(57)【要約】      （修正有）【課題】カメラの撮像方向（設置角度）と侵入者との離間距離に侵入者の顔画像を適切に撮影できるよう高度制御する。【解決手段】移動物体Ｍと所定の離間距離Ｌを保って追従飛行して該移動物体を撮像部にて撮像する自律飛行ロボット１であって、所定の離間距離とカメラの撮像条件情報と移動物体の特徴位置とに応じて移動物体の特徴部位（例えば頭部）を撮像できる高度である目標飛行高度Ｈ+Ｄを算出し、当該目標飛行高度の位置であって移動物体位置から離間距離だけ離れた位置に移動目標位置を設定し、自己位置から動目標位置へ移動するよう移動経路を算出し、当該移動経路に沿って移動するよう制御し、かつ、撮像部が移動物体位置の方向を向くよう姿勢を制御する。【選択図】図４
2014119828.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動物体と所定の離間距離を保って追従飛行して該移動物体を撮像部にて撮像する自律飛行ロボットであって、
前記撮像部の視野を示す撮像条件情報と、前記移動物体からの水平面における離間距離と、前記移動物体の特徴部位の高さ位置を示す特徴位置とを記憶した記憶部と、
前記移動物体の移動物体位置と自律飛行ロボットの自己位置及び姿勢とを推定する処理を行う位置推定手段と、
前記自律飛行ロボットの移動経路を算出する処理を行う経路探索手段と、
前記移動経路に沿って移動するよう制御し、かつ、前記撮像部が前記移動物体位置の方向を向くよう前記姿勢を制御する処理を行う飛行制御手段と、を有し、前記各処理を逐次繰り返すことによって追従飛行するものであって、
前記経路探索手段は、
前記離間距離と前記撮像条件情報と前記特徴位置とに応じて前記移動物体の特徴部位を撮像できる高度である目標飛行高度を算出する目標飛行高度算出手段と、
該目標飛行高度の位置であって前記移動物体位置から前記離間距離だけ離れた位置に前記移動目標位置を設定する移動目標位置設定手段と、
前記自己位置から該移動目標位置へ移動するよう前記移動経路を算出する移動経路算出手段と、
を具備することを特徴とする自律飛行ロボット。
【請求項２】
前記目標飛行高度算出手段は、前記撮像画像から前記移動物体の画像領域を抽出し、該画像領域と前記撮像条件情報と自己位置情報とを用いて前記移動物体の高さを推定し、該高さから前記特徴位置を推定して前記記憶部に記憶する請求項１に記載の自律飛行ロボット。
【請求項３】
前記経路探索手段は、前記移動物体位置から前記離間距離だけ離れた周囲の位置に複数の移動候補位置を設定する移動候補位置設定手段を更に有し、
前記移動目標位置設定手段は、前記各移動候補位置を評価して該移動候補位置のうちの一つを移動目標位置に設定するものであって、前記移動物体の正面方向を推定し、該移動候補位置のうち該正面方向に位置する移動候補位置が移動目標位置に設定され易いよう評価する請求項１又は請求項２に記載の自律飛行ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、侵入者等の移動物体に追従飛行して侵入者等の移動物体の証拠画像を取得する自律飛行ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自律的に移動して監視領域に侵入した侵入者の画像を取得する自律移動ロボットが提案されている。例えば、特許文献１には、検出したセンサの方向に自ら回転することによって侵入者を撮像したり、撮像画像から検出した顔領域の画像上における位置に基づいて侵入者を認識して、認識した方向に自ら回転することによって、侵入者を追尾し、撮像する自律移動ロボットが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０２４１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、移動経路上に存在する物体や段差等の障害物に移動を制限されることなく空間内を自由に移動でき、侵入者等から攻撃され難い位置に移動できるといった面から、小型の飛行ロボットを自律的に移動させて侵入者を監視するといった自律飛行ロボットの利用が検討されている。このような自律飛行ロボットを用いて侵入者を監視する場合、自律飛行ロボットが侵入者に対して所定の距離の位置まで近づいたとしても、飛行高度によっては適切に侵入者の証拠画像を取得できないという問題があった。そこで、本発明は、自律飛行ロボットに設置したカメラの撮像方向及び侵入者との離間距離に応じて自律飛行ロボットの飛行高度を決定することにより、侵入者の顔画像等の証拠画像を適切に撮影できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる課題を解決するために、移動物体と所定の離間距離を保って追従飛行して該移動物体を撮像部にて撮像する自律飛行ロボットであって、前記撮像部の視野を示す撮像条件情報と、前記移動物体からの水平面における離間距離と、前記移動物体の特徴部位の高さ位置を示す特徴位置とを記憶した記憶部と、前記移動物体の移動物体位置と自律飛行ロボットの自己位置及び姿勢とを推定する処理を行う位置推定手段と、前記自律飛行ロボットの移動経路を算出する処理を行う経路探索手段と、前記移動経路に沿って移動するよう制御し、かつ、前記撮像部が前記移動物体位置の方向を向くよう前記姿勢を制御する処理を行う飛行制御手段と、を有し、前記各処理を逐次繰り返すことによって追従飛行するものであって、前記経路探索手段は、前記離間距離と前記撮像条件情報と前記特徴位置とに応じて前記移動物体の特徴部位を撮像できる高度である目標飛行高度を算出する目標飛行高度算出手段と、該目標飛行高度の位置であって前記移動物体位置から前記離間距離だけ離れた位置に前記移動目標位置を設定する移動目標位置設定手段と、前記自己位置から該移動目標位置へ移動するよう前記移動経路を算出する移動経路算出手段と、を具備することを特徴とする自律飛行ロボットを提供する。
