WO2021124615A1 - 自律走行型掃除機 - Google Patents

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WO2021124615A1
WO2021124615A1 PCT/JP2020/033258 JP2020033258W WO2021124615A1 WO 2021124615 A1 WO2021124615 A1 WO 2021124615A1 JP 2020033258 W JP2020033258 W JP 2020033258W WO 2021124615 A1 WO2021124615 A1 WO 2021124615A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
vacuum cleaner
camera
distance
unit
autonomous traveling
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/033258
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
中村　浩之
一輝 高木
卓男 姚
伊藤　則和
Original Assignee
日立グローバルライフソリューションズ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日立グローバルライフソリューションズ株式会社 filed Critical 日立グローバルライフソリューションズ株式会社
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A47—FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47L—DOMESTIC WASHING OR CLEANING; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47L9/00—Details or accessories of suction cleaners, e.g. mechanical means for controlling the suction or for effecting pulsating action; Storing devices specially adapted to suction cleaners or parts thereof; Carrying-vehicles specially adapted for suction cleaners
    • A47L9/28—Installation of the electric equipment, e.g. adaptation or attachment to the suction cleaner; Controlling suction cleaners by electric means

Definitions

  • the present invention relates to an autonomous traveling vacuum cleaner.
  • Patent Document 1 an initial map of a traveling place is provided based on the surrounding shape scanned by a peripheral detection sensor that rotates the main body case by controlling a drive unit by a traveling control means and detects the peripheral shape of the main body case.
  • An autonomously capable vacuum cleaner equipped with the mapping means to be created is described.
  • the ambient detection sensor fixed to the vacuum cleaner body can detect only obstacles at a limited angle with respect to the vacuum cleaner body unless the drive unit of the vacuum cleaner body is driven. Since the operation of the drive unit depends on the condition of the floor, the arrangement of obstacles detected by the surrounding detection sensor is unstable and the error becomes large.
  • the present invention solves the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide an autonomous traveling type vacuum cleaner capable of accurately creating a map of a cleaning place.
  • the present invention includes a vacuum cleaner main body, a drive unit for driving the vacuum cleaner main body, a long-distance ambient detection sensor provided on the vacuum cleaner main body, and a short-distance ranging sensor provided on the front surface and the side surface of the vacuum cleaner main body. It is characterized by including an imaging unit provided on the vacuum cleaner main body.
  • an autonomous traveling type vacuum cleaner capable of accurately creating a map of a cleaning place.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. It is a perspective view which shows the state which removed the upper case from the autonomous traveling type vacuum cleaner of this embodiment. It is a perspective view which shows the ambient detection sensor unit. It is a perspective view which shows the front sensor unit. It is a control block diagram which shows the autonomous traveling type vacuum cleaner of this embodiment. The figure explaining the function of LiDAR is shown, (a) is at the start of operation, (b) is in operation. It is a flowchart which shows the operation of the autonomous traveling type vacuum cleaner of this embodiment. It is a flowchart which shows the operation of the charging stand return of the autonomous traveling type vacuum cleaner of this embodiment. It is a figure explaining the charging stand return operation of the autonomous traveling type vacuum cleaner of this embodiment.
  • the direction in which the vacuum cleaner S mainly travels is forward, the vertically upward direction is upward, and the drive wheels (drive unit) 3,
  • the drive wheel 3 side is on the right side and the drive wheel 4 side is on the left side (see FIG. 2). That is, as shown in FIG. 1 and the like, the front-back, up-down, and left-right directions are defined.
  • FIG. 1 is an external perspective view showing the autonomous traveling type vacuum cleaner of the present embodiment.
  • the vacuum cleaner S is an electric device that automatically cleans a predetermined cleaning area (for example, the floor surface Y of a room (see FIG. 4)) while autonomously moving.
  • the vacuum cleaner S includes a vacuum cleaner main body 1, a bumper 2 covering the side circumference of the vacuum cleaner main body 1, a pair of drive wheels 3 and 4 (see FIG. 2), training wheels 5 (see FIG. 2), and a side brush 6. It has.
  • the vacuum cleaner main body 1 has an upper cover 1u forming at least a part of the upper surface and a lower case 1s forming at least a part of the bottom surface.
  • the upper cover 1u is provided with an operation button 7 capable of performing various operations such as starting and stopping the operation. Further, the upper cover 1u is provided with a removable dust collecting case 8.
  • the dust collecting case 8 is provided on the rear side of the center in the front-rear direction. A handle 8a is rotatably attached to the dust collecting case 8.
  • the bumper 2 is provided on the entire side circumference of the vacuum cleaner body 1.
  • a bumper 2 can be formed, for example, in a substantially bottomless tubular shape, but at least the front side circumference of the vacuum cleaner main body 1 may be provided so as to be movable in the horizontal direction, particularly in the front-rear direction. Just do it. Further, when the bumper 2 comes into contact with an obstacle or the like as the vacuum cleaner S moves, it is pushed by the force accompanying the contact and is pushed inside the vacuum cleaner S (contacts the bumper 2 on the front side of the vacuum cleaner S). If so, it can be displaced toward the rear).
  • FIG. 2 is a bottom view showing the autonomous traveling type vacuum cleaner of the present embodiment.
  • the drive wheels 3 and 4 are wheels as an example of the drive unit, and are attached to the lower case 1s. Further, the vacuum cleaner S can be moved forward, backward, and turned (including super-credit turning) by rotating the drive wheels 3 and 4 themselves. Further, the drive wheels 3 and 4 are arranged on both the left and right sides, and are rotationally driven by a wheel unit composed of traveling motors 3 m and 4 m (see FIG. 4) and a speed reducer, respectively. Further, the drive wheels 3 and 4 are provided substantially in the center in the front-rear direction and closer to the outer periphery of the lower case (outside) in the left-right direction.
  • the lower case 1s is provided with drive mechanism accommodating portions 11 and 11 for accommodating a drive mechanism including traveling motors 3 m and 4 m (see FIG. 4), arms 3a and 4a, and deceleration mechanisms 3b and 4b. Has been done.
  • a mouthpiece 12 accommodating the rotary brush 14, a scraping brush 15 and the like are provided on the rear side of the drive wheels 3 and 4 and the drive mechanism accommodating portions 11 and 11, a mouthpiece 12 accommodating the rotary brush 14, a scraping brush 15 and the like are provided.
  • the rotating brush 14 is arranged substantially parallel to the axis (left-right direction) passing through the rotation centers of the drive wheels 3 and 4. Further, the rotary brush 14 is driven by a rotary brush motor 14a (see FIG. 4).
  • the scraping brush 15 is arranged parallel to the rotation axis of the rotation brush 14. Further, the scraping brush 15 is composed of a so-called lint brush, and is adapted to rotate within a predetermined angle range.
  • the training wheels 5 are driven wheels and casters that rotate freely. Further, the training wheels 5 are provided on the front side of the vacuum cleaner S in the front-rear direction and substantially in the center in the left-right direction. Further, the training wheels 5 contribute to keeping the lower case 1s at a predetermined height from the floor surface Y (see FIG. 4) together with the drive wheels 3 and 4. Further, the drive wheels 3 and 4 and the auxiliary wheels 5 can smoothly move the vacuum cleaner S.
  • the training wheels 5 are pivotally supported by the lower case 1s so that they rotate driven by the frictional force generated between the vacuum cleaner S and the floor surface Y and can revolve 360 ° in the horizontal direction.
  • the side brush 6 is a brush that guides dust to the mouthpiece 12 in a place where a part of the side brush 6 is outside the vacuum cleaner body 1 (see FIG. 1) and it is not easy for the rotating brush 14 to reach. Further, the side brush 6 has three bundles of brushes extending radially at intervals of 120 ° in a plan view, and is arranged on the front side of the lower case 1s. Further, the root of the side brush 6 is fixed to the side brush holder 6a. Further, the rotation axis of the side brush 6 is in the vertical direction (vertical direction on the paper surface of FIG. 2), and a part of the side brush 6 protrudes outward from the vacuum cleaner main body 1 (see FIG. 1) in a plan view.
  • the flocking of the side brush 6 is inclined so as to approach the floor surface Y (see FIG. 4) toward the tip, and the vicinity of the tip is in contact with the floor surface. Further, as shown by the arrow ⁇ 1, the side brush 6 rotates so as to sweep the front outer region of the vacuum cleaner S from the outer side in the left-right direction to the inner side, and removes dust on the floor surface Y in the center. Collect on the rotating brush 14 side.
