JP7284011B2

JP7284011B2 - 移動体

Info

Publication number: JP7284011B2
Application number: JP2019124157A
Authority: JP
Inventors: 英知阪下; 啓岡本
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2023-05-30
Anticipated expiration: 2039-07-03
Also published as: JP2021009634A

Description

本発明は、移動体に関する。

従来、工場等において、走行の目印となるラインなどを要さずに自律走行して物体を搬送する、いわゆるガイドレス自律搬送車が知られている。このような搬送車には、周辺環境をセンシングするために、物体までの距離を測定するセンサが搭載されており、取得された周辺環境の情報と予め記憶されたマップ情報とを照合することによって、搬送車自身の位置を同定する。

センサを搬送車の台車に搭載する際には、台車に対するセンサの位置や姿勢が設計値からずれることがある。センサの位置や姿勢がずれたまま搬送車を走行させると、自律走行の精度が劣化するおそれがある。従って、このようなずれを較正するため、例えば下記特許文献１には、車体に設けられた基準部材をセンサによって測定し、測定結果に基づいてセンサの角度ずれを較正する方法が開示されている。

特開２０１１－２２１９５７号公報

物体までの距離を測定するセンサは、例えばレーザ光を照射してから物体において反射して戻ってくるまでの時間に基づいて測距を行う。このとき、物体の形状や表面の材質などの様々な要因により測距に誤差が生じたり、理想値から大きく外れた異常値が生じたりし得る。しかしながら、上記特許文献１ではこのようなセンサの誤差や異常値の存在が考慮されていないので、物体の位置の推定において異常値を含むおそれがあり、基準部材の位置の推定精度が劣化し、センサの角度ずれを精度高く較正することができない。

そこで、本発明は、台車に対するセンサのずれの較正を精度高く行うことができる移動体を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る移動体は、自律走行が可能な台車と、台車に設けられ、周囲に存在する物体までの距離を測定可能なセンサと、台車との相対的な位置関係が既知である基準部材と、センサによって基準部材までの距離を測定し、測定して得られた測定値のうち、既知である基準部材の基準位置から所定の範囲内の領域である有効領域に含まれる測定値を抽出して基準部材の位置を推定する推定部と、基準部材の基準位置と推定された基準部材の推定位置に基づいて、台車に対するセンサのずれを較正する較正部と、を備える。

この態様によれば、基準部材から大きく外れた測定値を除外して基準部材の位置を推定することができるので、基準部材の位置の推定精度が向上し、ひいてはセンサのずれの較正の精度が向上する。

上記態様において、基準部材は、互いに異なる第１方向及び第２方向にそれぞれ沿って延びる第１平板及び第２平板を含み、第１平板と第２平板は、接合部において接合されており、有効領域は、第１平板及び第２平板にそれぞれ対応する第１領域及び第２領域を含み、第１領域は、接合部から第１方向に沿った所定の範囲を含まず、第２領域は、接合部から第２方向に沿った所定の範囲を含まなくてもよい。

この態様によれば、センサによる測定精度が比較的劣る平板と平板の接合部付近の測定値を除外して基準部材の位置を推定することができるので、基準部材の位置の推定精度がさらに向上する。

上記態様において、第１領域の第１方向の長さは、第１平板の第１方向の長さより短く、第２領域の第２方向の長さは、第２平板の第２方向の長さより短くてもよい。

この態様によれば、センサによる測定精度が比較的劣る平板の端部付近の測定値を除外して基準部材の位置を推定することができるので、基準部材の位置の推定精度がさらに向上する。

上記態様において、較正部は、既知である接合部の座標と、推定された接合部の座標との比較から、台車に対するセンサの位置のずれを較正し、基準軸から第１平板と第２平板が成す角の二等分線までの角度と、基準軸から推定された第１平板と第２平板が成す角の二等分線までの角度との比較から、台車に対するセンサの姿勢のずれを較正してもよい。

