(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
障害物検出手段と簡単な回避アルゴリズムを搭載した清掃ロボットの移動走行を、司令用コンピュータが遠隔的に誘導操作するように構成した誘導システムであって、
清掃エリアの端部や天井等に複数のマイクロフォンを設置する一方、
上記の清掃ロボットには、平面視形状が１つの頂点を清掃ロボットの進行方向に向けた三角形に配置され、且つ、この三角形の各頂点に位置させた状態で夫々外側に向けて取付けられる計３個のスピーカと、上記コンピュータからの司令に従ってこれ等各スピーカに音響信号を発信させる音響信号生成器を設けると共に、
上記司令用コンピュータには、必要時に上記清掃ロボットの音響信号生成器に音響信号の発信指令を送る音響発信指令手段と、
上記清掃ロボットの１つのスピーカから放射される音響信号を、上記清掃エリアに複数設置したマイクロフォンにて受信し、各マイクロフォンの受信データ同士の相互相関関数を計算して、そのピーク値より２つのマイクロフォンからの距離の差を求める距離算出手段と、
この様にして求めた複数の距離の差をもとにした双曲線の交点を音源座標として認識して、これを清掃エリアマップ上にプロットし、同様に他のスピーカの位置を順次プロットすることによって、清掃エリアマップ上に三角形を構成して、清掃ロボットの絶対位置と進行方向を認識する清掃機絶対位置及び進行方向認識手段と、
清掃エリアマップ上に認識した清掃ロボットをラジオコントロールで誘導する清掃機誘導制御手段とを具備せしめたことを特徴とする音響信号を利用した清掃ロボット用誘導システム。
【請求項２】
前記スピーカによって放射される音響が、外乱音響の周波数域を避けた周波数成分によって構成されると共に、司令用コンピュータは、取り込んだ信号に音響信号の周波数成分帯のフイルタ処理を施すように構成したことを特徴とする請求項１記載の音響信号を利用した清掃ロボット用誘導システム。
【請求項３】
司令用コンピュータは、制御可能な清掃エリアの範囲内で、同時に複数台の清掃ロボットに順次各指令を発して、ラジオコントロールによって誘導制御できるように構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の音響信号を利用した清掃ロボット用誘導システム。
【請求項４】
司令用コンピュータは、清掃エリア内に設置されている各種什器の近傍位置や、旋回位置等で、清掃ロボットに対して比較的頻繁に音響放射の指令を発し、広い通路中央部等の清掃エリアに於いては、その音響放射の指令回数を少く調整するように構成したことを特徴とする請求項１、２又は３記載の音響信号を利用した清掃ロボット用誘導システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、清掃ロボットの移動走行を、司令用のコンピュータ（ＰＣ）を用いて遠隔的に誘導することができる誘導システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
清掃ロボットの移動走行を遠隔的に誘導する誘導システムについては、従来より、例えば特開平５−１６１５７７号公報等に見られるように、（１）清掃エリアのマップを持ち、そのマップ上で清掃ロボット自身の位置を検出するための計測手段を有すると共に、（２）清掃ロボット自身にマッピングされていない障害物を検出するセンシング手段と、回避アルゴリズムを具備させた構造のものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の誘導システムの構成のうち、（２）に記載したセンシング手段に関しては、光学センサ、超音波、触覚検出を用いた近接センサ等を用いることによって、比較的容易に実現可能であり、また、回避アルゴリズムについても、警報発令や徐行、緊急停止等の単純な作業で対応することが可能である。
【０００４】
ところが、上記（１）で述べた構成に関して、マップ作成は比較的容易な作業であるのに対し、位置検出については非常に複雑で高精度な手法が採用されている。
