(57)【要約】    【課題】  下水道管等管渠内部を自律的に走行するロボットの自己位置を正確かつリアルタイムに検知する簡便な方法及び装置を提供すること。    【解決手段】  下水道管等の内部を自律的に走行し管渠内部の欠陥を検出する自律走行型ロボットにカメラセンサ及び距離センサを搭載し、距離センサによってマンホール、Ｔ字状接合点、Ｙ字状接合点、異径接合点、ジョイント部等の特徴点を識別し、カメラセンサによって取得した画像データから得られた関心領域のエッジ画素数と、予め作成しておいた特徴点からの距離に対応する画素数のテーブルにおける画素数との対比によって、自律走行型ロボットの自己位置を特徴点からの距離として演算算出する。【選択図】  図１
2007113240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水道管等の内部を自律的に走行し管渠内部の欠陥等を検出するロボットの自己位置を検知する方法であって、前記自律走行型ロボットにカメラセンサおよび距離センサを搭載し、距離センサによって下水道管等におけるマンホール、Ｔ字状接合点、Ｙ字状接合点、異径接合点、ジョイント部等の特徴点を識別し、カメラセンサによって取得した画像データのエッジ画素数と、予め作成しておいた前記各特徴点からの距離に対応するエッジ画素数との対比によって、前記自律走行型ロボットの自己位置を前記特徴点からの距離として演算算出するようにしたことを特徴とするカメラセンサと距離センサによるロボットの自己位置検知方法。
【請求項２】
下水道管等の内部を自律的に走行し管渠内部の欠陥等を検出するロボットの自己位置を検知する装置であって、前記自律走行型ロボットと、該自律走行型ロボットに搭載されるカメラセンサおよび前記自律走行型ロボットから下水道管等の半径方向の距離を測定しその結果に基づいて下水道管等におけるマンホール、Ｔ字状接合点、Ｙ字状接合点、異径接合点、ジョイント部等の特徴点を識別する距離センサと、前記カメラセンサによって取得された画像をエッジ処理する画像処理手段と、予め作成された、特徴点からの距離に対応するエッジ画素数のテーブルにおけるエッジ画素数と前記カメラセンサによって取得された画像をエッジ処理して得られたエッジ画素数を対比し、自律走行型ロボットの自己位置を前記各特徴点からの距離として演算算出する演算処理装置とを有することを特徴とするカメラセンサと距離センサによるロボットの自己位置検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水道管等管渠の内部を自律的に走行し管渠内部の欠陥等を検出するロボットの自己位置をリアルタイムに検知する方法及びそのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下水道管等管渠の内部の欠陥の有無およびその程度を早期に検出し必要な処置を的確に施すことは、インフラ構造の安全性を確保・維持する上で重要である。而して、下水道管等管渠の内部を自律的に走行し管渠内部の欠陥等を検出するロボットが用いられる。かかる自律走行型ロボットが撮像した下水道管等管渠の内部の欠陥位置即ち自律走行型ロボットの下水道管等管渠の内部における位置情報を的確に得ることが重要となる。
【０００３】
下水道管等管渠の内部を自律的に走行する自律走行型ロボットといった走行体の自己位置を、駆動輪や別途配設される回転輪の回転数を検出するエンコーダ情報を用いて走行体の走行距離を算出することによって検知することが一般に行われている。しかしながら、管内を走行するロボット等においては、たとえば管内壁面と駆動輪や別途配設される回転輪の間でスリップを生じることが多く、車輪の回転数に基づく走行距離の算出に誤差を生じ、エンコーダ情報のみで自律走行型ロボットの自己位置を確定するには難がある。
【０００４】
一方、自律走行型ロボット等走行体の自己位置を、走行途次において、既知の特徴点たとえばマンホールの位置に自律走行型ロボット等走行体が到達した時点で補正することが考えられるが、下水道管等管渠におけるマンホール、Ｔ字状接合点、Ｙ字状接合点、異径接合点、ジョイント部といった特徴点を、簡便に各特徴点の種別毎に検出する手段は未だ提案されていない。
【０００５】
他方、ＧＰＳを用いた車両等の自己位置検出システムが既知である（たとえば、特許文献１参照）。しかし、ＧＰＳを用いる車両等走行体の自己位置検出システムは、下水道管等地下に埋設される配管等の内部を走行する自律走行型ロボット等走行体の自己位置検知手段としては適用することができない。