  • the side brush 6 is rotationally driven by the side brush motor 6b (see FIG. 4).
  • floor surface distance measuring sensors 13a, 13b, 13c, and 13d are provided at four locations in the front, rear, left, and right directions.
  • the floor distance measuring sensor 13a is located in front of the training wheels 5.
  • the floor distance measuring sensor 13b is located on the outer peripheral side between the drive wheel 3 and the side brush 6 on the right side.
  • the floor surface distance measuring sensor 13c is located symmetrically with respect to the floor surface distance measuring sensor 13b.
  • the floor ranging sensor 13d is located behind the scraping brush 20.
  • connection portions 16 and 16 that are electrically connected to the charging stand.
  • the connecting portion 16 is located between the side brush holder 6a and the floor surface measuring sensor 13a.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a state in which the upper case is removed from the autonomous traveling type vacuum cleaner of the present embodiment
  • FIG. 5 is a perspective view showing a surrounding detection sensor unit.
  • the vacuum cleaner S includes a LiDAR unit (long-distance ambient detection sensor) 40, a camera (imaging unit) 50, and a distance measuring sensor (short-range distance measuring sensor) as an example of a distance measuring sensor using light. ) 60, an infrared light receiving unit 70 is provided.
  • LiDAR units 40 are arranged on the central axis of the upper surface of the vacuum cleaner S.
  • the camera 50, the distance measuring sensor 60, and the infrared receiving unit 70 are arranged so as to face the front side.
  • the vacuum cleaner main body 1, the drive wheels 3 and 4 for driving the vacuum cleaner main body 1, the LiDAR unit (long-distance surrounding detection sensor) 40 provided in the vacuum cleaner main body 1, and the front and side surfaces of the vacuum cleaner main body 1 are provided.
  • the LiDAR unit 40 is divided into an upper rotating portion 40a and a lower fixing portion 40b.
  • the upper side is composed of LiDAR 41, which is a distance measuring sensor using light such as infrared rays, and a photo interrupter for detecting the angle of LiDAR on the horizontal plane.
  • the lower fixing portion 40b is an electric motor 42 for rotating the LiDAR 41, a bearing for reducing the frictional force between the belt 43 for transmitting the rotation of the electric motor 42 to the LiDAR 41 and the fixing portion when the rotating portion rotates, and a photo interrupter on a horizontal plane. It is composed of protrusions for detecting the angle of.
  • the LiDAR 41 is composed of a light emitting unit 41a and a light receiving unit 41b, and measures the distance to an object by a trigonometry based on the light emitting angle of the light emitting unit 41a and the light receiving angle of the light receiving unit 41b.
  • the light emitting unit 41a is an infrared light emitting unit
  • the light receiving unit 41b is an infrared light receiving unit, which is one unit.
  • the angle on the horizontal plane with respect to the vacuum cleaner body 1 is the photo interrupter of each protrusion and the rotating part on the fixed portion 40b fixed to the vacuum cleaner body 1, and the protrusion detected between the light emitting element and the light receiving element of the photo interrupter.
  • the angle of the rotating part on the horizontal plane is detected by the number. Only one protrusion in the front direction of the vacuum cleaner body 1 is shortened, the angle of the front surface of the vacuum cleaner body 1 is detected, and each angle is detected by the number of protrusions detected from the angle. Based on the angle on the horizontal plane of the vacuum cleaner main body 1 measured by the LiDAR unit 40 and the distance to the obstacle, the position and velocity vector of the vacuum cleaner main body 1 on the map are specified while creating the map information of the surroundings.
  • the long-distance ambient detection sensor may be a distance measuring sensor such as a millimeter-wave radar or an ultrasonic sensor that can measure 1 m or more instead of the LiDAR41.
  • the arrangement of the LiDAR unit is not limited to the upper surface of the vacuum cleaner main body 1, and may be the lower surface. Further, the rotation angle of the rotating portion of the LiDAR unit 40 is not limited to 360 °, and it is sufficient that the belt can be replaced with a link mechanism and measurement can be performed at 60 ° or more. The rotation may be a swinging motion.
  • the method for measuring the distance of LiDAR may be a Time of Flight method using the phase difference between the light of the light emitting portion and the light receiving portion instead of the trigonometry.
  • the LiDAR unit 40 can detect an obstacle farther away by changing the light intensity of the LiDAR 41.
  • the power consumption can be suppressed by decreasing the intensity.
  • the rotation speed of the electric motor 42 obstacles can be detected in more detail.
  • the electric motor 42 does not always have a high rotation speed, and when it is not necessary to detect an obstacle at a detailed angle, the power consumption can be suppressed by lowering the rotation speed.
  • FIG. 6 is a perspective view of the front sensor unit.
  • the front sensor unit includes a camera 50, a distance measuring sensor 60, and an infrared light receiving unit 70 inside.
  • the camera (imaging unit) 50 is a monocular camera and is located on the central axis of the front surface of the vacuum cleaner main body 1. Further, since the camera 50 can accurately detect the shape and position of an object as compared with the LiDAR unit 40, it becomes easier to avoid obstacles. Further, since the camera 50 can have a wider angle of view in the vertical direction than the LiDAR unit 40, obstacles on the floor surface can be avoided. For example, it can prevent clothes on the floor from getting caught in it and the cord from getting entangled in the brush. In this way, by using the camera 50 together with the LiDAR unit 40, it is possible to clearly detect the shape and position of obstacles at a short distance while detecting the rough arrangement of obstacles in a wide range, and to detect obstacles. It becomes possible to discriminate.
  • the camera 50 can change the frame rate. For example, the frame rate is increased when detecting a nearby obstacle, and the frame rate is decreased when moving in a wide area where there are no obstacles. As a result, it is not necessary to operate the camera 50 in a state where the frame rate is always increased, so that the power consumption of the camera 50 can be suppressed.
  • the LiDAR 41 and the camera by using both the LiDAR 41 and the camera, it is possible to detect the distance information and the shape information to the obstacle with high accuracy. More specifically, when creating a map of the cleaning area, the position information of the detected obstacles, etc. is detected and mapped mainly or exclusively by using LiDAR41, and the shape information is mainly or exclusively used by the camera. Can be detected and mapped. In order to make these associations highly accurate, in this embodiment, the LiDAR 41 and the camera are provided adjacent to each other (separation distance is within 10 cm, 5 cm, or 3 cm).
  • the focal length of the camera may be adjusted or the moving speed of the vacuum cleaner main body 1 may be changed (for example, deceleration) based on the distance information detected by the LiDAR 41.
  • Autonomous vacuum cleaners of related technology cannot detect the cleaning area located behind obstacles such as furniture, and to recognize that area, wrap around behind the obstacle and then use the camera or There is a problem that it is necessary to detect it again with LiDAR41.
  • the distance measuring sensor 60 is an infrared sensor whose detection range is, for example, about 1/10 or more shorter than that of LiDAR, and detects a distance to a relatively nearby obstacle (for example, about 1 m, preferably about 50 cm or 30 cm or less).
  • a relatively nearby obstacle for example, about 1 m, preferably about 50 cm or 30 cm or less.
  • the distance measuring sensors 60 are provided at a total of three locations on the front surface and both the left and right sides.
  • the distance measuring sensor 60 has a light emitting unit that emits infrared rays and a light receiving unit that receives reflected light that is reflected by an obstacle and returned. The distance to the obstacle is calculated based on the reflected light detected by the light receiving unit.
  • the distance to the obstacle is calculated based on the position where the reflected light is received, the time until the reflected light is received, the amount of the reflected light, the intensity, and the like.
  • the distance measuring sensor 60 is not limited to a PSD sensor, and may be an ultrasonic sensor. By providing the plurality of distance measuring sensors 60 in this way, it is possible to perform cleaning along the wall surface.
  • the bumper 2 is made of resin or glass that allows light to pass through. At least in the vicinity of the distance measuring sensor 60 of the bumper 2, the vicinity of the distance measuring sensor 60 is made of a material having a transmittance of infrared rays larger than that of visible light and ultraviolet rays. As a result, it is possible to reduce the possibility that ultraviolet rays or visible light enter the light receiving portion and erroneously recognize the distance to an obstacle. A material that transmits only the wavelength of light used may be used.
  • the vacuum cleaner S is electrically connected to the charging stand via the connection portion 16 to supply power to the storage battery 21. Further, the vacuum cleaner S specifies the direction of the charging stand with respect to the vacuum cleaner main body according to the type of infrared rays received by receiving the three types of infrared LEDs transmitted from the charging stand by the infrared receiving unit 70.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG.
