JP7047576B2 - 地図作成装置 - Google Patents
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Description
図1のブロック図を用いて、地図生成システム1の構成を説明する。地図生成システム1は、地図作成装置10、ロボット11および12を備えている。地図生成システム1は、「初期地図生成モード」で用いるシステムである。「初期地図生成モード」では、ロボット11および12を操作し、ロボット11および12から得る計測情報に基づき、地図作成装置10を用いて全体地図を生成する。なお、「初期地図生成モード」で生成された全体地図を用いてロボットの自律制御を行う、「運用モード」も存在する。しかし本明細書では、「運用モード」の説明については省略する。
ロボット11および12は、センサ40、計測情報取得部41、データ送信部42、移動制御部43を備える。ロボット11および12は対象領域内を移動しながら、センサ40によって対象領域内の環境(例えば、壁等の計測物)を計測する。これにより計測情報取得部41は、センサ40から計測情報を取得する。センサ40の一例としては、LiDAR、カメラ、RADAR、超音波センサ等が挙げられる。計測情報の一例としては、センサ40で測定される相対位置情報・距離情報や、IMU(Inertial Measurement Unit)やエンコーダ等により得られるロボットの速度情報・角速度情報等が挙げられる。また、ロボット11および12は、車輪の回転角を検出する不図示のセンサ(例えば、エンコーダ)を備えている。このセンサによって車輪の回転角を検出することで、ロボット11および12の移動方向及び移動量を算出することができる。よって、各計測地点におけるロボット11および12の姿勢及び位置を算出することができる。
地図作成装置10は、対象領域の地図を作成する装置である。地図作成装置10は、例えば、CPU、ROM、RAM等を備えたコンピュータによって構成することができる。コンピュータがプログラムを実行することで、地図作成装置10は、図1に示す計測情報取得部21~初期地図構成要素群書出部32等として機能する。
地図の構成要素には、全体地図、部分地図、グラフ構造データが含まれる。これらの構成要素について説明する。全体地図は、地図作成装置10にて最終的に出力する情報である。出力された全体地図は、ロボットの経路計画や、ロボットの自己位置推定に利用される。全体地図の具体例を図2に示す。全体地図はグリッド表現されている。すなわち、複数のグリッドに区分けされている。各グリッドは、「1」または「0」によって、そのグリッドが物体に占有されているか否かを表現している。図2では、ハッチングで示されているグリッドが「1」であり、物体に占有されていることを示している。また白色で示されているグリッドが「0」であり、物体に占有されていないことを示している。全体地図には、1つの固定の座標系である、全体地図座標系EC1が設定されている。全体地図の生成方法は後述する。
図5のフローチャートを基に、「初期地図生成モード」の具体的な処理について説明する。S10において、ロボット11および12が送信する計測情報を受信する、計測情報受信処理を行う。この処理は、計測情報取得部21にて実施する。
S15の地図生成・更新処理の詳細内容について、図6のフローチャートを用いて説明する。S100において、ロボットの現在位置および現在姿勢の概算処理を行う。この処理は、部分地図生成部22にて、ロボット11および12の各々について実施する。概算したロボットの現在位置および現在姿勢は、S105のスキャンマッチ処理の初期値として用いられる。ロボットの位置・姿勢の概算には、過去2地点の位置・姿勢から外挿しても良い。またロボットの速度や各情報を参照し、概算しても良い。
具体的には、下式(1)によって求めることができる。
ここで、cは部分地図の信頼度である。lijはグリッド(i,j)の内部状態である。lthは2値化しきい値である。nは部分地図内のグリッドの総数である。αは係数である。
τl=η/Cl ・・・式(2)
ここで、τlは部分地図lの判定閾値、Clは部分地図lの信頼度、ηは定数である。
ここで、左辺のΣはロボット位置sと過去の部分地図lの間に制約として設定する計測誤差共分散である。右辺のΣはロボット位置sと部分地図lとのスキャンマッチによる誤差共分散である。clは部分地図sの信頼度である。εは定数である。