【特許文献１】特開平０８−０８２５２６号公報
【０００６】
また、ＣＣＤカメラ等で取得された画像データを処理して、カメラ設置位置から対象までの距離を知る手段が知られている（たとえば、特許文献２参照）。しかしながら、この先行技術は、固定されたカメラ設置地点から対象までの距離を検出する手段を提供するに止まり、下水道管等管渠の内部を自律的に走行する自律走行型ロボット等の自己位置をリアルタイムに検知する手段を教示するものではない。
【特許文献２】特開２００２−０４２１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
叙上のように、下水道管等管渠の内部を自律的に走行する自律走行型ロボット等の自己位置を正確に検知するシステムがないために、自律走行型ロボット等が下水道管等管渠の内部で取得した管内欠陥部を示す画像データの取得位置を確定することおよび万一、自律走行型ロボット等が故障した場合の自律走行型ロボット等の自己位置を確定することが困難であった。本発明は、下水道管等管渠の内部を自律的に走行する自律走行型ロボットの自己位置を正確かつリアルタイムに検知する簡便な方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための、請求項１に記載の発明は、下水道管等の内部を自律的に走行し管渠内部の欠陥等を検出するロボットの自己位置を検知する方法であって、前記自律走行型ロボットにカメラセンサおよび距離センサを搭載し、距離センサによって下水道管等におけるマンホール、Ｔ字状接合点、Ｙ字状接合点、異径接合点、ジョイント部等の特徴点を識別し、カメラセンサによって取得した画像データのエッジ画素数と、予め作成しておいた前記各特徴点からの距離に対応するエッジ画素数との対比によって、前記自律走行型ロボットの自己位置を前記特徴点からの距離として演算算出するようにしたカメラセンサと距離センサによるロボットの自己位置検知方法である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、下水道管等の内部を自律的に走行し管渠内部の欠陥等を検出するロボットの自己位置を検知する装置であって、前記自律走行型ロボットと、該自律走行型ロボットに搭載されるカメラセンサおよび前記自律走行型ロボットから下水道管等の半径方向の距離を測定しその結果に基づいて下水道管等におけるマンホール、Ｔ字状接合点、Ｙ字状接合点、異径接合点、ジョイント部等の特徴点を識別する距離センサと、前記カメラセンサによって取得された画像をエッジ処理する画像処理手段と、予め作成された、特徴点からの距離に対応するエッジ画素数のテーブルにおけるエッジ画素数と前記カメラセンサによって取得された画像をエッジ処理して得られたエッジ画素数を対比し、自律走行型ロボットの自己位置を前記各特徴点からの距離として演算算出する演算処理装置とを有するカメラセンサと距離センサによるロボットの自己位置検知装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、距離センサによって、マンホール、Ｔ字状接合点、Ｙ字状接合点、異径接合点、ジョイント部といった特徴点を種別毎に的確に検出できるから、各特徴点毎に自律走行型ロボットの自己位置の補正ができ、高い精度で自律走行型ロボットの自己位置の検知が可能となる。また、カメラセンサによって取得した画像データによって、自律走行型ロボットの自己位置を上記各特徴点からの距離として演算算出することができる。
【００１１】
距離センサおよびカメラセンサからの情報を組み合わせることによって、自律走行型ロボットのナビゲーションマップ（管渠及び特徴点配置・位置情報）を再生できる。さらに、本発明によるときは、定量化したセンサの情報を用いるため、自律走行型ロボットの自己位置を正確に確定できる。また、本発明においては、自律走行型ロボットの自己位置の演算算出に際しては、カメラセンサによって取得した画像データの、たとえばマンホール存在箇所といった関心領域といった一部の画像データのみをエッジ処理しその画素数と、予め作成しておいた各特徴点からの距離に対応するエッジ画素数とを対比することによって各特徴点からの自律走行型ロボットまでの距離を演算算出するようにしているから、要処理画像データ量が大きく削減され、リアルタイムでの自律走行型ロボットの自己位置の検知が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明において、カメラセンサおよび距離センサを搭載する自律走行型ロボット（管内走行装置）としては、出願人が特願２００５−０１７３８４号にて提案した、図１２および図１３に示す自律走行型ロボット（管内走行装置）を好適に用いることができる。