WO2022196080A1 - 情報処理装置、情報処理方法、プログラム、移動装置、及び情報処理システム - Google Patents

Abstract

本開示は、より少ない計算負荷で、かつ、より高精度に自己位置及び姿勢の推定を行うことができるようにする情報処理装置、情報処理方法、プログラム、移動装置、及び情報処理システムに関する。 少なくとも２以上の絶対位置センサと、自己位置及び姿勢を算出する自己位置姿勢算出部とを備え、自己位置姿勢算出部は、絶対位置センサから取得した絶対位置と、移動装置の基準位置に対する絶対位置センサの相対位置とに基づいて、自己位置及び姿勢を算出する情報処理装置が提供される。本開示は、例えば、自律移動型ロボット装置に適用することができる。

Description

情報処理装置、情報処理方法、プログラム、移動装置、及び情報処理システム

　本開示は、情報処理装置、情報処理方法、プログラム、移動装置、及び情報処理システムに関し、特に、例えば、より少ない計算負荷で、かつ、より高精度に自己位置及び姿勢の推定を行うことができるようにした情報処理装置、情報処理方法、プログラム、移動装置、及び情報処理システムに関する。

　近年、自律移動機能を有するロボットの研究開発が盛んに行われている。この種の自律移動型ロボットでは、自身が今どこにいるかを示した自己位置を推定する機能が不可欠である。

　自己位置推定に関する技術としては、例えば、特許文献１に開示された技術がある。特許文献１には、ロボットを初期位置に配置したときに取得した全方位画像から、ロボットが初期位置から移動した場合を想定して合成した全方位の予測画像を作成しておき、この予測画像とロボットが実際に移動して新たに取得した全方位画像とを照合してロボットの位置と姿勢を検出する技術が開示されている。

特開2006-220521号公報

　自律移動型ロボットにおいて自己位置推定を行うに際しては、少ない計算負荷で、かつ、高精度に自己位置及び姿勢の推定を行うことが求められる。特許文献１に開示されている技術では、ロボットの自己位置を推定する際に、カメラにより撮影された撮影画像を用いているため、画像処理での計算負荷が大きくなる。

　本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、より少ない計算負荷で、かつ、より高精度に自己位置及び姿勢の推定を行うことができるようにするものである。

　本開示の一側面の情報処理装置は、少なくとも２以上の絶対位置センサと、自己位置及び姿勢を算出する自己位置姿勢算出部とを備え、前記自己位置姿勢算出部は、前記絶対位置センサから取得した絶対位置と、移動装置の基準位置に対する前記絶対位置センサの相対位置とに基づいて、前記自己位置及び姿勢を算出する情報処理装置である。

　本開示の一側面の情報処理方法、及びプログラムは、上述した本開示の一側面の情報処理装置に対応する情報処理方法、及びプログラムである。

　本開示の一側面の情報処理装置、情報処理方法、及びプログラムにおいては、少なくとも２以上の絶対位置センサから取得した絶対位置と、移動装置の基準位置に対する絶対位置センサの相対位置とに基づいて、自己位置及び姿勢が算出される。

　本開示の一側面の移動装置は、少なくとも２以上の絶対位置センサと、前記絶対位置センサから取得した絶対位置と、自己の基準位置に対する前記絶対位置センサの相対位置とに基づいて、自己位置及び姿勢を算出する制御部とを備えた移動装置である。

　本開示の一側面の移動装置においては、少なくとも２以上の絶対位置センサが設けられ、絶対位置センサから取得した絶対位置と、自己の基準位置に対する絶対位置センサの相対位置とに基づいて、自己位置及び姿勢が算出される。

　本開示の一側面の情報処理システムは、移動装置と、絶対位置を示す所定のパターンが形成された絶対位置検出用マットとを備え、前記移動装置は、少なくとも２以上の絶対位置センサと、前記絶対位置センサから取得した絶対位置と、自己の基準位置に対する前記絶対位置センサの相対位置とに基づいて、自己位置及び姿勢を算出する制御部とを有し、前記移動装置が前記絶対位置検出用マット上に存在するとき、前記絶対位置センサにより前記パターンを認識することで、前記絶対位置を特定する情報処理システムである。

　本開示の一側面の情報処理システムにおいては、移動装置が絶対位置検出用マット上に存在するとき、少なくとも２以上の絶対位置センサによりパターンを認識することで、絶対位置が特定され、特定された絶対位置と、自己の基準位置に対する絶対位置センサの相対位置とに基づいて、自己位置及び姿勢が算出される。

　なお、本開示の一側面の情報処理装置、又は移動装置は、独立した装置であってもよいし、１つの装置を構成している内部ブロックであってもよい。

本開示を適用したロボット装置の外観の構成の第１の例を示す図である。 本開示を適用したロボット装置の外観の構成の第２の例を示す図である。 本開示を適用したロボット装置の構成要素の例を示す図である。 本開示を適用したロボット装置における可動式の画面の例を示す図である。 複数のロボット装置による連携動作の第１の例を示す図である。 複数のロボット装置による連携動作の第２の例を示す図である。 複数のロボット装置による連携動作の第３の例を示す図である。 複数のロボット装置による連携動作の第４の例を示す図である。 本開示を適用したロボット装置における複数の光学式絶対位置センサを用いた位置計測の例を示す図である。 本開示を適用したロボット装置の機能的構成の例を示すブロック図である。 複数の光学式絶対位置センサの配置の例を示す図である。 複数の光学式絶対位置センサの配置の他の例を示す図である。 複数の光学式絶対位置センサによる計測結果を用いた自己位置及び姿勢の算出手法の例を示す図である。 本開示を適用したロボット装置の使用例を示す図である。 コンピュータの構成の例を示すブロック図である。