【０００６】
かかる構成により、本発明の自律飛行ロボットは、侵入者などの移動物体と所定の離間距離を保って当該移動物体に追従飛行することができる。さらに、当該離間距離と撮像部の撮像方向（俯角等）といった撮像条件情報とから当該侵入者の顔などの特徴部位を撮像できる飛行高度を求めて当該飛行高度で追従飛行することにより、当該移動物体の特徴部位を適切に撮像しつつ追従飛行することができる。
【０００７】
また、本発明の好ましい態様として、前記目標飛行高度算出手段は、前記撮像画像から前記移動物体の画像領域を抽出し、該画像領域と前記撮像条件情報と自己位置情報とを用いて前記移動物体の高さを推定し、該高さから前記特徴位置を推定して前記記憶部に記憶するものとする。
【０００８】
かかる構成により、本発明の自律飛行ロボットは、撮像部で取得した撮像画像から移動物体の高さ、例えば侵入者の身長を推定し、推定した身長に応じて特徴位置（例えば顔位置であって、地面から顔中央までの高さ）を推定する。これにより、移動物体の大きさ、例えば侵入者の身長に応じて適切に特徴部位を撮像できる飛行高度を算出することができ、適切に特徴部位を撮像しつつ追従飛行することができる。
【０００９】
また、本発明の好ましい態様として、前記経路探索手段は、前記移動物体位置から前記離間距離だけ離れた周囲の位置に複数の移動候補位置を設定する移動候補位置設定手段を更に有し、前記移動目標位置設定手段は、前記各移動候補位置を評価して該移動候補位置のうちの一つを移動目標位置に設定するものであって、前記移動物体の正面方向を推定し、該移動候補位置のうち該正面方向に位置する移動候補位置が移動目標位置に設定され易いよう評価するものとする。
【００１０】
かかる構成により、本発明の自律飛行ロボットは、移動物体の正面方向の位置において追従飛行し易くなる。これにより、移動物体の特徴部位の正面画像、例えば侵入者の正面顔画像などといったような証拠能力の高い撮像画像を取得することができる。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように、本発明の自律飛行ロボットは、設置したカメラの撮像方向（例えば俯角）に応じて自らの飛行高度を決定することにより、侵入者の顔画像等の証拠画像を適切に撮影しつつ、当該侵入者に対して追従飛行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】自律飛行ロボットの概観図
【図２】自律飛行ロボットの機能ブロック図
【図３】経路探索手段の機能ブロック図
【図４】目標高度算出の説明図
【図５】移動候補位置の設定についての説明図
【図６】移動目標位置の設定についての説明図
【図７】移動経路の生成におけるグラフ構造の説明図
【図８】ローカル目標算出の説明図
【図９】移動物体の正面方向への移動の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、移動物体である人物に対して所定の相対距離を保ちながら追従飛行し、当該移動物体の画像を撮像する自律飛行ロボットについての実施形態について添付した図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明の自律飛行ロボットは、自動車等の人物以外の移動物体についても同様に適用することができる。図１に本実施形態で利用する自律飛行ロボット１の概観図を表す。また、図２に本実施形態で利用する自律飛行ロボット１の機能ブロック図を表す。図１に表すように、本実施形態で利用する自律飛行ロボット１は、符号２ａ〜２ｄに示す４枚のロータ２（プロペラ）が一平面上に存在し、各ロータ２が図示しないバッテリ（二次電池）により駆動するモータ６によって回転することによって飛行するクアッドロータ型の小型無人ヘリコプタである。一般的に、シングルロータ型のヘリコプタでは、メインロータによって発生する反トルクをテールロータが生み出すモーメントで相殺することによって方位角を保っている。一方、本実施形態で利用する自律飛行ロボット１のようなクアッドロータ型のヘリコプタでは、前後・左右で異なる方向に回転するロータ２を用いることで反トルクの相殺を行っている。そして、例えば、機体をヨー方向に回転させたいときは、符号ｆａ〜ｆｄの矢印で示すように前後のロータ２ａ、２ｃと左右ロータ２ｄ、２ｂの回転数に差を与える。このように、各ロータ２の回転数を制御することにより、様々な機体の移動や姿勢の調節を行うことができる。
