JP7452127B2 - 自律移動装置および自律移動装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、自律移動装置および自律移動装置の制御方法に関する。

近年、無人搬送車や自律移動ロボットなど、自律的に移動する自律移動装置が広く普及している。自律移動装置は、路面の傾きや段差によって転倒するおそれがある。そのため、自律移動装置には、走行を許容する傾きが事前に設定されており、当該傾きを超える坂道などを回避するようにしている。
路面状態を検出して自律走行を行う自律移動装置として、例えば特許文献１に記載の技術がある。この技術は、周辺情報取得センサにより検出された自律走行装置の周辺情報を、傾斜センサにより検出された自律走行装置の傾斜状態に基づいて補正することで、勾配のある走路での周辺情報の誤検出をなくし、正確な周辺情報に基づく走行制御を行う技術である。

特開２０１６－１３９３８９号公報

上記従来の自律移動装置では、走行が許容される傾斜が事前に設定されているが、自律移動装置が転倒する傾きは、重心や車輪の組みつけ方によって異なり、事前に設定された許容傾斜で十分であるかは判定できない。
また、実際に自律移動装置が転倒する傾きに対して、十分に余裕を持たせて許容傾斜が設定されていると、走行可能域が制約され、自律移動装置の性能を十全に発揮させることができない。
そこで、本発明は、走行を許容する許容傾斜を適切に設定し、十全に性能を発揮することができる自律移動装置および自律移動装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一つの態様の自律移動装置は、左右一対の車輪と、前記左右一対の車輪にそれぞれ対応して設けられ、前記車輪を回転させるモータと、前記車輪によって任意の方向に走行可能な車体と、前記モータに流れるモータ電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部により検出されたモータ電流を用いて、前記車体が転倒する角度である転倒限界角度を推定する転倒限界角度推定部と、前記転倒限界角度推定部により推定された転倒限界角度に基づいて、前記車体を走行制御する走行制御部と、を備える。
このように、モータ出力に基づいて転倒限界角度を推定するので、重心や車輪の組み付き方に応じて変化する転倒限界角度を適切に推定することができる。したがって、自律移動装置の走行を許容する許容傾斜を適切に設定することが可能となり、十全に性能を発揮させることが可能となる。

また、上記の自律移動装置において、前記モータは、ダイレクトドライブモータであってもよい。この場合、減速機を使用しないため、モータ電流からモータ出力を高精度に検出することができる。
さらに、上記の自律移動装置において、前記転倒限界角度推定部は、左右の前記車輪の荷重の比に基づいて前記車体の重心位置を推定する重心推定部を備え、前記重心推定部により推定された重心位置と、前記車輪の中心間距離とに基づいて、前記転倒限界角度を推定してもよい。
この場合、車体の重心位置を適切に推定することができ、転倒限界角度を精度良く推定することができる。

また、上記の自律移動装置において、前記重心推定部は、前記車体を水平な路面で走行させたときに推定した前記荷重の比に基づいて、前記車体の左右方向における重心位置を推定する第１の重心推定部と、前記車体を左右方向に傾斜している路面で走行させたときに推定した前記荷重の比と、前記第１の重心推定部により推定された前記左右方向における重心位置とに基づいて、前記車体の重心高さを推定する第２の重心推定部と、を備えていてもよい。
この場合、車体の左右方向における重心位置と上下方向における重心高さとを適切に推定することができる。
また、上記の自律移動装置において、前記重心推定部は、前記電流検出部により検出されたモータ電流をもとに前記モータの出力軸トルクを推定することで前記車輪に掛かる荷重を推定し、左右の前記車輪の荷重の比に基づいて前記車体の重心位置を推定してもよい。
この場合、車体の重心位置を適切に推定することができ、転倒限界角度を精度良く推定することができる。

さらに、上記の自律移動装置は、前記車体の傾斜状態を検出する傾斜検出部をさらに備え、前記走行制御部は、前記傾斜検出部により検出された前記車体の傾斜状態に基づいて、前記車体の傾きが前記転倒限界角度推定部により推定された転倒限界角度に応じて設定される許容角度を超えていると判定した場合、進行方向が走行不可能であると判定し、進行方向に存在する路面エリアを回避するべく前記車体を走行制御してもよい。この場合、車体の傾斜状態に基づいて転倒余裕を判別することができるので、車体が乗り上げた路面の走行可否を適切に判定することができる。
また、上記の自律移動装置において、前記傾斜検出部は、前記電流検出部により検出されたモータ電流をもとに前記モータの出力軸トルクを推定することで前記車輪に掛かる荷重を推定し、左右の前記車輪の荷重の比に基づいて前記車体の傾斜状態を検出してもよい。この場合、緩やかな傾斜やバンクへの乗り上げを適切に検出することができ、乗り上げた路面の走行可否を適切に判定することができる。

