(57)【要約】【課題】  自律移動体には、視野からはずれる物体に適切に対応し、この物体との衝突を避ける経路設定を行うことが求められている。【解決手段】  経路設定装置は、対象となる視野から物体を検出し、その位置を計測する機能を有するセンサ装置および自律移動体の動きを制御する電子制御ユニットとを備え、この電子制御ユニットは、前記センサ装置から得られる複数の計測サイクルにわたる前記物体の位置の変化に基づいて、該物体の速度および移動方向を求める機能と、前記物体の位置、速度および移動方向に基づいて、該物体との接触を回避して前記自律移動体の経路を設定する機能と、前回の計測サイクルで認識された物体が今回の計測サイクルで認識されないとき、該物体の速度を所定値以下の値に設定して前記自律移動体の経路を設定する機能と、を実現するようプログラムされている。   【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自律移動体に設けられた経路設定装置であって、
対象となる視野から物体を検出し、その位置を計測する機能を有するセンサ装置および前記自律移動体の動きを制御する電子制御ユニットを備え、該電子制御ユニットは、
前記センサ装置から得られる複数の計測サイクルにわたる前記物体の位置の変化に基づいて、該物体の速度および移動方向を求める機能と、
前記物体の位置、速度および移動方向に基づいて、該物体との接触を回避して前記自律移動体の経路を設定する機能と、
前回の計測サイクルで認識された物体が今回の計測サイクルで認識されないとき、該物体の速度を所定値以下の値に設定してメモリに記憶する機能と、
前記メモリに記憶された前記物体を考慮して、前記自律移動体の経路を設定する機能と、
を実現するようプログラムされている、経路設定装置。
【請求項２】
前記物体の速度についての前記所定値以下の値はゼロである、請求項１に記載の経路設定装置。
【請求項３】
前記前回の計測サイクルで認識され、今回の計測サイクルで認識されない物体に関する記憶は、前記自律移動体が該物体付近に到達するのに要する予測時間が経過するとき、消去するようにした、請求項１に記載の経路設定装置。
【請求項４】
前記メモリに記憶された、前回の計測サイクルで認識され、今回の計測サイクルで認識されない物体に関する情報は、該物体の近傍に物体が計測されたときは、消去するよう構成した、請求項１に記載の経路設定装置。
【請求項５】
前記メモリに記憶された物体に関する情報は、記憶されている該物体の位置が前記視野から外れた後、再び視野に含まれるとき、該位置に物体が検出されないとき、消去するよう構成した、請求項１に記載の経路設定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自律移動体に備えられる経路設定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、レーダーを用いて障害物との距離および相対速度情報を検出して危険判断を行う自動車の衝突防止装置において、障害物からの反射信号が低下して障害物を検出できなくなったとき、それまでに得られた情報を用いて障害物との距離および相対速度を推定し、この推定に基づいて危険判断を行うことが記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、車両周辺の物体までの距離分布から立体物を識別し、車両との相対位置を求め、この相対位置が、車両を中心とするあらかじめ定めた領域の外に出たら、この物体を消去し、新たに検出された物体を記憶して、車両との接触可能性を判断する物体認識装置が記載されている。検出された物体の位置を車両の移動に応じて更新するので、同じ物体が複数回検出されると、複数個の物体として演算され、車両の動きを制限することになる。
【０００４】
オフィス、家庭などで自律して移動するロボットは、人と衝突することなく移動することが求められる。人は、移動速度は遅いが速度にむらがあり、急に立ち止まったり、急に方向を変えたりする性質をもっている。このような環境においてロボットは、人との衝突を回避して移動経路を設定する必要がある。
【０００５】