＜１．本技術の実施の形態＞

（外観の構成）
　図１，図２は、本開示を適用したロボット装置の外観の構成の例を示している。図１には、本開示を適用したロボット装置の上面図、正面図、側面図をそれぞれ示している。図２には、本開示を適用したロボット装置におけるディスプレイを可動させた状態の図を示している。

　ロボット装置１０は、自律型ロボットである。また、ロボット装置１０は、車輪等の移動機構を有する移動型ロボット（自律移動型ロボット）であり、空間内を自由に移動可能である。

　ロボット装置１０は、略直方体の形状からなり、その上面に、映像等の表示情報を表示可能なディスプレイを有する。ロボット装置１０において、上面のディスプレイ（画面）は可動式であり、平面（床面や地面等の移動面）に対して所望の角度に調整してその姿勢を固定することができる。

（構成要素）
　図３は、本開示を適用したロボット装置の構成要素の例を示している。図３において、ロボット装置１０は、各部の動作を制御する制御ユニット１０１と、映像を表示するディスプレイを含む映像表示ユニット１０２と、映像表示ユニット１０２を上げたり下げたりするための機構を含む画面昇降ユニット１０３とを有する。なお、以下の説明では、ロボット装置１０の物理的構造部分のことを、機体とも称する。

　図３では、ロボット装置１０の筐体の上面に設けられた薄板状の映像表示ユニット１０２が、画面昇降ユニット１０３により可動して、所望の姿勢に固定されている。このように、ロボット装置１０において、映像表示ユニット１０２は、その下端部分を中心に可動することができ、映像表示ユニット１０２が上方に開くと、筐体の内部が外部に露出する。

　ロボット装置１０は、左モータエンコーダ１０４－１と左モータ１０５－１、及び右モータエンコーダ１０４－２と右モータ１０５－２を有する。ロボット装置１０においては、差動二輪駆動型である駆動形式を用いており、左モータ１０５－１と右モータ１０５－２がそれぞれ動作することで、左右の車輪により移動可能となる。左モータエンコーダ１０４－１と右モータエンコーダ１０４－２は、左モータ１０５－１と右モータ１０５－２の回転の移動量などを検出する。

　ロボット装置１０は、センサ１０６－１乃至１０６－３等の各種のセンサを有する。センサ１０６－１乃至１０６－３としては、IMU(Inertial Measurement Unit)，LiDAR(Light Detection and Ranging)，位置センサ、カメラなどを含む。ロボット装置１０では、各種のセンサにより検出されたセンサ信号を用い、自律移動型ロボットとして動作する。バッテリユニット１０７は、ロボット装置１０の各部に電力を供給する。

（可動式画面の可動）
　図４は、ロボット装置１０における可動式のディスプレイ（可動式画面）を可動させた場合の例を示している。図４では、ロボット装置１０が、スポーツを行うためのコート上で用いられる場合を想定する。この場合において、ロボット装置１０は、自己位置や姿勢、対象となる観客（コート上の競技を観戦している観客）の位置などの状況に応じて、映像表示ユニット１０２（のディスプレイ）の姿勢を、所望の姿勢に調整することができる。

　例えば、コート上の競技を観戦するための観客席として、１階席と２階席がある場合に、ロボット装置１０は、１階席の観客に対して映像を提示するときと、２階席の観客に対して映像を提示するときとで、映像表示ユニット１０２（のディスプレイ）の姿勢を変化させる。

　具体的には、２階席の観客は、１階席の観客よりも空間的に上方に存在するため、その視線に合わせて、映像表示ユニット１０２の傾きが、よりなだらかになるように調整する。逆に、１階席の観客に対しては、映像表示ユニット１０２の傾きが、より急峻になるように調整すればよい。また、コートの周囲にいる全ての観客（360度の観客）を対象とする場合には、ロボット装置１０は、映像表示ユニット１０２に角度をつけずに（ディスプレイの画面を、床面や地面等の移動面と平行になるようにして）、周囲の全ての観客の視線が画面に向けられるようにする。

（複数のロボットの連携動作）
　図５乃至図８は、複数のロボット装置１０が連携した動作を行うことで擬似的に所定の形状の画面を構成した場合の例を示している。

　図５では、８台のロボット装置１０－１乃至１０－８が連携した動作を行って２行４列（２×４）に並ぶことで、各ロボット装置１０のディスプレイ（２×４の画面）を組み合わせて、擬似的に所定の形状からなる１つの画面（大画面）を構成している。この大画面（２×４の画面）を利用して、１つの大きな映像を観客などに提示することができる。

　図６では、８台のロボット装置１０－１乃至１０－８が連携した動作を行って１行８列（１×８）に並ぶことで、各ロボット装置１０のディスプレイ（１×８の画面）を組み合わせて、擬似的に１つの画面（横長画面）を構成している。この大画面（１×８の画面）を利用して、１つの横長の映像を観客などに提示することができる。

　このとき、図７に示すように、ロボット装置１０－１乃至１０－８は、自己位置や姿勢、対象となる観客の位置などの状況に応じて、映像表示ユニット１０２（のディスプレイ）の姿勢を調整して、所望の姿勢にすることができる。また、図７に示すように、ロボット装置１０－１乃至１０－８では、映像表示ユニット１０２の傾きをすべて同一の角度とすることは勿論、図８に示すように、ロボット装置１０ごとに、映像表示ユニット１０２の傾きを異なる角度としても構わない。

