもとづいて移動ロボットの位置を推定し、その誘導信
号を演算するものである。この誘導信号を得るだめのア
ルゴリズムを、さらに詳しく述べると、第２図に示すよ
うに、移動ロボットの走行モータの回転量およびステア
リング量等にもとづいて、移動ロボットの現在位置の事
前推定値Ｘ０をめ、ついでこれに対応する予測画像ｆｐ
を環境モデル情報にと予測手段りとによシ予測した後、
この予測画像ｆ、と観測画像ｆゆとの比較を行ってその
画像誤差Ｅｔをめ、この画像誤差Ｅｔ　を交換手段Ｍに
よシ位置誤差Ｅ、に変換し、この位置誤差Ｅ、にもとづ
いて前記の事前推定値Ｘ０′５Ｃ修正して位置推定値Ｘ
をめている。この位置推定値Ｘにもとづいて移動ロボッ
トは所望の経路に誘導される。

前述した移動ロボットの現在位置を予め設定された経路
に一致させるための情報は、位置推定の残差Ｅ、とじて
テレビカメラのサンプリング速度は常時入手される。

本発明においては、前述した誘導信号をめる演算フロー
における位置誤差変換のための予測画像ｆｐと観測画像
ｆｍとの比較に際して、これらの画像のパターン間に力
学的モデルを導入して得られるダイナミックな位置推定
手段を用いている。

この位置推定手段は、第３図に示すように、同一空間Ｓ
内にパターンＡおよびパターンＢｔｌ−配置し、さらに
これらのパターンＡ、Ｈにそれぞれの操作機構ＭＡ　ｒ
　ＭＢを設け、操作機構ＭＡ　＋　Ｍｎのいずれかもし
くは両者を操作して、パターンＡ。

３間に働く相互作用ΦＡＢを減少させるようにパターン
を動作させて、パターンマツチングをダイナミックに実
行する０ 次に上述したパターン間に働く相互作用ΦＡＢについて
述べる。

以下、説明を単純化するために、第３図に示すように、
空間Ｓを画面とし、パターンＡ、Ｂを２値画像とする。

ここで、パターンＡは観測画像にもとづくパターンとし
、パターンＢは環境モデルＫによって生成された予測画
像にもとづくパターンとする。いま、パターンＡが与え
られたとき、パターンＢの位置をパターンＡに接近させ
る適応則を見い出す必要がある。この適応則は空間Ｓ上
にパターンＡによシ生成されるポテンシャルφＡを導入
することによって得られる。このポテンシャルφ人は次
の（１）式によ請求めることができる。

αφＡ＋ＸＡ−０・・・・・・・・・・・・・・・・・
（１）作用素である。ただし、σ工、σアはポテンシャ
ルφＡの空間的広がりを表わすパラメータである。

また、（１）式において、ＸＡ　はパターンＡを空間Ｓ
の部分集合とみなしたときの定義関数である。

次に上述した空間Ｓ上のパターンＡのポテンシャルφλ
場により、パターンＢの受ける作用ＦＢは、次の（２）
式よりめることができる。ここでは説明の便宜上、２次
元平面内でのＸ軸およびｙ軸方向への移動のみを対象と
している。

Ｆｎ”’／Ｘｎ−ＤφＡｄｌ　・・・・・・・・・・・
・・・・（２）ただし、ＸＢはパターンＢＴｈ空間Ｓの
部分集合と同一視したときの定義関数であシ、Ｄは勾配
作方作用素を表している。

上述の（１）式および（２）式により、パター７、Ｂを
パターンＡに対して変形させるための情報、すなわち移
動体の誘導情報を得ることができる０しかし、この演算
における（１）式においては無限次元の連立方程式を含
んでいるため、つぎの近似式（３）を用いることがよい
。

上記（８）式のポテンシャルφ人の解を用いて、パター
ンＢをパターンＡに移動操作するための操作機構ＭＢの
出力ＵＢは、次の（４）式によってめることができる。

Ｕｎ　＝　／　ＸＢ−ＤφＡｄｓ　・・・・・・・・・
・・・（４）上記（８）式および（４）式から構成され
るパターンマツチング機構は、画像メモリおよび２種類
の領域演算装置によシバ−ドウエア化することができる
ものである。

以上述べた本発明に用いる原理にもとづいて、本発明を
構成する移動ロボットおよび観測サブシステムの実施例
を、第４図を参照して説明する。

この図において、観測サブシステムによって誘導される
移動ロボット１は例えば車輪、無限軌道等の走行部ＩＡ
を備え、操向装置（図示せず）によって所望の方向に移
動することができる。この移動ロボット１は自己の位置
を予測するための情報を提供する方位検出用のジャイロ
スコープＩＢおよび走行部ＩＡの回転量検出用の検出器
ＩＣを備えている。また、移動ロボット１はその前方の
状況を画像情報として取り込むテレビカメラ２を備えて
いる。

