JP6617482B2 - 自律走行車システム - Google Patents
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Description
例えば、特許文献2に記載のシステムは、自律的に走行するロボット掃除機と、当該ロボット掃除機の充電バッテリーを充電する外部充電装置とを備えている。このシステムでは、ロボット掃除機は、外部充電装置から送信される複数の赤外線信号を受信し、当該複数の赤外線信号の送受信の時間差から、ロボット掃除機と外部充電装置との間の距離を複数算出する。
本発明の一見地に係る自律走行車システムは、目標物と、自律移動体と、を備える。目標物は、特徴的な形状を有するランドマークを有する。自律移動体は、周囲に存在する物体を検出しながら自律的に移動する移動体である。
上記の自律走行車システムにおいて、自律移動体は、本体部と、走行部と、物体形状取得部と、走行制御部と、を有する。本体部は、自律移動体の本体を構成する。
走行部は、進行動作と回転動作とが可能である。進行動作は、本体部を前後へ進行させる動作である。回転動作は、姿勢角を変化させて本体部の姿勢を変化させる動作である。姿勢角は、前後軸と移動平面を定める軸とのなす角度である。前後軸は、本体部の前後方向を定める軸である。移動平面は、本体部が移動する平面である。
物体形状取得部は、本体部の前後軸上に配置される。物体形状取得部は、検出可能領域内に存在する物体の形状に関する情報を取得する。検出可能領域は、少なくとも2つの境界線により形成される。2つの境界線は、前後軸の左右側に所定の角度を有して延びる。
走行制御部は、物体形状取得部により取得された物体の形状に関する情報に基づいて推定された本体部の移動平面上の位置及び/又は姿勢角に基づいて、走行部を制御する。
これにより、自律移動体は、移動平面上の任意の位置から確実に目標物へと到達できる。
これにより、第2走行モードの実行中において、例えば、目標物が配置された位置とは異なる位置に配置され形状がランドマークに類似した他の物体を目標物と認識するなどの誤認識を抑制できる。その結果、本体部が目標物でない他の物体へと移動してしまうことを抑制できる。
経由位置を経由させてから目標物まで本体部を移動させる場合、走行制御部は、本体部が経由位置に到達した後は、以下の動作を回転量制限動作として走行部に対して実行する。
まず、走行制御部は、本体部が経由位置にあるときに、回転動作により第1直線と前後軸とが一致するよう姿勢角を調整する。第1直線は、経由位置と目標物とを結ぶ直線である。次に、走行制御部は、経由位置から目標物に向けて本体部を進行させる。すなわち、経由位置から目標物へと、回転動作することなく本体部を移動させる。
これにより、予め決められた方向に本体部を向けた状態にて、本体部を確実に目標物へと移動できる。
第2走行モード開始位置から経由位置へと進行動作する場合にランドマーク全体が検出可能領域内に含まれないと判断した場合、すなわち、第2走行モード開始位置から経由位置へと姿勢角を変化させることなく本体部を移動させると、物体形状取得部がランドマークの特徴的な形状に関する情報を得られなくなると判断した場合、走行制御部は、以下の動作を回転量制限動作として実行して、本体部を経由位置まで移動させる。
まず、走行制御部は、本体部を第2走行モード開始位置から離反位置へと移動させる。離反位置は、本体部が当該位置から経由位置へと進行動作する場合にランドマーク全体が検出可能領域内に含まれるようになる位置である。次に、走行制御部は、離反位置から経由位置へと本体部を移動させる。
これにより、自律移動体は、ランドマークを見失うことなく経由位置まで移動できる。この結果、自律移動体は、自身の位置や姿勢角を精度よく推定しながら経由位置まで移動できる。
この場合、第2直線と第1直線とがなす角度が第1角度以下の場合に、走行制御部は、第2走行モード開始位置から経由位置へと進行動作する場合にランドマーク全体が検出可能領域内に含まれると判断してもよい。
これにより、第2走行モード開始位置から経由位置へと移動する間に検出可能領域内にランドマーク全体が含まれなくなる、すなわち、物体形状取得部がランドマークの特徴的な形状に関する情報を取得できなくなる可能性があるか否か、をより単純な計算にて判断できる。
これにより、本体部が離反位置に到達したか否かをより単純な計算にて判断できる。
まず、走行制御部は、第2走行モード開始位置において回転動作を実行して、第2走行モード開始位置において前後軸が第1直線と平行になるよう姿勢角を変化させる。次に、走行制御部は、進行動作により本体部を第2走行モード開始位置から離反位置へと進行させる。
これにより、回転動作と進行動作との単純な動作のみにて、本体部を第2走行モード開始位置から離反位置へと移動できる。
これにより、自律移動体は、自律的に充電ステーションまで移動し、自律的にバッテリーを充電できる。
(1)自律走行車システムの全体構成
まず、第1実施形態に係る自律走行車システム100の全体構成について、図1を用いて説明する。図1は、自律走行車システムの構成を示す図である。
自律走行車システム100は、充電ステーション1(目標物の一例)を備える。充電ステーション1は、自律走行車システム100の自律移動体3(後述)が移動する移動平面MSを形成する1つの壁Wの近傍に配置されている。充電ステーション1は、自律移動体3に備わるバッテリー35(後述)を充電するための充電器として機能する。
