JP5085230B2 - 移動体システム - Google Patents

Description

本発明は、移動領域に配置したマーカの情報に基づいて移動体が自己位置を認識して目標地点まで移動する移動体システムに関する。

従来のこの種の移動体システムとして、少なくとも３つのマーカを撮像することによって、移動体の自己位置及び姿勢（向き）を認識し、移動体を誘導するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

マーカの個数を減らした従来のシステムとして、１つのマーカで移動体の自己位置と姿勢を認識するシステムが知られている（例えば、特許文献２参照）。当該システムは、２種類の偏光フィルムで標点を表面に構成したマーカを移動経路中に配置し、移動体からレーザを水平回転照射してマーカをスキャンし、１つのマーカ上に少なくとも３か所設けられた標点を用いて三角測量により移動体の位置と姿勢を認識するものである。しかしながら、上述した従来のシステムでは、１つのマーカ上に３か所以上の標点が必要であるので、マーカを３つ以上必要とするのと実質的に同じである。１つのマーカに偏光方向の違う２種類の偏光フィルムを用いて標点を構成するため、マーカが高コストとなる。また、マーカは、レーザのスキャン面に配置しなければならないという配置位置の制約があるため、壁面のほぼ一定高さに配置する必要があり、例えば、マーカを天井に配置することができない。

上述の従来技術では、位置と姿勢を認識するために、実質的に３つのマーカを同時に撮像する必要がある。なお、マーカを屋内の天井に配置する場合は、床に対して天井が高さ一定で平行であることが既知であれば、同時に撮像する必要があるマーカを２つに減ずることができるが、１つに減ずることはできない。しかし、このような従来のシステムでは、例えば、撮像装置と天井との間隔を十分とることができなければ、十分な広さの撮像範囲を得ることができず、同時に２つのマーカを撮像することが難しい。広い撮像範囲を確保するために撮像装置に広角レンズを使用すると、画像に大きな歪みが発生し、撮像した画像端で十分な精度でマーカを認識することができない。また、狭い範囲に複数個のマーカを配置すると、マーカの配置数が多くなり施工コストが高くなる。
特開２００２−１３２３４４号公報 特許第３３４０６０６号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、視野（撮像範囲）内に１つのマーカを撮像するだけで移動体の自己位置と姿勢（向き）の認識が可能となり、狭い視野しか得られない環境での使用が可能となり、マーカの配置数を減らすことが可能となる移動体システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、移動体の移動領域に配置されるマーカと、移動体を移動させるための移動手段と、前記移動体に搭載され前記マーカを撮像して撮像情報を取得する撮像手段と、前記マーカの位置情報を記憶した記憶部と、前記マーカの撮像情報とマーカの位置情報とに基づいて自己の位置と姿勢を認識する位置認識手段と、前記位置に基づいて目標地点まで前記移動手段を制御する制御部と、を備えた移動体システムであって、前記マーカは、形状によらずに、視認方向に応じて見える色の色相または濃淡が変化することによって方向を示す特徴情報を外観に備え、前記記憶部は、前記マーカの一部もしくは全部について前記位置情報に加え方向情報を有し、前記位置認識手段は、前記マーカの撮像情報に含まれる前記特徴情報と前記記憶部が有するマーカの方向情報とに基づいて自己の姿勢を認識するものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の移動体システムにおいて、前記マーカは、外観により一意的に特定できるものであり、前記位置認識手段は、前記マーカの撮像情報より該マーカを一意的に特定し、位置と姿勢を認識するものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２記載の移動体システムにおいて、前記マーカは、立体的に形成され、視点により視認性が低下するものである。

請求項１に記載の発明によれば、マーカの外観に方向を示す特徴情報を持たせたので、マーカが１つしか撮像できない場合にも、移動体の自己位置と姿勢を認識することができる。従って、狭い視野しか得られない環境でも移動体システムの使用が可能となり、マーカの配置数を減らすことができ、マーカの施工コストを低減することができる。また、マーカが人の視認方向からは目立たない見え方となるように配置されることによって、マーカの配置場所に意匠性を重視する物が配置されている場合でも、当該物の意匠性を損なうことなくマーカを機能させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、マーカを外観により一意的に特定できるので、マーカに対する移動体の相対位置だけでなく、移動体の絶対位置を認識することができ、グローバル・ローカライゼーション（大局的自己位置同定）を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、マーカが人の視点から目立たないようにすることができる上に、移動体の撮像手段がモノクロであっても、マーカを認識することができる。

