(57)【要約】【課題】雪や瓦礫、土砂のような障害物を最適な投棄方向や除去ルートにより除去可能な障害物除去装置を提供する。【解決手段】障害物除去エリア内を自走する障害物除去装置１０は、障害物を取得する取得部１１と、取得部により取得される障害物を投棄する投棄部１２であって、投棄エリアに最も近い方向に向けて障害物を投棄するように制御される投棄部と、を具備する。障害物除去装置の移動経路は、所定の手順により障害物の量に応じて決定され最適化され、障害物除去装置はこれに沿って移動しながら障害物を除去していく。【選択図】図１
2008223364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
障害物除去エリア内を自走する障害物除去装置であって、該障害物除去装置は、
障害物を取得する取得部と、
前記取得部により取得される障害物を投棄する投棄部であって、投棄エリアに最も近い方向に向けて障害物を投棄するように制御される投棄部と、
を具備することを特徴とする障害物除去装置。
【請求項２】
請求項１に記載の障害物除去装置であって、さらに、
障害物除去エリアに対して、前記取得部の取得可能幅に応じたメッシュをｘ，ｙそれぞれの方向に生成することで区切られる複数のブロック領域を定義し、各ブロック領域に残存する障害物の量に応じたポテンシャルをそれぞれ定義する、障害物除去エリア定義部と、
前記障害物除去エリア定義部により定義されるブロック領域とポテンシャルとを用いて、障害物除去エリア内における障害物除去装置の移動経路を決定する移動経路決定部と、を具備し、
前記移動経路決定部は、
（１）経路のスタート位置にあるブロック領域の、障害物除去エリアに対して内側の頂点を中心として、メッシュに沿って右上、左上、右下、左下の４つの区画に障害物除去エリアを区切り、
（２）各区画について、前記頂点からｙ軸方向にブロック領域のポテンシャルを順に積算し、区画のｙ軸端のブロック領域まで到達したら積算ポテンシャルを保持したまま前記頂点からｘ軸方向に１ブロック領域分移動して、さらに前記頂点からｙ軸方向にブロック領域のポテンシャルを順に積算し、これを区画のｘ軸端まで繰り返して区画内のすべてのブロック領域の積算ポテンシャルをそれぞれ算出し、
（３）積算ポテンシャルが最も大きいブロック領域が含まれる区画を目標区画とし、目標区画内で積算ポテンシャルが最も大きく且つポテンシャルが０ではないブロック領域を次の目標位置として指定し、
（４）経路が通るブロック領域のポテンシャルから前記取得部による取得可能量に応じたポテンシャルを減算しながら、目標位置に向かってｙ軸方向に経路を決定し、経路のｙ座標と目標位置のｙ座標の差が０となったら、目標位置に向かってｘ軸方向に経路を決定し、経路のｘ座標と目標位置のｘ座標の差が０となったら、この位置をスタート位置として前記（１）に戻り、
（５）すべてのブロック領域のポテンシャルが０となるまでこれを繰り返す、
ことにより移動経路を決定する、
ことを特徴とする障害物除去装置。
【請求項３】
請求項２に記載の障害物除去装置において、前記移動経路決定部は、前記（４）において、経路から投棄エリアまでの距離が前記投棄部の投棄可能距離よりも遠い場合に、障害物が投棄される位置のブロック領域のポテンシャルに投棄される障害物の量に応じたポテンシャルを加算することを特徴とする障害物除去装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の障害物除去装置であって、さらに、障害物除去装置の自位置を認識するために、ＧＰＳと電子コンパスとロータリエンコーダを組み合わせる自位置認識部を具備し、前記障害物除去装置は、認識される自位置を用いて前記移動経路決定部により決定される移動経路に沿って障害物を除去しながら移動することを特徴とする障害物除去装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の障害物除去装置であって、さらに、障害物除去装置の周辺環境を認識するために、環境認識用センサを具備し、前記障害物除去装置は、認識される周