JPS6347806A - 無人走行車輌 - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、無人走行車輌に関する。

（ロ）従来の技術 例えば、清掃ロボットのように、壁面で囲まれた作業領
域を移動しながら作業を行なう無人走行車輌は、独立し
て作業領域を識別してそれに対応した地図データを形成
し、その作業領域を作業するための走行経路を地図デー
タに基づいて作成している。

このように１作業領域の地図データを形成したり、走行
経路を外さないで走行するためには、精度よく方向を検
出するセンサが必要であり、そのため、従来ではガスレ
ートジャイロ等のジャイロ手段を用いていた。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 しかしながら、このようなジャイロ手段は高価であり、
そのために無人走行車輌のコストが増大するという不都
合を生じていた。

そこで本発明は、高価なセンサを使用せずに安価に実現
できる無人走行車輌を提供することを目的とする。

（ニ）問題点を解決するための手段 本発明は、おのおのの駆動輪の回転量を検出する回転量
検出器と、車体前面に複数個配列されて車体が物体に衝
突することを検出する衝突検出器と、車体の両側面にそ
れぞれ配設されて壁面と車体との距離を測定する測距手
段と、衝突検出器の−１・；・、 検出出力と距離測定手段の出力に基づいて車体の進行方
向と位置を修正する制御手段を備えいる。

（ホ）作用 したがって、車体の走行中の適宜なタイミングで、車体
の実際の走行方向と位置が、基準の走行方向および位置
とどれだけずれているかを検出してそれを修正すること
ができるので、ガスレーｈジャイロ等の高価なセンサを
使用しなくとも車体を適切に走行できる。

（へ）実施例 第１図に本発明の一実施例にかかる無人走行車輌の走行
部を示す。

同図において、長方形の前部に半円形の後部を連結した
形状の車体１の前面には、車体１が壁面等に衝突したこ
とを検出するための５個の衝突センサ２，３，４，５．
６がほぼ等間隔に配列されており、車体１の左側面の前
方と略中央部には車体１が壁面に接触だことを検出する
ための２個の接触センサ７．８が配設されている。これ
らの衝突センサ２，３，４，５゜６および接触センサ７
．８としては、例えばマイクロスイッチ等を用いること
ができる。

また、車体１の進行方向に正対して前方の壁面からの距
離を測定するための超音波センサ９と。

車体１の左右側面に正対して車体１と左右の壁面からの
距離を測定するための超音波センサ１０，１１がそれぞ
れ配設されている。

車体重心の床面投影位置Ｇをはさんで左右の対称位置に
は、駆動輪１２．１３、この駆動輪１２．１３をそれぞ
れ独立に駆動するためのモータ１４，１５、および、駆
動輪１２．１３の回転量を検出するためのパルスエンコ
ーダ１６．１７がそれぞれ配設されている。

また、位置Ｇをはさんで前後の対称位置には、ポールキ
ャスタあるいは自在キャスタ等からなる従動輪１８．１
９が配設されている。

したがって、車体１は、駆動輪１２．１３がともに前進
駆動あるいは後進駆動されるときには前進あるいは後進
し、駆動輪１２が前進駆動されて駆動輪１３が駆動＠１
２と同一速度で後進駆動されるときにはその場で時計回
り方向に回転し、駆動輪１２が前進駆動されて駆動輪１
３が駆動輪１２と異なる速度で後進駆動されるときには
その速度差に対応して時計回り方向に回転し、駆動輪１
２のみが前進駆動されるときにはそのときの車体１の運
動の支点（例えば駆動輪１３と床面の接触点あるいは車
体前面の一点）を中心として時計回り方向に回転する。

同様に車体１は、駆動輪１３が前進駆動されて駆動輪１
２が後進駆動されるときにはその場で反時計回り方向に
回転し、駆動輪１３が前進駆動されて駆動輪１２が駆動
輪１３と異なる速度で後進駆動されるときにはその速度
差に対応して反時計回り方向に回転し、駆動＠１３のみ
が前進駆動されるときにはそのときの車体１の運動の支
点（例えば駆動輪１２と床面の接触点あるいは車体前面
の一点）を中心として反時計回り方向に回転する。