この管内走行装置は、図１２および図１３に示すように、フレーム２とフレーム２の前部右側、前部左側、後部右側および後部左側に設けられた回動軸１８〜２１に軸支されて水平面内で回動自在な第１乃至第４のアーム３〜６と、第１乃至第４のアーム３〜６の一端に軸支されて水平面内で回転駆動される第１乃至第４の駆動輪１１〜１４と、第１乃至第４のアーム３〜６に回動軸１８〜２１回りの復元力を印加する第１および第２のばね１５、１６を備えた構成になる。
【００１３】
上記構成になる自律走行型ロボット（管内走行装置）は、複雑な操舵機構や外部制御機構を用いることなく、彎曲した管路、内径の変化する管路、分岐のある管路等を自在に走行できるので、各種配管、わけても地中に埋設されている上下水道配管、ガス配管等の内部を検査する検査装置用として有用である。
【００１４】
本発明において自律走行型ロボット（管内走行装置）に搭載されるカメラセンサは、好ましくは、魚眼レンズを装着した１台のカメラで構成される。自律走行型ロボット（管内走行装置）は、魚眼レンズを装着したカメラ（撮像装置）１台と距離センサを搭載して下水道管等管渠の内部を自律的に移動し、管内を魚眼レンズを装着したカメラで撮像して取得した画像データを、自律走行型ロボット（管内走行装置）本体内に配設されたハードディスク等（図示せず）の記憶装置に格納するか或いは外部のコンピュータに伝送する。
【００１５】
而して本発明においては、自律走行型ロボットに搭載されるカメラセンサおよび距離センサのフュージョンによって自律走行型ロボットの自己位置をリアルタイムに検知するシステムである。距離センサによって自律走行型ロボットからの下水道管等の半径方向の距離を測定し、その結果に基づいてマンホール、Ｔ字状接合点、Ｙ字状接合点、異径接合点、ジョイント部といった特徴点を種別毎に識別する。また、カメラセンサによって管内の画像データを取得するとともに、画像処理手段によって、特徴点等関心領域のエッジ処理を行う。
【００１６】
一方、各特徴点からの距離に対応するエッジ画素数のテーブル（マップ）を予め作成しておく。而して、カメラセンサによって取得された画像の関心領域（ＲＯＩ：region of interest）をエッジ処理して得られた画素数と、前記テーブルにおける各特徴点からの距離に対応するエッジ画素数とを対比し、自律走行型ロボットの自己位置を、各特徴点からの距離として演算算出する。
【実施例１】
【００１７】
図１に、本発明の、カメラセンサおよび距離センサによるロボットの自己位置検知装置を示す。図１に示すように、自律走行型ロボット（管内走行装置）３１の先頭部には、カメラセンサ３２およびセンサ３４−１乃至３４−４からなる距離センサ３４が搭載されている。距離センサ３４によって下水道配管網におけるマンホール、Ｔ字状接合点、Ｙ字状接合点、異径接合点、ジョイント部といった特徴点を種別毎に識別するとともに、カメラセンサ３２によって取得した画像データおよびエッジ画素数テーブル（マップ）との対比によって、そのときの自律走行型ロボット（管内走行装置）３１の自己位置を各特徴点からの距離としてコンピュータで演算算出する。
【００１８】
本発明においては、センサ３４−１乃至３４−４からなる距離センサ３４によって、自律走行型ロボット（管内走行装置）３１から下水道管等における内壁面までの距離といった半径方向の距離が測定され、その結果に基づいて下水道配管網におけるマンホール、Ｔ字状接合点、Ｙ字状接合点、異径接合点、ジョイント部といった特徴点を種別毎に識別する。
【００１９】
センサ３４−１乃至３４−４からなる距離センサ３４として、この実施例においては、シャープ電機株式会社製のモデルＮｏ．ＧＰ２Ｄ１２０の赤外線距離計を用いている。本発明はこれに限ることなく、種々の距離センサを用い得ることは勿論である。
【００２０】
図２乃至図１１を参照しながら、本発明のカメラセンサおよび距離センサによるロボットの自己位置検知方法を実施するときのプロセスを説明する。
【００２１】
１）カメラセンサによる画像取得ならびに自律走行型ロボット（管内走行装置）３１の自己位置の演算算出