【００１４】
撮像部３は、例えばレンズなどの光学系および所定画素（例えば６４０×４８０画素）のＣＣＤやＣＭＯＳなどの２次元アレイ素子を有する二次元イメージセンサで構成され、飛行空間の撮像画像を所定の時間間隔で取得するいわゆるカラーカメラである。本実施形態では、撮像部３は、その光軸が自律飛行ロボット１の正面方向を撮像するよう筐体部分に設置され、かつ、水平面（ＸＹ平面）から予め定めた俯角θにより斜め下方の空間を撮像するよう設置されている。取得した撮像画像は後述する制御部７に出力され、制御部７により記憶部８に記憶されたり、後述する通信部９を介して図示しない外部装置に送信されたりする。
通信部９は外部装置との間で、例えば無線ＬＡＮや携帯電話回線等により無線通信するための通信モジュールである。本実施形態では、撮像部３によって取得した撮像画像を図示しない警備センタに設置されたＰＣに送信することにより、警備員等が遠隔から侵入者を監視することを可能にする。
【００１５】
距離検出センサ４は、自律飛行ロボット１の周囲に存在する障害物と距離検出センサ４との間の距離を検出し、センサ検出範囲内に存在する障害物の相対的な位置を取得するセンサである。本実施形態では、距離検出センサ４としてレーザスキャナを備えている。レーザスキャナは、一定の角度サンプル間隔の角度毎に二次元スキャンすることによって、地面（又は床面）から一定の高さの水平面における周囲に存在する物体（障害物）との距離情報を極座標値として取得することができるものである。ここで、レーザスキャナにおける二次元スキャンとは、予め設定された検知エリアを走査するように、放射状にレーザ光である探査信号を送信し、検知エリア内の物体に反射して戻ってきた探査信号を受信して、送信と受信の時間差から物体までの距離を算出し、その探査信号を送信した方向と算出した距離を求めることをいう。本実施形態では、角度サンプル間隔を０．２５°、検出角度範囲を３６０°、センサ検出範囲を３０ｍとして自律飛行ロボットの周囲の障害物との距離を測定可能なレーザセンサを用いている。なお、レーザスキャナから照射されるレーザの一部をミラー５で地面方向に反射させて計測された距離情報を利用して飛行高度を推測することにも利用している。
【００１６】
記憶部８は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）等の情報記憶装置である。記憶部８は、各種プログラムや各種データを記憶し、制御部との間でこれらの情報を入出力する。各種データには、本発明の「障害物マップ」に対応する２Ｄポイント情報８１及びボクセル情報８２、離間距離８３、撮像条件情報８４、特徴位置８５の他、制御部７の各処理に用いられる設定値、閾値等の各種パラメータ８６や、各センサ等からの出力値、撮像画像等が含まれる。
【００１７】
２Ｄポイント情報８１は、後述する位置推定手段７１にて自律飛行ロボットの現在の飛行位置（以下、「自己位置」という）を推定するために利用する情報であり、グローバル座標と呼ばれる水平面における二次元の絶対座標上に表され、飛行空間における建造物等の障害物の外形を表す点集合の座標情報である。本実施形態では、飛行高度毎に設定された複数の点集合を２Ｄポイント情報として予め記憶部８に記憶していることとし、自律飛行ロボットの飛行高度によって対応する飛行高度の点集合を記憶部８から読み出して利用するものとする。
【００１８】
ボクセル情報８２は、飛行空間をボクセル空間として複数のボクセルに分割して飛行空間の障害物の構造等を表した情報であり、予め管理者等によって設定され記憶部８に記憶される情報である。本実施形態では、飛行空間を所定の大きさ（例えば１５ｃｍ×１５ｃｍ）に分割し、建造物等の障害物に位置するボクセルを「占有ボクセル」と定義して、自律飛行ロボット１が移動できない空間とした。そして、占有ボクセルの近くに存在する空間に位置するボクセルを「近接ボクセル」、それ以外の自由に飛行可能なエリアに位置するボクセルを「自由ボクセル」として定義した。そして、各ボクセルには、後述する移動経路生成手段にて移動経路を生成する際に利用できるよう、占有度を示すボクセルコスト値を持たせた。占有ボクセルのボクセルコスト値は最大値をとり、距離が大きくなるほどボクセルコスト値が小さくなるように、（ボクセルコスト値）＝ｅｘｐ｛−λ・（占有ボクセルからの距離）｝の計算式からボクセルコスト値を算出した。ここでλは実験によって求めたパラメータである。そして、予め定めた閾値以上のボクセルコスト値を有するボクセルを「近接ボクセル」とした。また、ボクセルコスト値が当該閾値よりも小さいボクセルを「自由ボクセル」とし、自由ボクセルとみなされたボクセルのボクセルコスト値を０と再設定した。なお、自律飛行ロボット１が飛行空間における予め定めた移動可能空間の外に出ないようにするため、移動可能空間とその外部との境界となるボクセルを占有ボクセルと設定した。
【００１９】
