JP4983783B2

JP4983783B2 - 移動体及び移動体システム

Info

Publication number: JP4983783B2
Application number: JP2008321981A
Authority: JP
Inventors: 大河野
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2028-12-18
Also published as: JP2010146239A

Description

本発明は、工場、オフィス、病院や商業施設等において、自律移動することにより各種用途に使用可能な移動体及び移動体システムに関する。

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、移動体前方に設置した撮像装置で進行方向を撮像し、撮像画像と、走行させたい経路上で予め撮影した参照画像（教示画像）のパターンマッチングを行い、教示された経路に対する実際の走行位置とのズレ量を逐次算出して移動体の走行方向を制御する制御方法が開示されている。
特許文献１の技術によれば、移動体の走行経路に沿ったガイド部材を設けることなく、移動体を目標の位置まで自律して移動させることができる。
特開２００８−１４６１９７号公報

ところが、特許文献１の技術では、予め教示された走行経路に沿って移動体を自律走行させることはできるが、教示経路から外れた経路を自律走行させる場合には、その都度、走行させたい経路を教示する必要がある。
このため、対向者や一時的な障害物を回避するための回避経路等の付加的な走行経路についてもその都度予め教示する必要があり、教示作業が煩雑であるという課題がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、自律走行する移動体の走行経路の教示作業をより簡便にできるようにした、移動体の制御装置及び移動体システムを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１にかかる移動体は、走行装置をそなえて、予め教示された走行経路を自律走行する移動体であって、前記移動体に取り付けられ、実画像を取得する撮像装置と、前記走行経路上の離散した複数の教示地点のそれぞれにおいて前記実画像の目標となる画像として取得した複数の教示画像を記憶する教示画像記憶手段と、前記教示画像に対する実画像のオフセット量を取得するオフセット量取得手段と、前記実画像と前記教示画像との比較結果、及び、前記オフセット量取得手段により取得された前記オフセット量に基づいて前記走行装置を制御する走行制御手段と、を有し、前記の予め教示された走行経路には、前記の予め教示された走行経路に沿って自律走行する通常走行区間と、前記の予め教示された走行経路に対してオフセットした経路を自律走行するオフセット走行区間とが設定され、前記教示画像記憶手段に記憶される前記教示画像に対応する前記複数の教示地点間の距離は、前記通常走行区間よりも前記オフセット走行区間の方が小さい距離であることを特徴とするものである。

また、請求項２にかかる移動体システムは、請求項１記載の移動体を複数そなえてなることを特徴としている。
また、請求項３にかかる移動体システムは、請求項１記載の移動体を複数そなえオフセット走行区間は、前記複数の移動体が互いにすれ違う対向経路となっていることを特徴としている。

本発明によれば、オフセット量取得手段により取得したオフセット量に応じて、新たに、走行経路の教示を行なうことなく、予め教示された走行経路に対してオフセットした別の走行経路を走行させることができ、移動体の走行経路の教示にかかる作業量を低減することができる。

以下、本発明の一実施形態にかかる移動体について図を参照して説明する。
図１〜図７はいずれも本発明の一実施形態にかかる移動体システムを説明するものであり、図１はオフセット走行区間においての制御態様を説明する模式的な図、図２は移動体システムの全体構成を模式的に示す図、図３は移動体の構成を示す模式的な図、図４はいずれも駆動制御部による制御態様を説明するものであり、（ａ）は模式的な上面図、（ｂ）は撮像画像の一例を示す図、図５は移動体が走行経路直線部上に位置し、進行方向が走行経路と一致している状態を模式的に示す図、図６は図５の状態での撮像画像を表す図、図７は移動体が走行経路直線部からズレ、進行方向が走行経路と一致していない状態を模式的に示す図、図８は図７の状態での撮像画像を表す図である。

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では、フロア１０１上に予め走行経路Ｒが設定されており、複数の移動体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。なお、走行経路Ｒ上に黒丸で教示地点を示している。また、走行経路Ｒの経路は適宜変更することが可能である。

走行経路Ｒには後述する教示走行によって教示された走行経路に沿って自律走行する通常走行区間Ａ１（即ち、オフセット量がゼロである区間）と、教示走行によって教示された走行経路に対して所定のオフセット量ｄだけオフセットした並走経路Ａ２_{ｏｆｆｓｅｔ}を自律走行するオフセット走行区間Ａ２（オフセット量がゼロでない区間）とが含まれている。
また、オフセット走行区間Ａ２では、移動体１が互いに対向して対面通行（すれ違い通行）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や各区間Ａ１，Ａ２を矢印や線等で図示しているが、実際のフロア１０１等には走行経路Ｒや各区間Ａ１，Ａ２を示すライン等は存在しない。

図３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駆動制御部（教示画像記憶手段，オフセット量取得手段，走行制御手段）３を内蔵している。
駆動制御部３は、入力装置からの入力からオフセット走行区間Ａ２におけるオフセット量ｄを取得し、記憶装置に記憶するようになっている。
駆動部（走行装置）４は車輪（走行装置）５の駆動を制御するようになっており、前記駆動制御部３からの指令に従って前記車輪５を駆動することで前記移動体１の前進後退および姿勢角（操舵方向）を制御することができる。

６はＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラにより構成される撮像装置であり、移動体１の進行方向に配向されている。撮像装置６は移動体の進行方向を予め設定された撮像周期Ｔｓ（例えば、１０ｍｓ（ミリ秒））毎に撮像し、画像データ（実画像）をリアルタイムで取得するように構成されている。また、撮像装置６は画像データを静止画像で取得することも可能である。なお、ここでいう画像データとは所定の解像度においての画素の配置（ピクセル配置）にかかるデジタルデータをいう。
７は例えば半導体レーザー等のレーザー発信装置を有するレーザー距離センサ（距離方向検出装置）であり、例えば、レーザー距離センサ７から水平方向（車体２の方向において）に所定の探索角度範囲に所定の角度毎（例えば、０．５°毎）に検出用のレーザー光（検出用光）を発信するようになっている。そして、物体に反射して戻ってくるまでの時間から各点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、レーザー距離センサ７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車体２の設置面（水平）に対して平行な扇形の平面となる。
移動体周囲の壁や柱といった構造物および歩行者など移動体の周囲の環境の距離を計測する。レーザー距離センサ７で計測された距離データは駆動制御部３に伝達される。

以下、走行制御手段として駆動制御部３においての制御態様について説明する。
図１及び図４（ａ），図４（ｂ）に示すように撮像画像１２上の撮像対象１４の位置は撮像装置６から見た撮像対象１４の角度ＴＨと一意の関係にある。また、撮像装置の撮像範囲（角度）を−Ｒ［ＤＥＧ］〜Ｒ[ＤＥＧ]、画素数で表わす画像の幅をＷ[ＰＩＸＥＬ]とし、画像上の撮像対象の位置がＸ[ＰＩＸＥＬ]とすると、撮像装置６から見た撮像対象の角度ＴＨ［ＤＥＧ］は以下の式（１）で求められる。
ＴＨ＝−２＊Ｒ／Ｗ＊Ｘ＋Ｒ −（１）

駆動制御部３は、撮像装置６により取得された実画像と記憶された複数の教示画像の中から最も一致度が高い教示画像とを用いて、所定の演算周期毎に式（１）の値を算出するようになっている。

また、駆動制御部３は、取得したオフセット量ｄに基づいて、上記角度ＴＨの目標値θ_{ｏｆｆｓｅｔ}を算出するようになっている。
なお、オフセット量ｄが０の場合（即ち、通常走行区間Ａ１）には、目標値θ_{ｏｆｆｓｅｔ}の値は０（ゼロ）となる。
また、ここでは撮像装置６が移動体１の進行方向と同じ方向に設置されているので、式（１）の値ＴＨが、移動体１の進行方向に対する教示画像（撮像用ランドマーク）１０の角度を表す。

以上説明した撮像装置６の特性を用いて、走行経路直線部１５に対する移動体１の左右方向の位置ズレおよび姿勢角を求め、補正する処理を説明する。
図６は図５の状態での撮像画像を示す図であり、本実施例では撮像した画像全体を撮像用ランドマークとして記憶して使用する。撮像用ランドマークを走行中の撮像画像とパターンマッチングして求めた画像上の位置をＨで表す。

図７は移動体が走行経路直線部１５からズレた状態を示す図であり、ＴＨは撮像装置に対する撮像用ランドマークの角度を表す。
図８は図７の状態での各撮像装置の取得画像である。図８は撮像装置での取得画像を表し、画像上の撮像用ランドマークの水平方向の位置をＨで表す。図８において画像上の撮像対象の位置（画素配置）がＶ[ＰＩＸＥＬ]だとすると、ＴＨの値は（１）式のＸにＨを代入することで算出される。
そして、駆動制御部３は、図１に示すように、算出したＴＨの値が目標値θ_{ｏｆｆｓｅｔ}となるようにを駆動制御部３から駆動部４に対する指令値をフィードバック制御するようになっている。

以下、制御式の一例として、通常走行区間Ａ１において、移動体１を速度制御して補正する際の制御式を示す。前記移動体１の進行方向を正確に走行経路直線部に一致させるため、撮像用ランドマークに対する姿勢角に関して目標とする状態はＴＨ＝０で表される。なお、オフセット走行区間Ａ２を走行する際にはＴＨ＝θ_{ｏｆｆｓｅｔ}として同様に制御される。
前記移動体１の姿勢角の変化速度をＶＴＨ、姿勢角に対する制御ゲインをＧＴＨとし、移動体が走行経路上を走行するように補正する速度指令値を求める制御式は以下の式（２）で表される。
ＶＴＨ＝―ＧＴＨ＊ＴＨＦ ―(２)

駆動制御部３は式（２）の値を算出し、得られたＶＴＨに従って左右の車輪５の駆動量をそれぞれを制御するのである。このようにして走行経路直線部１５に対する姿勢角を補正する速度指令値を算出し、車輪５を駆動して移動体１を走行制御する。
以上説明した処理により、移動体１の位置および姿勢角（操舵角度）を補正し、教示された走行経路Ｒに沿って自律移動することができる。

