(57)【要約】【課題】従来技術では、カメラと投光する平面との相対位置関係から傾きや距離を算出しているため、平面とカメラの絶対位置が変化すると平面の絶対的な傾きを算出することができない課題がある。【解決手段】本発明は、移動装置が活動する領域の天井に設けられた認識用マークをカメラで撮像した画像から認識し、前記領域内の前期移動装置の位置を認識する自己位置認識方法において、前記移動装置が、重力方向に垂直な面を保つ屈折板を透過した天井に投光したパターンの形状と位置をカメラの撮像した画像から認識し、重力方向に対する移動装置の傾斜角を判断することにより、移動装置とマークの正確な相対位置認識を行うことを特徴とする移動装置の自己位置認識方法、および、自己位置認識移動装置を提供することを目的とする。【選択図】図１
2009276166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動装置の上部に設けられた光源から屈折機構を通して投光したパターンの形状と位置とに基づいて前記移動装置の傾きを測定し、
前記移動装置の傾きに基づいた補正を行って前記移動装置の位置を認識すること
を特徴とする移動装置の位置認識方法。
【請求項２】
前記屈折機構が、内部に液体を収納した機構であること
を特徴とする請求項１記載の移動装置の位置認識方法。
【請求項３】
前記液体の動粘度ν［ｍ2／ｓ］が、前記屈折機構の高さをｈ［ｍ］とした時に、下記式（１）を満たすこと
を特徴とする請求項２記載の移動装置の位置認識方法。
【数１】
2009276166.tif 000016
【請求項４】
下部に設置された移動機構と、
上部に設置された光源、カメラおよび屈折機構と、
前記光源から前記屈折機構を通して投光したパターンの形状と位置とに基づいて前記移動装置の傾きを測定し、前記移動装置の傾きに基づいた補正を行って前記移動装置の位置を認識する制御部と、を備えること
を特徴とする移動装置。
【請求項５】
前記屈折機構が、内部に液体を収納した機構であること
を特徴とする請求項４記載の移動装置。
【請求項６】
前記液体の動粘度νが、前記屈折機構の高さをｈとした時に、上記式（１）を満たすこと
を特徴とする請求項５記載の移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自己位置認識機能を備えた移動装置と、その位置認識方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自律移動ロボットなどの移動装置は、目的地に移動する際に、まず、自己の位置を認識する必要がある。従来、屋内における移動装置の自己位置認識方法として、その移動装置に具備されたセンサ（カメラ）により天井の認識マークを認識し、予め移動装置に登録された認識マークの情報から自己位置認識する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図１１は、特許文献１に記載の移動装置の自己位置認識の概略図である。
【０００４】
図１１において、移動装置１は、その上方に具備されたカメラ２を用いて、天井３に設置された認識マーク４を撮像し、その撮像画像から認識した認識マーク４の位置座標と予め登録された認識マーク４の絶対位置座標とから、移動装置１の位置を認識する。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、走行面の状態による移動装置の傾きや、天井面の傾きや高さの変動など、認識マーク（図１１での認識マーク４）の位置が変化してしまうことにより、正確に移動装置の位置を算出することが困難な場合がある。
【０００６】
このような問題を解決するための方法として、平面に投光されたパターンの形状と位置とから、その平面の傾きと位置を算出する方法がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
図１２（ａ）は、特許文献２に記載の測定方法を示す概略図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のパターン７の撮像結果を示す図である。
【０００８】
図１２（ａ）において、光源５から平面６に投光された光は、パターン７を形成する。このパターン７をカメラ８にて撮像し、図１２（ｂ）に示すパターン７の撮像結果を得る。この図１２（ｂ）に示すパターン７の形状（縦横比、大きさ）に基づいて、カメラ８と平面６との相対位置関係を算出する。
【特許文献１】特開２００４−５７７９８号公報
【特許文献２】特開２００６−２４６１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述の従来の技術では、投光された平面と移動装置のカメラとの相対関係から傾きや距離を算出するため、移動装置の傾きや、認識マークの存在する平面の傾斜の影響を受けてしまい、移動装置の自己位置を正確に認識できないという課題を有している。
【００１０】
