JP4432912B2 - ロボットの移動制御方法、および移動ロボット - Google Patents

Description

本発明は、自律的に移動するロボットを制御する方法、および移動ロボットに関し、特に、周囲の環境条件に応じて自律的にロボットの移動速度、および移動方向を制御する方法、および移動ロボットに関する。

従来、自律的に、すなわち自己の制御に基づいて環境中を移動する方法、および装置が開示されている。（特許文献１、特許文献２参照）
特許第２７６１４５４号公報 特開平７−７２９２５号公報 特許文献１に記載の方法では、図９に示す従来例１のごとく、複数の方向領域における障害物との距離、および距離の変化、すなわち速度を入力情報として、衝突を回避するように進行方向角と速度値とを決定する。

特許文献２に記載の装置は、図１０に示す従来例２のごとく、障害物の位置を計測し、回避（図１１−Ａ）、あるいは、通過（図１１Ｂ）するように移動制御する。

特許文献１、特許文献２に記載の方法は、いずれも、障害物の位置、あるいは障害物と自律走行装置、すなわちロボット自身との距離が正確に入力される事が前提となっている。

しかしロボットは、常に距離が正確に入力できるような管理された特定環境下におかれるとは限らず、障害物とロボット自身との距離が正確に入力されない場合がある。例えば、距離測定手段として測距機能を有するカメラを用いた場合、周囲が暗視野、あるいは薄暮という環境条件では正確な距離測定ができず、照明手段を持たせても、逆光の場合は正確な距離測定ができない場合がある。

また、距離測定手段として、高価なアクティブ型のレーザー測距手段を用いた場合でも、煙が立ち込めた環境条件では正確な距離測定ができない。煙が立ち込めた環境条件では、アクティブ型の超音波ソナーを用いて距離を測定することも出来るが、測定可能距離が短く、測定精度も落ちる。

本発明は、周囲の環境条件に応じて柔軟に移動を制御し、環境条件が良い場合は高速に移動し、環境条件が悪い場合は速度を落として移動し、障害物との衝突を回避するロボットの移動制御方法、および移動ロボットを提供することを目的とする。

第一の発明は、障害物との距離、および周囲の環境条件を測定し、測定結果にしたがってロボットの移動速度を制御する方法であって、それぞれ対応する所定の測定レンジ、および設定速度を有する複数の距離測定手段を用いて測定し、測定結果を、最も測定レンジの長い距離測定手段から順に評価して、周囲の環境条件が所定の条件を満たす距離測定手段の測定距離を採用し、ロボットの移動速度を、採用した距離測定手段に対応付けられた設定速度に制御することを特徴とする。

第二の発明は、距離測定手段と、ロボット制御手段と、移動速度制御手段とを備えた移動ロボットであって、それぞれ対応する所定の測定レンジ、および設定速度を有し、障害物との距離を測定してロボット制御手段に送る複数の距離測定手段を備え、ロボット制御手段は、受け取った測定結果を、最も測定レンジの長い距離測定手段から順に評価して、周囲の環境条件が所定の条件を満たす距離測定手段の測定距離を採用し、対応する設定速度を移動速度制御手段に送り、移動速度制御手段は、ロボットの移動速度を受け取った設定速度に制御することを特徴とする。

第三の発明は、第二の発明に記載の移動ロボットであって、各距離測定手段に対応付ける設定速度を、移動速度制御手段に停止を指示した場合にロボットの停止に要する距離が当該距離測定手段の測距範囲内となる最大速度以下とし、ロボット制御手段が受け取った障害物との距離とロボットの停止に要する距離との差が所定値以下であった場合、移動速度制御手段に停止指示を送ることを特徴とする。

第四の発明は、第三の発明に記載の移動ロボットであって、さらに舵角を変えて進行方向を制御する進行方向制御手段を備え、各距離測定手段はさらに、障害物の方位角を求めてロボット制御手段に送り、ロボット制御手段はさらに、ロボットが舵角を変えて進行した場合の各軌跡を求め、当該軌跡と、受け取った距離、および方位角から求められる位置にある障害物との干渉判定を行い、干渉しない場合は進行方向制御手段に当該舵角での進行指示を送り、干渉する場合は移動速度制御手段に停止指示を送り、進行方向制御手段は、受け取った進行指示に従って進行方向を制御することを特徴とする。

