(57)【要約】【課題】好適な形状パターン並びに色パターンからなる平面的なランドマークを設置された姿勢に応じて位置を正確に推定する。【解決手段】ロボットからランドマークまでの相対距離は一般的な測距技術によりある程度測定することができるが、より正確に距離を測定するためには、ランドマークが設置され姿勢に応じて計算方法が相違する。本発明によれば、撮影画像中のランドマークが水平又は垂直いずれの姿勢で設置されているかを推定し、この推定結果に基づいて、適切なランドマークの位置推定アルゴリズムを選択することができる。【選択図】  図７
2004301796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランドマークを設置された姿勢に応じて位置を推定するロボットであって、
ランドマークを撮影する撮影手段と、
ランドマークが水平に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さ成分に基づいてランドマークの位置を算出する第１の位置算出手段と、
ランドマークが垂直に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さ成分に基づいてランドマークの位置を算出する第２の位置算出手段と、
撮影画像中のランドマークの幅成分に基づいてランドマークの位置を算出する第３の位置算出手段と、
ランドマークが水平又は垂直いずれの姿勢で設置されているかを推定する姿勢推定手段と、
該推定されたランドマークの姿勢に応じて前記第１乃至第３の位置算出手段による算出結果のいずれかを選択する選択出力手段と、
を具備することを特徴とするロボット。
【請求項２】
ランドマークを設置された姿勢に応じて位置を推定するランドマークの位置推定システムであって、
ランドマークの撮影画像を保持する画像保持手段と、
ランドマークが水平に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さ成分に基づいてランドマークの位置を算出する第１の位置算出手段と、
ランドマークが垂直に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さ成分に基づいてランドマークの位置を算出する第２の位置算出手段と、
撮影画像中のランドマークの幅成分に基づいてランドマークの位置を算出する第３の位置算出手段と、
ランドマークが水平又は垂直いずれの姿勢で設置されているかを推定する姿勢推定手段と、
該推定されたランドマークの姿勢に応じて前記第１乃至第３の位置算出手段による算出結果のいずれかを選択する選択出力手段と、
を具備することを特徴とするランドマークの位置推定システム。
【請求項３】
ランドマークが水平に設置されているとの仮定で前記第１の位置算出手段により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈと、ランドマークが垂直に設置されているとの仮定で前記第２の位置算出手段により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖとを大小比較し、ｚｈ＞ｚｖとなる場合は撮像画像は近くを眺めている撮像手段により撮像されたと判断し、ｚｈ＜ｚｖとなる場合は撮像画像は遠くを眺めている撮像画像により撮像されたと判断する撮像位置特定手段をさらに備え、
前記選択出力手段は、撮像画像が近く又は遠くのいずれを眺めたものかに応じて前記第１乃至第３の位置算出手段による算出結果のいずれかを選択する、
ことを特徴とする請求項２に記載のランドマークの位置推定システム。
【請求項４】
前記姿勢推定手段は、撮影画像中のランドマークの幅により推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗと、ランドマークが垂直に設置されていると仮定して撮影画像中のランドマークの高さにより推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖとを大小比較し、ｚｗ＞ｚｖとなる場合にはランドマークが垂直に設置されていると推定し、
前記選択出力手段は、ランドマークが垂直に設置されていると推定されたことに応答して、前記第２の位置算出手段による位置算出結果を出力する、
ことを特徴とする請求項２に記載のランドマークの位置推定システム。
【請求項５】
前記姿勢推定手段はｚｗ≦ｚｖとなる場合は｜ｚｈ−ｚｗ｜と｜ｚｖ−ｚｗ｜とをさらに大小比較し、
｜ｚｖ−ｚｗ｜の方が小さい場合にはランドマークはカメラに対して回転していない垂直な姿勢で設置されていると推定し、これに応答して、前記選択出力手段は前記第２の位置算出手段の算出結果を出力し、
｜ｚｈ−ｚｗ｜の方が小さい場合にはランドマークは水平に設置されていると推定し、これに応答して、前記選択出力手段は前記第１の位置算出手段の算出結果を出力する、
ことを特徴とする請求項４に記載のランドマークの位置推定システム。
【請求項６】
前記ランドマークは半径ｄｉの内円と該内円とは略同心円状に配設された半径ｄｏの外円とで構成される平面形状であり（但し、ｄｉ＜ｄｏ）、
前記姿勢推定手段は、撮影画像中のランドマークの内円の高さｙｉｃと外円の高さｙｏｃを大小比較し、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が小さいときには（ｙｉｃ＞ｙｏｃ）ランドマークは垂直に設置されていると推定し、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が大きいときには（ｙｉｃ＜ｙｏｃ）ランドマークは垂直に設置されていると推定する、
ことを特徴とする請求項２に記載のランドマークの位置推定システム。
【請求項７】
前記姿勢推定手段は、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が小さいときには（ｙｉｃ＞ｙｏｃ）、ランドマークが垂直に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖと、撮影画像中のランドマークの幅を用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗとをさらに大小比較し、
前記選択出力手段は、ｚｖがｚｗよりも大きくない場合には前記第２の位置算出手段による算出結果を出力し、ｚｖがｚｗよりも大きい場合には前記第３の位置算出手段による算出結果を出力する、
ことを特徴とする請求項６に記載のランドマークの位置推定システム。
【請求項８】
前記姿勢推定手段は、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が大きいときには（ｙｉｃ＜ｙｏｃ）、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈと、撮影画像中のランドマークの幅を用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗとをさらに大小比較し、
前記選択出力手段は、ｚｈがｚｗよりも大きくない場合には前記第１の位置算出手段による算出結果を出力し、ｚｈがｚｗよりも大きい場合には前記第３の位置算出手段による算出結果を出力する、
ことを特徴とする請求項６に記載のランドマークの位置推定システム。
【請求項９】
前記ランドマークの前記内円と前記外円は互いにＵＶ色空間上で分離し易い異なる色に配色されている、
ことを特徴とする請求項６に記載のランドマークの位置推定システム。
【請求項１０】
前記内円と前記外円との間には識別性をさらに増すための幅ｗｉの内境界線及び／又は前記外円の外側に幅ｗｏの外境界線が設けられている、
ことを特徴とする請求項６に記載のランドマークの位置推定システム。
【請求項１１】
外円と内円の認識性能を向上させるために、前記内円と前記外円の半径の比を以下の範囲内に設定している、
３：４＜ｄｉ：ｄｏ＜１：３
ことを特徴とする請求項６に記載のランドマークの位置推定システム。
【請求項１２】
ランドマークを設置された姿勢に応じて位置を推定するランドマークの位置推定方法であって、
ランドマークの撮影画像を取得するステップと、
ランドマークが水平に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さ成分に基づいてランドマークの位置を算出する第１の位置算出ステップと、
ランドマークが垂直に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さ成分に基づいてランドマークの位置を算出する第２の位置算出ステップと、
撮影画像中のランドマークの幅成分に基づいてランドマークの位置を算出する第３の位置算出ステップと、
ランドマークが水平又は垂直いずれの姿勢で設置されているかを推定する姿勢推定ステップと、
該推定されたランドマークの姿勢に応じて前記第１乃至第３の位置算出ステップによる算出結果のいずれかを選択する選択出力ステップと、
を具備することを特徴とするランドマークの位置推定方法。
【請求項１３】
ランドマークが水平に設置されているとの仮定で前記第１の位置算出ステップにより撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈと、ランドマークが垂直に設置されているとの仮定で前記第２の位置算出ステップにより撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖとを大小比較し、ｚｈ＞ｚｖとなる場合は撮像画像は近くを眺めている撮像手段により撮像されたと判断し、ｚｈ＜ｚｖとなる場合は撮像画像は遠くを眺めている撮像画像により撮像されたと判断する撮像位置特定ステップをさらに備え、
