JP5291420B2 - 障害物回避装置及び自走車両 - Google Patents
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Description
本発明は、上記のような点に着目したもので、簡易な処理構成で障害物回避の有無を判定可能とすることを課題としている。
更に、障害物判定の閾値処理を移動体の位置する環境によって変更する。この結果、環境に応じて、より適切に上記障害物か否かを判別可能となる。
図1は、本実施形態に係る移動体1を示す斜視図である。図2は、移動体を正面からみた模式図である。
(構成)
まず移動体1の構成について説明する。
本実施形態の移動体1は、図1及び図2に示すように、移動体本体2の左右両側に車輪3を配置した2輪形態の移動体1である。移動体本体2には、また駆動部4、及び駆動部4を制御する駆動制御部5を搭載する。駆動部4は、モータなどのアクチュエータからなり、アクチュエータの発生するトルクを駆動トルクとして車輪3に伝達する。その伝達した駆動トルクによって車輪3を回転駆動する。この移動体1は、左右の車輪3を駆動することで走行制御が可能となる。なお、左右の車輪3に回転数差を付けることで、移動体1を所定角度だけ回転(旋回)させて移動体1の進行方向を変更する。
また、駆動制御部5は、制御コントローラ9からの指令に応じて駆動部4を制御することで、左右の車輪3を回転制御する。これによって、移動体1は、制御コントローラ9からの指令に応じた方向に進行する。
物体検出センサ6は、車両前方に存在する物体を検出し、物体検出センサ6上での物体の見かけの大きさを制御コントローラ9に出力する。物体検出センサ6は、物体の見かけの大きさが検出可能なセンサであれば良い。物体検出センサ6としては、例えば、カメラや光学センサレイなどパッシブなセンサが例示できる。なお、物体検出センサ6の検出距離は、例えば5mなどと予め設定しておく。
位置確認装置7は、移動体1の現在の位置を検出して、検出情報を制御コントローラ9に出力する。位置確認装置7は、例えばカーナビゲーションシステムに代表する自車位置検出システムを使用すればよい。例えば、GPSセンサが例示できる。移動体の対象とする走行路面に磁気ネイルなどが埋設してある場合には、位置確認装置7のセンサを、その磁気ネイルなどを検出センサで構成しても良い。又は、走行履歴を記憶し、その走行履歴から現在の位置を検出するようにしても良い。
なお、走行制御手段による移動体1の走行ルールは、上記制御に限定しない。例えば、掃除のためにランダムにフロア内を走行するように設定しても良い。
環境判別手段9Baは、移動体1の現在位置における周囲環境を判別する。すなわち、位置確認装置7による現在位置情報に基づき、地図データ8上の位置を特定する。そして、移動体1が位置する環境カテゴリー(周囲環境の種別)を地図データ8から参照する。
そして、環境判別手段9Baは、移動体1の位置する環境カテゴリーに応じて推定した回避すべき障害物Sの最小の大きさを取得する。
この場合には、第2環境判別手段9Ba1は、上述のようにして、移動体1の位置する環境カテゴリーを取得する。また、閾値変更手段9Ba2は、環境カテゴリーにて推定した最小物体幅に応じた第1の閾値を選択する。この場合には、回避障害物判定手段9Bcは、上記物体検知センサが取得した物体の見かけの大きさが、第1の閾値以上の場合に、回避動作を行う必要がある障害物Sと判定する。
図7に示すように、時刻tのときの物体視野角をθ1、時刻t+1のときの物体視野角をθ2とする。また、時刻tのときの物体までの距離をLとする。また相対速度をvとする。なお、物体の最大左右幅をWとする。また、時刻tから時刻t+1までの時間をtとする。
θ1 ≒L/W ・・・(1)
θ2 ≒(L− v・t)/W ・・・(2)
そして、θ1とθ2との差をとると、下記式で表される。
θ1 −θ2 =v・t/W ・・・(3)
ここで、(1)式をW =L/θ1と変形して(3)式に代入して整理すると、下記式となる。
L=v・t・{θ1/(θ1−θ2)}
よって干渉するまでの干渉余裕時間TTCは、下記式で表すことができる。
TTC = L/v= t・{θ1/(θ1−θ2)}となる。