  • the vacuum cleaner S includes a storage battery 21 and a suction fan 22 inside.
  • the storage battery 21 is arranged in front of the suction fan 22, and includes various motors such as traveling motors 3m and 4m (see FIG. 3), a rotary brush motor 14a, and a suction fan 22, a bumper sensor (not shown), a camera 50, and a distance measuring sensor 60. Power is supplied to various sensors such as the floor distance measuring sensors 13a to 13d and the LiDAR unit 40.
  • the suction fan 22 generates a suction force to collect the dust scraped off by the rotating brush 14 into the dust collecting case 8. Further, the suction fan 22 is provided between the drive wheels 3 and 4 at the center in the front-rear direction. The air taken into the dust collecting case 8 together with the dust is taken into the suction fan 22 via the dust collecting filter 8b.
  • the exhaust of the suction fan 22 is mainly discharged to the outside of the vacuum cleaner S from the exhaust port 1t (see FIG. 2) formed in the lower case 1s, but a part of the exhaust is discharged in the front direction of the vacuum cleaner main body 1 to exhaust the exhaust to the motor. It is used for cooling 42.
  • FIG. 7 is a control block diagram showing the autonomous traveling type vacuum cleaner of the present embodiment.
  • control device 30 controls the vacuum cleaner S in an integrated manner, and is configured by, for example, mounting a microcomputer and peripheral circuits on a substrate.
  • the microcomputer reads the control program stored in the ROM (Read Only Memory), expands it into the RAM (Random Access Memory), and executes it by the CPU (Central Processing Unit) to realize various processes.
  • Peripheral circuits include A / D / D / A converters, drive circuits for various motors, sensor drive circuits, charging circuits for storage batteries 21, and the like.
  • control device 30 can operate the operation buttons 7 capable of inputting commands by the user, from the bumper sensor (not shown), the floor distance measuring sensors 13a to 13d, the distance measuring sensor 60, the camera 50, and the LiDAR unit 40.
  • the arithmetic processing is executed according to the input signal, and the signal after the arithmetic processing is output.
  • FIG. 8 shows a diagram for explaining the mapping by LiDAR41 when the vacuum cleaner S moves from S1 to S2, (a) is before the movement, and (b) is after the movement. Note that FIG. 8 shows a state in which the obstacle T is placed in the room R.
  • FIG. 8A is a diagram in which the electric motor 42 of the LiDAR unit 40 is rotated from the start of operation, and the LiDAR 41 is rotated through the belt 43.
  • the LiDAR 41 can detect (recognize) the obstacle T1 around the vacuum cleaner S1 and the wall W1 of the room R.
  • FIG. 8B is a diagram in which the vacuum cleaner S is moved from S1 to S2.
  • the obstacle T2 and the wall W2 of the room R can be recognized.
  • the self-position is recognized by extracting the feature points of the obstacles T1 and T2 and the walls W1 and W2, matching the shapes of the rooms R in S1 and S2, and specifying the positions S1 and S2 in the room R.
  • the pre-created mapping data or the mapping data at the time of the previous cleaning may be stored even after the automatic cleaning is completed, and the pre-created mapping process may be omitted from the next time onward.
  • the user can specify whether or not the mapping data needs to be created in advance. The user can specify that it is necessary to update the map when the pattern is changed after the latest mapping.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the operation of the autonomous traveling type vacuum cleaner of the present embodiment.
  • step S10 it is confirmed whether the map created by the map creation run in advance or the map at the time of the previous cleaning is registered on the main body or the network server.
  • step S20 the control device 30 rotates the electric motor 42 of the LiDAR unit 40 to rotate the LiDAR 41.
  • the control to move away from the charging stand is executed. Further, by rotating the LiDAR 41 once, it is possible to detect (recognize) the condition of the wall of the room in which the vacuum cleaner S is currently located and obstacles. Further, in addition to the detection by the LiDAR 41, the camera 50 may be operated to recognize the type of obstacle in front of the wall. It is confirmed whether or not the map detected in this way and the current position of the vacuum cleaner S can match the registered map.
  • the control device 30 calculates the cleaning route.
  • the cleaning route has a registered map, and when the self-position can be identified, the optimum route is calculated from the entire registered map. If there is no registered map or self-position identification is not possible as in step S31, the cleaning route is calculated from the walls and obstacles of the room detected by LiDAR41.
  • step S40 the control device 30 starts cleaning based on step S30 or step S31. That is, the drive wheels 3 and 4, the side brush 6 and the rotary brush 14 are rotated and the suction fan 22 is driven to suck the dust from the suction port portion 12 and take it into the dust collecting case 8.
  • step S50 the control device 30 turns on the camera 50. At this time, the frame rate of the camera 50 is lowered. By lowering the frame rate, the power consumption of the camera 50 can be suppressed.
  • step S60 the control device 30 determines whether or not an obstacle has been recognized. Obstacles can be recognized by detecting them with the LiDAR 41 or the camera 50. When the control device 30 detects an obstacle (S60, Yes), the control device 30 proceeds to step S70, and when it determines that no obstacle is detected (S60, No), the control device 30 proceeds to step S100.
  • step S70 the control device 30 raises the frame rate of the camera 50.
  • the frame rate is changed from 10 fps to 30 fps to make it easier to recognize the shape of an object (obstacle).
  • step S80 the control device 30 determines whether or not the obstacle is recognized, proceeds to step S90 if the obstacle is recognized (Yes), and proceeds to step S90, and if the obstacle is not recognized (No). The process of step S80 is repeated.
  • step S90 the control device 30 lowers the frame rate of the camera 50 (for example, the frame rate is changed from 30 fps to 10 fps).
  • step S100 the control device 30 determines whether or not cleaning is completed. Whether or not the cleaning is completed can be determined by referring to the record of traveling on the cleaning route calculated in step S30. When it is determined that the cleaning is completed (S100, Yes), the control device 30 ends, and when it is determined that the cleaning is not completed (S100, No), the process returns to step S60.
  • the distance is measured by the LiDAR 41, and the shape of the obstacle is recognized by the camera 50.
  • the frame rate of the camera 50 is changed according to the values of the LiDAR 41 and the camera 50, both low power consumption and high-performance distance detection can be achieved at the same time. That is, if an obstacle is detected by the LiDAR 41 or the camera 50 during normal driving (step S60), the frame rate of the camera 50 is increased (10 fps ⁇ 30 fps) to make it easier to recognize the shape of the obstacle (step S70), and after recognition. Return to the original frame rate (step S90). In this way, the high power consumption camera 50 is used only when it is necessary to recognize the shape of the obstacle.
  • the drive wheels 3 and 4 are controlled to detect the surrounding conditions of the vacuum cleaner S to move the front surface of the vacuum cleaner S to the left and right. There was a problem that the map creation time became long and the accuracy of the map decreased.
  • a storage battery 21 storage device for storing electric power to be supplied to the LiDAR unit 40.
  • the LiDAR unit 40 is located on the upper surface and the central axis of the vacuum cleaner main body 1. According to this, it is possible to measure a distance of 360 ° around the circumference, and it is possible to easily recognize the position of an object with respect to the center of the vacuum cleaner main body 1.
  • FIG. 10 is a flowchart showing the details of the operation of returning the charging stand of the vacuum cleaner S in step S110 of FIG.
  • the vacuum cleaner S identifies the position of the charging stand by receiving the infrared signal transmitted from the charging stand by the infrared receiving unit 70 provided on the front surface of the vacuum cleaner main body 1, and controls the drive wheels 3 and 4 to charge. Electrically connect to the stand.
  • step S210 it is confirmed whether the position of the charging stand is registered on the main body or the network server in the map created by the map creation run in advance or the map at the time of cleaning. If the charging stand is registered on the map, the process proceeds to step S220 to identify the self-position. After that, the route to the charging stand is calculated using the self-position and the map, and the vehicle returns to the charging stand as in step S330. If the charging stand is not registered on the map, the process proceeds to step S240.
  • step S240 the vacuum cleaner S performs super-credit rotation on the spot, and searches for a return signal from the charging stand in all directions only by the infrared receiver provided in front. Since the vacuum cleaner body 1 can receive the infrared signal of the charging stand from a position about 4 m away, if the infrared signal of the charging stand cannot be received during this super-credit rotation, it is within 4 m around the vacuum cleaner body 1. Determines that the charging stand does not exist. After finishing the super-credit rotation, the process proceeds to step S250.
