JPS60217413A - 誘導装置 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明はｙｅ動コロボットの移動体の誘導装置に関する
。

〔発明の背景〕

従来、移動ロボット等の移動体を移動制御する装置は、
環境認識手段と移動体の移動機構制御手段とで構成され
ている。この移動制御装置の一例としては、１９８３年
２月２４日に米国カーネギ−・メロン大学によって発行
された文献ｒＴｈｅＳ　ｔａｎｆＯＴｄ　Ｃａｒ　ｔ　
ａｎｄ　ＴｈｅＣＭＵ　ＲＯＶｅＪに開示されている。

この種の環境認識手段を備える移動体の制御装置におい
ては、環境の認識が完了するまで、移動体は行動および
作業全開始することが不可能であった。このため、環境
認識の都度、移動体は所期の動作を中断する必要があシ
、連続的に移動し作業を実行することが難しかった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は複雑な環境を認識しつつ移動。

作業させることができる誘導装置を提供する。。

〔発明の概要〕

本発明の特徴とするところは、移動体を所定の経路に沿
って誘導する装置において、移動体の周囲の実環境・を
観測する視覚手段と、移動体の経路移動を検出する手段
と、移動体の位置情報に関連する予測パターンを記憶す
る手段と、視覚手段からの実画像から観測特徴パターン
を抽出する画像処理手段と、前記経路移動検出手段によ
って記憶装置から得られる予測パターンと画像処理手段
からの観測特徴パターンとを比較して視覚手段の方向を
制御する視覚制御手段と、視覚手段の方向の設定値と制
御値とを比較して移動体にその誘導信号を出力する誘導
制御手段とを備え、環境に対する事前の知識および経験
の蓄積にもとづいて外界の観測結果の予測を行い、この
予測データと現実に入手される観測データとの照合を通
して、複雑な環境中での移動体の誘導体の誘導を高速で
実現し得るようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に参照して説明する０ まず、本発明の詳細な説明に先立って、本発明の詳細な
説明する。本発明の誘導装置は％環境モデル並びに移動
経路に関する情報が既に与えられているとの前提のもと
で、移動体に搭載したカメラ等の視覚手段により撮影し
た画像にもとづいて移動体の位置を推定し、視覚手段の
方向制御信号および移動体の誘導信号を演算するもので
ある。

この誘導信号を得るためのアルゴリズムを、さらに詳し
く述べると、第１図に示すように、移動体の走行モータ
の回転量およびステアリング量等にもとづいて、移動体
の現在位置の事前推定値Ｘ′−′をめ、ついでこれに対
応する予測画像ｆｐｔ＝環境モデル情報にと予測手段り
とにより予測した恢この予測画像ｆ、と観測画像ｆｍと
の比較を行ってその画像誤差Ｅｔをめ、この画像誤差′
Ｅｆを交換手段Ｍにより位置誤差Ｅｘに変換し、この位
置誤差Ｅ、にもとづいて前記の事前推定値Ｘ０を修正し
て位置推定値Ｘをめている。この位置推定値Ｘにもとづ
いて視覚手段は所望の方向に変更。

される。前述した視覚手段の現在位置を予め設定された
経路に一致させるための情報は、位置推定ノ残差Ｅｘと
してテレビカメラのサンプリング速度は常時入手される
。

本発明においては、前述したテレビカメラの方向制御信
号をめる演算フローにおける位置誤差変換のための予測
面＃ｆｐと観測画像ｆｖｎとの比較に際して、これらの
画像のパターン間に力学的モデルを導入して得られるダ
イナミックな位置推定手段を用いている。

この位置推定手段は、第２図に示すように、同−空間Ｓ
内にパターンＡおよびパターンＢを配置し、さらにこれ
らのパターンＡ、Ｂにそれぞれの操作機構Ｍ＾ｒ　Ｍｎ
を設け、操作機構ＭＡ　ｒ　Ｍｎのいずれかもしくは両
者を操作して、パターンＡ。

８間に働く相互作用ψＡＢを減少させるようにパターン
を動作させて、パターンマツチングをダイナミックに実
行する。

次に上述したパターン間に働く相互作用ΦＡｎについて
述べる。

以下、説明を単純化するために、第２図に示すように、
空間Ｓを画面とし、パターンＡ、Ｂを２値画像とする。

ここで、パターンＡは観測画像にもとづくパターンとし
、パターンＢは環境モデルＫによって生成された予測画
像にもとづくパターンとする。いま、パターンＡが与え
られたとき、パターンＢの位置をパターンＡに接近させ
る適応則を見い出す必要がある。この適応則は空間Ｓ上
にパターンＡにより生成されるポテンシャルφＡを導入
することによって得られる。このポテンシャルφＡは次
の（１）式によりめることができる。