この態様によれば、台車に対するセンサの位置及び姿勢のずれの較正を行うことができる。

本発明によれば、台車に対するセンサのずれの較正を精度高く行うことができる移動体を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る搬送車の上面図である。本発明の一実施形態に係る搬送車の側面図である。本発明の一実施形態に係る搬送車の機能構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る搬送車における較正方法を示すフローチャートである。既知である治具の位置及び姿勢を示す図である。推定された治具の位置及び姿勢を示す図である。

添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

図１は、本発明の一実施形態に係る搬送車の上面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る搬送車の側面図である。図２に示される側面図は、図１に示される白抜き矢印の方向から見た図である。本実施形態に係る搬送車１０は、例えば工場、オフィス、病院又は商業施設等において、自律して移動することにより物品等を搬送する。なお、自律して移動するとは、搬送車１０がユーザ等から受け付ける指示に応じて移動するのではなく、自らの判断によって目的地に移動することであってもよい。本明細書では、移動体の一具体例として台車型の搬送車１０を例に説明するが、移動体は搬送車に限られず、例えば移動するロボットであってもよく、他の自律走行が可能な様々な移動体であってもよい。

図１及び図２に示されるように、搬送車１０は、台車２０と、２つのレーザスキャナ３０ａ，３０ｂと、２つの固定穴４０ａ，４０ｂと、治具５０と、を備える。

台車２０は、搬送車１０の車体を構成し、物品等を搬送する。台車２０には、図１に示されるように、台車２０が走行する床面と平行な台車２０の主面の平面視（以下、「上面視」ともいう）における中央Ｒ_Cを原点とし、互いに直交するＸ軸及びＹ軸によって構成されるローカル座標系が設定されている。なお、図示は省略されているが、台車２０は例えば４つの車輪を備え、搬送車１０の前進、後退、及び旋回等の移動を実現する。搬送車１０が備える移動機構については公知の構成を適用することができるので、詳細な説明を省略する。

２つのレーザスキャナ３０ａ，３０ｂは、搬送車１０の周囲に存在する物体までの距離を測定するセンサの一具体例である。なお、レーザスキャナ３０ａと３０ｂは同様のものを適用することができるので、以下の説明において特に区別する必要がない場合は、２つのレーザスキャナをまとめて「レーザスキャナ３０」ともいう。

レーザスキャナ３０は、例えば台車２０の主面と略平行になるようにレーザ光を照射し、照射してから物体において反射して戻ってくるまでの時間に基づいて測距を行う。レーザスキャナ３０は、例えば既定の半径（例えば１０ｍ程度）の測定範囲を有し、既定の度ピッチ（例えば、０．２～０．５度程度）でレーザ光を既定の視野角（例えば２７０度程度）にわたってスキャンしながら、１スキャンあたり数百～数千点の測定値を取得する。なお、図１に示される放射状の矢印は、レーザスキャナ３０ａ，３０ｂからそれぞれ出射されるレーザ光を模式的に示したものである。

２つのレーザスキャナ３０ａ,３０ｂは、台車２０の上面視における対角線上の両端において、それぞれ搬送車１０の外側を向くように搭載されている。これにより、２つのレーザスキャナ３０ａ，３０ｂからの取得データを合わせると、台車２０から見た全方位の測距が可能となる。搬送車１０は、レーザスキャナ３０を用いて周辺環境を測定することにより、周辺環境の環境地図を作成したり、予め記憶されたマップ情報と照合することで搬送車１０の自己位置を推定したり、経路計画を立てたり、障害物を回避したりしながら目的地まで移動する。

レーザスキャナ３０を台車２０に搭載する際には、台車２０に対するレーザスキャナ３０の位置や姿勢が設計値からずれることがある。レーザスキャナ３０の位置や姿勢がずれたまま搬送車を走行させると、自律走行の精度が劣化するおそれがある。従って、このようなずれを較正するために、レーザスキャナ３０の搭載後にレーザスキャナ３０のずれの較正を行う。較正の詳細については後述する。

なお、レーザスキャナ３０は、搬送車の周辺環境をセンシングするセンサの一具体例である。このようなセンサはレーザスキャナに限定されず、例えば超音波センサ、マイクロ波を用いた距離センサ、ステレオカメラによって撮像されたステレオ画像を用いた距離センサなど、物体までの距離を測定できるセンサであればよい。