また、車体１が運動（走行）するときには、従動輪１８
．１９は進行方向をその運動方向に沿って倣い、従動回
転する。

このようにして、車体１が運動するとき、パルスエンコ
ーダ１６．１７の出力パルスを積算することにより、車
体１の移動距離と、運動の前後での移動方向の差すなわ
ち進行方向の相対的な方位を検出することができる。

なお、このために、パルスエンコーダ１６．１７として
２相のパルス信号を出力するものを用い、駆動輪１２，
１３の回転方向を識別できるようにしている。また、パ
ルスエンコーダ１６．１７に代えて、アブソリュートエ
ンコーダを用いることができる。

この無人走行車輌の走行制御部の一例を第２図に示す。

同図において、無人走行車輌の走行を制御するための制
御部２０は、マイクロプロセッサとその周辺回路等から
構成されており、作業領域（走行領域）をあられす地図
データ、走行経路をあらゎす走行経路データおよび車体
１の現在位置等を記憶するためのメモリ２１を備えてお
り、また、衝突センサ２へ６および接触センサ７．８の
検出信号８２〜８８は制御部２０に加えられている。　
− また、制御部２０から送信パルス信号ＴＰＩが送信部２
２に出力されると、所定周波数で所定パルス幅の信号が
送信部２２から超音波センサ９の送波器９ａに印加され
、これによって、超音波信号が前方の壁面に放出される
。その壁面からのエコーは、超音波センサ９の受波器９
ｂで検出され、この受波器９ｂの検出信号は受信部２３
によって検波されるとともに波形整形され、受信パルス
信号ＥＰＩとして制御部２０に出力される。

制御部２０では、送信パルス信号ＴＰＩの出力タイミン
グから受信パルス信号ＥＰＩの受信タイミングまでの時
間に基づいて、車体１と前方の壁面との距離を算出する
。この算出結果は、車体１が前方の壁面に衝突する直前
に、車体１と前方の壁面との距離に応じて車体１の速度
を減速するときに用いられる。

同様に、制御部２０から送信パルス信号ＴＰ２．ＴＰ３
が送信部２４．２６に出力されると、所定周波数で所定
パルス幅の信号が送信部２４　、２６から超音波センサ
１０，１１の送波器１０ａ、ｌｌａに印加され、これに
よって、超音波信号が左右のの壁面に放出される。それ
らの壁面からのエコーは、超音波センサ１０，１１の受
波器１０ｂ、ｌｌｂで検出され、この受波器１０ｂ、ｉ
ｌｂの検出信号は受信部２５．２７によって検波される
とともに波形整形され、受信パルス信号ＥＰ２．ＥＰ３
として制御部２０に出力される。

制御部２０では、送信パルス信号ＴＰ２．ＴＰ３の出力
タイミングから受信パルス信号ＥＰ２．ＥＰ３の受信タ
イミングまでの時間に基づいて、車体１と左右の壁面と
の距離を算出する。これらの算出結果は、車体１が壁面
あるいは障害物等に衝突したときに、車体ｌの位置を修
正する場合等に用いられる。

また制御部２０は、モータ１４，１５を駆動するモータ
駆動部２８．２９に、モータ１４，１５の回転方向と回
転速度からなる駆動指令信号を出力して、モータ１４゜
１５を制御する。

また、駆動輪１２．１３の回転に伴ってパルスエンコー
ダ１６．１７から出力される２相のパルス信号ＰＰＩ。

ＰＰ２は、制御部２０に出力されており、制御部２０は
。

これらのパルス信号ＰＰＩ、ＰＰ２に基づいて駆動輪１
２゜１３の回転量を算出するとともにそれらの回転方向
を識別し、車体１の移動量、回転方向および回転量（方
向転換量）を算出する。

