計測自動制御学会東北支部 研究集会
2008年10月24日 山形大学工学部

視覚を備えた移動ロボットの自己位置推定と追従制御シミュレーション○榊原和人 村松鋭一 渡部慶二 有我祐一 遠藤茂（山」形大学）
SimulationofVision−basedLocalizationandTrackingControlofMobileRobot＊K．SakakibaraandE．MuramatSu，K．Watanabe，Y．Ariga，S．Endo（YamagataUniversity）

AbstractL MobilerobotswhichcantrackwalkinghumanareuSe仙inmanycases，SuCha5CarrlageOfheavyobjects．Inthi

paper，Vision−basedcontrolofmobilerobottotrackanTOVlngtargetisconsidered・WemakeasimulatortoevaluatethecontroJ
SyStem，WhichgeneratestheimageofrobotcamerasutilizlngCOmPutergraPhicssoftware．
KeyWords‥ TrackingControl，mObilerobot，Vision−basedLocalizationandTrackingcontro】

1 はじめに近年、作業パターンや指示を事前に入力しなくてしている方や重い荷物を持つことが難しい高齢者、医療器具や入院患者の食事を運ぶ看護師など福祉やも、自ら判断して人の役に立つ仕事ができる「次世医療現場において有用であると考えられるし）また、

代知能ロボット」の将来性が注目され、環境内を自上記で述べた「案内ロボット」においても、寮内を由に動き回る自律型の移動ロボット開発が企業や大行う人間のペースに合わせながら経路案内を行わな学の研究室などで活発に行われている。このようなければならないため、人間と一定距離を保つようなロボットの具体例として、「案内ロボット」や「警制御が必要不可欠であるぐ」そこで本研究では，カメ備ロボット」などが挙げられる。移動ロボットが環ラを搭載した移動ロボットがその視覚情報を用いて境内を自由に動き回るにはロボット自身が環境を理動くターゲットに追従するための制御則について考解、判断し行動に反映させる制御が不可欠である。

察する．カメラ画像の生成と画像処理を用いた制御

環境を認識する方法は多々あるがその中で画像を用のシミュレーションを行うため，コンピュータグラいるロボットビジョンといったカメラシステムは、1フィクスを用いたシミュレータを開発し，制御則の回に得られる情報量が大きいため、今後最も期待さ有効性を検証するr

れる環境センシング法の1つと考えられ、現在ではカメラを搭載したシステムの研究が増えているし〕そ2 シミュレータ概要

して、カメラを利用した多くの研究の中には経路探ロボットの制御アルゴリズム開発のため、シミュレ索システムや経路追従システムなどが行われている。

ータソフトを開発した「この節ではその概要を説明

経路追従システムに対する基礎研究として、する。カメラに写る画像の生成と画像処理をシミュ（l）現在地点から目標地点まで移動レータに取り入れるため、本研究ではOpenGLによ（2）目標対象物（以下：ターゲット）を追跡る3次元コンピュータグラフィクスを用いた。シミなどがある。（1）は主にライントレースといわれ、床ュレータの画像をFig．1に、シミュレーションの流に引かれた線に沿って移動する。

れをFig．2に示すL。

一方で、（2）は移動ロボットが歩く人間と一定距離を保ちながら追従走行が可能となることを意味している。そのような移動ロボットは人間に代わって重い荷物を運搬する場合などにおいて，車椅子で生活

本研究では、ターゲットの色が既知であるとし、色情報に基づく画像処理を行っているr 画像処理からロボット自身やターゲットの3次元位置を求めるス
テレオ視を制御に利用する、1
移動ロボットの走行は次節に基づき計算され、上記で述べた画像生成と画像処理、走行の運動学制御、およびデータ処理結果をループさせることにより、シミュレーションが可能となる。本研究では4節で述べる走行制御則も反映させ、制御のシミュレーションを行った（

Fig，1SimulatorScreen

3 移動ロボットモデル
本研究で想定している移動ロボットについて説明する。移動ロボットモデルをFig．3に、想定しているロボットの仕様をTable．1に示す「

Fig，20perationFlow
Fig．1はシミュレータのウインドウである。ウィンド
ウは全部で4つあり、ウィンドウ上部（Windowl）は環境内を上から見た様子を表している。ウインドFig．3MobileRobotModel

ウ下部の2つ（Window2，Window3）は、それぞれ移動ロボットに搭載された左右のカメラに映る画像を表している。移動ロボットモデルに関しては次節について述べる〔Window4はシミュレート中の処理に伴うデータを示す。

OpenGLでは画像を生成する際、視点設定を絶対座

Tab】e．1MobileRobotSpec
方式
サイズ（幅×奥行き400 x 400 x 360×高さ）［mm］

標系の上部に設定することによって上部画像を、任意のカメラ位置に設定することにより、設定したロ2輪駆動型センサ

外角センサ（カメラ）、内角センサ

ボットに搭載されたカメラのように画像を生成することができる。これら生成された画像に対し、画像処理を施すことは可能であるじOpenGLの関数であるglReadPixelsを用いて、これによって対象画像のlピクセル毎のRGBAの値を取得することができる。

