JP4165965B2

JP4165965B2 - 自律走行作業車

Info

Publication number: JP4165965B2
Application number: JP19580399A
Authority: JP
Inventors: 宣和川越
Original assignee: Figla Co Ltd
Current assignee: Figla Co Ltd
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: JP2001022443A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は自律走行作業車に関し、特に清掃やワックス塗布等, 作業領域を隈なく走行し作業を行う自律走行作業車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の自律走行作業車として種々のものがすでに開発されている。例えば、特開平8 −286747号公報に記載されているものは、距離センサで側方の壁までの距離を周期的に測定し、壁に平行に直進する自律走行車で、壁との距離の変化が所定値以上になった場合に、超音波距離センサの距離デ一夕に基づく制御を一時中止し、車輪回転数測定値に基づく直進走行制御に切り替えて走行し、壁までの距離の変化が所定値以内になったら、再度超音波距離センサの距離データに基づく制御を開始するようにして、壁の凹凸によらず、平らな壁に平行な直進走行を行うものである。
【０００３】
この装置における距離センサとして超音波距離センサを使用した場合、超音波距離センサは指向性が比較的広いため、段差を鋭角的に検出できず、曲面的に測定してしまうという特性がある。そのため、四角い柱などで実際の距離が急変している場合でも、距離デ一夕は緩やかな変化となり、所定値に達せず、誤って方向修正をしてしまうという問題点が有り、この傾向は壁から離れるほど影響は大きくなる。
【０００４】
また、特開平 8−234838号公報に記載されているものは、超音波距離センサの指向性が広いため、段差を鋭角的に検出できず、曲面的に測定してしまうということから生じる壁倣いの誤誘導の解決策として、壁までの距離が基準値よりも大きい場合は、走行距離が所定の値に達するまでの間、複数回距離測定を行い、そのうち最小の距離データを採用して壁倣い走行制御にフィードバックし、壁までの距離が基準値よりも小さい場合は、すぐに壁倣い走行制御にフイードバックするように構成されている。
【０００５】
しかしながら、この装置は、複数回の距離デ一夕測定値から最小のものを選ぶため、走行制御へフイ―ドバックする周期が長くなり、その間、倣い走行制御は行われず、蛇行やカーブが生じてしまう。また、同じサイズの柱が一定間隔で並んでいるような場合には距離の最小値を用いることも有効であるが、壁においてある棚などはサイズが一定でなく、このような場合には有効ではない。
【０００６】
さらに、特開平 8−84696 号公報に記載されているものは、壁までの距離を測定する距離センサと、方位を検出する方位センサを有し、壁際を壁に沿って走行する場合には、距離センサにより検出された壁までの距離が基準距離を維持するように走行させ、壁までの距離が基準距離に対して所定値以上に大きい場合は、方位センサにより検出された方位に基づいて直進走行するように制御方法を切り替えるようになっている。
【０００７】
この装置は、壁から所定距離以上はなれて走行する場合には、方位センサ( ジャイロセンサ) の測定値のみに基づいて直進走行するため、走行距離が長くなるにしたがって、直進走行開始時の壁との微小な角度誤差に起因する壁との距離の誤差が大きくなり、またジャイロセンサのドリフトによる方位誤差も無視できなくなるため、清掃作業やワックス塗布作業などの場合に清掃残りや塗布残りが発生する原因となるという問題点がある。
【０００８】
【本発明が解決しようとする課題】
