JPH02170205A - 光線システムで構成する視覚航法及び障害物回避装置 - Google Patents

光線システムで構成する視覚航法及び障害物回避装置

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JPH02170205A
JPH02170205A JP1229472A JP22947289A JPH02170205A JP H02170205 A JPH02170205 A JP H02170205A JP 1229472 A JP1229472 A JP 1229472A JP 22947289 A JP22947289 A JP 22947289A JP H02170205 A JPH02170205 A JP H02170205A
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radiation
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JP1229472A
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Jr John M Evans
ジヨン・マーチン・エヴアンス・ジユニア
Carl F R Weiman
カール・フレデリツク・ラインホールド・ワイマン
Steven J King
ステイーブン・ジヨセフ・キング
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Transitions Research Corp
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Transitions Research Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、移動ロボットのような移動中の運搬装置の
ための一般的な飢法及び障害物回避ビジョンシステム、
特に、その運搬装置の進路に沿って投射されるおおむね
平面状に構造化された１つ以上の放射バタン並びに反射
された放射を感知するためのイメージセンサを含むビジ
ョンシステムに関する。
移動ロボットのような自律性乗物は一般にその運搬装置
の飢法機能を通じて外部環境を感知するためのいくつか
のタイプのセンサーシステムからなっている。できれば
、そのセンサシステムは、ロボッ、トが、適当な活動を
起こせるように、そのロボットの進路内にある障害物を
感知するための能力を有することが望ましい、この活動
には障害物を迂回するためのロボットの進路の変更を含
むことがある。あるいは、また、支柱、ドアフレーム、
又は壁のような感知された物体が、あらかじめプログラ
ムされた軌道に従う位置ぎめ基準としてロボットが使用
する、航法用のランドマークを表わすこともある。シス
テムが採用している超音波、機械的接触構造及びレーザ
ー距離測定装置などは、技術的には知られている。
環境観察のためのカメラ、及び受動画像処理システムを
含むその他のシステムも知られている。
超音波検知器に関連して生じる問題は、環境中にいくつ
かの異なる反射特性を有する物体が通常存在することで
ある。物体は一般に寸法や表面特性及び超音波送信機へ
の向き方が異なっている。
機械的接触機構に関連する問題は、すくなくとも分解能
が欠如していることと、信号を発生するためには障害物
に実際に接触しなけらばならないことである。
イヤ業場＋病院を通過するときの航法のような応用例に
おいては、障害物が人間であるかもしれない、これらの
応用例において、ｆｉｌ害物との！ｔｋ理的理財接触ま
しくないと評価される。レーザー距離測定装置は高価で
、しかも大型であり、かなりの体力消耗が要求される。
伝統的な変動風景解析ビジョン・システムには、大量の
計算力が必要であり、その計算もかなり低速度であって
、しかも誤差を生じ易い。
一般にデータの解釈が遅すぎて、リアルタイムの航法に
は役立たず、陰影を物体と解釈してしまうというような
航法誤差をもたらす誤りが実証されることがあり得る。
ロボットの環境内で、ビジュアルマーカ又はビーコンを
用意することも知られている。システムに余分な費用と
複雑さをもたらし、ロボットの運動が、ビーコンが見う
る領域内に制限されるので、そのようなビーコンは望ま
しくない。
サービス地域内での移動ロボットの民間応用例には、床
掃除、身体障害者の補助、病院の輸送システム、郵便及
び保安などが含まれる。これらの応用例には、経費と体
力消耗が少なく、しかもリアルタイムでの移動データを
提供する、堅牢で信頼性の高い航法が必要になる。
したがって、移動ロボットに対して、画像と画像処理の
簡易化を用意することがこの発明の第一の目的となる。
移動ロボットに対して、複雑な画像処理を必要とせず、
しかもある環境全域でロボットを誘導するための十分な
画像分解能を有するビジョンシステムを用意することが
発明の第二の目的である。
ロボットの環境内に、ビーコンその他の環境上の改変を
必要としない、移動ロボットのための画像システムを用
意することがこの発明の第三の目的である。
ロボットの進路に横たわっており、航法に関係のある障
害物やランドマークについて、完全で明瞭な解釈を用意
し、しかも在来の受動画像処理システムに比べて、複雑
さ、経費及び体力の消耗が最も少ない移動ロボットのた
めの画像システムを用意することがこの発明の第四の目
的である。
すばやく作動し、ロボットの環境全域にわたって、ロボ
ットに連続的で適用可能な運動を許す、移動ロボットの
ためのビジョンシステムを用意することがこの発明の第
五の目的である。
前述の諸問題が克服され、物体検知装置、すなわち、ロ
ボット環境に、この発明による構造化ビームを投射する
方法及び装置である１以上の放射ビーム投射器を備えた
