JP2010262461A - 移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】地面との間で滑りが生じた場合でもより精度良く自律移動を行なうことができるようにした、移動体及び移動体システムを提供する。
【解決手段】車体２と、車体を走行させる走行装置４と、走行装置４を駆動させるアクチュエータ３２と、アクチュエータ３２の駆動量を検出するエンコーダ３３と、車体２と車体２が走行する路面との相対速度を検出する速度センサ３４と、予め設定された走行経路に沿うように、アクチュエータ３２の動作を制御するコントローラ３と、を有し、コントローラ３は、エンコーダ３３の検出値と速度センサ３４の検出値とに基づいてアクチュエータ３２への動作指令を補正する補正手段２２を有して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、工場、オフィス、病院や商業施設等において、自律移動して各種用途に使用可能な移動体及び移動体の教示方法に関する。

生産工場等では、省力化のため製品や部材の運搬に自律走行できる移動体が利用されている。このような移動体は、床に設置した反射テープ、マグネットテープなどのガイドレールに沿って走行するように進行走行を制御して自律移動するものが主流であった。
ところが、この方法では移動体をガイドレールに沿って確実に誘導することはできるが、ガイドレールを設置する作業が煩雑であり走行経路の変更が容易でないことや、ガイドレールに破損や汚れが生じやすく移動体の誘導精度が低下する、或いは、移動体の走行の自由度が制限されるなどの技術課題も生じていた。
そのため、最近では床等にガイドレール等を設置することなく自律走行可能な移動体が提案され実用化されつつある。

例えば、特許文献１には移動体の走行操作をするために、レーザ距離センサ（レーザレンジファインダ）を備え、左右の駆動輪の回転数をエンコーダで計測し、エンコーダのカウント累積値から移動累積距離を推定するとともに、左右駆動輪の回転数差分もしくは別途設けたジャイロセンサ等から移動方位の情報を把握する旨が開示されている。

特開平２００９−０８０８０４号公報

しかしながら、上述したように従来の移動体は、駆動輪のモータ等に内蔵したエンコーダの計測値より移動累積距離等を求めているため、駆動輪と路面との間で滑り（駆動輪の空回り）が生じると移動累積距離等の検出値と実際の移動体の位置とにズレが生じ、移動体の走行位置の精度が低下してしまうという課題があった。

かかる課題を解決するために、カメラ等の視覚センサを追加して周囲の撮像画像に基づいて走行位置の精度の低下を補正することも考えられるが、この場合、高度な画像処理のためのソフトウェアを別途開発する必要があることやセンサの追加分だけ費用がかかる他、カメラと教示画像の間に人や物などの障害物が入ると制御ができなくなるという問題も生じる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、地面との間で滑りが生じた場合でもより精度良く自律移動を行なうことができるようにした、移動体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本願発明（請求項１）は、車体と、前記車体を走行させる走行装置と、前記走行装置を駆動させるアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動量を検出するエンコーダと、前記車体と前記車体が走行する路面との相対速度を検出する速度センサと、予め設定された走行経路に沿うように、前記アクチュエータの動作を制御するコントローラと、を有し、前記コントローラは、前記エンコーダの検出値と前記速度センサの検出値とに基づいて前記アクチュエータへの動作指令を補正する補正手段を有していることを特徴とする移動体とするものである。

また、前記車体に取り付けられ、探索範囲に検出用レーザを走査して移動体と前記探索範囲内に存在する物体までの距離及び方向を検出するレーザ距離センサを有し、前記コントローラは、予め記憶された地図情報と前記レーザセンサの検出結果とに基づいて前記動作指令を算出することが好ましい（請求項２）。
また、前記速度センサは、前記路面に向けて前記車体に取り付けられたレーザドップラ速度計であることが好ましい（請求項３）。
また、前記走行装置は、前記車体に取り付けられた左右一対の駆動輪を有し、前記速度センサは前記一対の駆動輪に対応してそれぞれ取り付けられていることが好ましい（請求項４）。

また、前記速度センサが前記各駆動輪の外側にそれぞれ取り付けられていることも好ましい（請求項５）。
また、前記速度センサが前記各駆動輪の内側にそれぞれ取り付けられていることも好ましい（請求項７）。