  • step S250 when the infrared signal of the charging stand can be received, the charging stand return operation is started. If the infrared signal of the charging stand cannot be received, the process proceeds to step S260. In step S260, based on the map data created by using the surrounding detection sensor, the closed space C (see FIG. 11) such as a wall and the open space OP where the wall or obstacle could not be detected by the surrounding detection sensor. (See FIG. 11) is identified. If there is no open space OP, it is determined that there is no charging stand in the range where it can return, and it stops on the spot. If there is an open space OP, the process proceeds to step S270. In step S270, the movement to the open space OP is performed.
  • the process returns to step S240 again, and the infrared signal of the charging stand is searched for by performing super-credit rotation. By repeating this operation, the infrared signal of the charging stand is accurately searched in an unknown area, and the charging stand return operation is performed efficiently.
  • the charging stand return operation starts automatically after the cleaning is completed, except when the user gives an instruction to return the charging stand. Therefore, the charging stand return operation starts from the state where the remaining battery level of the storage battery 21 is low. Will be done. If the storage battery 21 continues to operate with a low battery level, the depth of discharge becomes deeper and the life of the storage battery 21 becomes shorter. Deterioration of the storage battery 21 can be suppressed by efficiently performing the charging stand return operation using the map data. Further, when the charging stand does not exist or the infrared signal of the charging stand cannot be received, the storage battery 21 is discharged by determining the presence or absence of the infrared signal of the charging stand in the room while using the map data and stopping. It is possible to prevent the vacuum cleaner main body 1 from searching the charging stand until the depth becomes deep, and protect the storage battery 21 from deterioration.
  • the LiDAR unit (long-distance surrounding detection sensor) 40 is scanned by the sensor itself rotating by the drive mechanism.
  • scanning may be performed without providing a mechanism for driving the LiDAR unit (long-distance surrounding detection sensor) 40.
  • the drive wheels 3 and 4 rotate the vacuum cleaner main body 1 by 360 degrees when searching for a charging stand. According to this, it is possible to search for a charging stand in the vicinity at a time. At the same time, the camera 50 can confirm whether or not there is an obstacle in the surroundings.
  • the vacuum cleaner main body 1 includes a camera 50 (imaging unit). According to this, the type of obstacle can be discriminated, and since the angle of view is wide, the obstacle on the floor surface in the vicinity of the vacuum cleaner main body 1 can be detected. As a result, it is possible to prevent clothes that have fallen on the floor surface from being caught in the clothes and the cords on the floor surface from being entangled with the drive wheels 3 and 4 and the rotating brush 14.
  • the camera 50 is a monocular camera. According to this, it can be configured at a lower cost than a stereo camera.
  • the camera 50 is arranged on the front surface of the vacuum cleaner main body 1 and above the central axis. By arranging the camera 50 so as to face downward from the front from a higher position, the shadow of the object in front becomes clear.
  • control device 30 for controlling the frame rate of the camera 50 is provided.
  • the control device 30 increases the frame rate when the camera 50 detects an obstacle, and decreases (returns) the frame rate when the camera 50 recognizes the obstacle. According to this, since the frame rate is increased only when an obstacle is detected, the power consumption of the camera 50 can be suppressed.
  • the vacuum cleaner main body 1 is provided with a distance measuring sensor 60 that measures the distance at the position of the reflected light of infrared rays.
  • a nearby wall can be detected more accurately than an infrared sensor that determines an object based on the presence or absence of infrared reflected light. Therefore, it is possible to get closer to the wall and clean the corners and along the wall.
  • a similar effect can be obtained by using an ultrasonic sensor instead of the distance measuring sensor 60.
  • a bumper or a camera may be used.
  • the map data is used for the wall cleaning operation.
  • the self-position in the map measured by LiDAR 41 is detected, and a rough route capable of operating parallel to the wall is determined.
  • the distance measuring sensor 60 on the side surface of the vacuum cleaner main body 1 measures the distance to the wall, and the drive wheels 3 and 4 are controlled to move the tip to a position where the tip of the side brush 6 hits the wall when the side brush 6 rotates. After that, it moves according to the route according to the map data. In that case, move while measuring the distance to the wall with the distance measuring sensor 60 on the side of the vacuum cleaner body 1, and when the vacuum cleaner body 1 shifts to a position where the side brush 6 does not hit, it is opposite to the wall.
  • the rotation speed of the drive wheel 3 or 4 on the side is increased to move to the position where the side brush 6 hits. Since the side brush 6 is arranged on one side of the vacuum cleaner main body 1, if it is arranged on the right side, it cleans the wall clockwise, and if it is arranged on the left side, it cleans the wall counterclockwise. Also, in order to improve the amount of dust scraped from the wall, increase the rotation speed of the side brush when cleaning the wall.
  • the operation of cleaning the corner is shifted by using the LiDAR unit 40 and the distance measuring sensor 60 during the wall cleaning.
  • the distance measuring sensor 60 on the front surface of the vacuum cleaner main body 1 detects the front wall while moving parallel to the wall in the wall cleaning operation, the operation shifts to the corner cleaning operation.
  • the distance to the wall is measured by the distance measuring sensors 60 on the front and side of the vacuum cleaner main body 1, and when the drive wheels 3 and 4 are controlled and the side brush 6 rotates, the tip is the front and side walls. Clean the corner by moving it to the position where it hits. After that, it shifts to wall cleaning again.
  • the distance measuring sensor 60 is located in front of the vacuum cleaner main body 1 and in the center in the width direction. According to this, it is possible to easily recognize the position of the object with respect to the center of the vacuum cleaner main body 1. Further, the position of the obstacle or the wall surface may be set by LiDAR41 and the shape may be set by the camera, and the position information and the shape may be corrected by using the detection information by the distance measuring sensor or the bumper.
  • the content of the present invention is not limited to the embodiment, and can be appropriately changed within a range not deviating from the gist thereof.
  • the vacuum cleaner S traveling on the floor surface as an electric device has been described as an example, the same effect can be obtained even if it is applied to a flying moving body. By applying it to a flying moving body, it is possible to remove not only dust on the floor surface but also dust adhering to the wall surface.
  • the case where the monocular camera 50 is mounted has been described as an example, but a configuration in which a compound eye camera is mounted instead of the monocular camera 50 may be used.
  • the camera 50 can be rotated and the hand is good.
  • the rotation angle is not limited to 360 °, and it suffices if it can measure 60 ° or more.
  • the rotation may be a swinging motion.
  • a near-infrared LED may be provided in the vicinity of the camera 50.