αφＡ＋ＸＡ＝０　・・・・・・・・・・・（１）作用
素である。ただし、σＸ、σｙはポテンシャルφＡの空
間的床がりを表わすパラメータでおる。

また、（１）式において、ＸＡ　はパターンＡを空間Ｓ
の部分果合とみなしたときの定義関数である。

次に上述した空間Ｓ上のパターンＡのポテンシャルφＡ
場により、パターンＢの受ける作用Ｆ’Ｂは、次の（２
）式よりめることができるっここでは説明の便宜上、２
次元子面内でのＸ軸およびｙ軸方向への移動のみを対象
としている。

Ｆｓ＝ｆＸＢ−ＤφＡｄｓ　・・・・・・・・・・・・
（２）た７’ｆｆＬ、ＸＢ　はパターンＢを空間Ｓの部
分集合と同一視したときの定義関数であり、ｖＩ′ｉ勾
配作作用素を表している。

上述の（１）式および（２）式により、パターンＢｆＫ
：パターンＡに対して変形させるだめの１ｎ報、すなわ
ち視覚手段の方向情報を得ることができる。しかし、こ
の演算における（１）式においては無限次元の連立方程
式を言んでいるため、つぎの近似式（８）を用いること
がよい。

上記（８）式のポテンシャルφＡの解を用いて、パター
ンＢｋパターンＡに移動操作するだめの操作機構ＭＢの
出力ＵＢは、次の（４）式によってめ石ことができる。

ＵＢ＝−／　Ｘｓ　−ＤφＡｄ、　・・・・・・・・・
・・・（４）上記（８）式および（４）式から構成され
るパターンマツチング機構は、画像メモリおよび２柚類
の領域演算装置によりハードウェア化することができる
ものである。

以上述べた本発明の原理にもとづいて、本発明の誘導装
置の実施例を、第３図を参照して説明する。この図にお
いて、本発明の誘導装置によって誘導される移動体１は
例えば車輪、無限軌道等の走行部ＩＡを備え、操向装置
（図示せず）によって所望の方向に移動することができ
る。この移動体１は自己の位置を予測するだめの情報を
提供する方位検出用のジャイロスコープｌＢおよヒ走行
部ＩＡの回転量検出用の検出器ＩＣｉ備えている。

また、移動体１はその前方の状況を画像情報として取り
込むテレビカメラ２を備えている。このテレビカメラ２
はその方向変更手段２Ａｉ備えている０ このテレビカメラ２の方向制御し、移動体１を誘導する
本発明の誘導装置は、ジャイロスコープＩＢおよび検出
器ＩＣからの情報信号にもとづいて移動体１の経路中の
位置を検出する移動***置検出手段３と、この移動本位
置検出手段３からの移動体の位置にもとづいてその位置
から推定される環境の特徴推定パターン、例えば建屋内
の階段の平行線群、廊下と壁との境界、窓等の線形状の
パターンおよび建屋内径路情報を記憶している記憶手段
４と、テレビカメラ２からの観測画像を同時に複数の特
徴パターンに処理すると共に、照合のために有効な特徴
パターンを抽出する画像処理手段５と、この画像処理手
段５からの有効な観測特徴パターンと前記記憶手段４か
らの予測特徴パターンとの一致性を検討する照合手段６
と、この照合手段６で得られた観測特徴パターンと予測
特徴パターンとの比較により、テレビカメラ２の方向を
制御する信号を演算し、テレビカメラ方向変更手段２Ａ
に出力する視覚制御手段７と、移動体１の誘導制御手段
８とを備えている。前述した視覚制御手段７の方向制御
信号は上述のようにテレビカメラ２を目標経路に清って
移動させる。視覚制御手段７は前述したように予測パタ
ーンと観測パターンとの間に働くポテンシャルφＡの場
合を演算スルホテンシャル場演算手段７Ａと、このポテ
ンシャルφＡの場によって得られる観測パターンの予測
パターンに対する作用力ＦＢの勾配ベクトルを演算する
作用力演算手段７Ｂとを備えている。