また、上記の自律移動装置は、前記車体の周辺情報を取得する周辺情報取得部をさらに備え、前記走行制御部は、前記周辺情報取得部により検出された前記車体の周辺情報に基づいて、進行方向に前記転倒限界角度推定部により推定された転倒限界角度に応じて設定される許容角度を超える傾きを有する路面が存在すると判定した場合、進行方向が走行不可能であると判定し、進行方向に存在する路面エリアを回避するべく前記車体を走行制御してもよい。
この場合、車体が許容傾斜を超える傾きを有する路面に乗り上げる前に、当該路面を回避することができる。したがって、確実に車体の転倒を回避することができる。

さらにまた、上記の自律移動装置において、前記走行制御部は、前記進行方向が走行不可能であると判定した場合、前記車体を前記進行方向とは逆方向に所定距離だけ走行させ、前記進行方向に存在する路面エリアを回避する走行経路を再設定してもよい。この場合、走行不可能な路面エリアを回避する走行経路を適切に設定することができる。

また、本発明の一つの態様の自律移動装置の制御方法は、左右一対の車輪と、前記左右一対の車輪にそれぞれ対応して設けられ、前記車輪を回転させるモータと、前記車輪によって任意の方向に走行可能な車体と、を備える自律移動装置の制御方法であって、前記モータに流れるモータ電流を検出するステップと、検出された前記モータ電流を用いて、前記車体が転倒する角度である転倒限界角度を推定するステップと、推定された前記転倒限界角度に基づいて、前記車体を走行制御するステップと、を含む。
このように、モータ出力に基づいて転倒限界角度を推定するので、重心や車輪の組み付き方に応じて変化する転倒限界角度を適切に推定することができる。したがって、自律移動装置の走行を許容する許容傾斜を適切に設定することが可能となり、十全に性能を発揮することが可能となる。

さらに、本発明の一つの態様の自律移動装置の制御方法は、左右一対の車輪と、前記左右一対の車輪にそれぞれ対応して設けられ、前記車輪を回転させるモータと、前記車輪によって任意の方向に走行可能な車体と、を備える自律移動装置の制御方法であって、左右の前記車輪の荷重の比に基づいて前記車体の重心位置を推定するステップと、推定された前記重心位置と、前記車輪の中心間距離とに基づいて、前記転倒限界角度を推定するステップと、推定された前記転倒限界角度に基づいて、前記車体を走行制御するステップと、を含む。
このように、左右の車輪の荷重の比に基づいて転倒限界角度を推定するので、重心や車輪の組み付き方に応じて変化する転倒限界角度を適切に推定することができる。したがって、自律移動装置の走行を許容する許容傾斜を適切に設定することが可能となり、十全に性能を発揮することが可能となる。

本発明の一つの態様によれば、走行を許容する許容傾斜を適切に設定し、高い走行性能を発揮することができる。

図１は、自律移動システムの概略構成を示す図である。 図２は、走行制御装置およびモータ駆動装置の機能ブロック図である。 図３は、自律移動装置の動作を説明するフローチャートである。 図４は、キャリブレーション処理手順を示すフローチャートである。 図５は、車輪に掛かる荷重と重心位置との関係を説明する図である。 図６は、車輪に掛かる荷重を示す図である。 図７は、重心位置の算出方法を説明する図である。 図８は、転倒限界角度を示す図である。 図９は、走行動作処理手順を示すフローチャートである。 図１０は、第二の実施形態における走行制御装置およびモータ駆動装置の機能ブロック図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

（第一の実施形態）
図１は、本実施形態における自律移動装置（自走車）１を備える自律移動システム１００の概略構成を示す図である。
この図１に示すように、自律移動システム１００は、自走車１と、外部コンピュータ７０と、アクセスポイント７２と、を備える。自走車１は、例えば工場内などにおいて、ユーザが運転操作を行わなくとも自律的に走行する無人搬送車（ＡＧＶ）とすることができる。自走車１は、アクセスポイント７２を介して、ユーザが操作する外部コンピュータ７０と無線通信により通信可能である。無線通信の規格は、特に限定されない。
なお、本実施形態では、自走車１がＡＧＶである場合について説明するが、自走車１は、モータを駆動源とする車輪（駆動輪）を有する差動二輪駆動の自走体であればよく、例えば自律走行が可能な自律移動ロボットなどであってもよい。

自走車１は、図１に示すように、車輪２と、補助輪３と、車体４と、を備える。車輪２および補助輪３は、車体４に回転自在に支持されている。
車輪２は、減速機（構）を有さないダイレクトドライブモータ（ＤＤモータ）５にタイヤを取り付けた構成を有する駆動輪ユニットであり、ＤＤモータ５を駆動源として回転する。自走車１（車体４）は、左右一対の車輪２を駆動輪とした差動二輪駆動型の移動装置である。補助輪３は、車体４の四隅に取り付けられている。なお、補助輪３の設置数や取り付け位置は、図１に示す構成に限定されない。

また、自走車１は、図１に示すように、ＤＤモータ５を駆動するモータ駆動装置６を備える。モータ駆動装置６は、モータドライバを含む駆動回路を備える。モータ駆動装置６は、後述する走行制御装置１０から出力される速度指令値を入力し、当該速度指令値に基づいてＤＤモータ５を駆動制御する。
また、モータ駆動装置６は、ＤＤモータ５のモータ電流を検出する電流センサ６３（図２参照）を備える。さらに、モータ駆動装置６は、自走車１の傾斜状態を検出する傾斜センサ６４（図２参照）を備えていてもよい。ここで、傾斜センサ６４は、例えば加速度センサやジャイロセンサとすることができる。