ここで、Liは全体地図のi番目のグリッドの内部状態である。Niは全体地図のi番目のグリッドと重なる部分地図の数である。cjはj番目の部分地図の信頼度である。ljはj番目の部分地図の内部状態である。
ロボットの正しい位置・姿勢(走行軌跡)が分かれば、その位置・姿勢に対応する計測情報を重ねてグリッド化することで、正確な地図をロボットを用いて生成することができる。しかし実際には、ロボットの走行軌跡の推定値には誤差が生じるため、ロボットの走行軌跡を最適化する必要がある。最適化の方法として、部分地図を特徴量(環境の局所的な特徴を表現する情報)としたGraph-based SLAMがある。しかし、特徴量である部分地図は、時間経過に伴う環境の変化(例:倉庫の床に置かれる荷物の位置や数の変化)に従ってその信頼度が変化する。そのため、信頼度の低い部分地図を用いた最適化処理が発生してしまい、ロボットの走行軌跡の誤差が増大してしまう場合があった。そこで本実施形態の地図作成装置10では、複数の部分地図の各々の信頼度を算出することができる(S120)。そして、移動体に搭載された環境計測センサで測定された計測情報に一致する特定部分地図を、信頼度に基づいて抽出することができる(S125)。抽出された特定部分地図について作成したエッジを、グラフ構造データに追加することができる(S135)。このとき、エッジの元になる特定部分地図の信頼度が高いほど、追加する際の重み付けを大きくすることができる。これにより、状態が変化する環境下においても、移動体によって測定された計測情報に基づいて正確な地図を生成することが可能となる。
実施例1において部分地図を生成するために行うスキャンマッチ処理(S105)は、静的な環境を前提にした技術である。移動する物体(例:作業者やフォークリフトなど)が存在する動的な環境では、過去の計測情報とのマッチングが適切に一致しない場合がある。すると、特徴量とする部分地図が正確に生成されなくなる結果、全体地図の精度が悪化してしまう場合がある。そこで実施例2に係る地図生成システム1aでは、時刻tおよび時刻t-1において測定された計測情報が示す計測物の位置を比較し(S305)、両者が一致している計測情報のみを地図作成装置10へ送信する(S315)。これにより、複数の計測情報の中から移動する物体(動的物体)を計測したデータを除き、静的物体(例:壁、柱など)および準静的物体(例:停止中のトラックなど)を計測したデータのみを地図作成装置10に送信することができる。全体地図の精度を向上させることが可能となる。
地図作成装置10はコンピュータに限られず、例えば、インターネットなどのネットワーク上に配置されたサーバであってもよい。地図作成装置10は、ネットワークを介して、ロボット11および12から計測情報を受信してもよい。地図作成装置10の汎用性を高めることができる。
Claims (8)
- 対象領域の全体地図を作成する地図作成装置であって、
移動体に搭載された環境計測センサによって前記対象領域内の複数の計測点のそれぞれについて測定された複数の計測情報を取得する計測情報取得部であって、前記計測情報は、前記計測点の周囲に存在する複数の計測物の前記計測点からの相対位置または距離を示すデータである、前記計測情報取得部と、
複数の前記計測情報に基づいて、複数の部分地図を生成する部分地図生成部であって、前記部分地図は前記計測点の周囲における前記計測物の状態を示す局所的な地図である、前記部分地図生成部と、
グラフ構造データを生成するグラフ構造データ生成部であって、前記グラフ構造データは、複数の前記計測点のそれぞれにおける前記環境計測センサの位置および姿勢を示すセンサノードと、前記部分地図の位置および姿勢を規定する環境ノードと、前記環境ノードとその環境ノードに対応するセンサノードの相対的位置関係を規定する第1エッジと、を備える、前記グラフ構造データ生成部と、
複数の前記部分地図の各々の信頼度を算出する信頼度算出部であって、前記信頼度は、前記部分地図の確かさが高いほど高くなる指標である、前記信頼度算出部と、
複数の前記部分地図の各々について、前記部分地図と複数の前記計測情報との一致判定を行い、一致度が所定のしきい値を超えた部分地図である特定部分地図を抽出する一致判定部であって、前記部分地図の前記信頼度が高いほど前記所定のしきい値が小さくされる、前記一致判定部と、