前記選択出力ステップでは、撮像画像が近く又は遠くのいずれを眺めたものかに応じて前記第１乃至第３の位置算出ステップによる算出結果のいずれかを選択する、
ことを特徴とする請求項１２に記載のランドマークの位置推定方法。
【請求項１４】
前記姿勢推定ステップでは、撮影画像中のランドマークの幅により推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗと、ランドマークが垂直に設置されていると仮定して撮影画像中のランドマークの高さにより推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖとを大小比較し、ｚｗ＞ｚｖとなる場合にはランドマークが垂直に設置されていると推定し、
前記選択出力ステップでは、ランドマークが垂直に設置されていると推定されたことに応答して、前記第２の位置算出ステップによる位置算出結果を出力する、
ことを特徴とする請求項１２に記載のランドマークの位置推定方法。
【請求項１５】
前記姿勢推定ステップではｚｗ≦ｚｖとなる場合は｜ｚｈ−ｚｗ｜と｜ｚｖ−ｚｗ｜とをさらに大小比較し、
｜ｚｖ−ｚｗ｜の方が小さい場合にはランドマークはカメラに対して回転していない垂直な姿勢で設置されていると推定し、これに応答して、前記選択出力ステップでは前記第２の位置算出ステップの算出結果を出力し、
｜ｚｈ−ｚｗ｜の方が小さい場合にはランドマークは水平に設置されていると推定し、これに応答して、前記選択出力ステップでは前記第１の位置算出ステップの算出結果を出力する、
ことを特徴とする請求項１４に記載のランドマークの位置推定方法。
【請求項１６】
前記ランドマークは半径ｄｉの内円と該内円とは略同心円状に配設された半径ｄｏの外円とで構成される平面形状であり（但し、ｄｉ＜ｄｏ）、
前記姿勢推定ステップでは、撮影画像中のランドマークの内円の高さｙｉｃと外円の高さｙｏｃを大小比較し、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が小さいときには（ｙｉｃ＞ｙｏｃ）ランドマークは垂直に設置されていると推定し、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が大きいときには（ｙｉｃ＜ｙｏｃ）ランドマークは垂直に設置されていると推定する、
ことを特徴とする請求項１２に記載のランドマークの位置推定方法。
【請求項１７】
前記姿勢推定ステップでは、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が小さいときには（ｙｉｃ＞ｙｏｃ）、ランドマークが垂直に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖと、撮影画像中のランドマークの幅を用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗとをさらに大小比較し、
前記選択出力ステップでは、ｚｖがｚｗよりも大きくない場合には前記第２の位置算出ステップによる算出結果を出力し、ｚｖがｚｗよりも大きい場合には前記第３の位置算出ステップによる算出結果を出力する、
ことを特徴とする請求項１６に記載のランドマークの位置推定方法。
【請求項１８】
前記姿勢推定ステップでは、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が大きいときには（ｙｉｃ＜ｙｏｃ）、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈと、撮影画像中のランドマークの幅を用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗとをさらに大小比較し、
前記選択出力ステップでは、ｚｈがｚｗよりも大きくない場合には前記第１の位置算出ステップによる算出結果を出力し、ｚｈがｚｗよりも大きい場合には前記第３の位置算出ステップによる算出結果を出力する、
ことを特徴とする請求項１６に記載のランドマークの位置推定方法。
【請求項１９】
ロボットが視覚認識に基づく環境認識を行なうためのランドマークであって、
平面上に配設された半径ｄｉの内円と、
前記内円とは略同心円状に配設された半径ｄｏの外円と（但し、ｄｉ＜ｄｏ）、
を具備することを特徴とするランドマーク。
【請求項２０】
前記内円と前記外円は互いにＵＶ色空間上で分離し易い異なる色に配色されている、
ことを特徴とする請求項１９に記載のランドマーク。
【請求項２１】
前記内円と前記外円との間には識別性をさらに増すための幅ｗｉの内境界線及び／又は前記外円の外側に幅ｗｏの外境界線が設けられている、
ことを特徴とする請求項１９に記載のランドマーク。
【請求項２２】
外円と内円の認識性能を向上させるために、前記内円と前記外円の半径の比を以下の範囲内に設定している、
３：４＜ｄｉ：ｄｏ＜１：３
ことを特徴とする請求項１９に記載のランドマーク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットのセンサ情報とロボット自身の動作情報に基づいて自己位置を同定するロボットに係り、特に、人工的なランドマークを含む環境において、ランドマークの探索結果を手掛かりに自己位置を同定するロボットに関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、床や壁に設置されている平面的なランドマークを設置された姿勢に応じて位置を推定するロボット、並びにランドマークの位置推定システム及び推定方法に係り、好適な形状パターン並びに色パターンからなる平面的なランドマークを設置された姿勢に応じて位置を正確に推定するロボット、並びにランドマークの位置推定システム及び位置推定方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の”ＲＯＢＯＴＡ（奴隷機械）”に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ｒｏｂｏｔ）であった。
【０００４】
最近では、ヒトのような２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間形」若しくは「人間型」のロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ  ｒｏｂｏｔ）を始めとして、各種の脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。
【０００５】
人間の作業空間や居住空間のほとんどは、２足直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様式に合わせて形成されおり、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するのには多くの障壁が存在する。したがって、機械システムすなわちロボットがさまざまな人的作業を代行し、さらに人間の住空間に深く浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。
【０００６】
このような人間型ロボットを、産業活動・生産活動などにおける各種作業の代行に適用することができる。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける清掃、火災現場その他における救助といったような、人間が容易に踏み込むことができない現場での危険作業・難作業を人間型ロボットに代行してもらう。
【０００７】
また、人間型ロボットの他の用途として、人間と居住空間を同一にする「共生」、若しく「エンターティンメント」と呼ばれるものが挙げられる。この種の用途では、ロボットは、家庭環境など人と同じ作業環境に設置されて利用に供される。この場合、作業代行などの生活支援というよりも、生活密着という性格が濃厚である。
【０００８】
インテリジェントな移動ロボットは与えられた作業空間内で自立的に経路を探索し、自由行動をとることができる。この際、ロボットが自己位置を同定することは、例えばロボットがデリバリなどのサービスを行なう上で極めて重要な技術である。何故ならば、目標地点までの道順を間違うことは、仮に回復することができたとしても非効率的であり、障害物との衝突や危険区域への進入などの危険を招来する可能性さえあるからである。
【０００９】
ロボットが自己同定を行う代表的な手法の１つとして「ランドマーク（Ｌａｎｄｍａｒｋ）」の利用を挙げることができる。ランドマークには、通常、視覚的に識別可能な視認情報がその表面に形成されている。ロボットは、視覚認識されたランドマークからの相対位置情報を基に自己位置を地理的に探索することができる。
【００１０】
従来から使用されてきたランドマークとして、平面状のプレートに視認性の模様を書き込んだもの、壁面や床面、天井などに貼設された視覚認識用のテープ（例えば、搬送用のロボットを誘導したい経路に沿ってテープをビル構内に張り巡らす）、あるいは、立体的な物体を作業環境内に設置する、などを挙げることができる。
【００１１】
この種の平面的なランドマークは、例えば床に貼設される場合や壁に貼設される場合がある。例えば、一般家庭など設置スペースが限られている環境下でランドマークを利用することを考えた場合、ランドマークの設置場所を床又は壁の一方に特定する、あるいはランドマークを必ず一意の姿勢で設置するということは不可能である。
【００１２】