  • Vacuum cleaner body 3, 4 ... Drive wheels (drive unit), 21 ... Storage battery (storage device), 22 ... Suction fan, 30 ... Control device, 40 ... LiDAR unit, 41 ... LiDAR, 42 ... Electric motor, 50 ... Camera (imaging unit), 60 ... Distance measuring sensor, S ... Autonomous driving type vacuum cleaner

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Vacuum Cleaner (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

本発明は、清掃場所の地図を正確に作成することが可能な自律走行型掃除機を提供することを目的とする。そのために本発明は、掃除機本体１と、掃除機本体１を駆動させる駆動輪３，４と、掃除機本体１に設けられるＬｉＤＡＲユニット（長距離周囲検出センサ）４０と、掃除機本体１の前面および側面に設けられる測距センサ（近距離測距センサ）６０と、掃除機本体１に設けられるカメラ５０と、を備える。また、ＬｉＤＡＲユニット（長距離周囲検出センサ）４０は赤外線の発光部４１ａ及び赤外線の受光部４１ｂを備えている。

Description

自律走行型掃除機
　本発明は、自律走行型掃除機に関する。
　特許文献１には、走行制御手段により駆動部を制御することで本体ケースを旋回させ、本体ケースの周囲の形状を検出する周囲検出センサによって走査した周囲の形状に基づいて走行場所の初期地図を作成するマッピング手段を具備した自律走行可能な電気掃除機が記載されている。
特開２０１８－７５１９１号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の電気掃除機では、周囲検出センサとしてカメラやレーザの一方を使用している（００７４）。しかし、掃除機本体に固定された周囲検出センサでは掃除機本体の駆動部を駆動させない限り、掃除機本体に対して限定された角度の障害物しか検出できない。駆動部の動作は床の状況によるため、周囲検出センサで検出される障害物の配置は不安定で誤差が大きくなる。
　本発明は、前記した従来の課題を解決するものであり、清掃場所の地図を正確に作成することが可能な自律走行型掃除機を提供することを目的とする。
　本発明は掃除機本体と、前記掃除機本体を駆動させる駆動部と、前記掃除機本体に設けられる長距離周囲検出センサと、前記掃除機本体前面および側面に設けられる近距離測距センサと、前記掃除機本体に設けられる撮像部と、を備えることを特徴とする。
　本発明によれば、清掃場所の地図を正確に作成することが可能な自律走行型掃除機を提供できる。
本実施形態の自律走行型掃除機を示す外観斜視図である。 本実施形態の自律走行型掃除機を示す底面図である。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。 本実施形態の自律走行型掃除機から上ケースを外した状態を示す斜視図である。 周囲検出センサユニットを示す斜視図である。 前方センサユニットを示す斜視図である。 本実施形態の自律走行型掃除機を示す制御ブロック図である。 ＬｉＤＡＲの機能を説明する図を示し、（ａ）は運転開始時、（ｂ）は運転中である。 本実施形態の自律走行型掃除機の動作を示すフローチャートである。 本実施形態の自律走行型掃除機の充電台帰還の動作を示すフローチャートである。 本実施形態の自律走行型掃除機の充電台帰還動作を説明する図である。
　以下、本発明の実施形態について、適宜添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、自律走行型掃除機Ｓ（以下、掃除機Ｓと略記する）が進行する向きのうち、掃除機Ｓが主に進行する方向を前方、鉛直上向きを上方、駆動輪（駆動部）３，４が対向する方向であって駆動輪３側を右方、駆動輪４側を左方とする（図２参照）。すなわち、図１などに示すように、前後、上下、左右方向を定義する。
　図１は、本実施形態の自律走行型掃除機を示す外観斜視図である。
　図１に示すように、掃除機Ｓは、所定の掃除領域（例えば、部屋の床面Ｙ（図４参照））を自律的に移動しながら自動的に掃除する電気機器である。また、掃除機Ｓは、掃除機本体１、掃除機本体１の側周を覆うバンパ２、一対の駆動輪３，４（図２参照）、補助輪５（図２参照）、およびサイドブラシ６を備えている。
　掃除機本体１は、上面の少なくとも一部を形成する上カバー１ｕおよび底面の少なくとも一部を形成する下ケース１ｓを有する。
　上カバー１ｕには、運転の開始や停止などの各種操作を行うことができる操作ボタン７が設けられている。また、上カバー１ｕには、着脱可能な集塵ケース８が設けられている。この集塵ケース８は、前後方向の中央よりも後側に設けられている。また、集塵ケース８は、ハンドル８ａが回動自在に取り付けられている。
　バンパ２は、掃除機本体１の側周略全体に設けられている。このようなバンパ２としては、例えば無底の略筒形状として形成することができるが、少なくとも掃除機本体１の前方側の側周が水平方向、特に前後方向に可動な態様で設けられていればよい。また、バンパ２は、掃除機Ｓが移動するのに伴って障害物等に接触した場合、接触に伴う力で押されることで掃除機Ｓの内側（掃除機Ｓの前方側でバンパ２に接触した場合は、後方）に向けて変位することができる。
　図２は、本実施形態の自律走行型掃除機を示す底面図である。
　図２に示すように、駆動輪３，４は、駆動部の一例としての車輪であり、下ケース１ｓに取り付けられている。また、駆動輪３，４自体が回転することで掃除機Ｓを前進、後退、旋回（超信地旋回を含む）させることができる。また、駆動輪３，４は左右両側に配置されており、それぞれ走行モータ３ｍ，４ｍ（図４参照）および減速機で構成される車輪ユニットにより回転駆動される。また、駆動輪３，４は、前後方向において略中央で、左右方向について下ケースの外周寄りに（外側に）設けられている。
　また、下ケース１ｓには、走行モータ３ｍ，４ｍ（図４参照）、アーム３ａ，４ａ、および減速機構３ｂ，４ｂを含んで構成される駆動機構を収容する駆動機構収容部１１，１１が設けられている。
　また、駆動輪３，４および駆動機構収容部１１，１１よりも後側には、回転ブラシ１４を収容した吸口部１２、掻取りブラシ１５などが設けられている。
　回転ブラシ１４は、駆動輪３，４の回転中心を通る軸（左右方向）に略並行に配置されている。また、回転ブラシ１４は、回転ブラシモータ１４ａ（図４参照）によって駆動される。
　掻取りブラシ１５は、回転ブラシ１４の回転軸と平行に配置されている。また、掻取りブラシ１５は、いわゆるリントブラシで構成され、所定の角度範囲内で回動するようになっている。
　補助輪５は、従動輪であり、自由回転するキャスタである。また、補助輪５は、前後方向において掃除機Ｓの前方側、左右方向について略中央に設けられている。また、補助輪５は、駆動輪３，４とともに下ケース１ｓを床面Ｙ（図４参照）から所定高さに保たせることに寄与する。また、駆動輪３，４および補助輪５によって、掃除機Ｓを円滑に移動させることができる。補助輪５は、掃除機Ｓの移動に伴い床面Ｙとの間で生じる摩擦力によって従動回転し、さらに向きが水平方向に３６０°公転できるように、下ケース１ｓに軸支されている。
　サイドブラシ６は、一部が掃除機本体１（図１参照）よりも外側にあり、回転ブラシ１４を届かせることが容易ではない場所の塵埃を吸口部１２に導くブラシである。また、サイドブラシ６は、平面視において１２０°間隔で放射状に延びる３束のブラシを有し、下ケース１ｓの前側に配置されている。また、サイドブラシ６は、その根元がサイドブラシホルダ６ａに固定されている。また、サイドブラシ６の回転軸は上下方向（図２の紙面垂直方向）であり、サイドブラシ６の一部は平面視で掃除機本体１（図１参照）から外側方に飛び出ている。
　また、サイドブラシ６の植毛は、先端に向かうにつれて床面Ｙ（図４参照）に近づくように傾斜しており、その先端付近は床面に接している。また、サイドブラシ６は、矢印α１で示すように、掃除機Ｓの前方外側の領域を、左右方向外側から内側に向かう方向に掃引するように回転して、床面Ｙ上の塵埃を中央の回転ブラシ１４側に集める。なお、サイドブラシ６は、サイドブラシモータ６ｂ（図４参照）によって回転駆動される。
　また、下ケース１ｓには、前後左右の４箇所に床面用測距センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが設けられている。床面用測距センサ１３ａは、補助輪５の前方に位置している。床面用測距センサ１３ｂは、駆動輪３と右側のサイドブラシ６との間の外周側に位置している。床面用測距センサ１３ｃは、床面用測距センサ１３ｂに対して左右対称に位置している。床面用測距センサ１３ｄは、掻取りブラシ２０の後方に位置している。
