JP2016152003A

JP2016152003A - 自律移動ロボットの自己位置推定方法、自律移動ロボット、及び自己位置推定用ランドマーク

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Publication number: JP2016152003A
Application number: JP2015030573A
Authority: JP
Inventors: 祐司小原; Yuji Obara; 小林　正樹; Masaki Kobayashi; 正樹小林; 亀崎　俊一; Shunichi Kamezaki; 俊一亀崎; 林　宏優; Hiromasa Hayashi; 宏優林
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2016-08-22
Anticipated expiration: 2035-02-19
Also published as: JP6187499B2

Abstract

【課題】安価、且つ、精度高く自律移動ロボットの自己位置を推定すること。【解決手段】本発明の一実施形態である自律移動ロボットの自己位置推定方法は、測距センサを利用して自律移動ロボット１が走行する安全通路１０１の両脇に設けられた安全柵１０２に左右千鳥状に配置されたＴ字型ランドマーク３０を検出する検出ステップと、屋内環境の天井に配置された高分解能天井カメラ群２ａによってＴ字型ランドマーク３０及び自律移動ロボット１の上面に配置された天井カメラ用マーカ１５，３１の画像を撮影することにより推定された自律移動ロボット１の自己位置に関する情報を取得する取得ステップと、検出ステップにおいて検出されたＴ字型ランドマーク３０の位置及び向きを利用して確率・統計的なアルゴリズム手法に基づき自律移動ロボット１の自己位置を推定し、推定された自己位置と取得ステップにおいて取得された自己位置に関する情報とを用いて自己位置を推定する推定ステップと、を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、屋内環境における自律移動ロボットの自己位置推定方法、自律移動ロボット、及び自己位置推定用ランドマークに関するものである。

近年、高度成長期に導入された産業用プラントの老朽化が進み、予防保全の重要性が高まっている。一方、少子高齢化に伴って労働者人口が減少し、産業界は慢性的な人材不足に陥る可能性が高くなっている。このため、東日本大震災による福島原発事故における調査用ロボットや廃炉作業用ロボットを中心として、屋内環境を自律移動する自律移動ロボットの開発が進められることが予想される。

現在、産業用途として広く普及している自律移動ロボットは、有軌道式の無人搬送車（Automatic Guided Vehicle : AGV）である。このＡＧＶは、軌道周りに設置されているリミットスイッチ等を利用して目標位置に対する自己位置を判定し、判定結果に基づいて目標位置に向けて自己位置を制御する。これに対して、無軌道式の自律移動ロボットでは、自律移動ロボットの自己位置及び姿勢（向き）の自由度が増加するため、技術的に様々な課題が生じる。

例えば、無軌道式の自律移動ロボットが目標位置に辿り着くためには、正確な地図データ、自律移動ロボットの自己位置の推定技術、及び目標位置に関する情報が必要になる。特に産業用プラント等の一般的な居室空間と比較して広域な屋内環境を自律移動する自律移動ロボットでは、自己位置の推定精度を保証できない場合が多く、低コスト化及び安全性確保と合わせて自律移動ロボットの普及に向けた大きな技術的課題となっている。

このような背景から、自律移動ロボットの自己位置の推定技術に関する研究が盛んに行われている。例えば、介護福祉分野におけるサービス提供を主目的として開発されている自律移動ロボットについては、レーザ光を利用して対象物を検出したり、対象物との間の距離を測定したりする、いわゆるライダー（Light Detection and Ranging : LIDAR）方式の汎用測距センサを利用した自己位置の推定技術に関する研究が盛んに行われている。代表的な自己位置の推定技術としてはパーティクルフィルタが有名である。

これらの技術のソースコードはロボット開発用のプラットフォームであるＲＯＳ（Robot Operating System）用にウェブ上で公開されており、オープンアーキテクチャとして世界中の研究者がロボット開発用に利用している。また、未知の環境において外界のスキャンデータに基づいて自己位置の推定と同時にマップ作成を行うＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping）に関する研究も、人間が入り込めない環境を扱うレスキューロボット等の分野を中心として盛んに行われている。なお、目標位置到着後のドア開閉等の作業については、汎用測距センサによって計測された３次元スキャンデータやＲＧＢ−Ｄカメラ等に基づく物体認識からのアプローチが多い。

ところで、汎用測距センサを利用した自己位置の推定技術では、汎用測距センサにより得られた点群データやロボット駆動用モータ出力等に多くの不確実性が含まれ、これらを古典制御や現代制御において用いられる数式で表現、整理することは困難である。そこで、近年、確率・統計的なアルゴリズム手法（ベイズ推定、マルコフ過程、価値反復の式等）を応用して自己位置の確率密度を算出し、算出された確率密度に基づいて最も確からしい自己位置を推定する手法が提案されている（非特許文献１参照）。汎用測距センサにより周辺環境を走査することによって得られる点群データと自律移動ロボットに与える動作速度・方向指令とに基づいて、次のタイムステップにおける自己位置を確率・統計的なアルゴリズム手法を用いて推定する前述のパーティクルフィルタはその代表例である。

日本ロボット学会誌 Vol.29 No.5, pp.423-426, 2011

しかしながら、汎用測距センサにより周辺環境を走査することによって得られる点群データを利用した確率・統計的なアルゴリズム手法に基づく自律移動ロボットの自己位置の推定技術には以下に示すような課題がある。すなわち、自律移動ロボットを産業プラント用途に用いる場合、運用上の利便性を考慮すると、自律移動ロボットの走行ルートとしては、作業者が移動するために設置された歩行用通路、所謂安全通路を利用することが現実的である。