第1走行モードの実行時において、自律移動体3の走行制御部344(後述)が上記の走行スケジュールに記憶された移動平面MS上の各位置を通過するように走行部32(後述)を制御することによって、自律移動体3(本体部31)は、走行スケジュールに示された走行経路を自律的に再現走行できる。
上記の第2走行モードは、自律移動体3が充電ステーション1近傍の第2走行モード開始領域A2(図1)内の所定の位置(第2走行モード開始位置と呼ぶことにする)に到達したとき開始される。すなわち、第2走行モードは、自律移動体3が第2走行モード開始領域A2内から充電ステーション1まで自律的に移動する走行モードである。
その他、自律走行終了位置を第2走行モード開始領域A2内の位置としなくてもよい。この場合、自律移動体3は、バッテリー35を充電させる場合など必要に応じて、第1走行モードが終了した位置から第2走行モード開始領域A2内まで自律的に移動する。
なお、以下の説明において、自律移動体3の位置に関する情報は、移動平面MSを定めるX−Y座標の座標値として表されているものとする。
また、経由位置VPを、自律移動体3が充電ステーション1に正対する位置と定義することにより、自律移動体3の本体部31を充電ステーション1と正対する向きに向けた状態にて、自律移動体3(本体部31)を確実に充電ステーション1へと移動できる。その結果、自律移動体3が充電ステーション1に到達した時に、自律移動体3の充電部36を給電部15(後述)と一致させることができる。
まず、自律走行車システム100の充電ステーション1の構成の詳細について、図2を用いて説明する。図2は、充電ステーションの構成を示す図である。図2の上図は、充電ステーション1の正面図を、図2の下図は、充電ステーション1のA−A’軸(図2の上図)における断面図を示している。
充電ステーション1は、筐体11を有する。筐体11は、充電ステーション1の本体を形成する。筐体11の上半分には開口部O1が設けられている。図2に示すように、開口部O1は、移動平面MSを形成する壁Wとは反対側に開口している。これにより、自律移動体3の物体形状取得部33’(後述)から発生されたレーザ光などを、筐体11の内部へ伝達できる。
第1ランドマーク部材13a、第2ランドマーク部材13b、及び、第3ランドマーク部材13cは、金属やプラスチックなどの板状部材である。これら3つのランドマーク部材のうち、第2ランドマーク部材13b及び第3ランドマーク部材13cは、一方の端部が曲げられている。
一方、端部が曲げられた第2ランドマーク部材13bは、開口部O1の左側の第1ランドマーク部材13aよりも手前側に、曲げられた端部の板面13b−1が壁Wと平行となるように配置されている。端部が曲げられた第3ランドマーク部材13cは、開口部O1の右側の第1ランドマーク部材13aよりも手前側に、曲げられた端部の板面13c−1が壁Wと平行となるように配置されている。
ランドマーク13を構成する3つのランドマーク部材が上記のように配置されることにより、図2に示すような特徴的な形状を有するランドマーク13を形成できる。
給電部15は、例えば、電力を出力するソケットや、充電部36の一対の接点と接触可能な一対の接点などにより構成できる。その他、非接触電力伝送が可能な、時間的に変動する電流(交流電流)が流れるコイルなどにより給電部15を構成してもよい。給電部15が非接触電力伝送可能な構成を有している場合には、給電部15と充電部36が若干ずれていても、給電部15は充電部36に充電電力を供給できる。
(3−1)全体構成
次に、自律走行車システム100の自律移動体3の構成の詳細について、図3を用いて説明する。図3は、自律移動体の構成を示す図である。まず、自律移動体3の全体構成について説明する。
自律移動体3は、本体部31を有する。本体部31は、自律移動体3の本体を構成する筐体である。
自律移動体3は、走行部32を有する。図3に示すように、走行部32は、例えば、本体部31の内底面の略中央部に配置される。走行部32は、自律移動体3の本体部31を移動させる。具体的には、走行部32は、進行動作と回転動作により本体部31を移動させる。進行動作は、本体部31を前後方向(図3)へ進行させる動作である。回転動作は、姿勢角θ(後述)を変化させて本体部31の向き(姿勢)を変化させる動作である。走行部32の構成については後ほど説明する。
本実施形態において、レーザレンジセンサ33は、本体部31の前後方向を定める軸である前後軸(図3)上の本体部31の前部分に配置された第1レーザレンジセンサ33aと、前後軸上の本体部31の後部分に配置された第2レーザレンジセンサ33bと、を有する。
なお、第1レーザレンジセンサ33a及び第2レーザレンジセンサ33bの上記の検出可能距離(第1レーザレンジセンサ33aについては20m、第2レーザレンジセンサ33bについては5m)は、上記の値に限られず、自律移動体3の用途等に応じて適宜変更できる。
制御部34は、自律移動体3における各種情報処理及び走行部32の制御を実行する。具体的には、制御部34は、上記のレーザレンジセンサ33から反射光の受信信号を入力し、当該受信信号を情報処理する。また、制御部34は、バッテリー35(後述)から供給された電力(電圧及び/又は電流)を用いて、走行部32のモータ321a、321bに供給する駆動電力を発生する。これにより、制御部34は、モータ321a、321bの回転量やトルクなどを制御できる。