、移動ロボットのような運！ＭＷのためのビジョンシス
テムによってこの発明の目的は実現される。
ビーム構造の放射は、ロボットの進路の直前を取り囲み
、さらに、旋回するために必要な空間を取り囲むための
十分な幅のおおむね平面状のパターンを有することが望
ましい。
構造化ビームの輝度、特性及びパルス繰り返し率は、周
囲の照明条件の変化以上にイメージセンサのＳ／Ｎ比を
上げ、しかもエネルギーの消費か最小になるように見積
もられる。
この発明による物体検知システムは、さらにロボットの
直前の進路を取り囲む二次元の視界を有する電子カメラ
を含むイメージセンサをも含んでいる、イメージセンサ
・プロセッサは、２進データとして表現される、カメラ
の視界内のイメージメモリにアクセス可能なデータ処理
装置に結合されたフレーム・グラツバすなわちイメージ
メモリを含んでいる０画像処理は、少なくとも、おおむ
ね平面状の構造化ビームの放射を反射する目標について
の、ロボットを基準にした距離と方向の情報を得るため
の構造化ビームパターンの記憶画像を三角測量によって
部分的に達成されるロボットのモーション・コントロー
ル・システムは、ビジョンシステムからデータを入力し
、それにより、ロボットの前方にある環境の態様に関す
るデータを推論する。
図１ａにおいて、カメラ１２のような電子画像装置及び
上部投射器１４と下部投射器１６のような複数の構造化
ビーム投射器からなる移動ロボットの具体例の１を側面
図が示される。
この発明において、この光学体系はロボ・ｙト１０の進
路内にあるか又は近接している物体の位置を検知又は計
測する。これらの物体は家具や歩行者のような物体であ
ることもある。この物体はまた、ドアフレームのような
基準表面であることもある。
カメラ１２は、正方形や矩形の視界（ＦＯＶ）を有し、
その視界が移動中のロボット１０の進路の直前の区域を
取り巻くように、斜めに指向されているＣＣＤ１ｉＩｉ
ｉ（ａ装置からなることが望ましい、カメラ１２は、複
数のピクセルを発生し、それぞれのピクセルが、カメラ
放射感知装置の関連表面区域に起こる放射の強さを表示
する値を有する。投射器１４と１６によって投射された
構造化ビーム１４ａ及び１６ａは、それぞれが、おそら
くほとんど、家具、壁又はその他の障害物によって占め
られている領域における視界を横切るように配置された
、放射の面又はスリットの形状を有する。
ロボット１０は、さらに、カメラ１２の出力に結合され
る画像処理袋［１８をも含んでいる０画像処理装置１８
は、図１ｂに詳細を示すように、カメラ１２のビデオフ
レーム出力を含んでいる。ビデオメモリ１８Ａへの入力
は、カメラ１２のアナログ出力をデジタｌし化するアナ
ログ／デジタル（八／Ｄ）コンバータ１８Ｂから供給さ
れる。　Ａ／Ｄ　１８Ｂのデジタル出力は、ピクセル輝
度が再割り当てされることがあるルックアップテーブル
（ＬＯＴ）１８　Ｃへのアドレス入力を形成することが
できる。しり７１８Ｃはまた、イメージ・スレシュホー
ルディング〈画像しきい値決定）、又はヒストグラム修
正のために使用されることもある６画像処理装置１８は
、さらに、マイクロコンピュータ１８Ｄのような画像処
理デバイスをも含んでおり、それはビデオメモリ１８Ａ
に結合され、そこから記憶されたビデオフレームデータ
を読みとるために役立つ１画像処理装置１８は、さらに
、プログラムデータを記録するためのメモリを含んでい
るメモリ１８Ｂを含む、このプログラムデータは、少な
くとも、記憶した画像フレームデータからの三角測量計
算、後に細部についての説明がなされる三角法計算、を
実施するために働く。
画像処理装置１８は、さらに、ルックアップテーブルの
よ、うな特定の投射器１４又は１Ｇの関連したデータ４
ｉ１１３ｆｉをそれぞれが記憶するメモリ１８Ｆと１８
Ｇをも含んでいる。それぞれは、少なくとも、１画像フ
レーム個々のピクセルに関連する距離と方向の情報に関
して各テーブルに記入する。この発明のこれについての
見地も、また、以下に細部について説明される０画像処
理装置１８は、予定された期間中に投射器を作動させる
ために、投射器１４と１６に結合された複数の出力を有
することがある。後述されるように、投射器１４と１６
はカメラ１２と互いに同期してないときには、カメラの
作動すなわち、フレーム率に対して一致される。カメラ
１２の視界内にある物体に関する連続的な位置情報を表
示する画像処理装置の出力は、Ｒ３−２３２又はパラレ
ルデータリンクを通じ、その環境で知覚された画像に基
づいて航法データを作る航法制御処理装置２０に供給さ
れる。このデータは、ロボットを直進させるために使用
されることもあり、またロボットの進路にある障害物の
回避のために、ロボットの進路を変更するために使用さ
れることもある。航法制御処理装置２０の出力は、駆動
操向車輪２４に結合される出力を有する、駆動操向制御
装置２２に供給される。車＠２４は、通常は床面である
支持表面２６に接触している。航法制御処理装置２０は
、ロボット１０が移動する距離に関するオドメータの連
続する読みを出力とする駆動操向制御装置２２からの出
力を受領する。航法制御処理装置２０は、通常関連のメ
モリと支持の回路を有するデータ処理デバイスからなっ
ている。囲いは前述の装置を収納し、これを防護するた
めに用意される。
カメラ１２は、ＰＵＬＮＩＸ社製ノモデルＴＭ４４０Ｃ
ＣＤカメラが使用できる。カメラ１２は、視界を最大に
するために、たとえば、６，５關程度の比較的短い焦点
距離のレンズを使用している。マイクロコンピュータ１
８Ｄは、Ｉｎｔｅ１社製の８０２８６マイクロプ１フ七
ツサデバイスが使用できる。ＬＯＴ　１８Ｃ及びビデオ
メモリ１８Ａは、ＣｏｒｅｃｏやＩｉａｇｉｎａ　Ｔｅ
ｃｈｎｏ−ｏｇ　ｉｅｓで作られるようなタイプのもの
がフレームグラバ−・ＰＣ配線板に納められている。
一般に、画像処理装置１８は、バスを通じて普通のバッ