また、自走車１は、図１に示すように、車体４に取り付けられた複数のレーザレンジファインダ（ＬＲＦ）７を備えていてもよい。ＬＲＦ７は、レーザを照射し、物体に反射して戻ってくるまでの時間から距離を測定するセンサである。ＬＲＦ７は、自走車１の周囲に扇状のレーザを照射し、周囲の物体までの距離を測定することで自走車１の周囲情報を取得する周囲情報取得センサである。
なお、ＬＲＦ７の設置数や取り付け位置は、図１に示す構成に限定されない。また、周囲情報取得センサは、ＬＲＦに限定されるものではなく、例えば超音波センサやカメラ（ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ）等であってもよい。

また、自走車１は、図１に示すように、自走車１の走行を制御する走行制御装置１０を備える。走行制御装置１０は、ボードＰＣなどの上位装置である。走行制御装置１０は、無線通信機能を有し、アクセスポイント７２を介して、ユーザが外部コンピュータ７０から入力した動作指令を受信したり、自走体１の走行ログを外部コンピュータ７０に送信したりすることができる。ここで、走行制御装置１０が外部コンピュータ７０から受信する動作指令は、自走車１の目的地情報や走行経路情報などを含む。
走行制御装置１０は、例えば、ＬＲＦ７により取得された周囲情報に基づいて自走車１が走行可能なエリアのマップ情報を生成し、自走車１の進行方向を決定する。そして、走行制御装置１０は、決定された進行方向に進むための速度指令値を生成し、生成した速度指令値を動作指令としてモータ駆動装置６に出力する。

本実施形態では、自走車１は、左右方向に傾斜している路面に乗り上げて転倒することを防止するために、自走車１が転倒する限界の角度（転倒限界角度）を推定し、当該転倒限界角度に基づいて、転倒姿勢となる傾斜や段差を回避するように走行制御を行う。なお、左右方向に傾斜している路面とは、自走車１を乗せたときに自走車１が左右方向に傾く路面であり、左右方向に所定の傾きを有する斜面や、左右輪で接地面の高さが異なる段差などを含む。
本実施形態では、自走車１は、車輪２の駆動源であるＤＤモータ５の出力を用いて、転倒限界角度を推定する。具体的には、ＤＤモータ５のモータ電流からＤＤモータ５の出力軸トルクを推定することで左右の車輪２に掛かる荷重の比を推定し、推定した荷重比を用いて自走車１の重心位置を推定する。そして、自走車１の重心位置と、車輪２の中心間距離とに基づいて、転倒限界角度を推定する。

図２は、走行制御装置１０およびモータ駆動装置６の機能ブロック図である。
この図２に示すように、走行制御装置１０は、転倒限界角度推定部１１と、経路決定部１２と、動作指令部１３と、を備える。モータ駆動装置６は、進退判別部６１と、駆動制御部６２と、を備える。なお、電流センサ６３および傾斜センサ６４は、上述したようにモータ駆動装置６が備える。

転倒限界角度推定部１１は、自走車１の転倒限界角度を推定し、推定した転倒限界角度をモータ駆動装置６に出力する。具体的には、転倒限界角度推定部１１は、自走車１の重心位置を推定し、推定された重心位置と左右輪２の中心間距離（トレッド幅）とに基づいて、転倒限界角度を推定する。
ここで、自走車１の左右方向の重心位置は、自走車１が傾きのない水平な路面を走行しているときの左右の車輪２に掛かる荷重比に基づいて推定することができる。また、自走車１の重心高さは、自走車１が左右方向に傾斜している路面を走行しているときの左右の車輪２に掛かる荷重比と、自走車の左右方向の重心位置とに基づいて推定することができる。転倒限界角度の推定方法については、後で詳述する。

経路決定部１２は、ユーザが入力した走行経路情報をもとに、自走車１の進行方向を決定する。このとき、経路決定部１２は、周辺情報取得センサ（ＬＲＦ）７により取得された周辺情報に基づいて障害物を検知し、検知した障害物を回避するように進行方向を決定してもよい。
また、経路決定部１２は、自走車１の自己位置を推定し、現在位置からユーザが入力した目的地までの走行経路を決定し、自走車１の進行方向を決定するようにしてもよい。自己位置の推定方法は、任意の方法を用いることができる。例えば、ＬＲＦ７により取得された周辺情報を用いて自己位置を推定してもよい。また、建屋内に設置したビーコン等が発する信号やＧＰＳ信号を用いて自己位置を推定してもよいし、左右の車輪２の回転速度情報を用いて自走車１の移動方向やスタート地点からの移動距離を算出することで自己位置を推定してもよい。
動作指令部１３は、経路決定部１２により決定された進行方向に進むための速度指令値を左右の車輪２のそれぞれに対して生成し、これを動作指令としてモータ駆動装置６に出力する。