本願発明（請求項７）は、請求項２〜６のいずれか１項に記載の移動体と、前記移動体の前記車体が走行する路面上に離散的に配置される特徴的な形状のランドマークと、を有していることを特徴としている。

本願発明（請求項１，７）によれば、エンコーダの検出値と速度センサの検出値とから算出可能な走行装置と路面との間に生じる滑り（空回り）を考慮してアクチュエータへの動作指令を補正するので、エンコーダの検出結果のみでは検出できない、駆動輪と地面との間で滑りが生じた場合でも走行装置と路面との滑りによる誤差を低減することができ、移動体をより精度良く自律走行させることができる。
また、速度センサが路面を直接計測するため外光等の外乱を受けにくいという利点もある。

本願発明（請求項２）によれば、予め記憶された地図情報とレーザセンサの検出結果とに基づいて実際の走行位置と予め記憶された地図情報との差異を補正して精度良く移動体を自律走行させることができる。
本願発明（請求項３）によれば、走行中の路面の速度を非接触で直接計測することができるので、測定誤差を軽減することができる。

また、本願発明（請求項４）によれば、左右の駆動輪のそれぞれと路面との滑り量を考慮したうえで動作指令の補正を行なうので、左右のいずれかの駆動輪のみが滑りを起こした場合やあるいは一方の駆動輪の滑り量が他方のものよりも大きい場合等であっても移動体の姿勢（進行方向）が変わることを防止することができ、より正確に自律走行することができる。

また、本願発明（請求項５）によれば、速度センサが駆動輪と路面との接地点により近い位置で路面との相対速度を検出するため、より精度良く相対速度を検出することができる。
また、本願発明（請求項６）によれば、駆動輪と車体により外光等の外乱要因が遮蔽されるため、より精度良く相対速度を検出することができる。

いずれも本発明の第１実施例にかかる移動体を模式的に示すものであり（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。 本発明の第１実施例にかかる移動体システムの全体構成を説明するための模式図である。 （ａ）〜（ｄ）はいずれも本発明の第１実施例にかかる移動体の動作態様を説明するための図である。 いずれも本発明の第２実施例にかかる移動体を模式的に示すものであり（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。 いずれも本発明の第３実施例にかかる移動体を模式的に示すものであり（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。 いずれも本発明の第４実施例にかかる移動体を模式的に示すものであり（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
［第１実施例］
（全体構成）
図２に示すように、本実施形態にかかる移動体システム１００は、移動体１が走行する路面であるフロア１０１上に予めフロア１０１を巡回する走行経路Ｒが設定されており、移動体１が走行経路Ｒに沿って自律走行するように構成されている。また、走行経路Ｒの近傍には受光平面を有する平板状のランドマーク１０２が離散的に複数設置されている。なお、走行経路Ｒの経路は適宜変更することが可能である。
ここではランドマーク１０２は、走行経路Ｒ上の移動体１の進行方向の正面に位置するように配置されており、移動体１は、正面に位置するランドマーク１０２に向かって進行するようになっている。
なお、図２では説明を容易にするために走行経路Ｒを図示しているが、実際のフロア１０１等には走行経路Ｒを示すライン等は存在しない。

（移動体の構成）
図１（ａ），図１（ｂ）に示すように、移動体１は、車体２に電子演算器，記憶装置及び入力装置からなる制御装置（コントローラ）３を内蔵している。
また、車体２は走行装置４を有しており、走行装置４は車体２の両側部に左右それぞれ２つの駆動輪（一対の駆動輪）３０，３０と、全方向に転舵可能に並列された従動輪３１，３１と、各駆動輪３０，３０とをそれぞれ個別に駆動させるアクチュエータ３２，３２（例えばサーボモータ）とにより構成されており、駆動輪３０の駆動により前進及び後退し、各駆動輪３０の回転速度の差によって移動体１は操舵（方向転換）可能となっている。

また、各アクチュエータ３２にはアクチュエータの駆動量（ここでは駆動輪の回転量）を検出するエンコーダ３３がそれぞれ備えられており、エンコーダ３３の検出結果Ｄは制御装置３に入力されるようになっている。
各駆動輪３０，３０よりも後方側には、それぞれレーザドップラセンサ（速度センサ）３４がフロア１０１に向かって（即ち、下向きに）取り付けられている。

