JP5461071B2 - 自律型移動体とこれを用いた移動体システム - Google Patents

Description

本発明は、自律して移動する例えば無人車両等の自律型移動体とこれを用いた移動体システムに関する。

従来、この種の自律型移動体として、移動ロボットとした名称で特許文献１に記載されたものがある。
特許文献１に記載された自律型移動体は、周囲に人が介在する環境で走行面上を移動できる移動ロボットにおいて、駆動輪を駆動する駆動輪駆動手段と、移動する予定経路を光線を用いて該走行面上に描画する予告表示手段と、該移動ロボットの走行計画を時間経過と共に指令する走行指令情報に基づいて該駆動輪駆動手段を制御する駆動輪駆動制御手段と、走行指令情報および予告表示の仕方を指令する予告指令情報とに基づいて該予告表示手段を制御する予告表示制御手段とで構成され、上記走行面上への描画は所定の時間間隔毎に行われることを特徴とする予定経路予告表示機能を内蔵したものである。

特開２００７‐３１０５６３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されている自律型移動体は、走行指令情報及び予告表示の仕方を指令する予告指令情報とに基づいて、予定経路を光線を用いて走行面上に描画するものである。
そのため、自律型移動体の近傍においては描画した予定経路を視認することができるものの、遠くに位置する者は視認することができず、また、時速数十キロほどの高速度で移動する場合には、近くに位置する者であっても視認することが極めて困難である。

そこで本発明は、高速度で移動するときにも、自己の挙動を周囲に確実に報知することができる自律型移動体とこれを用いた移動体システムの提供を目的としている。

上記の課題を解決するための本発明に係る自律型移動体は、移動領域内の測距データを取得するための測距部と、その移動領域内を移動するための駆動機構と、視覚又は聴覚若しくはそれら双方を通じて所要の情報を周囲に報知するための報知装置とを備え、自律して移動可能なものであって、測距部により取得した測距データに基づいて、移動可能エリアを抽出するエリア抽出手段と、移動可能エリアにおける自律移動のための移動経路を計画する移動経路計画手段と、現在の移動速度における停止距離を算出する停止距離算出手段と、現在の移動速度における停止距離だけ離れた地点における自己の移動情報を報知装置により報知させる報知手段とを有している。

同上の課題を解決するための本発明に係る自律型移動体を用いた移動体システムは、上記した自律型移動体と、この自律型移動体の移動を非常停止させるための非常停止信号を自律型移動体に向けて送信する非常停止用無線機を含むものである。
本発明においては、自律型移動体には、非常停止用無線機から送信される非常停止信号を受信するための非常停止用無線回路と、この非常停止用無線回路で受信した非常停止信号を直接受信し、かつ、報知装置を駆動するための駆動回路とが設けられており、駆動回路は、非常停止用無線回路から送信された非常停止信号により、駆動機構を停止する機能を有している。

本発明によれば、計画した移動経路、及びその移動経路に応じた移動速度を含む自己の移動情報を周囲に遍く報知することができる。
また、上記した自己の移動情報を、移動経路に対応する光源の発光態様及びその発光態様とは異なる移動速度に対応する光源の発光態様として報知しているので、移動経路及び移動速度を視覚的に認識させられる。

本発明の一実施形態に係る自律型移動体を含む移動体システムの全体構成を示す説明図である。 （Ａ）は、本発明の一実施形態に係る自律型移動体の構成を概略的に示す側面図、（Ｂ）は、その正面図である。 同上の自律型移動体に設けた制御回路のブロック図である。 （Ａ）は、自律移動用コンピュータが有する機能を示すブロック図、（Ｂ）は、車両制御用コンピュータが有する機能を示すブロック図である。 走行可能エリア、計画された移動経路及び最大曲率の関係を示す説明図である。 （Ａ）は、移動経路の最大曲率で許容できる移動速度を算出するときの説明図、（Ｂ）は、現在の移動速度における停止距離を算出するときの説明図である。 （Ａ）は、本発明の一実施形態に係る自律型移動体に配設した報知装置の報知態様の一例を示す説明図、（Ｂ）は、その報知態様の他例を示す説明図である。 無人車両の移動状態の変化と、発音装置の作動／停止の関係を示す説明図である。 無人車両を自律モードで移動させる処理を示すフローチャートである。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る自律型移動体を含む移動体システムの全体構成を示す説明図、図２（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る自律型移動体の構成を概略的に示す側面図、（Ｂ）は、その正面図である。また、図３は、その自律型移動体に設けた制御回路のブロック図、図４（Ａ）は、自律移動用コンピュータが有する機能を示すブロック図、（Ｂ）は、車両制御用コンピュータが有する機能を示すブロック図である。