クプレイン及び通信回線に結合された標準のコンピュー
タアーキテクチャに適合する。この発明がいくつかの異
なる装置での実用化が試みられるべきであり、また、こ
こに提示される装置にのみ限定されると解釈すべきでは
ない。
投射器１４及び１６は、すべての所望スペクトル特性を
持つ平面ビームの投射のために作動できるが、この発明
の推奨される応用例は、約７００ｎｍ〜１０００ｎ１の
範囲の波長を持つ近赤外線光源の基板を採用する。近赤
外線放射はいくつかの理由で奨められる。近赤外線放射
はロボット１０と共通の環境で働く人間に強制されない
、ＣＣＤのイメージングセンサーはローコストで電力消
費が少なく、近赤外線に敏感であるので推奨できる。加
えて、投射器１４及び１６については、赤外線放射ダイ
オード（ＬＥＤ）がエネルギ効率がよく、ローコストで
入手できる。この点においてレーザーダイオードデバイ
スは、放射出力あたりの消費電力が多く、またスペクト
ルもかなり狭いので、カメラ１２の感度とのマツチング
がとりにくい、しかしながら、この発明は、白熱電球、
レーザー、フラッシュランプ、又はＬＥＤなと、放射セ
ンサーにより効率的に検知される波長を有するいかなる
光源にも応用できる。また、平面状の放射パターンには
、ナイフェツジ開口部を備えたり、レンズでビームを収
束したり、又は視準した、又は光源や反射索子のいずれ
かによりＲ械的に走査するなど、これらに限定されるも
のではないが、いかなる技法も適用できるものである。
出力放射ビーム１４ａ及び１６ａのエネルギーは、環境
の照度を識別できる十分な大きさを有しておりしかも消
費電力は極めて小さい。
その可視光線スペクトルにピーク値を有する蛍光灯照明
がなされる屋内環境で゛も、カメラ１２への入力に赤外
線フィルタ１２ａｔ使用することによってＳ／Ｎ比を改
善し、その干渉を最小限に押さえることができる。平面
状投射ビームのデユーティ−サイクルを下げることもま
た効率改善に役立つ。
すなわち画像露出に関し、光源は数ミリ秒間付勢される
だけで、その後はエネルギ節約のなめに消勢されること
になる。たとえば、もし運搬装置が毎秒１メートルで移
動していたとすれば、移動ロボットは人間にとってかな
り高速に移動していることになるが、１００ミリ秒ごと
に１回のフラッシュによって、１０センチメートルの床
上移動ごとに１個の画像が得られる。家具などの普通の
大きさの障害物は、移動の増分より大きいので、この画
像露出は通常の大きさの障害物を回避するには十分のも
のとなる。
エネルギを節約しなからＳ／Ｎ比を向上させる別の技法
は、フラッシュとノンフラッシュを急速に繰り返して２
種の画像を撮り、フラッシュ時の画像とノンフラッシュ
時の画像の各輝度をピクセルバイピクセル基準で減算す
ることである。この技法は、画像原算法として知られる
ものであり、構造化ビームパターンが強調される結果を
もたらす６ ナイフェツジ開口部のような平面状出力ビーム形成装置
を有するストロボ光源は、構造化ビーム投射器として使
用できる。標準のストロボフラッシュの持続時間はデユ
ーティ−サイクルが低いので、エネルギ効率が高い。
もしクセノンストロボ光源を使用するときは、人間に対
する悪影響を減少させるために赤外線フィルタを使用す
ることが望ましい。
この発明の実施例として、・・図２ａ及び２ｂにビーム
投射器が図示されており、図１ａのビーム投射器１４は
、円筒状反射器２８ａと円筒状非球面レンズ２８ｂとの
間に細長いおおむね円筒状のクセノンフラッシュチュー
ブ２８を有している。レンズ２８ｂは約０．５インチの
焦点距離を有しフラッシュチューブ２８からの直接及び
反射出力の双方を第二の円筒状非球面レンズ２８ｃに収
束させるように働く、フラッシュチューブ２８は、その
直接及び反射の出力が揃ってレンズ２８ｂに入るように
円筒状反射器２８ａの焦点に配置される０反射器２８ａ
は、このようにフラッシュチューブの背面から放射され
る光を集めて、チューブの前方に直接放射される光と同
じ方向に戻すことによって、光学装置のエネルギ効率を
向上させている。レンズ２８ａ及び２８ｃはガラスやプ
ラスチックのフレネルレンズを用いて、その重量と寸法
を小さくし、球面収差を劣化させることなく焦点距離を
短くすることができる。短焦点距離は広い角度から光を
集めるので、放射損失を少なくしている０円筒状レンズ
２８ｃは、約０．５インチの焦点距離を有・し、放射を
視準し平面状の放射出力を作る動きをする。前述のよう
に、バンドパルフィルタ２８ｄは、７００〜１１０００
ｎのような望ましい範囲の波長以外のほとんどすべての
波長を取り除くためにある。
第２ｃに示すように、レンズ２８ｂおよび２８ｃはフラ
ッシュチューブ２８からの放射ビームを、視準するスリ
ット開口部２８ｅ及び２８ｆに交換できる。
この配列はエネルギーがむだになるが、設計が容易で放
射の平行化にレンズを使用する方式よりも、設計が容易
であり費用も少ない。
−ｍに、投射された平面状のビームすなわち縞状の放射
の幅は、ロボットの前方進路にまたがるのに十分に広い
が、同時に単純すぎて解釈が不明瞭になる。こうして、
数本の縞が連続してフラッシュされても、−本の放射縞
だけが１回の画像捕捉に使用される。たとえば、交互に
投射され、連続して見える２本の水平放射組は、はぼ、
足首のレベルと椅子のシートベルトのレベルを照射する
ので、屋内での環境内の低い障害物と中間の高さの障害
物を検知するために便利であると思われる。
もし、これらの高さに放射縞を反射する障害物がなけれ
ば、カメラ１２から見える画像はほとんど空白である。
こうして、きわめて単純な「無画像」状態が、特別に信
号処理を行わずに直ちに検出され、ロボットが最高速度
で前進することができる。
この発明の現在推奨される実施例では、ピクセル位置と
環境位置とに関係する三角測量幾何学処理が完了したの
ちに、構造化ビーム投射器１４及び１６並びにカメラ１