なお、制御部34の構成の詳細及び制御部34における情報処理については後述する。
バッテリー35は、制御部34だけでなく、レーザレンジセンサ33など電力の必要な他の構成要素にも電力を供給してもよい。
充電部36は、本体部31が充電ステーション1に到達した時に、充電ステーションの給電部15と電力伝達可能に接続される。従って、充電ステーション1の給電部15が電気ソケットである場合、充電部36は、当該電気ソケットに差し込める電気プラグである。一方、給電部15が一対の接点である場合、充電部36は、当該一対の接点に接触可能な一対の接点である。さらに、給電部15が非接触電力伝送可能なコイルなどである場合には、充電部36は、給電部15からの変動電磁界を受信して電力を発生できるコイルなどである。
また、充電部36は、充電装置(図示せず)を介して、バッテリー35に接続されている。これにより、充電部36は、給電部15から入力した充電電力によりバッテリー35を充電できる。
次に、自律移動体3の走行部32の構成について、図3を用いて説明する。
走行部32は、一対のモータ321a、321bを有する。一対のモータ321a、321bは、本体部31の底部の中央付近に設置されている。一対のモータ321a、321bは、制御部34から入力した駆動電力に応じた回転数及び/又はトルクを出力回転軸に出力する、ブラシレスモータなどの電動モータである。
走行部32は、一対の車輪323a、323bを有する。一対の車輪323a、323bは、それぞれ、移動平面MSの走行面に接するように、モータ321a及びモータ321bを介して、本体部31の底部の中央付近に設置されている。具体的には、一対の車輪323a、323bは、それぞれ、モータ321aの出力回転軸及びモータ321bの出力回転軸に、当該出力回転軸の回転に応じて回転可能に接続されている。これにより、一対の車輪323a、323bのそれぞれは、独立に回転速度とトルクとが制御されて回転可能となっている。
次に、自律移動体3の制御部34の構成について、図4を用いて説明する。図4は、自律移動体の制御部の構成を示す図である。なお、以下に説明する制御部34の各構成要素の機能の一部は、制御部34を構成するコンピュータシステムにて動作可能なプログラムとして実現されていてもよい。または、制御部34の各構成要素の機能の一部は、カスタムICなどにより実現されていてもよい。
制御部34は、記憶部341を有する。記憶部341は、制御部34を構成するコンピュータシステムの記憶装置の記憶領域の一部である。記憶部341は、自律移動体3を制御するための各種データを記憶する。
記憶部341には、移動平面MS上における経由位置VPの座標値と、経由位置VPにおいて本体部31がとりうる姿勢角(正対角度θF)とが関連づけられて記憶されている。
また、例えば、反射光を受信した時のレーザ受信器の受光面の前後軸を基準とした場合の相対的な角度から、本体部31から見た物体Oが存在する方向を算出する。
センサ制御部342がレーザレンジセンサ33のレーザ受信器の走査角度範囲を制限することにより、自律移動体3が物体Oの形状を検知できる検出可能領域DA1、DA2は、図5に示すように、本体部31の前進方向と後進方向とについて、以下のように制限される。図5は検出可能領域を示す図である。
第1境界線BL1は、第1レーザレンジセンサ33aから前後軸の左側に延び、前後軸とのなす角度が第1検出角Φ1である直線である。一方、第2境界線BL2は、第1レーザレンジセンサ33aから前後軸の右側に延び、前後軸とのなす角度が第2検出角Φ2である直線である。第1境界線BL1及び第2境界線BL2の長さは、第1レーザレンジセンサ33aの物体Oの検出可能距離(本実施形態では、20m程度)である。
第4境界線BL4は、第1レーザレンジセンサ33aから前後軸の左側に延び、前後軸とのなす角度が第3検出角Φ3である直線である。一方、第5境界線BL5は、第1レーザレンジセンサ33aから前後軸の右側に延び、前後軸とのなす角度が第4検出角Φ4である直線である。第4境界線BL4及び第5境界線BL5の長さは、第2レーザレンジセンサ33bの物体Oの検出可能距離(本実施形態では、5m程度)である。
物体形状取得部33’が上記のレーザレンジセンサ33とセンサ制御部342とにより構成されることにより、物体形状取得部33’は、検出可能領域DA1、DA2内に存在する物体Oの形状に関する情報を取得できる。
なお、上記の複数の位置と推定角の「候補」のそれぞれには、本体部31が当該各「候補」の位置及び姿勢角のそれぞれに到達する確率を関連づけておいてもよい。
なお、複数の位置と姿勢角の「候補」に本体部31が当該各「候補」の位置及び姿勢角に到達する確率を関連づけた場合には、ローカルマップと環境地図とが比較的よくマッチングしたいくつかの位置及び姿勢角の「候補」のうち、上記の確率が最大のものを現在の最終的な位置及び姿勢角と推定してもよい。
例えば、走行制御部344は、走行部32のモータ321a、321bのそれぞれの制御量を算出し、当該制御量に基づいた駆動電力をモータ321a、321bのそれぞれに出力するモータドライバである。走行制御部344は、エンコーダ325a、325bから入力したモータ321a、321bの単位時間あたりの回転量(回転速度)が、所望の回転速度となるように、モータ321a、321bの制御量を算出している(フィードバック制御)。
