JP2018120482A - ロボットおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＯＳＳを用いてロボットの自律移動を制御する場合に、ロボットの障害物への衝突を防止すること。
【解決手段】複数の測域センサ（４Ｒ、４Ｌ）を備え、複数の測域センサの計測データを用いて作成された地図に基づいて自律移動するロボット１００の制御方法であって、複数の測域センサの計測データの一部を削除し、削除後に残った計測データを統合し、統合された計測データを、複数の測域センサの数よりも少ない数の仮想測域センサの計測データに決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自律移動するロボットおよびその制御方法に関する。

屋内で用いられる自律移動ロボットの自己位置認識技術として、事前に作成された地図と、測域センサから得られたデータとを照合する方法が一般的になりつつある。この方法で用いられる地図は、予め自律移動ロボットを手動または自動で走行させ、Simultaneous Localization and Maping（ＳＬＡＭ）という手法を用いて作成されることが一般的である。

一方で、昨今、様々な分野において、オープンソースソフトウェア（以下、ＯＳＳという）の普及が急激に進んでいる。ロボットの分野においても、例えばRobot Operating System（ＲＯＳ）またはＲＴミドルウェア（ＲＴＭ）といったＯＳＳが世界中で急速に普及し始めている。

これらのＯＳＳの中には、ロボットの自律移動に関する技術も含まれている。自社で開発したロボットをそれぞれのＯＳＳに対応させることで、簡単に、そのロボットを屋内において自律移動させることができる。これらのＯＳＳは、１つの測域センサのみがロボットの正面に備えられた汎用的なロボットを前提として製作されている。

しかし、実際にロボットを開発する際には、広範囲にわたる周囲の環境を計測するために測域センサを複数設置しなければならないことが多い。例えば、自律移動ロボットに人が搭乗する場合、そのロボットの正面には人が乗るため、ロボットの左右に測域センサを取り付けることが多い。この場合において、ＯＳＳを利用して地図を作成する際には、左右の測域センサで得られた各データを、ロボットの正面に備えられた１つの仮想の測域センサ（以下、仮想センサという）から得られたデータのように統合する必要がある。

左右の測域センサで得られた各データを統合する方法としては、従来、各測域センサで得られた各データを１つの仮想センサの座標を基準としたデータに変換し、各測域センサで得られた各データをそのまま統合するといった手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、図１２を用いて、特許文献１に係る地図の作成方法について説明する。図１２は、特許文献１の移動ロボットが、複数の測域センサを備えており、各測位センサで得られたデータを基に地図の生成を行う場合の概要を示す図である。

図１２に示すように、移動ロボット２０には、測域センサとして、超音波センサ２１ａ、２１ｂ、２１ｃが異なる高さに備えられている。

図１２に示す周辺地図２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、それぞれ、超音波センサ２１ａ、２１ｂ、２１ｃで得られたデータに基づいて作成された地図である。周辺地図２２ａ〜２２ｃの世界座標は、融合される融合地図２３の世界座標と同一である。そのため、融合地図２３は、周辺地図２２ａ、２２ｂ、２２ｃをそのまま座標を合わせながら重ねることにより作成できる。

特許第４２５６８１２号公報

しかしながら、上記特許文献１では、ＯＳＳを用いる場合を想定していない。そのため、ＯＳＳを用いてロボットの自律移動を制御する場合、誤った地図の生成が行われ、その地図に基づいて移動するロボットが障害物に衝突してしまうといった問題がある。

本発明の目的は、ＯＳＳを用いてロボットの自律移動を制御する場合に、ロボットが障害物に衝突することを防止できるようにすることである。

本発明に係るロボットの制御方法は、複数の測域センサを備え、該複数の測域センサの計測データを用いて作成された地図に基づいて自律移動するロボットの制御方法であって、前記複数の測域センサの計測データの一部を削除し、削除後に残った計測データを統合し、統合された計測データを、前記複数の測域センサの数よりも少ない数の仮想測域センサの計測データに決定する。