離間距離８３は、移動物体を追従飛行するにあたって、自律飛行ロボット１と移動物体との水平面における維持すべき相対距離であり、自律飛行ロボット１の管理者等によって予め設定される値である。自律飛行ロボット１を用いて所定の移動物体を監視する場合、移動物体に近づき、より詳細な撮像画像を取得できる必要がある。しかし、侵入者などの敵対する移動物体から攻撃を受けないようにするためには一定距離以上離間する必要がある。そのため、本実施形態の自律飛行ロボット１は、移動物体の詳細な撮像画像を取得でき、かつ、当該移動物体から攻撃を受け難い距離に離間距離８３を予め定めておき、当該離間距離を保ちつつ追従飛行するようにする。本実施形態では離間距離８３を３ｍとして設定されているものとする。
【００２０】
撮像条件情報８４は撮像部３の視野を表す情報であり、本実施形態では撮像部３の俯角θが撮像条件情報８４として記憶部８に記憶されている。すなわち、撮像条件情報８４は、撮像部３の設置角度によって管理者等によって適宜設定される値である。なお、自律飛行ロボット１に対して撮像部３の撮像方向を変更可能なカメラ制御装置を搭載した場合の他の実施形態においては、当該カメラ制御装置から撮像方向についての情報を取得してもよい。
【００２１】
特徴位置８５は、移動物体の特徴部位の位置を表す情報である。ここで、特徴部位とは、移動物体を識別するにあたって特徴的な部位であって、移動物体を撮像したときに証拠能力の高い撮像画像を得られる移動物体の部位である。例えば、移動物体が人物であるとき特徴部位は頭部（顔）であり、移動物体が自動車であるときは特徴部位はナンバープレート部分である。本実施形態では、移動物体の全高における位置割合（例えば、全長を１としたとき特徴部位の位置を０．９５とするなど）を特徴位置８５として管理者等により設定されていることとする。
【００２２】
制御部７は、ＣＰＵ等を備えたコンピュータで構成され、位置推定処理（自己位置推定処理、移動物体位置推定処理）、速度推定処理、経路探索処理、経路追従制御処理を行う一連の処理として、位置推定手段７１、速度推定手段７２、経路探索手段７３、飛行制御手段７４を含んでいる。
【００２３】
位置推定手段７１は、距離検出センサ４及び撮像部３の出力に基づいて、飛行空間における自律飛行ロボット１の現在位置（自己位置）を推定する自己位置推定処理と、移動物体の現在位置（以下、「移動物体位置」という）とを推定する移動物体位置推定処理とを行う。
【００２４】
自己位置推定処理では、距離検出センサ４の出力と記憶部８に記憶された２Ｄポイント情報８１とを用いて、自己位置として、水平面（ＸＹ平面）における位置ｘ，ｙと、飛行高度ｚと、Ｚ軸に対する回転角であるヨー角ψとを推定する処理を行う。
【００２５】
自己位置推定処理では、まず、レーザスキャナから照射されるレーザの一部をミラー５で地面方向に反射させて計測された距離情報を利用して、自己位置の飛行高度ｚを算出する。レーザスキャナによって計測された距離情報は、地面には建造物以外の物体（例えば荷物や乗り物など）が存在するため、必ずしも地面までの距離として正確に計測されるとは限らない。したがって、本実施形態では、これらの建造物以外の障害物の影響を受け難いようレーザスキャナによって計測された距離情報に対して拡張カルマンフィルタを適用することにより飛行高度を推定する。
【００２６】
次に、自己位置推定処理では、自己位置のｘ，ｙ，ヨー角ψを推定する。自己位置のｘ，ｙ，ヨー角ψを推定にあたり、まず、記憶部に記憶された２Ｄポイント情報８１から飛行高度ｚに対応した飛行空間の二次元地図としての点集合を読み出す。そして、求めた点集合とレーザスキャナの出力とを用いて、ＩＣＰ（Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ  Ｃｌｏｓｅｓｔ  Ｐｏｉｎｔ）アルゴリズムを利用した既知のスキャンマッチングにより自己位置のｘ，ｙ，ヨー角ψを推定する。ＩＣＰアルゴリズムは、２つの点集合Ａ，Ｂにおいてユークリッド距離が最小となる組合せを求めることによりマッチング処理するものである。すなわち、２Ｄポイント情報８１の点集合と、自律飛行ロボット１に搭載されているレーザスキャナから取得したスキャンデータである入力点集合とをマッチングさせ位置誤差を修正することによって、グローバル座標における自己位置のｘ，ｙ，ヨー角ψを推定することができる。
【００２７】
移動物体位置推定処理では、撮像部３の出力である撮像画像を画像処理して、移動物体位置を推定する処理を行う。移動物体位置推定処理では、まず、撮像画像の各フレームを画像処理して移動物体の画像領域を抽出する処理を行う。本実施形態では、既知の従来技術（例えば、特開２００６−１４６５５１号公報を参照）であるオプティカルフロー法を用いて移動物体の画像領域を抽出する。しかし、これに限らず、既知の従来技術であるブースティング学習（例えば、Ｈａａｒ−ｌｉｋｅ特徴を用いているＡｄａＢｏｏｓｔベース識別器による顔検出手法）による識別器を用いて、移動物体である人物領域が含まれるか否かを識別し、人物領域として識別された当該画像領域を抽出してもよい。また、上記の各技術を組み合わせて用いてもよい。次に、移動物体位置推定処理では、当該抽出された画像領域の位置に基づいて移動物体と自律飛行ロボット１との距離を推定する。具体的には、抽出した移動物体の画像領域の頭頂部の（撮像画像における）ｙ座標位置と距離との対応表を予め飛行高度毎に作成しておき、現在の飛行高度及び移動物体の頭頂部のｙ座標位置を当該対応表に照らし合わせて移動体との距離を推定する。しかし、これに限らず、抽出した移動物体の頭部の大きさから距離を算出してもよい。すなわち、頭部の大きさと距離との対応表を予め作成しておき、抽出された移動物体の頭部の大きさを当該対応表に照らし合わせて移動物体との距離を推定してもよい。