以下、本発明の第１の実施形態に係る移動体システムについて図１乃至図５を参照して説明する。図１及び図２において、移動体システム１０は、移動領域に配置されるマーカ１１と移動体１２からなる。移動体システム１０を屋内で使用する場合、例えば、マーカ１１は天井２０に配置され、移動体１２は床２１の上を移動する。マーカ１１は、方向を示す特徴情報を外観に備えている。移動体１２は、カメラからなる撮像手段１３と、コンピュータの記憶装置からなる記憶部１４と、コンピュータの処理装置などからなる位置認識手段１５と、移動体を制御する制御部１６と、車輪と駆動用モータからなる移動手段１７とを備えている。撮像手段１３は、マーカ１１を撮像して撮像情報を取得する。記憶部１４は、マーカの位置情報１４１を記憶している。位置認識手段１５は、マーカ１１の撮像情報を画像処理し、マーカ１１の撮像情報とマーカ１１の位置情報１４１とに基づいて移動体の自己位置を認識し、また、撮像情報に含まれるマーカ１１の方向を示す特徴情報と記憶部１４に記憶されたマーカ１１の方向情報１４２とに基づいて自己の姿勢を認識する。制御部１６は、位置認識手段１５が認識した自己位置と姿勢に基づいて、移動手段１７を制御し、移動体１２を目標地点まで移動させる。

次に、マーカ１１の構成について図３（ａ）（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ）は、マーカ１１の構成を、図３（ｂ）は、その撮像画像１３１を示す。マーカ１１は、例えば、円形と多角形の形状の組み合わせにより、外観に方向を示す特徴情報を備える。マーカ１１の素材は、再帰性反射板が用いられる。再帰性反射板は、光源方向に強く光を反射する性質があり、マーカ１１は、移動体１２に搭載された投光装置からの投光を受けて明るく撮像される。位置認識手段１５は、マーカ１１の撮像情報と記憶部１４に記憶された画像とのマッチングにより、マーカ１１が回転して見えた場合の回転角を算出することで、移動体１２の回転を算出して姿勢（向き）を認識する。マーカ１１が、仮に単純な円形状など、位置情報だけで方向情報を備えない場合は、位置認識手段１５は、マーカ１１を認識してもマーカ１１の回転を認識することができず、移動体１２の回転を算出できない。そのため、従来の移動体システムでは、移動体がマーカを同時に少なくとも２つ撮像して、それぞれのマーカの位置座標と、その見え方、すなわち、画像上での位置座標によって移動体の回転を算出していた。

それに対して、本実施形態では、移動体１２がマーカ１１を一度に１つ撮像するだけで、移動体１２の回転を算出することができる。なお、本実施形態では、マーカ１１は、複数形状の組み合せによって外観に方向を示す特徴情報を備えたが、マーカ１１の外観は、これに限定されるものではなく、等方的でない形状であれば、単体でもよい。例えば、マーカ１１を不等辺三角形などとしてもよいし、文字形状としてもよい。

次に、移動体１２の制御について図４を参照して説明する。制御部１６が移動手段１７を制御し、移動体１２が移動する（Ｓ４０１）。移動体１２は、目標地点まで移動するために、移動中の自己位置を認識する必要がある。そのため、移動手段の車輪の回転角をセンサで検出し、検出した回転角を積算して移動体の位置の変化を計測することにより自己位置を認識するデッドレコニングが用いられる。位置認識手段１５は、移動体１２の位置の変化をデッドレコニングによって更新する（Ｓ４０２）。位置認識手段１５は、移動体１２の位置の変化から自己位置計算を行う（Ｓ４０３）。デッドレコニングによる自己位置認識は、認識した位置に誤差が累積するため、移動体１２は、周期的にマーカ認識による自己位置認識を実行して誤差の累積をリセットする必要がある。そのため、位置認識手段１５は、例えば、前回のマーカ認識による自己位置認識後の移動体１２の移動量に応じて、マーカ認識による自己位置認識を実行するかを判断し（Ｓ４０４）、自己位置認識を行ったときは（Ｓ４０５）、デッドレコニングによる移動体の自己位置情報を自己位置認識の出力と比較して修正する（Ｓ４０６）。自己位置認識をしないときは、ステップＳ４０４からＳ４０７に進む。その後、移動体１２は、目標地点に到達したかを判断し（Ｓ４０７）、目標地点に到達するまで上記のステップＳ４０１乃至Ｓ４０６を繰り返して移動する。これにより、移動体１２は、自己位置を認識して目標地点まで移動することができる。