本発明は、前述の従来の課題を解決するためのもので、移動装置の位置認識において、移動装置の傾きや測定平面の傾斜に依存しない正確な位置認識を行うことを目的とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように本発明によれば、移動装置の位置認識において、移動装置の傾きや測定平面の傾斜に依存しない正確な位置認識を行うことができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明の移動装置の位置認識方法は、移動装置の上部に設けられた光源から屈折機構を通して投光したパターンの形状と位置とに基づいて前記移動装置の傾きを測定し、前記移動装置の傾きに基づいた補正を行って前記移動装置の位置を認識することを特徴とする。
【００１３】
また、上記目的を達成するための本発明の移動装置は、下部に設置された移動機構と、上部に設置された光源、カメラおよび屈折機構と、前記光源から前記屈折機構を通して投光したパターンの形状と位置とに基づいて前記移動装置の傾きを測定し、前記移動装置の傾きに基づいた補正を行って前記移動装置の位置を認識する制御部と、を備えることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明を行う。なお、以下の説明において、同一構成には同一符号を付し、説明を省略する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における移動装置の自己位置認識の概略図である。
【００１６】
図１において、移動装置９は、本体にそれぞれ設置された、移動装置９の上方向を撮像するためのカメラ１０、上方向に平行光を照射する複数の光源１１、移動装置９を移動させるための移動機構１２（例えば、図１のような車輪）、移動装置９に設置された屈折機構１３、を備える。そして、カメラ１０と複数の光源１１と屈折機構１３と、それらからの情報を処理して制御する制御部（図示せず）で構成される傾斜測定部１６を有している。そして、複数の光源１１からの光を屈折機構１３の透過後に天井１４に照射し、その投光パターン１５をカメラ１０で撮像して処理することで、移動装置９の自己位置を認識するものである。
【００１７】
ここで、カメラ１０、光源１１、屈折機構１３より構成される傾斜測定部１６について説明する。
【００１８】
図２（ａ）は、図１の傾斜測定部１６の要部を拡大した斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡの方向から傾斜測定部１６を見た図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢの方向から傾斜測定部１６を見た図である。
【００１９】
図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、光透過性の屈折機構１３は、その内部に液体１７が収納された中空の直方体である。なお、カメラ１０の撮像範囲内に屈折機構１３が入らないのであれば、屈折機構１３を立方体や円筒の形状とすることも可能である。また、本実施の形態では、屈折機構１３としてアクリルを用い、液体１７として透明なシリコンオイルを用いている。この屈折機構１３は、ガラスなどある一定以上の光透過率のものであれば代用可能である。
【００２０】
続いて、本発明で想定している移動装置９の状態について説明する。
【００２１】
図３（ａ）は、実施の形態１における移動装置９が傾いている状況を示す図であり、図３（ｂ）は、実施の形態１における天井１４が傾斜している状況を示す図である。ここでは、簡単に状態を示すために、屈折機構１３の内部に液体１７が存在していないと仮定して図示している。
【００２２】
図３（ａ）と図３（ｂ）を比較すると明らかなように、移動装置９と天井１４との相対的な関係は、図３（ａ）と図３（ｂ）とで同じ条件となる。しかしながら、水平に対する移動装置９の状態は、図３（ａ）と図３（ｂ）とで異なっている。移動装置９が移動することを考えた場合、移動装置９自体が傾いているか否かの認識は、その後の移動装置９の制御に関る重要な問題であるため、これらを区別する必要がある。
【００２３】
そのため、本発明では、移動装置９において、内部に液体１７を収納した屈折機構１３を利用して傾きを測定する。しかしながら、液体１７は、屈折機構１３の傾きが変化する度に、水平を維持しようとその表面が変化する。そのため、屈折機構１３を用いて正確に傾きを測定するためには、まず、液体１７が安定して水平方向を維持するための制御について考察する必要がある。以下、この制御について検討する。
【００２４】
まず、屈折機構１３を用いて、図３（ａ）と図３（ｂ）の場合を区別可能な方法について説明する。
【００２５】
図４（ａ）は、実施の形態１における移動装置９が傾く前の屈折機構１３を示す図であり、図４（ｂ）は、実施の形態１における移動装置９が傾いた後の屈折機構１３を示す図であり、図４（ｃ）は、図４（ｂ）に仮定条件を追加した模式図であり、図４（ｄ）は、図４（ｃ）に仮定条件を追加した模式図である。なお、図４（ａ）〜（ｄ）は、移動装置９が傾く場合として、図３（ａ）に示す状態を想定している。