【００２８】
なお、位置推定手段７１は、移動物体位置推定処理にて移動物体位置が算出すると、当該移動物体位置に基づいてボクセル情報８２を更新する処理を行う。具体的には、記憶部８のボクセル情報８２に基づいたボクセル空間に、算出された移動物体位置を中心として監視対象の移動物体として予め定めた移動物体の大きさと略同じ大きさの円柱モデル（例えば、監視対象の移動物体を侵入者であるとしたとき、底面の半径０．３ｍ、高さ１．７ｍの円柱モデル）を配置し、当該円柱モデルと干渉するボクセルを占有ボクセルとして設定することによりボクセル情報８２を更新する。後述するように、自律飛行ロボット１は、占有ボクセルには移動しないように飛行制御されるが、上記のように移動物体位置に基づいてボクセル情報８２を更新することにより、自律飛行ロボット１と移動物体との接触を回避することができる。
【００２９】
速度推定手段７２は、後述する飛行制御手段７４における経路追従制御で利用するため、自律飛行ロボット１の現在の飛行速度（ｖx，ｖy，ｖz，ｖyaw）を推定する処理を行う。本実施形態では、位置推定手段７１にて推定した自己位置（ｘ，ｙ，ｚ，ｙａｗ）の時間変化から飛行速度を求めた。この際、測定誤差等の影響を考慮して拡張カルマンフィルタを利用して飛行速度を推定した。
【００３０】
経路探索手段７３は、位置推定手段７１で算出した自己位置及び移動物体位置と、記憶部８に記憶された各種情報とを用いて自律飛行ロボット１の移動経路を算出する処理を行う。図３に経路探索手段７３の機能ブロック図を表す。経路探索手段７３は、図３に表すように、目標飛行高度を算出する目標飛行高度算出手段７３４と、移動候補位置を設定する移動候補位置設定手段７３１と、複数の移動候補位置を評価してその中から一つの移動目標位置を設定する移動目標位置設定手段７３２と、自己位置から移動目標位置に至る移動経路を生成する移動経路生成手段７３３とにより構成される。以下、経路探索手段７３を構成する各手段における処理の詳細について説明する。
【００３１】
目標飛行高度算出手段７３４は、記憶部８に記憶された離間距離８３と撮像条件情報８４と特徴位置８５とを用いて自律飛行ロボット１の移動すべき飛行高度である目標飛行高度を求める目標飛行高度算出処理を行う。
【００３２】
目標飛行高度算出処理では、まず、移動物体の高さを推定し、推定した移動物体の高さ情報を用いて特徴部位の高さを求める処理を行う。本実施形態では、位置推定手段７１にて推定した移動物体位置（移動物体と自律飛行ロボット１との間の距離）と抽出した移動物体の画像領域の大きさとに基づいて移動物体の高さを推定する。具体的には、移動物体位置推定処理にて抽出した移動物体の画像領域の大きさと移動物体の高さとの対応表を予め飛行高度毎に作成しておき、現在の飛行高度及び移動物体の画像領域の大きさを当該対応表に照らし合わせて移動物体の高さを推定する。
次に、記憶部８から特徴位置８５を読み出し、推定した移動物体の高さに当該特徴位置８５の位置割合を乗じることにより特徴部位の高さを算出する。例えば、特徴位置８５として記憶された位置割合が０．９５であり、移動物体の高さが１．７ｍと推定されたとき、１．７ｍ×０．９５≒１．６２ｍとして特徴部位の高さを求めることができる。
【００３３】
次に、目標飛行高度算出処理では、算出した特徴部位の高さ等を用いて目標飛行高度を算出する処理を行う。図４は、目標飛行高度の算出の説明図を表す図であり、自律飛行ロボット１と移動物体Ｍとを横方向から見た場合における概略図である。図４において特徴部位の高さはＨに相当し、離間距離８３はＬに相当する。ここで、撮像部３の俯角をθとしたとき、移動物体Ｍである人物の顔を撮像できる高度である目標飛行高度を、Ｈ＋Ｄ＝Ｈ＋Ｌ・ｔａｎθによって算出することができる。
【００３４】
このように、特徴位置８５と離間距離８３と撮像条件情報８４（俯角θ）に応じて目標飛行高度を算出することにより、移動物体Ｍの特徴部位（例えば顔などの頭部）を撮像することが可能な飛行高度において、予め定めた離間距離８３を保ちながら移動物体Ｍに追従飛行することができる。また、推定した移動物体Ｍの地面Ｇからの高さに応じて特徴位置８５を更新することにより、移動物体Ｍの高さに応じて特徴部位を撮像できる位置に目標飛行高度を設定することができる。例えば移動物体が人物である場合の子供と大人との身長の違いを考慮して、頭部を撮像できる高さに目標飛行高度を設定することができる。
【００３５】