このようにして、本実施例では、パルスエンコーダ１６
．１７から出力される２相のパルス信号ＰＰＩ。

ＰＰ２に基づいて車体１の方向転換量等を算出している
ので、ジャイロ等の方位センサを必要としない。

以上の構成で、車体１を作業領域内に設定される走行経
路上を走行させることを考える。

ここで、車体１は、例えば壁面で囲まれた床面を清掃す
る清掃ロボット等の無人走行車輌の車体であるものとし
、図示しない清掃ユニットをその下部に付設しているも
のとする。したがって、この場合の作業領域は壁面で囲
まれた床面であり、走行経路は清掃ユニットによってそ
の作業領域を隙間なく塗り潰すような経路、例えば、清
掃ユニットの幅に対応した間隔で、−筆書きできるよう
なジグザグな往復経路である。

まず、無人走行車輌に作業領域をあられす地図データを
形成させる。そのためには、作業領域を囲む壁面を接触
センサ８が検出できるように、車体ｌを床面の清掃開始
位置に置いて、この無人走行車輌を起動させればよい。

これにより、制御部２０は、接触センサ８が常に壁面を
検出できるように駆動輪１２．１３を駆動制御するとと
もに、そのときに通過した経路を作業領域の最外枠とし
て識別し、それをあられす地図データを形成する。この
地図データを形成するとき。

作業領域をなす多角形の一辺の長さは、パルスエンコー
ダ１６．１７から出力されるパルス信号ＰＰＩ、ＰＰ２
の計数値に基づいて算出し１作業領域をなす多角形のお
のおのの頂点の角度は、その頂点において車体１を回転
させたときのパルス信号ＰＰＩ、ＰＰ２の計数値の差等
に基づいて算出する。

例えば、接触センサ８が所定時間壁面を検出できなかっ
たときに、その位置から接触センサ７が壁面を検出する
まで車体１を反時計回り方向に回転させ、そのときの回
転量に基づいてその頂点での角度を算出する。これによ
り、作業領域をなす多角形の頂点のうちその多角形の内
部に突出している頂点の角度、すなわち、車体１が左折
する角度を求めることができる。

また、衝突センサ２〜６が壁面に衝突したことを検出し
たときには、全ての衝突センサ２〜６が衝突を検知しな
い程度の距離だけ車体１を後退させ、その位置で、車体
１を、その進行方向が衝突した壁面ｉ沿う状態になるま
で時計回り方向に車体１を回転させ、そのときの回転量
に基づいてその頂点での角度を算出する。これにより、
作業領域をなす多角形の頂点のうちその多角形の外部に
突出している頂点の角度、すなわち、車体１が右折する
角度を求めることができる。

このようにして、壁面に沿って車体１を走行させながら
地図データを形成してゆき、車体１が出発点に戻ってき
たらその地図データの形成を終了し、それによって、地
図データが完成する。そして、制御部２０は、この形成
した地図データをメモリ２１に記憶する。

なお、このようにして地図データを形成しているときに
、適宜に清掃ユニットを作動して床面の最外枠の清掃を
行なうこともできる。

次に、制御部２０は、この完成した地図データに基づき
１作業領域全体を清掃ユニットの幅よりも所定のオーバ
ラップ量だけ小さい間隔で、車体ｌの中心位置Ｇがジグ
ザグな往復経路を移動するような一筆書きの走行経路を
生成する。

この場合、走行時の車体方向の基準は１作業領域を囲む
壁面に設定されているので、作業領域の両側を規制して
いる壁面に車体１が衝突しながら、それらの壁面間を往
復移動する経路を走行経路として生成する。

そして、制御部２０は、このようにして生成した走行経
路に対応した座標データ等からなる走行経路データを形
成し、この走行経路データをメモリ２１に記憶する。

制御部２０は、メモリ２１に記憶した走行経路データを
参照しながら、そのときの作業領域を作業するために生
成した走行経路に沿って車体１を走行させながら、清掃
ユニットを作動させて床面を清掃する。