第五の発明は、第四の発明に記載の移動ロボットであって、各距離測定手段はさらに、複数の障害物を検出した場合、各障害物との距離、および方位角を求めてロボット制御手段に送り、ロボット制御手段はさらに、検出した全障害物と、ロボットが所定の舵角で進行した場合の軌跡との干渉判定を行い、干渉しない場合は進行方向制御手段に当該舵角での進行指示を送り、ロボットの全軌跡が、何れかの障害物と干渉する場合は移動速度制御手段に停止指示を送ることを特徴とする。

第六の発明は、第五の発明に記載の移動ロボットであって、ロボット制御手段はさらに、距離測定手段から受け取った測定距離の変化から障害物の移動軌跡を予測し、検出した全障害物とロボットとの干渉判定を行うことを特徴とする。

本発明により、ロボットが周囲の環境条件に応じて、自律的に移動速度、および移動方向を制御し、周囲の環境条件が良い場合は高速で移動し、周囲の環境条件が悪い場合は移動速度を落とし、障害物との衝突を回避することが可能となる。

図１は、本発明による障害物検出の概要を示し、図２は、本発明を適用するロボットの周囲の環境条件例を示す。

図１においてロボット１は、ｄ１メートルの障害物検出レンジ３１を有するが、周囲の環境条件により測定信頼度が左右される距離測定手段２１と、ｄ２メートル（ｄ２＜ｄ１）の障害物検出レンジ３２ではあるが、距離測定手段２１と比較して周囲の環境条件により測定信頼度が左右されにくい距離測定手段２２とを備え、障害物３との距離を測定する。

距離測定手段２１としては、例えば測距機能付きカメラ、すなわちビジョン障害物センサを用いる。ビジョン障害物センサは、図２（Ａ）に示すごとく、周囲が明るい場合は入力する情報量が多く、比較的広い範囲を高精度に測定可能であるが、自ら光を発しない為、図２（Ｂ）に示すごとく、周囲が暗くなった場合、あるいは逆光の場合は測距の精度、すなわち信頼度が下がる。

一方、距離測定手段２２としては、例えば超音波障害物センサを用いる。超音波障害物センサは、ビジョン障害物センサと比較して障害物検出レンジが短いが、自ら発した超音波の反射で距離を測定するため、周囲が暗い、暗視野、あるいは逆光の場合においても測距が可能である。

なお、ロボット１は、移動停止動作開始から、ｄ１メートルで停止する場合の初速はＶ１メートル／秒、ｄ２メートルで停止する場合の初速はＶ２メートル／秒であるものとする。

図３に、周囲の環境条件の変化に応じて距離測定手段を選択し、選択した距離測定手段に応じた移動速度で移動し、障害物検出レンジ内に障害物を検出した場合に停止する、本発明の動作原理の処理フローを示す。ステップＳ３１においてロボット１は、周囲の環境条件、この場合は明るさが所定値以上であり、かつ逆光でないことを確認し、距離測定手段２１による測距が信頼できるか判定する。距離測定手段２１による測距が信頼できると判定した場合はステップＳ３２に進み、距離測定手段２１を距離測定手段として採用し、移動速度をＶ１メートル／秒に設定して移動し、ステップＳ３３に進む。ステップＳ３３では、障害物検出レンジ３１内に障害物３があるかを判定し、障害物３が無い場合はそのまま移動を続け、障害物３を検出した場合はステップＳ３４に進み停止動作に入る。

ステップＳ３１で、距離測定手段２１による測距が信頼できないと判定した場合はステップＳ３５に進み、距離測定手段２２を距離測定手段として採用し、移動速度をＶ２メートル／秒に設定して移動し、ステップＳ３６に進む。ステップＳ３６では、障害物検出レンジ３２内に障害物３があるかを判定し、障害物３が無い場合はそのまま移動を続け、障害物３を検出した場合はステップＳ３４に進み停止動作に入る。