目標飛行高度算出手段７３４にて目標飛行高度を算出する処理を終えると、移動候補位置設定手段７３１は、移動物体の周囲の位置に複数の移動候補位置を設定する処理を行う。本実施形態では、移動候補位置を、移動物体Ｍを中心とし記憶部８に記憶された離間距離８３（＝Ｌ）を半径とした円状の位置で、かつ、目標飛行高度算出手段７３４にて算出した目標飛行高度（＝Ｈ＋Ｄ）の位置に、それぞれ等間隔になるように設定する。図５は移動候補位置の設定についての説明図であり、ボクセルで表示した飛行空間の一部を真上から見下ろしたときの図である。同図において、符号Ｂｏで表した黒塗りされたボクセルは占有ボクセルであり、符号Ｂｎで表した平行斜線（ハッチング）で塗られたボクセルは近接ボクセルであり、符号Ｂｆで表した白色のボクセルは自由ボクセルである。図５に表すように、移動物体Ｍの重心位置Ｍｇを中心として半径Ｌの円周上に複数個の移動候補位置Ｐｃを等間隔に設置する。なお、本実施形態では、移動物体Ｍの周囲の位置に５°おきに７２個の移動候補位置Ｐｃを設置することとする。
【００３６】
移動候補位置設定手段７３１にて移動候補位置Ｐｃの設定を終えると、移動目標位置設定手段７３２は設定された複数の移動候補位置Ｐｃを評価し、その中の一つを移動目標位置として設定する移動目標位置設定処理を行う。図６は移動目標位置の設定についての説明図であり、図５と同じようにボクセルで表示した飛行空間の一部を真上から見下ろしたときの図である。移動目標位置設定処理では、まず、自律飛行ロボット１が障害物に接触することを防止するため障害物と干渉する位置にある移動候補位置Ｐｃを除外し、また、障害物に接近するのも接触の危険性が増すことから障害物の近くに存在する移動候補位置Ｐｃを除外する処理を行う。具体的には、図６に表すように、自由ボクセルＢｆ以外のボクセル（占有ボクセルＢｏ、近接ボクセルＢｎ）と干渉する位置にある移動候補位置Ｐｃが移動目標位置として設定されないよう、以下で説明する評価の対象から除外する。図６に表した移動候補位置Ｐｃは、図５で表した移動候補位置Ｐｃから近接ボクセルＢｎと干渉している移動候補位置Ｐｃを除外した後のものであり、評価対象となっている移動候補位置Ｐｃとなるものである。なお、近接ボクセルＢｎは移動目標位置に設定できないものの移動経路とすることはできるものとする。
【００３７】
次に移動目標位置設定処理では、評価対象から除外されていない各移動候補位置Ｐｃを評価して移動目標位置を設定する処理を行う。本実施形態では、評価対象となっている各移動候補位置Ｐｃの評価値を求め、当該評価値が最も大きい移動候補位置を移動目標位置として設定するように評価する。この際、まず、自律飛行ロボット１の現在位置から各移動候補位置までの距離が小さいほど評価値が高くなるようにする。また、前回設定した移動目標位置からの移動候補位置までの距離が小さいほど評価値が高くなるようにする。本実施形態における評価値Ｖを求める具体的な評価式を数１で表す。
【数１】
2014119828.tif 000003
ここで、ｒ＝（ｘ，ｙ，ｚ）は自律飛行ロボット１の現在の自己位置、Ｐprev＝（ｘprev，ｙprev，ｚprev）は前回設定した移動目標位置を示し、α、β、σは距離に応じて減衰する値を調整するためのパラメータである。図６では、点線で囲んだ移動候補位置が移動目標位置Ｐｏとして設定されたことを表している。このように、移動目標位置Ｐｏが設定されると、後述するように設定された移動目標位置Ｐｏに向かうように移動経路が生成され、自律飛行ロボット１は当該移動目標位置Ｐｏに向かって移動することとなる。
【００３８】
移動経路生成手段は、記憶部に記憶されたボクセル情報と、移動目標位置設定手段にて算出した移動目標位置と、位置推定手段にて算出した自己位置とを用いて自律飛行ロボットの移動経路を算出する移動経路生成処理を行う。具体的には、経路生成処理では、まず、記憶部からボクセル情報８２を読出し、分割した移動可能な空間である自由ボクセルＢｆ及び近接ボクセルＢｎの各ボクセルの中心をノードとし、当該ノードに隣接するノード間を連結した線分をエッジとしてグラフ構造を生成する。図７はグラフ構造を説明する図であり、飛行空間における移動可能なボクセル（自由ボクセルＢｆ又は近接ボクセルＢｎ）の一部（２７個）を切り欠いたものである。図７において符号Ｂで表す個々の立方体は自由ボクセルＢｆ又は近接ボクセルＢｎを表すものである。また、これらのボクセルＢの中心にある黒又はハッチングにて塗りつぶした球はノードであり、ノード間を連結する点線で表示する線分はエッジである。このようにボクセル情報８２に基づいて全ての移動可能なボクセルについてグラフ構造を生成した後、自律飛行ロボット１が存在しているボクセルのノードから移動目標位置Ｐｏが存在しているボクセルのノードまでの移動経路を生成する。移動経路の生成方法については、さまざまな経路生成方法が適用可能であるが、本実施形態ではＡ＊（エースター）経路探索法を用いて移動経路を探索する。この際、ボクセル情報８２として記憶されたボクセルコストをＡ＊経路探索法における移動コストとして利用する。経路探索手段７３で生成された生成された移動経路のデータは、経由点（ｘ，ｙ，ｚ）の集合データであり、この情報は記憶部８に一時的に記憶される。
【００３９】
飛行制御手段７４は、経路探索手段７３にて算出した移動経路情報と位置推定手段７１にて推定した自己位置と速度推定手段７２で推定した飛行速度とを用いて、各時刻での飛行制御値である速度指令値を求め、当該速度指令値に基づいてモータ６を制御し、ロータ２の回転数を制御することにより、自律飛行ロボット１が経路探索手段７３で算出した移動経路に沿って飛行させる経路追従制御処理を行う。