（複数の光学式絶対位置センサを用いた計測）
　ロボット装置１０では、自律移動を行う際に、複数の光学式絶対位置センサにより計測された絶対位置に基づき、自己位置及び姿勢の推定が行われる。図９には、ロボット装置１０において、複数の光学式絶対位置センサとして、４つの光学式絶対位置センサ１６１－１乃至１６１－４を用いた計測の例を示している。

　ここで、絶対位置センサは、絶対位置を計測可能なセンサである。すなわち、絶対位置センサは、ある地点から次の地点までの距離を計測するものではなく、ある地点を計測するだけでその地点の位置を計測することができる。光学式絶対位置センサは、絶対位置センサのうち、可視光線や赤外線などの物体からの光を検出することで、絶対位置を計測するものである。例えば、光学式絶対位置センサは、所定のパターンから固有の情報を読み取ることで、コート上などの所定の領域内での位置の特定（絶対位置の計測）を行う。

　また、絶対位置センサの精度は、所定のパターンの精細さによるため、１個の絶対位置センサによる姿勢の推定精度は、ロボット装置１０がコート上などの広い領域を走行するために必要な精度に対して著しく低く、ロボット装置１０が単独の絶対位置センサを用いて広い領域での走行を行うことは難しい。

　ロボット装置１０では、その底面に設置された複数の光学式絶対位置センサ１６１のそれぞれが、絶対位置検出用マット２０に形成された所定のパターンを読み取ることで、絶対位置を計測することができる。ここで、光学式絶対位置センサ１６１は、ロボット装置１０の底面の基準位置に対する位置であって、その底面に対向した移動面に形成された所定のパターンを認識可能な位置に設置される。

　ロボット装置１０は、複数の光学式絶対位置センサ１６１のそれぞれから取得した絶対位置と、底面の基準位置に対する各光学式絶対位置センサ１６１の相対位置とに基づいて、より高精度な自己位置と姿勢を算出することができる。

　絶対位置検出用マット２０は、ロボット装置１０が移動可能な床面等の移動面に設置される。絶対位置検出用マット２０の面上には、絶対位置を示す所定のパターンが形成されており、この絶対位置は、ＸＹ座標などを用いて指定することができる。例えば、絶対位置を示す所定のパターンは、絶対位置検出用マット２０の面上に印刷することができる。絶対位置検出用マット２０は、ロボット装置１０を置いたときに、機体の大部分が収まる縦横のサイズを有していればよく、その面上であれば、ロボット装置１０は、どのような位置や姿勢となっても絶対位置を計測することができる。

　例えば、ロボット装置１０がコート上で用いられる場合、絶対位置検出用マット２０は、当該コートの領域に合わせて設置する必要がある。また、絶対位置検出用マット２０として、赤外線を反射可能で、絶対位置を示すパターン（赤外線パターン）を有する透明なマットを用いることで、当該マットを床面等の移動面に貼った場合に、観客などが、絶対位置検出用マット２０の存在に気付かないようにすることができる。

　ここで、ロボット装置１０において、複数の光学式絶対位置センサ１６１を用いるメリットを、他のセンサを用いた場合と比較しながら説明すると、例えば、次のようになる。

　光学式絶対位置センサは、絶対位置を直接的に計測できるため、他のセンサを用いた場合と比べて計算負荷が小さくなり、複数台を設けた場合でも計算処理は低負荷となる。そのため、ロボット装置１０では、計算処理を行う計算機として、低コストなものを使用することができる。

　それに対し、絶対位置を検出するためにカメラを用いる場合、高精度での検出を行うことが可能となるものの、計算負荷が高く、一般的に小型のロボット装置などでは画像処理のための高性能な計算機が必要となるため、複数台設置することは難しい。また、１台のカメラを用いる場合には、カメラの取り付け誤差がそのまま自己位置の誤差（初期位置や姿勢のずれ）になるため、カメラの取り付け精度が低いと、機体の自己位置の算出精度にそのまま反映されてしまう。

　ロボット装置においては、自己位置を推定するに際して、コートやその周辺などの設備側に大掛かりな装置を設置できない場合、主に車輪速度センサやIMUなどの内界センサが用いられるが、一般的に絶対的な位置は、IMUの積算誤差の影響などによりずれが生じる。そのため、環境における内界センサによる自己位置のずれを、適宜２次元コードなどをカメラで認識させて機体の位置を計測することで、自己位置を補正する手法が一般的に用いられる。

　２次元コードの位置に対してロボット装置の位置が大きくずれているとき、カメラの画角が十分に大きくなければ、２次元コードを捉えることができずに自己位置の補正を行うことができない。その一方で、カメラの画角を大きくすると精度が低下してしまう。さらには、精度が低下する分を補うために高画素化を行った場合には、計算負荷が大きくなってしまう。

　また、ロボット装置の底面側にカメラを設置して移動面を撮影する場合、適切な明るさにするための照明を用いなければ、２次元コードを読み取ることが難しい。カメラを用いる場合には、カメラのレンズの歪み補正などが適切に行われていない場合、自己位置に誤差が生じてしまう。高精度の位置推定には、カメラの補正のためのキャリブレーションを行う必要があるが、この種のキャリブレーションには手間と時間を要する。

　このように、絶対位置を検出するためのカメラを用いたシステムの場合、カメラの画像処理にかかる負荷や、カメラの設置精度、照明やキャリブレーションなどの問題があるため、本開示を適用したロボット装置１０では、光学式絶対位置センサを用いている。

　ただし、床面等の移動面に形成された所定のパターンから、絶対位置を計測する光学式絶対位置センサを用いる場合、計算負荷は小さいものの精度が低く、高精度に動作する必要があるロボット装置では使用することが難しい。すなわち、ロボット装置の自己位置の推定精度は、光学式絶対位置センサを単体で用いた場合、カメラを用いたシステムと比べて精度が低下してしまう。