本発明に係るロボットは、上記本発明のロボットの制御方法を用いて制御を行う制御部を備えている。

本発明によれば、ＯＳＳを用いてロボットの自律移動を制御する場合に、ロボットが障害物に衝突することを防止できる。

本発明の実施の形態に係る移動ロボットの外観、および、その移動ロボットが備える制御部の構成を示す図 自律移動ソフトウェアに用いられる占有格子地図の概要図 占有格子地図の作成方法を示した概要図 移動ロボットの移動時の動作の流れを示すフローチャート 各レーザ測域センサの原点、障害物、および移動ロボット本体の位置関係を示した概要図 複数の計測データの統合方法の流れを示すフローチャート 仮想のレーザ測域センサの測定範囲の分割例を示す概要図 測定エリアに含まれるレーザ測域センサの計測点の一例を示す概要図 複数の計測データを統合せずに占有格子地図を作成した場合を示す概要図 複数の計測データを従来の手法で統合し占有格子地図を作成した場合を示す概要図 矛盾を生じさせる計測点を削除した後に占有格子地図を作成した場合を示す概要図 特許文献１の地図作成方法を示す概要図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

まず、本発明の実施の形態に係る移動ロボット１００の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る移動ロボット１００の外観、および、その移動ロボット１００が備える制御部１７の構成を示す図である。

図１に示すように、移動ロボット１００は、移動ロボット本体３と、移動ロボット本体３に設けられた一対の駆動輪１（図１では片側の駆動輪１のみ図示している）と、移動ロボット本体３に設けられた１つの準輪２と、移動ロボット本体３に設けられたレーザ測域センサ４Ｒ、４Ｌと、制御部１７と、を有する。

また、図１に示すように、制御部１７は、センサ統合部１１と、地図部１２と、目的地設定部１３と、自己位置推定部１４と、知能部１５と、駆動輪制御部１６と、を有する。

センサ統合部１１は、レーザ測域センサ４Ｒで計測された計測データと、レーザ測域センサ４Ｌで計測された計測データとを統合する。統合された計測データを、以下「統合計測データ」という。

地図部１２は、移動ロボット１００が移動する領域（空間）の地図を作成し、記憶（以下、管理ともいう）する。

目的地設定部１３は、地図における特定の位置の座標を、移動ロボット１００の移動先（目的地）として設定する。設定された移動先の座標を、以下「目標座標」という。

自己位置推定部１４は、統合計測データと、地図とに基づいて、移動ロボット１００の現在位置（自己位置）を推定する。推定された位置の座標を、以下「現在位置座標」という。

知能部１５は、統合計測データと、目標座標と、現在位置座標とに基づいて、移動ロボットが移動する経路の生成、および、経路上における障害物の認識を行う。

駆動輪制御部１６は、移動ロボット１００が知能部１５で生成された経路を移動（走行）するように、駆動輪１を制御する。

移動ロボット１００は、一対の駆動輪１を図１の矢印ａの方向に回転させることによって、図１の矢印ｂの方向に走行（前進）する。この矢印ｂが示す方向を、移動ロボット１００の進行方向（前進方向）とする。

また、移動ロボット１００は、一対の駆動輪１を矢印ａとは逆方向に回転させることによって、矢印ｂの方向とは逆方向にも走行可能（後進可能）である。

また、一対の駆動輪１は、個別に回転可能に構成されている。よって、一対の駆動輪１を互いに逆回転させることで、移動ロボット１００は超信地旋回を行うことができる。

レーザ測域センサ４Ｒは、移動ロボット１００の進行方向に対して右側に設けられており、レーザ測域センサ４Ｌは、移動ロボット１００の進行方向に対して左側に設けられている。レーザ測域センサ４Ｒ、４Ｌはともに、図１に示すように、移動ロボット本体３の最前方に設けられることが望ましい。

以上、移動ロボット１００の構成について説明した。

次に、地図部１２が作成し、記憶する地図の一例について、図２を用いて説明する。図２は、ＲＯＳまたはＲＴＭ等のＯＳＳ（自律移動ソフトウェア）に用いられる占有格子地図２００の概要図である。図２の（ａ）は、占有格子地図２００の一部を拡大した図である。