【００４０】
経路追従制御処理では、まず、各時刻での自律飛行ロボットが目標とすべき直近の位置（以下、「ローカル目標」と呼ぶ）を算出する処理を行う。図８はローカル目標の算出を説明する図である。ローカル目標の算出にあたり、飛行制御手段７４は、経路探索手段７３で生成された移動経路を記憶部８から読出し、自律飛行ロボットが現在時刻で目指している経由点Ｗｐ１と前回通過済みである経由点Ｗｐ０との２点間を繋げた直線Ｗを求める。そして、飛行制御手段は、求めた直線Ｗと自律飛行ロボット１の自己位置を中心とした球Ｓとの交点Ｌｐ’、Ｌｐを算出し、目指している経由点Ｗｐ１に近い交点Ｌｐをローカル目標として求める。このように、各時刻においてローカル目標を目指して自律飛行ロボット１が移動するよう飛行制御することで、常にローカル目標も移動経路上を移動目標位置Ｐｏに向かって移動していき、自律飛行ロボット１は移動経路に沿って飛行していくことになる。
【００４１】
次に、経路追従制御処理では、算出したローカル目標に向かって飛行するようＸ、Ｙ、Ｚ、ヨー角の各方向毎に速度指令値ｕx，ｕy，ｕz，ｕψを算出する処理を行う。この際、現在の自己位置とローカル目標の位置との差異が小さくなるような速度指令値を求める。具体的には、ＸＹＺ軸方向の速度指令値ｕ＝（ｕx，ｕy，ｕz）は、位置推定手段で求めた自己位置ｒ＝（ｘ，ｙ，ｚ）と速度推定手段で推定した速度ｖ＝（ｖx，ｖy，ｖz）とを利用し、ＰＩＤ制御により求める。ＸＹＺ軸方向の各速度指令値をｕ＝（ｕx，ｕy，ｕz）、ローカル目標をｒ’＝（ｘ，ｙ，ｚ）としたとき、速度指令値は、ｕ＝Ｋp（ｒ’−ｒ）＋Ｋd・ｖ＋Ｋi・ｅの式で算出される。ここで、Ｋp、Ｋd、ＫiはそれぞれＰＩＤ制御のゲインのことであり、ｅ＝（ｅx，ｅy，ｅz）は誤差の積分値である。一方、ヨー角方向の速度指令値ｕψは、ψ'を目標角度、ψを位置推定手段７１にて推定した自律飛行ロボット１の姿勢（角度）、ｖyawを速度推定手段７２で推定した角速度とすると、ｕψ＝Ｋp（ψ’−ψ）＋Ｋd・ｖψの式のようなＰＤ制御により求める。なお、本実施形態では、目標角度ψ'を移動物体Ｍの方向、すなわち、移動物体位置の方向を向く角度とした。
【００４２】
このように、制御部７は、上述した位置推定手段７１、速度推定手段７２、経路探索手段７３、飛行制御手段７４における各処理を逐次繰り返す。これにより、本実施形態の自律飛行ロボット１は、移動物体Ｍと離間距離の位置に対して移動目標位置を逐次更新し、その都度移動経路についても逐次更新していくことによって、当該移動物体と所定の離間距離を保ちつつ、かつ、移動物体Ｍを適切に撮像できる飛行高度にて追従飛行することができる。
【００４３】
ところで、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内で、更に種々の異なる実施形態で実施されてもよいものである。また、実施形態に記載した効果は、これに限定されるものではない。
【００４４】
上記実施形態では、特徴位置８５として移動物体の全高における位置割合を記憶部８に記憶し、当該位置割合と推定した移動物体Ｍの高さとを用いて特徴部位の高さＨを推定している。しかし、これに限らず、特徴位置８５として所定の固定値として記憶しておき（例えば１．６ｍ）、移動物体Ｍの高さを推定することなく当該固定値を特徴部位の高さＨとして利用してもよい。これにより、例えば、侵入者等の身長を考慮せずに目標飛行高度を算出するため、移動物体の特徴部位を撮影する精度が低下するものの、簡単な処理で目標飛行高度を算出することができる。
【００４５】
上記実施形態では、移動目標位置設定手段７３２にて各移動候補位置を評価する際、自律飛行ロボット１の現在位置から各移動候補位置Ｐｃまでの距離と、前回設定した移動目標位置からの移動候補位置Ｐｃまでの距離とを用いて評価した。しかし、これに限らず、移動物体Ｍの移動方向から当該移動物体Ｍの正面方向を推定し、当該正面方向に位置する移動候補位置Ｐｃであるほど評価値Ｖが高くなるようにし、当該移動候補位置Ｐｃが移動目標位置に設定され易いように評価してもよい。図９に当該実施形態における移動目標位置の設定について説明する図を表す。図９において符号Ｍ０が時刻ｔにおける移動物体の位置であり、符号Ｍ１が時刻ｔ＋１における移動物体の位置である。この場合、移動物体Ｍの移動方向は符号ｍｖで表す方向となる。そのため、当該方向を移動物体の正面方向と推定する。そして、当該正面方向を０°としたとき、±３０°の範囲内にある移動候補位置Ｐｃ（図９において白丸で表した移動候補位置）についての評価値が高くなるように、数１で表した式によって求めた評価値Ｖに対して重み係数を乗じて、新たな評価値Ｖを算出する。この際、正面方向である０°に近い移動候補位置であるほど大きい値の重み係数を乗じるとよい。このようにして求めた新たな評価値Ｖを用いて移動目標位置を設定することにより、各移動候補位置Ｐｃの中から移動物体Ｍの正面方向に位置する移動候補位置Ｐｃが移動目標位置として設定され易くなる。したがって、自律飛行ロボット１は移動物体Ｍの正面方向に位置し易くなるため、移動物体Ｍの正面の撮像画像（例えば顔画像）を取得し易くすることができ、証拠能力の高い撮像画像を取得しながら移動物体Ｍに追従飛行することができる。なお、移動物体Ｍの正面方向を推定するのに、上記のような移動物体Ｍの移動方向から推定する方法に限らず、撮像部３にて取得した撮像画像から移動物体Ｍの向きを推定して正面方向を推定してもよい。例えば、移動物体Ｍが人物である場合は、特開２００６−１４６５５１号公報や特開２００７−２２９８１４号公報に開示されている従来技術を用いて顔の向きを推定し、当該方向を正面方向と推定してもよい。あるいは、特開２００８−２３４４０４号公報に開示されている従来技術を用いて、認識した関節位置に基づき移動物体Ｍの向きを推定してもよい。