しかしながら、安全通路周りはランドマークに乏しいケースが多く存在する。また、作業者と稼働設備との干渉事故を予防するために、安全通路は稼働設備から一定距離を確保しつつ、安全通路の両脇に安全柵を設けることが一般的である。このため、自律移動ロボットとランドマークとの間の距離が汎用測距センサの計測レンジを越えた場合、ランドマーク不在となり、自己位置の推定技術が機能しなくなる。つまり、自律移動ロボットは自己位置を見失い、その後の自律移動制御ができなくなる。

なお、このような課題を解決するために、安全柵をランドマークとして利用することが考えられる。しかしながら、安全柵をランドマークとして利用することは困難である。以下、図１２、図１３を参照して、安全柵をランドマークとして利用することが困難な理由について説明する。図１２は、一般的な工場における安全通路の設置状況を説明するための概略図である。図１３は、安全柵に囲まれた安全通路において汎用測距センサによって測定される水平面（レイヤー）を示す説明図である。

図１２に示すように、安全通路１０１は稼働設備から一定距離を確保しつつ、両脇に安全柵１０２を設けることが一般的である。このため、自律移動ロボット１と周辺のランドマーク１００との間の距離が汎用測距センサの計測レンジＲ１を越えた場合、ランドマーク不在となり、自己位置の推定技術が機能しなくなる。また、図１３に示すように、一般的に、安全柵１０２は、外径（φ）５０ｍｍ程度の鋼管によって構成されていることが多く、安定的に検出することが困難である。

さらに、図１３に示すように、両脇に安全柵１０２を備える安全通路１０１において汎用測距センサによって測定されるレイヤーは、安全柵１０２である。安全通路１０１の走行路面を検出するためには、ＲＧＢ−Ｄカメラ等を利用した３次元での物体認識が必要となるが、本発明において使用する測距センサは２次元レーザスキャン方式を想定しており、安全通路１０１の走行路面は検出できないという前提する。このような安全通路１０１では、汎用測距センサの走査方向の角度分解能を考慮すると、遠方にある鋼管を見落とすケースが発生する。また、安全柵１０２の支柱間隔は一様に製作されており、ランドマークとして位置を特定するための特徴に欠ける。

確率・統計的なアルゴリズム手法による自己位置の推定技術は、走査情報と自律移動ロボットの動作指令とに基づいて将来の最も確からしい自己位置を推定する技術である。このため、汎用測距センサの走査結果に不連続な変化が生じた場合や周囲のランドマークが一様で変化に乏しい場合には、自己位置の誤認識が誘発されやすい。つまり、安全柵をランドマークとして利用した場合、確率・統計的なアルゴリズム手法による自己位置の推定技術は頻繁に自己位置を誤認識する。結果、推定された自己位置と実際の自己位置との間に大きな誤差が生じ、自律移動ロボットが目標ルートから逸脱し、目標位置への誘導が不可能になることがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、安価、且つ、精度高く自律移動ロボットの自己位置を推定可能な自律移動ロボットの自己位置推定方法及び自律移動ロボットを提供することにある。また、本発明の他の目的は、自律移動ロボットが安価、且つ、精度高く自律移動ロボットの自己位置を推定可能にする自己位置推定用ランドマークを提供することにある。

本発明に係る自律移動ロボットの自己位置推定方法は、測距センサにより周辺環境を走査することによって得られる点群データを利用して確率・統計的なアルゴリズム手法に基づき屋内環境における自律移動ロボットの自己位置を推定する自律移動ロボットの自己位置推定方法であって、前記測距センサを利用して自律移動ロボットの走行通路の両脇に設けられた安全柵に左右千鳥状に配置されたＴ字型ランドマークを検出する検出ステップと、前記屋内環境の天井に配置された撮影手段によってＴ字型ランドマーク及び前記自律移動ロボットの上面に配置されたマーカの画像を撮影することにより推定された自律移動ロボットの自己位置に関する情報を取得する取得ステップと、前記検出ステップにおいて検出されたＴ字型ランドマークの位置及び向きを利用して確率・統計的なアルゴリズム手法に基づき自律移動ロボットの自己位置を推定し、推定された自己位置と前記取得ステップにおいて取得された自己位置に関する情報とを用いて自己位置を推定する推定ステップと、を含み、前記Ｔ字型ランドマークは、法線方向を鉛直方向に対して直角にして走行通路の進行方向に伸びる第１のプレートと、法線方向を鉛直方向に対して直角にして水平面内において走行通路の進行方向に直交する方向に伸びる第２のプレートと、上部から視認可能な位置に配置されたマーカと、を備えることを特徴とする。

本発明に係る自律移動ロボットの自己位置推定方法は、上記発明において、前記測距センサはレーザ光を照射することによって対象物からの距離を検出するセンサであり、前記Ｔ字型ランドマークは、前記測距センサから近接する他のＴ字型ランドマークに向けて照射されるレーザ光を遮蔽しないような配置及び形状を有することを特徴とする。

本発明に係る自律移動ロボットの自己位置推定方法は、上記発明において、前記Ｔ字型ランドマークは、前記走行通路のコーナー部では、該コーナー部内側の通路境界線を始点として配置されていることを特徴とする。