また、本実施形態では、搬送車１０が２つのレーザスキャナ３０ａ，３０ｂを備えるが、搬送車が備えるセンサの数は１つであってもよく、３つ以上であってもよい。例えば搬送車は全方位を測定できる１つのセンサを備えていてもよい。

２つの固定穴４０ａ，４０ｂは、台車２０のうち、台車２０の上面視における対角線上に設けられている。固定穴４０ａ，４０ｂは、台車２０に対する位置が既知であるものとする。

治具５０は、レーザスキャナ３０によって距離を測定する対象となる基準部材の一具体例である。レーザスキャナ３０が治具５０までの距離を測定することにより、レーザスキャナ３０の位置及び姿勢の設計値からのずれの度合いを測定することができる。図１及び図２に示されるように、治具５０は、互いに異なるＹ軸負方向（第１方向）及びＸ軸負方向（第２方向）にそれぞれ沿って延びる第１平板５１ａ及び第２平板５１ｂと、これらの２つの平板を台車２０に固定する軸５２と、を備える。

第１平板５１ａ及び第２平板５１ｂは、台車２０の上面視においてＬ字型になるように直交して接合されている。軸５２の一端には第１平板５１ａ及び第２平板５２ｂが固定されており、他端は台車２０の２つの固定穴４０ａ，４０ｂに着脱可能に取り付けられている。台車２０における位置が既知である２つ以上の箇所に軸５２が取り付けられることにより、治具５０を設計された位置に高い精度で固定することができる。すなわち、治具５０は、台車２０との相対的な位置関係が既知であり、図１に示されるローカル座標系における治具５０の位置が予め算出可能となる。

図３は、本発明の一実施形態に係る搬送車の機能構成を示す図である。同図に示されるように、搬送車１０は、機能部として、推定部１００と、較正部１１０と、記憶部１２０と、を備える。なお、台車２０の駆動に関する機能部については図示を省略する。

推定部１００は、レーザスキャナ３０を用いて治具５０までの距離を測定する。推定部１００は、測定して得られた測定値のうち、有効領域に含まれる測定値を抽出し、抽出された測定値を用いて治具５０の位置を推定する。有効領域については後述する。

較正部１１０は、既知である治具５０の基準位置と、推定された治具５０の推定位置に基づいて、台車２０に対するレーザスキャナ３０の位置のずれ又は姿勢のずれの少なくともいずれか一方を較正する。

記憶部１２０は、例えばローカル座標系における治具５０の位置や、較正部１１０によって算出されたレーザスキャナ３０の位置及び姿勢のずれに関する情報を記憶する。また、記憶部１２０は、例えば搬送車１０が走行する周辺環境のマップを記憶する。

次に、図４から図６を参照して、レーザスキャナ３０の位置及び姿勢のずれの較正方法の詳細について説明する。

図４は、本発明の一実施形態に係る搬送車における較正方法を示すフローチャートである。図５は、既知である治具の位置及び姿勢を示す図である。図６は、推定された治具の位置及び姿勢を示す図である。なお、図５及び図６では、一方のレーザスキャナ３０ａのずれの較正を行う場合が例として示されているが、他方のレーザスキャナ３０ｂのずれの較正を行う場合であっても同様の方法を適用することができる。

まず、冶具５０をレーザスキャナ３０の視野内に配置するように台車２０に取り付ける（ステップＳ１０）。上述のとおり、台車２０に設けられた２つの固定穴４０ａ，４０ｂに治具５０を固定することで、台車２０に対する治具５０の位置が定まる。すなわち、ローカル座標系における治具５０の位置が算出可能となる。