ここで、時間tは制御サイクルの時間から予め判明している値である。
したがって、物体視野角θの変化量から上記干渉余裕時間TTCを求めることができる。
回避減速量演算手段9Beは、回避障害物判定手段9Bcが障害物Sと判定すると、減速した車速指令を走行制御量調整手段9Cに出力する。
すなわち、下記式によって、減速した車速指令値を演算する。そして、回避障害物判定手段9Bcが障害物Sと判定中は、下記演算を、所定の演算装置の演算周期(例えば0.1s)ごとに繰り返す。
v =a・v(t-1)
ここで、v(t-1)は、前回の制御周期で出力した車速指令値である。また、aは、減速量であって、1よりも小さい正の値である。
減速処理が複数回継続して実施することで、移動体1の移動速度が徐々にゼロに近い値となる。これにより、少なくとも障害物Sと干渉する前に移動体1の速度をゼロとする。この結果、障害物Sとの干渉による被害を少なくすることが可能となる。
走行制御量調整手段9Cは、走行制御手段9Aから取得した走行制御量、回避減速量演算手段9Beからの速度指令値、及び回避回転量演算手段9Bfからの向変更指令に基づき、移動体1を走行制御するための制御量を演算する。そして、演算した制御量を駆動制御部5に出力する。
このとき、回避減速量演算手段9Beが速度指令値を演算した場合には、走行制御手段9Aからの車速指令値の代わりに、回避減速量演算手段9Beが演算した車速指令値を駆動制御部5に出力する。
駆動制御部5では、取得した速度指令値とするための左右の回転量を演算すると共に、回転制御指令値に応じた回転数差が左右輪に発生するように、左右の回転量を補正する。そして、最終的な左右の回転量となるように、回転制御を実施する。回転数差は、例えば、一方の車輪3に所定の値を加算することで行う。
この回避制御手段9Bは、所定のサンプリング周期毎に作動する。
まず、ステップS10では環境判別手段9Baにおいて、現在走行している環境の判別を行う。例えば、GPSや走行履歴を用いて、現在走行している環境が、歩道、車道、屋内のいずれの環境カテゴリーに対応するか判別する。
次に、ステップS20では、物体検知センサから、走行体前方に存在する物体の見かけの大きさを取得する。ここでは、見かけの最大左右幅を取得するとする。
次に、ステップS40では、干渉余裕時間TTCが第2の閾値以下か否かを判定する。干渉余裕時間TTCが第2の閾値以下の場合には、回避動作が必要としてステップS50に移行する。一方、干渉余裕時間TTCが第2の閾値より大きい場合には、回転による回避動作をしない旨のフラグを立ててステップS60に移行する。
ここで、障害物Sが自車両の左右のどちらから接近しているかを確認し、その反対方向に回転するよう指令値を出力する。また、方向変更のための回転量の補正は一定値であり、ここでは角測度ω=0.5πrad/sとなるようにする。
ステップS60では、判別した環境カテゴリーに対応する最小物体幅を選択する。本実施例では、歩道に関しては歩行者の足幅(100mm)、交差点を含む車道(バイク幅800mm)、屋内(カートの足の幅300mm)と定義する。
推定最低距離L =(選択した最小物体幅)×(焦点距離)/(見かけの大きさ)
ここで、推定最低距離とは、対象とする物体は、少なくともこれ以上の距離だけ離れていることを表す指標である。
ここで、一旦、推定最低距離に変換してから閾値と比較する場合で説明した。これに代えて、選択した最小物体の幅に応じた第1の閾値を選択し、その選択した第1の閾値と見かけの大きさを比較して回避動作が必要か否かを判定するようにしても良い。
(見かけの大きさ) =(選択した最小物体の幅)×(焦点距離)/推定最低距離L
したがって、この式に、推定最低距離Lとして距離に対する閾値を設定することで、(選択した最小物体の幅)に対応した(見かけの大きさ)が、選択する第1の閾値として一義的に特定できる。
ここで、上述のように、減速動作として現在の速度指令値に対して1未満の正の値の一定値を掛けた値を指令値として出力する。ただし、これは権利範囲を限定するものではなく、周辺障害物Sとの推定最低距離や干渉余裕時間TTCを考慮して減速量を変化させることも実施可能である。