上記の自己位置認識（Ｓ４０５）の処理の詳細について図５を参照して説明する。移動体１２に搭載された撮像手段１３は、マーカ１１を撮像する（Ｓ５０１）。位置認識手段１５は、撮像情報を画像処理してマーカを認識し（Ｓ５０２）、画像上でのマーカの位置及び向きを算出する（Ｓ５０３）。位置認識手段１５は、記憶部１４の地図情報を参照し、デッドレコニングによる現在の自己位置情報から撮像されるマーカを１つ特定し（Ｓ５０４）、特定したマーカ１１の情報を記憶部１４から参照する（Ｓ５０５）。位置認識手段１５は、画像上でのマーカ１１の位置及び向きと参照したマーカ１１の情報を比較して移動体１２の自己位置を算出し（Ｓ５０６）、移動体１２の自己位置を出力する（Ｓ５０７）。なお、ステップＳ５０４及Ｓ５０５は、ステップＳ５０２及びＳ５０３とは並列的に実行されるフローとしたが、Ｓ５０２及びＳ５０３の直後に直列的に実行されるフローとしてもよい。

本実施形態の移動体システム１０によれば、上記のように動作するので、移動体１２は、一度に１つだけのマーカ１１を撮像し、位置認識手段１５によりデッドレコニングによる自己位置情報を修正して移動することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る移動体システムについて説明する。第２の実施形態における移動体の構成は、図１及び図２に示した第１の実施形態と同様である。第１の実施形態においては１種類のマーカが複数用いられるが、第２の実施形態においては、それぞれのマーカを外観により一意的に特定できるように複数種類のマーカが用いられる。図６（ａ）乃至（ｃ）は、外観が互いに異なる形状の各種マーカ１１ａ、１１ｂ、及び１１ｃを示す。従って、位置認識手段１５は、画像処理のパターンマッチングにより、これらマーカの撮像情報と記憶部１４に記憶しているパターン情報とを比較してマーカを一意的に特定することができる。すなわち、位置認識手段１５は、撮像されたマーカをデッドレコニングによる自己位置情報から特定しなくても、マーカの撮像を画像処理してそのマーカを一意的に特定し、自己位置と姿勢を認識することができる。

本実施形態における移動体１２の制御は、自己位置認識の処理の他は、第１の実施形態における制御と同様である。自己位置認識の処理フローを図７に示す。同図において、撮像したマーカを特定するステップＳ７０４のみが、図５に示した第１の実施形態のステップＳ５０４と異なる。本実施形態では、位置認識手段１５は、画像処理したマーカの形状から撮像したマーカを一意的に特定する（Ｓ７０４)。これにより、移動体１２は、一度に１つのマーカを撮像するだけで、そのマーカを一意的に特定し、マーカに対する相対位置だけでなく、移動領域における大局的な絶対位置を認識でき、グローバル・ローカライゼーション（大局的自己位置同定）ができる。

本実施形態の移動体システムにおいて、マーカのみ上記とは異なる変形例を説明する。本変形例では、複数のマーカのそれぞれを互いに異なる色とし、位置認識手段１５は、画像処理により、マーカの撮像情報と記憶している色情報とを比較してマーカを一意的に特定する。自己位置認識の処理フローを図８に示す。同図において撮像したマーカを特定するステップＳ８０４のみが上述の図７で示したステップＳ７０４と異なる。位置認識手段１５は、画像処理したマーカの色から撮像したマーカを一意的に特定する（Ｓ８０４)。これによって、移動体１２は、一度に１つのマーカを撮像するだけで、マーカに対する相対位置だけでなく、移動領域における大局的な絶対位置を認識することができる。なお、マーカを形状と色との組み合わせによって一意的に特定できる外観としてもよい。

次に、本発明の第３の実施形態に係る移動体システムについて説明する。上述した本発明の第１の実施形態においては、マーカは形状によって方向を示す特徴情報を外観に備えたが、第３の実施形態においては、マーカは、図示していないが、形状によらず、視認方向に応じて見え方が変化することによって方向を示す特徴情報を外観に備えるものとした。例えば、マーカは、表面にフォログラフィ加工がされ、視認方向によって見える色が異なるものとする。移動体１２の位置認識手段１５がマーカの撮像情報をカラー解析し、マーカを撮像した方向を認識し、記憶部１４に記憶されたマーカの方向情報１４２と比較することで移動体１２の方向を算出する。