２は、ロボット１２の本体にしっかりと固定される。し
かしながら、それらの関係位置と方向が変えられる可動
式カメラ又は可動式ビーム投射器の採用も可能である。
この場合には、位置の変更を計算するために一層複雑な
画像処理が必要になる。ビーム投射器を１個だけ使用す
ることもこの発明の範囲内である。
この発明の見地によれば、２〜１０フイートの距Ｍ範囲
にある近接目漂は構造化放射パターン、できれば放射の
縞、で照射される。ＣＣＤカメラ１２のようなイメージ
センサ−に反射している構造化放射の画像は、ロボット
１０及び床面２６を基準とする距離、方位及び高低の幾
何学位置を判定するために解析される。光線の構成パタ
ーンは方位に関して、透き間を残さずに約９０度をカバ
ーしている。
約９０度の構造化パターンにまたがって、周辺部分の照
度は、中心部照度の５０％以上が望ましい、パターン境
界に沿った照度のちらつきは通常２５％の公差であり、
そのかぎりでは、輝度のルックアップテーブルによって
補償されることになっている。
ビームプロフィルの断面は、１０フイートの距離にある
垂直の照射面上での２インチの離隔が、照度において　
１００％から０％に降下するような鋭さが望ましい。こ
の照度の変化は距離に比例して減少し、２．５フイート
の距離では１７２インチとなる。
放射ビームの厚さは、完全に視準された場合に、１０フ
イでトで４インチが望ましい０発散のある場合には、ビ
ームの開きは２度以内でなければならない。
ロボット１０が公共の場所で作動するときには、光線が
人間に見えないことが望ましい、また、現在ではシリコ
ンダイオードのＣＣＤカメラ１２が望ましいので、次は
カメラ１２感度の向上ということになる。７００〜１０
００ｎｍの波長範囲はこれらの目標を達成している。光
源のフィルタ又はカメラ１２のフィルタは、Ｓ／Ｎ比を
周囲光以上にしている。
もし、ビーム投射器１４および１６が７００〜１０００
ｎｉの範囲の狭いスペクトルを有しているならば、フィ
ルタはカメラ１２だけにあればよい、このフィルタは光
源のスペクトルに整合しているものとする。
被照射領域におけるＣＣＤカメラ１２の位置で測定した
輝度は、２〜１０フイートの距離でフィルタを通した場
合に、床面から５フイートの高さにある１００ワツトの
白熱電球光源からの周囲照明（それが作業場の明るさに
相当する）の２〜５倍になる。
標準のＣＣＤカメラの画像捕捉における最大有効パルス
放射や持続時間は、３３ミリ秒である１ミリ秒程度の短
い持続時間は、カメラ１２が電子シャッタを備えている
ときには採用できる。
ビーム投射器のパルス繰り返し率は毎秒２回のフラッシ
ュがよく、近傍の諸物体についての詳細な情報を集める
には、毎秒１０以上に上げたほうがよい、この場合、物
体までの距離がより近くなるので繰り返し率を高くする
とフラッシュの出力が低くてもよくなる。
通常、最大出力のためには、毎秒４回以下の繰り返し率
であることを必要とする。前述のように、投射器１４及
び１６のフラッシュ率の制御は、画像処理装置１８によ
って達成されることが望ましい。
この発明によれば、画像処理装置１８及び航法制御処理
装置２０によって行われる画像処理は、通常下記（ａ）
〜（ｄ）のステップ又は計算を含む。
（ａ）画像の中に迅速に光の縞の画像を配置する。
（ｂ）配置された縞の画像からの距離と方向を推論する
。
（Ｃ）これらの物体の幾何学的マツプ表示を記憶する。
（ｄ）航法計算法によってマツプ情報へのアクセスとそ
の処理を行い、障害物の回避又は基準ランドマークへの
航法を生じる制御信号を発生する。
最初のステップ（ａ）は、標準的なグレイスゲールカメ
ラの画像を２進画像に減力する画像処理ステップを含む
、もし構造化ビームが周囲照度に打ち勝つのに十分に明
るければ、画像の輝度は域値を越えることがあり得る。
一般には、構造化ビームが、前記の画像減算技法が採用
されるがもじれない場合の、すべての周囲放射に打ち勝
つのに十分に明るくはない、このグレイスゲール画像を
２進画像に減算するステップの結果は、視界の画像内の
構造化放射組に対する後続のサーチを軽減して、あまり
複雑でない存不存検知技法に簡易化する。
最初のステップ（ａ）はサーチの期間中に画像について
寸法の段階又は増分を連続的に細分するサーチ計算法の
使用を採用する別の画像処理ステップを含む、すなわち
、それは迅速に粗い分解度で画像を走査し、しきい値を
越えたピクセルの検知に出会うと、より精細な分解度で
サーチを行う、これは２進サーチの１形式である。
画像位置からの環境内での位置を推論する上記ステップ
（ｂ）は、カメラ１２と投射器１４及び１６の取付部固
定を行う、特定の投射語出力に対する画像内の特定のピ
クセルの照度は、構造化放射を反射する物体の環境内で
の独特の位置を意味する。位置に関するこれらの特定の
ピクセルは、リアルタイム作動を強めるためにルックア
ップテーブル１８Ｆ及び１８Ｇ内で予測計算されて記憶
されるが又は被照射ピクセルが検知されたときに計算さ
れることになる。各ピクセルに関する距離と方位の別の
奨められる計算方法は、以下に詳しく説明される。
ステップ（Ｃ）には、環境の幾何学表示の中に、環境に
対するロボットの相対運動を含めて判定された個々の距
離及び方向を統合することが含まれる。採用する技法要
件は、二次元座標として床２６を表示し、検知された物
体により占有されたグリッドセルをマークするか又は指
定を行って、１以上のグリッドセル内の決められた位置
に、検知された物体の残存に基づく視覚測定の信頼性を
割り当てることである０図６はＶ軸の方向にロボットが
移動しているマツプを図解する。ロボット１０の航法制
御処理装置２０に記憶されたマツプは１インチ程度の小
さなものから足程度の大きなものまでセルの中に分割さ
れる０画像の解析が特定の（Ｕ、Ｖ）位置にある物体の
検知を示すとき、信頼性レベルＣ（ｕ、ｖ）がその位置