ステップS90では、演算した指令値を出力する。
ここで左右の車輪3の回転量をWl、Wrとすると、直進速度は(Wl+Wr)/2、回転量は「(Wl−Wr)×ホイール幅」として表すことができる。減速量は、例えばWlとWrに一定減速量をかけることで減速を実施する。また回転は回転方向(進行方向変更方向)に対し反対の車輪3(左に避ける場合は右の車輪3)の回転速度に一定の値を加えることで回転制御を実施する。
移動体1は、予め設定した目標位置に向けて、若しくは目的行動に沿った方向に向けて移動するように、走行制御手段9Aによって制御される。
このとき、回避制御手段9Bが、回避動作が必要と判断すると、目標位置に向けて、若しくは目的行動に沿った方向に向けての移動を一次的に抑制して、回避制御手段9Bによって演算した減速もしくは進行方向の変更を実行する。
例えば、目標位置に向けて移動する際に、前方に障害物Sを検出すると、その障害物Sと干渉しないように、移動体1の速度が減速する。
また、回避動作する障害物Sが存在しないと判定した場合には、目標位置に向けて、若しくは目的行動に沿った方向に向けて移動するように、移動体1を制御する。
このとき、移動体1が走行する周囲環境によって回避の必要とする物体の判定を行うことで、環境に応じて適切な回避動作が可能となる。
見かけの大きさで判定しているので、見かけの大きさが同じでも、相対的に、大きな物体ほど離れた状態で回避動作を行う事になる。すなわち、横方向に広がっている壁のような物体に対し、カートの脚のような物体の方が相対的に接近してから回避動作をするようになる。すなわち、大きな物体を障害物と認識した場合ほど早めに回避動作を実施する。
移動の一例を、図9に示す。この場合には、目的位置に向けて走行制御するように設定した場合、移動方向前方に目的地位置側の側壁を検出する度に、障害物回避の制御が介入することで、走行路に沿って、目標位置まで移動する。
ここで、回避減速量演算手段9Beは、減速制御手段を構成する。回避回転量演算手段9Bfは進行方向変更手段を構成する。移動体1は、自立的に走行する自走車両を構成する。
(1)物体検知センサは、移動体1の周囲に存在する物体の見かけの大きさを取得する。また、環境判別手段9Baが、移動体1の位置する環境に応じて推定した回避すべき障害物Sの最小の大きさを取得する。そして、回避障害物判定手段9Bcが、物体の見かけの大きさと、環境判別手段9Baが取得した障害物Sの最小の大きさとに基づき移動体1と物体との最低距離を推定し、推定した最低距離に基づき、上記移動体1が回避動作を行う必要がある障害物Sか否かを判定する。
更に、本実施形態では、障害物判定の閾値処理を移動体1の位置する環境によって変更する。この結果、環境に応じて、より適切に上記障害物Sか否かを判別可能となる。
すなわち、見かけの大きさに基づき、回避動作が必要な障害物Sか否か判定している。このため、このため、簡易な検出構成及び少ない演算量、つまり簡易な処理構成で、障害物Sに対する回避動作に必要性を判定可能となる。
更に、本実施形態では、障害物判定の閾値を移動体1の位置する環境によって変更する。この結果、環境に応じて、より適切に上記障害物Sか否かを判別可能となる。
これによって、物体の見かけの大きさの情報を確実に取得可能となる。
視野角に応じた値とは、例えばセンサ受光部での物体の像の大きさを指す。
(4)第2回避障害物判定手段9Bdは、上記物体検知センサが取得した物体の見かけの大きさの変化量に基づき、上記移動体が回避動作を行う必要がある障害物と判定する。
すなわち、移動体1と物体との見かけの大きさの相対的な変化量に基づいても判定する。
これによって、より確実に回避動作を行う必要がある障害物Sか否かを判定することが
できる。
干渉余裕時間TTCによって、物体の見かけの大きさに基づき、回避動作を行う必要がある障害物Sとの余裕が分かる。これによって、回避すべき物体か否かを判定することができる。
これによって、障害物Sとの干渉を抑えることが出来る。
これにより、移動体1がおかれている環境を推定することができる。よって、障害物Sまでの最低距離を推定するためのパラメータを環境に応じて変更することができる。結果として、例えば、環境に応じて適切な対象までの距離の下限値を求めることができる。