　そこで、本開示を適用したロボット装置１０では、基準位置に対する相対位置にそれぞれ設置された複数の光学式絶対位置センサ１６１によって、絶対位置検出用マット２０に形成された絶対位置を示す所定のパターンを読み取ることで、絶対位置が計測されるようにする。さらに、複数の光学式絶対位置センサ１６１から得られる低精度な絶対位置に関する情報に適切な計算処理を行うことにより、単体では精度の低い光学式絶対位置センサ１６１であっても、複数個を設置することで、計算負荷を小さく抑えたまま、高精度に自己位置及び姿勢の推定を行うことができる。

（機能的構成）
　図１０は、本開示を適用したロボット装置の機能的構成の例を示している。

　ロボット装置１０は、メインCPU(Central Processing Unit)１５１、及びセンサ１５２を備える。メインCPU１５１は、例えば、図３の制御ユニット１０１に含まれる。メインCPU１５１は、自己位置姿勢算出部１７１、及び制御部１７２を有する。センサ１５２は、光学式絶対位置センサ１６１－１乃至１６１－Ｎ（Ｎは、２以上の整数）を有する。

　光学式絶対位置センサ１６１－１は、ロボット装置１０の底面における所定の位置に設置される。光学式絶対位置センサ１６１－１は、ロボット装置１０の走行時又は停止時に、移動面に形成された所定のパターンを認識することで、認識したパターンが示す絶対位置を特定する。光学式絶対位置センサ１６１－１は、特定した絶対位置に関する情報を、自己位置姿勢算出部１７１に供給する。

　光学式絶対位置センサ１６１－２乃至１６１－Ｎは、光学式絶対位置センサ１６１－１と同様に構成され、ロボット装置１０の底面における所定の位置にそれぞれ設置される。光学式絶対位置センサ１６１－２乃至１６１－Ｎのそれぞれは、ロボット装置１０の走行時又は停止時に、移動面に形成された所定のパターンを認識することで特定される絶対位置に関する情報を、自己位置姿勢算出部１７１に供給する。

　自己位置姿勢算出部１７１は、光学式絶対位置センサ１６１－１乃至１６１－Ｎのそれぞれから供給される絶対位置に関する情報を取得する。絶対位置に関する情報は、ＸＹ座標系で表された座標や、対象の位置を識別するID（ポジションID）などとすることができる。また、自己位置姿勢算出部１７１は、ロボット装置１０の底面に設置された光学式絶対位置センサ１６１－１乃至１６１－Ｎのそれぞれに関して、機体の底面の基準位置に対する相対位置に関する情報を、予め保持している。

　自己位置姿勢算出部１７１は、複数の光学式絶対位置センサ１６１のそれぞれから取得した絶対位置と、ロボット装置１０の底面の基準位置に対する各光学式絶対位置センサ１６１の相対位置とに基づいて、ロボット装置１０の自己位置及び姿勢を算出する。自己位置姿勢算出部１７１は、算出した自己位置及び姿勢に関する情報を、制御部１７２に供給する。

　制御部１７２は、ロボット装置１０の各部の動作を制御する。制御部１７２は、自己位置姿勢算出部１７１から供給される自己位置及び姿勢に関する情報を取得する。制御部１７２は、自己位置及び姿勢に基づいて、ロボット装置１０を自律的に移動させる制御を行う。

　以上のように構成されるロボット装置１０では、自己位置姿勢算出部１７１によって、少なくとも２以上の光学式絶対位置センサ１６１から取得した絶対位置と、底面の基準位置に対する光学式絶対位置センサ１６１の相対位置とに基づき、自己位置及び姿勢が算出される。自己位置及び姿勢の算出に際しては、光学式絶対位置センサ１６１により計測される絶対位置と、予め保持している相対位置とを用いるため、画像処理などの計算負荷の高い処理を実施する必要がなく、より計算負荷の低い処理（例えば加算や乗算などの演算処理）を実施すればよい。また、複数の光学式絶対位置センサ１６１を用いて絶対位置の計測を実施することで、自己位置及び姿勢の精度を向上させることができる。よって、本開示を適用したロボット装置１０では、より少ない計算負荷で、かつ、より高精度に自己位置及び姿勢の推定を行うことができる。

（センサの配置例）
　図１１は、複数の光学式絶対位置センサ１６１の配置の例を示している。図１１のＡ，Ｂは、ロボット装置１０の側面図と底面図を示している。なお、実際には、ロボット装置１０の底面に、車輪等の移動機構が設けられるが、センサの配置を分かりやすくするため、図示を省略している。

　図１１のＢに示すように、ロボット装置１０の底面には、光学式絶対位置センサ１６１－１乃至１６１－４の４つのセンサが、基準位置に対し、底面の長手方向に並べて配置されている。例えば、コート上におけるロボット装置１０の位置を、機体の底面の中心（重心）と定義した場合、機体の底面の中心が基準位置となる。なお、基準位置は、機体の底面の中心に限らず、機体の底面の左上などの他の位置であってもよい。

　光学式絶対位置センサ１６１－１乃至１６１－４のそれぞれは、カメラを用いたシステムと比べて低精度であるものの、各光学式絶対位置センサ１６１は計測結果として絶対位置を出力するため、複数台設置した場合でも、高性能な計算機を用いる必要があるほど計算負荷が増加することはない。図１１に示すように、光学式絶対位置センサ１６１－１乃至１６１－４を、底面の基準位置に対して長手方向に並べて配置した場合、長手方向（ｙ方向）の値を固定値とすることができるため、計算量をさらに低減することができる。