図１に示す移動体システムＡ１は、本発明の一実施形態に係る自律型移動体である無人車両Ｂ、非常停止用無線機Ｃ及び遠隔操作装置Ｄを有して構成されている。
なお、Ｐ１は非常停止用無線機Ｃを、また、Ｐ２は遠隔操作装置Ｄをそれぞれ操作するための非常停止者とオペレータである。

非常停止用無線機Ｃは、詳細を後述する無人車両Ｂに対して、非常停止信号を送信するものである。
遠隔操作装置２０は、無人車両Ｂとの間において、その無人車両Ｂの車両情報や当該無人車両Ｂの操縦情報等の送受信を行うものであり、通信回路Ｄａ、コンピュータＤｂ及び操縦装置Ｄｃ等を有して構成されている。

無人車両Ｂは、環境認識を行いながら自律して移動することができる機能を有するとともに、上記の遠隔操作装置Ｄからの操縦情報に基づく移動を行う機能を併有するものであり、本実施形態においては、一般の乗用車両のハンドル／アクセル／ブレーキを、下記の移動体制御用，自律移動用コンピュータ１０，３０によって操作できるように、各種のアクチュエータを付加した構成のものである。

すなわち、無人車両Ｂは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やインターフェース回路（いずれも図示しない）等からなる移動体制御用コンピュータ１０と、同じく自律移動用コンピュータ３０とによって制御されるようになっている（図２，３参照）。
なお、以下には、移動体制御用コンピュータ１０を、本実施形態に対応して車両制御用コンピュータ１０という。
車両制御用コンピュータ１０と、自律移動用コンピュータ３０とは、イーサネット（登録商標）１１を介して互いに接続されている。
なお、車両制御用コンピュータ１０と自律移動用コンピュータ３０との接続は、イーサネット（登録商標）以外にもＣＡＮ（Controller Area Network）等の車内ネットワークを用いることができる。

自律移動用コンピュータ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やインターフェース回路（いずれも図示しない）等からなるものであり、これの入力ポートには、移動領域内の測距データを取得するための測距部３３が接続されている。
測距部３３は、自律移動用カメラ１４，３１と、レーザー光センサ（以下、「ＬＲＦ」という。）３２ａ，３２ｂを有して構成されている（図２，３参照）。

ＬＲＦ３２ａ，３２ｂは、レーザ光の投光から受光までの時間を計測するタイムオブフライト方式による測距を行うものであり、本実施形態において示すものは、１つのレーザ光源を用い、光軸を光学的又は機械的に掃引することにより、物体の３次元的な形状を取得するスキャンタイプのものである。
本実施形態においては、一方のＬＲＦ３２ａが遠距離用のものであり、他方のＬＲＦ３２ｂが近距離用のものであり、遠近を問わず移動領域をカバーできるようにしている。

自律移動用カメラ１４，３１は、自律移動を行うときに必要な画像データを取得するためのものであり、移動方向に向け、かつ、車幅方向において左右対称に配列されている。

自律移動用コンピュータ３０は、所要のプログラムの実行により、図４（Ａ）に示す各機能を発揮する。
・測距部３３により取得した測距データに基づいて、環境地図を作成する機能。この機能を「地図作成手段３０ａ」という。
本実施形態においては、ＬＲＦ３２ａ，３２ｂにより取得したレーザー光データと、自律走行用カメラ１４，３１により取得した画像データの双方に基づいて環境地図を作成している。

環境地図は、自律走行用コンピュータ３０内のメモリ（図示しない）に順次記憶されていくようになっている。
なお、上記の環境地図は、自律走行用カメラ１４，３１により取得した画像データのみに基づき、また、ＬＲＦ３２により取得したレーザー光データのみに基づいて作成してもよい。

・測距部３３により取得した測距データに基づいて、移動可能エリアを抽出する機能。この機能を「エリア抽出手段３０ｂ」という。
具体的には、作成した上記環境地図に基づいて移動可能エリアを抽出している。