【００２６】
図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、本実施の形態では、底面の縦横の長さが共にｌの屈折機構１３内に深さｄで収納されていた液体１７が、液体１７の深さの最大差がΔｄになるまで、移動装置９が傾いた状況について検討する。この状況について、谷一郎著、「流れ学  第３版」、岩波書店、第１２刷、１９７７年５月２０日発行、の４６〜５０頁に基づいて考察する。
【００２７】
なお、本実施の形態においては、液体１７表面に発生する波の影響を検討するために、液体１７は図４（ｃ）に示す領域１８にも存在すると仮定して検討している。
【００２８】
図４（ｃ）に示すように、領域１８にも液体１７が存在すると仮定すると、図４（ｄ）に示すように、水の表面に発生する波の影響の計算より液体１７の状態について検討が可能である。
【００２９】
ここで、図４（ｄ）において、移動装置９が傾くまでの時間（図４（ａ）から図４（ｂ）に変化するまでの時間）をｔ1とし、容器底面の一辺の長さをｌとし、液体１７の密度をρとし、重力加速度をｇとし、屈折機構１３内での液体１７の速度をｃとし、図４（ｄ）における紙面左側での液体１７の速度をＵとし、液体１７の粘度による影響を考慮しないとする。この条件下においては、図４（ｄ）において水面の上る速度ｖは、  ｖ＝ｃ・Δｄ／ｌ  となる。ここで連続の条件を満足するためには、  ｌｖ＝（ｄ＋Δｄ）Ｕ  となる必要がある。これらの式において、深さｄに対してΔｄが充分に小さいと仮定すると、深さｄに対してΔｄを省略できる。これらの関係より、下記式（１）が成立する。
【００３０】
【数１】
2009276166.tif 000003
【００３１】
そして、水面の変化がこの部分（本実施の形態における屈折機構１３）を通過する時間ｔ2は、  ｔ2＝ｌ／ｃ  となる。この時間において、速度が０からＵまで増加するため、加速度は、  Ｕ／ｔ2＝Ｕｃ／ｌ  となる。これに、図４（ｄ）におけるＡＢＣＤ（紙面垂直方向に奥行きが存在する立体形状）の質量  ρｌ2（ｄ＋Δｄ／２）≒ρｌ2ｄ  を加算すると、この部分（ＡＢＣＤ）に働く力と等しくなる。摩擦を無視し、更に、液体１７の深さｄが充分に浅いとして圧力分布は静止状態と変わらないとすると、ＡＢＣＤ（紙面垂直方向に奥行きが存在する立体形状）に作用する水平方向の力は、下記式（２）で近似できる。
【００３２】
【数２】
2009276166.tif 000004
【００３３】
そして、上記式（２）より、力学的な条件は、下記式（３）として表される。
【００３４】
【数３】
2009276166.tif 000005
【００３５】
更に、先に省略した液体１７の粘度を考慮する必要があるため、上記式（３）の右辺側に粘性によるせん断力の項を加える必要がある。このせん断応力τは、液体１７の粘性係数をμとすると、下記式（４）で表される。
【００３６】
【数４】
2009276166.tif 000006
【００３７】
上記式（４）でのせん断応力τが、屈折機構１３の底面（面積ｌ2）に亘って発生するため、屈折機構１３におけるせん断力τｌ2は、下記式（５）にて表される。
【００３８】
【数５】
2009276166.tif 000007
【００３９】
本実施の形態では、上記式（５）で表されたせん断力が液体１７の流れを遅くする方向に働くため、上記式（３）の右辺より上記式（５）の影響を減じることで、液体１７の粘性を考慮することができる。この関係を、下記式（６）に示す。
【００４０】
【数６】
2009276166.tif 000008
【００４１】
上記式（１）〜（６）より、粘性係数μは、下記式（７）によって設定される。
【００４２】
【数７】
2009276166.tif 000009
【００４３】
そして、上記式（７）による粘性係数μから、動粘度νは、下記式（８）によって設定される。
【００４４】
【数８】
2009276166.tif 000010
【００４５】
続いて、図３（ａ）に示した、移動装置９が傾いた場合における屈折機構１３の状況について検討する。
【００４６】
図５は、実施の形態１における移動装置９が３０°傾いた場合の屈折機構１３の状況を示す図である。
【００４７】
図５において、屈折機構１３は、移動装置９の接地箇所から高さｈ［ｍ］の位置に設置されている。
【００４８】
ここで、本実施の形態での移動装置９は、マンションやショッピングセンターなどの人と共存する環境で移動する自律移動ロボットだとして、移動装置９の移動を検討する。まず、移動装置９の移動速度ｗは、人間工学的に人に危険を感じさせない速度  ｗ＝０．３［ｍ／ｓ］  を最低速度とし、安全上の観点から道路交通規定より電動車椅子の速度規定を参考にした速度  ｗ＝１．６［ｍ／ｓ］  を最高速度とすることが望ましい。
【００４９】