　また、ロボット装置１０の底面の基準位置に対する相対位置に、光学式絶対位置センサ１６１－１乃至１６１－４を配置し、さらに各光学式絶対位置センサ１６１により計測可能な傾きに関する情報を使用しないため、光学式絶対位置センサ１６１－１乃至１６１－４の相対位置を予め計測して保持しておくことで、計測された絶対位置を用いて自己位置及び姿勢を算出することができる。なお、ロボット装置１０では、光学式絶対位置センサ１６１として赤外線方式の絶対位置センサを用いているため、カメラを用いたシステムと比べて、別体の照明を設けたり、キャリブレーションを行ったりすることが不要となる。

　図１１のＢは、複数の光学式絶対位置センサ１６１の配置の一例であって、センサの数と配置は任意であり、他の配置を採用しても構わない。光学式絶対位置センサ１６１の数が多いほど、ロボット装置１０の底面に広く分布させることができるため、誤差の低減を図ることができる。

　図１２は、複数の光学式絶対位置センサ１６１の配置の他の例を示している。図１２のＡ乃至Ｃには、図１１のＢと同様に、ロボット装置１０の底面図を示している。

　図１２のＡにおいて、光学式絶対位置センサ１６１－１乃至１６１－４は、図１１のＢの配置と同様に、底面の基準位置（例えば底面の中心）に対して長手方向に並べて配置しているが、各センサの配置の間隔が異なっている。光学式絶対位置センサ１６１－１乃至１６１－４を、一直線上に配置することで、計算負荷の低減を図ることができる。

　図１２のＢにおいて、光学式絶対位置センサ１６１－１，１６１－２は、底面の基準位置（例えば底面の中心）を対称点とした相対位置に配置されている。光学式絶対位置センサ１６１の数は、最低２以上あればよく、各センサ間の距離が大きいほど、ロボット装置１０の姿勢（角度）の精度を高くすることができる。

　図１２のＣにおいて、光学式絶対位置センサ１６１－１乃至１６１－８は、底面の基準位置（例えば底面の中心）に対して２行４列（２×４）に並べて配置されている。光学式絶対位置センサ１６１の数を増やすことで、ロボット装置１０の位置と姿勢（角度）の精度を共に向上させることができる。

（自己位置及び姿勢の算出例）
　次に、自己位置姿勢算出部１７１による自己位置及び姿勢の算出の例を説明する。図１３は、複数の光学式絶対位置センサ１６１による計測結果を用いて自己位置及び姿勢を算出するに際して、光学式絶対位置センサ１６１により計測された絶対位置（位置Ｐ_Ｎ）と、自己位置姿勢算出部１７１により算出される自己位置（位置Ｐ_Ｔ）との関係を示している。なお、この例では、ロボット装置１０の位置を、機体の底面の中心としているため、機体の底面の中心が基準位置となる。

　自己位置姿勢算出部１７１では、ロボット装置１０の真の位置と姿勢を、位置Ｐ_Ｔ(ｘ, ｙ, θ)としたとき、各光学式絶対位置センサ１６１が計測した位置Ｐ_Ｎとの最小二乗法を適用することで、最も誤差が小さくなる ｘ, ｙ, θの値を推定する最適化計算が行われる。

　ここで、複数の光学式絶対位置センサ１６１のうち、１番目の光学式絶対位置センサ１６１に注目すれば、機体の底面の中心からの位置Ｐ_１(ｘ_g1, ｙ_g1)は、次の式（１）により表される。ただし、式（１）において、ｘ₁, ｙ₁の値は、予め計測された既知の値となる。

　また、Ｎ番目に計測された光学式絶対位置センサ１６１の位置Ｐ_Ｎを、(ｘ_mn, ｙ_mn)としたとき、計測値と推定値との誤差は、次の式（２）により表される。ただし、式（２）において、ｘ_mn, ｙ_mnは，実際に計測された絶対位置を表した計測値であり、ｘ_gn, ｙ_gnは、これから推定すべき位置Ｐ_Ｔから理論的に算出したセンサの位置である。

　ここで、ロボット装置１０の底面に設置された光学式絶対位置センサ１６１の数を用いて、式（２）の総和をとると、次の式（３）で表される。

　式（３）を最小化する ｘ, ｙ, θの値の組み合わせを求めることで、計測値と推定値との誤差を最小にするｘ, ｙ, θの値が計算される。

　ここで、ロボット装置１０の初期設置の誤差や、ロボット装置１０に搭載されるジャイロセンサのドリフトに伴うヨー角度のずれは、非常に小さいと仮定することができる。そのため、cosθ = 1, sinθ = θと近似して線形化を行うことで、最小二乗法を適用することが可能となる。

　すなわち、式（４）に示した３つの式は、次の式（５），式（６），式（７）でそれぞれ表すことができる。

　式（５），式（６），式（７）の最終的な結果をまとめると、次の式（８）で表される。

　式（８）は、展開してまとめることで、次の式（９）のように表される。

　式（９）において、実際に計測された計測値（ｘ_mi, ｙ_mi）を代入することで、 ｘ, ｙ, θの値を得ることができる。そして、これらの値の組み合わせが、計測値と推定値との誤差を最小にする ｘ, ｙ, θ、つまり、自己位置（位置Ｐ_Ｔ）として推定した位置（ｘ, ｙ）と姿勢（θ）になる。

　ここで、式（９）は、加算と乗算を含む単純な３元１次の連立方程式となるため、より小さい計算負荷で、解を得ることができる。さらに、ロボット装置１０において、光学式絶対位置センサ１６１の設置数を増やした場合でも、光学式絶対位置センサ１６１を設置した機体の底面の位置が分かっていれば、式（９）を同様に適用することができる。