本発明に係る自律移動ロボットは、測距センサにより周辺環境を走査することによって得られる点群データを利用して確率・統計的なアルゴリズム手法に基づき屋内環境における自己位置を推定する自律移動ロボットであって、前記測距センサを利用して自律移動ロボットの走行通路の両脇に設けられた安全柵に左右千鳥状に配置されたＴ字型ランドマークを検出する検出手段と、前記屋内環境の天井に配置された撮影手段によってＴ字型ランドマーク及び前記自律移動ロボットの上面に配置されたマーカの画像を撮影することにより推定された自律移動ロボットの自己位置に関する情報を取得する取得手段と、前記検出手段によって検出されたＴ字型ランドマークの位置及び向きを利用して確率・統計的なアルゴリズム手法に基づき自律移動ロボットの自己位置を推定し、推定された自己位置と前記取得手段が取得した自己位置に関する情報とを用いて自己位置を推定する推定手段と、を備え、前記Ｔ字型ランドマークは、法線方向を鉛直方向に対して直角にして走行通路の進行方向に伸びる第１のプレートと、法線方向を鉛直方向に対して直角にして水平面内において走行通路の進行方向に直交する方向に伸びる第２のプレートと、上部から視認可能な位置に配置されたマーカと、を備えることを特徴とする。

本発明に係る自己位置推定用ランドマークは、自律移動ロボットが測距センサにより周辺環境を走査することによって得られる点群データを利用して確率・統計的なアルゴリズム手法に基づき屋内環境における自己位置を推定するための自己位置推定用ランドマークであって、前記自律移動ロボットの走行通路の両脇に設けられた安全柵に左右千鳥状に配置され、法線方向を鉛直方向に対して直角にして走行通路の進行方向に伸びる第１のプレートと、法線方向を鉛直方向に対して直角にして水平面内において走行通路の進行方向に直交する方向に伸びる第２のプレートと、上部から視認可能な位置に配置されたマーカと、を備えることを特徴とする。

本発明に係る自律移動ロボットの自己位置推定方法及び自律移動ロボットによれば、安価、且つ、精度高く自律移動ロボットの自己位置を推定することができる。また、本発明に係る自己位置推定用ランドマークによれば、自律移動ロボットが安価、且つ、精度高く自己位置を推定することができる。

図１は、本発明の一実施形態である自律移動ロボットの構成を示す模式図である。図２は、本発明の一実施形態である自律移動ロボットの構成を示す機能ブロック図である。図３は、本発明の一実施形態である自律移動ロボットの自己位置推定方法を説明するための模式図である。図４は、Ｔ字型ランドマークの水平面内の寸法の設計方法を説明するための図である。図５は、Ｔ字型ランドマークの鉛直方向の寸法の設計方法を説明するための図である。図６は、Ｔ字型ランドマークの設置位置の始点をコーナー部外側の通路境界線を基準とした場合とコーナー部内側の通路境界線を基準とした場合とにおけるＴ字型ランドマークの検出状況の違いを説明するための図である。図７は、実施例において用いた測距センサの仕様を示す図である。図８は、本発明におけるＴ字型ランドマークの設計方法に従って決定したＴ字型ランドマークの寸法及び配置の一例を示す図である。図９は、安全通路の両脇の安全柵のみがランドマークである場合における目標ルート及び自律移動ロボットの走行軌跡を示す図である。図１０は、図８に示す例における目標ルート及び自律移動ロボットの走行軌跡を示す図である。図１１は、カメラ測位システムの自己位置演算機能を併用した場合における、図８に示す例における目標ルート及び自律移動ロボットの走行軌跡を示す図である。図１２は、一般的な工場における安全通路の設置状況を説明するための概略図である。図１３は、安全柵に囲まれた安全通路において汎用測距センサによって測定される水平面を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である自律移動ロボットの自己位置推定方法について説明する。

〔自律移動ロボットの構成〕
始めに、図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態である自律移動ロボットの構成について説明する。図１（ａ）は本発明の一実施形態である自律移動ロボットの側面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す線分ＡＡにおける断面図、図１（ｃ）は本発明の一実施形態である自律移動ロボットの正面図、図１（ｄ）は図１（ｃ）に示す領域Ｒの部分拡大図である。図２は、本発明の一実施形態である自律移動ロボットの構成を示す機能ブロック図である。

図１（ａ）に示すように、本発明の一実施形態である自律移動ロボット１は、安全通路（走行通路）１０１上を走行する台車１０によって構成され、台車１０は上段部１０ａと下段部１０ｂとを備えている。上段部１０ａには、コントローラ内蔵型の測距センサ１１、Ｉ／Ｏボード１２、台車１０を目標位置に自律移動させるためのコンピュータプログラムを含む演算用ＰＣ１３、必要に応じて検査・作業のための機器を追加設置可能なモジュール設置スペース１４、上面に設けられた天井カメラ用マーカ１５、及びカメラ測位システム２のホストコンピュータ２ｂと情報通信を行うための無線通信ユニット１６が設けられている。図２に示すように、演算用ＰＣ１３は、内部の演算処理装置がコンピュータプログラムを実行することにより、目標ルート設定部１３ａ、自己位置推定部１３ｂ、判定部１３ｃ、及び速度指令演算部１３ｄとして機能する。これら各部の機能については後述する。

図１に戻る。図１（ｂ）に示すように、下段部１０ｂには、自律移動ロボット１の動力源となるバッテリ２１、それぞれ独立に９０deg以上旋回可能な４つの車輪１０ｃを回転駆動するモータを制御するモータ制御部２２、及びエンコーダコントローラ２３が設けられている。モータ制御部２２は、速度指令演算部１３ｄ（図２参照）から出力される自律移動ロボット１の動作速度・方向指令（ｔ）と後述する車輪旋回監視用ロータリーエンコーダ２４ｂ及び車輪駆動監視用ロータリーエンコーダ２５ｂから出力される自律移動ロボット１の現在の移動方向（ｔ）及び移動速度（ｔ）とに基づいて旋回用モータ２４ａ及び車輪駆動用モータ２５ａを制御する。