進退判別部６１は、転倒限界角度推定部１１により推定された転倒限界角度に基づいて、進行方向に存在する路面が走行可能な路面であるか否かを判定する。具体的には、進退判別部６１は、自走車１の傾斜状態に基づいて、自走車１の傾きが転倒限界角度に応じて設定される許容角度を超えていると判定した場合、進行方向が走行不可能であると判定する。
ここで、自走車１の傾斜状態は、左右輪に掛かる荷重比から算出することができる。なお、自走車１の傾斜状態は、傾斜センサ６４により検出してもよい。進退判別部６１は、進行方向が走行不可能であると判定した場合、経路決定部１２に走行経路の再設定を指示する。

駆動制御部６２は、左右の車輪２がそれぞれ速度指令値に従って回転するように、左右のＤＤモータ５をそれぞれ駆動制御し、自走車１を走行させる。
なお、この図２において、経路決定部１２、動作指令部１３、進退判別部６１および駆動制御部６２が走行制御部に対応している。また、電流センサ６３が電流検出部に対応し、傾斜センサ６４が傾斜検出部に対応している。

次に、図３に基づき、自走車１の動作について説明する。
この図３に示す処理は、ユーザが自走車１に荷物などを載せた後、自走体１の始動開始を指示するボタン等（不図示）を押下したタイミングで開始される。ただし、図３の処理の開始タイミングは、上記に限定されない。
まずステップＳ１において、走行制御装置１０は、ユーザが外部コンピュータ７０を操作して入力したパラメータを取得する。当該パラメータは、後述する自走車１のキャリブレーション（ステップＳ２）や走行動作（ステップＳ３）に必要な各種情報を含む。

ステップＳ２では、走行制御装置１０は、図４に示すキャリブレーション処理を行い、自走車１の転倒限界角度を推定する。
図４のステップＳ２１では、動作指令部１３（図２参照）は、自走車１が水平な路面で前後に走行するように、モータ駆動装置６に動作指令を出力する。このとき、動作指令部１３は、傾斜センサ６４で自走車１の水平状態を検出していることを確認して、自走車１を所定の速度で走行させるようにしてもよい。そして、ステップＳ２２では、転倒限界角度推定部１１は、自走車１の重量を推定（後述の（Ｗ_Ｌ＋Ｗ_Ｒ））するとともに、左右の車輪２に使用しているＤＤモータ５の出力軸トルクの差から自走車１の左右方向における重心位置を推定する。
モータの出力軸トルクは、モータ電流に基づいて算出することができる。本実施形態では、車輪２に使用しているモータはＤＤモータであるため、モータ電流ｉと出力軸トルクτとの関係は、次式で表すことができる。
ｉ＝（１／Ｋｔ）・τ ………（１）
ここで、Ｋｔはトルク定数である。

このように、車輪２に使用しているＤＤモータ５のモータ電流ｉを検出することで、ＤＤモータ５の出力軸トルクτを検出することができる。
自走車１の重心位置が左右方向において偏っていない場合、左右の出力軸トルクは等しい。したがって、転倒限界角度推定部１１は、左右の出力軸トルクに基づいて荷重Ｗ_Ｌ，Ｗ_Ｒを推定し、自走車１の重心位置が左右方向においてどの位置にあるかを推定することができる。例えば、図５に示すように、荷重Ｗ_ＬとＷ_Ｒは出力軸トルクから推定できるので、重心Ｇまわりのモーメントのつり合いより、距離ａ、ｂは求められる。ここで、距離ａは、左輪２Ｌの接地点と、重心Ｇから鉛直方向に伸ばした線ｇが接地面と交わる交点との間の距離である。また、距離ｂは、右輪２Ｒの接地点と交点との間の距離である。

ステップＳ２３では、動作指令部１３は、自走車１が水平な路面で、車体の中心を軸としてその場で旋回する超信地旋回するように、モータ駆動装置６に動作指令を出力し、ステップＳ２４に移行する。ステップＳ２４では、転倒限界角度推定部１１は、自走車１の慣性モーメントを推定する。
ステップＳ２５では、動作指令部１３は、自走車１が左右方向に傾斜している路面を走行するように、モータ駆動装置６に動作指令を出力し、ステップＳ２６に移行する。ステップＳ２６では、転倒限界角度推定部１１は、自走車１の転倒限界角度を算出し、図４のキャリブレーション処理を終了する。なお、重心位置が左右方向において中央付近であれば転倒限界角度以上でも許容してもよく、どちらかに偏っている場合は右傾斜と左傾斜それぞれにおいて転倒限界角度を算出する。