これにより、走行制御部344は、第1走行モードの実行時においては、本体部31を、上記の自律走行開始位置から第2走行モード開始領域内の所定の位置まで回転動作及び/又は進行動作によって移動できる。
具体的には、走行スケジュール作成部345は、無線又は有線にて自律移動体3と通信可能なコントローラ又はコンピュータシステム、又は、自律移動体3に設けられた操作ハンドル(図示せず)などを用いた操作者の操作を受け付けて、当該操作者の操作を走行制御部344に出力する。これにより、自律移動体3は、操作者により操作可能となる。
制御部34が上記の走行スケジュール作成部345を有することにより、操作者の操作を走行スケジュールとして記憶できる。
以下、自律走行車システム100における自律移動体3の動作について説明していく。
(4−1)第1実施形態における姿勢角の定義
自律移動体3の動作を説明する前に、本実施形態における姿勢角の定義について、図6を用いて説明する。図6は、姿勢角の定義の一例を示す図である。本体部31の移動平面MSにおける向きを示す姿勢角θは、移動平面MSを定める1つの軸を基準として、当該基準の軸と、本体部31の前後軸とがなす角度として定義される。
次に、「差動二輪型」の走行部32により可能な本体部31の移動動作について、図7A〜図7Dを用いて説明する。図7Aは、自律移動体の進行動作を示す図である。図7Bは、中心点回り回転動作を示す図である。図7Cは、ピボット回転動作を示す図である。図7Dは、進行動作と回転動作との組みあわせ動作を示す図である。
図3に示したような「差動二輪型」の走行部32においては、一対の車輪323a、323bのそれぞれの回転速度が独立に制御される。このような走行部32は、本体部31に対して、(a)進行動作、(b)中心点回り回転動作、(c)ピボット回転動作、及び(d)進行動作と回転動作との組み合わせ動作、の4つの移動動作を実行できる。以下、各移動動作について説明する。
進行動作は、図7Aに示すように、自律移動体3の前後軸とX軸とのなす角度(すなわち、姿勢角θ)を変化させることなく、本体部31を前進方向又は後進方向へ進行させる動作である。進行動作は、一対の車輪323a、323bの回転速度を同一とすることにより実現される。
以下では、本体部31を前進させる方向の車輪323a、323bの回転速度を正値とし、本体部31を後進させる方向の車輪323a、323bの回転速度を負値として説明する。
中心点回り回転動作は、図7Bに示すように、本体部31(走行部32)の中心点Cを中心として本体部31を回転させて、姿勢角θを変化させる動作である。
中心点回り回転動作は、一対の車輪323a、323bの回転速度の絶対値を同一としつつ、一対の車輪323a、323bを互いに逆回転することにより実現される。
図7Bに示す例では、左側の車輪323aの回転速度を正値とし、右側の車輪323bの回転速度を負値とすることにより、本体部31を時計回りに回転(姿勢角θを負方向に変化)させている。
ピボット回転動作は、図7Cに示すように、一対の車輪323a、323bのいずれかの回転速度を0として、回転速度を0とした車輪を中心として本体部31を回転(姿勢角θを変化)させる動作である。
図7Cに示す例では、右側の車輪323bの回転速度を0とし、左側の車輪323aの回転速度を正値とすることにより、自律移動体3(本体部31)が、右側の車輪323bを中心として、時計回りに(姿勢角θを負方向に変化しつつ)ピボット回転している。
走行部32は、上記の進行動作と回転動作とを組み合わせた動作も実行できる。進行動作と回転動作とを組み合わせた動作を実行すると、図7Dに示すように、本体部31は、円弧状の経路を走行できる。
例えば、一対の車輪323a、323bの両方の回転速度を正値とし、かつ、右側の車輪323bの回転速度の絶対値を左側の車輪323aの回転速度の絶対値よりも大きくすることにより、本体部31は、図7Dに示すように、姿勢角θを正方向に変化させつつ(本体部31を反時計回りに回転させつつ)前進する。
一方、一対の車輪323a、323bの両方の回転速度を負値とし、かつ、右側の車輪323bの回転速度の絶対値を左側の車輪323aの回転速度の絶対値よりも大きくすることにより、本体部31は、姿勢角θを負方向に変化させつつ(本体部31を時計回りに回転させつつ)後進する。
以下、自律走行車システム100における自律移動体3の自律移動動作について説明する。以下においては、予め作成されて記憶部341に記憶された走行スケジュールに従って自律的に走行経路を移動後、充電ステーション1へと移動する場合の自律移動体3の自律移動動作を例にとって、図8を用いて説明する。図8は、自律移動体の自律移動動作を示すフローチャートである。
自律移動体3が自律走行を開始すると、制御部34の走行制御部344は、第1走行モードを実行する(ステップS1)。すなわち、自律移動体3は、記憶部341に記憶された走行スケジュールに従って、自律走行開始位置から自律走行終了位置まで自律的に移動する。具体的には、走行制御部344は、以下のようにして,第1走行モードを実行する。
走行制御部344は、第1走行モードの実行を開始すると、物体形状取得部33’に対して、上記の第1検出角Φ1、第2検出角Φ2、第3検出角Φ3、及び第4検出角Φ4を、それぞれ90°に設定するように指令する。