図１（ｃ），（ｄ）に示すように、自律移動ロボット１は、駆動系として、水平面内で車輪１０ｃを旋回させる旋回用モータ２４ａ、旋回用モータ２４ａによる車輪１０ｃの旋回動作を監視するための車輪旋回監視用ロータリーエンコーダ２４ｂ、車輪１０ｃを回転駆動する車輪駆動用モータ２５ａ、及び車輪駆動用モータ２５ａによる車輪１０ｃの回転駆動動作を監視するための車輪駆動監視用ロータリーエンコーダ２５ｂを備えている。

図２に示すように、目標ルート設定部１３ａは、予め記憶されている周辺の地図データ１３ｅ及びカメラ測位システム２のホストコンピュータ２ｂが記憶している初期条件設定２ｂ２内の自律移動ロボット１の初期位置（ｔ＝０）及び目標位置に関する情報に基づいて自律移動ロボット１が目標位置に移動する際に障害物を回避しつつ、移動距離が最短となるような目標ルートを演算、設定する。

なお、周辺の地図データ１３ｅは、自律移動ロボット１を走行させる予定ルート沿いの所定位置（位置、姿勢）に自律移動ロボット１を配置し、予定ルート沿いの複数点において測距センサ１１のデータを事前に収集し、収集された複数点のデータをある１点を原点とした代表座標系に変換することによって作成できる。また、図面情報等により事前に周辺環境の寸法が分かっている場合、これを周辺の地図データ１３ｅとして流用することもできる。

自己位置推定部１３ｂは、測距センサ１１によって周辺環境を走査することによって得られる点群データ（ｔ）（測距センサ１１によって検出された物体表面の３次元座標の集合）、オペレータによって設定された自律移動ロボット１の初期位置（ｔ＝０）、及び速度指令演算部１３ｄから出力された動作速度・方向指令（ｔ）を用いて、確率・統計的なアルゴリズム手法に基づいて次のタイムステップ（ｔ＋１）における自律移動ロボット１の自己位置及び姿勢（向き）を推定する。確率・統計的なアルゴリズム手法の詳細については、例えば参考文献１（日本ロボット学会誌 Vol.29 No.5, pp.423-426, 2011, 第２節自己位置推定）や参考文献２（日本ロボット学会誌 Vol.29 No.5, pp.404-407, 第２節おさらい）を参照のこと。

判定部１３ｃは、自己位置推定部１３ｂによって推定された自律移動ロボット１の自己位置とカメラ測位システム２のホストコンピュータ２ｂが有する自己位置演算部２ｂ１によって演算された自律移動ロボット１の自己位置とを比較し、より信頼性が高い自律移動ロボット１の自己位置に関する情報を速度指令演算部１３ｄに出力する。なお、カメラ測位システム２による自律移動ロボット１の自己位置推定方法及びより信頼性が高い自律移動ロボット１の自己位置の決定方法については後述する。

速度指令演算部１３ｄは、判定部１３ｃから出力された次のタイムステップ（ｔ＋１）における自律移動ロボット１の自己位置及び目標ルート設定部１３ａによって設定された目標ルートに基づいて自律移動ロボット１の移動ルートを作成する。そして、速度指令演算部１３ｄは、作成された移動ルートに基づいて自律移動ロボット１の動作速度・方向指令（ｔ）を自己位置推定部１３ｂ及びモータ制御部２２に出力する。

移動ルートは、測距センサ１１によって検出された周辺の障害物からの距離に応じて障害物と接触する危険性の高さを指標として数値化してマップ化したコストマップを用いて作成する。移動中の障害物回避運動を含む軌道計算では、（ａ）移動後の目標ルートからの最短距離（目標ルートからの乖離）、（ｂ）移動後の目標位置までの最短距離（目標位置からの乖離）、及び（ｃ）障害物までの最短距離（回避）それぞれにユーザーが設定した重み付けパラメータを乗じ、これらの総和が最小となる動作速度・方向指令（ｔ）を決定する。各重み付けパラメータは動作環境に応じてオペレータが事前のチューニング作業を通じて任意に設定できる。例えば項目（ａ）よりも項目（ｂ）の重み付けパラメータの配分を大きくすることにより、初期の目標ルートから幾分か乖離しても目標位置までショートカット軌道を選択することになる。

このような構成を有する自律移動ロボット１は、以下に示す自己位置の推定方法により自己位置を精度高く推定する。以下、図３から図６を参照して、本発明の一実施形態である自律移動ロボットの自己位置の推定方法について説明する。なお、以下の説明において、添え字のｘは安全通路１０１の進行方向、ｙは水平面内で安全通路１０１の進行方向と直交する方向、ｚは鉛直方向を示す。

〔自己位置推定方法〕
図３は、本発明の一実施形態である自律移動ロボット１の自己位置推定方法を説明するための模式図である。図４は、Ｔ字型ランドマークの水平面内（ｘｙ平面）の寸法Ｄｘ，Ｄｙの設計方法を説明するための図である。図５は、Ｔ字型ランドマークの鉛直方向の寸法Ｄｚの設計方法を説明するための図である。