これにより、周囲の環境条件に応じて移動速度を選択し、最適な速度で移動すると共に、高速で移動している場合に障害物を検出しても、安全に停止することが可能となる。

図４は、距離測定手段として、ｄ３メートルの障害物検出レンジ３３を有するビジョン障害物センサ２３と、ｄ４メートルの障害物検出レンジ３４を有する超音波障害物センサ２４とを備えた実施例１を示す。

なお、実施例１におけるロボット１は、移動停止動作開始から、ｄ３メートルで停止する場合の初速はＶ３メートル／秒、ｄ４メートルで停止する場合の初速はＶ４メートル／秒であるものとし、ロボット１の移動能力としての最大速度Ｖｒメートル／秒が、Ｖ３、Ｖ４と比較し、Ｖ４＜Ｖｒ＜Ｖ３の場合について説明する。ここで、初速Ｖｒメートル／秒で停止動作を始めた場合に停止に要する距離をｄｒメートルとする。

実施例１の処理フローを図５に示す。ステップＳ５１でロボット１は、例えば周囲の明るさが所定値以上であり、かつ逆光でないことを確認し、ビジョン障害物センサ２３による測距が信頼できるか判定する。ビジョン障害物センサ２３による測距が信頼できると判定した場合はステップＳ５２に進み、ビジョン障害物センサ２３を距離測定手段として採用し、移動速度をＶｒメートル／秒に設定して移動し、ステップＳ５３に進む。ステップＳ５３では、距離ｄｒメートル以内に障害物３があるかを判定し、障害物３が無い場合はそのまま移動を続け、障害物３を検出した場合はステップＳ５４に進み停止動作に入る。

ステップＳ５１で、ビジョン障害物センサ２３による測距が信頼できないと判定した場合はステップＳ５５に進み、超音波障害物センサ２４を距離測定手段として採用し、移動速度をＶ４メートル／秒に設定して移動し、ステップＳ５６に進む。ステップＳ５６では、障害物検出レンジ３４内に障害物３があるかを判定し、障害物３が無い場合はそのまま移動を続け、障害物３を検出した場合はステップＳ５４に進み停止動作に入る。

なお、環境条件に応じて、レーザー測距手段、あるいは赤外線測距手段等、を用いることも可能である。

図６の実施例２に示すロボット１１は、実施例１に示すロボット１に加え、さらに舵角を−θ２、−θ１、０、θ１、θ２（θ１＜θ２）に制御する進行方向制御手段を備える。舵角を０とした場合のロボット１１の右端の軌跡を破線４１で、舵角を−θ１とした場合のロボット１１の右端の軌跡を破線４２で示し、舵角を−θ１として障害物３を回避した結果をロボット１１’で示す。ビジョン障害物センサ２５は、障害物３との距離ｄｏと、障害物の方向θｏとを検出する。また、図示しないが、超音波障害物センサ２６もビジョン障害物センサ２５と同様に、障害物３との距離ｄｏと、障害物の方向θｏとを検出する。

ここでロボットは、速度Ｖｒメートル／秒の場合、舵角を−θ１、あるいはθ１としても安全に進行方向を変えられるが、舵角を−θ２、あるいはθ２とすると転倒する。また、速度Ｖ４メートル／秒の場合は、舵角を−θ２、あるいはθ２としても安全に進行方向を変えられるものとする。

なお、ロボットは、距離（ｄ３−ｄ４）メートル以内で速度Ｖｒメートル／秒Ｖｒから速度Ｖ４メートル／秒に減速するものとする。

図７、および図８は、実施例２の処理フローを示す。

図７に示す実施例２の処理フロー１において、ステップＳ７１でロボット１１は、ビジョン障害物センサ２３による測距が信頼できるか判定する。ビジョン障害物センサ２３による測距が信頼できると判定した場合はステップＳ７２に進み、ビジョン障害物センサ２３を距離測定手段として採用し、移動速度をＶｒメートル／秒に設定して移動し、ステップＳ７３に進む。