・移動可能エリアにおける自律移動のための移動経路を計画する機能。これを「移動経路計画手段３０ｃ」という。
「移動経路」は、換言すると、移動可能エリア内における無人車両Ｂの移動ルートであり、所謂ポテンシャル法やグラフ探索法等によるものである。

・計画された移動経路に応じた無人車両Ｂの移動速度を計画する機能。この機能を「移動速度計画手段３０ｄ」という。
「移動経路に応じた無人車両Ｂの移動速度」は、例えば移動経路のカーブの曲率の大小に応じて安全に走行できる速度という意味であり、小さなカーブでは大きなカーブよりも移動速度を低下させるようにしている。

図５は、走行可能エリア、計画された移動経路及び最大曲率の関係を示す説明図、図６（Ａ）は、移動経路の最大曲率で許容できる移動速度を算出するときの説明図、（Ｂ）は、現在の移動速度における停止距離を算出するときの説明図である。なお、図６に示す無人車両は、説明のために簡略化して示している。

まず、走行可能エリアａ、計画された移動経路ｂ及び最大曲率κmaxの関係は、図５に示すとおりである。
最大曲率で許容できる移動速度の算出は、次のように行っている。
横滑り限界速度：mV^2κ=μmGzより、
Vslip= √(μGz/κmax)
横転限界速度：hmV ^2κ=dmGzより、
Vroll= √(dGz/hκmax)
VslipとVrollのうち、小さい方が計画された移動経路bを横滑り、横転せずに走行できる最大速度である。

・現在の移動速度における停止距離を算出する機能。この機能を「停止距離算出手段３０ｅ」という。
ここで、停止距離＝空走距離＋制動距離＝Ｖ・Ｔ１＋Ｖ＾２／（２Ｇμ）
Ｔ１：反応時間（制御システムの遅延）
Ｇ：９．８ｍ／ｓ＾２μ：路面の摩擦係数
Ｖ：速度

本実施形態においては、現在の移動速度における停止距離だけ離れた地点における移動情報を生成しているので、無人車両Ｂの周囲に位置する者は、その無人車両Ｂの挙動に対応した対処行動を無理なく行うことができる。

車両制御用コンピュータ１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、インターフェース回路及びメモリ（いずれも図示しない）等からなるものである。
この車両制御用コンピュータ１０の入力ポートには、イーサネット（登録商標）１２を介して非常停止用無線回路１３、通信機２０及び遠隔操作用カメラ１９、また、ＧＰＳ（Global Positioning System）１５、バーチカルジャイロ１６、車速パルス１７、オドメトリ１８及び詳細を後述する報知装置８がそれぞれシリアル回線を介して接続されている。なお、符号１３ａ，２０ａはアンテナを示している。

また、出力ポートには、モータドライバ２１を介して、ステアリング用アクチュエータ２２、ブレーキ／アクセル用アクチュエータ２３がそれぞれ接続されている。
なお、図１，２に示す９…は走行輪であり、これらの走行輪９…とともに、モータドライバ２１、ステアリング用アクチュエータ２２、ブレーキ／アクセル用アクチュエータ２３により駆動機構Ｅを構成している。

非常停止用無線回路１３は、非常停止用無線機Ｃから送信された非常停止信号を受信する機能を有するものであり、これには、モータドライバ２１が車両制御用コンピュータ１０を介在することなく接続されている。

モータドライバ２１は、非常停止用無線回路１３から送出された非常停止信号により、ステアリング用アクチュエータ２２及びブレーキ／アクセル用アクチュエータ２３の駆動を停止する機能を有している。

すなわち、非常停止用無線機Ｃから送出された非常停止信号により、無人車両Ｂの駆動機構Ｅによる移動を直接停止するようにしている。
本実施形態における「直接停止」とは、車両制御用コンピュータ１０を介在することなくという意味であり、これにより、車両制御用コンピュータ１０が故障若しくは暴走等が生じた場合にも、無人車両Ｂを確実に停止させることができる。

なお、車両制御用コンピュータ１０及びモータドライバ２１を介して、ステアリング用アクチュエータ２２及びブレーキ／アクセル用アクチュエータ２３の駆動を停止するようにしてもよい。