以下、ステップＳ２６における転倒限界角度の算出方法について、具体的に説明する。
モータの出力軸トルクは、タイヤの負荷慣性モーメントと、路面からの摩擦トルクとから成る。タイヤの負荷慣性モーメントは構造から算出でき、摩擦トルクはタイヤに掛かる荷重に比例する。したがって、モータ電流をもとに算出される左右輪の出力軸トルクから、車輪２に掛かる荷重を推定することができる。
例えば図６に示すように、自走車１がロール方向に傾くように段差に乗せて走行させた場合、右輪２Ｒに掛かる荷重Ｗ_Ｒは、左輪２Ｌに掛かる荷重Ｗ_Ｌよりも大きい。そして、このときの左右輪２Ｌ、２Ｒに掛かる荷重Ｗ_ＲとＷ_Ｒとの比は、図７に示す距離ａ、ｂの比に等しい。
Ｗ_Ｌ／Ｗ_Ｒ＝ｂ／ａ ………（２）
ここで、距離ａは、自走車１が水平面４２に対して角度θの傾斜面４３に乗っているときの、左輪２Ｌの接地点４４と、重心Ｇから鉛直方向に伸ばした線（図７中の直線ｖ－ｖ）が傾斜面４３と交わる交点４５との間の距離である。また、距離ｂは、右輪２Ｒの接地点４６と交点４５との間の距離である。

図４のステップＳ２６では、転倒限界角度推定部１１は、左右方向に傾斜している路面で自走車１を走行させているときの左右輪２Ｌ、２Ｒに掛かる荷重比を用いて、自走車１の重心Ｇの位置（図７の重心高さｈ）を推定し、推定された重心Ｇの位置をもとに転倒限界角度を推定する。
まず、転倒限界角度推定部１１は、左右方向に傾斜している路面で自走車１を走行させているときの自走車１の傾きθを、傾斜センサ６４により検出する。なお、路面の角度が既知である場合には、傾斜センサ６４による傾きθの検出は不要である。そして、転倒限界角度推定部１１は、図７に示すように、自走車１の傾きθと、左右輪２Ｌ、２Ｒに掛かる荷重比（距離ａ、ｂ）と、自走車１の左右方向の重心位置（図７中の直線ｇ－ｇ）とに基づいて、自走車１の重心高さｈを推定する。ここで、自走車１の左右方向の重心位置は、図４のステップＳ２２において推定されている。つまり、転倒限界角度推定部１１は、図７に示す直線ｇ－ｇと直線ｖ－ｖとの交点を重心Ｇの位置として推定し、自走車１の重心高さｈを推定する。

次に、転倒限界角度推定部１１は、自走車１の左右方向の重心位置と重心高さｈとを用いて、自走車１の転倒限界角度を推定する。
自走車１の転倒限界角度は、片輪に掛かる荷重がゼロになる角度であり、図８に示すように、自走車１の右方向への転倒限界角度θ_Rは、自走車１の重心Ｇが右輪２Ｒの接地点４６の真上に位置するときの自走車１の傾きである。
つまり、右方向への転倒限界角度θ_Rは、重心Ｇから右輪２Ｒの接地点４６までの自走車１の左右方向における距離Ｌ_Rと、自走車１の重心高さｈと、に基づいて推定することができる。同様に、左方向への転倒限界角度θ_L（不図示）は、重心Ｇから左輪２Ｌの接地点４４までの自走車１の左右方向における距離Ｌ_Lと、自走車１の重心高さｈと、に基づいて推定することができる。ここで、距離Ｌ_LとＬ_Rとの和は、自走車１の左右輪２Ｌ、２Ｒの距離（トレッド幅）Ｌに等しい。

例えば、自走車１の重心が左右方向に偏っていない場合、自走車１の右方向への転倒限界角度θ_Rは次式で表すことができる。
θ_R＝ｔａｎ^-1（Ｌ_R／ｈ）＝ｔａｎ^-1（Ｌ／２ｈ） ………（３）
なお、ステップＳ２６においては、重心高さｈの推定を複数回行い、複数の重心高さｈの推定結果をもとに最終的な転倒限界角度の推定結果を得るようにしてもよい。この場合、自走車１を走行させる路面の傾斜角度を毎回異ならせてもよい。
この図４の処理が重心推定部の機能に対応しており、詳細には、ステップＳ２１およびＳ２２の処理が第１の重心推定部の機能に対応し、ステップＳ２５およびＳ２６の処理が第２の重心推定部の機能に対応している。

図３に戻って、ステップＳ３では、モータ駆動装置６は、走行制御装置１０からの動作指令に基づいてＤＤモータ５を駆動制御し、自走車１を目的地へ向けて走行させる。このときモータ駆動装置６は、図９に示す走行動作処理を実行する。
図９のステップＳ３１では、進退判別部６１は、走行制御装置１０からの動作指令に基づいて自走車１を走行させているときに、進行方向が走行可能であるか否かを判定する。
具体的には、進退判別部６１は、電流センサ６３により検出されたモータ電流からＤＤモータ５の出力軸トルクを推定することで左右輪に掛かる荷重比を推定し、自走車１の傾斜状態を検出する。そして、進退判別部６１は、自走車１の傾斜状態に基づいて、自走車１の傾きが転倒限界角度に応じて設定される許容角度を超えていると判定した場合、進行方向が走行不可能であると判定する。