ア．エッジ画素数の算出
自律走行型ロボット（管内走行装置）３１に搭載されたカメラセンサ３２によって取得された画像データ、たとえば図９に示すマンホール近傍といった特徴点で取得された画像データから、図３に示す関心領域ＲＯＩ（マンホール、Ｔ字状接合点、Ｙ字状接合点、異径接合点、ジョイント部等）を抽出する（図２参照）。その後、エッジ処理を施す。ここで、エッジ処理とは、画像データにおいて白く強調された画素を抽出することであり、図１０に示すような画像が得られる。特徴点の存在しない主管の定常部においては、図１０に示すようなエッジは現れず全体が黒い画像となる。図１１に、マンホールから遠い位置で得られた画像から抽出されたエッジを示す。得られたエッジ画像において、エッジ画素数Ｎｅｄｇｅを計算する。
【００２２】
イ．距離テーブルの作成
カメラセンサ３２によって取得された画像データにおける、図３に示すような、関心領域（ＲＯＩ）のエッジ画素数Ｎｅｄｇｅから自律走行型ロボット（管内走行装置）３１の自己位置を演算算出するために、予め、各特徴点からの距離に対応するエッジ画素数を示す距離テーブルを作成する。距離テーブルは特徴点の種別毎に作成されるが、一般に、下水道管等は、図４に示すように、下記の特徴点をもつことから、必要なテーブルは自ずと定まってくる。
ａ．マンホールＭ間の最大距離は、５０ｍである。
ｂ．下水道管等における主管Ｐの最大長さ（ジョイントＪの間隔）は、５ｍである。
ｃ．Ｔ字状接合点、Ｙ字状接合点は、主管Ｐ（５ｍ長さ）の途中に存在する。
ｄ．主管Ｐのサイズ（内径または外径）が決まると、Ｔ字状接合点、Ｙ字状接合点等における管のサイズも決まる。
以上のことから、下水道管等においては、軸方向５ｍ以内に何らかの特徴点が出現する。従って、これら各特徴点と、自律走行型ロボット（管内走行装置）３１の距離を０〜５００ｃｍに設定し、距離とそれに対応するエッジ画素数のテーブルを予め作成しておく。なお、万一特徴点における管サイズが規定外のものである場合は、事前情報として織り込めるのでそれに対応した距離対応エッジ画素数テーブルの作成が可能である。
【００２３】
ウ．自律走行型ロボットの自己位置の演算算出
走行中の自律走行型ロボット（管内走行装置）３１に搭載されているカメラセンサ３２によって取得された画像データの関心領域（ＲＯＩ）をエッジ処理して得られたエッジ画素数Ｎｅｄｇｅを距離対応画素数テーブルにおけるエッジ画素数ＮＴｅｄｇｅと対比することによって、自律走行型ロボット（管内走行装置）３１の自己位置を各特徴点からの距離として演算算出できる。なお、対比する画素数テーブルにおけるエッジ画素数ＮＴｅｄｇｅの選定は、エッジ画素数Ｎｅｄｇｅが図３におけるどの関心領域（ＲＯＩ）から得られたものであるかが容易に判別できるので、正確に行うことができる。
【００２４】
２）距離センサによる特徴点の種別検出
叙上のように、カメラセンサ３２によって取得された画像における関心領域（ＲＯＩ）のエッジから算出されたエッジ画素数Ｎｅｄｇｅと、距離対応画素数テーブルにおける画素数ＮＴｅｄｇｅとを対比することによって自律走行型ロボット（管内走行装置）３１の自己位置ならびに特徴点の種別の判別が可能であるが、主管Ｐ内に亀裂や汚れ、介在物といった外乱が存在する場合もエッジが抽出される。このような場合、本発明においては、距離センサ３４によって自律走行型ロボット（管内走行装置）３１の自己位置の補正を行う。
【００２５】
ア．距離センサ３４によって得られた情報の確認
図２に示すように、カメラセンサ３２によって取得された画像の関心領域（ＲＯＩ）をエッジ抽出して得られたエッジ画素数ＮｅｄｇｅがＴという値よりも大きくなった場合に、距離センサ３４による情報を確認する。距離センサ３４による特徴点（マンホール等）の種別の検出は、自律走行型ロボット（管内走行装置）３１を微小移動させて２回行う。
【００２６】
ここで、定義したＴという値は、自律走行型ロボット（管内走行装置）３１が特徴点に到達したときの、外乱がない場合のエッジ画素数である。即ち、外乱がない場合に、カメラセンサ３２によって取得された画像データから抽出された関心領域（ＲＯＩ）のエッジから算出されたエッジ画素数Ｎｅｄｇｅの最大値がＴである。
【００２７】
イ．特徴点の種別の検出
距離センサ３４による特徴点の種別の検出は、以下のようにしてなされる。
ａ．図５に示すように、距離センサ３４−１の値が最大値を示した場合、その特徴点はマンホールＭである。