図５は、台車２０の上面視において、治具５０と一方のレーザスキャナ３０ａを模式的に示す図である。治具５０の第１平板５１ａと第２平板５１ｂが接合される接合部Ｐ_Cのローカル座標系におけるＸ座標及びＹ座標をＰ_C（Ｘ_C、Ｙ_C）とする。台車２０と治具５０との相対的な位置関係が既知であり、治具５０の形状や大きさが既知であるため、接合部Ｐ_Cの座標Ｐ_C（Ｘ_C、Ｙ_C）が算出される。

接合部Ｐ_Cを基点とし、Ｘ軸と平行な軸を基準軸Ｘ_ROとする。当該基準軸Ｘ_ROと、治具５０の第１平板５１ａと第２平板５１ｂが成す角のうち大きい方の角（すなわち、２７０度）の二等分線との成す角をθ_Cとする。

また、接合部Ｐ_Cを基点として、基準軸Ｘ_ROを時計回りにθ₁度回転させた方向（すなわち、Ｙ軸に沿う方向）に向かって、接合部Ｐ_Cから長さＫ₁分移動した点を端点Ｐ_E1とする。線分Ｐ_CＰ_E1が第１平板５１ａに対応する。同様に、接合部Ｐ_Cを基点として、基準軸Ｘ_ROを時計回りにθ₂度回転させた方向（すなわち、Ｘ軸に沿う方向）に向かって、接合部Ｐ_Cから長さＫ₂分移動した点を端点Ｐ_E2とする。線分Ｐ_CＰ_E2が第２平板５１ｂに対応する。ここで、θ₁＜θ₂であり、θ₂－θ₁＝９０度である。長さＫ₁、Ｋ₂は、それぞれ、第１平板５１ａ及び第２平板５１ｂのＹ軸方向及びＸ軸方向の長さであってもよい。このようにして求められた線分Ｐ_CＰ_E1と線分Ｐ_CＰ_E2が、それぞれ治具５０の第１平板５１ａ及び第２平板５１ｂの基準位置となる。

台車２０に対するレーザスキャナ３０の位置や姿勢が設計値からずれている場合、レーザスキャナ３０が測定する治具５０までの距離も設計値からずれることになる。他方、レーザスキャナ３０で物体までの距離を測定する際には、物体の形状や材質によって誤差や異常値が生じることがある。従って、本実施形態では、治具５０の位置の推定において、既知である治具５０の基準位置からある程度の範囲を含み、かつ異常値を含まないように、レーザスキャナ３０が測定した測定値から有効範囲に含まれる測定値を抽出する。この有効範囲についてさらに詳細に説明する。

本実施形態における有効範囲は、台車２０の上面視において矩形状の第１領域Ｒ₁及び第２領域Ｒ₂を含む（図５網掛け領域参照）。第１領域Ｒ₁は第１平板５１ａに対応し、第２領域Ｒ２は第２平板５１ｂに対応する。

第１領域Ｒ₁は、レーザスキャナ３０ａの測定半径の方向において、レーザスキャナ３０ａから見て第１平板５１ａの基準位置から手前及び奥側に所定の範囲に広がる幅Ｗ₁を有する。第１領域Ｒ₁は、レーザスキャナ３０ａのスキャン方向において、接合部Ｐ_CからＹ軸負方向に沿って端点Ｐ_E1側に向かって所定の範囲の余白Ｍ₁を含まず、かつ端点Ｐ_E1からＹ軸正方向に沿って接合部Ｐ_C側に向かって所定の範囲の余白Ｍ₂を含まない。すなわち、第１領域Ｒ₁は、Ｌ₁＝Ｋ₁－（Ｍ₁＋Ｍ₂）の長さＬ₁を有する。つまり、第１領域Ｒ₁のＹ軸方向の長さＬ₁は、第１平板５１ａのＹ軸方向の長さＫ₁より短い。