例を挙げると、マップ上のスタート位置にセットされた清掃ロボットは、車輪の回転量を基に走行距離を認識し現在の位置を把握する。しかし、車輪のスリップ、径年変化などによる車輪直径の変化により、その位置ははなはだ曖昧なものであるため、経路の定点にランドマークを配し、そのランドマークを検出することにより自身の位置をリセットするなどして累積誤差の影響を排除する必要があるため、装置全体が複雑になって高価格化する問題があり、加えて、以上の制御システムは各清掃ロボット毎に保有させる必要があるので、益々価格が高くなってしまう問題があった。
【０００５】
従って本発明の技術的課題は、比較的簡単な手法で清掃ロボットの絶対位置を検出し、遠隔操作により１つの司令系で複数の清掃ロボットを制御可能なシステムを提供することにより、安価で信頼性の高い清掃ロボットの誘導システムを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の技術的課題を解決するために本発明で講じた手段は以下の如くである。
【０００７】
（１）  障害物検出手段と簡単な回避アルゴリズムを搭載した清掃ロボットの移動走行を、司令用コンピュータが遠隔的に誘導操作するように構成した誘導システムであって、
清掃エリアの端部や天井等に複数のマイクロフォンを設置する一方、
上記の清掃ロボットには、平面視形状が１つの頂点を清掃ロボットの進行方向に向けた三角形に配置され、且つ、この三角形の各頂点に位置させた状態で夫々外側に向けて取付けられる計３個のスピーカと、上記コンピュータからの司令に従ってこれ等各スピーカに音響信号を発信させる音響信号生成器を設けると共に、
上記司令用コンピュータには、必要時に上記清掃ロボットの音響信号生成器に音響信号の発信指令を送る音響発信指令手段と、
上記清掃ロボットの１つのスピーカから放射される音響信号を、上記清掃エリアに複数設置したマイクロフォンにて受信し、各マイクロフォンの受信データ同士の相互相関関数を計算して、そのピーク値より２つのマイクロフォンからの距離の差を求める距離算出手段と、
この様にして求めた複数の距離の差をもとにした双曲線の交点を音源座標として認識して、これを清掃エリアマップ上にプロットし、同様に他のスピーカの位置を順次プロットすることによって、清掃エリアマップ上に三角形を構成して、清掃ロボットの絶対位置と進行方向を認識する清掃機絶対位置及び進行方向認識手段と、
清掃エリアマップ上に認識した清掃ロボットをラジオコントロールで誘導する清掃機誘導制御手段とを具備せしめること。（請求項１）
【０００８】
（２）  前記スピーカによって放射される音響が、外乱音響の周波数域を避けた周波数成分によって構成されると共に、司令用コンピュータは、取り込んだ信号に音響信号の周波数成分帯のフイルタ処理を施すように構成すること。（請求項２）
【０００９】
（３）  司令用コンピュータは、制御可能な清掃エリアの範囲内で、同時に複数台の清掃ロボットに順次各指令を発して、ラジオコントロールによって誘導制御できるように構成すること。（請求項３）
【００１０】
（４）  司令用コンピュータは、清掃エリア内に設置されている各種什器の近傍位置や、旋回位置等で、清掃ロボットに対して比較的頻繁に音響放射の指令を発し、広い通路中央部等の清掃エリアに於いては、その音響放射の指令回数を少く調整するように構成すること。（請求項４）
【００１１】
上記（１）で述べた請求項１に係る手段によれば、制御上、清掃ロボットの現在位置や進行方向等を把握する必要が発生した場合、司令用コンピュータ（以下単に司令ＰＣと言う）は清掃ロボットの各音響信号発信手段としてのスピーカに対して順次音響を放射するように司令し、１つのスピーカから放射された音響信号を、清掃エリアの天井部や端部等に複数配置した音響信号受信手段としてのマイクロフォンにて受信して、各マイクロフォンの受信データ同士の相互相関関数を計算し、そのピーク値より２つの音響信号受信手段からの距離の差を求める。
【００１２】
この様にして求めた距離の差を基にした双曲線の交点を音源座標として認識して、清掃エリアマップ上にプロットし、同様に、残りのスピーカの位置を順次プロットすれば、清掃エリアマップ上に三角形が構成され、対象とする清掃ロボットの絶対位置や、進行方向を認識することができるため、経路の定点にランドマークを設けなくても、清掃ロボットの位置と進行方向を正しく認識できるものであって、司令ＰＣはこの様にしてマップ上に認識した清掃ロボットを、車輪のスリップや径年変化等に影響を受けることなく、ラジオコントロールで正確に誘導制御することを可能にする。