ｂ．図６に示すように、距離センサ３４−４の値が最大値を示した場合、その特徴点はＴ字状接合点（右方）である。また、距離センサ３４−２の値が最大値を示した場合、その特徴点はＴ字状接合点（左方）である。
ｃ．図７に示すように、距離センサ３４−４の値が、自律走行型ロボット（管内走行装置）３１を微小移動させて２回測定したときに変動した場合、その特徴点はＹ字状接合点（右方）である。また、距離センサ３４−２の値が、自律走行型ロボット（管内走行装置）３１を微小移動させて２回測定したときに変動した場合、その特徴点はＹ字状接合点（左方）である。
ｄ．図８に示すように、距離センサ３４−１乃至３４−４全ての値が、自律走行型ロボット（管内走行装置）３１を微小移動させて２回測定したときに変動した場合、その特徴点は異径接合点（段差部）Ｄである。
【００２８】
３）距離センサ３４による距離補正
叙上のように、距離センサ３４によって下水道管等における特徴点（マンホール等）の種別を確実に判別できるので、下水道管等管渠内部に自律走行型ロボット（管内走行装置）３１を走行（ナビゲート）させる場合、識別された各特徴点と予め作成しておいた下水道配管マップとを照合することによって自律走行型ロボット（管内走行装置）３１の自己位置の補正が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施例に係るカメラセンサと距離センサによるロボットの自己位置検知装置を示す図  （ａ）は側面図  （ｂ）は正面図である。
【図２】本発明の一実施例に係るカメラセンサと距離センサによるロボットの自己位置検知方法の処理フローを示すブロックダイアグラム
【図３】本発明の一実施例に係るカメラセンサと距離センサによるロボットの自己位置検知方法において、取得画像から関心領域のエッジ画素数を算出するステップを示すブロックダイアグラム
【図４】本発明の一実施例に係るカメラセンサと距離センサによるロボットの自己位置検知装置及び方法における自律走行型ロボットの自己位置の演算算出段階および距離センサによる特徴点の検出位置を示す模式図
【図５】本発明の一実施例に係る、距離センサによるマンホールの識別の模様を示す模式図
【図６】本発明の一実施例に係る、距離センサによるＴ字状接合点の識別の模様を示す模式図
【図７】本発明の一実施例に係る、距離センサによるＹ字状接合点の識別の模様を示す模式図
【図８】本発明の一実施例に係る、距離センサによる異径接合点の識別の模様を示す模式図
【図９】本発明の一実施例に係る、カメラセンサによって取得された画像（マンホール部）を示す図
【図１０】本発明の一実施例に係る、カメラセンサによって取得された画像（マンホール部）の関心領域のエッジ処理後の画像（マンホール近傍）を示す図
【図１１】本発明の一実施例に係る、カメラセンサによって取得された画像（マンホール部）の関心領域のエッジ処理後の画像（マンホール遠方）を示す図
【図１２】本発明の一実施例に係る、自律走行型ロボット（管内走行装置）を示す平面図
【図１３】本発明の一実施例に係る、自律走行型ロボット（管内走行装置）を示す正面図
【符号の説明】
【００３０】
１  管内走行装置
２  フレーム
３  第１のアーム
４  第２のアーム
５  第３のアーム
６  第４のアーム
７  第１の駆動モータ
８  第２の駆動モータ
９  第３の駆動モータ
１０  第４の駆動モータ
１１  第１の駆動輪
１２  第２の駆動輪
１３  第３の駆動輪
１４  第４の駆動輪
１５  第１のばね
１６  第２のばね
１７  ペイロード
１８  回動軸
１９  回動軸
２０  回動軸
２１  回動軸
２２  管
３１  自律走行型ロボット（管内走行装置）
３２  カメラセンサ
３４  距離センサ
Ｍ  マンホール
Ｊ  ジョイント部
Ｔ  Ｔ字状接合点
Ｙ  Ｙ字状接合点
Ｐ  主管
Ｄ  異径接合点
【図１】
2007113240.tif 000003
【図２】
2007113240.tif 000004
【図３】
2007113240.tif 000005
【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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【図１２】
2007113240.tif 000014
【図１３】
2007113240.tif 000015