ロボットからランドマークまでの相対距離は、例えばカメラを用いた一般的な測距技術によりある程度測定することができる。しかしながら、より正確に距離を測定するためには、ランドマークの画像認識結果に基づいてより厳密な計算処理を行なう必要がある。このとき、ランドマークが床面上に水平に設置されているか、あるいは壁に垂直に貼設されているか、すなわちランドマークの姿勢に応じてランドマークの位置計算方法が相違する。したがって、移動ロボットがランドマークに従ってより正確に自己位置同定を行なうためには、まず発見したランドマークの姿勢を推定しなければならない。
【００１３】
例えば、周囲環境からランドマークを同定する技術や（例えば、特許文献１を参照のこと）、物体に異なる色パターンの識別体を設け画像処理により色パターンを検出するように位置を検出するロボット装置（例えば、特許文献２を参照のこと）などについて幾つかの提案がなされているが、これらはいずれもランドマークが設置された姿勢に応じて位置を正確に推定する点についてはまったく開示していない。
【００１４】
【特許文献１】
米国特許第５，９５７，９８４号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，０８８，４６９号明細書
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、人工的なランドマークを含む環境において、ランドマークの探索結果を手掛かりに自己位置を同定することができる、優れたロボットを提供することにある。
【００１６】
本発明のさらなる目的は、床や壁に設置されている平面的なランドマークを設置された姿勢に応じて位置を好適に推定することができる、優れたロボット、並びにランドマークの姿勢推定システム及び推定方法を提供することにある。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、好適な形状パターン並びに色パターンからなる平面的なランドマークを設置された姿勢に応じて位置を正確に推定することができる、優れたロボット、並びにランドマークの姿勢推定システム及び推定方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、ランドマークを設置された姿勢に応じて位置を推定するランドマークの位置推定システムであって、
ランドマークの撮影画像を保持する画像保持手段と、
ランドマークが水平に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さ成分に基づいてランドマークの位置を算出する第１の位置算出手段と、
ランドマークが垂直に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さ成分に基づいてランドマークの位置を算出する第２の位置算出手段と、
撮影画像中のランドマークの幅成分に基づいてランドマークの位置を算出する第３の位置算出手段と、
ランドマークが水平又は垂直いずれの姿勢で設置されているかを推定する姿勢推定手段と、
該推定されたランドマークの姿勢に応じて前記第１乃至第３の位置算出手段による算出結果のいずれかを選択する選択出力手段と、
を具備することを特徴とするランドマークの位置推定システムである。
【００１９】
但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。
【００２０】
ロボットからランドマークまでの相対距離は、例えばカメラを用いた一般的な測距技術によりある程度測定することができる。しかしながら、より正確に距離を測定するためには、ランドマークの画像認識結果に基づいてより厳密な計算処理を行なう必要がある。このとき、ランドマークが床面上に水平に設置されているか、あるいは壁に垂直に貼設されているか、すなわちランドマークの姿勢に応じて計算方法が相違する。
【００２１】
本発明によれば、撮影画像中のランドマークが水平又は垂直いずれの姿勢で設置されているかを推定し、この推定結果に基づいて、適切なランドマークの位置推定アルゴリズムを選択することができる。
【００２２】
ここで、ランドマークが水平に設置されているとの仮定で前記第１の位置算出手段により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈと、ランドマークが垂直に設置されているとの仮定で前記第２の位置算出手段により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖとを大小比較し、ｚｈ＞ｚｖとなる場合は撮像画像は近くを眺めている撮像手段により撮像されたと判断し、ｚｈ＜ｚｖとなる場合は撮像画像は遠くを眺めている撮像画像により撮像されたと判断することができる。
【００２３】
このような場合、前記選択出力手段は、撮像画像が近く又は遠くのいずれを眺めたものかに応じて前記第１乃至第３の位置算出手段による算出結果のいずれかを選択するようにすればよい。
【００２４】
また、前記姿勢推定手段は、撮影画像中のランドマークの幅により推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗと、ランドマークが垂直に設置されていると仮定して撮影画像中のランドマークの高さにより推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖとを大小比較し、ｚｗ＞ｚｖとなる場合にはランドマークが垂直に設置されていると推定することができる。
【００２５】
そして、前記選択出力手段は、ランドマークが垂直に設置されていると推定されたことに応答して、前記第２の位置算出手段による位置算出結果を出力することができる。
【００２６】
また、前記姿勢推定手段はｚｗ≦ｚｖとなる場合には、ランドマークが水平に設置されている可能性とカメラに対して回転していない垂直な姿勢で設置されている可能性が残されている。
【００２７】
そこで、前記姿勢推定手段は、ランドマークが水平に設置されていると仮定して撮影画像中のランドマークの高さにより推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈと撮影画像中のランドマークの幅により推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗとの差分｜ｚｈ−ｚｗ｜と、ランドマークが垂直に設置されていると仮定して撮影画像中のランドマークの高さにより推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖと撮影画像中のランドマークの幅により推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗとの差分｜ｚｖ−ｚｗ｜とを比較して、ランドマークが垂直又は水平いずれに設置されているかどうかを判別する。
【００２８】
そして、｜ｚｖ−ｚｗ｜の方が小さい場合にはランドマークはカメラに対して回転していない垂直な姿勢で設置されていると推定することができる。前記選択出力手段は、これに応答して、前記第２の位置算出手段の算出結果を出力すればよい。
【００２９】
あるいは、｜ｚｈ−ｚｗ｜の方が小さい場合にはランドマークは水平に設置されていると推定することができる。前記選択出力手段は、これに応答して、前記第１の位置算出手段の算出結果を出力すればよい。
【００３０】
前記ランドマークは、例えば、半径ｄｉの内円と該内円とは略同心円状に配設された半径ｄｏの外円とで構成することができる。
【００３１】
このような場合、前記姿勢推定手段は、撮影画像中のランドマークの内円の高さｙｉｃと外円の高さｙｏｃを大小比較し、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が小さいときには（ｙｉｃ＞ｙｏｃ）ランドマークは垂直に設置されていると推定し、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が大きいときには（ｙｉｃ＜ｙｏｃ）ランドマークは垂直に設置されていると推定することができる。
【００３２】
前記姿勢推定手段は、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が小さいときには（ｙｉｃ＞ｙｏｃ）、ランドマークが垂直に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖと、撮影画像中のランドマークの幅を用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗとをさらに大小比較するようにしてもよい。
【００３３】
そして、前記選択出力手段は、ｚｖがｚｗよりも大きくない場合には前記第２の位置算出手段による算出結果を出力し、ｚｖがｚｗよりも大きい場合には、オクルージョンや視線に対するランドマークの傾きが大きく、誤認識の可能性が高いと推定されることから、前記第３の位置算出手段による算出結果を出力するようにすればよい。
【００３４】
また、前記姿勢推定手段は、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が大きいときには（ｙｉｃ＜ｙｏｃ）、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈと、撮影画像中のランドマークの幅を用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗとをさらに大小比較するようにしてもよい。
【００３５】