この移動ロボット１を誘導する観測サブシステムは、ジ
ャイロスコープＩＢおよび検出器ＩＣからの情報信号に
もとづいて移動ロボット１の経路中の位置を検出する移
動本位置検出手段３と、この移動体位置検出手段３から
の移動ロボットの位置にもとづいてその位置から推定さ
れる環境の特徴推定パターン、例えば建屋内の階段の平
行線群、廊下と壁との境界、窓等の線形状のパターンお
よび建屋経路情報を記憶している記憶手段４と、テレビ
カメラ２からの観測画像を同時に複数の特徴パターンに
処理すると共に、照合のために有効な特徴パターンを抽
出する画像処理手段５と、この画像処理手段５からのＭ
効な観測特徴パターンと前記記憶手段４からの予測特徴
パターンの一致性を検討する照合手段６と、この照合手
段６で得られた観測特徴パターンと予測特徴パターンと
の比較により、移動ロボット１の誘導信号を演算し、移
動ロボット１に出力する誘導制御手段７とを備えている
。この誘導制御手段７の誘導信号は上述のように移動ロ
ボット１を目標経路に沿って移動させると共に、その位
置制御のための信号として用いられる。誘導制御手段７
は前述したように予ｉｌｌ　バター／と観測パターンと
の間に働くポテンシャルφＡの場合を演算するポテンシ
ャル場演算手段７Ａと、このポテンシャルφＡの場によ
って得られる観測パターン予測パターンに対する作用力
ＦＢの勾配ベクトルを演算する作用力演算手段７Ｂとを
備えている。これらの演算手段７Ａ、７Ｂの演算内容は
、前述した本発明に用いる原理によって実行される。

前述した画像処理装置５は、第５図に示すように、入力
画像を１ｔｔ＝込む入力画像メモリ５０１と、入力画像
メモリ５０１への書き込みアドレスを制御するパターン
メモリ５０２と、処理画像をストアする処理画像メモリ
５０３と、与えられた画像の画素ごとに各画素の濃淡値
をその近傍の画素の濃淡値にもとづいて修正する修正値
を計算する画像演算器５０４と、入力画像メモリ５０１
および処理画像メモリ５０３の画素の濃淡値の大きい方
の値に対応する語長のデータに対する演′ｘ、を実行す
るハードロジック回路５０５と、入力画像メモリ５０３
、処理画像メモリ５０３およびハードロジック回路５０
５の値を選択的に出力するスイッチ５０６〜５０９と、
スイッチ５０６〜５０８を制御するメモリコントローラ
５１１と、メモリコントローラ５１１、パターンメモリ
５０２、ハードロジック回路５０５、画像演算器５０４
およびスイッチ５１０を制御するコントローラ５１２と
を備えている。この画像処理装置５は入力画像すなわち
観測画像から同時に複数の観測特徴パターンを抽出する
ために、複数個設置されている。〕この画像処理装置５
は前述したようにパターンメモリ５０２によシ入力画像
メモリ５０１の書き込みアドレスを制御し、入力画像を
入力画像メモリ５０１にストアし得るので、変換演算は
不要であシ、画像入力信号に対してリアルタイムで歪補
正、位置向きの変換等を実行することができる。

この際、パターンメモリ５０２の内容はコントローラ５
１２により変換設定することができる。また、この画像
処理装置５はコントローラ５１２により操作される画像
演算器５０４とハードロジック回路５０５とにＪ：−シ
、前述したポテンシャル場演算手段７Ａおよび作用力演
算手段７Ｂの機能を持つように切換え使用することがで
きる。

次に上述した本発明に用いる観測サブシステムの実施例
によって移動ロボット１を誘導する動作を説明する。

いま、第３図に示す移動ロボット１はその前方にある階
段に向って移動する場合を設定する。このとき、テレビ
カメラ２はその階段を撮影し、その画像信号ｆを、画像
処理装置５に出力する。このとき、第５図に示すように
画像処理装置５におけるパターンメモリ５０２はテレビ
カメラ２のレンズの収差補正データを書き込んだ歪パタ
ーンメモリ設定され、また画像演算器５０４は水平方向
の拡散に対応した演算パラメータに設定され、さらにハ
ードロジック回路５０５は画像の減算を行なうように制
御される。この設定により、第５図に示すように歪をも
った階段画像Ｆｌが入力された場合に、この歪をもった
階段画像Ｆ１の情報は歪を除去した階段画像Ｆ２の情報
として入力画像メモリ５０１にストアされる。この歪を
除去された階段画像Ｆ２はハードロジック回路５０５お
よび画像演算器５０４によ勺、例えば階段のステップに
相当する水平線画像Ｆ３に処理される。この水平線画像
Ｆ３は処理画像メモリ５０３にストアされる。このスト
アされた水子ａ画像Ｆ３の情報は、スイッチ５０８，５
１０によって誘導制御装置７のポテンシャル場演算手段
７Ａに出力される。