占有格子地図２００は、図２の（ａ）に示すように、移動ロボット１００が移動する領域が格子状に区切られている。占有格子地図２００に含まれる各格子は、レーザ側域センサ４Ｒ、４Ｌによって検出されていない未知領域６、障害物が含まれている障害物領域７、または、移動ロボット１００が移動することができる移動可能領域８のいずれかに属する。

次に、図２に示した占有格子地図２００の作成方法について、図３を用いて説明する。図３は、所定の時刻ｔにおける占有格子地図の作成方法を示した概要図である。

図３（ａ）は、所定の時刻ｔのときに、障害物９をレーザ測域センサ（図示略）が計測した計測データを、レーザ測域センサの原点１０ａを中心に描写した図である。

図３（ａ）において、レーザ測域センサから発光されたレーザ光が障害物９と交わった点を、レーザ測域センサの計測点１０ｂとする。

また、図３（ａ）において、各レーザ測域センサの計測点１０ｂと原点１０ａとを結ぶ線分（図中の点線）を、線分データ１０ｃとする。

なお、レーザ測域センサ１０から発光されたレーザ光がある一定の距離まで障害物９と交わらなかった場合は、レーザ測域センサ計測点１０ｂおよび線分データ１０ｃは存在しないものとする。

図３（ｂ）は、レーザ測域センサが計測した計測データから作成された占有格子地図２００を示した図である。

占有格子地図２００に含まれる全ての格子は、最初、未知領域６に属している。そして、地図部１２は、線分データ１０ｃが通過する格子を移動可能領域８に変更し、レーザ測域センサ計測点１０ｂが含まれる格子を障害物領域７に変更する。地図部１２は、この処理を、ｔ、ｔ＋Δｔ、ｔ＋Δｔ＋１というように連続時間的に行う。これによって、占有格子地図２００が作成されていく。

次に、移動ロボット１００の移動時の動作の流れについて、図４を用いて説明する。図４は、移動ロボット１００の移動時の動作の流れを示すフローチャートである。

ステップＳ１において、目的地設定部１３は、地図部１２が管理している占有格子地図２００において、移動ロボット１００の目的地（目標座標）を設定する。

具体的には、目的地設定部１３は、占有格子地図２００を構成する格子のうちのいずれかを、目的地に設定する。このときに設定される格子は、移動可能領域８に属する格子でなくてはならない。

ステップＳ２において、知能部１５は、自己位置推定部１４で推定された移動ロボット１００の現在位置（現在位置座標）を、地図部１２が管理している占有格子地図２００において特定し、移動ロボット１００の現在位置からステップＳ１で設定された移動ロボット１００の目的地までの経路を算出する。

具体的には、知能部１５は、占有格子地図２００を構成する格子の中から現在位置に該当する格子を検索し、検索された格子を現在位置に設定する。そして、知能部１５は、占有格子地図２００上において、現在位置に設定された格子から、目的地に設定された格子までの経路を計算する。この経路の計算（生成）では、例えば、公知のＡ^*（A-star,エースター）アルゴリズムが用いられるが、これに限定されず、その他の公知技術が用いられてもよい。

ステップＳ３において、駆動輪制御部１６は、生成された経路に沿って移動ロボット１００が移動（走行）するように、駆動輪１を制御する。これにより、移動ロボット１００は、目的地へ向けて移動する。

この移動中において、自己位置推定部１４は、随時、移動ロボット１００の現在位置を推定し、知能部１５は、随時、その現在位置と、設定された目的地との間の距離を算出し、その距離が予め設定された一定距離以下になったか否かの判定を行う。

ステップＳ４において、知能部１５は、現在位置と目的地との間の距離が一定距離以下になった場合、目的地に到着したと判断する。そして、駆動輪制御部１６は、駆動輪１の駆動を停止し、移動ロボット１００の移動を停止させる。