自律移動体は、限られた視野内の画像をデータ処理して環境に存在する物体、特に人を検出し、人との衝突を避けて移動するよう経路を修正しながら移動する。この場合、自律移動体から見えていた物体が見えなくなる物体の取り扱いが問題となる。具体的には、自律移動体の移動に伴い視野が揺れるので、視野境界にある物体は見えたり見えなかったりする。自律移動体が進行方向を変えると視野が変わり、それまで視野内にいた人が視野からはずれることがある。また、物体を検知するセンサの計測誤差、センサ出力の演算処理の誤差などにより、瞬間的に物体を検出することができなくなることもある。視野からはずれた人をデータから削除して経路演算を行うと、自律移動体が再度方向を変更したとき、このデータから削除された人が急に近距離で視野内に入ってくるような状況があり、自律移動体のスムーズな移動を妨げることになる。かといって、視野外のデータを保存し続けるには、大きなメモリ容量を必要とする。人の動きにはむらがあるので、視野外の人の動きの推定は信頼性が低く、見えたり見えなかったりする人のデータ上の取り扱いが重要となる。  
【特許文献１】特開昭53-16230
【特許文献２】特許第3866328号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような環境において、自律移動体には、見えていた状態から見えない状態になった物体に適切に対応し、この物体との衝突を避ける経路設定を行うことが求められている。また、計測誤差により、または物体の移動に伴い、同じ物体が複数個の物体として認識されて移動体の運動を過度に制限する現象を軽減することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、この発明の経路設定装置は、対象となる視野から物体を検出し、その位置を計測する機能を有するセンサ装置および自律移動体の動きを制御する電子制御ユニットとを備え、この電子制御ユニットは、前記センサ装置から得られる複数の計測サイクルにわたる前記物体の位置の変化に基づいて、該物体の速度および移動方向を求める機能と、前記物体の位置、速度および移動方向に基づいて、該物体との接触を回避して前記自律移動体の経路を設定する機能と、前回の計測サイクルで認識された物体が今回の計測サイクルで認識されないとき、該物体の速度を所定値以下の値に設定してメモリに記憶し、該メモリの内容を考慮して自律移動体の経路を設定する機能と、を実現するようプログラムされている。
【０００８】
この発明によると、見えていた物体が見えなくなったときは、その物体の速度を所定値以下の値に設定してその物体の位置情報をメモリに記憶し、このメモリの内容を考慮して自律移動体の経路を設定するので、再度この物体が視野に入ってくることがあっても、この物体のおよその位置を考慮して経路設定がなされているので、接触を避けることができる。
【０００９】
この発明の一形態では、見えていた物体が見えなくなったときは、その物体の速度をゼロに設定して経路設定を行う。すなわち、見えていた人が見えなくなったときは、その人はその位置に静止しているものとして経路設定を行う。人の動きにはむらがあり、急に立ち止まったり、急に方向転換したりということがある。このような人の動きを予測しても信頼性が低い。この発明の一形態では、視野からはずれた人は、元の位置を中心とする所定の範囲内にいるものとして自律移動体の経路設定を行うので、この人に位置に関して大きな誤りが生じることを防止することができ、経路設定の信頼性を向上させることができる。また、物体がそのまま移動する場合より、物体が止まった場合の方が、再度視野内に現れる可能性が高い。
【００１０】
さらに、この発明のもう一つの形態では、前回の計測サイクルで認識され、今回の計測サイクルで認識されない物体に関する情報は、前記自律移動体が該物体付近に到達するのに要する予測時間が経過するとき、消去する。こうすることにより、メモリの容量を有効に利用することができる。
【００１１】
この発明の一実施形態では、メモリに記憶された、前回の計測サイクルで認識され、今回の計測サイクルで認識されない物体に関する情報は、該物体の近傍に物体が計測されたとき、消去される。
【００１２】
このように物体に関する情報を整理することにより、自律移動体の経路設定に課される制約を低減し、移動の自由度を高めることができる。
【００１３】
さらにもう一つの実施形態では、メモリに記憶された物体に関する情報は、記憶されている該物体の位置が前記視野から外れた後、再び視野に含まれるようになったとき、その位置に物体が検出されないときは消去する。これにより、同様に自律移動体の移動の自由度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に図面を参照しながら、この発明の実施の形態を説明する。この実施形態では自律移動体として２足歩行のロボットを用いる。このようなロボットは、電子制御ユニット(ECU)が組み込まれており、このECUにより行動が制御される。ECUは、基本的にはコンピュータであり、プロセッサ（CPU）、CPUの作業領域を提供するランダムアクセス・メモリ（RAM）、コンピュータ・プログラムおよびデータを格納する読み取り専用メモリ(ROM)、ロボットの諸々の箇所に設けられたセンサからの信号を受け取り処理する入力インターフェス、ならびにロボットの諸々の箇所のアクチュエータに駆動信号を送る出力インターフェスを備えている。この発明は、このような既存の電子制御ユニットに新たな機能を追加する。