即ち、レーザドップラセンサ３４は、フロア１０１に向けて測定用のレーザ光を照射し、フロア１０１からの反射光を検出することで、それぞれ車体１とフロア１０１との相対速度ＶｄＬ，ＶｄＲを検出するようになっている（ＶｄＬは左側のセンサ３４が検出値であり、ＶｄＲは右側のセンサ３４の検出値である）。なお、速度センサとしてはレーザドップラセンサが好ましいが適宜選択可能である。但しフロア１０１や走行装置等を直接接触せずに速度を計測する非接触型の速度センサであることが好ましい。

また、車体２の前方側の側部にはレーザ距離センサ３５が取り付けられている。レーザ距離センサ３５は例えば半導体レーザ等のレーザ発信装置を有するレーザ距離センサ（距離方向検出装置）であり、レーザ距離センサ３５から水平方向（車体２の方向において）に所定の探索範囲に所定の角度毎（例えば、０．５°毎）に検出用のレーザ光（検出用光）を発信し、検出用光が物体に反射して戻ってくるまでの時間から探索範囲内の物体までの距離と計測点の角度を検出するようになっている。つまり、レーザ距離センサ３５の有効な探索範囲（距離と角度との検出が有効である範囲）は探索角度を中心角としてフロア１０１面（水平）に対して平行な扇形となる。レーザ距離センサ３５で計測された距離データＬは制御装置３に入力されるようになっている。

制御装置３は、その機能として走行制御部２１と補正部（補正手段）２２とを有している。また、制御装置３には予めフロア１０１上の障害物（図示省略）や各ランドマーク１０２の位置（座標）及び走行経路Ｒが地図情報として記憶されている。
走行制御部２１は、以下に詳述するとおり、記憶された地図情報と、レーザ距離センサ３５からの入力情報に基づいて予め入力された始点位置（図２では地点Ｐｓ）から終点位置（図２では地点Ｐｅ）に至るまで、走行経路Ｒに沿って移動体１を走行させるように速度指令（動作指令）Ｖ_０を算出し、各アクチュエータ３２に送信するようになっている。

補正部２２は、各エンコーダ３３からの検出結果Ｄをそれぞれ微分処理して各駆動輪３０の速度算出値(角速度)ＶｅＬ，ＶｅＲを算出する。なお、ＶｅＬは左側の駆動輪３０に対応し、ＶｅＲは右側の駆動輪３０に対応する。
そして、補正部２２は、左右の各レーザドップラセンサ３４からの検出結果ＶｄＬ，ＶｄＲと算出した速度算出値ＶｅＬ，ＶｅＲとの差をそれぞれ対応する駆動輪３０とフロア１０１との間の滑り量（空回り量）として算出する。

即ち、レーザドップラセンサ３４からの検出結果がＶ［ｍ／ｓ］、駆動輪３０の角速度がω［ｒａｄ／ｓ］、駆動輪３０の半径がｒ［ｍ］であるとき、単位時間t[s]当たりの滑り量Ｓは以下の式（１）となる。
Ｓ[m]＝（rω−Ｖ）t [m] ‥‥ （１）
そして、補正部２２は各駆動輪３０について算出した滑り量Ｓ分だけを走行制御部２１からの速度指令Ｖ０に加算補正してアクチュエータ３２に補正された速度指令を送信するようになっている。

本発明の第１実施例にかかる移動体システムはこのように構成されており、以下、本移動体１の動作態様について説明する。
ここでは、図２中の始点位置Ｐｓから経由地点Ｐｔを経て終点位置Ｐｅに至る走行経路Ｒを自律走行する場合を例に説明する。なお、移動体１の移動は本例に限らず、走行経路Ｒの設定と共に適宜変更可能である。