第２領域Ｒ₂においても同様に、レーザスキャナ３０ａの測定半径の方向において、レーザスキャナ３０ａから見て第２平板５１ｂの基準位置から手前及び奥側に所定の範囲に広がる幅Ｗ₂を有する。第２領域Ｒ₂は、レーザスキャナ３０ａのスキャン方向において、接合部Ｐ_CからＸ軸負方向に沿って端点Ｐ_E2側に向かって所定の範囲の余白Ｍ₃を含まず、かつ端点Ｐ_E2からＸ軸正方向に沿って接合部Ｐ_C側に向かって所定の範囲の余白Ｍ₄を含まない。すなわち、第２領域Ｒ₂は、Ｌ₂＝Ｋ₂－（Ｍ₃＋Ｍ₄）の長さＬ₂を有する。つまり、第２領域Ｒ₂のＸ軸方向の長さＬ₂は、第２平板５１ｂのＸ軸方向の長さＫ₂より短い。

第１平板５１ａと第２平板５１ｂとの接合部Ｐ_C付近や、第１平板の端部Ｐ_E1及び第２平板の端部Ｐ_E2においては、レーザスキャナから照射されるレーザ光が適切に照射又は反射されず、測定誤差が大きくなる傾向がある。本実施形態では、第１領域Ｒ₁が余白Ｍ₁及び余白Ｍ₂を含まず、第２領域Ｒ₂が、余白Ｍ₃及び余白Ｍ₄を含まないことにより、測定精度が比較的劣る接合部Ｐ_C付近及び端部Ｐ_E1，Ｐ_E2付近の測定値を除外して基準部材の位置を推定することができる。従って、治具５０の位置の推定精度が向上する。

なお、余白Ｍ₁～Ｍ₄の長さは、全て同じであってもよいし、一部又は全てが異なっていてもよい。

図４に戻り、推定部１００が、レーザスキャナ３０ａを用いて治具５０の第１平板５１ａ及び第２平板５１ｂまでの距離を測定する（ステップＳ２０）。ここでは、有効領域に含まれない領域の測定値も取得される。

続けて、推定部１００は、取得された測定値のうち、上述の第１領域Ｒ₁及び第２領域Ｒ₂に含まれる測定値を抽出し、抽出された測定値を用いて第１平板５１ａ及び第２平板５１ｂの位置を推定する（ステップＳ３０）。第１平板５１ａ及び第２平板５１ｂの位置の推定は、例えば第１領域Ｒ₁及び第２領域Ｒ₂のそれぞれにおいて、各領域に含まれる測定値から近似曲線を求めることによって推定してもよい。近似曲線の算出方法は特に限定されないが、例えば最小二乗法によって回帰直線を算出してもよい。

図６に示されるように、算出された各直線Ｑ₁，Ｑ₂の交点を、推定された接合部Ｐ_CMとし、接合部Ｐ_CMのローカル座標系における座標をＰ_CM（Ｘ_CM、Ｙ_CM）とする。推定された接合部Ｐ_CMを基点としＸ軸と平行な基準軸Ｘ_ROと、推定された直線Ｑ₁との成す角をθ_1Mとする。基準軸Ｘ_ROと、推定された直線Ｑ₂との成す角をθ_2Mとする。基準軸Ｘ_ROと、直線Ｑ₁と直線Ｑ₂の成す角のうち大きい方の角の二等分線との成す角（すなわち、治具５０の回転角度）をθ_CMとする。回転角度θ_CMは、θ_CM＝０．５×（θ_1M＋θ_2M）－１８０により求められる。

図４に戻り、較正部１１０は、記憶部１２０に記憶された接合部の座標Ｐ_C（Ｘ_C、Ｙ_C）と、推定された接合部の座標Ｐ_CM（Ｘ_CM、Ｙ_CM）との比較から、台車２０に対するレーザスキャナ３０ａの位置のずれを較正する（ステップＳ４０）。すなわち、接合部Ｐ_Cの座標Ｐ_C（Ｘ_C、Ｙ_C）と推定された接合部Ｐ_CMの座標Ｐ_CM（Ｘ_CM、Ｙ_CM）の差分が、レーザスキャナ３０ａの設置位置の誤差に相当する。