ここで、屈折機構１３の底面の一辺の長さ  ｌ＝０．０３［ｍ］  だとして、その速度で移動中に図５に示すように３０°（π／６）傾いた場合の波が伝わる速度ｃについて検討する。
【００５０】
各速度の関係などから、速度ｃ［ｍ／ｓ］は、下記式（９）によって求められる。
【００５１】
【数９】
2009276166.tif 000011
【００５２】
上記式（９）と前述の移動装置の速度ｗの条件より、下記式（１０）の条件が求まる。
【００５３】
【数１０】
2009276166.tif 000012
【００５４】
本実施の形態において、水面の深さｄが、  ｄ＝０．００９［ｍ］  であり、重力加速度が、  ｇ＝９．８［ｍ／ｓ］  であるので、本実施の形態での動粘度ν［ｍ2／ｓ］は、上記式（８）、（１０）の条件より、下記式（１１）において定められる範囲となる。
【００５５】
【数１１】
2009276166.tif 000013
【００５６】
例えば、本実施の形態では、移動装置９（自律移動ロボット）の屈折機構１３を高さ２［ｍ］の位置に配置しているため、上記式（１１）より、本実施の形態での動粘度ν［ｍ2／ｓ］について、下記式（１２）の条件が算出される。
【００５７】
【数１２】
2009276166.tif 000014
【００５８】
本実施の形態においては、上記式（１２）の条件を満たす液体を液体１７として用いることで、移動装置９での正確な傾き測定を可能としている。
【００５９】
続いて、前述の条件を利用して、水平面に対する移動装置９の傾きを計測する方法について検討する。
【００６０】
図６（ａ）は、実施の形態１における屈折機構１３が水平な状態を示す図であり、図６（ｂ）は、実施の形態１における屈折機構１３が水平でない状態を示す図である。
【００６１】
図６（ａ）は、移動装置９の走行面が水平な場合の屈折機構１３と内部の液体１７を表し、図６（ｂ）は、移動装置９の走行面が傾いている場合の屈折機構１３と内部の液体１７を現すものである。図６（ａ）、（ｂ）から明らかなように、移動装置９の走行面が傾いている場合（図６（ｂ）の場合）は、内部の液体１７の状態が変化している。
【００６２】
続いて、図７（ａ）〜図９（ｂ）を用いて、移動装置９もしくは天井１４のいずれかが傾いている場合における、カメラ１０で撮像した投光パターン１５を示す。
【００６３】
図７（ａ）は、移動装置９及び天井１４が水平な場合の屈折機構１３付近を示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の状態で撮像した投光パターン１５を示す図である。
【００６４】
図８（ａ）は、移動装置９が水平で天井１４が傾斜している場合の屈折機構１３付近を示す図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の状態で撮像した投光パターン１５を示す図である。
【００６５】
図９（ａ）は、移動装置９が傾いており天井１４が水平な場合の屈折機構１３付近を示す図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）の状態で撮像した投光パターン１５を示す図である。
【００６６】
なお、これらの図において、移動装置９と天井１４とが共に水平な場合は、投光パターン１５がカメラ１０の撮像領域の中心対象になるように設定している。
【００６７】
図７（ａ）〜図９（ｂ）を比較すると、天井１４が傾斜している場合（図８（ａ））では、投光パターン１５の形状が変化しており、移動装置９が傾いている場合（図９（ａ））では、投光パターン１５の形状が変化し、かつ、投光パターン１５が撮像領域の中心対象からずれていることが分かる。
【００６８】
ここで、移動装置９が傾いている（図９（ａ）、（ｂ））の場合の、投光パターン１５の撮像領域の中心対象からのズレ量の算出方法について検討する。
【００６９】
図９（ａ）に示すように、移動装置９の傾きθと、投光パターン１５の光軸の傾きφを設定し、屈折機構１３の液体１７の屈折率をｎとし、屈折機構１３から天井１４までの距離をＬ［ｍ］とすると、投光パターン１５のズレ量Ｒは、下記式（１３）によって求められる。
【００７０】
【数１３】
2009276166.tif 000015
【００７１】
従って、ズレ量Ｒを算出することによって移動装置９の傾斜角θを取得することができる。
【００７２】
なお、ここでは、傾斜角θを取得するための投光パターンを４つの点で示したが、投光パターンを撮像した画像から傾斜角θが取得できるのであれば、投光パターンの数（点）を適宜設定してもよい。また、図１では、光源１１の光軸とカメラ１０の光軸を平行としているが、天井１４までの距離を測定するために角度を付けてもよい。また、図９（ａ）において、天井１４までの距離Ｌを測定する場合は、４点間の距離と天井１４までの距離のデータ変換テーブルを持ってもよい。
【００７３】
最後に、本実施の形態で移動装置９の状態によって自己位置認識の補正を行う際の方法について、図１０を用いて説明する。ここでは、天井１４に認識マーク（図示せず）を設け、その認識マークと移動装置９の相対位置から、移動装置９の自己位置を認識する方法を用いている。