そして、前記選択出力手段は、ｚｈがｚｗよりも大きくない場合には前記第１の位置算出手段による算出結果を出力し、ｚｈがｚｗよりも大きい場合には、オクルージョンが大きく、誤認識の可能性が高いと推定されることから、前記第３の位置算出手段による算出結果を出力するようにすればよい。
【００３６】
また、本発明の第２の側面は、ロボットが視覚認識に基づく環境認識を行なうためのランドマークであって、
平面上に配設された半径ｄｉの内円と、
前記内円とは略同心円状に配設された半径ｄｏの外円と（但し、ｄｉ＜ｄｏ）、
を具備することを特徴とするランドマークである。
【００３７】
本発明の第２の側面に係る平面ランドマークは、半径ｄｉの内円と、この内円とは略同心円状に配設された半径ｄｏの外円とで構成される（但し、ｄｉ＜ｄｏ）。内円と外円とは互いに異なる色には塗布され、より好ましくはＵＶ色空間上で分離し易い配色が施されている。
【００３８】
また、内円と外円との識別性をさらに増すために、幅ｗｉの内境界線が設けられている。また、この平面ランドマークとこれが貼設された床面や壁との識別性・分離性を確保するために、幅ｗｏの外境界線が設けられている。内境界線と外境界線はいずれも黒色でよい。
【００３９】
内円と外円、さらには外円とランドマークの設置面との認識性能を向上させるために、以下のパラメータを用いることができる。
【００４０】
０ｍｍ＜ｗｉ＜１０ｍｍ
０ｍｍ＜ｗｏ＜５０ｍｍ
【００４１】
また、外円と内円の認識性能を向上させるために、外円半径と内円半径との比を以下の範囲内に設定することがより好ましい。
【００４２】
３：４＜ｄｉ：ｄｏ＜１：３
【００４３】
例えば、ｄｉ＝６０ｍｍ、ｄｏ＝１２０ｍｍ、ｗｉ＝２ｍｍ、ｗｏ＝２０に設定した場合、ｄｉ：ｄｏ＝１：２となり、上記の条件を満たすことができる。
【００４４】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００４６】
Ａ．移動ロボットの構成
図１には、本発明に実施に供される移動ロボット１の機能構成を模式的に示している。同図に示すように、移動ロボット１は、全体の動作の統括的制御やその他のデータ処理を行う制御ユニット２０と、入出力部４０と、駆動部５０と、電源部６０とで構成される。以下、各部について説明する。
【００４７】
入出力部４０は、入力部として移動ロボット１の目に相当するＣＣＤカメラ１５や、耳に相当するマイクロフォン１６、頭部や背中などの部位に配設されてユーザの接触を感知するタッチ・センサ１８、各足底に配設された肉球スイッチ、あるいは五感に相当するその他の各種のセンサを含む。また、出力部として、口に相当するスピーカ１７、あるいは点滅の組み合わせや点灯のタイミングにより顔の表情を形成するＬＥＤインジケータ（目ランプ）１９などを装備している。これら出力部は、脚などによる機械運動パターン以外の形式で移動ロボット１からのユーザ・フィードバックを表現することができる。
【００４８】
ＣＣＤカメラ１５は、例えば、作業空間上の各部位に配設されたランドマークを観測する外界観測手段として機能することができる。勿論、ＣＣＤカメラ１５以外に（あるいは、これと併せて）、レンジ・ファインダなどを外界観測手段として備えていてもよい。
【００４９】
駆動部５０は、制御部２０が指令する所定の運動パターンに従ってロボット装置の機体動作を実現する機能ブロックであり、行動制御による制御対象である。駆動部５０は、ロボット装置００の各関節における自由度を実現するための機能モジュールであり、それぞれの関節におけるロール、ピッチ、ヨーなど関節軸毎に設けられた複数の駆動ユニットで構成される。各駆動ユニットは、所定軸回りの回転動作を行なうモータ５１と、モータ５１の回転位置を検出するエンコーダ５２と、エンコーダ５２の出力に基づいてモータ５１の回転位置や回転速度を適応的に制御するドライバ５３の組み合わせで構成される。
【００５０】
駆動ユニットの組み合わせ方によって、ハードウェア構成が定まる。例えば、ロボット装置を例えば２足歩行又は４足歩行などの脚式移動ロボットとして構成したり、あるいはタイヤ式のロボットとして構成したりすることができる。
【００５１】
各駆動ユニット毎に配設されたエンコーダ５２からの出力に基づいて、キネマティクスによりカメラ１５の姿勢を特定することができる。
【００５２】
電源部６０は、その字義通り、移動ロボット１内の各電気回路などに対して給電を行う機能モジュールである。本実施形態に係る移動ロボット１は、バッテリを用いた自律駆動式であり、電源部６０は、充電バッテリ６１と、充電バッテリ６１の充放電状態を管理する充放電制御部６２とで構成される。
【００５３】
充電バッテリ６１は、例えば、複数本のニッケル・カドミウム電池セルをカートリッジ式にパッケージ化した「バッテリ・パック」の形態で構成される。
【００５４】
また、充放電制御部６２は、バッテリ６１の端子電圧や充電／放電電流量、バッテリ６１の周囲温度などを測定することでバッテリ６１の残存容量を把握し、充電の開始時期や終了時期などを決定するようになっている。充放電制御部６２が決定する充電の開始及び終了時期は制御ユニット２０に通知され、移動ロボット１が充電オペレーションを開始及び終了するためのトリガとなる。
【００５５】
制御ユニット２０は、「頭脳」に相当し、例えば移動ロボット１の頭部あるいは胴体部に搭載されている。
【００５６】
図２には、制御ユニット２０の構成をさらに詳細に図解している。同図に示すように、制御ユニット２０は、メイン・コントローラとしてのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）２１が、メモリその他の各回路コンポーネントや周辺機器とバス接続された構成となっている。バス２７は、データ・バス、アドレス・バス、コントロール・バスなどを含む共通信号伝送路である。バス２７上の各装置にはそれぞれに固有のアドレス（メモリ・アドレス又はＩ／Ｏアドレス）が割り当てられている。ＣＰＵ２１は、アドレスを指定することによってバス２８上の特定の装置と通信することができる。
【００５７】
ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）２２は、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  ＲＡＭ）などの揮発性メモリで構成された書き込み可能メモリであり、ＣＰＵ２１が実行するプログラム・コードをロードしたり、実行プログラムによる作業データを一時的に保存したりするために使用される。
【００５８】
ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）２３は、プログラムやデータを恒久的に格納する読み出し専用メモリである。ＲＯＭ２３に格納されるプログラム・コードには、移動ロボット１の電源投入時に実行する自己診断テスト・プログラムや、移動ロボット１の動作を規定する動作制御プログラムなどが挙げられる。
【００５９】
ロボット１の制御プログラムには、カメラ１５やマイクロフォン１６などのセンサ入力を処理する「センサ入力処理プログラム」、センサ入力と所定の動作モデルとに基づいて移動ロボット１の行動すなわち運動パターンを生成する「行動命令プログラム」、生成された運動パターンに従って各モータの駆動やスピーカ１７の音声出力などを制御する「駆動制御プログラム」、作業空間に配置されている１以上のランドマークを手がかりに自分の地理的な所在を探索する「自己位置同定プログラム」などが含まれる。本実施形態に係る自己位置同定プログラム内には、カメラ１５の撮影画像に基づいて発見・認識されたランドマークの姿勢を推定するアルゴリズムや、ランドマークの姿勢に応じた位置計算アルゴリズムなどが含まれている。
【００６０】
不揮発性メモリ２４は、例えばＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｅｒａｓａｂｌｅ  ａｎｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ＲＯＭ）のように電気的に消去再書き込みが可能なメモリ素子で構成され、逐次更新すべきデータを不揮発的に保持するために使用される。逐次更新すべきデータには、製造番号や暗号鍵などのセキュリティ情報などが挙げられる。
【００６１】
インターフェース２５は、制御ユニット２０外の機器と相互接続し、データ交換を可能にするための装置である。インターフェース２５は、例えば、カメラ１５やマイクロフォン１６、スピーカ１７との間でデータ入出力を行う。また、インターフェース２５は、駆動部５０内の各ドライバ５３−１…との間でデータやコマンドの入出力を行なう。
【００６２】
また、インターフェース２５は、ＲＳ（Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ  Ｓｔａｎｄａｒｄ）−２３２Ｃなどのシリアル・インターフェース、ＩＥＥＥ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）１２８４などのパラレル・インターフェース、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）インターフェース、ｉ−Ｌｉｎｋ（ＩＥＥＥ１３９４）インターフェース、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）インターフェース、メモリ・スティックを受容するメモリ・カード・インターフェース（カード・スロット）などのような、コンピュータの周辺機器接続用の汎用インターフェースを備え、ローカル接続された外部機器との間でプログラムやデータの移動を行なうようにしてもよい。