これにより、第1検出可能領域DA1は、半径が20m程度であり、中心角が180°である半円状の領域となる。また、第2検出可能領域DA2は、半径が5m程度であり、中心角が180°である半円状の領域となる。
まず、位置推定部343が、本体部31の移動平面MS上の位置(座標値)と姿勢角θとを推定する。次に、走行制御部344が、位置推定部343において推定された本体部31の現在位置が、走行スケジュール中の複数の通過目標点のいずれに対応するかを決定する。本体部31の現在位置に対応する通過目標点を決定後、走行制御部344は、走行スケジュールにおいて当該現在位置に対応する通過目標点の次の通過目標点を、本体部31が移動すべき目標点と決定する。
具体的には、走行制御部344は、位置推定部343にて推定された本体部31の現在位置が第2走行モード開始領域A2内の位置であれば、本体部31が第2走行モード開始領域A2内の位置に到達したと判断する。
より具体的には、例えば、走行制御部344は、推定された本体部31の現在位置を表す座標値(例えば、(A,B)とする)が、第2走行モード開始領域A2を定義する領域(例えば、(X−a)2+(Y−b)2≦R2)内に含まれていれば(例えば、(A−a)2+(B−b)2≦Rが成立していれば)、本体部31が第2走行モード開始領域A2内の位置に到達したと判断する。
一方、本体部31が第2走行モード開始領域A2内の位置に到達したと判断された場合(ステップS2において「Yes」の場合)、走行制御部344は、センサ制御部342に対して、検出可能領域DA1、DA2を形成する境界線のうちの前後軸の左右側に延びる2つの境界線のなす角度を、第1走行モードの実行時における角度(本実施形態においては、90°)よりも小さくする(ステップS3)。
図9は、第1走行モードの実行時における第2検出可能領域と第2走行モードの実行時における第2検出可能領域とを示す図である。
具体的には、センサ制御部342は、第2走行モードの実行時における第3検出角Φ3及び第4検出角Φ4を、第1走行モードの実行時よりも減少(例えば、90°から45°へ減少)する。
その結果、第2走行モードの実行中において、第2レーザレンジセンサ33bがランドマーク13以外の他の物体Oの形状に関する情報を取得することを抑制できる。
第2レーザレンジセンサ33bがランドマーク13以外の他の物体Oの形状に関する情報を取得することを抑制することにより、例えば、位置推定部343が、ランドマーク13と形状が類似した他の物体Oを充電ステーション1と誤って認識することを抑制できる。その結果、位置推定部343において誤った位置が推定されることを抑制して、本体部31が充電ステーション1でない他の物体Oへと誤って移動してしまうことを抑制できる。
なお、ステップS4において実行される第2走行モードにおける自律移動体3の動作については、後ほど詳しく説明する。
次に、上記のステップS4において実行される第2走行モードにおける自律移動体3の動作について説明する。第2走行モードにおいては、自律移動体3は、レーザレンジセンサ33により取得された充電ステーション1のランドマーク13の特徴的な形状に関する情報を用いて本体部31の位置を推定しながら、第2走行モード開始領域A2内の第2走行モード開始位置から充電ステーション1まで移動する。
上記のように、本実施形態の自律移動体3は、回転動作と進行動作(とその組み合わせ動作)が可能な「差動二輪型」の走行部32により移動平面MS上を移動する。このような自律移動体3においては、本体部31の向きを変化させる(姿勢角θを変化させる)と、それに伴って本体部31の前後軸が移動平面MS上において回転する。また、レーザレンジセンサ33は前後軸上に配置されているため、本体部31の向き(姿勢角θ)が変化して前後軸が移動平面MS上において回転すると、それに伴って検出可能領域DA1、DA2も移動平面MS上において回転する。
第2走行モードを開始すると、まず、走行制御部344は、本体部31を経由位置VPまで移動させる。具体的には、以下のようにして本体部31を経由位置VPまで移動させる。
上記の第1角度φ1は、例えば、図12に示すように、第2検出可能領域DA2の第5境界線BL5が板面13b−1の端部と接触するときの、第1直線L1と第2直線L2とのなす角度として定義できる。また、上記の第1角度φ1は、上記のような定義に従って予め算出されて記憶部341に記憶されているものとする。本実施形態において、第1角度φ1は、例えば、20°と定義できる。図12は、第1角度の定義の一例を示す図である。
第2走行モード開始位置から経由位置VPへと向かう方向に本体部31が向いているか否かは、例えば、現在の姿勢角θと上記の正対角度θFとの差が正値か負値かにより判断する。第2走行モード開始位置から経由位置VPへと向かう方向に本体部31が向いているときに現在の姿勢角θと正対角度θFとの差が負値(正値)である場合、現在の姿勢角θと上記の正対角度θFとの差が正値(負値)となったときに、本体部31が第2走行モード開始位置から経由位置VPに向かう方向に向いていないと判断する。
具体的には、まず、図13Aに示すように、走行制御部344は、第2走行モード開始位置において、回転動作にて本体部31の後部を経由位置VPの方向へ向ける。具体的には、走行制御部344は、姿勢角θが上記の第2直線L2の傾きに180°(π/2(ラジアン))を加えた角度(本体部31は後進しながら充電ステーション1へ移動するため)と等しくなるまで、本体部31を回転させる。図13Aは、本体部を経由位置へ向ける動作を示す図である。