次に、センサ統合部１１が、レーザ測域センサ４Ｒで得られた計測データとレーザ側域センサ４Ｌで得られた計測データとを、実際に設置されているレーザ測域センサの数（例えば、２つ）よりも少ない数（例えば、１つ）の仮想センサで得られたように統合する方法について、図５を用いて説明する。

図５は、各レーザ測域センサの原点、障害物９、および移動ロボット本体３の位置関係を示した概要図である。

図５において、４Ｒａは、図１に示したレーザ測域センサ４Ｒの原点であり、４Ｌａは、図１に示したレーザ測域センサ４Ｌの原点である。また、５ａは、仮想のレーザ測域センサ（図示略）の原点である。この場合において、仮想のレーザ測域センサの原点５ａは、レーザ測域センサ４Ｒの原点４Ｒａとレーザ測域センサ４Ｌの原点４Ｌａとを結ぶ線分上にあるものとする。なお、その線分上であれば、仮想のレーザ測域センサの原点５ａは、どの位置にあってもよい。

次に、計測データの統合方法の流れについて、図６を用いて説明する。図６は、計測データの統合方法の流れを示すフローチャートである。

ステップＳ１１において、センサ統合部１１は、レーザ測域センサ４Ｒ、４Ｌのそれぞれから得られるレーザ測域センサの計測点４Ｒｂ、４Ｌｂを全て２次元座標にプロットする。この２次元座標は、仮想のレーザ測域センサの２次元座標である。

ステップＳ１２において、センサ統合部１１は、２次元座標上の仮想のレーザ測域センサの測域範囲を、複数の扇形に分割する。この具体例について、図７、図８を用いて説明する。

図７において、仮想のレーザ測域センサの測域範囲３００は、原点５ａを中心とし、半径Ｌの円である。センサ統合部１１は、この側域範囲３００を、同形の扇形に分割する。図７の（ａ）は、分割された１つの扇形の拡大図である。図７の（ａ）に示すように、１つの扇形は、原点５ａを中心とし、中心角がΔθであり、半径Ｌの扇形である。この１つの扇形を測定エリア５ｄとする。

測定エリア５ｄには、図８に示すように、レーザ測域センサの計測点４Ｒｂ、４Ｌｂが含まれることがある。

ステップＳ１３において、センサ統合部１１は、１つの扇形（測定エリア５ｄ）に複数のレーザ側域センサの計測点が含まれている場合、複数の計測点の中から、１つの計測点を選定する。

例えば、図８の（ａ）に示すように、１つの測定エリア５ｄに複数のレーザ測域センサの計測点４Ｒｂまたは４Ｌｂが含まれている場合、センサ統合部１１は、原点５ａから各計測点４Ｒｂ、４Ｌｂまでの距離をそれぞれ算出する。

そして、センサ統合部１１は、原点５ａからの距離が最も短い計測点を統合用処理データ（統合の対象となる計測データ）に選定する。このとき、選定された計測点以外の計測点は、削除される。その理由は、１つの測定エリアに計測点が複数存在したまま計測データの統合が行われると、選定される計測点以外は、本来仮想のレーザ側域センサの位置からでは計測することができない計測点であるにもかかわらず、計測データの統合後に存在するといった矛盾を生じさせるためである。

上述したステップＳ１３の処理は、１つの測定エリア５ｄに複数のレーザ側域センサの計測点が含まれている場合のみ行われる。

ステップＳ１４において、センサ統合部１１は、測定エリア５ｄのそれぞれに含まれているレーザ側域センサの計測点（ステップＳ１３で選定された計測点）を、仮想のレーザ測域センサの計測点に変更（決定）する。