辺環境情報を用いて前記移動経路決定部により決定される移動経路を修正することを特徴とする障害物除去装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の障害物除去装置において、前記障害物は、雪、瓦礫、土砂の何れかであることを特徴とする障害物除去装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は障害物除去装置に関し、特に、障害物除去エリア内で移動経路を決定して自走する障害物除去装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
除雪を行う場合、一般的には除雪機が用いられている。除雪機は、ゴミや塵等を吸い取る掃除機とは異なり、雪を除雪機内には蓄積せずに、除雪された雪は逐次投雪シュータから投雪されるものである。除雪作業は屋外の低温環境下で行われるものであるため重労働であり、これを自動化する試みが種々行われている。
【０００３】
例えば特許文献１に開示の除雪ロボットは、高速道路の路側帯を走行するよう予め走行コースが定められており、これに沿って自動的に除雪を行っていくものである。また、特許文献２に開示の投雪シュートの動作を自動化するための除雪車は、オペレータにより所定のルートの除雪作業経路に沿って除雪車が運転されるものであり、ＧＰＳで取得される除雪車の位置を用いて、投雪シュートの姿勢を変化させて投雪方向、位置が調整されるものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−０１３４１８号公報
【特許文献２】特開平１０−０３０２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の除雪機では、投雪方向や除雪を行うルートの最適化がなされておらず、完全に自走して除雪エリア内の除雪を行うことができるものは存在していなかった。特許文献１に開示のものは、予め決められたコースを自走するのみで、雪の量や有無を考慮して最適なルートを自走するようなものではない。また、特許文献２に開示のものは、オペレータにより運転するものであり、最適なルートを自走するようなものではない。また、一旦投雪した雪を再度除雪することを繰り返して所定の蓄積エリアまで雪を移動させるようなものもなかった。
【０００６】
さらに、自走式の掃除ロボット等も種々開発されているが、これらは何れも雪や瓦礫、土砂等に対して除去を行うことはできない。すなわち、掃除ロボットはゴミや塵を掃除ロボット内のダストボックスに集めながら走行していくものであり、雪や瓦礫、土砂のような大量の障害物をダストボックスに集めることはできないため、雪等の障害物を除去することはできない。
【０００７】
本発明は、斯かる実情に鑑み、雪や瓦礫、土砂のような障害物を最適な投棄方向や除去ルートにより除去可能な障害物除去装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した本発明の目的を達成するために、本発明による障害物除去装置は、障害物を取得する取得部と、取得部により取得される障害物を投棄する投棄部であって、投棄エリアに最も近い方向に向けて障害物を投棄するように制御される投棄部と、を具備するものである。
【０００９】
さらに、障害物除去エリアに対して、取得部の取得可能幅に応じたメッシュをｘ，ｙそれぞれの方向に生成することで区切られる複数のブロック領域を定義し、各ブロック領域に残存する障害物の量に応じたポテンシャルをそれぞれ定義する、障害物除去エリア定義部と、
障害物除去エリア定義部により定義されるブロック領域とポテンシャルとを用いて、障害物除去エリア内における障害物除去装置の移動経路を決定する移動経路決定部と、を具備し、移動経路決定部は、
（１）経路のスタート位置にあるブロック領域の、障害物除去エリアに対して内側の頂点を中心として、メッシュに沿って右上、左上、右下、左下の４つの区画に障害物除去エリアを区切り、