　また、実際に計測された計測値（ｘ_mi, ｙ_mi）には、絶対位置に関する情報だけが含まれる（傾きに関する情報を含まない）が、自己位置としては、位置（ｘ, ｙ）だけでなく、姿勢（θ）も推定することができる。なお、上述した説明では、最小二乗法を用いた場合を例示したが、仮に最小二乗法を用いない場合には、非線型の最適化演算を行う必要があるため、計算コストが高くなる。

（ロボット装置の使用例）
　図１４は、本開示を適用したロボット装置１０の使用例を示している。

　図１４においては、バスケットボールのコート３０内の領域で、複数のロボット装置１０が同期して、走行や整列等の連携した動作による演技などを行う場面を想定している。各ロボット装置１０は、自律移動機能を備えているが、車輪速度センサやIMU等の内界センサが搭載され、コート３０に対する絶対的な位置を認識する手段を持っていない。

　コート３０内の特定の領域（スタート地点など）には、絶対位置検出用マット２０が、コート３０に対する位置合わせを行った上で貼り付けるなどして固定されている。コート３０外に置かれたロボット装置１０－１乃至１０－８のそれぞれは、動作を開始する前に、ロボット装置１０－１から順に絶対位置検出用マット２０上に置かれ、ユーザＵがスイッチを押すなどの操作をトリガにして、初期位置と姿勢の計測を開始する。

　ロボット装置１０－１においては、複数の光学式絶対位置センサ１６１が絶対位置検出用マット２０に印刷された所定のパターンを読み取ることで計測された計測値を、上述した自己位置及び姿勢の算出手法を用いて統合して得られる自己位置及び姿勢（ｘ, ｙ, θ）を算出し、コート３０に対する機体の初期位置と姿勢としてメモリに記録する。そして、初期位置と姿勢を記録したロボット装置１０－１は、その時点での初期位置と姿勢に基づき、コート３０内の所定の位置（演技を開始する地点など）に向かう経路に関する経路情報を生成する。ロボット装置１０－１は、生成した経路情報に基づき、コート３０内の所定の位置に向かって走行する。

　ロボット装置１０－１の次に、ロボット装置１０－２乃至１０－８が順次、絶対位置検出用マット２０に置かれる。ロボット装置１０－２乃至１０－８のそれぞれでは、ロボット装置１０－１と同様に、複数の光学式絶対位置センサ１６１により計測された計測値に基づき、機体の初期位置と姿勢を算出することで、経路情報が生成され、コート３０内の所定の位置（演技を開始する地点など）に向かって走行する。

　これにより、ロボット装置１０－１乃至１０－８のそれぞれが順に、コート３０内の所定の領域に向かって走行して、自動で整列することになる。ロボット装置１０－１乃至１０－８は、初期位置と姿勢が合わされているので、連携して動作して演技（例えば、図５乃至図８に示した連携した動作など）を行うことができる。

　このように、複数のロボット装置１０を順に絶対位置検出用マット２０上に適当に置いて、ユーザＵがスイッチを押すだけで、各ロボット装置１０は、コート３０内の機体（自機）の位置と姿勢を認識することができる。その際に、仮に、絶対位置検出用マット２０がコート３０に対してずれて固定されていたとしても、全てのロボット装置１０が同じように誤差を持つため、相対的な誤差は乗らず、同期した所定の動作（連携した動作による演技など）に影響することはない。

　また、上述した説明では、複数のロボット装置１０の初期位置と姿勢を合わせておくことで、複数のロボット装置１０の演技を合わせる例を示したが、例えば、絶対位置検出用マット２０をコート３０内の所定の領域に固定して、演技中のロボット装置１０がマット上を走行することで、複数のロボット装置１０が演技中に、連携した動作のずれを修正することも可能である。

　なお、絶対位置を検出するためにカメラと２次元コードを用いた計測によって、ロボット装置の初期位置と姿勢を決定する場合、カメラにより撮影された画像に対する画像処理に負荷がかかるため、計算処理能力が潤沢ではないロボット装置では、そのような手法を用いることができない。そのため、現状では、ロボット装置の初期位置と姿勢を人の手で合わせるか、あるいはロボット装置の位置を規制可能な治具（位置決め治具）などを用いて合わせていた。

　しかしながら、人の手を介した場合には誤差が大きく、複数のロボット装置を同時に動かす場合には、全てのロボット装置がきれいに揃った動きを実現することは困難である。また、治具を用いた場合には、治具が大がかりになることや、差動二輪駆動型のロボット装置の場合には、左右方向に移動させることができないため、治具に合わせてロボット装置を設置することに手間と時間がかかっていた。

　そこで、ロボット装置をある程度適当に置いたとしても、ロボット装置が自律的に機体の初期位置と姿勢を認識して、コート内の絶対位置を推定する手法が求められていたため、本開示では、上述した機体の初期位置と姿勢の算出手法を提案している。

＜２．変形例＞

　上述した説明では、ロボット装置１０の駆動形式として、差動二輪駆動型を例示したが、全方位移動型などの他の駆動形式であってもよい。

　また、上述した説明では、ロボット装置１０において、ディスプレイを含む映像表示ユニット１０２の姿勢を変化させる際に、１軸で駆動する場合を例示したが、１軸に限らず、２軸などで駆動してもよい。ディスプレイに表示する表示情報としては、映像に限らず、画像やテキストなどの情報であってもよい。

　本開示を適用したロボット装置１０は、制御ユニット１０１等の制御部を有する自律型の移動装置であると捉えることができる。この制御部は、CPU等のプロセッサを有する情報処理装置として構成され、ロボット装置１０の内部に設けられることは勿論、外部装置として構成されてもよい。また、本開示を適用したロボット装置１０と、絶対位置検出用マット２０とにより、情報処理システムが構成されると捉えてもよい。