このようにして、走行経路を走行させるとき。

まず、走行経路をなす１つの片路の経路の開始点にまで
車体ｌを移動させるとその片路経路に乗るように車体ｌ
をいずれかの方向に回転し、それによって対面した壁面
に衝突するまで車体１を走行させる。そして、このよう
にして壁面に衝突させると、若干の距離を後退し、次の
片路経路に移行するために車体１をいずれかの方向に所
定の角度回転させて１次の片路経路の開始点にまで車体
１を移動させる。このような制御を順次繰り返して行な
い、生成した走行経路に沿って車体１を走行させる。

また、制御部２０は、このように車体１を走行させると
き、パルスエンコーダ１６．１７の出力に基づいて走行
経路における車体１の現在位置を常に監視して、その位
置データを保持している。そして、この位置データによ
って次に衝突する壁面からの距離を判別し、その距離が
所定値よりも小さくなった場合には超音波センサ９の作
動を開始して壁面との距離を監視し、車体１が壁面に接
近するに伴って車体ｌを減速させ、これによって、車体
１を微小な速度で壁面に衝突させている。

さて、このようにして走行経路に沿って車体１を走行さ
せているとき、床面の材質および凹凸等によって駆動輪
１２．１３が滑ったり、蹴られたりすると、車体１が実
際に走行している経路が、最初に生成した基準となる走
行経路と異なり、走行誤差を生じる。

例えば、第３図に示すように、壁面ｗ１と平行な走行経
路ＲＴＩを走行するとき、その走行経路（片路経路）Ｒ
ＴＩの開始点で状態Ｓ８１のように車体１の進行方向が
走行経路ＲＴＩと角度θだけずれていた場合には、走行
経路ＲＴＩの終点で車体ｌは状態ＳＳ２のように壁面り
２と角度θの傾斜をもって衝突する。

この走行経路ＲＴＩの距離をＬとすると、走行経路ＲＴ
Ｉの終点における車体１の壁面ｖ１からの位置誤差ＥＲ
Ｉ、すなわち、走行経路ＲＴＩの開始点における車体１
の壁面ｖ１からの距離１゜と走行経路ＲＴＩの終点にお
ける車体１の壁面ν１からの距離１１との差は、次式（
［）によってあられされる。

ＥＲＩ　＝　１．−１．　＝　Ｌ　ｔａｎθ　　　　−
・−（１）例えば、距離りを３ｍ、角度θを１度とした
とき、位置誤差ＥＲＩは５．２ｃｍとなる。

さて、状＠ＳＳ２では、走行経路の基準となっている壁
面の１つである壁面ｖ２と、車体ｌの前面とがある角度
をもって衝突している。その様子を第４図（ａ）に示す
。ここでは、衝突センサ２−６のうち衝突センサ２のみ
が壁面り２を検出しており、壁面ｖ２と車体１の前面と
が角度φをなしている。

すなわち、制御部２０は、車体１がいずれかの壁面に衝
突したとき、全ての衝突センサ２〜６が壁面を検出して
いなければ車体１が基準となる方向を向いていないと判
断し、かつ、そのときに壁面を検出している衝突センサ
２−６を識別して、いずれの方向に向きがずれているか
を判別する。

この場合には衝突センサ２のみがオン作動しているので
、制御部２０は、第４図（ｂ）に示すように。

全ての衝突センサ２〜Ｇがオン作動するまでの間、駆動
輪１３のみを前進駆動させる。また、そのときにパルス
エンコーダ１７から出力されるパルス信号ＰＰ２に基づ
いてそのときのずれの角度φを算出することができる。

このとき、車体１が第４図（ａ）から同図（ｂ）の状態
になるまで、衝突センサ２が運動の支点となっており、
同図（ａ）の状態でのその支点から車体１の中心位置Ｇ
までの壁面ｖ２に平行な方向の距離１２と、同図（ｂ）
の状態でのその支点から車体１の中心位置Ｇまでの壁面
ｗ２に平行な方向の距離１．との誤差。