【００６３】
また、インターフェース２５の他の例として、赤外線通信（ＩｒＤＡ）インターフェースを備え、外部機器と無線通信を行なうようにしてもよい。
【００６４】
さらに、制御ユニット２０は、無線通信インターフェース２６やネットワーク・インターフェース・カード（ＮＩＣ）２７などを含み、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈのような近接無線データ通信や、ＩＥＥＥ  ８０２．１１ｂのような無線ネットワーク、あるいはインターネットなどの広域ネットワークを経由して、外部のさまざまなホスト・コンピュータとデータ通信を行なうことができる。
【００６５】
このような移動ロボット１とホスト・コンピュータ間におけるデータ通信により、遠隔のコンピュータ資源を用いて、移動ロボット１の複雑な動作制御を演算したり、リモート・コントロールしたりすることができる。
【００６６】
Ｂ．平面ランドマークの構成
図３には、本発明の実施に供される平面ランドマークの構成を模式的に示している。
【００６７】
同図に示すように、本実施形態に係る平面ランドマークは、半径ｄｉの内円と、この内円とは略同心円状に配設された半径ｄｏの外円とで構成される（但し、ｄｉ＜ｄｏ）。内円と外円とは互いに異なる色には塗布され、より好ましくはＵＶ色空間上で分離し易い配色が施されている。また、内円と外円との識別性をさらに増すために、幅ｗｉの内境界線が設けられている。また、この平面ランドマークとこれが貼設された床面や壁との識別性・分離性を確保するために、幅ｗｏの外境界線が設けられている。内境界線と外境界線はいずれも黒色でよい。
【００６８】
本実施形態では、内円と外円、さらには外円とランドマークの設置面との認識性能を向上させるために、以下のパラメータを用いている。
【００６９】
０ｍｍ＜ｗｉ＜１０ｍｍ
０ｍｍ＜ｗｏ＜５０ｍｍ
【００７０】
また、外円と内円の認識性能を向上させるために、外円半径と内円半径との比を以下の範囲内に設定している。
【００７１】
３：４＜ｄｉ：ｄｏ＜１：３
【００７２】
例えば、ｄｉ＝６０ｍｍ、ｄｏ＝１２０ｍｍ、ｗｉ＝２ｍｍ、ｗｏ＝２０に設定した場合、ｄｉ：ｄｏ＝１：２となり、上記の条件を満たすことができる。なお、外円半径と内円半径の関係は比のみが重要であり、各々の実寸法は重要ではない。何故ならば、中心投影の基本的性質として、カメラの投影中心Ｃに近づくにつれて大きな像として投影され、逆に、投影中心Ｃから遠ざかるにつれ小さく投影されるが、画像認識工程では撮影画像からランドマークのみを切り出して扱う（あるいは、ランドマークにズームを合せる）ことから、距離や十寸法の成分が捨象され、寸法比のみが残るからである。
【００７３】
ここで、外円半径ｄｏを１２０ｍｍに固定して、内円半径ｄｉを４０ｍｍから８０ｍｍまで１０ｍｍ刻みで変化させてゆき（図４を参照のこと）、各々の場合のランドマーク認識率を測定してみた。以下の表１には測定結果を示している。
【００７４】
【表１】
2004301796.tif 000003
【００７５】
表１からも判るように、内円半径を小さくし過ぎると、ランドマークの画像に占める内円の比率が低下するため認識率は低下する。逆に、内円半径を大きくしすぎると外円半径が細くなってしまうためやはり認識率が低下してしまう。この結果、上述したように、内円と外円の半径の比率が３：４＜ｄｉ：ｄｏ＜１：３の範囲内において、良好な認識率を確保することができる。
【００７６】
また、上述したように、内円と外円とは互いに異なる色には塗布され、ＵＶ色空間上で分離し易い配色が施されていることが好ましい。
【００７７】
明暗変化に対する色抽出のし易さを考えた場合（照度変化に対してゲインを調整）、ゲイン調整さえ合っていれば、どの色もＵＶ空間上で放射線状に分布する。この観点で、どの色であっても内円、外円の配色に利用することができる。
【００７８】
また、ゲインが適切でない場合の色抽出のし易さ（照度固定で、ゲイン変更）王道色と特性色とでＵＶ空間上の分布は相違する。
【００７９】
また、色温度変化に対する色抽出のし易さを考えた場合（照明色温度変化に対してホワイト・バランス調整（２７００Ｋ，４５００Ｋ，５０００Ｋ，６５００Ｋ：：９００１ｘ））、桃色系は狭い範囲で収まってくる。また、青や緑は周りが広い。
【００８０】
ホワイト・バランスが適切でない場合の色抽出のし易さは（照明色温度変化に対してホワイト・バランス調整（２７００Ｋ，４５００Ｋ，５０００Ｋ，６５００Ｋ：：９００１ｘ））、黄色系は橙色に変化し、橙色はオーバーラップしてしまう。この観点からは、黄色は使用せず、コンパクトのオレンジを採用することが好ましい。
【００８１】
Ｃ．ランドマークの認識及び姿勢推定アルゴリズム
ロボットからランドマークまでの相対距離は、例えばカメラを用いた一般的な測距技術によりある程度測定することができる。しかしながら、より正確に距離を測定するためには、ランドマークの画像認識結果に基づいてより厳密な計算処理を行なう必要がある。このとき、ランドマークが床面上に水平に設置されているか、あるいは壁に垂直に貼設されているか、すなわちランドマークの姿勢に応じて計算方法が相違する。
【００８２】
この項では、前項Ｂにおいて説明した色が異なる同心円状の内円と外円からなる平面ランドマークを使用した場合についての、ランドマークの認識及び姿勢推定アルゴリズムについて詳解する。
【００８３】
本実施形態では、以下の手順に従ってランドマークの認識及び姿勢推定を行なう。
【００８４】
（１）カメラによって画像を取得
（２）色抽出
（３）連結領域分割
（４）連結領域からランドマークを認識
（５）すべてのランドマークに対して、
５−ａ）水平（床面）に設置されたランドマークであるとの仮定に基づき、３次元位置を推定
５−ｂ）垂直（壁）に設置されたランドマークであるとの仮定に基づき、３次元位置を推定
５−ｃ）ランドマークが水平又は垂直のいずれの姿勢で設置されているかを判断
【００８５】
カメラでランドマークを捕捉した画像をピクセル単位で色検出することにより、色抽出を行なう。さらに、同じ色からなる領域毎に取り出すことにより、色連結領域を取り出すことができる。
【００８６】
ランドマークの認識過程では、画像を色連結領域に分割することにより、以下の（矩形）領域情報を取得することができる。
【００８７】
ａ）各領域の色
ｂ）領域の左上座標（ｘ’１，ｙ’１）と右下座標（ｘ’２，ｙ’２）
【００８８】
次いで、すべての領域の組み合わせに対して以下のチェックを行なう。
【００８９】
ａ）一方の領域が他方の領域を内包していること
ｂ）領域の幅の比ｗｌ：ｗｓ（ｗｌ：大きい領域の幅、ｗｓ：小さい領域の幅）が閾値（例えば３：１）を越えないこと
ｃ）領域の高さの比ｗｌ：ｗｓ（ｗｌ：大きい領域の幅、ｗｓ：小さい領域の幅）が閾値（例えば３：１）を越えないこと
【００９０】
そして、上述した条件ａ〜ｃをすべて満たす領域の組み合わせをランドマークとして認識する。色の組み合わせによってランドマークを一意に特定することができる。大きい領域をランドマークのサイズとする。
【００９１】
ここで、ランドマークの姿勢推定処理について説明する前に、本実施形態において使用されるカメラ・モデルについて述べる。
【００９２】
本実施形態では、中心投影を行なうピンホール・カメラを使用するものとする。中心投影とは、投影中心と３次元物体表面の点とを結ぶ直線（「視線」とも言う）とカメラの投影スクリーンとの交点に物体表面の点の色濃度値を配置していくことで、投影画像を形成する。中心投影では、同じ大きさの物体であっても、カメラの投影中心に近づくにつれて大きな像として投影され、逆に、投影中心Ｃから遠ざかるにつれて小さく投影される性質を持つ。
【００９３】
ここで、カメラ中心を原点とし、焦点距離をｆ、光軸中心を（ｐｘ，ｐｙ）、画素サイズを（ｕｘ，ｕｙ）、ランドマーク位置の３次元座標を（ｘ，ｙ，ｚ）、この３次元位置に対応する画素座標を（ｘ’，ｙ’）とすると、幾何光学的に以下の式が見出される。
【００９４】
【数１】
2004301796.tif 000004
【００９５】
但し、ｆｘ＝ｆ／ｕｘ、ｆｙ＝ｆ／ｕｙと定義する。
【００９６】
また、本実施形態では、カメラは、例えば、２腕２足の直立歩行型ロボットの頭部に搭載されている。そして、カメラの姿勢は図６に示すように、ロール、ピッチ、ヨーの各軸回りの回転位置で表現される。
【００９７】
以下の説明では、カメラがピッチ軸回りに回転して、前方のランドマークを捕捉するものとする。図７に示すように、カメラがピッチ軸回りに所定の回転位置を以って撮影しているとする。このとき、カメラの撮影画像（ｃａｍｅｒａ  ｉｍａｇｅ）中に同じ大きさでランドマークを検出したとき（ｐｉｃｔｕｒｅ  ｏｆ  ｌａｎｄｍａｒｋ）、同図中で参照番号１〜４で示した場合を含め、ランドマークがとりうる姿勢は複数想定される。以下の説明では、ランドマークは、壁又は床面のいずれかにのみ貼設されている、すなわちランドマークは垂直な姿勢１又は水平な姿勢２のいずれか一方であることを前提とする。
【００９８】
カメラによって捕捉されたランドマークの位置（又は、カメラとランドマークの相対距離）は、カメラの姿勢（本実施形態ではピッチ軸周りの回転位置ｐｉｔｃｈ）と、カメラレンズの焦点距離ｆ並びに光学中心（ｐｘ，ｐｙ）などの与えられたパラメータ値と、撮影画像中のランドマークの高さや幅を用いて算出することができる。但し、ランドマークが床面上に水平に設置されているか、あるいは壁に垂直に貼設されているか、すなわちランドマークの姿勢に応じて計算方法が相違する。
【００９９】
図８には、ランドマークが水平に設置されていると仮定した場合に、撮影画像中のランドマークの高さを用いてランドマークの位置を推定する方法を図解している。