図３に示すように、本発明の一実施形態である自律移動ロボット１は、測距センサ１１を利用して安全通路１０１の両脇に設けられた安全柵１０１に左右千鳥状に配置されたＴ字型ランドマーク３０を補助的なランドマークとして検出する。Ｔ字型ランドマーク３０は、法線方向を鉛直方向に対して直角にして安全通路１０１の進行方向に延伸するプレート３０ａと、法線方向を鉛直方向に対して直角にして水平面内において安全通路１０１の進行方向に直交する方向に延伸するプレート３０ｂと、上部から視認可能な位置に配置された天井カメラ用マーカ３１と、を備えている。自律移動ロボット１の自己位置推定部１３ｂは、検出されたＴ字型ランドマーク３０の位置及び向きを利用して確率・統計的なアルゴリズム手法に基づき自律移動ロボット１の自己位置を推定する。

また、自律移動ロボット１は、無線通信ユニット１６を介してカメラ測位システム２のホストコンピュータ２ｂが備える自己位置演算部２ｂ１が演算した自律移動ロボット１の自己位置に関する情報を取得する。自己位置演算部２ｂ１は、高分解能天井カメラ群２ａを利用して自律移動ロボット１及びＴ字型ランドマーク３０の上面に配置された天井カメラ用マーカ１５，３１を撮影することによって自律移動ロボット１とＴ字型ランドマーク３０の位置関係に関する情報を取得し、取得した情報を用いて自律移動ロボット１の自己位置を演算する。

そして、自律移動ロボット１は、自己位置推定部１３ｂが推定した自律移動ロボット１の自己位置とホストコンピュータ２の自己位置演算部２ｂ１が推定した自己位置とを比較し、より信頼性が高い自律移動ロボット１の自己位置を自律移動ロボット１の自己位置とする。具体的には、自律移動ロボット１は、自己位置推定部１３ｂが推定した自律移動ロボット１の自己位置の確率分布の最大値が所定値以上である場合、自己位置推定部１３ｂが推定した自律移動ロボット１の自己位置を採用する。一方、自己位置推定部１３ｂが推定した自律移動ロボット１の自己位置の確率分布の最大値が所定値未満である場合には、自律移動ロボット１は、ホストコンピュータ２ｂの自己位置演算部２ｂ１が推定した自律移動ロボット１の自己位置を採用する。

Ｔ字型ランドマーク３０を用いて確率・統計的なアルゴリズム手法に基づいて推定された自律移動ロボット１の自己位置は、尤もらしい自己位置を確率分布で表現したものであり、適切なランドマークが得られない環境においては、自己位置の確率分布が広域に分散し、その尤もらしさが低下する。このため、自律移動ロボット１は自己位置の確率分布の最大値と所定値とを比較することによって信頼性の有無を判別し、信頼性が高い自己位置を自律移動ロボット１の自己位置として採用する。

プレート３０ａ，３０ｂの延伸方向の寸法Ｄｘ，Ｄｙは、自律移動ロボット１が目標ルートに沿って安全通路１０１の中央を自律移動している際に測距センサ１１の計測レンジＲ１内におけるＴ字型ランドマーク３０の検出面積が最大となるように設計されている。具体的には、プレート３０ａ，３０ｂの延伸方向の寸法Ｄｘ，Ｄｙは以下に示す数式（１）〜（３）により表される。

ここで、図４（ａ），（ｂ）に示すように、パラメータｗは安全通路１０１の幅を示し、パラメータｐは安全通路１０１の進行方向におけるＴ字型ランドマーク３０の設置間隔を示す。また、パラメータφは、測距センサ１１の計測レンジＲ１内であって、自律移動ロボット１から最も遠い位置にあるＮ番目のＴ字型ランドマーク３０（図４（ｂ）に示す例ではＮ＝２番目のＴ字型ランドマーク３０）の設置位置と安全通路１０１の中央線に沿った自律移動ロボット１の進行方向とのなす角度を示し、数式（１）のように表される。なお、Ｎは、測距センサ１１の計測レンジＲ１の大きさをｒとした時、条件式Ｎ×ｐ＜ｒを満たす整数である。

安全通路１０１の中央を走行する自律移動ロボット１に搭載された測距センサ１１が上述のＮ番目のＴ字型ランドマーク３０を検出するためには、手前（Ｎ−１番目）のＴ字型ランドマーク３０が測距用のレーザを遮蔽しない必要がある。通常、角度φは十分に小さいので、手前（Ｎ−１番目）のＴ字型ランドマーク３０の延伸方向の寸法Ｄｘの影響は無視できるとすると、手前（Ｎ−１番目）のＴ字型ランドマーク３０による測距用のレーザの遮蔽を回避しつつ、Ｎ番目のＴ字型ランドマーク３０の検出面積（Ｄｙ−Ｄｚ面）を最大とする延伸方向の寸法Ｄｙは幾何学的関係により上述の数式（２）により決定される。

上述のように、測距センサ１１の計測レンジＲ１の大きさｒが決まれば、上述の数式（１）〜（３）によりプレート３０ａ，３０ｂの延伸方向の寸法Ｄｘ，Ｄｙが決まる。なお、機能的には必ずしもプレート３０ａの延伸方向の寸法Ｄｘとプレート３０ｂの延伸方向の長さＤｙとが同じである必要はないが、Ｔ字型ランドマーク３０の製作時に同寸法のプレートを組み合わせてＴ字型を形成することができるため同じであることが望ましい。

一方、プレート３０ａ，３０ｂの鉛直方向の寸法Ｄｚは以下に示すように設計する。すなわち、安全通路１０１の路面は、コンクリート面や滑り止め機能付きの縞模様鋼板等、様々であるが、完全に平坦な路面は存在せず、多少なりとも凹凸が存在する。自律移動ロボット１が移動する路面に段差δが存在する場合、測距センサ１１の計測レンジＲ１の遠方における鉛直方向の測定点は自律移動ロボット１の傾きψに応じて鉛直方向にずれる。