（２）各区画について、頂点からｙ軸方向にブロック領域のポテンシャルを順に積算し、区画のｙ軸端のブロック領域まで到達したら積算ポテンシャルを保持したまま頂点からｘ軸方向に１ブロック領域分移動して、さらに頂点からｙ軸方向にブロック領域のポテンシャルを順に積算し、これを区画のｘ軸端まで繰り返して区画内のすべてのブロック領域の積算ポテンシャルをそれぞれ算出し、
（３）積算ポテンシャルが最も大きいブロック領域が含まれる区画を目標区画とし、目標区画内で積算ポテンシャルが最も大きく且つポテンシャルが０ではないブロック領域を次の目標位置として指定し、
（４）経路が通るブロック領域のポテンシャルから取得部による取得可能量に応じたポテンシャルを減算しながら、目標位置に向かってｙ軸方向に経路を決定し、経路のｙ座標と目標位置のｙ座標の差が０となったら、目標位置に向かってｘ軸方向に経路を決定し、経路のｘ座標と目標位置のｘ座標の差が０となったら、この位置をスタート位置として（１）に戻り、
（５）すべてのブロック領域のポテンシャルが０となるまでこれを繰り返す、ことにより移動経路を決定するものであれば良い。
【００１０】
ここで、移動経路決定部は、（４）において、経路から投棄エリアまでの距離が投棄部の投棄可能距離よりも遠い場合に、障害物が投棄される位置のブロック領域のポテンシャルに投棄される障害物の量に応じたポテンシャルを加算するようにしても良い。
【００１１】
さらに、障害物除去装置の自位置を認識するために、ＧＰＳと電子コンパスとロータリエンコーダを組み合わせる自位置認識部を具備し、障害物除去装置は、認識される自位置を用いて移動経路決定部により決定される移動経路に沿って障害物を除去しながら移動するようにしても良い。
【００１２】
またさらに、障害物除去装置の周辺環境を認識するために、環境認識用センサを具備し、障害物除去装置は、認識される周辺環境情報を用いて移動経路決定部により決定される移動経路を修正するようにしても良い。
【００１３】
なお、障害物は、雪、瓦礫、土砂の何れかであれば良い。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の障害物除去装置には、最適な投棄方向や除去ルートにより障害物を除去可能となるため、障害物除去エリア内を最適な移動経路に沿って自走して、障害物の除去を自動的に完了可能であるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。なお、以下の図示例では障害物除去装置として、基本的には除雪機を中心に説明する。しかしながら、本発明はこれに限定されず、瓦礫や土砂等、除去するときに投棄しながら走行する装置であれば適用可能なものである。
【００１６】
さて、図１を用いて本発明の除雪機について説明する。図１は、本発明の除雪機を説明するための概略図であり、図１（ａ）がその側面図、図１（ｂ）がその上面図である。図示の通り、本発明の除雪機１０は、障害物である雪を取得するための取得部である除雪部（オーガ）１１と、除雪部１１で掻き込んだ雪を投雪するための投雪部（シュータ）１２とを主に具備するものである。除雪部１１は、所定の除雪可能幅ｗを有している。また、移動可能とするために、クローラ１３を具備している。
【００１７】
ここで、本発明の除雪機１０の投雪部１２は、以下に説明するような特徴を有するものである。すなわち、投雪部１２は、除雪を行う除雪エリアの周辺の投雪エリアに最も近い方向に向けて投雪するように制御されるものである。投雪部１２は、その投雪距離には限界があり、一定以上遠くには投雪できないものである。したがって、駐車場等の広範囲なエリアを除雪しようと思った場合、駐車場周辺の投雪エリアまで除雪した雪を投雪しようとしても届かない場合がある。また、所定の一箇所に雪を集めたい場合もある。この場合、届かなかった雪を再度除雪して投雪することを繰り返すことで、最終的に投雪したい領域まで雪を投雪していくことになる。一旦投雪した雪を再度投雪することが起こった場合、本発明の除雪機１０によれば、投雪部１２が常に投雪エリアに最も近い方向に向けて投雪するようにコントロールされるものであるため、投雪エリアに最短で到達することが可能となる。したがって、効率良く除雪が可能となる。