ステップＳ７１において、ビジョン障害物センサ２３による測距が信頼できないと判定した場合は図８、Ｂへ進む。

ステップＳ７３では、距離ｄ３メートル以内に障害物３があるかを判定し、障害物３が無い場合はそのまま移動を続け、障害物３を検出した場合はステップＳ７４に進み障害物３の方位角θ０を取得する。ステップＳ７５では、障害物３の方位角θ０をもとに直進した場合の軌跡が障害物３と干渉する、すなわち衝突するかを判定する。衝突判定は、例えば図６に示すごとく、障害物３を検出した方位角θ０側のロボット１１の幅、この場合は右端を勘案し、直進した場合のロボット１１の右端の軌跡が障害物３と干渉するかを判定するものであればよい。

ステップＳ７５で衝突しないと判定した場合はステップＳ７３にもどり、衝突すると判定した場合は、ステップＳ７６に進み、舵角を−θ１に設定する。ここで、舵角−θ１は、障害物３を回避するように、検出した方位角θ０とは逆に操舵するものとする。

ステップＳ７７では、舵角−θ１で移動した場合の軌跡を求め、当該軌跡と障害物３との衝突判定を行い、衝突しないと判定した場合はステップＳ８１に進み、衝突すると判定した場合はステップＳ７８に進み、移動速度をＶ４メートル／秒に減速し、舵角を−θ２に設定する。ステップＳ７９では、舵角−θ２で移動した場合の軌跡を求め、当該軌跡と障害物３との衝突判定を行い、衝突しないと判定した場合はステップＳ８２に進み、衝突すると判定した場合はステップＳ８０に進み、停止動作に入る。

ステップＳ８１では、障害物３を回避したかを判定し、回避が完了していない場合はそのまま移動を継続し、回避完了の場合はステップＳ８３に進み、舵角０、移動速度Ｖｒメートル／秒に設定しステップＳ７１に戻る。ステップＳ８２の処理もステップＳ８１の処理と同様である。

ステップＳ７１において、ビジョン障害物センサ２３による測距が信頼できないと判定した場合は図８の実施例２の処理フロー２のＢに進み、ステップＳ８４で超音波障害物センサ２４を距離測定手段として採用し、移動速度をＶ４メートル／秒に設定して移動し、ステップＳ８５に進む。

ステップＳ８５では、距離ｄ４メートル以内に障害物３があるかを判定し、障害物３が無い場合はそのまま移動を続け、障害物３を検出した場合はステップＳ８６に進み障害物３の方位角θ０を取得する。ステップＳ８７では、障害物３の方位角θ０をもとに直進した場合の軌跡が障害物３と干渉する、すなわち衝突するかを判定する。

ステップＳ８７で衝突しないと判定した場合はステップＳ８５にもどり、衝突すると判定した場合は、ステップＳ８８に進み、舵角を−θ１に設定する。

ステップＳ８９では、舵角−θ１で移動した場合の軌跡を求め、当該軌跡と障害物３との衝突判定を行い、衝突しないと判定した場合はステップＳ９３に進み、衝突すると判定した場合はステップＳ９０に進み、舵角を−θ２に設定する。ステップＳ９１では、舵角−θ２で移動した場合の軌跡を求め、当該軌跡と障害物３との衝突判定を行い、衝突しないと判定した場合はステップＳ９４に進み、衝突すると判定した場合はステップＳ９２に進み、停止動作に入る。

ステップＳ９３では、障害物３を回避したかを判定し、回避が完了していない場合はそのまま移動を継続し、回避完了の場合はステップＳ９５に進み、舵角を０に設定しステップＳ８４に戻る。ステップＳ９４の処理もステップＳ９３の処理と同様である。

これにより、周囲の環境条件に応じて移動速度、および移動方向を選択し、高速で移動している場合に障害物を検出しても、安全に障害物を回避、あるいは停止することが可能となる。

なお、実施例においては２つの距離測定手段を用いる場合について説明したが、３つ以上の距離測定手段を用いることも可能である。

また、実施例においては障害物が１つの場合について説明したが、各距離測定手段に、さらに複数の障害物を検出する機能を持たせ、複数の障害物を検出した場合、各障害物との距離、および方位角を求めてロボット制御手段に送り、ロボット制御手段はさらに、検出した全障害物が、所定の舵角で進行した場合の軌跡と干渉しない、すなわち衝突しない場合は進行方向制御手段に当該舵角での進行指示を送り、全軌跡が、何れかの障害物と干渉する場合は移動速度制御手段に停止指示を送ることで、障害物が複数ある場合についても対応可能である。