(8)自走車両に対し、上述のような障害物回避装置を搭載する。
自立的に走行している車両であっても、自動的に障害物Sを回避可能となる。
(1)上記実施形態では、移動体1が移動中における障害物回避を想定して説明している。移動体1が停止している状態で、障害物Sが接近する場合であっても良い。この場合には、物体検知センサで、移動体1前方ばかりでなく、側方や後方の物体を検出するようにしても良い。
(2)また第2の閾値を、環境判別手段9Baが取得する情報によって変更しても良い。
(3)上記実施形態では、見かけの大きさのうちの、左右幅に基づいて回避動作を行うか否かを判定している。見かけの大きさの上下幅(高さ)を回避動作を行うか否かの条件に付加しても良い。例えば、見かけの高さが所定以上の場合にだけ回避動作を行うように設定しても良い。
(4)移動体として、自立的に移送する移動体を想定して説明したが、これに限定しない。人が操縦する移動体であっても良い。
2 移動体本体
3 車輪
4 駆動部
5 駆動制御部
6 物体検出センサ
7 位置確認装置
8 地図データ
9 制御コントローラ
9A 走行制御手段
9B 回避制御手段
9Ba 環境判別手段
9Ba1 第2環境判別手段
9Ba2 閾値変更手段
9Bb 回避障害物判定手段
9Bc 第2回避障害物判定手段
9Bd 回避障害物判定手段
9Be 回避減速量演算手段
9Bf 回避回転量演算手段
9C 走行制御量調整手段
L 推定最低距離
S 障害物
TTC 干渉余裕時間
α センサの視野角
δ 最大左右幅(見かけの大きさ)
θ 物体の占める視野角(物体視野角)
Claims (7)
- 走行制御可能な移動体の障害物回避装置であって、
移動体に設けられて移動体周囲に存在する物体の見かけの大きさを取得する物体検知センサと、
移動体の位置する環境に応じて推定した回避すべき障害物の最小物体幅を取得する環境判別手段と、
上記物体検知センサが取得した物体の見かけの大きさと、環境判別手段が取得した障害物の最小物体幅とに基づき移動体と物体との最低距離を推定し、推定した最低距離に基づき、上記移動体が回避動作を行う必要がある障害物か否かを判定する回避障害物判定手段と、
を備えることを特徴とする障害物回避装置。 - 上記見かけの大きさとして、当該物体の占める視野角、若しくはその視野角に応じた値を使用することを特徴とする請求項1に記載した障害物回避装置。
- 上記物体検知センサが取得した物体の見かけの大きさの変化量に基づき、上記移動体が回避動作を行う必要がある障害物か否かを判定する第2回避障害物判定手段を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載した障害物回避装置。
- 上記第2回避障害物判定手段は、上記見かけの大きさの変化量に基づき移動体に対し物体が干渉するまでの時間である干渉余裕時間を推定し、その推定した干渉余裕時間が第2の閾値以下の場合には、上記移動体が回避動作を行う必要がある障害物と判定することを特徴とする請求項3に記載した障害物回避装置。
- 上記物体検知センサは、移動体の進行方向に存在する物体を取得対象とし、
上記回避障害物判定手段が上記物体の見かけの大きさに基づき障害物と判定すると、移動体の進行速度を減速させる減速制御手段と、
上記第2回避障害物判定手段が上記見かけの大きさの変化量に応じた量に基づき障害物と判定すると、移動体の進行方向を変更する進行方向変更制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載した障害物回避装置。 - 環境判別手段は、移動体の位置確認装置、走行履歴、地図データの少なくとも1つを使用して周囲環境を判別することを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載した障害物回避装置。
- 上記請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の障害物回避装置を搭載したことを特徴とする自走車両。
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