その後、変更された仮想のレーザ側域センサの計測点に基づいて、占有格子地図が作成され、その占有格子地図に基づいて移動ロボット１００の自律移動の制御が行われる。

次に、図９および図１０を用いて比較例を説明し、その後、本実施の形態の作用効果について図１１を用いて説明する。

図９は、所定の時刻ｔのときに、レーザ測域センサ４Ｒ、４Ｌの計測データを統合せずに占有格子地図２００を作成した場合を示す概要図である。

図９（ａ）は、所定の時刻ｔのときに、障害物９を計測したレーザ測域センサ４Ｒ、４Ｌの計測データを、レーザ測域センサの原点４Ｒａ、４Ｌａを中心に描写した図である。図９（ａ）において、４Ｒｂ、４Ｌｂは、それぞれ、レーザ測域センサ４Ｒ、４Ｌの計測点を示している。また、図９（ａ）において、４Ｒｃ、４Ｌｃは、それぞれ、原点４Ｒａと計測点４Ｒｂとを結ぶ線分データ、原点４Ｌａと計測点４Ｌｂとを結ぶ線分データを示している。

図９（ｂ）は、レーザ測域センサ４Ｒ、４Ｌが計測したレーザ測域センサの計測点４Ｒｂ、４Ｌｂと、線分データ４Ｒｃ、４Ｌｃとに基づいて作成された占有格子地図２００を示した図である。レーザ測域センサ４Ｒ、４Ｌと障害物９とが、例えば図５で説明した位置関係である場合、正しい占有格子地図は、図９（ｂ）に示す占有格子地図２００となる。

一方、図１０は、所定の時刻ｔのときに、レーザ測域センサ４Ｒ、４Ｌの計測データを特段の処理を行わずにそのまま統合し、占有格子地図２００を作成した場合を示す概要図である。

図１０（ａ）は、所定の時刻ｔのときに、障害物９を計測したレーザ測域センサ４Ｒ、４Ｌのレーザ測域センサの計測点４Ｒｂ、４Ｌｂ全てが、仮想のレーザ測域センサの原点５ａから得られたレーザ測域センサの計測点５ｂと同一であると仮定した場合の概要を示した図である。

図１０（ａ）において、各レーザ測域センサの計測点５ｂの座標は、図９（ａ）に示した全てのレーザ測域センサの計測点４Ｒｂ、４Ｌｂの座標と同一である。線分データ５ｃは、レーザ測域センサの計測点５ｂと仮想のレーザ測域センサの原点５ａとを結んだ線分である。
図１０（ａ）に示すように、一部の線分データ５ｃが障害物９と交差してしまっている。このことから、レーザ測域センサの計測点５ｂの中には、矛盾を生じさせるレーザ測域センサの計測点５ｂがいくつか存在していることがわかる。

図１０（ｂ）は、上述した矛盾を含んだまま作成された占有格子地図２００を示す図である。図１０（ｂ）において、枠線ａで囲まれている領域が、図９（ｂ）に示した占有格子地図２００と異なっていることがわかる。

本来、移動ロボットは、障害物９の内側に進入することはできないが、図１０（ｂ）に示した占有格子地図２００では、枠線ａ内（障害物９内に相当）に移動可能領域８があるため、移動ロボットが障害物９内に進入できるようになっている。よって、この図１０（ｂ）に示した占有格子地図を用いて実際に移動ロボットの自律移動を行った場合は、移動ロボットが障害物９に衝突するといった問題が発生する。

図１１は、図６のステップＳ１３で説明したとおり、１つの計測点５ｂを選定した（他の計測点５ｂを削除した）後に、占有格子地図２００を作成した場合を示す概要図である。上述したとおり、１つの測定エリアに計測点が複数存在したまま計測データの統合が行われると、選定される計測点以外は、本来仮想のレーザ側域センサの位置からでは計測することができない計測点であるにもかかわらず、計測データの統合後に存在するといった矛盾を生じさせるため、削除される。

図１１（ａ）は、上記矛盾を生じさせるレーザ測域センサの計測点５ｂを削除した後の、仮想のレーザ測域センサが計測したレーザ測域センサの計測点５ｂと、線分データ５ｃとの概要を示した図である。