【００１３】
更に、上記（１）で述べた請求項１に係る手段によれば、スピーカとマイクロフォンの使用によってシステム全体を比較的簡単に、且つ、低コストに造ることを可能にすると共に、計３個のスピーカが、平面視形状が１つの頂点を清掃ロボットの進行方向に向けた三角形に配置され、この三角形の各頂点に位置させた状態で、夫々外側に向けて取付けられている関係で、最低限の数のスピーカによって音響信号を効果的に放射して、清掃ロボットの位置との進行方向を正確に認識することを可能にする。
【００１４】
上記（２）で述べた請求項２に係る手段によれば、スピーカが放射する音響が、外乱音響の周波数域を避けた周波数成分によって構成されると共に、取り込んだ音響信号に対してフイルタ処理を施すことによって、外乱信号を除去してその影響を排除することができるため、対象とする清掃ロボットの絶対位置や進行方向を、外乱音響の影響を受けることなく正確に認識することを可能にする。
【００１５】
上記（３）で述べた請求項３に係る手段によれば、１台の司令ＰＣによって複数台の清掃ロボットを同時に監視、誘導制御することができるため、面積の広い清掃エリアの清掃を、機能的に短時間で済ませることを可能にする。
【００１６】
上記（４）で述べた請求項４に係る手段によれば、清掃ロボットを清掃エリア内で正確に且つ効率良く走行させて、各種什器類を痛めたり、旋回位置で進路を外したりすることなく、精度の高い清掃を安全確実に行うことを可能にする。
【００１７】
以上の如くであるから、上記（１）〜（４）で述べた手段によって上述した技術的課題を解決して、前記従来の技術の問題点を解消することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る音響信号を利用した清掃ロボット用誘導システムの実施の形態を図面と共に説明すると、図１は本発明で用いる清掃ロボットの一例を示した平面図であって、回転ブラシ２を回転することによって清掃エリアの床面を清掃しながら自走するように構成した清掃ロボット１には、音響信号発信手段を構成する計３個のスピーカ３Ａ，３Ｂ，３Ｃが、平面視形状が１つの頂点を清掃ロボットの進行方向に向けた三角形に配置され、且つ、この三角形の各頂点に位置させた状態で、夫々外向きに取付けられている。
【００１９】
図２は、本発明の全体を明示した構成図であって、上記の清掃ロボット１には、上述した計３個のスピーカ３Ａ，３Ｂ，３Ｃに加えて、回転ブラシ２を回転しながら清掃ロボット１自身を走行させる駆動手段（図示省略）と、障害物検出手段と、簡単なアルゴリズムと、後述する司令ＰＣからの指令に従って各スピーカ３Ａ，３Ｂ，３Ｃに音響信号を発生させる音響信号生成器４と、音響信号増幅手段を構成するアンプ４Ａ，４Ｂ，４Ｃと、司令ＰＣからの指令を受信して、その信号を上記の音響信号生成器４に送るラジオコントロール受信機５が搭載されている。
【００２０】
また、上記の清掃ロボット１が清掃する清掃エリアＸＡ（図５参照）の端部や天井部等には、音響信号受信手段を構成する多数のマイクロフォン６…が設置され、且つ、これ等各マイクロフォン６…は夫々受信信号増幅手段であるアンプ６Ａ…と、Ａ／Ｄコンバータ（アナログデータの量子化）手段７を介して、上述した司令ＰＣ１０に接続されている。
【００２１】
更に図２に於いて、１０Ｔは各種の演算機能と判定手段を備えた上記司令ＰＣ１０の制御部であって、この制御部１０Ｔには、必要時に上記清掃ロボット１の音響信号生成器４に対して、ラジオコントロール送信手段１１、及び、ラジオコントロール受信機５を通して音響信号の発信指令を送る音響発信指令手段と、上記清掃ロボット１の１つのスピーカ３Ａ乃至３Ｃから放射される音響信号を、上記清掃エリアＸＡに設置した多数のマイクロフォン６…で受信することによって、これ等各マイクロフォン６…の音響受信データ同士の相互相関関数を計算して、そのピーク値より２つのマイクロフォン６，６からの距離の差を求める距離算出手段を構成するためのプログラムと、清掃エリアマップと、清掃コース教育アルゴリズムが具備されている。
【００２２】