［教示走行］
以下、移動体１の駆動制御部３に走行経路Ｒを教示するための教示走について説明する。
教示走行は、移動体１を自律走行させる前に予め行なわれ、操作者（オペレータ）が教示したい経路に沿って移動体１を手動で走行させながら、経路上の所定の間隔毎に離散した地点（教示地点）において、撮像装置６から取得された画像データを教示画像として記憶装置に記憶する。

このとき、オフセット走行区間Ａ２においての隣接する教示地点間の距離Ｄ２は、通常走行区間Ａ１での教示地点間の距離Ｄ１よりも小さくなるように設定する。即ち、オフセット走行区間Ａ２における教示地点は、通常走行区間Ａ１においての教示地点よりも密になるように設定されている。
これは、オフセット走行区間Ａ２では、式（１）により算出した角度ＴＨが、オフセット量ｄに対応した目標値θ_{ｏｆｆｓｅｔ}となるようにフィードバック制御するため、教示地点間の距離Ｄ２があまりに大きい場合には、教示された経路に対して平行にオフセットした経路に対して実際の走行経路の精度の低下を抑制するためである。

本発明の一実施形態にかかる移動体は上述のように構成されているので、別途、教示走行を実行することなく、駆動制御部３の入力装置に適宜入力されたオフセット量ｄに応じて予め教示された走行経路（オフセット走行区間Ａ２）に対してオフセット量ｄだけオフセットした別の走行経路Ａ２_{ｏｆｆｓｅｔ}を走行させることができ、移動体１の走行経路Ｒの教示にかかる作業量を低減することができる。
また、通常走行区間Ａ１においても、駆動制御部３の入力装置からオフセット量を適宜設定することによって新たな教示走行を行なうことなくオフセット走行区間とすることができる。このとき、既に教示された経路Ａ１からオフセットした新たな経路に沿って移動体１を自律走行させることができるので、一時的な障害物等を回避するための回避用の走行経路等を容易に設定することができる。

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形態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、本発明はこのような形態に限らず、サービスロボット等、自律して移動する移動体等に適宜適用することができる。

本発明の一実施形態を示すものであり、オフセット走行区間においての制御態様を説明する模式的な図である。本発明の一実施形態を説明するものであり、移動体システムの全体構成を模式的に示す図である。本発明の一実施形態を説明するものであり、移動体の構成を示す模式的な図である。本発明の一実施形態にかかる駆動制御部による制御態様を説明するものであり、（ａ）は模式的な上面図、（ｂ）は撮像画像の一例を示す図である。本発明の一実施形態を説明するものであり、移動体が走行経路直線部上に位置し、進行方向が走行経路と一致している状態を示す図である。本発明の一実施形態を説明するものであり、図５の状態での撮像画像を表す図である。本発明の一実施形態を説明するものであり、移動体が走行経路直線部からズレ、進行方向が走行経路と一致していない状態を示す図である。本発明の一実施形態を説明するものであり、図７の状態での撮像画像を表す図である。

符号の説明

１移動体
２車体
３駆動制御部
４駆動部
５車輪
６撮像装置
７距離計測部
１０撮像用ランドマーク
１１距離計測用ランドマーク
１２撮像画像
１４撮像対象
１５走行経路直線部
Ｒ撮像装置の左右方向の一方の画角
ＴＨ撮像装置に対する撮像対象の角度[deg]
Ｘ撮像対象の画像上の左右方向の位置[pixel]
Ｗ撮像画像の左右方向の幅[pixel]
Ｈ撮像用ランドマークの画像上の左右方向の位置[pixel]

Claims

走行装置をそなえて、予め教示された走行経路を自律走行する移動体であって、
前記移動体に取り付けられ、実画像を取得する撮像装置と、
前記走行経路上の離散した複数の教示地点のそれぞれにおいて前記実画像の目標となる画像として取得した複数の教示画像を記憶する教示画像記憶手段と、
前記の予め教示された走行経路に対するオフセット量を取得するオフセット量取得手段と、
前記実画像と前記教示画像との比較結果、及び、前記オフセット量取得手段により取得された前記オフセット量に基づいて前記走行装置を制御する走行制御手段と、を有し、
前記の予め教示された走行経路には、前記の予め教示された走行経路に沿って自律走行する通常走行区間と、前記の予め教示された走行経路に対してオフセットした経路を自律走行するオフセット走行区間とが設定され、
前記教示画像記憶手段に記憶される前記教示画像に対応する前記複数の教示地点間の距離は、前記通常走行区間よりも前記オフセット走行区間の方が小さい距離である
ことを特徴とする、移動体。
請求項１記載の移動体を複数そなえてなる
ことを特徴とする、移動体システム。
請求項１記載の移動体を複数そなえ、
オフセット走行区間は、前記複数の移動体が互いにすれ違う対向経路となっている
ことを特徴とする、移動体システム。