通信機２０は遠隔操作装置Ｄとの間において、無人車両Ｂの車両情報や操縦情報を互いに交信するものである。

バーチカルジャイロ１６は、無人車両Ｂの鉛直面内における傾斜姿勢、従ってまた、後述する自律走行用カメラ１４，３１、ＬＲＦ３２ａ，３２ｂ及び遠隔操作用カメラ１９の光軸姿勢（向き）情報を取得するものである。

オドメトリ１８は、無人車両Ｂの走行輪９…の各回転量に基づいて、自己の位置情報を取得するためのセンサである。
ＧＰＳ１５は、無人車両Ｂの位置情報を取得するためのものである。
車速パルス１７は、無人車両Ｂの移動速度を測定するためのものであり、無人車両Ｂの移動速度をパルス情報として出力するものである。

本実施形態において示す報知装置８は、視覚又は聴覚若しくはそれら双方を通じて所要の情報を周囲に報知するためのものであり、５つの回転灯７ａ〜７ｅを無人車両Ｂの車幅方向に一定の間隔をおいて列設した走行・速度表示灯７と、サウンダと称される音声発生装置６とを有する構成のものである。

車両制御用コンピュータ１０は、ＧＰＳ１５やバーチカルジャイロ１６で取得した各種の情報を、イーサネット（登録商標）１１，通信機２０を通じ、遠隔操作装置Ｄに向けて送信する機能の他、ステアリング用アクチュエータ２２、ブレーキ／アクセル用アクチュエータ２３をモータドライバ２１を介して駆動制御する機能を有している。

車両制御用コンピュータ１０は、図示しないメモリに記憶されている所要のプログラムの実行により、次の各機能を発揮する。図７（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る自律型移動体に配設した報知装置の一例に係る報知態様を示す説明図、（Ｂ）は、その報知装置の他例に係る報知態様を示す説明図である。

・計画した移動経路と移動速度に従って、駆動機構Ｅを介して無人移動体Ｂを移動させる機能。この機能を「自律移動手段１０ａ」という。
・計画した移動経路を含む自己の移動情報を走行・速度表示灯７により報知させる機能。この機能を「報知手段１０ｂ」という。
本実施形態においては、計画した移動経路に応じた移動速度を含む自己の移動情報を報知させるようにしている。

すなわち、計画した移動経路と移動速度に対応する光源の発光態様での報知を行わせているが、本実施形態においては、次のようにしている。
具体的には、図７（Ａ）に示すように、光源の一例である回転灯７ａ〜７ｅが、旋回するときの曲率に対応して回転点灯するようになっている。

敷衍すると、無人車両Ｂが直進するときには、回転灯７ｃのみが回転点灯し、図示右方向α１に旋回するときには、その旋回曲率に対応する回転灯７ｄ又は回転灯７ｄとともに回転灯７ｅを回転点灯させるようになっている。
回転灯７ｄのみを回転点灯させるときの旋回曲率よりも、回転灯７ｄ，７ｅを同時に回転点灯する旋回曲率が小さい。

一方、図示左方向α２に旋回するときには、その旋回曲率に対応する回転灯７ｂ又は回転灯７ｂとともに回転灯７ａを回転点灯させるようになっている。
この場合にも、回転灯７ｂ，７ｄのみを回転点灯させるときの旋回曲率よりも、回転灯７ｂ，７ａを同時に回転点灯する旋回曲率が小さい。
要約すると、旋回方向側に配列された回転灯であって、旋回曲率に対応させている回転灯を点灯させている。

また、本実施形態において示す回転灯７ａ〜７ｅは、これらのうち、回転灯７ｃを水色、回転灯７ｂ，７ｄを緑色、回転灯７ａ，７ｅを赤色で点灯させることにより、旋回曲率に対応させた互いに異なる発色にして、大きな曲率の旋回であるか、小さな曲率での旋回であるかを視覚的にも認識させるようにしている。

さらに、本実施形態においては、回転点灯させた回転灯を移動速度に応じた時間間隔（点滅周期）で点滅させている。
具体的には、図７（Ｂ）に示すように、移動速度０から１０ｋｍ／ｈ増える毎に、等差数列的に点滅周期を短くし、所定の移動速度になったときから連続して点灯させている。これにより、移動速度を視覚的に認識させられるようにしている。