本体部31の後部を経由位置VPの方向へ向けた後、走行制御部344は、図13Bに示すように、本体部31を第2走行モード開始位置から経由位置VPまで第2直線L2上を後進させる。図13Bは、本体部を経由位置へ進行させる動作を示す図である。
このような場合、走行制御部344は、経由位置VPへと後進する場合にランドマーク13全体が第2検出可能領域DA2内に含まれるようになる位置まで本体部31を移動させる。その後、当該位置から経由位置VPまで本体部31を後進させる。上記の経由位置VPへと後進する場合にランドマーク13全体が第2検出可能領域DA2内に含まれるようになる位置のことを、「離反位置AP」と呼ぶことにする。具体的には、以下のようにして、本体部31は、第2走行モード開始位置から離反位置APへ移動後、離反位置APから経由位置VPまで後進する。
図14Bに示すように、本体部31が姿勢角θを正対角度θFに保ったまま充電ステーション1から離れる方向へと前進する場合の本体部31の中心点Cの軌跡は、第2走行モード開始位置を通り第1直線L1と平行な直線となる。当該第2走行モード開始位置を通り第1直線L1と平行な直線を、「離反直線LA」と呼ぶことにする。
第2角度φ2は、上記の第1角度φ1とは異なるものとして個別に算出してもよいが、本実施形態においては、第2角度φ2は第1角度φ1と等しいとしている。
本体部31が離反位置APへ到達したと判断後、走行制御部344は、離反位置APから経由位置VPへの本体部31の移動(後進)を開始する(ステップS406)。
具体的には、図13Aに示すように、走行制御部344は、まず、離反位置APにおいて、回転動作にて本体部31の後部を経由位置VPの方向へ向ける。具体的には、走行制御部344は、上記の第3直線L3の傾きに180°(π/2(ラジアン))を加えた角度と等しくなるまで、本体部31を回転させる。
本体部31の後部を経由位置VPの方向へ向けた後、走行制御部344は、図13Bに示すように、本体部31を離反位置APから経由位置VPまで後進させる。
この結果、物体形状取得部33’は、本体部31が充電ステーション1へと移動する間、ランドマーク13の特徴的な形状を認識可能な程度の情報を常に取得できる。これにより、位置推定部343は、充電ステーション1へと移動する間、ランドマーク13の特徴的な形状を認識可能な程度の情報に基づいて、すなわち、ランドマーク13を見失うことなく、本体部31の位置と姿勢角θとを精度よく推定できる。これにより、走行制御部344は、本体部31を経由位置VPまで確実に到達できる。
また、第2走行モード開始位置から離反位置APへ本体部31を移動させる際に、走行制御部344は、第3直線L3と第1直線L1とのなす角度Θ2が第2角度φ2以下であるか否かを判断することにより、本体部31が離反位置APに到達したか否かを判断している。
これにより、走行制御部344は、より単純な計算により、第2検出可能領域DA2内にランドマーク13全体が含まれるか否か、及び、本体部31が離反位置APに到達したか否かを判断できる。
まず、走行制御部344は、経由位置VPにおいて、回転動作により、移動平面MS上において前後軸が上記の第1直線L1と一致するまで本体部31を回転させる。具体的には、図16Aに示すように、走行制御部344は、経由位置VPにおいて、姿勢角θが正対角度θFと等しくなるように、本体部31を回転させる(ステップS407)。
図16Aは、経由位置において本体部を正対角度まで回転させる様子を示す図である。
図16Aに示すように、経由位置VPにおいて本体部31を正対角度θFまで回転させると、本体部31の後部が充電ステーション1と正対する。その結果、本体部31の後部に取り付けられた充電部36と充電ステーション1の給電部15とが正対する。
充電部36と給電部15とが接続されると、給電部15からバッテリー35を充電するための充電電力が出力される。充電部36が給電部15から出力された充電電力を入力することにより、バッテリー35が充電される。
このように、経由位置VPに充電ステーション1まで本体部31を移動させる際に、走行制御部344が上記の(i)及び(ii)の動作を回転量制限動作として実行することにより、予め決められた方向(本体部31が充電ステーション1に正対する方向)に本体部31を向けた状態にて、本体部31を確実に充電ステーション1へと移動できる。
以上、本発明の一又は複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
(A)目標物についての他の実施形態(その1)
上記の第1実施形態において、自律移動体3が第2走行モードにおいて到達する目標物は、充電ステーション1であった。しかし、これに限られず、エレベータの昇降台を目標物としてもよい。この場合、例えば、昇降台のエレベータの入口とは反対側の壁などにランドマーク13を設置することにより、自律移動体3を自律的に昇降台へ搭載できる。
上記の第1実施形態において、目標物である充電ステーション1は、ランドマーク13を有していた。これにより、充電ステーション1が直方体などの単純で特徴がない形状であっても、位置推定部343は、充電ステーション1の位置を認識できる。