【００１８】
次に、本発明の除雪機の移動経路の決定手法について説明する。図２は、本発明の除雪機の除雪経路の決定手法を説明するための図であり、例えは駐車場等の除雪エリアの上面図である。図示の通り、以下では除雪エリアの周辺に投雪エリアがある場合を中心に説明する。しかしながら、本発明はこれに限定されず、投雪エリアはどこに存在していても構わず、また、除雪エリアも必ずしも図示例のような方形状である必要もない。
【００１９】
本発明の除雪機は、除雪エリアを分析・定義する除雪エリア定義部と、それに基づき除雪機の移動経路を決定する移動経路決定部を有している。これらは、パーソナルコンピュータやマイクロコンピュータ等の電子計算機を用いて除雪エリアを定義して移動経路を演算により決定するものである。以下、これらについてより具体的に説明する。
【００２０】
図２に示されるように、例えば除雪エリアが２ｍ×６ｍの領域であり、その周りを０．５ｍの幅の投雪エリアが覆っているものとする。また、除雪機の除雪可能幅は０．５ｍとする。本発明の除雪機では、まず、除雪エリア定義部に上記の除雪エリアと除雪可能幅の情報が与えられると、除雪エリアに対して、除雪機の除雪可能幅に応じたメッシュがｘ，ｙそれぞれの方向に生成される。図示例の場合、除雪エリアはメッシュで区切られ、６×４の２４個のブロック領域が定義される。なお、ｘ，ｙの原点は左下端とした。次に、各ブロック領域に残存する雪の量に応じたポテンシャルをそれぞれ定義する。例えば、各ブロック領域に積もっている雪の量を０ｃｍ，１０ｃｍ，２０ｃｍの３段階とし、それぞれのポテンシャルを０，１，２で表し、その関数をｆ（ｘ，ｙ）と定義する。なお、ポテンシャルは上述のように３段階とする必要は必ずしもなく、実際の積雪量をダイレクトにポテンシャルとして与えても良い。また、除雪機が一度に除雪可能なポテンシャルは２（積雪量２０ｃｍ）とし、除雪機が通った経路は最大で２０ｃｍだけ除雪されるものとする。なお、各ブロック領域の積雪量については、周辺環境を認識可能なレーザレンジファインダ等のセンサを用いて自動的に取得しても良いし、手動で入力しても良い。また、投雪エリアはｇ（ｘ，ｙ）として定義付ける。
【００２１】
移動経路決定部は、このように除雪エリア定義部により定義されたブロック領域とポテンシャルとを用いて、除雪エリア内における除雪機の移動経路を以下の（１）−（５）のように決定する。すなわち、
（１）経路のスタート位置にあるブロック領域の、除雪エリアに対して内側の頂点ｖを中心として、メッシュに沿って右上、左上、右下、左下の４つの区画ａ，ｂ，ｃ，ｄに除雪エリアを区切り、
（２）各区画ａ，ｂ，ｃ，ｄについて、頂点ｖからｙ軸方向にブロック領域のポテンシャルを順に積算し、区画のｙ軸端のブロック領域まで到達したら積算ポテンシャルを保持したまま頂点ｖからｘ軸方向に１ブロック領域分移動して、さらに頂点ｖからｙ軸方向にブロック領域のポテンシャルを順に積算し、これを区画のｘ軸端まで繰り返して区画内のすべてのブロック領域の積算ポテンシャルをそれぞれ算出し、
（３）積算ポテンシャルが最も大きいブロック領域が含まれる区画を目標区画とし、目標区画内で積算ポテンシャルが最も大きく且つポテンシャルが０ではないブロック領域を次の目標位置として指定し、
（４）経路が通るブロック領域のポテンシャルから除雪可能量に応じたポテンシャルを減算しながら、目標位置に向かってｙ軸方向に経路を決定し、経路のｙ座標と目標位置のｙ座標の差が０となったら、目標位置に向かってｘ軸方向に経路を決定し、経路のｘ座標と目標位置のｘ座標の差が０となったら、この位置をスタート位置として前記（１）に戻り、
（５）すべてのブロック領域のポテンシャルが０となるまでこれを繰り返す、
ように移動経路を決定する。
【００２２】