この種の自律走行作業車は、床面における作業漏れ箇所が生じないように、直進性を保持して走行する必要があるが、従来のものはいずれも十分な直進性が保証できるものではなかった。そこで本発明は、上記従来公知の装置の問題点を改良し、壁に凹凸が有る場合でも、超音波距離センサの指向性の広さに起因する壁の凹凸部分での距離測定値誤差による誤誘導を防止し、かつ、走行方向修正制御の周期を短くすることによって、直進性を大幅に改善すること、及び、壁の凹凸のサイズが一定でなく、いろいろなサイズの凹凸が含まれる場合においても、壁倣い走行の直進性を改善することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次のような構成を採用した。すなわち、本発明に係る自律走行作業車は、側方の障害物までの距離を測定する距離センサと、走行方向を検出するジャイロセンサとを有し、平らな壁との距離を一定に保ちながら直進する機能を有する自律走行作業車において、走行中に前記距離センサで測定された側方の壁までの距離の変化から得られた前記壁と走行方向とのなす角度の単位時間当りの変化量である角速度Ａｓ（ｉ）と、前記ジャイロセンサから得られた角速度Ａ（ｉ）との差が所定範囲以内であれば、距離センサで測定した距離に基づき壁に倣って走行するように方向制御を行う第１の走行方向制御方式と、前記差が所定範囲外の場合は、前記第１の走行方向制御を行わず、ジャイロセンサの測定値に基づく直進制御を行う第２の走行方向制御方式とを選択採用する制御装置を設けている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態を例示するもので、この自律走行作業車１は、モータによって駆動される駆動車輪２ａ，２ｂと、変向自在な従動車輪３ａ，３ｂとを備えた車体５に、駆動装置、センサ、制御装置等が搭載されている。車体５の後部には図示を省略した作業装置、例えば洗浄液吐出用のノズル、清掃用ブラシ、汚水を吸引する吸引装置等を有する作業部Ｗが装着されている。作業部Ｗは、床面上を移動しつつ清掃、ワックス掛けその他の作業を行うもので、従来種々のものが公知となっている。したがって、作業部Ｗの詳細な構造と作用については省略する。
【００１１】
左右の駆動車輪２ａ，２ｂにはそれぞれに対応させて駆動モータ４ａ，４ｂが設けられており、該モータにはそれぞれモータドライバ６ａ，６ｂが設けられている。モータドライバ６ａ，６ｂは、制御装置（ＣＰＵ）１０からの制御信号に応じて駆動モータを駆動するようになっている。駆動モータ４ａ，４ｂ、作業部Ｗ、制御装置１０等には図示を省略した電池（バッテリ）から電力が供給される。左右の駆動車輪にはそれぞれエンコーダ７ａ，７ｂが設けられ、これらエンコーダによって回転量が検出される。なお、左右の駆動車輪２ａ，２ｂは互いに独立に回転制御される構成で、左右の車輪の回転速度の差によってカーブ制御が行われる。
【００１２】
上記駆動車輪用の駆動モータ４ａ，４ｂはパルス制御（ＰＷＭ制御）の直流モータであり、通電パルスのデューテイ比を増減させることによって回転量が制御される。各モータの回転量は、それぞれのエンコーダ７ａ，７ｂによって検出され、制御装置１０に入力される。制御装置１０は、エンコーダ７ａ，７ｂ、超音波距離センサＳ１、ジャイロセンサＳ２等から入力されるデータに基づいて以下に示す演算を行うとともに、制御用の指令信号をモータドライバ６ａ，６ｂに出力する。
【００１３】
次に、走行制御について説明する。本発明では、２種類の走行制御が選択的に採用される。制御用のセンサーとしては、超音波距離センサＳ１とジャイロセンサＳ２とロータリーエンコーダ７ａ，７ｂが設けられている。これら超音波距離センサＳ１もジャイロセンサＳ２も公知の市販品を利用できる。例えば、上記ジャイロセンサとしては、コリオリ効果を利用して物体が回転する時の角速度を検出する振動ジャイロセンサ等が使用される。上記両センサのうち、超音波距離センサＳ１は所定周期で繰り返し側方の壁までの距離を測定し、ジャイロセンサＳ２は所定の周期で走行車の角速度値を測定する。走行距離はエンコーダ７ａ，７ｂで車輪回転数を検出し、これを積算することによって求められる。
【００１４】
走行制御方法について具体的に説明すれば以下のとおりである。
