JP6673486B2 - 走行経路作成方法、自律走行装置、及びプログラム - Google Patents
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Description
◎走行環境を表す環境地図を複数のセルの集合体として作成するステップ。
◎走行環境において自律走行装置が走行する領域を表す走行領域を環境地図上に画定するステップ。
◎走行領域を矩形領域に分割するステップ。
◎矩形領域内経路の始点である始点セルを決定するステップ。矩形領域内経路は、各矩形領域内における自律走行装置の走行経路である。
◎自律走行装置の直進に対応する直進経路と、自律走行装置の右折又は左折に対応する方向転換経路と、を組み合わせることにより、始点セルから開始し矩形領域に含まれる全てのセルを通過する走行経路を矩形領域内経路として作成するステップ。
◎矩形領域内経路の終点に対応する終点セルと、次に走行すべき矩形領域内の始点セルと、を接続経路にて接続することで、走行領域内経路を作成するステップ。次に走行すべき矩形領域は、矩形領域内経路を作成した矩形領域に隣接する。走行領域内経路は、走行領域内の自律走行装置の走行経路である。
◎矩形領域の長手方向である主方向を決定するステップ。
◎主方向に延びる第1経路と、主方向に対して垂直な方向に延びる第2経路と、を組み合わせることにより、矩形領域内経路を作成するステップ。
これにより、方向転換経路の数が最小であり、かつ、最短距離の矩形領域内経路を作成できる。
◎矩形領域を所定の角度だけ回転して回転矩形領域を作成するステップ。
◎直進経路と方向転換経路とを組み合わせることにより、回転矩形領域に含まれる全てのセルを通過する回転矩形領域内経路を作成するステップ。
これにより、1つの矩形領域に対して、矩形領域内経路と、当該矩形領域内経路とは異なる走行経路(回転矩形領域内経路)と、を作成できる。その結果、1つの矩形領域において、異なる走行経路を自律走行装置に走行させることができる。
これにより、より簡単に回転矩形領域内経路を作成できる。
これにより、最短距離である走行効率がよい走行領域内経路を作成できる。
(1)自律走行装置の全体構成
まず、本実施形態に係る自律走行装置100の全体構成について、説明する。本実施形態に係る自律走行装置100は、設定された清掃条件と走行経路とを自律的に再現する清掃機である。
自律走行装置100は、走行部1を備える。走行部1は、自律走行装置100を走行させる装置である。走行部1は、自律走行装置100の本体を構成する本体Bを有する。走行部1は、本体Bの底部の左右端にそれぞれ、走行モータ11と、走行モータ11の出力回転軸に取り付けられ、走行モータ11の回転に従って回転する主輪13と、を有する。
洗浄液吐出口31は、洗浄液供給タンク311から洗浄液供給ポンプ313により供給された洗浄液(例えば、水)を、本体Bの前方側の床面Fに吐出する。スキージ33は、本体Bの底面後方に設けられ、床面F上に残留する洗浄液を収集する。洗浄用部材35は、本体Bの底面の前方側に設けられ、洗浄用部材回転モータ351の回転にて洗浄液が存在する床面F上にて回転することにより、床面Fを洗浄する。
上記の清掃部3を備えることにより、自律走行装置100は、洗浄液を用いて床面Fを洗浄用部材35にて磨く清掃作業を実行できる。
さらなる他の実施形態として、上記の走行経路教示部7と設定部9とを一体としてもよい。これにより、走行部1と設定部とを同時に操作しやすくできる。
次に、本実施形態に係る走行経路教示部7の構成の一例について、図2を用いて説明する。図2は、走行経路教示部の構成の一例を示す図である。
走行経路教示部7は、ハンドル71a、71bを有する。ハンドル71a、71bは、それぞれ、筐体73の左右側面に取り付けられている。ハンドル71a、71bは、ユーザが自律走行装置100を操作するときに使用される。
次に、設定部9の構成について、図3を用いて説明する。図3は、設定部の構成を示す図である。
設定部9は、切替部91を有する。切替部91は、自律走行装置100の動作モードを選択し、制御部に出力する。自律走行装置100の動作モードとしては、自律走行モードと手動操作モードとがある。自律走行モードは、自律走行装置100が、自律的に走行し床面Fを洗浄する動作モードである。一方、手動操作モードは、自律走行装置100が操作者により手動操作可能な状態にある動作モードである。
設定変換部94は、設定操作部93にて受け付けた入力を、制御部5が解読可能な信号に変換する信号変換回路、又は、コンピュータシステムである。
これにより、操作者は、清掃条件教示部96を用いて、自律走行装置100に対して清掃条件を設定するか、又は、清掃条件を教示できる。
(4−1)制御部の全体構成
以下、制御部5の構成について説明する。まず、制御部5の全体構成について、図4を用いて説明する。図4は、制御部の全体構成を示す図である。以下に説明する制御部5の各機能ブロックの全部又は一部は、制御部5を構成するコンピュータシステムにて実行可能なプログラムにより実現されてもよい。この場合、当該プログラムは、メモリ部及び/又は記憶装置に記憶されていてもよい。制御部5の各機能ブロックの全部又は一部は、SoC(System on Chip)などのカスタムICとして実現されていてもよい。