【０１００】
図示の例では、カメラはピッチ軸回りに所定の回転位置ｐｉｔｃｈを以ってランドマークを撮影している。３次元空間上でランドマークは、点（ｙ１，ｚ１）と点（ｙ２，ｙ２）の間に存在し、その中心位置は（ｙｖ，ｚｖ）である。そして、ランドマークは撮影画像上では、高さ方向に点（ｙ２’，ｆｙ）と点（ｙ１’，ｆｙ）の間に存在し、投影平面上に射影された像の高さは点（ｙ２，ｚ２）と点（ｙ３，ｚ２）を結ぶ線分に等しい。この場合、幾何光学的に以下の式が成り立つ。
【０１０１】
【数２】
2004301796.tif 000005
【０１０２】
そして、ランドマーク中心の３次元位置は下式のように表される。
【０１０３】
【数３】
2004301796.tif 000006
【０１０４】
また、図９には、ランドマークが垂直に設置されていると仮定した場合に、撮影画像中のランドマークの高さを用いてランドマークの位置を推定する方法を図解している。
【０１０５】
図示の例では、カメラはピッチ軸回りに所定の回転位置ｐｉｔｃｈを以ってランドマークを撮影している。３次元空間上でランドマークは点（ｙ２，ｚ２）と点（ｙ１，ｚ１）の間に存在し、その中心位置は（ｙｈ，ｚｈ）である。そして、ランドマークは撮影画像上では高さ方向に点（ｙ２’，ｆｙ）と点（ｙ１’，ｆｙ）の間に存在し、投影平面上に射影された像の高さは点（ｙ３，ｚ１）と点（ｙ１，ｚ１）を結ぶ線分に等しい。この場合、幾何光学的に以下の式が成り立つ。
【０１０６】
【数４】
2004301796.tif 000007
【０１０７】
そして、ランドマーク中心の３次元位置は下式のように表される。
【０１０８】
【数５】
2004301796.tif 000008
【０１０９】
また、図１０には、ランドマークが水平に設置されていると仮定した場合に、撮影画像中のランドマークの幅を用いてランドマークの位置を推定する方法を図解している。
【０１１０】
図示の例では、カメラは、中心位置（ｘ，ｚ）で幅方向に点（ｘ１，ｚ）と点（ｘ２，ｚ）の間に存在するランドマークを撮影している。ランドマークは撮影画像上では幅方向に点（ｘ１’，ｚ）と点（ｘ２’，ｚ）の間に存在し、投影平面上に射影された像の幅は、点（ｘ１，ｚ）と点（ｘ２，ｚ）の間を結ぶ線分に等しい。この場合、幾何光学的に以下の式が成り立つ。
【０１１１】
【数６】
2004301796.tif 000009
【０１１２】
そして、ランドマーク中心の３次元位置は下式のように表される。
【０１１３】
【数７】
2004301796.tif 000010
【０１１４】
オクルージョンなどがなく水平に設置されたランドマークが完全に見えている場合、撮影画像中のランドマークの高さにより推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈと、撮影画像中のランドマークの幅により推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗは等しくなる（ｚｗ＝ｚｈ）。
【０１１５】
また、図１１には、ランドマークが垂直に設置されていると仮定した場合に、撮影画像中のランドマークの幅を用いてランドマークの位置を推定する方法を図解している。
【０１１６】
この場合、光軸に対しランドマークが垂直であるときを相対距離が最大として、光軸に対してさまざまな回転位置で設置されているランドマークが、撮影画像中で同じ幅方向の位置すなわち点（ｘ１，ｆｘ）から点（ｘ２，ｆｘ）の間に観測される。言い換えれば、光軸に対するランドマークの回転がわからないと、その３次元位置を推定することはできない。
【０１１７】
光軸に対しランドマークが垂直であるとき、ランドマーク中心の３次元位置は上式［数７］と同様となる。そして、オクルージョンなどがなく垂直に設置されたランドマークが完全に見えている場合、撮影画像中のランドマークの幅により推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗは、撮影画像中のランドマークの高さにより推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖ以上となる（ｚｗ≧ｚｖ）。
【０１１８】
図１０並びに図１１に示した原理に従えば、撮影画像中のランドマークの幅により推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗと、撮影画像中のランドマークの高さにより推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖとを大小比較することにより、撮影画像中のランドマークが水平又は垂直いずれの姿勢で設置されているかを推定することができる。そして、この推定結果に基づいて、適切なランドマークの位置推定アルゴリズムを選択することができる（後述）。
【０１１９】
ランドマークが水平又は垂直いずれの姿勢で設置されているか応じて計算方法が相違するが、これとは別に、カメラが遠くを見ているときにランドマークを認識した場合と、カメラが近くを見ているときにランドマークを認識した場合とでは、最適な位置計算方法は変わってくる。
【０１２０】
図１２には、カメラが遠くのランドマークを眺めている様子を示している。図示の例では、カメラはピッチ軸回りに所定の回転位置ｐｉｔｃｈを以ってランドマークを撮影している。
【０１２１】
この場合、撮影画像中で同じ高さを持つランドマークが検出されたとすると、水平に設置されたランドマークよりも垂直に設置されたランドマークの方がより遠くに存在することになる。すなわち、カメラが遠くを眺めている場合には、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈよりも、ランドマークが垂直に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖの方が大きい値となる（ｚｈ＜ｚｖ）。
【０１２２】
また、図１３には、カメラが近くのランドマークを眺めている様子を示している。図示の例では、カメラはピッチ軸回りに所定の回転位置ｐｉｔｃｈを以ってランドマークを撮影している。
【０１２３】
この場合、撮影画像中で同じ高さを持つランドマークが検出されたとすると、水平に設置されたランドマークよりも垂直に設置されたランドマークの方がより近くに存在することになる。すなわち、カメラが近くを眺めている場合には、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈよりも、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖの方が小さい値となる（ｚｈ＞ｚｖ）。
【０１２４】
図１２及び図１３に示した原理に従えば、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈと、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖとを大小比較することにより、カメラが遠く又は近くのいずれを眺めているのかを推定することができる。そして、この推定結果に基づいて、適切なランドマークの位置推定アルゴリズムを選択することができる（後述）。
【０１２５】
図１４には、下を見下ろしているカメラが水平並びに垂直に設置されているランドマークを撮影する様子を示している。ここでは、ランドマークの内円の中心位置を（ｘｉｃ，ｙｉｃ）とし、ランドマークの外円の中心位置を（ｘｏｃ，ｙｏｃ）とおく。
【０１２６】
中心投影では、同じ大きさの物体であっても、カメラの投影中心に近づくにつれて大きな像として投影され、逆に、投影中心から遠ざかるにつれて小さく投影される性質を持つ（前述）。
【０１２７】
したがって、図１４からも判るように、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が小さい場合には（ｙｉｃ＞ｙｏｃ）、ランドマークは垂直に設置されていると推定される。逆に、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が大きい場合には（ｙｉｃ＜ｙｏｃ）、ランドマークは水平に設置されていると推定される。そして、この推定結果に基づいて、適切なランドマークの位置推定アルゴリズムを選択することができる（後述）。
【０１２８】
図１５には、ランドマークの位置推定アルゴリズムの一例をフローチャートの形式で示している。また、この位置推定アルゴリズムの擬似プログラム・コードを以下に示している。但し、ここではランドマーク全体がオクルージョンなしに見えていると仮定する。
【０１２９】
【数８】
2004301796.tif 000011
【０１３０】
まず、ステップＳ１において、ランドマークが水平に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さを用いてランドマークの位置を推定する（図８を参照のこと）。
【０１３１】
次いで、ステップＳ２において、ランドマークが垂直に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さを用いてランドマークの位置を推定する（図９を参照のこと）。
【０１３２】
さらに、ステップＳ３において、ランドマークが水平に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの幅を用いてランドマークの位置を推定する（図１０を参照のこと）。
【０１３３】