まず、変数を下記の如く設定する。
i : 測定回数
Do : 壁との基準距離
D(i) : 壁までの距離測定値。
As(i) : 壁までの距離測定値から計算した角速度。
A(i) : 角速度測定値。
V : 走行速度
T : 測定周期
L : 測定周期間に進む走行距離。
θ(i) : 壁と走行方向とのなす角度。
M(i) : 走行方向の修正量
C₁、C₂、C₃ : 定数
【００１５】
ここで、
L = V ・T ・・・（１）
θ(i)=sin ^-1((D(i) -D(i-1))/ L) ・・・（２）
As(i)= (θ(i)-θ(i-1))/T ・・・（３）
である。
【００１６】
走行方向の修正量は、下記の(4) 式を基本とし、
M(i)= C₁(D(i)-Do)+C₂・θ(i)+C₃・A(i) ・・・（４）
As(i) とA(i)との比較結果に応じて、下記▲１▼▲２▼の二通りの計算方式のどちらかを選択する。
【００１７】
▲１▼ As(i) とA(i)の差の絶対値が所定値Ｎ（作業条件等に応じてあらかじめ設定しておけばよいが、通常はほぼ０とする）を超える場合は、
C₁=C₂=O
C₃≠O
とした下記の(5) 式で、距離測定値に基づく走行方向修正量をゼロにして、角速度測定値のみに基づいて方向修正を行う。
M(i) = C₃ ・A(i) ・・・（５）
【００１８】
▲２▼ As(i) とA(i)の差の絶対値が所定値以内である場合は、
C₁≠O
C₂≠0
C₃≠O
とし、(4) 式に基づいて、距離測定値による走行方向修正と角速度測定値による走行方向修正を行うか、または、
C₁≠O
C₂≠O
C₃= 0
として、距離測定値のみに基づいて走行方向修正を行っても良い。
【００１９】
また、▲２▼の状態において、壁からどれだけ離れて平行に走行するかを決定する基準距離Doは、まず、走行開始時に、走行開始持の距離測定値 D(0) を基準距離としてD₀に代入し、
Do = D(0)
それ以後は、▲１▼の状態から▲２▼の状態へ移行した直後の距離測定値D(i)を基準距離として、Doに代入する。
Do = D(i)
【００２０】
図２は、壁には凹凸が無く、スリッフや床の凹凸、左右の車輪径の差などの影響により、走行方向が徐々に傾いている場合の例である。この場合は、(1)(2)(3) 式で計算した角速度値As(i) の値と、ジャイロセンサの測定値A(i)とがほぼ等しくなるので、前記▲２▼の場合に相当し、距離測定値に基づいた壁倣い制御が行われる。
【００２１】
図３は、やはり壁には凹凸が無い場合で、直進はしているが走行開始時の向きが壁と平行でなかったために、徐々に壁から離れている場合の例である。この場合、(1)(2)(3) 式で計算した角速度値As(i) の値と、ジャイロセンサによる角速度測定値A(i)は、どちらもほばゼロとなり、ほば一致するので、やはり前記▲２▼の場合に相当し、距離測定値に基づいた壁倣い制御が行われ、壁との平行度および壁までの距離が維持されるように制御が行われる。なお、上記特開平8 −84696 号記載の装置では、壁から所定距離以上離れると壁倣い制御が行われず、ジャイロセンサのみでの制御となるので、壁との距離を一定値に保つことができなくなる恐れがある。
【００２２】
図４は、壁に凹凸がある場合の例である。この場合、D(i)を測定するまでは壁倣い制御を実行し壁と平行に直進しているが、壁に段差があるため、D(i)以降で、距離測定値に変化を生じている。この時、壁は図示する通り急峻に変化しているが、超音波距離センサの指向性が比較的広いために、測定値は図の破線で示す曲線となり、図のD(i)の如く緩やかに変化する場合が生じる。この変化をそのまま壁倣い走行制御にフイードバックすると、直進性を損ねる結果となる。この時、ジャイロセンサによる角速度測定値A(i)は、ほばゼロで有るにもかかわらず、(1)(2)(3) 式で計算した角速度値As(i) はゼロとならないため、前記▲１▼の場合に相当し、距離測定値に基づく壁倣い制御を中止し、ジャイロセンサのみでの制御を行う制御に切り替えることにより、直進性の低下を防止する。
【００２３】