ここで、上記許容角度は、自走車１の転倒限界角度未満の値に設定する。また、許容角度は、右方向の転倒限界角度θ_Rと左方向の転倒限界角度θ_Lとに応じて、左右それぞれについて設定する。そして、自走車１が右方向に傾斜している場合には右方向の転倒限界角度θ_Rに応じて設定される許容角度をもとに進行方向の走行可否を判定し、自走車１が左方向に傾斜している場合には左方向の転倒限界角度θ_Lに応じて設定される許容角度をもとに進行方向の走行可否を判定する。
なお、自走車１の傾斜状態は、傾斜センサ６４により検出してもよい。傾斜センサ６４を用いることで、自走車１の傾斜状態を容易に検出することができる。

進退判別部６１は、ステップＳ３１において進行方向が走行可能であると判定した場合、ステップＳ３２に移行し、自走車１を前進させるよう走行制御してステップＳ３３に移行する。なお、ここでは、進行方向が自走車１の前進方向であるものとして説明する。
ステップＳ３３では、モータ駆動装置６は、自走車１が目的地に到達したか否かを判定する。例えばモータ駆動装置６は、走行制御装置１０から自走車１を停止させる動作指令を入力した場合、目的地に到達したと判定することができる。そして、モータ駆動装置６は、自走車１が目的地に到達していないと判定した場合にはステップＳ３１に戻り、自走車１が目的地に到達したと判定した場合には自走車１を停止させ、図９の走行動作処理を終了する。

一方、進退判別部６１は、ステップＳ３１において進行方向が走行不可能であると判定した場合、ステップＳ３４に移行し、自走車１を進行方向とは逆方向に所定距離だけ走行させるよう走行制御する。ここで、自走車１の進行方向は、自走車１の前進方向であるため、このステップＳ２４では、自走車１を所定距離だけ後退させるよう走行制御ことになる。
ステップＳ３５では、進退判別部６１は、走行制御装置１０の経路決定部１２に対して自走車１の走行経路を再設定する指示を送信し、ステップＳ３１に戻る。これにより、経路決定部１２は、自走車１の進行方向に存在する路面エリアを回避して目的地へ向かうための走行経路を再設定し、操作指令部１３は、再設定された走行経路に沿って走行するための動作指令をモータ駆動装置６に出力する。なお、モータ駆動装置６が走行経路を再設定可能な場合には、モータ駆動装置６が走行経路の再設定を行ってもよい。

以上説明したように、本実施形態では、自走車１の実際の使用に先立って、キャリブレーション処理により自走車１が転倒するまでの傾き（転倒限界角度）を推定する。そして、実際に自走車１を使用する際には、推定された転倒限界角度に基づいて走行制御を行う。具体的には、モータ電流から左右輪に掛かる荷重を推定することで自走車１の傾斜状態を検出し、自走車１が転倒するまでの傾きの余裕を判別する。つまり、自走車１の傾きが転倒限界角度に応じて設定される許容角度を超えていると判定された場合、進行方向が走行不可能であると判定し、進行方向に存在する路面エリアを回避するべく走行制御する。

このように、モータ出力から転倒するまでの傾きの余裕を判別するので、自走車１が転倒の可能性のある路面に乗り上げているか否かを適切に判定することができる。したがって、自走車１が走行中に転倒しないように適切に走行制御を行うことができる。
走行可否の判別方法として、周辺情報取得センサや傾斜センサ等を用いて傾斜を検出する方法もあるが、緩やかに左右で異なる傾斜を持っている場合、バンクに乗り上げるおそれがある。本実施形態では、モータ出力を用いて左右輪の受ける荷重を推定するので、緩やかな傾斜やバンクへの乗り上げを適切に検出することができ、乗り上げた路面の走行可否を適切に判定することができる。
そして、進行方向が走行不可能である場合には、自走車１を後退させ、進行方向に存在する路面エリアを回避する走行経路を再設定することができる。この場合、自走車１を後退させた位置をスタート地点として走行経路を再設定することができるので、適切に走行不可能な路面エリアを回避する走行経路を設定することができる。

また、本実施形態では、転倒限界角度の推定に際し、モータ電流を用いる。具体的には、モータ電流をもとにＤＤモータ５の出力軸トルクを推定することで車輪２に掛かる荷重を推定し、左右の車輪２の荷重の比に基づいて自走車１の重心位置を推定する。そして、推定された重心位置と車輪２の中心間距離とに基づいて、転倒限界角度を推定する。
このように、モータ出力を用いるので、重心や車輪の組み付き方に応じて変化する転倒限界角度を適切に推定することができる。

従来の自律移動装置においては、事前に走行を許容する許容傾斜を設定しており、重心が高くなるなどの変化に対応可能なように、通常、許容傾斜は十分余裕を持たせて設定される。しかしながら、実際の転倒限界角度に対して、許容傾斜が十分に余裕を持たせて設定されていると、走行可能な路面であっても走行不可能であると判定して回避してしまうなど、性能を十全に発揮させることができない。
これに対して、本実施形態では、自走車１に荷物を載せることで重心が変化した場合でも、自走車１の重心位置を適切に推定することができるので、自走車１の走行を許容する許容傾斜を、実際の転倒限界角度に応じて適切に設定することが可能となる。つまり、許容傾斜の範囲を上記従来と比較して大きく設定することが可能となり、十全に性能を発揮することが可能となる。