位置推定部343が、物体形状取得部33’にて取得した目標物の形状に基づいて、本体部31の目標物に対する相対位置を精度よく推定できればよいので、目標物は上記のランドマーク13を有するものに限られない。
筐体11自体に特徴的な意匠などを施すことにより、目標物にランドマークを設ける必要がなくなる。
上記の第1実施形態において、姿勢角θは、前後軸と移動平面MSを定めるX軸とがなす角度として定義されていた。姿勢角θは移動平面MS上で定義できればよいので、移動平面MSを定めるX軸と前後軸とがなす角度を姿勢角θとして定義することに限られず、移動平面MSを定める任意の軸と前後軸とがなす角度を姿勢角θとして定義してもよい。
例えば、前後軸と移動平面MSを定めるY軸(図1)とがなす角度を姿勢角θとしてもよい。姿勢角θを、移動平面MSを定めるどの軸を基準に定義するかは、移動平面MSの形状などを考慮して適宜決定できる。
上記の第1実施形態において、第2走行モード開始位置又は離反位置APから経由位置VPへ移動する際の回転量制限動作は、(i)第2走行モード開始位置又は離反位置APにおける回転動作と、(ii)第2走行モード開始位置又は離反位置APから経由位置VPまでの進行動作(後進動作)と、を含む動作であった。
しかし、回転量制限動作は、検出可能領域DA1、DA2にランドマーク13全体(目標物(充電ステーション1)が有する特徴的な形状)が含まれるように、姿勢角θの変化量を制限する動作であればよいので、経由位置VPまで移動する回転量制限動作は上記に限られない。
本体部31が第1直線L1に近づくにつれて姿勢角θを正対角度θFに近づけさせる動作は、例えば、離反位置AP(第2走行モード開始位置)から経由位置VPまで移動する際の各通過点における姿勢角θと正対角度θFとの差の値を、本体部31の現在位置と第1直線L1との間の距離に基づいて決定することにより達成できる。
一方、本体部31が第1直線L1に近づいたら、走行制御部344は、姿勢角θを正対角度θFに近い値とするように走行部32を制御する。これにより、本体部31が第1直線L1に近づいた場合に、本体部31が第1直線L1を超えて移動してしまうことを抑制できる。
上記の第1実施形態において、走行部32は「差動二輪型」の走行部であった。しかし、「差動二輪型」の走行部に限られず、例えば、一般的な自動車などに備わっている、本体部の前後に2つずつ車輪が配置される四輪の走行部のような進行動作と回転動作とのみにより移動する走行部を備える自律移動体においても、本発明は適用できる。
すなわち、例えば、オムニホイールを備えた走行部のように、本体部の前後軸の向き(姿勢角θ)を変えることなく斜めに移動可能な走行部以外の走行部を備えた自律移動体に対して、本発明を適用できる。
物体形状取得部33’のセンサ制御部342は、レーザレンジセンサ33から複数回信号を取得してもよい。この場合、センサ制御部342は、複数回取得した信号のうち、ノイズ成分の少ない(すなわち、SN比の大きい)信号をローカルマップや環境地図などの地図情報を作成するデータとして用いてもよい。
これにより、ノイズ成分を含まないより正確な地図情報を作成できる。その結果、位置推定部343は、より精度よく本体部31の位置を推定できる。
上記の第1実施形態において、物体形状取得部33’は、物体Oの形状に関する情報を取得するためにレーザレンジセンサ33のみを有していた。しかし、これに限られず、物体形状取得部33’は、超音波センサなどの物体Oの存在に関する情報を取得するための他のセンサをさらに有していてもよい。
この場合、例えば、目標物に近い位置に本体部31が存在している場合には、超音波センサにより物体Oの存在を検知しレーザレンジセンサ33にてランドマークを含んだローカルマップを作成する一方、目標物から遠い位置に本体部31が存在している場合には、超音波センサとレーザレンジセンサ33との両方により物体Oの存在を検知してもよい。
1 充電ステーション
11 筐体
O1 開口部
13 ランドマーク
13a 第1ランドマーク部材
13b 第2ランドマーク部材
13c 第3ランドマーク部材
13b−1、13c−1 板面
15 給電部
3 自律移動体
31 本体部
32 走行部
321a、321b モータ
323a、323b 車輪
325a、325b エンコーダ
33' 物体形状取得部
33 レーザレンジセンサ
33a 第1レーザレンジセンサ
33b 第2レーザレンジセンサ
34 制御部
341 記憶部
342 センサ制御部
343 位置推定部
344 走行制御部
345 走行スケジュール作成部
35 バッテリー
36 充電部
37 補助輪部
37a、37b補助車輪
MS 移動平面
O 物体
A2 第2走行モード開始領域
VP 経由位置
W 壁
θ 姿勢角
θ1 第1角度
θ2 第2角度
θF 正対角度
θS1 第1開始姿勢角
θS2 第2開始姿勢角
DA1 第1検出可能領域
BL1 第1境界線
BL2 第2境界線
BL3 第3境界線
Φ1 第1検出角
Φ2 第2検出角
DA2 第2検出可能領域
BL4 第4境界線
BL5 第5境界線
BL6 第6境界線
Φ3 第3検出角
Φ4 第4検出角
W1 第1幅
W2 第2幅
Θ1 第1直線と第2直線とがなす角度
Θ2 第3直線と第1直線とがなす角度
φ1 第1角度
φ2 第2角度
AP 離反位置
C 中心点
CP 交点
DP 交点
D1 離反距離
D2 距離
D3 線分APCPの長さ
L1 第1直線
L2 第2直線