【００７４】
図１０は、実施の形態１における自己位置認識補正のフローチャートを示す図である。
【００７５】
図１０において、まず、投光パターン１５を光源１１から天井１４に投光する（ステップＳ１）。
【００７６】
次に、カメラ１０を用いて投光パターン１５の画像を取得する（ステップＳ２）。
【００７７】
次に、ステップＳ２で取得した画像から投光パターン１５の形状と位置を算出する（ステップＳ３）。
【００７８】
次に、ステップＳ３で算出した投光パターン１５と、補正なしのパターンとして事前に登録されている投光パターンを比較する（ステップＳ４）。
【００７９】
次に、ステップＳ４で比較した結果、異なった場合は、移動装置９の傾斜角θと天井１４の高さを算出する（ステップＳ５）。
【００８０】
次に、天井１４に設置された認識マーク（図示せず）の認識を行う（ステップＳ６）。
【００８１】
次に、ステップＳ５で算出された情報を基にして、認識マークの情報に補正を行う（ステップＳ７）。
【００８２】
また、ステップＳ４で比較した結果、同じ場合は、そのまま天井１４の認識マークの認識を行う（ステップＳ８）。
【００８３】
そして、これらのステップで認識した認識マークに基づいて、屋内における移動装置９の自己位置を算出する（ステップＳ９）。
【００８４】
なお、ここで、事前登録されている投光パターン１５や認識マークは、予め天井面に投射したパターンや上面に設置しているマークを撮像したものでもよい。
【００８５】
なお、本実施の形態では、移動装置９または天井１４のいずれかが傾いている状態について説明したが、ここでの説明を適宜組み合わせることにより、移動装置９と天井１４のどちらも傾いている状態についても適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明の自己位置認識機能を備えた移動装置によれば、移動装置の傾斜や上面の傾斜や高さに影響を受けないため、容易に屋内で移動装置を使用することができる。従って、屋内で作業する移動装置での利用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】実施の形態１における移動装置の自己位置認識の概略図
【図２】（ａ）図１の傾斜測定部１６の要部を拡大した斜視図、（ｂ）図２（ａ）のＡの方向から傾斜測定部１６を見た図、（ｃ）図２（ａ）のＢの方向から傾斜測定部１６を見た図
【図３】（ａ）実施の形態１における移動装置９が傾いている状況を示す図、（ｂ）実施の形態１における天井１４が傾斜している状況を示す図
【図４】（ａ）実施の形態１における移動装置９が傾く前の屈折機構１３を示す図、（ｂ）実施の形態１における移動装置９が傾いた後の屈折機構１３を示す図、（ｃ）図４（ｂ）に仮定条件を追加した模式図、（ｄ）図４（ｃ）に仮定条件を追加した模式図
【図５】実施の形態１における移動装置９が３０°傾いた場合の屈折機構１３の状況を示す図
【図６】（ａ）実施の形態１における屈折機構１３が水平な状態を示す図、（ｂ）実施の形態１における屈折機構１３が水平でない状態を示す図
【図７】（ａ）移動装置９及び天井１４が水平な場合の屈折機構１３付近を示す図、（ｂ）図７（ａ）の状態で撮像した投光パターン１５を示す図
【図８】（ａ）移動装置９が水平で天井１４が傾斜している場合の屈折機構１３付近を示す図、（ｂ）図８（ａ）の状態で撮像した投光パターン１５を示す図
【図９】（ａ）移動装置９が傾いており天井１４が水平な場合の屈折機構１３付近を示す図、（ｂ）図９（ａ）の状態で撮像した投光パターン１５を示す図
【図１０】実施の形態１における自己位置認識補正のフローチャート
【図１１】特許文献１に記載の移動装置の自己位置認識の概略図
【図１２】（ａ）特許文献２に記載の測定方法を示す概略図、（ｂ）図１２（ａ）のパターン７の撮像結果を示す図
【符号の説明】
【００８８】
９    移動装置
１０  カメラ
１１  光源
１２  移動機構
１３  屈折機構
１４  天井
１５  投光パターン
１６  傾斜測定部
【図１】
2009276166.tif 000017
【図２】
2009276166.tif 000018
【図３】
2009276166.tif 000019
【図４】
2009276166.tif 000020
【図５】
2009276166.tif 000021
【図６】
2009276166.tif 000022
【図７】
2009276166.tif 000023
【図８】
2009276166.tif 000024
【図９】
2009276166.tif 000025
【図１０】
2009276166.tif 000026
【図１１】
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【図１２】
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