ここで、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈと、ランドマークが垂直に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖとを大小比較することにより、カメラが遠く又は近くのいずれを眺めているのかを推定する（ステップＳ４）（図１２及び図１３を参照のこと）。
【０１３４】
図１５に示す位置推定アルゴリズムはカメラが遠くのランドマークを眺めているときには適しているが、近くのランドマークを眺めているときに配置を正確に推定することができない。このため、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈよりも、ランドマークが垂直に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖの方が小さい値となる場合には（ｚｈ＞ｚｖ）、カメラが近くを眺めているので、答えが出ない（Ｎｏ  Ｒｅｓｕｌｔ）として本処理ルーチン全体を終了する（ステップＳ５）。
【０１３５】
一方、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈよりも、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖの方が大きい値となる場合には（ｚｈ＜ｚｖ）、カメラが遠くを眺めていると推定される。この場合、さらに、撮影画像中のランドマークの幅により推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗと、ランドマークが垂直に設置されていると仮定して撮影画像中のランドマークの高さにより推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖとを大小比較することにより、撮影画像中のランドマークが水平又は垂直いずれの姿勢で設置されているかを推定する（ステップＳ６）（図１１を参照のこと）。
【０１３６】
そして、ｚｗ＞ｚｖとなる場合には、ランドマークが垂直に設置されていると推定するとともに、ステップＳ２においてランドマークが垂直に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークの位置（ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ）を推定結果として出力する（ステップＳ７）。
【０１３７】
一方、ｚｗ≦ｚｖとなる場合には、ランドマークが水平に設置されている可能性とカメラに対して回転していない垂直な姿勢で設置されている可能性が残されている。そこで、ランドマークが水平に設置されていると仮定して撮影画像中のランドマークの高さにより推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈと撮影画像中のランドマークの幅により推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗとの差分｜ｚｈ−ｚｗ｜と、ランドマークが垂直に設置されていると仮定して撮影画像中のランドマークの高さにより推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖと撮影画像中のランドマークの幅により推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗとの差分｜ｚｖ−ｚｗ｜とを比較して（ステップＳ８）、ランドマークが垂直又は水平いずれに設置されているかどうかを判別する。
【０１３８】
｜ｚｖ−ｚｗ｜の方が小さい場合には、ランドマークはカメラに対して回転していない垂直な姿勢で設置されていると推定される。この場合、ステップＳ２においてランドマークが垂直に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークの位置（ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ）を推定結果として出力する（ステップＳ９）。
【０１３９】
一方、｜ｚｈ−ｚｗ｜の方が小さい場合には、ランドマークは水平に設置されていると判断する。そして、ステップＳ１においてランドマークが水平に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークの位置（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）を推定結果として出力する（ステップＳ１０）。
【０１４０】
図１５に示したランドマークの位置推定アルゴリズムは、カメラが遠くを眺めている場合（図１２を参照のこと）に適している。なお、ランドマークの一部が隠れている場合（オクルージョン）、結果が異なることがある。また、ランドマークが垂直又は水平いずれにも設置されていない場合にも、結果が異なることがある。また、カメラの回転（ロール軸回り）に関しても、式が多少変わるが、同様の結果を得ることができる。
【０１４１】
また、図１６には、ランドマークの位置推定アルゴリズムについての他の例をフローチャートの形式で示している。また、この位置推定アルゴリズムの擬似プログラム・コードを以下に示している。但し、ここではランドマーク全体がオクルージョンなしに見えていると仮定する。
【０１４２】
【数９】
2004301796.tif 000012
【０１４３】
まず、ステップＳ１１において、ランドマークが水平に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さを用いてランドマークの位置を推定する（図８を参照のこと）。
【０１４４】
次いで、ステップＳ１２において、ランドマークが垂直に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さを用いてランドマークの位置を推定する（図９を参照のこと）。
【０１４５】
さらに、ステップＳ１３において、ランドマークが水平に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの幅を用いてランドマークの位置を推定する（図１０を参照のこと）。
【０１４６】
カメラが水平並びに垂直に設置されているランドマークを見下ろして撮影した場合、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が小さいときには（ｙｉｃ＞ｙｏｃ）、ランドマークは垂直に設置されていると推定され、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が大きいときには（ｙｉｃ＜ｙｏｃ）、ランドマークは垂直に設置されていると推定される（図１４を参照のこと）。
【０１４７】
そこで、ステップＳ１４では、撮影画像中のランドマークの内円の高さｙｉｃと外円の高さｙｉｃを大小比較して、ランドマークが水平又は垂直いずれの姿勢で設置されているかを判別する。
【０１４８】
ここで、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が大きい場合には（ｙｉｃ＜ｙｏｃ）、ランドマークは水平に設置されていると推定される。
【０１４９】
この場合、さらに、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈと、撮影画像中のランドマークの幅を用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗとを大小比較する（ステップＳ１５）。
【０１５０】
そして、ｚｈがｚｗよりも大きくない場合には、ステップＳ１１においてランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークの位置（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）を、ランドマークが水平に設置されているという推定結果とともに出力する（ステップＳ１６）。
【０１５１】
一方、ｚｈがｚｗよりも大きい場合には、オクルージョンが大きく、誤認識の可能性が高いと推定されることから、より近くに見える推定方法である撮影画像中のランドマークの幅を用いて推定されたランドマークの位置（ｘｗ，ｙｗ，ｚｗ）を、ランドマークが水平に設置されているという推定結果とともに出力する（ステップＳ１７）。
【０１５２】
また、ランドマークの内円の中心の高さｙｉｃよりも外円の中心の高さｙｏｃの方が小さい場合には（ｙｉｃ＞ｙｏｃ）、ランドマークは垂直に設置されていると推定される。
【０１５３】
この場合、さらに、ランドマークが垂直に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖと、撮影画像中のランドマークの幅を用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｗとを大小比較する（ステップＳ１８）。
【０１５４】
そして、ｚｖがｚｗよりも大きくない場合には、ステップＳ１２においてランドマークが垂直に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークの位置（ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ）を、ランドマークが垂直に設置されているという推定結果とともに出力する（ステップＳ１９）。
【０１５５】