L3 第3直線
LA 離反直線
Claims (10)
- 特徴的な形状を有するランドマークを有する目標物と、周囲に存在する物体を検出しながら自律的に移動する自律移動体と、を備えた自律走行車システムであって、
前記自律移動体は、
本体部と、
前記本体部を前後へ進行させる進行動作と、前記本体部の前後方向を定める前後軸と前記本体部が移動する移動平面を定める軸とのなす角度である姿勢角を変化させて前記本体部の姿勢を変化させる回転動作とが可能な走行部と、
前記本体部の前記前後軸上に配置され、少なくとも前記前後軸の左右側に所定の角度を有して延びる2つの境界線により形成される検出可能領域内に存在する物体の形状に関する情報を取得する物体形状取得部と、
前記物体形状取得部により取得された前記物体の形状に関する情報に基づいて推定された前記本体部の前記移動平面上の位置及び/又は前記姿勢角に基づいて、前記走行部を制御する走行制御部と、
を有し、
前記本体部を前記回転動作及び/又は前記進行動作により前記目標物へと移動させる際に、前記走行制御部は、前記ランドマーク全体が前記検出可能領域内に含まれるよう、前記回転動作における前記姿勢角の変化量を制限する回転量制限動作を実行する、
自律走行車システム。 - 前記走行制御部は、前記本体部を自律走行開始位置から第2走行モード開始領域内まで前記回転動作及び/又は前記進行動作によって移動させる第1走行モードと、
前記本体部が前記第2走行モード開始領域内に到達した時に開始される走行モードであって、第2走行モード開始位置から前記目標物まで前記回転動作及び/又は前記進行動作によって前記本体部を移動させる第2走行モードと、を実行可能であり、
前記回転量制限動作は、前記第2走行モードの実行中に実行される、
請求項1に記載の自律走行車システム。 - 前記第2走行モードの実行中に、前記物体形状取得部は、前記2つの境界線のなす角度を、前記第1走行モードの実行時における前記2つの境界線のなす角度よりも小さくする、請求項2に記載の自律走行車システム。
- 前記目標物の近傍に設けられた経由位置をさらに備え、
前記第2走行モードの実行中に、前記走行制御部は、前記本体部を前記経由位置を経由させてから前記目標物まで移動させるように前記走行部を制御し、
前記本体部が前記経由位置に到達後、前記走行制御部は、前記回転動作により前記本体部が前記経由位置にあるときに前記経由位置と前記目標物とを結ぶ第1直線と前記前後軸とが一致するように前記姿勢角を調整し、次に前記経由位置から前記目標物に向けて前記本体部を進行させる動作を前記回転量制限動作として実行する、請求項2又は3に記載の自律走行車システム。 - 前記本体部が前記第2走行モード開始領域内にあるときに、前記走行制御部は、前記本体部が前記第2走行モード開始位置から前記経由位置へと前記進行動作する場合に前記ランドマーク全体が前記検出可能領域内に含まれるか否かを判断し、
前記第2走行モード開始位置から前記経由位置へと前記進行動作する場合に前記ランドマーク全体が前記検出可能領域内に含まれないと判断した場合、
前記走行制御部は、前記本体部を、前記第2走行モード開始位置から、前記経由位置へと前記進行動作する場合に前記ランドマーク全体が前記検出可能領域内に含まれるようになる離反位置へと移動させ、次に、前記離反位置から前記経由位置へと前記本体部を移動させる動作を前記回転量制限動作として実行する、
請求項4に記載の自律走行車システム。 - 前記本体部が前記第2走行モード開始領域内にあるときに、前記走行制御部は、前記経由位置と前記第2走行モード開始位置とを結ぶ第2直線と前記第1直線とがなす角度を算出し、
前記第2直線と前記第1直線とがなす角度が第1角度以下の場合に、前記走行制御部は、前記第2走行モード開始位置から前記経由位置へと前記進行動作する場合に前記ランドマーク全体が前記検出可能領域内に含まれると判断する、
請求項5に記載の自律走行車システム。 - 前記第2走行モード開始位置から前記離反位置へと前記本体部を移動させる間、前記走行制御部は、前記本体部の現在位置と前記経由位置とを結ぶ第3直線と前記第1直線とがなす角度を算出し、
前記第3直線と前記第1直線とがなす角度が第2角度以下の場合に、前記走行制御部は、前記本体部が前記離反位置に到達したと判断する、
請求項5又は6に記載の自律走行車システム。 - 前記第2走行モード開始位置から前記離反位置へと前記本体部を移動させる場合において、前記走行制御部は、前記第2走行モード開始位置において前記回転動作を実行して前記第2走行モード開始位置において前記前後軸が前記第1直線と平行になるよう前記姿勢角を変化させ、次に、前記進行動作により前記本体部を前記第2走行モード開始位置から前記離反位置へと進行させる動作を前記回転量制限動作として実行する、請求項5〜7のいずれかに記載の自律走行車システム。
- 前記物体形状取得部はレーザレンジセンサを含む、請求項1〜8のいずれかに記載の自律走行車システム。
- 前記目標物は充電ステーションを含み、
前記自律移動体は、前記走行部を駆動するバッテリーと、前記本体部が前記充電ステーションに到達した状態で前記充電ステーションと充電電力のやりとりを行うことにより前記バッテリーを充電する充電部と、をさらに有する、
請求項1〜9のいずれかに記載の自律走行車システム。
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