　また、下ケース１ｓには、充電台と電気的に接続される接続部１６，１６が設けられている。接続部１６は、サイドブラシホルダ６ａと床面用測距センサ１３ａとの間に位置している。
　図４は、本実施形態の自律走行型掃除機から上ケースを取り外した状態を示す斜視図、図５は、周囲検出センサユニットを示す斜視図である。
　図４に示すように、掃除機Ｓは、光を用いた測距センサの一例としてのＬｉＤＡＲユニット（長距離周囲検出センサ）４０、カメラ（撮像部）５０、測距センサ（近距離測距センサ）６０、赤外線受光部７０を備えている。これらＬｉＤＡＲユニット４０は掃除機Ｓの上面の中心軸上に配置される。カメラ５０および測距センサ６０、赤外線受光部７０は、図４に示すように、それぞれが正面側を向くように配置されている。掃除機本体１と、掃除機本体１を駆動させる駆動輪３，４と、掃除機本体１に設けられるＬｉＤＡＲユニット（長距離周囲検出センサ）４０と、掃除機本体１の前面および側面に設けられるカメラ（撮像部）５０と、掃除機本体１に設けられるカメラ（撮像部）５０と、を備えることにより、清掃場所の地図を正確に作成することが可能な自律走行型掃除機を提供できる。
　図４および図５に示すように、ＬｉＤＡＲユニット４０は上側の回転部４０ａと下側の固定部４０ｂに分けられる。上側には赤外線等の光を用いた測距センサであるＬｉＤＡＲ４１とＬｉＤＡＲの水平面上の角度を検出するためのフォトインタラプタで構成される。下側の固定部４０ｂはＬｉＤＡＲ４１を回転させるための電動機４２、電動機４２の回転をＬｉＤＡＲ４１に伝えるベルト４３と回転部が回転する際の固定部との摩擦力を軽減するベアリング、フォトインタラプタが水平面上の角度を検出するための突起で構成される。ＬｉＤＡＲ４１は発光部４１ａと受光部４１ｂで構成され、発光部４１ａの発光角度と受光部４１ｂの受光角度に基づいて三角法で物体との距離を測定する。本実施形態では、発光部４１ａは赤外線の発光部であり、受光部４１ｂは赤外線の受光部であり、一つのユニットである。掃除機本体１に対する水平面上の角度は、掃除機本体１に固定された固定部４０ｂ上の各突起と回転部のフォトインタラプタで、フォトインタラプタの発光素子と受光素子の間に検出された突起の個数で回転部の水平面上の角度を検出している。掃除機本体１の前面方向の突起１つのみ他の突起を短くし、掃除機本体１の前面の角度を検出して、そこからの突起の検出数で各角度を検出している。ＬｉＤＡＲユニット４０で測定した掃除機本体１の水平面上の角度と障害物との距離に基づいて、周囲の地図情報を作成しながら、地図上の掃除機本体１の位置、速度ベクトルを特定する。なお、長距離周囲検出センサはＬｉＤＡＲ４１に替えて、ミリ波レーダや超音波センサなど１ｍ以上測定できる測距センサであればよい。ＬｉＤＡＲユニットの配置は掃除機本体１の上面に限らず下面でも構わない。また、ＬｉＤＡＲユニット４０の回転部の回転角度は３６０°に限らず、ベルトをリンク機構に置き換えて、６０°以上測定できればよい。回転は首振り動作としても良い。ＬｉＤＡＲの距離の測定方法は三角法でなく発光部と受光部の光の位相差を利用したＴｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ方式でもよい。
　また、ＬｉＤＡＲユニット４０は、ＬｉＤＡＲ４１の光の強度を変更することで、より遠方の障害物を検出できる。しかし、常に強度を高くしておくのではなく、遠方の障害物を検出する必要がないときには、強度を低くすることで、消費電力を抑えることができる。また電動機４２の回転数を上げることで、より詳細に障害物の検出を行うことができる。しかし、電動機４２も常に回転数を高くしておくのではなく、障害物を詳細な角度で検出する必要がないときには、回転数を低くすることで、消費電力を抑えることができる。
　図６は、前方センサユニットの斜視図である。
　図６に示すように、前方センサユニットは、カメラ５０、測距センサ６０、赤外線受光部７０を内部に備えている。
　カメラ（撮像部）５０は、単眼カメラであり、掃除機本体１の前面の中心軸に位置している。また、カメラ５０は、ＬｉＤＡＲユニット４０に比べて、物の形状や位置を正確に検知することができるので、障害物を避け易くなる。また、カメラ５０は、ＬｉＤＡＲユニット４０に比べて上下方向の画角を広く取ることができるので、床面の障害物を避けることができる。例えば、床面にある衣服を巻き込んだり、コードがブラシに絡まったりするのを防止できる。このように、カメラ５０をＬｉＤＡＲユニット４０と併用することにより、広範囲の障害物の大まかな配置を検知しながら、近距離の障害物の形状と位置を明確に検知することができ、障害物を判別することが可能になる。
　また、カメラ５０は、フレームレートを変化させることができるものである。例えば、近くの障害物を検知する際にはフレームレートを上げ、障害物が何もない広い場所を移動する際にはフレームレートを下げる。これにより、カメラ５０を、常にフレームレートを上げた状態で作動させる必要がないのでカメラ５０の消費電力を抑えることができる。
　このように、本実施形態ではＬｉＤＡＲ４１とカメラとの両者を利用することで、障害物までの距離情報と形状情報とを高精度に検知可能である。より具体的には、掃除領域の地図を作成するに際して、検知した障害物等の位置情報を主に又は専らＬｉＤＡＲ４１を利用して検知及びマッピングし、形状情報を主に又は専らカメラを利用して検知及びマッピングすることができる。これらの連関を高精度にするため、本実施形態ではＬｉＤＡＲ４１とカメラとを互いに隣接させて（離間距離が１０ｃｍ、５ｃｍ又は３ｃｍ以内）設けている。
　さらに、ＬｉＤＡＲ４１によって検知した距離情報に基づいてカメラの焦点距離を調整したり掃除機本体１の移動速度を変更（例えば減速）したりしてもよい。
　関連技術の自律走行可能な電気掃除機では、家具などの障害物の後方に位置する掃除領域を検出することができず、その領域を認識するには障害物の後方に回り込んでからカメラやＬｉＤＡＲ４１で再度検出する必要があるという課題がある。
　測距センサ６０は、ＬｉＤＡＲより検知範囲が例えば１／１０程度以上短く、比較的近傍の障害物（例えば１ｍ程度、好ましくは５０ｃｍ又は３０ｃｍ程度まで以下）までの距離を検出する赤外線センサであり、例えばＰＳＤ（Position　Sensitive　Detector）センサによって構成される。また、測距センサ６０は、正面および左右両側の計３箇所に設けられている。また、測距センサ６０は、赤外線を発光させる発光部と、赤外線が障害物で反射して戻ってくる反射光を受光する受光部とを有している。受光部によって検出される反射光に基づいて、障害物までの距離が算出される。具体的には反射光を受ける位置、反射光を受けるまでの時間、反射光の量、強さ等に基づいて、障害物までの距離が算出される。なお、測距センサ６０は、ＰＳＤセンサに限定されるものではなく、超音波センサとしてもよい。このように複数の測距センサ６０を設けることにより、壁際に沿った掃除を行うことができる。
　なお、バンパ２は光を透過させる樹脂またはガラスで形成されている。バンパ２のうち少なくとも、測距センサ６０の近傍は、赤外線の透過率が可視光および紫外線の透過率よりも大きい材料で形成されている。これにより、紫外線や可視光が受光部に入り込んで、障害物までの距離を誤認識する虞を低減できる。なお、使用する光の波長のみ透過する材料を用いてもよい。
　掃除機Ｓは接続部１６を介して充電台と電気的に接続され、蓄電池２１に給電する。また掃除機Ｓは、充電台から発信される３種類の赤外線ＬＥＤを赤外線受光部７０で受信することで、受信した赤外線の種類に応じて掃除機本体に対する充電台の方向を特定する。
　図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。
　図３に示すように、掃除機Ｓは、蓄電池２１、吸引ファン２２を内部に備えている。
　蓄電池２１は、吸引ファン２２の前方に配置され、走行モータ３ｍ，４ｍ（図３参照）、回転ブラシモータ１４ａ、吸引ファン２２などの各種モータ、バンパセンサ（不図示）、カメラ５０、測距センサ６０、床面用測距センサ１３ａ～１３ｄ、ＬｉＤＡＲユニット４０などの各種センサに電力を供給する。
　吸引ファン２２は、吸引力を発生させて、回転ブラシ１４によって掻き取られた塵埃を集塵ケース８内に集塵させるものである。また、吸引ファン２２は、前後方向中央において駆動輪３，４間に設けられている。集塵ケース８に塵埃とともに取り込まれた空気は、集塵フィルタ８ｂを介して吸引ファン２２内に取り込まれる。吸引ファン２２の排気は主に下ケース１ｓに形成された排気口１ｔ（図２参照）から掃除機Ｓの外部に排出されるが、一部掃除機本体１前方方向に排出し、排気を電動機４２の冷却に利用する。
　図７は、本実施形態の自律走行型掃除機を示す制御ブロック図である。