また、較正部１１０は、記憶部１２０に記憶された治具５０の回転角度θ_Cと、推定された治具５０の回転角度θ_CMとの比較から、台車２０に対するレーザスキャナ３０ａの姿勢のずれを較正する（ステップＳ４０）。すなわち、治具５０の回転角度θ_Cと推定された治具５０の回転角度θ_CMの差分が、レーザスキャナ３０ａの設置姿勢の誤差に相当する。較正部１１０は、記憶部１２０に予め記憶されたレーザスキャナ３０ａの設置位置及び設置姿勢の設計値に当該誤差を反映させ、較正する。

上記構成により、本実施形態に係る搬送車１０では、有効領域である第１領域Ｒ₁及び第２領域Ｒ₂が設定され、当該有効領域に含まれる測定値を抽出することにより、治具５０のあるべき位置から大きく外れた異常値を除外して治具５０の位置を推定することができる。これにより、治具５０の位置の推定精度が向上し、レーザスキャナ３０ａ，３０ｂのずれの較正を精度高く行うことができる。

また、第１領域Ｒ₁及び第２領域Ｒ₂は、第１平板５１ａ及び第２平板５１ｂの接合部Ｐ_C付近及び端部Ｐ_E1，Ｐ_E2付近を含まない。これにより、レーザスキャナ３０ａ，３０ｂによる測定精度が比較的劣る部位の測定値を除外して治具５０の位置を推定することができるので、治具５０の位置の推定精度がさらに向上する。また、第１平板５１ａ及び第２平板５１ｂの平坦部の測定値を用いるので、例えば治具の角を特徴点として較正を行う構成に比べて較正の精度が向上する。

なお、レーザスキャナ３０ａ，３０ｂは、物体の同じ部位を複数回にわたって測定した場合に、ある程度の誤差が生じ、測定値がばらつき得る。従って、レーザスキャナ３０ａ，３０ｂによる測定をそれぞれ複数回（例えば１０回程度）にわたって行い、複数回分の測定値の結果から、各点の平均値、メディアン値、又はその両方を求め、誤差の平準化後に治具５０の位置を推定してもよい。これにより、１回のスキャンにおける測定値を用いる場合に比べてさらに較正の精度が向上する。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

１０…搬送車（移動体）、２０…台車、３０ａ，３０ｂ…レーザスキャナ（センサ）、４０ａ，４０ｂ…固定穴、５０…治具（基準部材）、５１ａ…第１平板、５１ｂ…第２平板、５２…軸、１００…推定部、１１０…較正部、１２０…記憶部

Claims

自律走行が可能な台車と、
前記台車に設けられ、周囲に存在する物体までの距離を測定可能なセンサと、
前記台車との相対的な位置関係が既知である基準部材と、
前記センサによって前記基準部材までの距離を測定し、測定して得られた測定値のうち、既知である前記基準部材の基準位置から所定の範囲内の領域である有効領域に含まれる測定値を抽出して前記基準部材の位置を推定する推定部と、
前記基準部材の前記基準位置と推定された前記基準部材の推定位置に基づいて、前記台車に対する前記センサのずれを較正する較正部と、
を備え、
前記基準部材は、互いに異なる第１方向及び第２方向にそれぞれ沿って延びる第１平板及び第２平板を含み、
前記第１平板と前記第２平板は、接合部において接合されており、
前記較正部は、
既知である前記接合部の座標と、推定された前記接合部の座標との比較から、前記台車に対する前記センサの位置のずれを較正し、
基準軸から前記第１平板と前記第２平板が成す角の二等分線までの角度と、前記基準軸から推定された前記第１平板と前記第２平板が成す角の二等分線までの角度との比較から、前記台車に対する前記センサの姿勢のずれを較正する、
移動体。
前記有効領域は、前記第１平板及び前記第２平板にそれぞれ対応する第１領域及び第２領域を含み、
前記第１領域は、前記接合部から前記第１方向に沿った所定の範囲を含まず、
前記第２領域は、前記接合部から前記第２方向に沿った所定の範囲を含まない、
請求項１に記載の移動体。
前記第１領域の前記第１方向の長さは、前記第１平板の前記第１方向の長さより短く、前記第２領域の前記第２方向の長さは、前記第２平板の前記第２方向の長さより短い、
請求項２に記載の移動体。