すなわち、車体１の方向を修正したことに基づく車体１
の位置誤差ＥＲ２は１次式（Ｉｆ）のようになる。

ＥＲ２＝　１□−１２ ＝　Ｒ−ＪＲ”−ｒ”　ｓｉｎψ　　　−−−（Ｉｆ）
ただし、Ｒは車体１の前部の長方形の縦方向の長さ、ｒ
は車体１の後部の半円形の半径である６例えば、長さＲ
を２５ｃ＋ａ、半径ｒを２０ｃｍ、角度ψを５度とする
と、位置誤差ＥＲ２は２．８ｃ＋ｗになる。

この場合、状態ＳＳ２での向きを修正した時点で。

制御部２０は、超音波センサ１０，１１を作動させて左
右の壁面からの車体１の距離を測定し、その測定結果に
基づいてその衝突位置を判断し、その判断結果によって
、内部的に形成している位置データを修正する。なお当
然のことながら、衝突センサ６のみが壁面を検出してい
る場合には、反対方向に車体１を回転させて車体１の向
きを修正する。

そして、その修正した位置データに基づいて、次の走行
経路（片路経路）の開始点までの方向と距離を算出し、
その算出結果に基づいて車体１を次の走行経路の開始点
に移動させる。

このように、車体１を壁面に衝突させる度にその位置誤
差を修正し、次の走行経路に適切に乗せるようにしてい
るので、車体ｌの絶対的な方位を検出しなくとも、最初
に生成した走行経路に沿って車体１を走行させることが
できる。

ところで、第３図に示すように、作業領域内に障害物３
０があるときには、最初に生成した走行経路に沿って車
体１を走行させている途中に、その障害物３０に衝突す
る。その状態を状態ＳＳ３および状態ＳＳ４として示す
。

状態ＳＳ３では、第５図（ａ）に示すように、衝突セン
サ２のみが障害物３０を検出している。したがって、制
御部２０は全ての衝突センサ２〜６が障害物３０を検出
するように、この場合には駆動輪１３を前進駆動する。

これにより、衝突センサ２の位置を支点にして、車体１
が反時計回り方向に回転する。

ところが、このときには、同図（ｂ）に示すように、全
ての衝突センサ２〜６が障害物３０を検出する状態には
ならないから、制御部２０は、さらに駆動輪１３を前進
駆動し、それによって同図（ｃ）に示すように、今度は
中央の衝突センサ４の位置を中心にして車体１が反時計
回り方向に回転する。

このとき、最初にオン作動していた衝突センサ２がオフ
作動し、これにより、制御部２ｏは反対側の駆動輪１２
を前進駆動し、同図（ｄ）に示すように、最初にオン作
動していた衝突センサ２が再度オン作動する状態で、駆
動輪１２を停止する。

このようにして、車体１が障害物３ｏに対して正対し、
車体１の方向が修正される。

また状態ＳＳ４では、その状態が第４図（ｃ）に相当し
、この場合には、いずれかの方向に所定量だけ車体ｌを
回転し、その状態でいずれの衝突センサ２〜６もオン作
動しないときには、反対方向に最初の２倍だけ車体１を
回転し、それでも衝突センサ２〜６がオン作動しないと
きには、いずれかの衝突センサ２〜６がオンするまで徐
々に回転量を増加しながら車体１の回転を繰り返す。そ
して、最終的に第４図（ｄ）と同様な状態に車体１を移
動し、このようにして車体１の方向を修正する。

また、このようにして、車体１の方向を修正したとき、
状態ＳＳ２の場合と同様にして、車体１の位置データを
修正する。

なお、制御部２０は、最初に生成した走行経路を走行さ
せている途中で、車体１が障害物に衝突したと判断した
場合には、その障害物の周囲を倣ってその外形形状を判
断し、それに基づいてメモリ２１に記憶した地図データ
を修正し、その修正した地図データに基づいて最初に生
成した走行経路を修正することもできる。

ところで、上述した実施例では、車体ｌの方向を修正し
たときに、超音波センサ１０，１１を作動して車体工と
左右の壁面との距離を測定し、その測定結果に基づいて
車体ｌの位置データを修正しているが、この位置データ
の修正はこれに限ることはない。