上述したように制御装置３には予め、始点位置Ｐｓ（ＪＸ１，ＪＹ１，Ｊθ１），経由地点Ｐｔ（ＪＸ２，ＪＹ２，Ｊθ２），終点位置Ｐｅ（ＪＸ３，ＪＹ３，Ｊθ３）の各座標が予め地図情報として記憶されている。なお、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、各点の座標は、フロア１０１面に沿う２次平面成分と各位置における回転成分とからなる。
図３（ａ）に示すように制御装置３は走行装置に速度指令Ｖ_０を送信して移動体１を始点位置Ｐｓ（ＪＸ１，ＪＹ１）から経由地点Ｐｔの座標（ＪＸ２，ＪＹ２）へ向けて走行させる。このときの速度指令Ｖ０は始点位置Ｐｓ（ＪＸ１，ＪＹ１，Ｊθ１）から経由地点Ｐｔ（ＪＸ２，ＪＹ２，Ｊθ２）への方向ベクトルとアクチュエータ３２の特性に基づいて算出される。
また、移動体１が走行を開始すると補正部２２は各駆動輪３０の滑り量Ｓを算出して、制御装置３の演算周期毎に速度指令Ｖ０を補正する。

図３（ｂ）に示すように、走行制御部２１はエンコーダの検出値Ｄ及び滑り量Ｓから移動体１が経由地点Ｐｔに到達したと判定したら一時走行を停止する。
そして、次には終点位置Ｐｅに向かうため、経由地点Ｐｔで終点位置Ｐｅに向かうように旋回し再び走行を開始する。

次に、ランドマーク１０２の検出時の動作について説明する。図３（ｃ）に示すように経由地点Ｐｔから終点位置Ｐｅまでの区間には走行経路Ｒの側方にランドマーク１０２が設けられている。
移動体１が経由地点Ｐｔから終点位置Ｐｅに向けて走行を開始すると、レーザ距離センサ３５の探索範囲Ｅにランドマーク１０２が含まれるようになり、レーザ距離センサ３５でランドマーク１０２が検出され、制御装置３に入力される。
走行制御部２１は、検出されたランドマーク１０２の位置と姿勢（方向）が、予め記憶された地図情報中の位置と姿勢（ＲＸ１，ＲＹ１，Ｒθ１）と異なる場合は、検出されたランドマーク１０２の位置が正しい物として、記憶されている地図情報を修正するようになっている。こうすることにより、移動体１の実際の進路と走行経路Ｒとの誤差が修正される。

同様に、走行制御部２１移動体１が終点位置Ｐｅに近づくと、図３（ｄ）に示すように終点位置Ｐｅの近傍に配置されたランドマーク１０２がレーザ距離センサ３５により検出されるようになり、走行制御部２１は検出されたランドマーク１０２の位置に基づいて、地図情報を修正した上で、最新の地図情報における経由地点Ｐｔの座標まで移動体１を走行させた後、移動体１を停止する。

このように本実施例にかかる移動体システムによれば、車体２の左右に取り付けられた２つのレーザドップラセンサ３４の検出結果に基づいて制御装置３が各駆動輪３０のそれぞれとフロア１０１との滑り量Ｓを算出し、この滑り量Ｓを各アクチュエータ３２への速度指令に加算補正するので、エンコーダ３３の検出結果のみでは検出できない、駆動輪３０とフロア１０１との滑りによる誤差を低減することができ、移動体１をより走行経路Ｒに対して正確に精度良く走行させることができる。
また、補正部２２は左右の駆動輪３０のそれぞれについて滑り量Ｓを計測して補正を行なうので、左右のいずれかの駆動輪３０のみが滑りを起こした場合（あるいは一方の駆動輪の滑り量が他方のものよりも大きい／小さい場合）に移動体１の方向（進行方向）が変わることを逐次補正してより走行経路Ｒに沿ってより正確に自律走行することができる。
［第２実施例］

次に本発明の第２実施例について説明する。なお、本実施例はレーザードップラセンサの取り付け位置を除いては上述の第１実施例と同様に構成されており、第１実施例と同様の点については説明を省略して同符号を用いて説明する。
図４（ａ）,図４（ｂ）に示すように、本実施例では１個のレーザドップラーセンサ３４が車体２の前方の側面に取り付けられ、フロア１０１に向けて配向されている。
レーザドップラセンサ３４の検出結果Ｖｄは制御装置３に入力され、制御装置３では第１実施例における相対速度ＶｄＬ，ＶｄＲをいずれもＶｄとして同様に走行制御を行なう。
本発明の第２実施例にかかる移動体システムはこのように構成されているので、左右の駆動輪３０とフロア１０１との滑り量Ｓを算出し、この滑り量Ｓを各アクチュエータ３２への速度指令に加算補正するので、移動体１をより精度良く自律走行させることができる。
また、使用するレーザードップラセンサ３４が１個のみであるため、第１実施例のものよりも安価に構成できるという利点もある。
［第３実施例］