また、実施例においては障害物が静止している場合について説明したが、さらに距離測定手段から受け取った測定結果の変化から障害物の移動軌跡を予測し、ロボットと障害物とが干渉するかを判定することにより、障害物が移動している場合についても対応可能である。

本発明による障害物検出の概要 本発明を適用するロボットの周囲の環境条件例 本発明の動作原理の処理フロー 実施例１ 実施例１の処理フロー 実施例２ 実施例２の処理フロー１ 実施例２の処理フロー２ 従来例１ 従来例２

符号の説明

１、１１、１１’ ロボット
３ 障害物
２１ 距離測定手段１
２２ 距離測定手段２
２３、２５ ビジョン障害物センサ
２４、２６ 超音波障害物センサ
３１、３２、３３、３４、３５ 障害物検出レンジ
４１、４２ 軌跡

Claims (6)

1. 障害物との距離、および周囲の環境条件を測定し、測定結果にしたがってロボットの移動速度を制御する方法であって、
   それぞれ対応する所定の測定レンジ、および設定速度を有する複数の距離測定手段を用いて測定し、
   測定結果を、最も測定レンジの長い距離測定手段から順に評価して、周囲の環境条件が所定の条件を満たす距離測定手段の測定距離を採用し、
   ロボットの移動速度を、採用した距離測定手段に対応付けられた設定速度に制御することを特徴とするロボットの移動速度制御方法。
2. 距離測定手段と、ロボット制御手段と、移動速度制御手段とを備えた移動ロボットであって、
   それぞれ対応する所定の測定レンジ、および設定速度を有し、障害物との距離を測定してロボット制御手段に送る複数の距離測定手段を備え、
   ロボット制御手段は、受け取った測定結果を、最も測定レンジの長い距離測定手段から順に評価して、周囲の環境条件が所定の条件を満たす距離測定手段の測定距離を採用し、対応する設定速度を移動速度制御手段に送り、
   移動速度制御手段は、ロボットの移動速度を受け取った設定速度に制御することを特徴とする移動ロボット。
3. 請求項２に記載の移動ロボットであって、
   各距離測定手段に対応付ける設定速度を、移動速度制御手段に停止を指示した場合にロボットの停止に要する距離が当該距離測定手段の測距範囲内となる最大速度以下とし、
   ロボット制御手段が受け取った障害物との距離とロボットの停止に要する距離との差が所定値以下であった場合、移動速度制御手段に停止指示を送ることを特徴とする移動ロボット。
4. 請求項３に記載の移動ロボットであって、
   さらに舵角を変えて進行方向を制御する進行方向制御手段を備え、
   各距離測定手段はさらに、障害物の方位角を求めてロボット制御手段に送り、
   ロボット制御手段はさらに、ロボットが舵角を変えて進行した場合の各軌跡を求め、当該軌跡と、受け取った距離、および方位角から求められる位置にある障害物との干渉判定を行い、干渉しない場合は進行方向制御手段に当該舵角での進行指示を送り、干渉する場合は移動速度制御手段に停止指示を送り、進行方向制御手段は、受け取った進行指示に従って進行方向を制御することを特徴とする移動ロボット。
5. 請求項４に記載の移動ロボットであって、
   各距離測定手段はさらに、複数の障害物を検出した場合、各障害物との距離、および方位角を求めてロボット制御手段に送り、
   ロボット制御手段はさらに、検出した全障害物と、ロボットが所定の舵角で進行した場合の軌跡との干渉判定を行い、干渉しない場合は進行方向制御手段に当該舵角での進行指示を送り、ロボットの全軌跡が、何れかの障害物と干渉する場合は移動速度制御手段に停止指示を送ることを特徴とする移動ロボット。
6. 請求項５に記載の移動ロボットであって、ロボット制御手段はさらに、距離測定手段から受け取った測定距離の変化から障害物の移動軌跡を予測し、検出した全障害物とロボットとの干渉判定を行うことを特徴とする移動ロボット。

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