(57)【要約】【課題】簡素な構成で移動体の向きを測定可能な移動体の自己位置測定システムを提供する。【解決手段】移動体の自己位置測定システムは、作業領域７０を移動可能な移動体１０に配置される回転装置２０と、回転装置２０に配置されるレーザ距離計３０と、移動体１０に配置される移動反射部材４０と、作業領域７０或いは作業領域周辺の所定位置に設置される少なくとも１つの固定反射部材５０ａ、５０ｂを備える。移動体の自己位置測定システムでは、簡素な構成で精度よく移動体１０の向きを測定することができる。【選択図】図１
2013140083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業領域を移動可能な移動体に配置される回転装置と、
前記回転装置に配置されるレーザ距離計と、
前記移動体に配置される移動反射部材と、
前記作業領域或いは前記作業領域周辺の所定位置に設置される少なくとも１つの固定反射部材と、を備え、
前記レーザ距離計は前記回転装置の回転軸からレーザを照射するよう配置され、
前記移動反射部材は前記移動体の正面と前記回転装置の回転軸とを結ぶ直線上に配置され、
前記移動体が前記作業領域の任意の位置に移動し、前記回転装置の駆動中に前記レーザ距離計がレーザを照射し、
前記固定反射部材で反射したレーザを受光して所定の基準方向と固定反射部材方向との角度を測定するとともに、前記移動反射部材で反射したレーザを受光して前記基準方向と移動反射部材方向との角度を測定し、
前記基準方向と前記固定反射部材方向との角度及び前記基準方向と前記移動反射部材方向との角度の差角から前記移動体の方位角を測定する、
ことを特徴とする移動体の自己位置測定システム。
【請求項２】
前記固定反射部材が少なくとも２つ離間して配置され、
前記移動体が前記作業領域の任意の位置に移動し、前記回転装置の駆動中に前記レーザ距離計がレーザを照射し、
それぞれの前記固定反射部材で反射したレーザを受光し、任意の位置からそれぞれの前記固定反射部材までの距離を測定して前記移動体の位置を測定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の移動体の自己位置測定システム。
【請求項３】
前記移動体が高さ方向に伸縮自在な脚を有する脚式ロボットであり、
前記回転装置の回転軸が一定に維持され、前記固定反射部材と前記レーザ距離計との高さが一定に維持される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の移動体の自己位置測定システム。
【請求項４】
前記脚式ロボットが農業用ロボットである、
ことを特徴とする請求項３に記載の移動体の自己位置測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体の自己位置測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
農地での苗の植え付けや作物の収穫における農業用ロボットなど、様々な自走式作業ロボットの活用が検討されている。このようなロボットが自律的に作業するためには、ロボットが現在どの場所で作業しているのか、ロボットの自己位置認識の機能が要求される。
【０００３】
自己位置認識の方法として、ロボットに内界センサを設置して認識する方法、ロボット外部に外界センサを設置して認識する方法がある。内界センサによる方法は、誤差が積分されるため、特に屋外で正確な誘導を行う場合には適さない。一方、外界センサの代表的な例である画像処理を利用した手法は、屋外の条件下では困難が多い。他方、車両外からのセンサを利用する手法には、ＧＰＳや光波測距儀を用いた手法があるが、これらは非常に高価であり、また、基地局の設置・移動に関する問題も生ずる。
【０００４】
その他、特許文献１には、自走車の位置制御装置について開示されている。作業領域周辺に少なくとも３箇所の基準点に光反射手段が設置され、自走車と各基準点との挟み角から自走車の方位角を測定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−１５０６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、少なくとも３つの基準点が設置されている必要があり、簡素な測定手段とは言えない。
【０００７】