このため、Ｔ字型ランドマーク３０の検出位置が不連続になることを避けるために、この鉛直方向のずれを許容するようにＴ字型ランドマークの鉛直方向の寸法Ｄｚを決定する必要がある。具体的には、図５に示すように、自律移動ロボット１の前後の車輪１０ｃの間隔をｘとすると自律移動ロボット１の傾きψは以下に示す数式（４）のように表されるので、Ｔ字型ランドマーク３０の鉛直方向の寸法Ｄｚは以下に示す数式（５）を満たすように設計する。

ここで、安全通路１０１のコーナー部におけるＴ字型ランドマーク３０の設置位置の始点をコーナー部外側の通路境界線を基準とした場合とコーナー部内側の通路境界線を基準とした場合とにおけるＴ字型ランドマーク３０の検出結果の違いについて説明する。図６は、Ｔ字型ランドマーク３０の設置位置の始点をコーナー部外側の通路境界線を基準とした場合とコーナー部内側の通路境界線を基準とした場合とにおけるＴ字型ランドマーク３０の検出状況の違いを説明するための図である。

なお、図６に示す例は、安全通路１０１の幅ｗを１．２ｍ、安全通路１０１の片側におけるＴ字型ランドマーク３０の設置間隔ｐを２ｍ、測距センサ１１の計測レンジＲ１の大きさｒを１０ｍとして、延伸方向の寸法Ｄｘ，Ｄｙが２００ｍｍであるＴ字型ランドマーク３０を安全通路１０１のコーナー部に配置する場合の例である。

いま自律移動ロボット１がコーナー部外側の安全通路１０１の境界線から２ｍ、安全通路１０１の中央部を移動している状況を考える。この時、図６（ａ）に示すように、Ｔ字型ランドマーク３０の設置位置の始点をコーナー部外側の通路境界線Ｌ_outを基準とした場合には、計測レンジＲ１内においてＴ字型ランドマーク３０は線Ｌ１〜Ｌ３で示す３つ検出されている。これに対して、図６（ｂ）に示すように、Ｔ字型ランドマーク３０の設置位置の始点をコーナー部内側の通路境界線Ｌ_inを基準とした場合には、計測レンジＲ１内においてＴ字型ランドマーク３０は線Ｌ１〜Ｌ６で示す６つ検出されている。なお、Ｔ字型ランドマーク３０の設置位置の始点は進行方向に向かうコーナー部内側の通路境界線を基準としている。

すなわち、Ｔ字型ランドマーク３０の設置位置の始点をコーナー部外側の通路境界線Ｌ_outを基準とした場合、コーナー部周辺におけるＴ字型ランドマーク３０の配置が密となるために、測距用レーザが遮蔽されやすくなる。これに対して、Ｔ字型ランドマーク３０の設置位置の始点をコーナー部内側の通路境界線Ｌ_inを基準とした場合には、安全通路１０１の通路幅に依らずにコーナー部周辺におけるＴ字型ランドマーク３０の設置間隔が確保されるために、Ｔ字型ランドマーク３０の配置が密にならず、測距用レーザが遮蔽されにくくなる。

従って、安全通路１０１のコーナー部においては、コーナー部内側の通路境界線を始点としたＴ字型ランドマーク３０を配置とすることが望ましい。これにより、コーナー部近傍における見通しを維持しつつ、検出されるＴ字型ランドマーク３０の面積を最大化することができる。

本実施例では、図７に示す仕様の測距センサを備える自律移動ロボットを用いて本発明に係る自己位置推定方法の有効性を評価した。なお、図７に示す仕様の測距センサは、レーザ光源として波長の短い（λ＝９０５ｎｍ）半導体レーザを備え、パルス状に発光するレーザ照射に対する散乱光を測定し、遠距離にある対象物（ランドマーク）までの距離を測定する。半導体レーザの光束は密度が高く、コヒーレントも高い上、波長が極めて短い。このような電磁波は小さな物体によっても極めてよく反射（後方散乱と呼ばれる）され、反射鏡を用いない散乱光による測定や超長距離での測定に有効である。

測距センサ１１の計測レンジＲ１の大きさｒは１０ｍ、角度分解能は０．２５degであり、１０ｍ先のスキャン方向の空間分解能は４４ｍｍ（＝１０＊ｓｉｎ(０．２５deg)）であった。従って、検出漏れを防止するためには補助的なランドマークとして設置するＴ字型ランドマークの主要寸法は少なくともこの空間分解能よりは大きく設定する必要がある。

図８は、本発明におけるＴ字型ランドマーク３０の設計方法に従って決定したＴ字型ランドマーク３０の寸法及び配置の一例を示す図である。図８（ａ）では安全通路１０１の片側におけるＴ字型ランドマーク３０の設置間隔ｐが２ｍ、図８（ｂ）では設置間隔ｐが３ｍ、図８（ｃ）では設置間隔ｐが４ｍとなっている。

また、図４に示す延伸方向の寸法Ｄｘ，Ｄｙの設計方法に従って、図８（ａ）に示す例では寸法Ｄｘ，Ｄｙは０．２ｍ、図８（ｂ）に示す例では寸法Ｄｘ，Ｄｙは０．３ｍ、図８（ｃ）に示す例では寸法Ｄｘ，Ｄｙは０．６ｍとした。また、鉛直方向の寸法Ｄｚについては、自律移動ロボット１の前後車輪間隔ｘを５００ｍｍ、安全通路１０１の段差δを５ｍｍ、測距センサ１１の計測レンジＲ１の大きさｒを１０ｍとして、図８（ａ）〜（ｃ）の全ての例において０．３ｍとした。