移動ロボットは二輪駆動型で平面内を移動する（，移動ロボットの車輪半径をー［m］、2つの車輪間隔を2R［m］、左右の車輪の角速度をa）I、a），［rad／secトxy
平面におけるロボットの位置（x，y）、X軸を基準としたロボットの姿勢をβとすると、4 自己位置推定
自律移動を実現するためには、自己位置の把握が（〃′∵トの′）重要である〇本節では自己位置の導出法について検（叫＋叫）（1）討する。

自己位置の導出について、ランドマーク法とデッド去￠′■−の′）レコニング法を用いる、）という関係が成り立つ
移動ロボットには前節で述べたように2つのカメラを搭載している〇これをFig．4に示す、つカメラ画像は50msecのサンプリング間隔で取得され、制御に用いることができるとするCameraFig・4Simu】ationMobi】eRobotMode1
日標とする動作は、Fig・5に示したようにターゲッ

Fig．7randmark

トとある程度の距離を保ちながら追従走行することである。

ランドマーク法とは、Fig・7に示したように外界を観Ta「get測して自己位置を認識する方法であり、その条件は、
1・ランドマーク座標は既知
2．付置計算3■ 計算にはランドマークが3点必要である。3節で述べたように、移動ロボットのカメラは前方2つのみなのでランドマークを3点以上観測するには回転を行わなければならない。そこで今回はランドマーク2点で自己位置を推定する方法を考察した〇それが、Fig・8とFig．9であるっ■ ロボットl ランドマーク

Fig・6RunnlngthatTraceRoute
本稿では、目標動作を行うためにFig．6に示したよ
うなターゲットが通った経路を移動ロボットが辿る走行を主として行う。

Fig・8RandmarkArrangement

ヴ＝（ズ，γ，∂）r（3）追従偏差を、∫ビ＝（ズ「一方）cosβ十（γ′−γ）sinβye＝，（x，−X）sin0＋（y，−y）coso （4）βe＝βr−βFig．9AreaDistinctionとする。制御入力は〟l＝V、〟2＝βであるが、新先の条件1、2は変わらないが、そのあとにランドマ

しい入力〟−、〃2を導入し、ークの見える領域で判別を行う。問題点としては、〃l＝γγCOSβピーV

ランドマークが観測できなければ、自己位置の導出〃2＝のr−βができないと定義する−ノすると叫、輿は、点である。

次に、デッドレコニング法とは内角センサを用い〃】＝VrCOS∂。−〃1て、ロボットの車輪回転角速度を逐次計測して現在〟2＝βr−〟2

位置を推定する方法であるが、問題点としては、積と表わされる．ただし、β′＝以rである。

分での算出となるため、移動距離が長ければ長いほ

また、ターゲットの速度をvr（v′≠0）とするとき（5）、ど誤差が増加する点である〕（6）式における〟い 〃2を軋＞0、∬β＞0を用いそこで、2つの方法を併用することで自己位置をて、より正確に行う。それがFig．10である。つ〃−＝一片∫ズ2（9）〃2＝一方γγeγ′一方♂Sinβど（10）と定める。（7）、（8）式に（9）、（10）を代入して得られる〃1、〃2を用いた車輪角速度を、﹈

卜■・122〃り〃〃旦r旦r

二・・・−

1一rl一r﹈卜lL（11）とする。（‖）式によって駆動を行えば、追従誤差は0

Fig．10LocalizationFlowに漸近する。
ただし、上記のような方法をそのまま適用させるとターゲットに移動ロボットが追いついてしまい衝

5 追従制御則
前節、Fig．5、Fig．6で示すように、ターゲットと距突を起こす〕そこでターゲットの経路をバッファに離を保ちながら追従する制御について検討する．二

記憶させておき、過去の履歴バッファの値を追従さ輪駆動による軌道追従制御則については文献［4］がせることにより衝突を回避し、かつ一定の距離を保知られている。

つことにした。過去どれだけの情報を取り出すかは、ターーゲットの座標を、現段階においては定数としているため、結果的にタqr＝（ズ′，γr，βr）r
移動ロボットの座標を、ーゲットの走行履歴を時間的に遅らせた経路をロボ（2）ットが走行することになる。この方法はターゲットが停止した際（v′．＝0）に衝突の可能性が出てくるが、これは別途衝突回避アルゴリズムを組み込むことによって衝突を回避している

6 おわりに視覚を用いてターゲットと一定の距離を保ちながら走行する移動ロボットに関して、シミュレータの開発と走行における制御方法の検討を行った。今後の課題として、① ターゲットの走行履歴バッファのより有効な利用法（データ処理、速度履歴バッファの利用など）② 経路における静的、動的障害物の回避アルゴリズムの組み込みといったものが挙げられる1
参考文献［1J美多勉：非線形制御入札昭晃隠（2000）

車による3次元CGアニメー￣ヨ［3］日本ロボット学会：ロボット工学ハンドブック，
コロナ社（2005）［4］Y・Kanayama，Y．Kimura，F．Miyazakiand T．

Noguchj: A Stable Tracking Control Method for an

Autonomous Mobile Robot、Proc．IEEElnt．Conf．on
RoboticsandAutomatiompp・384−389．1990．