本発明は上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡素な構成で移動体の向きを測定可能な移動体の自己位置測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る移動体の自己位置測定システムは、
作業領域を移動可能な移動体に配置される回転装置と、
前記回転装置に配置されるレーザ距離計と、
前記移動体に配置される移動反射部材と、
前記作業領域或いは前記作業領域周辺の所定位置に設置される少なくとも１つの固定反射部材と、を備え、
前記レーザ距離計は前記回転装置の回転軸からレーザを照射するよう配置され、
前記移動反射部材は前記移動体の正面と前記回転装置の回転軸とを結ぶ直線上に配置され、
前記移動体が前記作業領域の任意の位置に移動し、前記回転装置の駆動中に前記レーザ距離計がレーザを照射し、
前記固定反射部材で反射したレーザを受光して所定の基準方向と固定反射部材方向との角度を測定するとともに、前記移動反射部材で反射したレーザを受光して前記基準方向と移動反射部材方向との角度を測定し、
前記基準方向と前記固定反射部材方向との角度及び前記基準方向と前記移動反射部材方向との角度の差角から前記移動体の方位角を測定する、
ことを特徴とする。
【０００９】
また、前記固定反射部材が少なくとも２つ離間して配置され、
前記移動体が前記作業領域の任意の位置に移動し、前記回転装置の駆動中に前記レーザ距離計がレーザを照射し、
それぞれの前記固定反射部材で反射したレーザを受光し、任意の位置からそれぞれの前記固定反射部材までの距離を測定して前記移動体の位置を測定することが好ましい。
【００１０】
また、前記移動体が高さ方向に伸縮自在な脚を有する脚式ロボットであり、
前記回転装置の回転軸が一定に維持され、前記固定反射部材と前記レーザ距離計との高さが一定に維持されることが好ましい。
【００１１】
また、前記脚式ロボットが農業用ロボットであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る移動体の自己位置測定システムでは、簡素な構成で精度よく移動体の向きを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】移動体の自己位置測定システムの概略構成図である。
【図２】移動体の平面図である。
【図３】移動体の位置及び向きの測定を説明する図である。
【図４】移動体の向きの測定を説明する図である。
【図５】凹凸を有する地面における移動体の移動の様子を示す側面図である。
【図６】実施例における実験状況を説明する図である。
【図７】実施例における移動体の位置の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図を参照しつつ、本実施の形態に係る移動体の自己位置測定システムについて説明する。移動体の自己位置測定システムは、作業領域７０を移動可能な移動体１０に設置される回転装置２０と、レーザ距離計３０と、移動反射部材４０と、固定反射部材５０ａ、５０ｂと、演算装置６０から構成される。なお、本説明において、作業領域７０をＸ−Ｙ平面座標として説明する。
【００１５】
移動体１０は、ベース１１と複数の脚１２を備えた所謂脚式ロボットであり、不図示の制御装置等の指示に基づいて、自動で作業領域７０を移動する。移動体１０として、Ｘ−Ｙ平面座標で規定され得る種々の作業領域にて、種々の作業を行い得るロボットであれば特に限定されるものではない。
【００１６】
回転装置２０は、ベース１１に設置される。上述のように、ベース１１がＸ−Ｙ平面に対して平行状態を維持可能であるので、回転装置２０も同様にＸ−Ｙ平面に対して平行に回転可能に構成されている。これにより、回転装置２０の回転軸はＸ−Ｙ平面に対して略垂直に維持される。回転装置２０は、ベース１１上で回転可能な構成であれば、どのような構成でもよく、例えば、高精度な回転雲台等、ステッピングモータやサーボモータ等の駆動源と回転台とを組み合わせた構成が挙げられる。
【００１７】
回転装置２０には、レーザ距離計３０が配置される。図２に示すように、レーザ距離計３０は、回転装置２０の回転に追従して回転する。回転装置２０へのレーザ距離計３０の設置は直接的であっても間接的であってもよい。レーザ距離計３０は、レーザの照射及び受光が可能であり、対象物へレーザを照射し対象物で反射したレーザを受光し、レーザ距離計３０から対象物までの距離を計測する。レーザ距離計３０は、時間や周波数、位相等、種々の情報に基づいて対象物までの距離を測定可能な装置であればいずれであってもよい。