図３を用いて移動経路決定部による移動経路を決定する順序をより具体的に説明する。例えば図３（ａ）に示されるようにブロック領域が定義され除雪機１０がＳの位置に配置されているとする。図３（ａ）に示されるように、決定手順（１）により、除雪エリアに対して内側の頂点ｖ１を中心に、４つの区画ａ，ｂ，ｃ，ｄが区切られる。そして、決定手順（２）により、積算ポテンシャルが算出される。具体的には、図３（ｂ）に示されるように、各区画において、頂点ｖ１からｙ軸方向に、番号付けされた順番にブロック領域のポテンシャルを積算していく。すなわち、スタート位置Ｓからｙ軸方向に順番にポテンシャルを積算し、ｙ軸端まで到達したら１ブロック領域分隣に移動して再度ｙ軸方向に順番に積算していき、区画内のすべてのブロック領域の積算ポテンシャルを算出する。例えば図３（ｃ）に示されるように、斜線部分のブロック領域のポテンシャルが「２」でありそれ以外のポテンシャルが「０」であるとすると、各ブロック領域の積算ポテンシャルは図示したようになる。これにより、各区画ａ，ｂ，ｃ，ｄの積算ポテンシャルは、それぞれ６，１８，０，４となり、決定手順（３）により、区画ｂが積算ポテンシャルが最も大きいブロック領域が含まれる区画であるため目標区画として指定される。そして、区画ｂの中で積算ポテンシャルが最も大きく、且つポテンシャルが０ではないブロック領域、すなわち、ブロック領域Ｇ１を次の目標位置として指定する。次に、図３（ｄ）に示されるように、決定手順（４）により、目標位置Ｇ１に向かってｙ軸方向に経路を決定し、目標位置のｙ座標との差が０となったら、ｘ軸方向に経路を決定して目標位置Ｇ１まで経路を引く。ここで、経路が通るブロック領域の雪については、除雪機により除雪されていると考えるため、ブロック領域のポテンシャルから除雪可能量に応じたポテンシャルを減算する。例えば除雪可能量に応じたポテンシャルが「２」だとすれば、除雪経路を通るブロック領域のポテンシャルは０となる。
【００２３】
次に、Ｇ１をスタート位置として、再度決定手順（１）−（４）を繰り返し、ｖ２を中心に４つの区画を再度区切り、各区画の積算ポテンシャルを算出し、図３（ｅ）に示されるように次の目標位置Ｇ２を指定する。そして図３（ｆ）に示されるようにｙ軸方向、ｘ軸方向の順に経路を決定し、、図３（ｇ）に示されるように次の目標位置Ｇ３を指定し、ｙ軸方向、ｘ軸方向の順に経路を決定し、最終的に図３（ｈ）に示されるように次の目標位置Ｇ４を指定し、ｙ軸方向、ｘ軸方向の順に経路を決定し、すべてのブロック領域のポテンシャルが０となる。これにより除雪エリアの除雪が完了したことになる。なお、各区画の積算ポテンシャルが等しくなった場合には、より遠いほうの区画を目標区画に指定すれば良い。
【００２４】
このように除雪経路を決定すれば、自動的に最適な経路で除雪を行うことが可能となる。ここで、投雪部１２の投雪エリアに最も近い方向に向けて投雪するような制御については、投雪距離ｓ＝ｆ（ｘ，ｙ）−ｇ（ｘ，ｙ）を計算し、最も投雪距離ｓが小さくなる除雪エリアｇ（ｘ，ｙ）に投雪するように制御すれば良い。また、決定手順（４）において、経路から投雪エリアまでの距離が投雪可能距離よりも遠い場合、投雪エリアに届かなかった雪が投雪されるブロック領域のポテンシャルに、投雪された雪の量に応じたポテンシャルを加算することで、次の移動経路を決定するときにこの届かなかった雪を考慮した経路決定を行うことが可能となる。すなわち、逐次変化する環境に対して経路を決定することが可能となる。
【００２５】
なお、図３では、除雪機の初期位置を除雪エリアの左下端としたが、本発明はこれに限定されず、如何なる位置を初期位置と指定しても良い。
【００２６】
本発明の除雪機は、上述のように除雪エリア内の移動経路を決定した後に、その移動経路に沿って除雪しながら移動する。なお、逐次移動経路を決定しながらそれに沿って移動していっても勿論構わない。ここで、除雪機の自位置を認識可能とするために、本発明の除雪機は、自位置認識部を有している。自位置認識部は、クローラに設けられるロータリエンコーダや、本体に設けられるＧＰＳや電子コンパスを組み合わせて自位置を認識するものである。ＧＰＳのみによる自位置測定精度はそれほど高くないため、電子コンパスによる方位計測も同時に行うと共に、除雪機の左右のクローラに設けられるロータリエンコーダを用いて進行距離を累積してスタート地点からの相対位置を測定し、これらを拡張カルマンフィルタにより統合することで、除雪機の自位置を正確に推定することが可能となる。雪や瓦礫、土砂等の障害物上の走行ではクローラ等の車輪がスリップしてしまい、ロータリエンコーダだけでは十分な測定精度が得られないが、本発明による除雪機では、複数の位置認識センサを組み合わせて用いることで、自位置を正確に測定することが可能である。なお、地上のランドマークや電波・光等の発信機からなるマーカをカメラや受信機等で認識し、その相対位置から自位置を決定するものであっても良い。