図１１（ｂ）は、レーザ測域センサの計測点５ｂと線分データ５ｃとに基づいて作成された占有格子地図２００を示す図である。

図１１（ｂ）に示した占有格子地図２００では、図１０（ｂ）に示した占有格子地図２００のように、障害物９の内部に移動可能領域８が存在していない（すなわち、上記矛盾が生じていない）。図１１（ｂ）に示した占有格子地図２００は、図９（ｂ）に示した占有格子地図２００よりも未知領域６が多いが、移動ロボット１００が移動するほど、計測データが取得されて地図が更新されていくので、最終的には、矛盾なく、かつ、精度の高い地図となる。

なお、上述した実施の形態では、測域センサとして、レーザ測域センサ（レーザレンジファインダ）を用いる場合を例に挙げて説明したが、測域センサは、超音波センサ、光学式センサ、またはカメラセンサであってもよい。これにより、移動ロボットの自律移動の性能が向上する。

また、上述した図６の統合方法は、自律移動ロボット用の地図の生成を行う場合だけではなく、自己位置推定部１４が移動ロボット１００の現在位置を推定する際にも活用することができる。

以上、詳述したように、本実施の形態では、移動ロボットに備えられた複数のレーザ測域センサの計測データを用いて地図を作成し、その地図に基づいて自律移動する場合において、複数の測域センサの計測データの一部を削除し、削除後に残った計測データを統合し、統合された計測データを、複数の測域センサの数よりも少ない数の仮想測域センサの計測データに決定（変更）することを特徴とする。

これにより、ＯＳＳを用いて移動ロボットの自律移動を制御する場合でも、正確な地図を生成できるため、移動ロボットが誤って障害物に衝突することを防止できる。

本発明は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。

本発明は、移動体の自律移動または自動運転の分野で活用することができる。

１ 駆動輪
２ 準輪
３ 移動ロボット本体
４Ｒ、４Ｌ レーザ測域センサ
４Ｒａ、４Ｌａ、１０ａ レーザ測域センサの原点
４Ｒｂ、４Ｌｂ、１０ｂ レーザ測域センサの計測点
４Ｒｃ、４Ｌｃ、１０ｃ 線分データ
５ａ 仮想のレーザ測域センサの原点
５ｂ 仮想のレーザ測域センサの計測点
５ｃ 仮想の測域センサの線分データ
５ｄ 測定エリア
６ 未知領域
７ 障害物領域
８ 移動可能領域
９ 障害物
１１ センサ統合部
１２ 地図部
１３ 目的地設定部
１４ 自己位置推定部
１５ 知能部
１６ 駆動輪制御部
１７ 制御部
２０、１００ 移動ロボット
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 超音波センサ
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 周辺地図
２３ 融合地図

Claims (8)

1. 複数の測域センサを備え、該複数の測域センサの計測データを用いて作成された地図に基づいて自律移動するロボットの制御方法であって、
   前記複数の測域センサの計測データの一部を削除し、
   削除後に残った計測データを統合し、
   統合された計測データを、前記複数の測域センサの数よりも少ない数の仮想測域センサの計測データに決定する、
   ロボットの制御方法。
2. 前記計測データの一部は、前記仮想測域センサの位置で計測できないデータである、
   請求項１に記載のロボットの制御方法。
3. 前記仮想測域センサの測域範囲は、前記仮想測域センサの位置を基準として複数の測定エリアに分割され、
   前記計測データの一部は、分割された１つの測定エリアに含まれる複数の計測データのうち、前記仮想測域センサの位置からの距離が最短である計測データ以外の計測データである、
   請求項１または２に記載のロボットの制御方法。
4. 前記仮想測域センサの測域範囲は、
   円形であり、
   前記仮想測域センサの位置を中心として、所定の角度毎に等分される、
   請求項３に記載のロボットの制御方法。
5. 前記測定エリアの形状は、中心角度が前記所定の角度の扇形である、
   請求項４に記載のロボットの制御方法。
6. 前記仮想測域センサの計測データを用いて、前記ロボットの移動に用いられる地図を生成する、
   請求項１から５いずれか記載のロボットの制御方法。
7. 前記仮想測域センサの計測データを用いて、前記ロボットの現在位置を推定する、
   請求項１から５いずれか記載のロボットの制御方法。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のロボットの制御方法を用いて制御を行う制御部を備えたロボット。