一方、ｚｖがｚｗよりも大きい場合には、オクルージョンや視線に対するランドマークの傾きが大きく、誤認識の可能性が高いと推定されることから、より近くに見える推定方法である撮影画像中のランドマークの幅を用いて推定されたランドマークの位置（ｘｗ，ｙｗ，ｚｗ）を、ランドマークが垂直に設置されているという推定結果とともに出力する（ステップＳ２０）。
【０１５６】
図１６に示したランドマークの位置推定アルゴリズムは、カメラが遠くを眺めている場合（図１３を参照のこと）に適している。なお、ランドマークの一部が隠れている場合、領域情報の不整合により、回転方向の推定が異なることがある。また、ランドマークが垂直又は水平いずれにも設置されていない場合にも、結果が異なることがある。また、カメラの回転（ロール軸回り）に関しても、式が多少変わるが、同様の結果を得ることができる。図１６に示したアルゴリズムは、画像に占めるランドマークの割合が大きいときに特に有効であるが、割合が小さい場合（ランドマークが著しく遠い場合や、ランドマークとカメラの支線のなす角が小さい場合）には結果が異なることがある。
【０１５７】
図１５に示したランドマークの位置推定アルゴリズムはカメラが遠くのランドマークを認識した場合に適しており、さらにランドマークが水平又は垂直いずれに設置されているかに応じて最適なランドマークの位置推定方法を選択するようになっている。同様に、図１６に示したランドマークの位置推定アルゴリズムはカメラが近くのランドマークを認識した場合に適しており、さらにランドマークが水平又は垂直いずれに設置されているかに応じて最適なランドマークの位置推定方法を選択するようになっている。
【０１５８】
図１７には、さらにカメラが遠く又は知覚いずれのランドマークを認識しているかに応じて、図１５に示したアルゴリズム又は図１６に示したアルゴリズムの一方を自動的に選択することができるランドマークの位置推定アルゴリズムをフローチャートの形式で示している。また、この位置推定アルゴリズムの擬似プログラム・コードを以下に示している。
【０１５９】
【数１０】
2004301796.tif 000013
【０１６０】
まず、ステップＳ２１において、ランドマークが水平に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さを用いてランドマークの位置を推定する（図８を参照のこと）。
【０１６１】
次いで、ステップＳ２２において、ランドマークが垂直に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの高さを用いてランドマークの位置を推定する（図９を参照のこと）。
【０１６２】
さらに、ステップＳ２３において、ランドマークが水平に設置されていると仮定して、撮影画像中のランドマークの幅を用いてランドマークの位置を推定する（図１０を参照のこと）。
【０１６３】
ここで、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈと、ランドマークが垂直に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖとを大小比較することにより、カメラが遠く又は近くのいずれを眺めているのかを推定する（ステップＳ２４）（図１２及び図１３を参照のこと）。
【０１６４】
ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈよりも、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖの方が大きい値となる場合には（ｚｈ＜ｚｖ）、カメラが遠くを眺めていると推定される。この場合、図１５に示したランドマークの位置推定アルゴリズム（但し、ステップＳ４以降）を実行する（ステップＳ２５）。
【０１６５】
一方、ランドマークが水平に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｈよりも、ランドマークが垂直に設置されているとの仮定により撮影画像中のランドマークの高さを用いて推定されたランドマークまでの相対距離ｚｖの方が小さい値となる場合には（ｚｈ＞ｚｖ）、カメラが近くを眺めていると推定される。この場合、図１６に示したランドマークの位置推定アルゴリズム（但し、ステップＳ１４以降）を実行する（ステップＳ２６）。
【０１６６】
なお、ランドマークの一部が隠れている場合（オクルージョン）、結果が異なることがある。また、ランドマークが垂直又は水平いずれにも設置されていない場合にも、結果が異なることがある。また、カメラの回転（ロール軸回り）に関しても、式が多少変わるが、同様の結果を得ることができる。
【０１６７】
［追補］
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０１６８】
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置あるいはその他一般的な移動体装置、あるいはこれら装置の動作を記述したデータを演算処理するデータ処理システムであるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
【０１６９】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【０１７０】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、人工的なランドマークを含む環境において、ランドマークの探索結果を手掛かりに自己位置を同定することができる、優れたロボットを提供することができる。
【０１７１】
また、本発明によれば、床や壁に設置されている平面的なランドマークを設置された姿勢に応じて位置を好適に推定することができる、優れたロボット、並びにランドマークの姿勢推定システム及び推定方法を提供することができる。
【０１７２】
また、本発明によれば、好適な形状パターン並びに色パターンからなる平面的なランドマークを設置された姿勢に応じて位置を正確に推定することができる、優れたロボット、並びにランドマークの姿勢推定システム及び推定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に実施に供される移動ロボット１の機能構成を模式的に示した図である。
【図２】制御ユニット２０の構成をさらに詳細に示した図である。
【図３】本発明の実施に供される平面ランドマークの構成を模式的に示した図である。
【図４】平面ランドマークの認識率を測定する実験環境を模式的に示した図である。
【図５】本発明の実施形態において使用されるカメラ・モデルを説明するための図である。
【図６】カメラの姿勢の表現方法を説明するための図である。
【図７】カメラがピッチ軸回りに所定の回転位置を以って撮影している様子を示した図である。
【図８】ランドマークが水平に設置されていると仮定した場合に、撮影画像中のランドマークの高さを用いてランドマークの位置を推定する方法を説明するための図である。
【図９】ランドマークが垂直に設置されていると仮定した場合に、撮影画像中のランドマークの高さを用いてランドマークの位置を推定する方法を説明するための図である。
【図１０】ランドマークが水平に設置されていると仮定した場合に、撮影画像中のランドマークの幅を用いてランドマークの位置を推定する方法を説明するための図である。
【図１１】ランドマークが垂直に設置されていると仮定した場合に、撮影画像中のランドマークの幅を用いてランドマークの位置を推定する方法を説明するための図である。
【図１２】カメラが遠くのランドマークを眺めている様子を示した図である。
【図１３】カメラが近くのランドマークを眺めている様子を示した図である。
【図１４】下を見下ろしているカメラが水平並びに垂直に設置されているランドマークを撮影する様子を示した図である。
【図１５】ランドマークの位置推定アルゴリズムの一例を示したフローチャートである。
【図１６】ランドマークの位置推定アルゴリズムについての他の例を示したフローチャートである。
【図１７】ランドマークの位置推定アルゴリズムについての他の例を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１…移動ロボット
１５…ＣＣＤカメラ
１６…マイクロフォン
１７…スピーカ
１８…タッチ・センサ
１９…ＬＥＤインジケータ
２０…制御部
２１…ＣＰＵ
２２…ＲＡＭ
２３…ＲＯＭ
２４…不揮発メモリ
２５…インターフェース
２６…無線通信インターフェース
２７…ネットワーク・インターフェース・カード
２８…バス
２９…キーボード
４０…入出力部
５０…駆動部
５１…モータ
５２…エンコーダ
５３…ドライバ
【図１】
2004301796.tif 000014
【図２】
2004301796.tif 000015
【図３】
2004301796.tif 000016
【図４】
2004301796.tif 000017
【図５】
2004301796.tif 000018
【図６】
2004301796.tif 000019
【図７】
2004301796.tif 000020
【図８】
2004301796.tif 000021
【図９】
2004301796.tif 000022
【図１０】
2004301796.tif 000023
【図１１】
2004301796.tif 000024
【図１２】
2004301796.tif 000025
【図１３】
2004301796.tif 000026
【図１４】
2004301796.tif 000027
【図１５】
2004301796.tif 000028
【図１６】
2004301796.tif 000029
【図１７】
2004301796.tif 000030