　また、本開示を適用したロボット装置１０は、制御装置や、センサ装置、ディスプレイ装置、通信装置、移動機構などの複数の装置を組み合わせたシステム（自律移動システム）として捉えることもできる。ここで、システムとは、複数の構成要素（装置、モジュール（部品）等）の集合を意味し、すべての構成要素が同一筐体中にあるか否かは問わない。したがって、別個の筐体に収納され、ネットワークを介して接続されている複数の装置、及び１つの筐体の中に複数のモジュールが収納されている１つの装置は、いずれもシステムである。

　また、本開示を適用したロボット装置１０は、さらに掃除用のアタッチメントを備えることができる。この掃除用のアタッチメントは、モップ状のものであって、ロボット装置１０の前面、後面、側面、下面などに取り付けられることによって、ロボット装置１０が自律的に走行しながら、走行経路を掃除することができる。掃除する箇所は、走行経路として事前に与えられてもよく、また、ジェスチャ認識によって、指示者の「ここを掃除しろ」といった指示を認識して掃除を行うようにしてもよい。このジェスチャ認識としては、センサ１０６（カメラ等）からのセンサ信号に基づき、ターゲットとなる指示者の姿勢や動き等の認識処理が行われることで、当該ターゲットのジェスチャが認識される。

　さらに、掃除動作と映像表示とを協調して行うようにしてもよい。この場合、掃除を開始するとき、掃除中、掃除が完了したときにその旨の映像表示を行ってもよく、また掃除中に広告やその他の映像表示を行ってもよい。さらに映像表示ユニット１０２（のディスプレイ）の姿勢も併せて制御してもよい。また、掃除用のアタッチメントは、例示されたモップ状のものに限られず、塵取り形状のものなどその他のものを含む。

＜３．コンピュータの構成＞

　上述した自己位置及び姿勢の推定における一連の処理は、ハードウェアにより実行することもできるし、ソフトウェアにより実行することもできる。当該一連の処理をソフトウェアにより実行する場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、各装置のコンピュータにインストールされる。

　図１５は、上述した自己位置及び姿勢の推定における一連の処理をプログラムにより実行するコンピュータのハードウェアの構成例を示すブロック図である。

　コンピュータ１０００において、CPU１００１、ROM(Read Only Memory)１００２、RAM(Random Access Memory)１００３は、バス１００４により相互に接続されている。バス１００４には、さらに、入出力インタフェース１００５が接続されている。入出力インタフェース１００５には、入力部１００６、出力部１００７、記録部１００８、通信部１００９、及び、ドライブ１０１０が接続されている。

　入力部１００６は、各種のセンサやマイクロフォン、スイッチなどよりなる。出力部１００７は、スピーカ、ディスプレイなどよりなる。記録部１００８は、HDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)などの補助記憶装置などよりなる。通信部１００９は、無線LAN(Local Area Network)やセルラー方式の通信（例えば5G等）、Bluetooth（登録商標）などの通信方式に対応した通信モジュールなどよりなる。ドライブ１０１０は、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリなどのリムーバブルメディア１０１１を駆動する。

　以上のように構成されるコンピュータ１０００では、CPU１００１が、ROM１００２や記録部１００８に記録されているプログラムを、入出力インタフェース１００５及びバス１００４を介して、RAM１００３にロードして実行することにより、上述した一連の処理が行われる。

　コンピュータ１０００（CPU１００１）が実行するプログラムは、例えば、パッケージメディア等としてのリムーバブルメディア１０１１に記録して提供することができる。また、プログラムは、ローカルエリアネットワーク、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線又は無線の伝送媒体を介して提供することができる。

　コンピュータ１０００では、プログラムは、リムーバブルメディア１０１１をドライブ１０１０に装着することにより、入出力インタフェース１００５を介して、記録部１００８にインストールすることができる。また、プログラムは、有線又は無線の伝送媒体を介して、通信部１００９で受信し、記録部１００８にインストールすることができる。その他、プログラムは、ROM１００２や記録部１００８に、あらかじめインストールしておくことができる。

　ここで、本明細書において、コンピュータがプログラムに従って行う処理は、並列的あるいは個別に実行される処理（例えば、並列処理あるいはオブジェクトによる処理）も含む。また、プログラムは、１のコンピュータ（プロセッサ）により処理されてもよいし、複数のコンピュータによって分散処理されてもよい。

　また、上述した自己位置及び姿勢の推定における一連の処理の各ステップは、１つの装置で実行する他、複数の装置で分担して実行することができる。さらに、１つのステップに複数の処理が含まれる場合には、その１つのステップに含まれる複数の処理は、１つの装置で実行する他、複数の装置で分担して実行することができる。

　なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。

　なお、本開示は、以下のような構成をとることができる。

（１）
　少なくとも２以上の絶対位置センサと、
　自己位置及び姿勢を算出する自己位置姿勢算出部と
　を備え、
　前記自己位置姿勢算出部は、前記絶対位置センサから取得した絶対位置と、移動装置の基準位置に対する前記絶対位置センサの相対位置とに基づいて、前記自己位置及び姿勢を算出する
　情報処理装置。
（２）
　前記絶対位置センサは、前記移動装置が移動可能な移動面に形成された所定のパターンを認識可能に設置された光学式絶対位置センサである
　前記（１）に記載の情報処理装置。
（３）
　前記絶対位置は、前記光学式絶対位置センサの座標を少なくとも含み、
　前記光学式絶対位置センサは、前記所定のパターンを認識することで、前記座標を特定する
　前記（２）に記載の情報処理装置。
（４）
　前記所定のパターンは、マット又は床面に形成された絶対位置を示す所定のパターンを含む
　前記（２）又は（３）に記載の情報処理装置。
（５）
　前記基準位置は、前記移動装置の底面の中心であり、
　前記絶対位置センサは、前記移動装置の底面の中心を基準にして配置される
　前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の情報処理装置。
（６）
　前記移動装置は、１又は複数の他の移動装置と同期して動作する
　前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の情報処理装置。
（７）
　情報処理装置が、
　少なくとも２以上の絶対位置センサから取得した絶対位置と、移動装置の基準位置に対する前記絶対位置センサの相対位置とに基づいて、前記移動装置の自己位置及び姿勢を算出する
　情報処理方法。
（８）
　コンピュータを、
　少なくとも２以上の絶対位置センサから取得した絶対位置と、移動装置の基準位置に対する前記絶対位置センサの相対位置とに基づいて、前記移動装置の自己位置及び姿勢を算出する自己位置姿勢算出部として機能させる
　プログラム。
（９）
　少なくとも２以上の絶対位置センサと、
　前記絶対位置センサから取得した絶対位置と、自己の基準位置に対する前記絶対位置センサの相対位置とに基づいて、自己位置及び姿勢を算出する制御部と
　を備えた移動装置。
（１０）
　移動装置と、
　絶対位置を示す所定のパターンが形成された絶対位置検出用マットと
　を備え、
　前記移動装置は、
　　少なくとも２以上の絶対位置センサと、
　　前記絶対位置センサから取得した絶対位置と、自己の基準位置に対する前記絶対位置センサの相対位置とに基づいて、自己位置及び姿勢を算出する制御部と
　を有し、
　前記移動装置が前記絶対位置検出用マット上に存在するとき、前記絶対位置センサにより前記パターンを認識することで、前記絶対位置を特定する
　情報処理システム。
（１１）
　前記絶対位置検出用マットは、前記絶対位置を示す赤外線パターンを有する
　前記（１０）に記載の情報処理システム。

　１０　ロボット装置，　２０　絶対位置検出用マット，　３０　コート，　１０１　制御ユニット，　１０２　映像表示ユニット，　１０３　画面昇降ユニット，　１０４－１　左モータエンコーダ，　１０４－２　右モータエンコーダ，　１０５－１　左モータ，　１０５－２　右モータ，　１０６－１乃至１０６－３，１０６　センサ，　１０７　バッテリユニット，　１５１　メインCPU，　１５２　センサ，　１６１，１６１－１乃至１６１－Ｎ　光学式絶対位置センサ，　１７１　自己位置姿勢算出部，　１７２　制御部，　１０００　コンピュータ，　１００１　CPU

Claims (11)

1. 　少なくとも２以上の絶対位置センサと、
   　自己位置及び姿勢を算出する自己位置姿勢算出部と
   　を備え、
   　前記自己位置姿勢算出部は、前記絶対位置センサから取得した絶対位置と、移動装置の基準位置に対する前記絶対位置センサの相対位置とに基づいて、前記自己位置及び姿勢を算出する
   　情報処理装置。
2. 　前記絶対位置センサは、前記移動装置が移動可能な移動面に形成された所定のパターンを認識可能に設置された光学式絶対位置センサである
   　請求項１に記載の情報処理装置。
3. 　前記絶対位置は、前記光学式絶対位置センサの座標を少なくとも含み、
   　前記光学式絶対位置センサは、前記所定のパターンを認識することで、前記座標を特定する
   　請求項２に記載の情報処理装置。
4. 　前記所定のパターンは、マット又は床面に形成された絶対位置を示すパターンを含む
   　請求項２に記載の情報処理装置。
5. 　前記基準位置は、前記移動装置の底面の中心であり、
   　前記絶対位置センサは、前記移動装置の底面の中心を基準にして配置される
   　請求項１に記載の情報処理装置。
6. 　前記移動装置は、１又は複数の他の移動装置と同期して動作する
   　請求項１に記載の情報処理装置。
7. 　情報処理装置が、
   　少なくとも２以上の絶対位置センサから取得した絶対位置と、移動装置の基準位置に対する前記絶対位置センサの相対位置とに基づいて、前記移動装置の自己位置及び姿勢を算出する
   　情報処理方法。
8. 　コンピュータを、
   　少なくとも２以上の絶対位置センサから取得した絶対位置と、移動装置の基準位置に対する前記絶対位置センサの相対位置とに基づいて、前記移動装置の自己位置及び姿勢を算出する自己位置姿勢算出部として機能させる
   　プログラム。
9. 　少なくとも２以上の絶対位置センサと、
   　前記絶対位置センサから取得した絶対位置と、自己の基準位置に対する前記絶対位置センサの相対位置とに基づいて、自己位置及び姿勢を算出する制御部と
   　を備えた移動装置。
10. 　移動装置と、
    　絶対位置を示す所定のパターンが形成された絶対位置検出用マットと
    　を備え、
    　前記移動装置は、
    　　少なくとも２以上の絶対位置センサと、
    　　前記絶対位置センサから取得した絶対位置と、自己の基準位置に対する前記絶対位置センサの相対位置とに基づいて、自己位置及び姿勢を算出する制御部と
    　を有し、
    　前記移動装置が前記絶対位置検出用マット上に存在するとき、前記絶対位置センサにより前記パターンを認識することで、前記絶対位置を特定する
    　情報処理システム。
11. 　前記絶対位置検出用マットは、前記絶対位置を示す赤外線パターンを有する
    　請求項１０に記載の情報処理システム。

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