このポテンシャル場演算手段７Ａは、前述したように第
５図に示す画像処理装置５と同一構成で実行し得ること
を述べた。このため、第７図はポテンシャル場演算手段
７Ａの構成として取扱う。

この場合、パターンメモリ５０２は画像処理装置５から
の画像情報の特定領域を全画面に拡大する機能、すなわ
ち切シ出し機能を行うように設定され、また、画像演算
器５０４はその演算パラメータを等方性の拡散に設定さ
れ、さらに、ハードロジック回路５０５は加算モードに
設定されている。

この状態において、第６図に示す画像処理装置５からの
水平線画像Ｆ３の情報は切り出し設定されたパターンメ
モリ５０２によって例えば１つの水平線の情報Ｆ４のみ
が入力画像メモＩＪ　５０１にストアされる。この情報
Ｆ４はハードロジック回路５０５において画像演算器５
０４からの等方性の拡散を有する演算信号が加算されて
、認識した情報Ｆ４への接近の一つの尺度となるポテン
シャル場の情報Ｆ５に変換される。このポテンシャル場
の情報Ｆ５は処理画像メモリ５０３にストアされると共
に、スィッチ５１０全通してこれに接続する作用力演算
手段７Ｂに出力される。

この作用力演算手段７Ｂは前述したポテンシャル場演算
手段７Ａと同様に第５図に示す画像処理装置５と同一の
構成で実現することができる。この作用力演算手段７Ｂ
の動作を第８図によって説明する。この場合、パターン
メモリ５０２は切り出し用のパターンメモリに設定され
、また画像演算器５０４は作用力における勾配計算用の
演算パラメータに設定され、さらにハードロジック回路
５０５は積算モードに設定されている。この状態におい
て、ポテンシャル場演算手段７Ａからのポテンシャル場
の情報Ｆ５はパターンメモリ５０２によシその一部の情
報Ｆ６のみを抽出されて、入力画像メモリ５０１にスト
アされる。この情報Ｆ６はハードロジック回路５０５全
通して画像演算器５０４に加えられる。ここで、この情
報Ｆ６は作用力の要素を表わす勾配場の情報Ｆ７に演算
される。この勾配場の情報Ｆ７は予め設定した移動ロボ
ット１の移動経路に対する移動ずれ景を表わしている。

換言するならば、設定移動経路に対して移動ロボット１
が進むべき位置・向きを表わしている。この勾配場の情
報Ｆ７は処理画像メモリ５０３にストアされると共に、
移動ロボット１の誘導信号としてスィッチ５１０全通し
て第４図に示す移動体１に出力される。この誘導信号は
移動体１の操向装置を操作する。これにより、移動体ｌ
は所定の経路に沿って誘導され、目的地に向って移動す
ることができる。また、この誘導信号は移動体位置予測
手段３からの移動体の予測位置値に比較され、実環境を
走行する際に生じる種々の誤差、例えばスリップ、路面
の凹凸等により生じる走行距離誤差、左右のモータのア
ンバランス、ジャイロスコープのドリフトに起因するス
テアリング誤差等を修正すると共に、走行開始時点での
位置並びに方向誤差を補正している。

上述した観測サブシステムによれば、テレビカメラによ
って観測した観測画像は画像処理装置によって、同時に
複数の特徴パターンに抽出され、その内で最も良好に認
識されたパターンを誘導の指標とするので、精度のよい
誘導が可能である。

さらに、この観測特徴パターンと予測特徴パターンとの
間の偏差を表す情報は、誘導制御装置７によってリアル
タイムで検出される。

なお、上述の実施例においては、誘導性の向上のために
照合手段６によって観測特徴パターンと予測特徴パター
ンとの一致性を行ったが、この照合手段６を用いなくて
も、実行可能である。