また、測距センサ１１の測定原理を考慮してＴ字形ランドマーク３０は、散乱光が生じにくい鋼板（金属光沢あり）ではなく、貼り付けた塩ビプレートによって構成し、表面をトラテープで被覆した。また、各例では、周辺の地図データ１３ｄとして、ＣＡＤによる製図情報を流用し、同じく演算用ＰＣ１３に保存し、それぞれのケースにおいて、走行通路の同じポイントに初期位置Ｐ１及び目標位置Ｐ２を決定し、演算用ＰＣ１３を通じて同座標値を入力した。

図９は、安全通路１０１の両脇の安全柵のみがランドマークであるケースにおける目標ルート及び自律移動ロボットの走行軌跡を示す図である。また、図１０は、図８に示す例における目標ルート及び自律移動ロボットの走行軌跡を示す図である。なお、９０度のコーナー部を有する通路幅１．２ｍの走行路面は図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）の例において共通であり、自律移動ロボットの機能により設定された目標ルートに差異は無い。

図９（ａ），（ｂ）に示すように、安全柵を構成するφ５０ｍｍの支柱は、確率・統計的なアルゴリズム手法に基づく自律移動ロボットの自己位置推定手法に対しては有効なランドマークとして機能しておらず、粒子集団で確率分布を表現（可視化）した場合（図９（ｂ））、自己位置の推定結果は広域に分散している。この結果、自律移動ロボット１は自己位置を見失い、自律移動ロボット１の移動ルートＷは目標ルートから逸脱、誘導不能に陥った。これに対して、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す例では、初期位置Ｐ１から目標位置Ｐ２への自律移動ロボット１の自律移動は達成でき、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すＴ字型ランドマーク３０はいずれも自律移動ロボット１の自己位置の推定に有効であることが確認された。

また、図１０（ａ）に示す例では、コーナー部において自律移動ロボット１のドリフトが大きくなり、Ｔ字型ランドマーク３０の寸法が大きくなるにつれて自律移動ロボット１のドリフト量は小さくなり、特に図１０（ｃ）に示す例では、自律移動ロボット１の移動ルートＷはほぼ目標ルートに沿ったスムーズな走行軌跡となった。これは、Ｔ字型ランドマーク３０の延伸方向の寸法Ｄｘ，Ｄｙが大きい方が、プレート３０ａ，３０ｂの一辺あたりの測距センサ１１の測定点数が多くなり、本実施例における測距センサ１１の仕様（角度分解能、測距精度、測定レンジ）を考慮した場合であっても、姿勢（方向）に関する情報が付与された理想的なランドマークとして機能させることができるためと考えられる。

なお、測距センサ１１の仕様は様々であり、それによって最適なランドマークの形状も変化する。Ｔ字型ランドマーク３０は特に延伸方向の寸法Ｄｙが大きい場合、安全通路１０１周辺の構造物との干渉が問題となる。従って、屋内環境における同干渉が問題とならない範囲で、Ｔ字型ランドマーク３０の延伸方向の寸法Ｄｙを大きくすることは自己位置の推定精度の向上に有効であると考えられる。

図１１は、カメラ測位システムの自己位置演算機能を併用した場合における、図８に示す例における目標ルート及びこれに対する自律移動ロボットの走行軌跡を示す図である。図１１（ａ）〜（ｃ）に示すように、カメラ測位システムの自己位置演算機能を併用した場合、特に図８（ａ）に示す例において見られた自律移動ロボット１のドリフトは減少し、全ての例においてほぼ目標ルートに沿った自律移動が達成できた。以上のことから、確率・統計的なアルゴリズム手法に基づく自律移動ロボット１の自己位置推定のＴ字型ランドマークによる精度向上とこれに付随する高分解能天井カメラ２ａによる測位システムとを併用することによって、お互いを補完し、より信頼性が高く、安定した自己位置推定が可能になることが知見された。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である自律移動ロボットの自己位置推定方法は、測距センサ１１を利用して自律移動ロボット１が走行する安全通路１０１の両脇に設けられた安全柵１０２に左右千鳥状に配置されたＴ字型ランドマーク３０を検出する検出ステップと、屋内環境の天井に配置された高分解能天井カメラ群２ａによってＴ字型ランドマーク３０及び自律移動ロボット１の上面に配置された天井カメラ用マーカ１５，３１の画像を撮影することにより推定された自律移動ロボット１の自己位置に関する情報を取得する取得ステップと、検出ステップにおいて検出されたＴ字型ランドマーク３０の位置及び向きを利用して確率・統計的なアルゴリズム手法に基づき自律移動ロボット１の自己位置を推定し、推定された自己位置と取得ステップにおいて取得された自己位置に関する情報とを用いて自己位置を推定する推定ステップと、を含み、Ｔ字型ランドマーク３０は、法線方向を鉛直方向に対して直角にして安全通路１０１の進行方向に伸びるプレート３０ａと、法線方向を鉛直方向に対して直角にして水平面内において安全通路１０１の進行方向に直交する方向に伸びるプレート３０ｂと、上部から視認可能な位置に配置された天井カメラ用マーカ３１と、を備える。