に割り当てられる。この信頼性レベルは連続的ｉｌ察が
同じ位置に物体が存在することを検知し続けるときに増
大する。信頼性レベルのレンジの値は０．０から１．０
である０図６は、次のように物体が検知されており、信
頼性レベルが占有されたセルに対して割り当てられたこ
とを図示する。
Ｃ（３，４）−，２，Ｃ（３，５）−，５，Ｃ（３，６
）−，３，Ｃ（４，５）−，８゜Ｃ（３，７）−，３，
Ｃ（４，６）協、８．Ｃ（５，５）−，７別の幾何学的
表示は、相接する検知を単一物体を考え、取り巻く円の
位置と半径を航法の目的のための物体のパラメータとし
て定義することがある１図６の円はこれを示しており、
円は中心Ｃ（３，５）として定義されるパラメータ及び
グリッド２個に等しい半径を有している。
マツプを表示するための座標の最良の選択はマツプが使
用される方法の一部に依存している。
上記ステップ（Ｃ）における構造化ビーム像からの物体
の初期位置の推論により極座標が生じる。ソナーのよう
な他のセンサーもよたＲとθの極座標を生じる。信頼性
レベルを発生させるためには、Ｘ−Ｙ座標に変換する前
に、同じ極座標内でそのような複式検知データを組合わ
せることには利点がある。
どの座標系をマツプのために選択しても、物体の位置の
２諸元は構造化ビームを用いて得られる。
第三の北元として高低があり、それらは物体を切断する
ビームの面の高低から暗黙のうちに入手できる。背の高
い物体と低い物体とを識別するのに有効である。しかし
、ロボットの物理的輪郭はほとんど垂直なので、どの高
さにある物体もロボットの移動の障害と考えられる。し
たがって二次元マツプは一般仁航法目的のために十分で
ある。
よく知られた経路立案技法が使用される。たとえば、も
し指定された目標への経路が、ある障害物によって妨害
されるならば、対応戦略は、現在位置と所望の目標点位
置との間の最短経路である空間を通って、代わりの経路
を発見することである。
図３ａ及び３ｂを参照すれば、障害物回避セルは、ロボ
ットから物体までの距離（Ｒ）と方向角（θ）に関連す
る。
各Ｒとθは、オフラインで事前に計算されロボット内に
永久に収納され、マイクロコンピュータ１８Ｄによって
アクセスされるＲＯＭに読み込まれる６代わりに、ロボ
ット１０が先に付勢され、ルックアップテーブルは、環
境の視界に関連した個々のカメラピクセルに対するＲと
θを決定する方程式から、画像処理装置１８によってｖ
Ａ集される。
計算中、物体検知計算法は物体からの反射の対してカメ
ラ１２の視界の画像をサーチする。予定しきい値を十分
に越える明るさをもつＲ及びθのピクセルは、図６に図
解されるように、物体の場所について検知され、ロボッ
トの環境のマツプを規定するデータ構成内に記憶される
。
現在推奨されるこの発明の実施例において、画像は、５
１２ｘ４８Ｇピクセルからなり、全部で約２５０．００
０ピクセルとなる０例をあげれば、マイクロコンピュー
タがビデオメモリ１８Ａから１ピクセルの値を読むため
に約３３マイクロ秒を必要とする。
すべてのピクセルを読むには８秒以上もかかる。
こうして、リアルタイムで計算するためには各画像内の
全部のピクセルのサーチを行わなず、ありそうな１個の
物体を支持するかもしれないしきい値を越える１個のピ
クセルのみについてサーチする。前述のように、粗い分
解能のサーチは、物体がまだ遠くにあるときの視界の上
方の領域で行われ、精細な分解能のサーチは、物体がロ
ボット１０の近くに見えるときの視界の下方の領域で行
われる。
円筒状座標系は、図３ｂに示すように、座標の原点をロ
ボットの中心とし、物体のロボットを基準とした位置を
１０ツトするために使用できる。
Ｒはロボットの中心から物体までのの距離であり、θは
物体への角度である。ゼロ度のθはロボットの中心を通
り前方に伸びる軸を基準にしている。
中間Ｘ、Ｙ直角座標系は、Ｒとθを得るための計算に使
用される。
この中間座標系の原点は、カメラセンサの直下の床にあ
る点であり、Ｙは垂直軸、Ｘはロボットの前方に真っす
ぐに伸びる水平軸である。
解析の第一段階はビーム平面と複合の水平ピクセル面の
中心がＸ−Ｙ面と交差する点のＸ、Ｙ座標を決定するこ
とである。これは、図３ａに、それぞれ上部及び下部の
ビーム平面を示すラベルの付いた線１４ａ及び１６ａに
沿ったＡ及びＢのような点として現れる。
これらの交差点は、関連のある双方の線に対する方程式
を決定し、それらを同時に解くことによって発見される
。線についての基本の方程式は、ｙ＝ｍ−ｘ＋ｂここで
・は乗算を示す。
下部投射器１６の、床からの高さがＨＬであることが知
られている。上部投射器１４の高さはＨｕである。カメ
ラの高さはＨＬであり、個々の水平ピクセル面に対する
スロープはＣＡＨＳによって点が付けられている。
下部投射器１６についての方程式は、 ３Ｆ＝ＨＬ　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
カメラ１２についての方程式は ｙ　　＝ＣＡＨ３＊　　ｘ　＋　ＨＣ（２）これらの方
程式を同時に解くと ｘ　＝　（−ＨＬ＋ＨＣ）　／（−ＣＡＨＳ）　　　　
　　　（３）ｙ−ＣＡＨＳ＊　（ｘ＋ＨＣ）　　　　　
　　　　　　（４）となる。
上記の方程式は、各Ｃ八Ｈ３の値、すなわち各画像の個
々の水平面ピクセルのスロープ、について解かれる。ま
ず、カメラ１２の中心線のスロープ（ピクセル２３９゜
５）が最初に決められ、次にピクセル０〜２３９、及び
２４０〜４７９が発見される。
カメ、７１２の中心線のスロープは次の通りである。
スローグー　−ＨＣ／ＣＡＨＤ　　　　　　　　　（５
＞ここで、ＣＡＨＤはカメラの中心線が床２６を望む点
までＸ軸に沿った距離である。
各ピクセル光線のＰ目角は、 ｐＨ１−ａｔａｎ（−ｔｌｃ／ＣＡＭＤ）＋／−（ａｔ
ａｎ（ｉ２４０ｍ３．３／８．０）　（６）ここで、ｌ