設定部9が清掃条件教示部96を有する場合、清掃制御部51は、清掃制御指令算出部97を介して清掃条件教示部96から教示清掃条件を入力し、当該教示清掃条件に基づいて、洗浄用部材回転モータ351と、洗浄液供給ポンプ313と、吸引モータ331と、を制御してもよい。
また、走行制御部53は、走行モータ11の出力回転軸に取り付けられたエンコーダ111から出力されるパルス信号に基づいて、走行モータ11の回転速度を算出する。これにより、走行制御部53は、走行モータ11の回転速度(すなわち、主輪13の回転速度)をモニターしながら、走行モータ11を制御できる。
これにより、記憶部57に記憶された走行スケジュール500などの情報を、他の記憶媒体に記憶できる。
以下、走行部1を制御する走行制御部53の構成について、図5を用いて詳細に説明する。図5は、走行制御部の詳細構成を示す図である。
走行制御部53は、走行切替部531を有する。走行切替部531は、3つの端子d、e、及びfを有している。端子dは走行経路教示部7に接続され、端子eはモータ制御部533に接続され、端子fは制御統括部55に接続されている。
モータ制御部533は、エンコーダ111からのパルス信号に基づいて実際の走行モータ11の回転速度を算出しフィードバックして、走行モータ11に出力すべき駆動電力を算出する。従って、モータ制御部533は、例えば、PI(Proportional Integral)制御理論や、PID(Proportional Integral Differential)制御理論などを用いて走行モータ11を制御する。
以下、制御統括部55の構成について、図6を用いて詳細に説明する。図6は、制御統括部の詳細構成を示す図である。
制御統括部55は、走行領域取得部551を有する。走行領域取得部551は、手動操作教示モードの実行時に、所定時間毎(例えば、制御部5における制御周期毎)に、SLAM部555(後述)から、SLAM部555にて推定された位置情報(後述)を入力する。
以下、SLAM部555の構成の詳細について、図6を用いて説明する。本実施形態に係るSLAM部555は、SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)法にて、走行部1(自律走行装置100)の位置(位置情報)推定と地図情報の作成とを実行する。
SLAM部555は、地図作成部5553を有する。地図作成部5553は、前方検出器5551aにて取得された前方の障害物(例えば、壁など)に関する情報、後方検出器5551bにて取得された後方の障害物に関する情報と、を用いて地図情報を作成する。地図情報は、位置推定部5555において位置情報を推定する際に用いられる。地図情報としては、ローカルマップとグローバルマップ(環境地図の一例)とが存在する。
まず、位置推定部5555は、時刻tkから時刻tk+1までの間にエンコーダ111から出力されたパルス数から、時刻tkから時刻tk+1までの間の主輪13の回転量を算出し、当該回転量に基づいて、主輪13の回転による走行部1の移動距離と姿勢変化とを推定する(デッドレコニング)。
他の実施形態において、位置推定部5555は、主輪13の回転による移動距離分及び姿勢変化分だけ移動後の事後確率の確率分布の幅(標準偏差)を拡大して、時刻tk+1における事前確率としてもよい。これにより、主輪13と床面Fとの滑りを考慮した事前確率を算出できる。
位置推定部5555は、当該マップマッチングの結果に基づいて、尤度(ローカルマップ情報を配置した位置と、当該位置におけるグローバルマップとローカルマップ情報との一致度と、の関係を表すものに対応)を算出する。
時刻tk+1における事後確率は、次の位置推定において事前確率として使用される。
(5−1)基本動作
以下、自律走行装置100の動作について説明する。まず、自律走行装置100の基本的な動作を、図7を用いて説明する。図7は、自律走行装置の基本的な動作を示すフローチャートである。
自律走行装置100が動作を開始すると、制御部5は、切替部91の状態を確認する(ステップS1)。切替部91が「自動」を選択している場合(ステップS1において「自律走行モード」の場合)、自律走行モードが実行され(ステップS2)、記憶部57に記憶された走行スケジュール500に従って、自律走行装置100は自律的に清掃作業を実行する。
手動操作モードを実行中に手動操作記憶スイッチ92が押されたことを検知すると(ステップS3において「Yes」の場合)、制御部5は、動作モードを手動操作教示モードに移行させる(ステップS4)。その結果、手動操作記憶スイッチ92が押されたタイミング以降の操作者による走行部1の操作が記憶される。
以下、上記のステップS4において実行される手動操作教示モードの動作について、図8を用いて説明する。図8は、手動操作教示モードの動作を示すフローチャートである。