そして、D(i+3)を測定した後、再び、As(i+3) とA(i+3)の差が所定範囲内に納まるので、その時点の距離測定値D(i+3)を壁との基準距離として採用し、以後、壁との距離が基準距離を維持するように壁倣い走行制御を行う。
【００２４】
図５に方向修正量演算サブルーチンフログラムのフローチャートを例示する。
【００２５】
一定周期のタイマー割り込みにより、方向修正量演算サブルーチンを実行する。まず、#1、#2で壁までの距離D(i)と角速度A(i)を測定し、次に#3で(1)(2)(3) 式を用いて角速度計算値As(i) を計算し、#4で前記▲１▼の場合であるか▲２▼の場合であるかを判別する。▲１▼の場合であれば#8に進み、(5) 式を用いて走行方向修正量M(i)を計算して#9へ進む。#4の判別結果が▲２▼の場合には、#5へ進み、前回、(4) 式によって方向修正量を計算したか否かを判別し、肯定であればそのまま#7へ進み、否定であれば、今回の距離測定値D(i)を基準距離D_oに代入して#7へ進む。#7では(4) 式に基づいて壁との距離をD_oに維持するための方向修正量を計算して#9へ進む。#9では、計算されたM(i)に基づき、左右の車輪の回転速度を変更し、サブルーチンを終了する。
【００２６】
この自律走行作業車１は上記の制御により壁に沿って直進するが、作業範囲の端部に到達した時はＵターンして再度逆向きに直進走行させる（必要な場合は後進も可能である）。このようにして作業対象の床面全体に対し漏れなく作業を行うのである。上記の実施形態では、左右２輪独立制御の走行車に付いて例示したが、駆動輪とは別に操舵輪を持つ形式の走行車でも良い。その場合はフローチャートの#9において、左右の車輪の回転速度を修正する変わりに、操舵輪の角度を修正すれば良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る自律走行作業車は、超音波距離センサとジャイロセンサを併せ持ち、壁との距離が一定になるように平らな壁に平行に直進走行する機能を有するものであって、超音波距離センサから得られる壁までの距離の時系列データと、ジャイロセンサから得られる角速度データや角度データとを比較することにより、壁までの距離の変化が壁の凹凸に起因するものか、方位誤差に起因するものかを判断して直進性を維持することにより、壁の段差等による直進性の低下を改善することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】自律走行作業車の構成を説明する平面図である。
【図２】走行制御方法の説明図である。
【図３】走行制御方法の説明図である。
【図４】走行制御方法の説明図である。
【図５】方向修正量演算サブルーチンプログラムを表すフローチャートである。
【符号の説明】
１自律走行作業車
２（ａ，ｂ）駆動車輪
３（ａ，ｂ）従動車輪
４（ａ，ｂ）駆動モータ
５車体
６（ａ，ｂ）モータードライバ
７（ａ，ｂ）エンコーダ
１０制御装置
Ｓ１超音波距離センサ
Ｓ２ジャイロセンサ
Ｗ作業装置

Claims

側方の障害物までの距離を測定する距離センサと、走行方向を検出するジャイロセンサとを有し、平らな壁との距離を一定に保ちながら直進する機能を有する自律走行作業車において、走行中に前記距離センサで測定された側方の壁までの距離の変化から得られた前記壁と走行方向とのなす角度の単位時間当りの変化量である角速度Ａｓ（ｉ）と、前記ジャイロセンサから得られた角速度Ａ（ｉ）との差が所定範囲以内であれば、距離センサで測定した距離に基づき壁に倣って走行するように方向制御を行う第１の走行方向制御方式と、前記差が所定範囲外の場合は、前記第１の走行方向制御を行わず、ジャイロセンサの測定値に基づく直進制御を行う第２の走行方向制御方式とを選択採用する制御装置を設けたことを特徴とする自律走行作業車。
前記、第１の走行方向制御方式において、壁からどれだけ離れて走行するかを決定する距離基準値として、第２の走行方向制御方式から第１の走行方向制御方式に切り替わった直後の壁との距離測定値を用いて制御を行う請求項１に記載の自律走行作業車。