さらに、本実施形態では、車輪を回転させる駆動源として、ダイレクトドライブモータ（ＤＤモータ）を使用することができる。この場合、減速機を使用しないため、モータ電流ｉと出力軸トルクτとの関係は、上記（１）式で表すことができる。
一方、サーボモータ＋減速機の構成の場合、モータ電流ｉと出力軸トルクτとの関係は、次式となる。
ｉ＝（１／η・Ｋｔ）・τ ………（４）
ここで、ηは減速比である。
車輪を回転させる駆動源としてＤＤモータを使用することで、ある出力軸トルクτに対してのモータ電流ｉが大きくなり、モータのスイッチングや周辺のノイズの影響が小さくなり検出精度を向上させることができる。つまり、サーボモータ＋減速機を使用した構成に比べて、モータ電流ｉからモータの出力軸トルクτを高精度に推定することができ、結果として転倒限界角度の推定や自走車１の傾斜状態の検出を高精度に行うことができる。したがって、自走車１の転倒を防止するための走行制御を適切に行うことができる。

（第二の実施形態）
次に、本発明における第二の実施形態について説明する。
上述した第一の実施形態は、電流センサや傾斜センサにより検出した傾斜状態をもとに進行方向の走行可否を判定する場合について説明した。この第二の実施形態では、周辺情報取得センサにより検出した周辺情報をもとに進行方向の走行可否を判定する場合について説明する。

図１０は、本実施形態における走行制御装置１０およびモータ駆動装置６の機能ブロック図である。この図１０において、図２と同様の構成を有する部分には図２と同一符号を付し、以下、構成の異なる部分を中心に説明する。
図１０に示すように、走行制御装置１０は、転倒限界角度推定部１１と、経路決定部１２と、動作指令部１３と、進退判別部１４と、を備える。モータ駆動装置６は、駆動制御部６２を備える。

進退判別部１４は、上述した第一の実施形態における進退判別部６１と同様に、転倒限界角度推定部１１により推定された転倒限界角度に基づいて、進行方向に存在する路面が走行可能な路面であるか否かを判定する。ただし、進退判別部１４は、周辺情報取得センサ（ＬＲＦ）７により検出された周辺情報を用いて進行方向の走行可否を判定する点で進退判別部６１とは異なる。
なお、図１０におけるレーザレンジファインダ（ＬＲＦ）７は、第一の実施形態の用途（障害物検知や自己位置推定）とは異なり、周辺情報取得部に対応している。

すなわち、進退判別部１４は、図９のステップＳ３１において、ＬＲＦ７により取得された周辺情報に基づいて、自走車１の進行方向に存在する路面の傾きを検出する。そして、自走車１の進行方向に転倒限界角度に応じて設定される許容角度を超える傾きを有する路面が存在すると判定した場合、進行方向が走行不可能であると判定してステップＳ３４に移行する。

上述した第一の実施形態のように、電流センサ６３や傾斜センサ６４を用いて自走車１の傾きを検出し、進行方向の走行可否を判定する構成の場合、実際に自走車１が斜面や段差に乗り上げないと判定を行うことができない。これに対して、本実施形態では、ＬＲＦ７を使用して自走車１の進行方向に存在する路面の高さや傾斜状態を取得することができるので、自走車１が傾斜を有する路面に乗り上げる前に走行可否を判定することができる。したがって、許容角度を超える傾きを有する路面エリアを事前に回避することができる。

なお、本実施形態では、図９のステップＳ３１において進行方向が走行不可能であると判定された場合、ステップＳ３４において自走車１を後退させてから、ステップＳ３５において走行経路を再設定する場合について説明した。しかしながら、ステップＳ３４の処理は省略してもよい。つまり、進行方向が走行不可能であると判定されたら、自走車１を後退させずに走行経路を再設定してもよい。

（変形例）
上記各実施形態においては、車輪２を回転させるモータがダイレクトドライブモータ（ＤＤモータ）である場合について説明した。しかしながら、サーボモータ＋減速機を使用した構成であってもよい。ただし、上述したように、ＤＤモータの方がモータの出力軸トルクの検出精度が良いため、好ましい。
また、上記各実施形態は、組み合わせて実施することも可能である。つまり、ＬＲＦ７により取得された周辺情報に基づく進行方向の走行可否を判定と、自走車１の傾斜情報に基づく進行方向の走行可否の判定とを組み合わせて実施してもよい。この場合、より確実に自走車１の転倒を回避することが可能となる。
また、自走車１の前後方向（上り坂走行や下り坂走行）に対しても、第一の実施形態と同様な転倒限界角度推定部１１を適用することができる。

１…自律移動装置（自走車）、２…車輪、３…補助輪、４…車体、５…ダイレクトドライブモータ（ＤＤモータ）、６…モータ駆動装置、７…レーザレンジファインダ、１０…走行制御装置、１１…転倒限界角度推定部、１２…経路決定部、１３…動作指令部、１４…進退判別部、６１…進退判別部、６２…駆動制御部、６３…電流センサ、６４…傾斜センサ