前述した環境理解サブシステムＨの一例を第９図を用い
て説明する。この環境理解サブシステムＨは位置推定機
構１０３．特徴抽出機構１０５、方向決定機構１０４か
らなる単一視野あるいは少数の連続視野内に入る領域で
の概略方向を決定する部分と、レンジ推定機構１０６．
床面形状推定機構１０７．動作決定機構１０８からなる
移動動作決定部とからなっている。環境情報ファイル１
０２は移動作業知識ペースに構成されている。

る。床面形状推定機構１０７は事前にめられているカメ
ラ位置情報と距離分布図とによシ、床面上の障害物等の
形状を推定する。動作決定機構１０８は方向決定機構１
０４から得られる進行方向と床面形状推定機構１０７か
ら得られる床面形状にもとづいてロボットがとるべき動
作モー腎や決定する。この動作モードは直進２回転２階
段昇降。

障害物乗り越えおよび停止動作を指す。前述した動作決
定機構１０８は床面形状に付与するポテンシャル場を考
慮することによって具体的な進行方向および動作を決定
する。環境情報ファイル１，０２はロボットに指示した
い径路情報地図を例えばクラス形式で記憶している。特
徴抽出機構１０３は基本的には床面形状推定機構１０７
と同様に床面が十字形２丁字形、Ｎ形等になっているか
、又階段になっているかを摘出する。位置推定機構１０
３は環境情報ファイル１０２に格納されている地図上に
ロボットが位置しているかを推定するものであシ、特徴
抽出機構１０５によって得られる床面形状情報を環境フ
ァイル１０２内の情報に照合させることによシロボット
の現在位置を距離的に正確値を刈ることなく推定するこ
とができる。方向決定機構１０４はロボット推定位置と
環境ファイル１０２からの地図情報とにより進むべき方
向を前述した動作決定機構１０８に出力する。

以上述べた環境理解サブシステムＨはロボットの移動空
間における単一あるいは少数の連続的視野内の移動環境
の経路情報を得ることができる。

次に行動計画サブシスチムニの概要を述べると、この行
動計画サブシステム■は移動すべ＠経路を自律的に決定
し、障害物等を回避する等の行動指令を作成するもので
あり、第１０図に示すように移動作業知識ペースに蓄積
された移動環境に関する地図情報にもとづき移動経路を
遂次決定する手段２０１と、決定した積動経路上の障害
物の有無を判断する手段２０２と、その障害物の種類を
判定する手段２０３と、これにもとづいて地図情報を簀
き換える手段２０４と、この簀き換えられた地図情報に
もとづいてその障害物を避けられる移動経路を再決定す
る手段２０５と、決定又は再決定された移動経路に関す
る地図情報にもとづいてロボットの遂次行動指令を作成
する手段２０６とを備えておシ移動経路を高速でめ、そ
れにもとづいてロボットに移動作業指令を出力する。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、複雑な環境中でも
移動ロボットを高速で移動および作業させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の移動制御装置の全体構成を示すブロッ
ク図、第２図は本発明に用いる原理を説明するブロック
図、第３図はその動作を説明する図、第４図は本発明全
構成する観測サブシステムの一例を示す構成図、第５図
は観測サブシステムを構成する画像処理装置の一例の構
成金示す図、第６図はその動作を示す図、第７図は観測
サブシステムを構成するポテンシャル場演算手段の一例
の構成を示す図、第８図は観測サブシステムを構成する
作用力演算手段の一例の構成を示す図、第９図は本発明
を構成する環境理解サブシステムの構成を示す図、第１
０図は本発明を構成する行動計画サブシステムの構成を
示す図である。 Ａ・・・移動ロボット、Ｂ・・・移動機構、Ｃ・・・作
業機、Ｄ・・・視覚手段、Ｅ・・・観測サブシステム、
Ｆ・・・移動作業サブシステム、Ｇ・・・知能サブシス
テム、Ｈ・・・環境理解サブシステム、■・・・行動計
画サブシステム、Ｊ・・移動作業知識ペース。 ｖＺ図 埠３園 第ｑ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、視覚手段からの観測画像を用いて移動ロボットを所
   定の径路に誘導制御するものにおいて、視覚手段からの
   観測画像を処理して移動ロボットの誘導信号を出力する
   観測サブシステムと、移動ロボットの位置情報にもとづ
   いて移動ロボットの現在位置を予測しそのアクチュエー
   タの操作信号を計算する移動作業サブシステムと、視覚
   手段からの観測画像を解析して移動ロボットの周囲の状
   況を認識する環境理解サブシステムと、移動ロボットの
   移動並びに作業に必要な知識を記憶する移動作業知識ペ
   ースと、移動ロボットの移動計画を策定し、これを移動
   作業サブシステムに出力する行動計画サブシステムとを
   備える移動ロボットの移動制御装置。