このように、視認方向に応じてマーカの色が変化するので、移動体は、撮像したマーカの色からマーカを撮像した方向を認識することができ、移動体の姿勢を認識することができる。また、マーカの配置場所に意匠性を重視する物が配置されている場合でも、人が当該物を見る方向からはマーカが目立たない色となるよう配置することによって、意匠性を損なうことなくマーカを機能させることができる。なお、視認方向による見える色の違いは、色相の違いに限定されるものではなく、色の濃淡の違いでもよい。例えば、マーカの表面をフォログラフィ加工し、マーカを撮像する方向によってモノクロの撮像情報が白から黒まで段階的に変わるように構成してもよく、撮像手段をカラーカメラより低コストなモノクロカメラとすることができる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る移動体システムについて説明する。本実施形態では、マーカは立体的に形成され、視点により視認性が低下するものとする。例えば、図９に示すように、マーカ１８は、横向きの三角柱の形状に立体的に形成され、その三角柱の第１の側面が天井２０に配設され、第２の側面が天井と同じ色の同色面１８ａに、第３の側面が天井と異なる色の異色面１８ｂに構成されている。このように構成されたマーカ１８は、異色面方向Ｂから同色面方向Ａへの視点の違いに応じて視認性が低下し、異色面１８ｂが隠れる方向Ａから視認されるのマーカ１８は、天井との区別ができない。これによって、マーカ１８を人の視点から目立たないように配置することができる。一方、移動体１２は、下方からマーカ１８を撮像するので、マーカの異色面１８ｂを撮像し、マーカ１８を認識することができる。また、このマーカ１８は、視点による色の変化を用いず、立体的な形成によって視認性を低下させるので、移動体の撮像手段がモノクロであってもマーカ１８を認識できる。なお、マーカ１８の立体的な形状は、三角柱に限られず、例えば、台形柱であってもよい。

本実施形態の応用例を図１０を参照して説明する。例えば、立体的に形成されたマーカ１８が映画館の天井２０に配設される。観客は、映画スクリーン２４に向かって床２３に設置された椅子に座る。マーカ１８は、天井と同じ色の同色面１８ａが観客に対向する側に向く。これにより、観客の視点からはマーカ１８は視認性が低く、マーカ１８の存在が目立たない。一方、移動体１２は、映画スクリーン２４直前の下方の床に配置され、マーカ１８の天井と異なる色の異色面１８ｂを撮像してマーカ１８を認識することができる。

なお、本発明は、上記各実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、移動体１２の移動手段１７は、車輪に限られず、無限軌道であってもよい。また、移動体システム１０における移動体１２の移動は自律移動に限られず、位置認識手段１５と記憶部１４を固定局に設けて移動体１２との間で無線情報伝送を行って移動体１２を遠隔制御してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る移動体システムの構成図。 同システムの機能構成図。 （ａ）は同システムのマーカの正面図、（ｂ）は同マーカを撮像した画像を示す図。 同システムにおける移動体の制御フロー図。 同制御フローにおける自己位置認識のフロー図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ本発明の第２の実施形態に係る移動体システムにおけるマーカの正面図。 同システムにおける自己位置認識のフロー図。 同システムの変形例における自己位置認識のフロー図。 本発明の第４の実施形態に係る移動体システムのマーカの側面図。 同システムの応用例の説明図。

符号の説明

１０ 移動体システム
１１ マーカ
１２ 移動体
１３ 撮像手段
１４ 記憶部
１４１ マーカの位置情報
１４２ マーカの方向情報
１５ 位置認識手段
１６ 制御部

Claims (3)

1. 移動体の移動領域に配置されるマーカと、
   移動体を移動させるための移動手段と、
   前記移動体に搭載され前記マーカを撮像して撮像情報を取得する撮像手段と、
   前記マーカの位置情報を記憶した記憶部と、
   前記マーカの撮像情報とマーカの位置情報とに基づいて自己の位置と姿勢を認識する位置認識手段と、
   前記位置に基づいて目標地点まで前記移動手段を制御する制御部と、を備えた移動体システムであって、
   前記マーカは、形状によらずに、視認方向に応じて見える色の色相または濃淡が変化することによって方向を示す特徴情報を外観に備え、
   前記記憶部は、前記マーカの一部もしくは全部について前記位置情報に加え方向情報を有し、
   前記位置認識手段は、前記マーカの撮像情報に含まれる前記特徴情報と前記記憶部が有するマーカの方向情報とに基づいて自己の姿勢を認識することを特徴とする移動体システム。
2. 前記マーカは、外観により一意的に特定できるものであり、
   前記位置認識手段は、前記マーカの撮像情報より該マーカを一意的に特定し、位置と姿勢を認識することを特徴とする請求項１に記載の移動体システム。
3. 前記マーカは、立体的に形成され、視点により視認性が低下するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の移動体システム。
   

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