Claims (10)

1. 左右一対の車輪と、
   前記左右一対の車輪にそれぞれ対応して設けられ、前記車輪を回転させるモータと、
   前記車輪によって任意の方向に走行可能な車体と、
   前記モータに流れるモータ電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部により検出されたモータ電流を用いて、前記車体が転倒する角度である転倒限界角度を推定する転倒限界角度推定部と、
   前記転倒限界角度推定部により推定された転倒限界角度に基づいて、前記車体を走行制御する走行制御部と、
   前記車体の傾斜状態を検出する傾斜検出部と、を備え、
   前記走行制御部は、
   前記傾斜検出部により検出された前記車体の傾斜状態に基づいて、前記車体の傾きが前記転倒限界角度推定部により推定された転倒限界角度に応じて設定される許容角度を超えていると判定した場合、進行方向が走行不可能であると判定し、進行方向に存在する路面エリアを回避するべく前記車体を走行制御することを特徴とする自律移動装置。
2. 前記モータは、ダイレクトドライブモータであることを特徴とする請求項１に記載の自律移動装置。
3. 前記転倒限界角度推定部は、
   左右の前記車輪の荷重の比に基づいて前記車体の重心位置を推定する重心推定部を備え、
   前記重心推定部により推定された重心位置と、前記車輪の中心間距離とに基づいて、前記転倒限界角度を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の自律移動装置。
4. 前記重心推定部は、
   前記車体を水平な路面で走行させたときに推定した前記荷重の比に基づいて、前記車体の左右方向における重心位置を推定する第１の重心推定部と、
   前記車体を左右方向に傾斜している路面で走行させたときに推定した前記荷重の比と、前記第１の重心推定部により推定された前記左右方向における重心位置とに基づいて、前記車体の重心高さを推定する第２の重心推定部と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の自律移動装置。
5. 前記重心推定部は、前記電流検出部により検出されたモータ電流をもとに前記モータの出力軸トルクを推定することで前記車輪に掛かる荷重を推定し、
   左右の前記車輪の荷重の比に基づいて前記車体の重心位置を推定することを特徴とする請求項３または４に記載の自律移動装置。
6. 前記傾斜検出部は、
   前記電流検出部により検出されたモータ電流をもとに前記モータの出力軸トルクを推定することで前記車輪に掛かる荷重を推定し、左右の前記車輪の荷重の比に基づいて前記車体の傾斜状態を検出することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の自律移動装置。
7. 前記車体の周辺情報を取得する周辺情報取得部をさらに備え、
   前記走行制御部は、
   前記周辺情報取得部により検出された前記車体の周辺情報に基づいて、進行方向に前記転倒限界角度推定部により推定された転倒限界角度に応じて設定される許容角度を超える傾きを有する路面が存在すると判定した場合、進行方向が走行不可能であると判定し、進行方向に存在する路面エリアを回避するべく前記車体を走行制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の自律移動装置。
8. 前記走行制御部は、
   前記進行方向が走行不可能であると判定した場合、前記車体を前記進行方向とは逆方向に所定距離だけ走行させ、前記進行方向に存在する路面エリアを回避する走行経路を再設定することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の自律移動装置。
9. 左右一対の車輪と、前記左右一対の車輪にそれぞれ対応して設けられ、前記車輪を回転させるモータと、前記車輪によって任意の方向に走行可能な車体と、を備える自律移動装置の制御方法であって、
   前記モータに流れるモータ電流を検出するステップと、
   検出された前記モータ電流を用いて、前記車体が転倒する角度である転倒限界角度を推定するステップと、
   推定された前記転倒限界角度に基づいて、前記車体を走行制御するステップと、
   前記車体の傾斜状態を検出するステップと、を備え、
   前記車体を走行制御するステップでは、
   検出された前記車体の傾斜状態に基づいて、前記車体の傾きが、前記転倒限界角度に応じて設定される許容角度を超えていると判定した場合、進行方向が走行不可能であると判定し、進行方向に存在する路面エリアを回避するべく前記車体を走行制御することを特徴とする自律移動装置の制御方法。
10. 左右一対の車輪と、前記左右一対の車輪にそれぞれ対応して設けられ、前記車輪を回転させるモータと、前記車輪によって任意の方向に走行可能な車体と、を備える自律移動装置の制御方法であって、
    左右の前記車輪の荷重の比に基づいて前記車体の重心位置を推定するステップと、
    推定された前記重心位置と、前記車輪の中心間距離とに基づいて、転倒限界角度を推定するステップと、
    推定された前記転倒限界角度に基づいて、前記車体を走行制御するステップと、
    前記車体の傾斜状態を検出するステップと、を備え、
    前記車体を走行制御するステップでは、
    検出された前記車体の傾斜状態に基づいて、前記車体の傾きが、前記転倒限界角度に応じて設定される許容角度を超えていると判定した場合、進行方向が走行不可能であると判定し、進行方向に存在する路面エリアを回避するべく前記車体を走行制御することを特徴とする自律移動装置の制御方法。

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