【００１５】
図１は、この発明によって、追加された機能を有するECU10の機能ブロック図である。ロボットに組み込まれた内界センサ１および外界センサからの信号は、入力インターフェス11でサンプリングおよびAD（アナログ/ディジタル）変換処理を受け、それぞれ自己位置認識部13および物体認識部15に送られる。
【００１６】
内界センサ1は、エンコーダ、ジャイロ、加速度センサなどで構成することができる。ロボットの分野では、これらで得られる信号から基準時間内の移動変化量を推定し、それを時間積分することにより初期位置からの総移動量を計算することが行われている。この手法は、デッドレコニング(Dead Reckoning)法と呼ばれている。自己位置認識部13は、内界センサ1からの信号に基づいてデッドレコニング法により絶対座標系における自己位置および自己の移動速度を推定する。自己位置認識部は、外界センサ3からの信号に基づいて外部環境内の特徴点（ランドマーク）を観測し、ロボットの保持している（ROMまたはRAMに記憶されている）環境地図と照合して自己位置を同定することもできる。
【００１７】
外界センサ3は、CCDカメラ、超音波センサ、レーザレンジファインダなどで構成することができる。この実施例では、外界センサ3は、ステレオカメラであり、物体認識部15は、ステレオカメラからの画像データを処理して、画像から物体を検出し切り出す。検出した物体は、矩形、楕円などの図形で近似してデータ処理を行う。この実施例では、ステレオカメラの視界は、幅90度、奥行き9メートルの扇形とした。ステレオカメラから得られる画像データから視界内のそれぞれの画素までの距離を計算、この距離に基づいて背景画像から物体を切り出す手法はこの分野でよく知られている。また、時間差を有する２以上の画像からオプティカルフローを求め、オプティカルフローに基づいて移動する物体を背景画像から切り出す技術もこの分野でよく知られている。物体認識部15は、これらの技術を用いてカメラの視界から物体を切り出す。
【００１８】
移動推定部17は、物体認識部15から得られる検出された物体の位置情報および自己位置認識部13から得られる自己の位置情報を用いて、絶対座標系における自己の位置および検出された物体の位置を求める。このとき、前回の計測時(t-1)に得られた検出物体の位置と今回の計測時(t0) で得られる位置とを比較し、その差が所定の範囲内であるとき、計測時(t-1)に検出した物体と今回の計測時(t0)検出した物体は同一であると判定する。
【００１９】
オフィス内に二足歩行ロボットを配置する場合、環境の中で移動する物体は人間または他のロボットである。オフィス内で人がとりうる速度vは一般に、静止状態の0km/hから8km/hである。計測間隔Δt= t0 - t-1の時間に人が移動する範囲は、時間t-1におけるその人の位置から半径vΔtの範囲である。一実施例では、人の移動速度をvkm/h（たとえば、オフィスにおける人の平均的な移動速度である4km/h）とし、時間t0において検出される人の位置が時間t-1におけるその人の位置から半径vΔtの範囲内であるとき、同一人物を検出していると判定する。
【００２０】
この判定の演算においては、統計的に位置の計測誤差を求め、この計測誤差を加えて上記の範囲を定めることができる。一実施例では、計算誤差を16cmとする。
【００２１】
移動推定部17は、ロボットAの視野内の人に関し、前回の計測時(t-1)におけるこの位置と、今回の計測時(t0)における位置とから、この人の移動速度および移動方向を求める。静止している人については、その移動速度をゼロにセットする。
【００２２】
環境記述部19は、移動推定部17で認識された検出物体に関する情報、すなわち、位置、形状、速度および移動方向、ならびに自己位置認識部13で得られた自己の位置情報、プログラムにより指示された移動速度および予め定められている自己の形状に基づいて、干渉判定領域および予測掃引領域を生成する。
【００２３】
図２を参照すると、ロボットAの現在位置を座標の原点とし、その形状を半径ｒの円で近似し、検出物体Bを矩形で近似して検出された位置を座標上に示す。人Bの干渉判定領域Cは、ロボットAを現す半径ｒの円と検出物体Bを現す矩形とのミンコフスキー和によって求められる。ミンコフスキー和は、既知の論理であり、次の式で現される。
【数１】
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【００２４】