以下の説明では、図9に示すような走行環境において設定された走行領域TA内をまんべんなく「塗りつぶす」走行領域内経路を計画し、走行スケジュール500として作成する。図9は、走行環境の一例である。
図10は、グローバルマップをセルの集合体に変換した一例を示す図である。
従って、地図作成部5553は、前方検出器5551a及び/又は後方検出器5551bにて取得された情報が直線状に配置された点列が間隔を空けて2つ存在するときに、当該2つの点列の間に存在するセルを有効セルと決定する。
このようにして、走行領域内経路作成部553は、走行領域TAには含まれないセルを新たに無効セルとすることにより、走行領域TAを多数の有効セル(図12においては、白色のセル)にて構成される領域として、グローバルマップ上に画定できる。
図13A〜図13Bは、矩形領域の主方向の探索方法を模式的に示す図である。
図14は、走行領域を矩形領域に分割した状態の一例を示す図である。
図15は、最初に矩形領域内経路を作成する矩形領域において決定された始点セルの一例を示す図である。
走行領域内経路作成部553は、具体的には、図16のフローチャートに示す処理に従って、矩形領域内経路を作成する。図16は、矩形領域内経路の作成方法を示すフローチャートである。
その結果、走行領域内経路作成部553は、矩形領域RA1内の有効セルに対しては、図17に示すようなスコアを付与する。図17は、矩形領域内のセルに付与したスコアの一例を示す図である。
具体的には、主方向とは垂直な方向に始点セルSCと隣接する有効セルに対しては、「22」とのスコアが付与されている。また、当該「22」のスコアが付与された有効セルに対して主方向に沿った方向に配置された有効セルには、これと同じ「22」とのスコアが付与されている。
図18は、矩形領域内経路の一例を示す図である。
すなわち、始点セルSCに対してy軸方向の反対側の端部にある有効セルにおいては、経路が延びる方向が、y軸方向からx軸方向へと転換している。このように、y軸方向に延びる経路とx軸方向に延びる経路とを組み合わせることにより、自律走行装置100の走行方向を転換できる。
これにより、矩形領域RA1をまんべんなく通過する矩形領域内経路を、自律走行装置100の直進と方向転換との単純な動作の組み合わせにより作成できる。
その一方、矩形領域内経路を作成していない矩形領域RA1〜RA3が存在する場合(ステップS46において「Yes」の場合)、次にどの矩形領域RA2、RA3内を自律走行装置100に走行させるかを決定する(ステップS47)。以下では、矩形領域RA1の矩形領域内経路の作成が終了した場合を例にとって説明する。
図19は、次に走行すべき矩形領域の決定方法の一例を模式的に示す図である。
その後、矩形領域RA3において矩形領域内経路が作成される。
図20は、走行領域内経路の一例を示す図である。
図21は、走行スケジュールの一例を示す図である。
次に、図7のステップS2において実行される、手動操作教示モードにおいて作成された走行領域内経路を再現する自律走行モードの実行時における自律走行装置100の動作について、図22を用いて説明する。図22は、自律走行モードの実行時の自律走行装置の動作を示すフローチャートである。
走行スケジュール500に記憶された走行動作が全て終了したかどうかは、例えば、走行スケジュール500の末尾にある識別子(例えば、「エンド・オブ・ファイル」を示す識別子など)を検出することにより確認できる。
一方、走行スケジュール500に記憶された全ての走行動作が実行されたと判定されたとき、すなわち、自律走行装置100が走行領域内経路を全て走行したと判定されたとき(ステップS26において「Yes」の場合)に、自律走行モードの実行を終了する。
(1)第2実施形態の概要
上記の第1実施形態においては、走行スケジュール500として一度作成された走行領域内経路は、変更されることはなかった。これにより、自律走行装置100は、同じ走行領域内経路を自律的に再現走行できる。
ただし、例えば柔らかい表面(例えば、地表面)などを自律走行装置100が走行すると、同一の走行経路を繰り返し走行するために、走行部1の主輪13により当該同一の走行経路の轍が柔らかい表面にできることがある。
以下、一度作成された走行領域内経路を変更する方法について、図23を用いて説明する。図23は、走行領域内経路を変更する方法を示すフローチャートである。以下の説明では、図24に示すように、セルが配置されたx−y座標平面上に配置され、主方向がy軸方向に延びる矩形領域RA4に作成された矩形領域内経路を変更する実施例について説明する。
図24は、変更前の走行領域内経路の一例を示す図である。
ステップS201を実行することにより、例えば、図25の太実線に示すような回転矩形領域RA4’が、x−y座標平面上に作成される。図25は、回転矩形領域の一例を示す図である。
本実施形態において、走行領域内経路作成部553は、回転矩形領域RA4’に含まれるセルのうち、x軸方向に配置されるセルについては始点セルSCから離れるほど高いスコアを付与すると決定する。一方、y軸方向に配置されるセルについては同一のスコアを付与すると決定する。