更に上記の制御部１０Ｔには、上記距離算出手段が求めた複数の距離の差を基にした双曲線の交点を音源座標として認識して、これを上述した清掃エリアマップ上にプロットし、同様に他のスピーカ３Ａ乃至３Ｃの位置を順次プロットすることにより、清掃エリアマップ上に三角形を構成して、清掃ロボット１の絶対位置と進行方向を認識することができる清掃機絶対位置及び進行方向認識手段と、以上手段によって清掃エリアマップ上に認識した清掃ロボット１を、ラジオコントロールで誘導する清掃機誘導制御手段を構成するための各プログラムが具備されている。
【００２３】
次に、上述した複数の距離の差から求められる双曲線と、この双曲線による音源座標特定方法を、図３並びに図４の記載に基づいて説明する。
【００２４】
図３は、上記双曲線の作成方法を説明した図で、図示したように清掃エリアＸＡの角３ケ所に計３個のマイクロフォン６Ａ，６Ｂ，６Ｃが設置されている場合に、音源からマイクロフォン６Ａ，６Ｂに音響信号が到達するまでの時間差をΔｔABとすると、その時間差から、音源からマイクロフォン６Ａ，６Ｂまでの距離差ΔＬABが求められる。
この様にして求められた距離差がΔＬABとなる点を図示の如く連ねたのが、双曲線ＲＡであって、この双曲線ＲＡ上のどこかに音源が存在することになる。
次に、図４に示すように同様にマイクロフォン６Ａ，６Ｃまでの距離差ΔＬACとなる点を連ねて、双曲線ＲＢを求めれば、この双曲線ＲＢ上のどこかに音源が存在することになる。
【００２５】
距離差ΔＬABの双曲線ＲＡ上に音源が存在し、且つ、距離差ΔＬACの双曲線ＲＢ上にも音源が存在するということは、２本の双曲線ＲＡ，ＲＢの交点が音源座標ＡＢということになるから、上述した方法によって清掃ロボット１の各スピーカ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの座標を検出することが可能となる。
【００２６】
図５は、本発明による清掃作業パターンと位置確認ポイントを説明した説明図であって、図中ＶＴ…は清掃エリアＸＡ内に設置されている各種の什器、ＸＵ…は清掃ロボット１又は１′の旋回位置、１Ｒ，１Ｒ′，ＸＳは同じく直線移動位置であって、司令ＰＣ１０は図面上の各☆印…ポイントの部分で清掃ロボット１，１′の音響信号生成器４に対して音響放射の指令を発して位置確認しながら誘導する仕組みに成っていて、各旋回位置ＸＵ…では頻繁に位置確認を行うが、例えば符号ＸＳで示した広い通路の中央部等の清掃箇所に於いては、位置確認はそれほど頻繁に行う必要がなく、また、直線移動位置であっても、什器ＶＴ…等に近い直線移動位置１Ｒ，１Ｒ′では、比較的短い間隔で位置確認を行って、各什器ＶＴ…等への衝突を防止する仕組みに成っている。
【００２７】
尚、上記各☆印で示した位置確認ポイントは、予め司令ＰＣ１０のメモリに格納されている清掃エリアマップ毎に定められていて、その変更は任意である。また、図示の如く１度に複数台の清掃ロボット１，１′の移動走行を管理する場合は、ある清掃ロボット１又は１′が旋回位置ＸＵ等に来た時に、優先的に制御を行うために、司令ＰＣ１０は他の清掃ロボット１又は１′を徐行させたり、或は、一時停止したりする制御を行う仕組みに成っている。
【００２８】
次に、本発明に係る音響信号を利用した清掃ロボット用誘導システムの動作を図６に示したフローチャートに従って説明する。
始めのステップＳ１では、司令ＰＣ１０の指令に従って清掃エリアＸＡ内の清掃ロボットの運行をラジオコントロールにて誘導制御する。次のステップＳ２では、清掃ロボット１が図５で☆印で示した位置確認ポイントに来たか否かが判定され、ＹＥＳの場合は次のステップＳ３に進み、ＮＯの場合は始めのステップＳ１に戻る。
【００２９】
ステップＳ３では、司令ＰＣ１０から第１のスピーカ３Ａに対して音響信号発信指令が送られ、次のステップＳ４でこの発信指令を受信すると、ステップＳ５に進んで第１のスピーカ３Ａが音響信号を発信し、ステップＳ６でこの音響信号を各マイクロフォン６…で受信して、次のステップＳ７に進む。
【００３０】
ステップＳ７では、受信した音響信号をＡ／Ｄコンバータ７に入力し、次のステップＳ８で司令ＰＣ１０への入力が認められると、ステップＳ９に進んで司令ＰＣ１０が相互相関関数計算で各マイクロフォン６…迄の時間差を算出し、次いで、ステップＳ１１に進んで各時間差から各マイクロフォン６…からの距離差を求め、次のステップＳ１２で夫々の距離差から図３及び図４に示した各双曲線ＲＡ，ＲＢを求めた後、ステップＳ１３に進んで各双曲線ＲＡ，ＲＢ同士の交点座標、即ち、スピーカ３Ａの音源座標ＡＢを求めて、次のステップＳ１４に進む。