は１〜２４０で変化する画像の中心からのピクセルの数
である０項３．３は、節で計ったセンサの高さの１７２
であり、項８，０は、關で計ったカメラレンズの焦点距
離である。もちろん、これらの項は、水平及び垂直のピ
クセルの数に加えられ、特定のカメラに特有のものであ
り、別のカメラが使用されるときは異なった値を持つか
もしれない。
各ピクセル平面についてのスロープは、ＣＡＨ８＝ｔａ
ｎ（ｐＨｌ）　　　　　　　　　　　　　　　（７）交
差点のＸ１３’座標は各Ｘ＋３’点からカメラセンサー
までの斜辺（ｈ）がピタゴラス定理を用いて発見される
。すなわち ｈ＝　（Ｘ”２＋　（ＨＣ−Ｙ）　　　　）　　・　　
　　（８）こ）で９＊＊は指数関数計算を示す。
カメラ１２から障害物までの距離（ｈ）及びロボットか
ら障害物までの床に沿っての距Ｍｌ（Ｘ）は、今はθ＝
０度においてロボット１０の真っすぐ前にある物体に対
して既知のものである。
次に、カメラ１２と構造化ビームとの交差点は、ロボッ
ト１０の真っすぐ前以外にある物体に対して発見される
。中心線から（そこでピクセルとビーム平面が交差する
）、左と右とに配置された各点までの水平距離はｎｘ（
ｉ）と名付けられる。ここで、ｉは中心から離れたピク
セルの数である。図３ｂの平面図に示すように、各交差
点までのスロープは次によって与えられる。
スロープ＝　（（ｉ／２５６）＊４．４／８．０）　　
　　　　　（９）ここで、ｌは中心線からのピクセルの
数（２５６＊で）　、４．４は水平センサの寸法の１／
２　（ｍ１１）　８．０は焦点距離 前述のように、常数４．４はカメラの特有定数である。
各ピクセルへのスロープはｎ　ｘ　（ｉ）で表される。
したがって、 ｎＸ（ｉコニ（（ｉ／２５６）＊４．４／８．０）−ｈ
　　　　　　　　　　　　　　（１０）視界内の各ピク
セルについてのＲとθは、次の方程式によって決定され
る。
θ＝ａｔａｎ（ＮＸ（Ｉ）／　（Ｘ＋オフセット＞　　
　　　　　（１１）Ｒ＝ｎｘ　（ｉ）／ｓｉｎ　　（θ
）　　　　　　　　　　　　　　　　（１２）ここで、
オフセットはカメラ、１２画像センサー平面からロボッ
トの中心までのＸ軸に沿っての距離である。前述のよう
に、各ピクセルに対するＲとθは、計算され、ルックア
ップテーブルに記憶される。
図４及び５を参照すると、ここにはこの発明による構造
化ビーム視覚航法及び障害物回避システムを有するロボ
ットの別の実施例が示されている。
ロボット３０は、上部投射器３２、下部投射器３４を含
む複数の構造化ビーム投射器、及び上部及び下部の投射
器の間に配置されたカメラ３６を有する。ロボット３０
は、さらに、カメラの反対側でそれより高い位置に配置
される１組の構造化ビーム投射器３８及び４０からなる
。
投射器３８及び４０は投射器３４からの水平に投射器さ
れたと、−ムに垂直に投射される平面のビームバタンを
用意する。上部投射器３２からの平面状ビームパターン
は、ロボット３０の正面の位置にある床４２と交差する
ように斜め下方に投射される。ロボット３０の他の内部
相成品は、図１に説明される通りである。すなわち、ロ
ボット３０は、画像処理装：￥ｔ、航法制御処理装置、
及び駆動操向制御装置からなっている。駆動操向車輪４
４は、ロボットが床４２の上を走行するなめに用意され
ている。
図４及び５に示す構造化ビーム平面３８ａ及び４０ａは
、前方に投射されて、環境のすべてにわたってロボット
の前方進路をバウンドして２個の垂直面内にある物体と
交差する。図７の視界の説明に見られるように、垂直線
３８Ｂ及び４０ｂは、カメラから見られるとき、ビーム
平面が連続するレンジにおける垂直の物体との連続的交
差についての（１ｏｃｉ）を示している。このように、
距離、方向、及び高低は、構造化ビームの水平面につい
て以前に説明されたこれらのものの計算法と全く類似の
計算法を用いて、ピクセル位置から測定される。
これらは技術的に妥当であることが明白である。
図４及び５の斜の構造化ビーム平面３２ａのカメラ視線
が、床に近接した障害物その他の構造体がない場合に、
床面からおおむね均−且つ水平に（３２ｂ）反射される
ことが、図８においても見られる１画像縞は、床４２が
平坦であるかぎり、ロボットの動きにかかわらず、スク
リーン上の固定位置に止まる。この均一性は、床に孔が
あったり、床に近接した障害物があったりするような凹
凸によって断絶される。
凹みは断絶の下に置かれた輝点３２Ｃを有する縞３２ｂ
の中に断絶を持つ画像を発生する。
床に横たわっている障害物は、その断絶の上にある輝点
３２ｄを有する縞の中にＩＩＲ絶を生みだす。
明らかに、縞３２ｂの上下にある輝点３２ｃ及び３２ｄ
の置換の量は、距離及び高低の尺度であり、断絶の位置
は方向の尺度であり、これらは、構造化ビーム水平面に
ついて以前に説明されたこれらのものの計算法と全く類
似の計算法を用いられる。
これらは技術的に妥当であることが明白である。
図４及び５に示すように、構造化ビームの複合平面が使
用されるときは、それらのタイミングは、どちらのビー
ムが、どの特定のピクセル位置と関連させられるべきか
を解釈する際に、曖昧さを生じないようにするために、
非同期でなければならない、また、別々のルックアップ
テーブルは、各構造化ビームの光源に関連させられるか
もしれない、１８Ｆ及び１８Ｇのようなこれらのルック
アップテーブルは、プログラムされたＲＯＭ内に容易に
記憶される。
図４及び５の実施例については、ピクセル位置の関数と
してのＲ及びθの決定は、図１のロボットを基準として
前述された方法とほとんど同一の方法で達成される。前
方監視視界を有するカメラの高さと位置のため、及び上
部ビーム投射器３２のスロープと相対位置のために適当
な調節が加えられている。
この発明は、平面状ビーム投射器の変形の１及び上記に
説明された以外のセンサやカメラによって実施されるこ
とも可能である。たとえば、この発明は、ビジコンカメ