これらの演算手段７Ａ、７Ｂの演算内容は、前述した本
発明の原理によって実行される。

前述した画像処理装置５は、第４図に示すように、入力
画像を書き込む入力画像メモＩＪ　５０１と、入力画像
メモリ５０１への書き込みアドレスを制御するパターン
メモリ５０２と、処理画像をストアする処理画像メモリ
５０３と、与えられた画像の画素ごとに各画素の濃淡値
をその近傍の画素の濃淡値にもとづいて修正する修正値
を計算する画像演算器５０４と、入力画像メモリ５０１
および処理画像メモリ５０３の画素の濃淡値の大きい方
の値に対応する語長のデータに対する演算を実行するハ
ードロジック回路５０５と、入力画像メモリ５０３、処
理画像メモリ５０３およびハードロジック回路５０５の
値全選択的に出力するスイッチ５０６〜５０９と、スイ
ッチ５０６〜５０８を制御するメモリコントローラ５１
１と、メモリコントローラ５１１、パターンメモリ５０
２、ハードロジック回路５０５、画像演算器５０４およ
びスイッチ５１０ｉ制御するコントローラ５１２とを備
えている。この画像処理装置５は入力画像すなわち観測
画像から同時に複数の観測特徴パターンを抽出するため
に、複数個設置されている。

この画像処理装置５は前述したようにパターンメモリ５
０２により入力画像メモリ５０１の書き込みアドレスを
制御し、入力画像を入力画像メモＩＪ　５０１にストア
し得るので、変換演算は不要で１、画像入力信号に対し
てリアルタイムで歪補正、位置向きの変換等を実行する
ことができる。

この際、パターンメモリ５０２の自答はコントローラ５
１２によシ変悴設定することができる。−！た、この画
像処理装置５はコントローラ５１２により操作される画
像演算器５０４とハードロジック回路５０５とにより、
前述したポテンシャル場演算手段７Ａおよび作用力演算
手段７Ｂの機能を持つように切換え使用することができ
る。

視覚制御手段７は前述したようにテレビカメラ２の方向
を制御すると共に記憶手段９に記憶された実画像を切り
出し制御する。

また、誘導制御手段８はテレビカメラ２の方向設定値と
制御値とを比較して移動体１にその誘導信号を出力する
。すなわち誘導制御手段８は視覚制御手段の出力所謂テ
レビカメラの移動方向に対して次の表１に示すような移
動体１の誘導操作を行なう。

表１ 次に上述した本発明の誘導装置の実施例によってテレビ
カメラ２の方向を制御し移動体１を誘導゛する動作を説
明する。

いま、第３図に示す移動体１はその前方にある階段に向
って移動する場合全設定するっこのとき、テレビカメラ
２はその階段を撮影し、その画像信号ｆを、画像処理装
置５に出力する。このとき、第５図に示すように画像処
理装置５におけるパターンメモリ５０２はテレビカメラ
２のレンズの収差補正データを書き込んだ歪パターンメ
モリに設定され、また画像演算器５０４は水平方向の拡
散に対応した演算パラメータに設定され、さらにハード
ロジック回路５０５は画素の減算を行なうように制御さ
れる。この設定により、第５図に示すように歪をもった
階段画像Ｆｌが入力された場合に、この歪をもった階段
画像Ｆｌの情報は歪を除去した階段画像Ｆ２の情報とし
て入力画像メモリ５０１にストアされる。この歪を除去
された階段画像Ｆ２はハードロジック回路５０５および
画像演算器５０４により、例えば階段のステップに相当
する水平線画像Ｆ３に処理される。この水平線画像Ｆ３
は処理画像メモリ５０３にストアされる。

このストアされた水平線画像Ｆ３の情報は、スイッチ５
０８，５１０によって誘導制御装置７のポテンシャル場
演算手段７Ａに出力される。

このポテンシャル場演算手段７Ａは、前述したように第
４図に示す画像処理装置５と同一構成で実行し得えこと
を述べた。このため、第６図はポテンシャル場演算手段
７Ａの構成として取扱う０この場合、パターンメモリ５
０２は画像処理装置５からの画像情報の特定領域を全画
面に拡大する機能、すなわち切り出し機能全行うように
設定され、また、画像演算器５０４はその演算パラメー
タを等方性の拡散に設定され、さらに、ハードロジック
回路５０５は加算モードに設定されている。

この状態において、第５図に示す画像処理装置５からの
水平線画像Ｆ３の情報□は切り出し設定されたパターン
メモリ５０２によって例えば１つの水平線の情報Ｆ４の
みが入力画像メモリ５０１にストアされる。この情報Ｆ
４はハードロジック回路５０５において画像演算器５０
４からの等方性の拡散を有する演算信号が加算されて、
認識した情報Ｆ４への接近の一つの尺度となるポテンシ
ャル場の情報Ｆ５に変換される。このポテンシャル場の
情報Ｆ５は処理画像メモリ５０３にストアされると共に
、スィッチ５１０全通してこれに接続する作用力演算手
段７Ｂに出力される。