予測掃引領域Mは、干渉判定領域Cを検出物体であるロボットまたは人Bの移動方向に拡大（掃引）した領域である。図３を参照すると、予測掃引領域Mは、人Bが検出された移動方向に所定の時間内に移動する領域であり、干渉判定領域Cを人Bの移動方向に掃引して得られる。ここでの所定の時間は、ロボットAが人Bの位置に到達するまでの時間（予測到達時間）であり、予測掃引領域Mは、この時間の間に人Bが移動すると予測される領域である。予測到達時間Tは、次の式で求められる。
T＝（ロボットAから人Bまでの距離）/（AとBの相対速度）    (2)
【００２５】
また、予測掃引領域は、干渉判定領域を人Bの移動方向に（人Bの速度  ×  T）だけ拡大して求められる。
【００２６】
図４は、人Bに関する検出データが敏感すぎるときの予測掃引領域の振動を現している。
【００２７】
移動計画部21は、ロボットAが目的点まで移動する経路を生成する。図５を参照すると、ロボットAが既に設定済みの経路に沿って移動しているとき、計測時(t-1)に生成された干渉判定領域C1からC4と設定済みの経路とが干渉するかどうかを判定する。図５の例では、丸印で示すように干渉判定領域C3と経路とが干渉している。このような場合、移動計画部21は、図６に示すように人Bの予測掃引領域M1からM4と干渉しない経路を生成する。計測時(t-1)において経路が未設定のときは、初期設定されている目的地に向かう経路を同様の手法により生成する。
【００２８】
図７は、図１の物体認識部15および移動推定部17の詳細な機能ブロック図である。物体切り出し部31は、外界センサ3から得られる画像データから人またはロボットである物体を切り出し、位置計測部33は、切り出された物体の位置を計測する。計測された位置データは、物体データメモリ30に記憶される。同一判定部34は、今回の計測(t0)で検出された物体が前回(t-1)検出された物体の位置から半径vΔtの範囲内（vは物体の移動速度、Δtは計測間隔： t0 - t-1）にあるときは、今回検出した物体は前回検出した物体と同一であると判定し、その物体に関連づけて位置データを記憶する。
【００２９】
物体消滅判断部36は、同一判定部34において、前回認識された物体が、今回(t0)認識されないとき、物体がロボットから見えなくなったことを示す信号を位置データ保留部37に送る。物体がロボットから見えなくなるのは、物体がロボットの視野境界にあってロボットから見えたり見えなかったりしているとき、またはセンサの計測誤差、センサ出力の演算誤差など物体を検出できないとき、経路の曲線に伴ってロボットの視野が変化するとき、などである。位置データ保留部37はこの物体の位置を示すデータを物体データメモリ30に記憶したままの状態にする、すなわち位置データを保留させる。速度設定部38は、この物体の速度を人の平均速度より十分小さい値、たとえばゼロに設定して物体データメモリ30に記録させる。こうすることによって、物体は、ロボットAの視界からはずれるなどの原因で検出されなかったが、前回の位置に静止しているものとして扱われる。
【００３０】
物体消滅判断部36は、２回または数回の計測で物体が認識されないとき、物体がロボットの視野からはずれたと判断するようにしてもよい。物体消滅判断部36は、前回の計測以前に複数回にわたって同一と検出された物体に対してのみ、判断を行ってもよい。
【００３１】
平滑化部39は、同一物体の所定数の計測サイクルにわたる位置データからその物体の移動速度および移動方向を算出する。速度・方向算出部35が計測（サンプリング）ごとの物体の速度および方向を算出する。平滑化部39は、所定数の計測サイクルにわたって計測ごとに速方向算出部35で算出された複数の速度値の移動平均として物体の平滑化された速度を算出する。
【００３２】
移動方向は、速度と同様に所定数の計測サイクルにわたる同一物体の位置の変化から算出される。移動方向は、ロボットAのメモリ上に存在する環境マップ上の２次元座標上の方向として算出し、検出された物体に関連づけて物体データメモリ30に記憶される。
【００３３】
こうして平滑化された速度および方向のデータが図１を参照して説明した環境記述部19に送られ、その物体の干渉判定領域および予測掃引領域の算出に用いられる。
【００３４】
物体消滅判断部36は、次の３つの場合、物体がいなくなったと判断し、これに応じて位置データ消去部41が、この物体に関するデータを物体データメモリ30から消去する。
【００３５】
第１に、前回の計測サイクルで認識され、今回の計測サイクルで認識されない物体について、ロボットAがこの物体付近に到達するのに要する予測時間が経過しているとき、この物体が検出されないときは、この物体は他の方向に移動したものとしてそのデータを物体データメモリ30から消去する。