【００４６】
上記実施形態では、飛行制御手段７４にて速度指令値を算出するために、速度推定手段７２にて自己速度を算出している。しかし、これに限らず、速度推定手段７２を省略して自己速度を算出せずに速度指令値を算出してもよい。この場合、移動物体Ｍへの追従性能が劣るもの簡易的な処理で追従飛行することが可能となる。また、上記実施形態では、速度推定手段７２にて自己位置に基づいて自己速度を算出している。しかし、これに限らず、ＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｕｎｉｔ：慣性計測ユニット）などのセンサを利用したり、自律飛行ロボット１の真下方向を撮像するカメラを設置し、カメラからの撮像画像に基づいて既知のオプティカルフロー法を用いて自己速度を算出してもよい。
【００４７】
上記実施形態では、距離検出センサ４としてレーザスキャナを用いて当該レーザセンサの出力から位置推定手段７１にて自己位置を推定している。しかし、これに限らず、レーザスキャナの代わりとしてＧＰＳ、ジャイロセンサ、電子コンパス、気圧センサ等の他のセンサを用いて既知の従来技術により自己位置を推定してもよい。
【００４８】
上記実施形態では、撮像部３で取得した撮像画像を画像解析することにより、移動物体位置を推定している。しかし、これに限らず、撮像部３に別途距離画像センサを搭載して、当該距離画像センサから取得した距離画像を用いて、既知の移動物体抽出技術により移動物体を抽出して、抽出した移動物体と自律飛行ロボット１との距離値から移動物体位置を推定してもよい。また、距離検出センサ４として搭載したレーザスキャナを用いて移動物体位置を推定してもよい。また、別途地面や壁面等に設置した固定型のレーザスキャナを用いて移動物体位置を検知し、通信部９を介して自律飛行ロボット１に対して移動物体位置を通知してもよい。
【００４９】
上記実施形態では、制御部７において位置推定処理（自己位置推定処理、移動物体位置推定処理）、速度推定処理、経路探索処理、経路追従制御処理の一連の処理を行っている。しかし、これに限らず、図示しない制御用のＰＣを用意し、当該ＰＣにこれらの一連の処理を実施させてもよい。すなわち、自律飛行ロボット１は、距離検出センサ４のレーザスキャナの出力及び撮像部３で取得した撮像画像を通信部９を介して無線通信により当該ＰＣに送信する。そして、ＰＣは、位置推定処理、速度推定処理、経路探索処理、経路追従制御処理を実施し、経路追従制御処理にて求めた速度指令値を無線通信により自律飛行ロボット１に送信する。そして、自律飛行ロボット１は、通信部９を介して受信した速度指令値に基づいてモータ６の回転数を制御することにより、目的の位置に飛行する。このように、上記の一連の処理を外部ＰＣを用いて分担することにより、自律飛行ロボット１のＣＰＵ処理負荷を低減することができ、ひいてはバッテリの消耗も抑えることができる。
【００５０】
上記実施形態では、撮像部３の設置角度（撮像方向である俯角θ）を設置時の位置のまま固定であるとして、撮像条件情報８４も一定値であることとしている。しかし、これに限らず、撮像部３の撮像方向を自由に変更できるカメラ制御装置を設置することにより、撮像部３の撮像方向を制御できるようにしてもよい。この場合、カメラ制御装置から撮像方向に関する情報を取得して記憶部８の撮像条件情報８４を更新するものとする。
【符号の説明】
【００５１】
１・・・自律飛行ロボット
２・・・ロータ
３・・・撮像部
４・・・距離検出センサ
５・・・ミラー
６・・・モータ
７・・・制御部
８・・・記憶部
８１・・・２Ｄポイント情報
８２・・・ボクセル情報
８３・・・離間距離
８４・・・撮像条件情報
８５・・・特徴位置
８６・・・各種パラメータ
７１・・・位置推定手段
７２・・・速度推定手段
７３・・・経路探索手段
７３１・・・移動候補位置設定手段
７３２・・・移動目標位置設定手段
７３３・・・移動経路生成手段
７３４・・・目標飛行高度算出手段
７４・・・飛行制御手段
９・・・通信部
Ｍ・・・移動物体
Ｍｇ・・・移動物体の重心
Ｇ・・・地面
Ｂｏ・・・占有ボクセル
Ｂｎ・・・近接ボクセル
Ｂｆ・・・自由ボクセル
Ｐｃ・・・移動候補位置
Ｐｏ・・・移動目標位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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