次に本発明の第３実施例について説明する。なお、本実施例はレーザードップラセンサの取り付け位置を除いては上述の第１実施例と同様に構成されており、第１実施例と同様の点については説明を省略して同符号を用いて説明する。
図５に示すように、本実施例にかかる移動体１には、レーザドップラセンサ３４が各駆動輪３０,３０の外側に取り付けられている。
本実施例のように構成することにより、レーザドップラセンサ３４が各駆動輪３０,３０と路面との接地点により近い位置でフロア１０１との相対速度を検出することができるため、より精度良く滑り量Ｓを検出することができる。
［第４実施例］

次に本発明の第４実施例について説明する。なお、本実施例はレーザードップラセンサの取り付け位置を除いては上述の第１実施例と同様に構成されており、第１実施例と同様の点については説明を省略して同符号を用いて説明する。
図６に示すように、本実施例にかかる移動体１には、レーザドップラセンサ３４が各駆動輪３０,３０の内側に取り付けられている。
本実施例のように構成することにより、レーザドップラセンサ３４が各駆動輪３０,３０と路面との接地点により近い位置でフロア１０１との相対速度を検出することができる。これに加えて、駆動輪３０と車体２により外光等が遮蔽されて外乱要因が低減されるため、より精度良く滑り量Ｓを検出することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の各実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上述の本実施例では速度センサとしていずれもレーザドップラセンサを用いているが、速度センサはこれに限らず、エンコーダの値によらない速度センサであれば種々の形式のものを用いることができる。
また、本発明にかかる移動体システムは物品搬送用途やサービスロボット等、移動体を自律して移動する用途に変形して適宜適用することができる。

１ 移動体
２ 車体
３ 制御装置（コントローラ）
４ 走行装置
２１ 走行制御部
２２ 補正部（補正手段）
３０ 駆動輪
３１ 従動輪
３２ アクチュエータ
３３ エンコーダ
３４ レーザドップラセンサ（速度センサ）
３５ レーザ距離センサ
１００ 移動体システム
１０１ フロア（路面）
１０２ ランドマーク

Claims (7)

1. 車体と、
   前記車体を走行させる走行装置と、
   前記走行装置を駆動させるアクチュエータと、
   前記アクチュエータの駆動量を検出するエンコーダと、
   前記車体と前記車体が走行する路面との相対速度を検出する速度センサと、
   予め設定された走行経路に沿うように、前記アクチュエータの動作を制御するコントローラと、を有し、
   前記コントローラは、前記エンコーダの検出値と前記速度センサの検出値とに基づいて前記アクチュエータへの動作指令を補正する補正手段を有している
   ことを特徴とする、移動体。
2. 前記車体に取り付けられ、探索範囲に検出用レーザを走査して移動体と前記探索範囲内に存在する物体までの距離及び方向を検出するレーザ距離センサを有し、
   前記コントローラは、予め記憶された地図情報と前記レーザセンサの検出結果とに基づいて前記動作指令を算出する
   ことを特徴とする、請求項１記載の移動体。
3. 前記速度センサは、前記路面に向けて前記車体に取り付けられたレーザドップラ速度計である
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の移動体。
4. 前記走行装置は、前記車体に取り付けられた左右一対の駆動輪を有し、
   前記速度センサは前記一対の駆動輪に対応してそれぞれ取り付けられている
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の移動体。
5. 前記速度センサが前記各駆動輪の外側にそれぞれ取り付けられている
   ことを特徴とする、請求項４記載の移動体。
6. 前記速度センサが前記各駆動輪の内側にそれぞれ取り付けられている
   ことを特徴とする、請求項４記載の移動体。
7. 請求項２〜６のいずれか１項に記載の移動体と、
   前記移動体の前記車体が走行する路面上に離散的に配置される特徴的な形状のランドマークと、を有している
   ことを特徴とする、移動体システム。

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