【００１８】
レーザ距離計３０は、回転装置２０の回転軸上にレーザの照射・受光部が位置するよう配置されている。回転装置２０の回転軸から回転軸に垂直な方向へレーザを照射するよう配置される。すなわち、上述のように回転装置２０がＸ−Ｙ平面に平行に回転可能であるため、レーザ距離計３０もＸ−Ｙ平面に平行にレーザを照射・受光する。
【００１９】
移動反射部材４０は、移動体１０に設置される。図２に示すように、移動反射部材４０は移動体１０の正面方向で回転装置２０の回転軸との間に設置される。移動反射部材４０は、レーザを反射可能な素材であればいずれの素材から構成されていてもよい。
【００２０】
固定反射部材５０ａ、５０ｂは、Ｘ−Ｙ平面座標の所定の箇所に配置される。即ち、固定反射部材５０ａ、５０ｂのＸ−Ｙ平面における座標はいずれも既知であり、Ａ（ｘａ，ｙａ）、Ｂ（ｘｂ，ｙｂ）で表される。固定反射部材５０ａ、５０ｂは、いずれもレーザを反射可能な素材であればいずれの素材から構成されていてもよい。また、固定反射部材５０ａ、５０ｂは、レーザ距離計３０から照射されたレーザが照射される高さに配置される。
【００２１】
演算装置６０は、後述する基準ベクトルや固定反射部材５０ａ、５０ｂの座標情報を記憶しておく記憶部、及び、得られた距離データや方向ベクトルから移動体１０の位置並びに向きを算出する演算部を有している。
【００２２】
続いて、移動体１０の位置並びに向きの測定について説明する。
【００２３】
まず、移動体１０の位置の測定について説明する。図３に示すように、移動体１０がＸ−Ｙ平面座標上の地点Ｐ（ｘｐ，ｙｐ）へ移動した場合を考える。地点Ｐは、回転装置２０の回転軸座標である。地点Ｐにて、回転装置２０が駆動する。さらに、回転装置２０の駆動でレーザ距離計３０が回転しつつレーザを照射する。
【００２４】
レーザが地点Ａ（ｘａ，ｙａ）に設置されている反射部材５０ａで反射すると、レーザ距離計３０は反射部材５０ａで反射したレーザを受光する。これにより、地点Ａと地点Ｐとの距離Ｌ１が測定される。
【００２５】
更に、レーザが地点Ｂ（ｘｂ，ｙｂ）に設置されている反射部材５０ｂで反射すると、レーザ距離計３０は反射部材５０ｂで反射したレーザを受光する。これにより、地点Ｂと地点Ｐとの距離Ｌ２が測定される。
【００２６】
そして、測定されたＬ１及びＬ２の距離データから、演算装置６０がＸ−Ｙ平面座標上における地点Ｐの座標を求める。具体的には、地点Ａを支点とする半径Ｌ１の円と地点Ｂを支点とする半径Ｌ２の円との交点が地点Ｐの座標である。このようにして地点Ｐの座標、即ち、移動体１０の位置が測定される。
【００２７】
続いて、Ｘ−Ｙ平面座標上における移動体１０の向きの測定について説明する。ここで、移動体１０の向きθは、移動体１０の基準方向（以下、基準ベクトルとも記す）からの変化量であり、基準ベクトルとの方位角である。本説明では、Ｘ軸方向のベクトルを基準ベクトルとして説明する。
【００２８】
まず、図３に示すように、移動体１０が地点Ｐ（ｘｐ，ｙｐ）へ移動し、任意の方向を向いている状態を考える。そして、上記と同様、地点Ｐにて、回転装置２０を駆動させる。回転装置２０の駆動中、レーザ距離計３０がレーザを照射する。
【００２９】
レーザが反射部材５０ａに反射すると、レーザ距離計３０は反射部材５０ａで反射したレーザを受光する。これにより、地点Ｐと地点Ａを結ぶベクトル（以下、ベクトルＡとも記す）が求められる。そして、図４に示すように、基準ベクトルとベクトルＡとの差角θＡが求められる。
【００３０】
更に、レーザが移動体１０の正面方向に設置されている反射部材４０に反射すると、レーザ距離計３０が反射部材４０で反射したレーザを受光する。これにより、地点Ｐと反射部材４０とを結ぶベクトル（以下、ベクトルＦとも記す）が求められる。そして、基準ベクトルとベクトルＦとの差角θＦが求められる。
【００３１】
そして、θＡとθＦとの差角から、移動体１０の向きθが求まる。このように、演算装置６０が予め基準ベクトルを記憶しておけば、θＡ及びθＦを求めることができ、これにより移動体１０の方位角θを求めることができる。
【００３２】
なお、地点Ｐと地点Ｂとを結ぶベクトル、及び、地点Ｐと反射部材４０とを結ぶベクトルを求め、それらの差角から移動体１０の向きθを求めてもよい。また、基準ベクトルはＹ軸方向のベクトルや任意の方向のベクトルを用いてもよい。