この作用力演算手段７Ｂは前述したポテンシャル場演算
手段７Ａと同様に第４図に示す画像処理装置５と同一の
構成で実現することができる。この作用力算手段７Ｂの
動作を第７図によって説明する。この場合、パターンメ
モリ′５０２は切シ出し用のパターンメモリに設定され
、また画像演算６５０４は作用力における勾配計算用の
演算パラメータに設定され、さらにノ・−ドロシック回
路５０５は積算モードに設定されている。この状態にお
いて、ポテンシャル場演算手段７Ａからのポテンシャル
場の情報Ｆ５はパターンメモリ５０２によりその一部の
情報Ｆ６のみを抽出されて、入力画像メモリ５０１にス
トアされる。この情報Ｆ６はハードロジック回路５０５
を通して画像演＄６５０４に加えられる。ここで、この
情報Ｆ６は作用力の要素を表わす勾配場の情−４Ｆ７に
演算される。この勾配場の情報Ｆ７は予め設定したテレ
ビカメラ２の設定方向に対する移動ずれ童を辰わしてい
る。換言するならば、設定移動経路に対してテレビカメ
ラ２の向くべき方向ｔｉゎしている。この勾配場の情報
Ｆ７は処理画像メモリ５０３にストアされると共に、テ
レビカメラ２の方向制御信号としてスイッチ５１０を通
して第３図に示すテレビカメラ２の方向変更手段２人に
出力される。この制御信号はテレビカメラ２の方向変更
手段２Ａｔｌ−前述した表１にもとづいて操作する。こ
れにより、テレビカメニア２は所定の経路に旧って方向
が設定され、また移動体１はテレビカメラ２の移動方向
に伴って操舵され目的地に同って＃励することができる
。１だ、この制＠信号は移動***置予測手段３からの移
動体の予測位置値に比較され、実環境を走行する際に生
じる種々の誤差、例えばスリップ、路面の凹凸等により
生じる走行”距離誤差、左右のモータのアンバランス、
ジャイロスコープのドリフトに起因するステアリング誤
差等を修正すると共に、走行開始時点での位置並びに方
向誤差を補正している。

上述した実施例によれば、テレビカメラによって観測し
た観測画像は画像処理装置によって、同時に複数の特徴
パターンに抽出され、その内で最も良好にｇ識されたパ
ターンを誘導の指標とするので、精度のよい誘導が可能
である。さらに、この観測特徴パターンと予測停機パタ
ーンとの間の偏差を表す情報は、視覚制御装置７によっ
てリアルタイムで検出されるっ なお、上述の実施例においては、誘導性の向上のために
照合手段６によって観測特徴パターンと予測特徴パター
ンとの一致性を行ったが、この照合手段６を用いなくて
も、本願発明は実行可能である。また、テレビカメラ２
として広角画像入力手段を用いることもできる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれば、環境の認識と行
動とを同時並行的に実行し得るので、移動体を広範囲の
一般的な環境内で高速で移動および作業させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の詳細な説明するブロック図、第２図は
本発明の原理の動作を説明する図、第３図は本発明の誘
導装置の一実施例の構成を示す図、第４図は本発明の装
置を構成する画像処理装置の一例の構成を示す図、第５
図はその動作を示す図、第６図は本発明の装置を構成す
るポテンシャル場演算手段の一例の構成を示す図、第７
図は本発明の装置ｆＫ：構成する作用力演算手段の一例
の構成を示す図である。 １・・・移動体、ＩＡ・・・その走行部、ＩＢ・・・ジ
ャイロスコープ、ＩＣ・・・検出器、２・・・テレビカ
メラ、２人・・・テレビカメラ２の方向変更手段、３・
・・移動***置検出手段、４・・・記憶手段、５・・・
画像処理装置、６・・・照合手段、７・・・視覚制御装
置、８・・・移動体１の誘導制御手段。 菫　１　口 第２　図 ′″￥３　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、移動体を所定の経路に沿って誘導する装置において
   、移動体の周囲の実環境を観測する視覚手段と、移動体
   の経路移動を検出する手段と、移動体の位置情報に関連
   する予測パターンを記憶する手段と、視覚手段からの実
   画像から観測特徴パターンを抽出する画像処理手段と、
   前記経路移動検出手段によって記憶装置から得られる予
   測パター／と画像処理手段からの観測特徴パターンとを
   比較して視覚手段の方向を制御する視覚制御手段と、視
   覚手段の方向の設定値と制御値とを比較して移動体にそ
   の誘導信号を出力する誘導制御手段とを備えたことを特
   徴とする誘導装置。 ２、視覚制御手段は予測パターンと観測特徴パターンと
   を比較して画像の切り出し位置を決定することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の誘導装置。