このような構成によれば、検出の連続性が保持され、且つ、姿勢（方向）に関する情報が付与されたＴ字型ランドマーク３０に基づいて自律移動ロボット１の自己位置が推定され、さらにＴ字型ランドマーク３０に基づいて推定された自律移動ロボット１の自己位置とＴ字型ランドマーク３０と自律移動ロボット１の位置関係に関する情報から推定された自律移動ロボット１の自己位置とで信頼性が高い方が自律移動ロボット１の自己位置として採用されるので、精度高く自律移動ロボット１の自己位置を推定できる。また、Ｔ字型ランドマーク３０は、既存の安全柵１０２を利用して安全通路１０１の両脇に取り付けることができるので、自律移動ロボット１の自己位置を安価に推定できる。

また、本発明の一実施形態である自律移動ロボットの自己位置推定方法では、測距センサ１１はレーザ光を照射することによって対象物からの距離を検出するセンサであり、Ｔ字型ランドマーク３０は、測距センサ１１から近接する他のＴ字型ランドマーク３０に向けて照射されるレーザ光を遮蔽しないような配置及び形状を有するので、Ｔ字型ランドマーク３０が遮蔽物となり、検出結果の不連続性を誘発することを回避できる。

また、本発明の一実施形態である自律移動ロボットの自己位置推定方法では、Ｔ字型ランドマーク３０は、安全通路１０１のコーナー部では、コーナー部内側の通路境界線を始点として配置されているので、Ｔ字型ランドマーク３０が遮蔽物となり、検出結果の不連続性を誘発することを回避できる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１自律移動ロボット
２カメラ測位システム
２ａ高分解能天井カメラ群
２ｂホストコンピュータ
１１測距センサ
１５，３１天井カメラ用マーカ
３０Ｔ字型ランドマーク
３０ａ，３０ｂプレート
１０１安全通路
１０２安全柵

Claims

測距センサにより周辺環境を走査することによって得られる点群データを利用して確率・統計的なアルゴリズム手法に基づき屋内環境における自律移動ロボットの自己位置を推定する自律移動ロボットの自己位置推定方法であって、
前記測距センサを利用して自律移動ロボットの走行通路の両脇に設けられた安全柵に左右千鳥状に配置されたＴ字型ランドマークを検出する検出ステップと、
前記屋内環境の天井に配置された撮影手段によってＴ字型ランドマーク及び前記自律移動ロボットの上面に配置されたマーカの画像を撮影することにより推定された自律移動ロボットの自己位置に関する情報を取得する取得ステップと、
前記検出ステップにおいて検出されたＴ字型ランドマークの位置及び向きを利用して確率・統計的なアルゴリズム手法に基づき自律移動ロボットの自己位置を推定し、推定された自己位置と前記取得ステップにおいて取得された自己位置に関する情報とを用いて自己位置を推定する推定ステップと、を含み、
前記Ｔ字型ランドマークは、法線方向を鉛直方向に対して直角にして走行通路の進行方向に伸びる第１のプレートと、法線方向を鉛直方向に対して直角にして水平面内において走行通路の進行方向に直交する方向に伸びる第２のプレートと、上部から視認可能な位置に配置されたマーカと、を備える
ことを特徴とする自律移動ロボットの自己位置推定方法。
前記測距センサはレーザ光を照射することによって対象物からの距離を検出するセンサであり、前記Ｔ字型ランドマークは、前記測距センサから近接する他のＴ字型ランドマークに向けて照射されるレーザ光を遮蔽しないような配置及び形状を有することを特徴とする請求項１に記載の自律移動ロボットの自己位置推定方法。
前記Ｔ字型ランドマークは、前記走行通路のコーナー部では、該コーナー部内側の通路境界線を始点として配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の自律移動ロボットの自己位置推定方法。
測距センサにより周辺環境を走査することによって得られる点群データを利用して確率・統計的なアルゴリズム手法に基づき屋内環境における自己位置を推定する自律移動ロボットであって、
前記測距センサを利用して自律移動ロボットの走行通路の両脇に設けられた安全柵に左右千鳥状に配置されたＴ字型ランドマークを検出する検出手段と、
前記屋内環境の天井に配置された撮影手段によってＴ字型ランドマーク及び前記自律移動ロボットの上面に配置されたマーカの画像を撮影することにより推定された自律移動ロボットの自己位置に関する情報を取得する取得手段と、
前記検出手段によって検出されたＴ字型ランドマークの位置及び向きを利用して確率・統計的なアルゴリズム手法に基づき自律移動ロボットの自己位置を推定し、推定された自己位置と前記取得手段が取得した自己位置に関する情報とを用いて自己位置を推定する推定手段と、を備え、
前記Ｔ字型ランドマークは、法線方向を鉛直方向に対して直角にして走行通路の進行方向に伸びる第１のプレートと、法線方向を鉛直方向に対して直角にして水平面内において走行通路の進行方向に直交する方向に伸びる第２のプレートと、上部から視認可能な位置に配置されたマーカと、を備えることを特徴とする自律移動ロボット。
自律移動ロボットが測距センサにより周辺環境を走査することによって得られる点群データを利用して確率・統計的なアルゴリズム手法に基づき屋内環境における自己位置を推定するための自己位置推定用ランドマークであって、
前記自律移動ロボットの走行通路の両脇に設けられた安全柵に左右千鳥状に配置され、法線方向を鉛直方向に対して直角にして走行通路の進行方向に伸びる第１のプレートと、法線方向を鉛直方向に対して直角にして水平面内において走行通路の進行方向に直交する方向に伸びる第２のプレートと、上部から視認可能な位置に配置されたマーカと、を備えることを特徴とする自己位置推定用ランドマーク。