(ii)経路が複数方向に延びることができるときは延びが最短の方向に延ばす。
(iii)y軸の負方向に同一スコアのセルがある場合には当該セルに経路を延ばす。
(iv)経路がすでに延びたセルに対しては、当該セルを再度通過しないと経路が計画できないなど特別な事情がない限り、再度経路を延ばさない。
図27は、回転矩形領域内経路の一例を示す図である。
これにより、回転矩形領域RA4’をまんべんなく通過する回転矩形領域内経路を、自律走行装置100の直進と方向転換との単純な動作の組み合わせにより簡単に作成できる。
以上、本発明の一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。また、上記の第1実施形態においてフローチャートにて示した各処理の内容、処理の順番等は、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更できる。また、必要に応じてフローチャートにて示した処理のいずれかを省略できる。
1 走行部
11 走行モータ
111 エンコーダ
13 主輪
15 補助輪
3 清掃部
31 洗浄液吐出口
311 洗浄液供給タンク
313 洗浄液供給ポンプ
33 スキージ
331 吸引モータ
333 回収部材
35 洗浄用部材
351 洗浄用部材回転モータ
5 制御部
51 清掃制御部
53 走行制御部
531 走行切替部
533 モータ制御部
55 制御統括部
551 走行領域取得部
553 走行領域内経路作成部
555 SLAM部
5551a 前方検出器
5551b 後方検出器
5553 地図作成部
5555 位置推定部
5557 経過時間決定部
557 走行再現部
57 記憶部
7 走行経路教示部
71a、71bハンドル
73 筐体
75 走行制御指令算出部
8 取付部材
9 設定部
91 切替部
92 手動操作記憶スイッチ
93 設定操作部
94 設定変換部
95 ディスプレイ
96 清掃条件教示部
97 清掃制御指令算出部
B 本体
F 床面
O2 吸引口
500 走行スケジュール
EC、EC1 終点セル
RA 矩形領域
RA1〜RA4矩形領域
RA4' 回転矩形領域
SC 始点セル
ST 開始点
TA 走行領域
Claims (5)
- 走行環境を自律的に走行する自律走行装置の走行経路作成方法であって、
前記走行環境を表す環境地図を複数のセルの集合体として作成するステップと、
前記走行環境において前記自律走行装置が走行する領域を表す走行領域を、前記環境地図上に画定するステップと、
前記走行領域を矩形領域に分割するステップと、
各矩形領域内における前記自律走行装置の走行経路である矩形領域内経路の始点である始点セルを決定するステップと、
前記自律走行装置の直進に対応する直進経路と、前記自律走行装置の右折又は左折に対応する方向転換経路と、を組み合わせることにより、前記始点セルから開始し前記矩形領域に含まれる全ての前記セルを通過する走行経路を前記矩形領域内経路として作成するステップと、
前記矩形領域内経路の終点に対応する終点セルと、次に走行すべき矩形領域内の前記始点セルと、を接続経路にて接続することで、前記走行領域内の前記自律走行装置の走行経路である走行領域内経路を作成するステップと、
を含み、
前記矩形領域内経路を作成するステップは、
前記矩形領域を回転させるステップと、
第1軸方向における、回転させた前記矩形領域の境界間の長さを、前記第1軸方向とは垂直な第2軸の座標値毎に算出するステップと、
前記第2軸の座標値毎に算出された前記境界間の長さのうち、その最大値と当該最大値に対して所定の割合だけ短い長さの範囲内にある前記境界間の長さを積算するステップと、
前記境界間の長さの積算値が最大となるときの前記矩形領域の回転角度に基づいて、前記矩形領域の長手方向である主方向を決定するステップと、
前記主方向に延びる第1経路と、前記主方向に対して垂直な方向に延びる第2経路と、を組み合わせることにより前記矩形領域内経路を作成するステップと、
を含む走行経路作成方法。 - 前記始点セルから延びる経路は、前記矩形領域の長手方向に対して 垂直な方向に延びる経路である、請求項1に記載の走行経路作成方法。
- 前記終点セルと前記始点セルとを接続するステップにおいて、前記次に走行すべき矩形領域として複数の矩形領域が候補として存在する場合には、当該複数の矩形領域の候補のうち、前記終点セルと最短距離にて接続される前記始点セルを有する矩形領域を、前記次に走行すべき矩形領域と決定する、請求項1又は2に記載の走行経路作成方法。
- 走行部と、
請求項1〜3のいずれかに記載の走行経路作成方法にて作成した前記走行領域内経路に基づいて、前記走行部を制御する制御部と、
を備える自律走行装置。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の走行経路作成方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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