前記特定部分地図に対応する前記環境ノードと、前記一致判定部にてその特定部分地図と一致判定された計測情報に対応する前記センサノードとの相対的位置関係を規定する第2エッジを生成し、生成した第2エッジを前記グラフ構造データに追加するエッジ追加部であって、前記第2エッジの元になる前記特定部分地図の信頼度が高いほど追加する際の重み付けを大きくして前記第2エッジを追加する、前記エッジ追加部と、
前記第2エッジが追加された前記グラフ構造データについて、各エッジから算出される誤差関数の和が最小となるように前記グラフ構造データを最適化するグラフ構造データ最適化部と、
最適化された前記グラフ構造データに備えられている前記環境ノードによって規定される前記部分地図の位置および姿勢に基づいて、複数の前記部分地図の各々を配置することにより、前記全体地図を生成する地図生成部と、
を備える、地図作成装置。 - 前記信頼度算出部が算出する前記信頼度は、前記部分地図生成部によって前記部分地図が生成された時刻から、当該部分地図と一致判定される前記計測情報が前記計測情報取得部によって取得された時刻までの経過時間の絶対値が大きくなるほど単調減少する、請求項1に記載の地図作成装置。
- 前記部分地図は、複数のグリッドで表されており、
前記グリッドが物体で占有されているか否かが、複数の前記グリッドの各々について占有確率で示されており、
前記信頼度算出部が算出する前記信頼度は、予め定められた2値化しきい値と前記占有確率との差の絶対値を複数の前記グリッドの各々について求めた場合に、前記差の絶対値の総和が大きくなるほど高くなり、
前記2値化しきい値は、前記占有確率から、前記物体が前記グリッドで占有されているか否かに2値化するための値である、請求項1に記載の地図作成装置。 - 前記対象領域には、時間が経過しても計測物の数、位置、形状が変化しない定常領域が含まれており、
前記信頼度算出部は、前記定常領域に対応している部分地図の信頼度を、前記定常領域に対応していない部分地図の信頼度よりも高くする、請求項1に記載の地図作成装置。 - 前記対象領域には、時間が経過しても計測物の数、位置、形状が変化しない定常領域が含まれており、
前記部分地図は、複数のグリッドで表されており、
前記グリッドが物体で占有されているか否かが、複数の前記グリッドの各々について占有確率で示されており、
前記信頼度算出部が前記定常領域に対応している部分地図の前記信頼度を算出する場合には、
前記定常領域に対応している部分地図の信頼度を、前記定常領域に対応していない部分地図の信頼度よりも高くし、
予め定められた2値化しきい値と前記占有確率との差の絶対値が小さくなるほど前記信頼度を低くし、
前記2値化しきい値は、前記占有確率から、前記物体が前記グリッドで占有されているか否かに2値化するための値であり、
前記差の絶対値は、複数の前記グリッドの各々について求められ、
前記信頼度算出部が前記定常領域に対応していない部分地図の前記信頼度を算出する場合には、
前記部分地図生成部によって前記部分地図が生成された時刻から、前記計測情報取得部によって当該部分地図と一致判定を行う前記計測情報が取得された時刻までの経過時間が大きくなるほど前記信頼度を単調減少させ、
予め定められた2値化しきい値と前記占有確率との差の絶対値が小さくなるほど前記信頼度を低くする、請求項1に記載の地図作成装置。 - 前記第1エッジおよび前記第2エッジは、前記環境ノードとその環境ノードに対応する前記センサノードとの相対位置・姿勢および計測誤差の共分散行列を表しており、
前記エッジ追加部は、前記第2エッジが表す前記計測誤差の共分散行列を前記信頼度が大きいほど小さく設定する、請求項1~5の何れか1項に記載の地図作成装置。 - 前記地図作成装置はネットワーク上に配置されたサーバであり、
前記移動体から前記ネットワークを介して複数の前記計測情報を受信可能である、請求項1~6の何れか1項に記載の地図作成装置。 - 前記計測情報取得部は、時刻tにおいてi番目(iは2以上の自然数)の計測点で測定された前記計測物の位置と、時刻t-1においてi-1番目の計測点で測定された前記計測物の位置とを比較した場合に、前記時刻tにおける位置と前記時刻t-1における位置とが一致している計測物の位置のみを示す情報を、前記時刻tにおける前記計測情報として受信する、請求項1~7の何れか1項に記載の地図作成装置。
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