　図７に示すように、制御装置３０は、掃除機Ｓを統括的に制御するものであり、例えばマイコン（Microcomputer）と周辺回路とが基板に実装されることで構成される。マイコンは、ＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶された制御プログラムを読み出してＲＡＭ（Random Access Memory）に展開し、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が実行することで各種処理が実現される。周辺回路は、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａ変換器、各種モータの駆動回路、センサ駆動回路、蓄電池２１の充電回路等を有している。
　また、制御装置３０は、利用者による命令を入力可能な操作ボタン７の操作や、バンパセンサ（不図示）、床面用測距センサ１３ａ～１３ｄ、測距センサ６０、カメラ５０、ＬｉＤＡＲユニット４０から入力される信号に応じて演算処理を実行し、演算処理後の信号を出力する。
　図８は、掃除機ＳがＳ１からＳ２まで移動する際のＬｉＤＡＲ４１によるマッピングを説明する図を示し、（ａ）は移動前、（ｂ）は移動後である。なお、図８では、部屋Ｒの中に障害物Ｔが置かれている状態を示している。
　図８（ａ）に示すように、運転開始から、ＬｉＤＡＲユニット４０の電動機４２を回転させ、ベルト４３を通じてＬｉＤＡＲ４１を回転させる。それにより、ＬｉＤＡＲ４１は掃除機Ｓ１の周囲の障害物Ｔ１および部屋Ｒの壁Ｗ１を検知（認識）することができる。掃除機ＳがＳ１からＳ２に移動した図が図８（ｂ）である。Ｓ２の位置では部屋Ｒの障害物Ｔ２と壁Ｗ２を認識できる。障害物Ｔ１とＴ２及び壁Ｗ１とＷ２の特徴点を抽出し、Ｓ１とＳ２での部屋Ｒの形状を合わせ、部屋Ｒでの位置Ｓ１及びＳ２を特定することで自己位置を認識する。このように、電動機４２でＬｉＤＡＲ４１を回転させることで、部屋Ｒ１の全体をマッピングする（部屋の障害物の配置図を作成する）こととマップ内の自己位置認識が可能になる。掃除を開始前に事前に部屋全体を走行し、マッピングデータを収集しておくことで、掃除時の無駄な経路を削減し、掃除時の消費電力を抑えるとともに掃除可能な範囲を拡大することができる。
　事前作成マッピングデータまたは前回の掃除時のマッピングデータを自動清掃終了後も記憶するようにしておき、次回以降は事前作成マッピング処理を省略しても良い。例えばユーザによって事前のマッピングデータ作成が必要か不要かの指定を受けるようにすることができる。ユーザは、最新のマッピングより後に模様替え等をした場合は、マップの更新をすべく必要との指定をすることができる。
　図９は、本実施形態の自律走行型掃除機の動作を示すフローチャートである。
　図９に示すように、ステップＳ１０において、事前のマップ作成走行によるマップまたは以前の清掃時のマップが本体またはネットワークサーバー上に登録されているか確認する。
ステップＳ２０において、制御装置３０はＬｉＤＡＲユニット４０の電動機４２を回転させて、ＬｉＤＡＲ４１を回転させる。なお、掃除機Ｓが充電台（不図示）に接続されている場合には、充電台から離れる制御を実行する。また、ＬｉＤＡＲ４１を１周回転させることで、掃除機Ｓが現在位置している部屋の壁の状況と障害物を検出（認識）することができる。また、ＬｉＤＡＲ４１による検出に加えて、カメラ５０を作動させて、壁の手前にある障害物の種類を認識するようにしてもよい。このようにして検出したマップと掃除機Ｓの現在の位置が登録済みのマップと一致可能か否か確認する。
　ステップＳ３０、３１において、制御装置３０は、清掃ルートを算出する。ステップＳ３０のように、清掃ルートは登録済みのマップが有り、自己位置同定ができた場合は、登録済みの全体のマップから最適な経路を算出する。ステップＳ３１のように、登録済みのマップが無い、または自己位置同定ができない場合は、ＬｉＤＡＲ４１で検出した部屋の壁や障害物から、清掃ルートの算出を行う。
　ステップＳ４０において、制御装置３０はステップＳ３０またはステップＳ３１に基づいて、清掃を開始する。すなわち、駆動輪３，４、サイドブラシ６および回転ブラシ１４を回転させるとともに吸引ファン２２を駆動して、塵埃を吸口部１２から吸込み、集塵ケース８内に取り込む。
　ステップＳ５０において、制御装置３０は、カメラ５０をＯＮにする。このとき、カメラ５０のフレームレートを下げた状態にする。フレームレートを下げておくことで、カメラ５０の消費電力を抑えることができる。
　また、掃除機Ｓを走行させながら、ＬｉＤＡＲ４１によって部屋の壁および障害物を検出することで、現在掃除している部屋での掃除機Ｓの自己位置を認識することができる。このため、清掃開始後に物が置かれたり、ペットが入って来た場合など新しい障害物が登場した場合でも、それらを壁と誤認識することがない。つまり、本実施形態では、常に壁の位置を認識することで、自己の位置を常に認識することができ、ペットなどの新しい障害物を無視して清掃を実行することが可能になる。
　ステップＳ６０において、制御装置３０は、障害物を認識したか否かを判定する。なお、障害物は、ＬｉＤＡＲ４１またはカメラ５０で検出することで認識することができる。制御装置３０は、障害物を検出した場合には（Ｓ６０、Ｙｅｓ）、ステップＳ７０に進み、障害物を検出していないと判定した場合には（Ｓ６０、Ｎｏ）、ステップＳ１００に進む。
　ステップＳ７０において、制御装置３０は、カメラ５０のフレームレートを上げる。例えば、フレームレートを１０ｆｐｓから３０ｆｐｓにして、物体（障害物）の形状を認識し易くする。
　ステップＳ８０において、制御装置３０は、障害物を認識したか否かを判定し、障害物を認識した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ９０に進み、障害物を認識しない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８０の処理を繰り返す。
　ステップＳ９０において、制御装置３０は、カメラ５０のフレームレートを下げる（例えば、フレームレートを３０ｆｐｓから１０ｆｐｓにする）。
　ステップＳ１００において、制御装置３０は、清掃が完了したか否かを判定する。なお、清掃が完了したか否かは、ステップＳ３０において算出した清掃ルートを走行した記録を参照することによって判定できる。制御装置３０は、清掃が完了したと判定した場合には（Ｓ１００、Ｙｅｓ）、終了し、清掃が完了していないと判定した場合には（Ｓ１００、Ｎｏ）、ステップＳ６０に戻る。
　このように、本実施形態では、ＬｉＤＡＲ４１によって距離を測り、カメラ５０によって障害物の形状認識を行う。カメラ５０のフレームレートをＬｉＤＡＲ４１およびカメラ５０の値に応じて変化させることで、低消費電力および高性能距離検出の両立が可能となる。すなわち、通常走行時にＬｉＤＡＲ４１またはカメラ５０で障害物を検出したら（ステップＳ６０）、カメラ５０のフレームレートを上げ（１０ｆｐｓ→３０ｆｐｓ）、障害物の形状を認識し易くし（ステップＳ７０）、認識した後に元のフレームレートに戻す（ステップＳ９０）。このように、障害物の形状認識が必要なときのみ高消費電力のカメラ５０を使用する。
　ところで、掃除機Ｓでカメラ５０を単体で使用する場合には、二次電池（蓄電池２１）で駆動する自律走行型掃除機においては消費電力が大きく、正確な距離検出が難しい。また、レーザ等の距離センサ単体を掃除機Ｓに固定して使用する場合には、掃除機Ｓの周囲の状況を検出するのに駆動輪３，４を制御して掃除機Ｓの前面を左右に向けなければならず、マップの作成時間が長くなったり、マップの精度が落ちたりする課題があった。
　そこで、本実施形態の掃除機Ｓでは、掃除機本体１と、掃除機本体１を駆動させる駆動輪３，４（駆動部）と、掃除機本体１に設けられるＬｉＤＡＲユニット４０と、駆動輪３，４およびＬｉＤＡＲユニット４０に供給する電力を蓄積する蓄電池２１（蓄電装置）と、を備える。これによれば、走行しながら周囲の距離を測定できるので、清掃場所のマップを効率的に作成することができる。
　また、本実施形態では、ＬｉＤＡＲユニット４０は、掃除機本体１の上面かつ中心軸上に位置している。これによれば、周囲３６０°の距離の測定が可能になるとともに、掃除機本体１の中心に対して物がどの位置にあるかを容易に認識することができる。
　図１０は、図９のステップＳ１１０の掃除機Ｓの充電台帰還の動作の詳細を示すフローチャートである。掃除機Ｓは充電台から発信される赤外線信号を掃除機本体１の前面に具備された赤外線受光部７０で受信することで充電台の位置を特定し、駆動輪３、４を制御して充電台と電気的に接続する。図１０に示すように、ステップＳ２１０において、事前のマップ作成走行によるマップまたは清掃時のマップが本体またはネットワークサーバー上に充電台の位置が登録されているか確認する。マップ上に充電台が登録されている場合は、ステップＳ２２０へ移行し自己位置同定を行う。その後、自己位置と地図を利用して充電台までの経路を算出し、ステップＳ３３０の通り充電台へ帰還を行う。マップ上に充電台が登録されていない場合は、ステップＳ２４０へ移行する。