ラで受信される可視光線の構造化ビームとともに実施し
てもよい。また、画＠処理計算法の正確な性質は改変し
てほとんど同一の結果が得られるかもしれない、現行の
通常の技術をもってすれば、前述の発明の実施例につい
てのいくつかの改変は容易に得られるものである。
したがって、この発明は本書に開陳された実施例にのみ
限定されるべきではなく、上記の請求項の示す範囲によ
ってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
この発明の見地は、本書に記載される関連図面によって
読みとられる後出の発明の詳細な説明の中で一層明確に
される。 図１ａは、この発明の具体例に従って構成され操巾され
る、下向きの視界を有し、前方に投射される放射光の構
造化ビーム２個の上に配置されるカメラを備えている自
走ロボットを示す。 図１ｂは、図１ａの画像処理装置１８のブロック図であ
る。 図２．ａ、２ｂは、それぞれ、投射器がフラッシュラン
プ、円筒状ミラー、及び複数の円筒状レンズエレメント
からなる、構造化ビーム投射器の具体例１の側面図及び
平面図を示す図２Ｃは、投射器がフラッシュランプ、円
筒状ミラー、及び複数の円筒状レンズエレメントからな
る、構造化ビーム投射器の具体例２の側面図を示す０図
３ａ、３ｂは、それぞれ、図１のロボットにより投射さ
れる構造化ビームパターンの側面図及び平面図を示す。 図４は、ロボットが、カメラの上に配置された上下指向
の構造化ビーム投射器を有し、なおそれが、より低い、
水平ビーム投射器に対して実質的に直角に指向される平
面ビームを投射するための１組のビーム投射器からなる
この発明の別の具体例による移動ロボットの側面図を示
す。 図５は、図４のロボットの正面図を示す。 図６は、図４及び５のロボットの処理された視界を説明
する図である。 図７は、連続的により遠くの垂直物体からの垂直に指向
された構造化ビーム投射器の連続的な反射の説明図であ
る。 ［図８は、反射が斜めに投射している構造化ビーム投射
器によるものである、ロボット環境における物体からの
反射の説明図である。 １０・・・ロボット、１２・・・カメラ、１４．１６・
・・投射器、１８・・・画像処理装置、２８・・・放射
光源７面の浄書１”１審に変更なし） 第１αヌ 手続ｈ口正書（自発） 平成１年１２月２０日

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、下記（１）〜（３）からなり、表面上を移動する運
    搬装置に搭載される物体検知装置 （１）運搬装置の移動方法におおむね平面状の１つ以上
    のビーム信号を送信する装置 （２）運搬装置の移動領域に配置された１つ以上の表面
    から反射される平面状の放射ビームを検知する装置 （３）平面状の放射ビーム信号を反射する表面の距離及
    び方向を、運搬装置を基準として、検知されたビーム信
    号と関連づける装置 ２、その表面への距離と方向の関数として運搬装置の航
    法データを決定するための、前記の関連装置の出力に結
    合された装置を含む、請求項１に記載の物体検知装置 ３、送信のための前記の装置が、脈動する放射源からな
    る、請求項１に記載の物体検知装置 ４、前記の放射が、約７００ｎｍから約１０００ｎｍの
    波長のレンジ内の出力波長を有する請求項３に記載の物
    体検知装置 ５、前記の検知装置が、視界の関連部分内に放射された
    放射の量の関数である関連値を有する、前記の複数のピ
    クセル（ピクチャ・エレメントの意、以下同じ）からな
    る二次元の視界を発生するための装置を含む、請求項１
    に記載の物体検知装置 ６、前記の検知装置が、複数のピクセルからなる二次元
    の視界を発生するＣＣＤ画像デバイスを含む、請求項４
    に記載の物体検知装置 ７、前記の関連装置が、視界内の各ピクセルに対する距
    離及び方向を発生するための装置からなる、請求項５に
    記載の検知装置 ８、前記の関連装置が、さらに、視界内の各ピクセルに
    対する距離及び方向を表現するデータを記憶するための
    装置からなる、請求項７に記載の物体検知装置 ９、下記（１）〜（６）からなり、支持表面上を移動す
    る移動ロボットについての航法関連の情報を発生する方
    法 （１）少なくとも１個の、構造化された、おおむね平面
    状の放射ビームを、ロボットの所望の進路を含めたロボ
    ットの前方の環境に投射し、その放射ビームが、環境内
    に配置された表面上に縞状のパターンを形成することに
    なるステップ （２）環境の二次元の画像を発生し、その画像が少なく
    ともその環境内のいかなる表面から反射する縞状のパタ
    ーンをも含めるものとなるステップ （３）その画像に縞状のパターンの画像を配置するステ
    ップ （４）ロボットを基準にしたその表面の距離及び方向を
    、縞状のパターン内の位置から推論するステップ （５）推論された表面位置の幾何学的マップを発生する
    ステップ （６）障害物の回避、又は、基準ランドマークへの航法
    をもたらす、ロボット動作制御信号を発生するためにマ
    ップ情報を処理するステップ １０、発生のステップが、二次元配列の複数のピクセル
    からなる画像を発生し、各個のピクセルが、画像の関連
    部分内で反射された放射の量の関数である関連値を有し
    ている、請求項９に記載の方法 １１、位置ぎめのステップが、予定されたしきい値以上
    の値を持つ、１つ以上のピクセルからなるピクセル配列
    内における位置決定のステップを含む、請求項１０に記
    載の方法 １２、推論のステップが、距離及び方向の複数のエント
    リを有するデータ構成内のひとつのエントリにアクセス
    するステップを含んでおり、各個のエントリがピクセル