例えば、車体１を走行させて壁面に衝突させる度に、そ
のときの衝突センサ２〜６のオン作動の状況を判断して
車体１の進行方向のずれとその向きを判別し、全ての衝
突センサ２〜６がオンするまでのいずれかの駆動輪１２
．１３の回転量に基づいてその方向のずれの量を算出し
、それらと、そのときに走行した走行経路の距離に基づ
いて、上述した式（Ｉ）、（ｕ）を演算して位置誤差Ｅ
ＲＩ、ＥＲ２を算出し、それらの位置誤差ＥＲＩ、ＥＲ
２の和にもとづいてその壁面に衝突した時点で内部的に
保持している車体１の位置データを修正する。

ただし、壁面に衝突して車体１の進行方向のずれを修正
したときに駆動輪１２．１３が滑る可能性があるので、
その算出した修正量が所定値を越えたときには、超音波
センサ１０，１１を作動させて車体１と左右の壁面との
距離を測定し、その測定結果に基づいて、車体１の位置
データを再度修正する。

なお、上述した実施例においては、接触センサを車体の
左側面に付設して、時計回り方向に壁面をたどって作業
領域に対応する地図データを形成しているが、接触セン
サを車体の右側面に付設して、反時計回り方向に壁面を
たどって作業領域に対応する地図データを形成すること
もできる。また、走行経路は、往復経路に限ることはな
い。

また、上述した実施例においては、車体に清掃ユニット
を搭載して床面を清掃する清掃ロボットについて本発明
を適用しているが、これ以外の機能を実現する無人走行
車輌についても１本発明を同様にして適用できる。

（ト）発明の効果 以上のように、本発明によれば、おのおのの駆動輪の回
転量を検出する回転量検出器と、車体前面に複数個配列
されて車体が物体に衝突することを検出する衝突検出器
と、車体の両側面にそれぞれ配設されて壁面と車体との
距離を測定する副距手段と、衝突検出器の検出出力と距
離測定手段の出力に基づいて車体の進行方向と位置を修
正する制御手段を備えていて、車体の走行方向および位
置を修正しながら走行するので、ジャイロ等の高価な方
位センサを用いなくとも走行経路を適切に走行できる無
人走行車輌を実現でき、その結果。

安価な無人走行車輌を得ることができる６

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる無人走行車輌の走行
系を例示した概略平面図、第２図は走行制御系の一例を
示したブロック図、第３図は走行態様を例示した概略図
、第４図（ａ）、（ｂ）は車体を壁面に衝突させたとき
の車体の進行方向の修正の一例を示した説明図、第５図
（ａ）〜（ｄ）は車体が障害物に衝突したときの車体の
方向の修正例を示した説明図である。 １・・・車体、２〜６・・・衝突センサ、７，８・・・
接触センサ、’ＩＩ、１０，１１・・・超音波センサ、
９ａ、１０ａ、ｌｌａ・・・送波器、　９ｂ、１０ｂ、
ｌｌｂ・・・受波器、　１２．１３・・・駆動輪、１４
．１５・・・モータ、１６，１７・・・パルスエンコー
ダ、１８．１９・・・従動輪、２０・・・制御部、２１
・・・メモリ、２２．２４．２６・・・送信部、２３，
２５，２７・・・受信部。 ２８．２９・・・モータ駆動部。 粋押人　点１十　　虻　用　　肋 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくとも一対の独立して前後進する駆動輪を備えて自
   由方向に走行する無人走行車輌において、おのおのの駆
   動輪の回転量を検出する回転量検出器と、車体前面に複
   数個配列されて車体が物体に衝突することを検出する衝
   突検出器と、車体の両側面にそれぞれ配設されて壁面と
   車体との距離を測定する距離測定手段と、上記衝突検出
   器の検出出力と上記距離測定手段の出力に基づいて車体
   の進行方向と位置を修正する制御手段を備えたことを特
   徴とする無人走行車輌。