【００３３】
なお、移動体１０の移動方式は脚式に限らず、車輪等で移動するものであってもよいが、本実施の形態に係る自己位置測定システムは、田畑等の農地にて、苗や種の植え付け、作物の収穫などの農作業を行う脚式の農業用ロボットに対して特に有用である。農地などの場合、表面に凹凸が多々存在するとともに、地面が軟らかいので、ロボットが移動する際に、姿勢変化が生じやすい。このような状況下においても、脚式であれば、図５の矢印で示すように、移動体１０が移動した際、それぞれの脚１２が独立して伸縮するので、ベース１１の傾き及び高さがほぼ一定に保たれるよう制御され得る。これにより、レーザ距離計３０と固定反射部材５０ａ、５０ｂとの高さ関係及びレーザの水平面に対する照射角度が維持され得る。また、同様に回転装置２０の回転軸の傾きもほぼ一定に維持され得る。したがって、移動体１０の位置及び方位角を精度よく測定することができる。
【００３４】
なお、固定反射部材５０ａ、５０ｂは、レーザ距離計３０が照射するレーザを反射可能であり、その位置の座標が認識可能な箇所であれば、作業領域７０或いは作業領域７０周辺のいずれの位置に設置されていてもよい。
【００３５】
また、上記では、固定反射部材が２つ設置されている例について説明したが、３つ以上設置されていてもよい。例えば、矩形の作業領域７０の場合、作業領域７０の４隅にそれぞれ固定反射部材が設置されていてもよい。この場合、移動体１０の位置からそれぞれの固定反射部材までの距離データが４つ得られ、それぞれの固定反射部材を支点にしたそれぞれの距離の円の交点座標が移動体１０の位置となる。また、任意の基準ベクトルが設定されていれば、いずれかの固定反射部材を利用して上記同様に、移動体１０の方位角が測定される。
【実施例】
【００３６】
車両８０に回転装置２０、レーザ距離計３０及び移動反射部材４０を設置した。そして、室内にて、図６に示すように、１０ｍ×４ｍの領域内を、ストップ・アンド・ゴーを繰り返しながら車両８０を移動させた。車両８０の停車時に、それぞれの停車位置における車両８０のＸ−Ｙ平面座標上の位置及び方位角の測定を試みた。上記装置で行ったものをＬＤＳと記す。
【００３７】
また、評価のために、比較例としてトータルステーション（精度５ｍｍ）で車両８０のＸ−Ｙ平面座標上の位置及び方位角を測定した。以下、トータルステーションで行ったものをＴＳと記す。
【００３８】
ＬＤＳ及びＴＳでそれぞれ側定した車両８０のＸ座標、Ｙ座標、方位角、並びに、ＬＤＳとＴＳとの差を表１に示す。また、車両８０の位置におけるノルムの平均及び標準偏差、並びに、車両８０の方位角における角度の誤差絶対値の平均及び標準偏差を表２に示す。
【００３９】
【表１】
2013140083.tif 000003
【００４０】
【表２】
2013140083.tif 000004
【００４１】
ＴＳとＬＤＳとの差を検討すると、ノルム（ＲＭＳ（ｍ））の平均（ｍｅａｎ）および標準偏差（ＳＤ）がそれぞれ１０ｍｍ程度であった。また、角度の誤差絶対値（ａｂｓ＿θ（°））の平均（ｍｅａｎ）と標準偏差（ＳＤ）は、それぞれ０．２°程度であった。このように、簡素な構成でも、精度よく移動体の位置及び方位角を測定できることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上説明したように、移動体の自己位置測定システムでは、簡素な構成で作業領域における移動体の位置及び向きを精度よく測定することが可能である。したがって、農地での苗の植え付けや作物の収穫における農業用ロボットなどをはじめ、様々な自走式作業ロボットへの利用が期待される。
【符号の説明】
【００４３】
１    自己位置測定システム
１０    移動体（ロボット）
１１    ベース
１２    脚
１３    車輪
２０    回転装置
３０    レーザ距離計
４０    移動反射部材
５０ａ  固定反射部材
５０ｂ  固定反射部材
６０    演算装置
７０    作業領域
８０    車両
【図１】
2013140083.tif 000005
【図２】
2013140083.tif 000006
【図３】
2013140083.tif 000007
【図４】
2013140083.tif 000008
【図５】
2013140083.tif 000009
【図６】
2013140083.tif 000010
【図７】
2013140083.tif 000011