【００３１】
図７乃至図９の記載に基づいて、上述したステップＳ９とＳ１１で実行される各処理、即ち、司令ＰＣ１０が備える相互相関関数計算手段と、時間差算出手段によって時間差と距離差を求める方法について説明すると、図７は例えば２つのマイクロホンＭＡ，ＭＢによる音源の推定方法を説明した説明図、図８は２つのマイクロホンＭＡ，ＭＢが収集した音源信号ＡとＢのサンプル例を示したものであって、Ａ，Ｂ両信号の相互相関関数を計算すると、図９に示すような相互相関関数が得られる。
【００３２】
この時、相互相関関数のとる最大値までの時間：δ〔ｓｅｃ〕は、Ａ，Ｂ両信号の最も似ている部分同士の時間的ずれ（時間位相）を示している。従って音速をＶ〔ｍ／ｓｅｃ〕とすると、Ｌ２−Ｌ１＝Ｖ・δとなる。
【００３３】
図６に示したステップＳ１４では、他のスピーカ３Ｂ，３Ｃについても上記と同様に位置を求めることにより、ステップＳ１４で清掃ロボット１に搭載した計３個のスピーカ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの位置が認識され、清掃エリアマップ上に三角形が形成されるため、次のステップＳ１６で清掃ロボット１の位置と進行方向が認識されることになる。
【００３４】
従って、司令ＰＣ１０は清掃エリアマップ上に認識された清掃ロボット１を、車輪のスリップや径年変化等に影響を受けることなく、ラジオコントロールによって正確に誘導制御して、清掃エリアＸＡ内をきれいに清掃することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べた次第で、本発明に係る音響信号を利用した清掃ロボット用誘導システムによれば、１つの司令系にて複数台の清掃機を集約的に制御できるため、個々にメイン系コントロールを持ち、他の清掃機と無関係に清掃作業を行う清掃ロボット群に比べ、能率的に清掃作業が行うことができる。また、司令系の判断により突発事態（清掃ロボットが１台故障してしまったなど）の際、もっとも効率的に他の清掃機で対応するなどが可能となると共に、３点で位置確認するので直進性を高くすることができる。更に、スピーカとマイクロフォンの使用によって、システム全体を比較的簡単に、且つ、低コストに造ることができる経済性を備えている。
【００３６】
また、決まった清掃エリアなどのような閉空間において、位置確認手段に伝播速度が低い音響をつかうことで、ＡＤコンバータなどの特性も高速を要求することなく、安価な要素の組合せで高精度な位置検出システムを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明で用いる清掃ロボットの構成を簡略的に示した平面図。
【図２】  本発明に係る音響信号を利用した清掃ロボット用誘導システムの全体を明示した構成図。
【図３】  双曲線の作成方法を説明した説明図。
【図４】  音源座標特定方法を説明した説明図。
【図５】  清掃作業パターンと位置確認ポイントを説明した説明図。
【図６】  本発明の処理手順を説明したフローチャート。
【図７】  ２つのマイクロホンによる音源の推定方法を説明した説明図である。
【図８】  図７に示した２つのマイクロホンがサンプリングした音源信号の波形図である。
【図９】  図８に示した２つの信号の相互相関関数を示した波形図である。
【符号の説明】
１              清掃ロボット
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ          スピーカ
４              音響信号生成器
５              ラジオコントロール受信機
６              マイクロフォン
１０            司令ＰＣ
１０Ｔ          制御部
１１Ａ          ラジオコントロール送信機
【図１】
0003969973.tif 000002
【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】
0003969973.tif 000008
【図８】
0003969973.tif 000009
【図９】
0003969973.tif 000010