【００２７】
さらに、本発明の除雪機に、レーザレンジファインダ等の被接触の環境認識用センサを組み合わせることで、歩行者や駐車車両等が除雪エリア内に存在していた場合に、環境認識用センサにより認識された周辺環境情報を用いて、移動経路を修正することも可能である。すなわち、移動経路決定部により決定された経路上に歩行者や駐車車両が存在していた場合、これを避けるように移動経路を修正し、修正された移動経路を元に次の移動経路を決定するように制御することも可能である。なお、非接触の環境認識用センサとしては、レーザレンジファインダ以外にも、音波センサや超音波センサ、赤外線センサ等を用いても良い。
【００２８】
さて、上述のような本発明の障害物除去装置として、実際に作成した除雪機の一例を以下に説明する。本発明の障害物除去装置のベースとなる除雪機には、市販のエンジン・モータハイブリッド型除雪機であるＨＯＮＤＡ  ＨＳＳ９７０ｉを用いた。また、移動経路を決定し自動操縦できるように除雪機に搭載したマイクロコンピュータには、ルネサステクノロジ社製のＳＨ２／７０４５Ｆを用いた。パーソナルコンピュータからＲＳ２３２Ｃ等のインタフェースを介してマイクロコンピュータに指令を与え、クローラ速度指令や回転指令、投雪部の投雪方向指令、オーガ回転指令等が可能となっている。また、必要により無線ＬＡＮモジュール等を追加しても良い。なお、実際に用いた除雪機の仕様により、除雪機は真地旋回のみが可能であり、移動しながら旋回することはできない。しかしながら、本発明はこれに限定されない。また、除雪機の９０度旋回時においては、積雪の影響により一度に９０度旋回することが困難な場合がある。この場合には、少しずつ前後進を繰り返しながら旋回するスイッチバック方式により９０度旋回すれば良い。なお、ＨＯＮＤＡ  ＨＳＳ９７０ｉの除雪幅は７１ｃｍであるが、メッシュを切るための除雪可能幅は余裕をみて５０ｃｍとした。このようにして作成した本発明の障害物除去装置を用いて実際に駐車場スペースの除雪を行ったところ、良好に除雪が行えた。
【００２９】
なお、本発明の障害物除去装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上述の図示例では雪を除雪して投雪するための除雪機について主に説明したが、本発明はこれに限定されず、瓦礫や土砂等、除去される物体を装置内に蓄積することができず外部に投棄する装置であれば、除雪機以外の瓦礫や土砂等の障害物除去装置に適用することが可能である。また、本発明の障害物除去装置は、自動操縦により全自動で障害物除去エリアの障害物の除去を行うことが可能であるが、これは自動である必要は必ずしもなく、適宜カメラ等を設けてリモートコントロール可能な構成とすることも勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の除雪機を説明するための概略図であり、図１（ａ）がその側面図、図１（ｂ）がその上面図である。
【図２】図２は、本発明の除雪機の除雪経路の決定手法を説明するための図である。
【図３】図３は、本発明の除雪機の移動経路決定部による移動経路を決定する順序をより具体的に説明するための図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０    除雪機
１１    除雪部
１２    投雪部
１３    クローラ
【図１】
2008223364.tif 000003
【図２】
2008223364.tif 000004
【図３】
2008223364.tif 000005