【００３６】
第２に、その物体がロボットの視野の境界付近に位置するとき、ロボットの揺れなどにより、物体が見えたり見えなかったりする。このとき、同一判定部における同一判定の信頼性は低く、同一の物体が異なる物体として認識され、比較的近接した複数の物体が物体データメモリ30に記録され、ロボットの移動経路を不当に制限することがある。この現象を解消するため、視野境界付近では、新たに検出された物体から所定の半径、たとえば一般的な人間の大きさである70ｃｍ、以内に既に記録されている物体は、今回検出された物体と同一であると推定して、過去のデータを物体データメモリ30から消去する。
【００３７】
第３に、物体が存在するとして物体データメモリ30に記録されている位置が、ロボットの視野からはずれた後、再びロボットの視野内に入ったときであって、この物体がその位置または、その予測掃引領域M内に検出されないときは、この物体は他の方向に移動したものとして、物体データメモリ30から消去する。
【００３８】
図８は、ロボットAの視野を点線の扇形で示す。この例ではロボットAのステレオカメラの視野は、広がり（幅）が９０度で奥行きが9ｍである。ロボットAの視野内にいる物体（人B1）は、予測掃引領域で示されている。移動計画部21は、ロボットAの進行方向にいる人B1を避ける経路を設定し、駆動制御部22が設定された経路にそってロボットAを移動させる。
【００３９】
図９は、このような制御にしたがって、ロボットAが人B1を避けるため向きを変えた状態を示す。このとき、人B1はロボットAの視野からはずれる。物体消滅判断部36は、人B1が同一と判定される物体が認識されないため、人B1がロボットAの視野からはずれたことを検出する。位置データ保留部37は、これに応じて人B1の位置データを物体データメモリ30に保持させる。速度設定部38は、これに応じて人B1の速度をゼロに設定して物体データメモリ30に記録する。
【００４０】
図１０は、ロボットAが人B1を回避した後、目標点に向かって再度向きを変えた様子を示す。この時、進行方向の視野内に人B2が認識される。人B1は、ロボットAの視野外にいるが、物体データメモリ30上では、速度ゼロ、すなわち視野内で最後に検出された位置に静止しているものとして記憶されている。
【００４１】
図１１を参照すると、移動計画部21は、物体データメモリ30を参照して人B1の存在を計算に入れ、かつロボットAに向かって進行してくる人B2を計算に入れて、ロボットAの移動経路を設定する。こうして、ロボットAを、視野外にいる人B1に衝突することなく、また人B2の進行を妨げることなく、目標点に向かって移動させることができる。
【００４２】
以上にこの発明を具体的な実施例について説明したが、この発明はこのような実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】この発明の物体認識装置の全体的な構成を示す機能ブロック図。
【図２】ミンコフスキー和の一例を示す図。
【図３】干渉判定領域Cを掃引して予測掃引領域Mを生成する態様を示す図。
【図４】予測掃引領域Mを生成する感度が高く、領域Mが振動する様子を示す図。
【図５】干渉判定領域C1―C4とロボットAの経路との関係の一例を示す図。
【図６】予測掃引領域M1―M4とロボットAの経路との関係の一例を示す図。
【図７】図１の物体認識部15および移動推定部17の詳細な機能ブロック図である。
【図８】ロボットAの視野内に人B1がいる状態を示す図。
【図９】ロボットAが人B1を回避する行動をとり、人B1がロボットAの視野からはずれた状態を示す図。
【図１０】ロボットAが再び目標方向に向きを変えた状態を示す図。
【図１１】ロボットAが視野外の人B1および視野内の人B2を避けて移動する状態を示す図。
【符号の説明】
【００４４】
１      内界センサ
３      外界センサ
10      電子制御ユニット（ECU）
13      自己位置認識部
15      物体認識部
17      移動推定部
19      環境記述部
21      移動計画部
22      駆動制御部
【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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【図１０】
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【図１１】
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