　ステップＳ２４０において、掃除機Ｓはその場で超信地回転を行うことで、前方に具備した赤外線受光部のみで充電台からの帰還信号を全方位に対して探索する。充電台の赤外線信号を掃除機本体１は約４ｍ離れた位置からまで受信可能なため、この超信地回転時に充電台の赤外線信号を受信できなかった場合は掃除機本体１の周囲４ｍ以内には充電台が存在しないと判断する。超信地回転を終えた後ステップＳ２５０へ移行する。
　ステップＳ２５０において、充電台の赤外線信号を受信できた場合は充電台帰還動作を開始する。充電台の赤外線信号を受信できなかった場合は、ステップＳ２６０へ移行する。ステップＳ２６０において、周囲検出センサを利用して作成したマップデータをもとに、壁など閉じられた閉空間Ｃ（図１１参照）と周囲検出センサでは壁や障害物が検出できなかった開空間ＯＰ（図１１参照）の識別を行う。開空間ＯＰが存在しない場合は、帰還できる範囲に充電台が存在しないと判断しその場で停止する。開空間ＯＰが存在する場合はステップＳ２７０へ移行する。ステップＳ２７０においては、開空間ＯＰへの移動を行う。開空間ＯＰが複数存在する場合は、開口部が最も広い開空間が充電台の存在する可能性が一番高いエリアであると判断し移動を行う。その後、再度ステップＳ２４０に戻り、超信地回転を行うことで充電台の赤外線信号を探索する。この動作を繰り返すことで、的確に未知のエリアで充電台の赤外線信号の探索を行い、効率の良い充電台帰還の動作を行う。
　充電台帰還動作は使用者が充電台帰還の命令をする場合を除いては、清掃が完了した後、自動で開始されるため、蓄電池２１の電池残量が少ない状態から充電台帰還動作は開始される。蓄電池２１の電池残量が少ない状態で動作し続けると放電深度が深くなり、蓄電池２１の寿命が短くなる。マップデータを利用して充電台帰還動作を効率的に行うことで、蓄電池２１の劣化を抑えることが出来る。また、充電台が存在しない場合、または充電台の赤外線信号を受信できない場合に、マップデータを利用しながら部屋内の充電台の赤外線信号の有無を判断して停止することで、蓄電池２１の放電深度が深くなるまで掃除機本体１が充電台を探索することを防ぎ、蓄電池２１を劣化から保護することができる。
　また、本実施形態では、ＬｉＤＡＲユニット（長距離周囲検出センサ）４０は、駆動機構によりセンサ自身が回転し、走査する。しかし、駆動輪３，４によって掃除機本体１を駆動させることで、ＬｉＤＡＲユニット（長距離周囲検出センサ）４０を駆動させる機構を設けずに走査してもよい。
　また、本実施形態では、駆動輪３，４は、充電台探索時に掃除機本体１を３６０度超信地旋回させる。これによれば、一度で周囲に充電台があるかどうかを探索することができる。また、同時にカメラ５０により周囲に障害物が存在しているかどうかを確認することができる。
　また、本実施形態では、掃除機本体１は、カメラ５０（撮像部）を備える。これによれば、障害物の種類を判別することができ、さらに画角が広いので、掃除機本体１の近傍の床面の障害物を検出することができる。これにより、床面に落ちている服を巻き込んだり、床面のコードが駆動輪３，４や回転ブラシ１４にからまったりするのを防止できる。
　また、本実施形態では、カメラ５０は、単眼カメラである。これによれば、ステレオカメラよりも安価に構成できる。
　また、本実施形態では、カメラ５０は、掃除機本体１の前面および中心軸上の上方に配置される。カメラ５０は、より高い位置から前面下方に向けるように配置することで、正面の物体の陰影が明確になる。
　また、本実施形態では、カメラ５０のフレームレートを制御する制御装置３０を備える。制御装置３０は、カメラ５０が障害物を検出した場合にフレームレートを上げ、障害物を認識した場合にフレームレートを下げる（元に戻す）。これによれば、障害物を検出したときだけフレームレートを上げるので、カメラ５０の消費電力を抑制することができる。
　また、本実施形態では、掃除機本体１は、赤外線の反射光の位置で距離を測定する測距センサ６０を備える。これによれば、赤外線の反射光の有無で物の判定を行う赤外線センサに比べて、近傍の壁を精度よく検出できる。よって、壁の近くまで寄って、隅の掃除や壁際に沿った掃除が可能になる。なお、測距センサ６０に替えて超音波センサにしても、同様の効果を得ることができる。また、バンパまたはカメラを用いても良い。
　壁際掃除の動作にはマップデータを利用して移行する。壁際動作時には、まず、ＬｉＤＡＲ４１で測定したマップ内の自己位置を検出し、壁に対して平行に動作できるような大まかな経路を決定する。次に掃除機本体１の側面の測距センサ６０で壁との距離を測定し、駆動輪３、４を制御してサイドブラシ６が回転したときに先端が壁に当たる位置まで移動させる。その後マップデータによる経路に従って移動する。その際には壁との距離を掃除機本体１の側面の測距センサ６０で測定しながら移動し、サイドブラシ６が当たらない位置に掃除機本体１がずれてしまった際には壁と反対側の駆動輪３または４の回転速度を上げて、サイドブラシ６が当たる位置に移動する。サイドブラシ６は掃除機本体１の片側に配置されるため、右側に配置されている場合は時計回り、左側に配置されている場合は反時計回りで壁際掃除を行う。また、壁際から塵埃を掻き出す量を向上するために、壁際掃除時にはサイドブラシの回転数を上げる。
　隅掃除の動作には壁際掃除中にＬｉＤＡＲユニット４０および測距センサ６０を利用して移行する。壁際掃除で壁に対して平行に移動している途中に、掃除機本体１の前面の測距センサ６０が正面の壁を検知した際に隅掃除動作に移行する。その際には掃除機本体１の正面および側面の測距センサ６０で壁との距離を測定し、駆動輪３、４を制御してサイドブラシ６が回転したときに先端が正面および側面の壁に当たる位置まで移動させて、隅の掃除を行う。その後壁際掃除に再び移行する。
　また、本実施形態では、測距センサ６０は、掃除機本体１の正面かつ幅方向の中央に位置している。これによれば、掃除機本体１の中心に対して物がどの位置にあるかを容易に認識することができる。また、障害物や壁面の位置をＬｉＤＡＲ４１で、形状をカメラで設定し、位置情報や形状を測距センサやバンパによる検知情報を利用して修正しても良い。
　なお、本発明の内容は実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。また、電気機器として床面を走行する掃除機Ｓを例に挙げて説明したが、飛行する移動体へ適用しても同様な効果がある。飛行する移動体に適用することで、床面の塵埃だけではなく、壁面に付着した塵埃も取り除くことが可能になる。
　なお、本実施形態では、単眼のカメラ５０を搭載した場合を例にして説明したが、単眼のカメラ５０に替えて複眼のカメラを搭載する構成でもよい。
　また、ＬｉＤＡＲユニット４０と同様に、カメラ５０を回転可能とし手も良い。その場合、回転角度は３６０°に限らず、６０°以上測定できればよい。回転は首振り動作としても良い。
　なお、カメラ５０の近傍には、近赤外線のＬＥＤが設けられていても良い。
　１…掃除機本体、３，４…駆動輪（駆動部）、２１…蓄電池（蓄電装置）、２２…吸引ファン、３０…制御装置、４０…ＬｉＤＡＲユニット、４１… ＬｉＤＡＲ、４２… 電動機、５０…カメラ（撮像部）、６０…測距センサ、Ｓ…自律走行型掃除機

Claims (8)

  1. 　掃除機本体と、
    　前記掃除機本体を駆動させる駆動部と、
    　前記掃除機本体に設けられる長距離周囲検出センサと、
    　前記掃除機本体前面および側面に設けられる近距離測距センサと、
    　前記掃除機本体に設けられる撮像部と、を備えることを特徴とする自律走行型掃除機。
  2. 　前記長距離周囲検出センサは赤外線の出力部及び赤外線の受光部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の自律走行型掃除機。
  3. 　前記長距離周囲検出センサはミリ波レーダであることを特徴とする請求項１に記載の自律走行型掃除機。
  4. 　前記赤外線の出力部及び受光部は１つのユニットであり、前記ユニットは回転することを特徴とする請求項２に記載の自律走行型掃除機。
  5. 　前記回転は、首振り動作であることを特徴とする請求項４に記載の自律走行型掃除機。
  6. 　前記撮像部は回転することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の自律走行型掃除機。
  7. 　前記回転は首振り動作であることを特徴とする請求項６に記載の自律走行型掃除機。
  8. 　前記撮像部の近傍には、近赤外線のＬＥＤが設けられていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の自律走行型掃除機。
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