    のひとつに関連しており、アクセス中のエントリの位置
    が所定のピクセル位置の関数となつている、請求項１１
    記載の方法 １３、推論のステップが、各ピクセルの値を２進値に変
    換するステップを含む、請求項１１に記載の方法 １４、位置ぎめのステップが、予測されたしきい値以上
    の値を持つ、１つ以上のピクセルの最初の標定のため、
    ｎ個のピクセルを解析して画像の最初のサーチを行うこ
    とにより達成され、ピクセルが標定されたのち、さらに
    、ｎ個より少ないｍ個のピクセルを解析して、その画像
    をサーチすることによって達成される、請求項１１記載
    の方法 １５、幾何学図形を発生するステップが下記（１）及び
    （２）を含む、請求項９に記載の方法 （１）グリッドセルからなる２次元のグリッドのような
    支持表面を表示するステップ （２）縞状のパターン反射面について、ロボットを基準
    とする距離及び方向に関するグリッドセルを指定するス
    テップ １６、さらに、下記（１）を含む、請求項１５に記載の
    方法 （１）指定された複数のセルに関して推論された距離及
    び方向の持続性に基づいて指定されたグリッドセルに信
    頼性係数を割り当てるステップ １７、さらに、下記（１）を含む、請求項１６に記載の
    方法 （１）１つ以上の指定されたグリッドセルを囲む半径を
    決定するステップ １８、下記（１）〜（４）からなり、移動ロボットに結
    合されるビジョンシステム （１）ロボットの移動方向に、おおむね平面状の１個以
    上の構造化ビーム信号を送信するための装置 （２）ロボットが通過する領域内に配置された１つ以上
    の表面から反射される平面状放射ビームを検知するため
    の装置 （３）検知された放射ビームを、平面状ビームを反射す
    る表面の、ロボットを基準とする距離及び方向に関連づ
    けるための装置 （４）ロボット航法データを、その表面についての距離
    及び方向の関数として決定するために、前記の関連装置
    の出力に結合される装置 １９、前記の送信装置が、フラッシュランプを含む、請
    求項１８に記載のビジョンシステム ２０、前記の送信装置が、１つ以上の光発散ダイオード
    を含む、請求項１８に記載のビジョンシステム ２１、前記の送信装置が、１つ以上の白熱電球を含む、
    請求項１８に記載のビジョンシステム ２２、前記の送信装置が、１つ以上のレーザー装置を含
    む、請求項１８に記載のビジョンシステム ２３、ビームが、ロボットが運動するおおむね平坦の表
    面におおむね平行に送信される、請求項１８に記載のビ
    ジョンシステム ２４、ビームが、ロボットが運動する、おおむね平坦の
    表面に斜め下方に送信される請求項１８に記載のビジョ
    ンシステム ２５、ビームが、ロボットが運動する、おおむね平坦の
    表面におおむね垂直に送信される、請求項１８に記載の
    ビジョンシステム ２６、前記の検知装置が、ＣＣＤ画像装置を含む、請求
    項１８に記載のビジョンシステム ２７、前記の検知装置が、ビジコン画像装置を含む、請
    求項１８に記載のビジョンシステム ２８、前記のフラッシュランプが、細長い形状を有する
    フラッシュランプであり、そこに前記の送信装置がさら
    に下記（１）〜（３）と組み合わされている、請求項１
    ９に記載のビジョンシステム （１）前記のフラッシュランプにおおむね平行に配置さ
    れたおおむね半円をなす円筒状の反射器装置 （２）ある焦点距離を有し、また前記のフラッシュラン
    プ及び前記の反射器から発散する放射を収束するために
    、前記のフラッシュランプにおおむね平行に配置されて
    いる第一の円筒状レンズ装置 （３）前記のおおむね平面状の放射ビームを発生するた
    めに、前記の第一の円筒状レンズ装置からの放射を視準
    するため、ある焦点距離を有し、また前記の円筒状レン
    ズ装置の焦点距離よりも大である距離に、前記の第一の
    円筒状レンズ装置におおむね平行に配置される第二の円
    筒状レンズ装置 ２９、前記のフラッシュランプがクセノン・フラッシュ
    ランプからなる、請求項２８に記載のビジョンシステム ３０、前記の第一、及び第二の円筒状レンズ装置が、そ
    れぞれ、約０．５インチの焦点距離を有する、請求項２
    ８に記載のビジョンシステム ３１、前記の各円筒状レンズ装置が、フレネルレンズか
    らなる、請求項２８に記載のビジョンシステム ３２、前記の円筒状反射器装置がある焦点距離を有して
    おり、前記のフラッシュランプが、おおむね前記の円筒
    状反射器装置の焦点距離に配置される、請求項２８に記
    載のビジョンシステム ３３、さらに、前記の視準放射を受領するために配置さ
    れた前記の光学フィルタ装置を含んでおり、当該光学フ
    ィルタ装置が約７００ｎｍ〜約１０００ｎｍの波長範囲
    を通過させるものである、請求項２８に記載のビジョン
    システム ３４、前記のフラッシュランプが細長い形状を有し、前
    記の送信手段が、さらに下記（１）及び（２）と組合わ
    される請求項１９に記載のビジョンシステム （１）前記のフラッシュランプにおおむね平行に配置さ
    れたおおむね半円をなす円筒状の反射器装置 （２）前記のフラッシュランプ及び前記の反射器から発
    散する放射を、おおむね平面状の放射ビームに形成する
    ために、前記のフラッシュランプにおおむね平行に配置
    された１つ以上のスリット状の開口部
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