図８は、無人車両Ｂの移動状態の変化と、発音装置６の作動／停止の関係を示す説明図である。
発音装置６はサウンダと称される大きな音量を発することができるものであり、本実施形態においては、図８に示すように、以下に示す６つの移動モードの変化に従って、サウンダ６の作動／停止を行わせている。

移動モードは、スタンバイモード、設定モード、非常停止モード、自律モード、半自律モード及び遠隔操縦モードからなる。
「スタンバイモード」は、全プログラムの起動を待つ状態であり、各プログラムは起動後の初期化状態になっている。
「設定モード」は、変数等の設定とともに、モータ（アクチュエータ）をEnable状態とし、状態確認を行う。また、シフトはパーキング位置であり、そのままでは無人車輌が動けない状態、すなわち、Ｇｏ指令待ちの状態をいう。

「非常停止モード」は、車両制御用コンピュータからの指令等をオーバライドして、モータ（アクチュエータ）を車輌停止状態にさせている状態をいう。
「自律モード」は、Ｇｏ指令後にシフトをドライブ・バック位置に入れ、アクセル指令でエンジン（図示しない）を吹かし、自律的に移動できる状態をいう。

「半自律モード」は、Ｇｏ指令後にシフトをドライブ・バック位置に入れ、アクセル指令でエンジン（図示しない）を吹かし、一部をオペレータ操作により移動できる状態をいう。なお、Ｇｏ指令は、オペレータＰ２から発せられる指令である。

「遠隔操縦モード」は、Ｇｏ指令後にシフトをドライブ・バック位置に入れ、アクセル指令でエンジン（図示しない）を吹かし、全てオペレータによる遠隔操作によって移動できる状態をいう。
それらのうちの設定モードから自律モード、半自律モード，遠隔操縦モードに移行するときにサウンダ６を作動させている。
これにより、無人車両Ｂが自律的に移動する可能性があることの注意喚起を行うことができる。

また、半自律モード，遠隔操縦モードからスタンバイモード、自律モードからスタンバイモード、非常停止モードからスタンバイモードに移行するときにサウンダ６を停止している。

次に、無人車両Ｂが上記した自律モードで移動する場合における、その移動情報の報知について、図９を参照して説明する。図９は、無人車両を自律モードで移動させる処理を示すフローチャートである。

ステップ１（図中、「Ｓ１」と略記する。以下、同様。）：センジングを行う。すなわち、ＬＲＦ３１から測距データを取得する。
ステップ２：取得した測距データによって環境認識を行い、ステップ３に進む。
ステップ３：環境地図を作成するとともに、移動可能エリアを抽出する。
ステップ４：目的地点（方位）を設定する。
ステップ５：現在の推定位置から目的地点に至る局所経路（移動経路）を計画する。
図５においては、自車位置が現在の推定位置である。
ステップ６：経路追随目標地点を算出する。

ステップ７：経路追随目標地点に至るハンドル角度（旋回曲率）を算出する。
具体的には、タイヤ角δ、ホイールベースＬ、重心と後輪の間隔Ｌrとすると、
δ=arctan(Ｌ／√((1/κ) ^2-Ｌr^2)) （式１）
ハンドル角度は、移動体の特性によりタイヤ角δから一意に定まる。

ステップ８：回転灯７ａ〜７ｅを所要の態様で点灯させる。
具体的には、旋回曲率に対応した回転灯を点灯する。

ステップ９：ステアリングホイールのアクチュエータを制御する。
ステップ１０：局所経路の最大曲率κmaｘを算出する。

ステップ１１：上述したようにして、最大曲率で許容できる移動速度を算出する。
ステップ１２：算出した移動速度に対応させて、回転灯の点滅周期を変更する。
ステップ１３：最大曲率で許容できる移動速度となるように、アクセル・ブレーキアクチュエータを制御する。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上述した実施形態においては、自律して移動可能な移動状態に移行するときに、音声発生装置によって音声を発生させる例について説明したが、例えば移動速度に応じた音声を音声発生装置によって発生させるようにしてもよい。
「移動速度に応じた音声」は、例えば周波数を異ならせたもの等が考えられる。
具体的には、想定される移動速度を一定の速度間隔毎に区分しておき、それら各区分と周波数の異なる音声とを対応させておく等が考えられる。

・上述した実施形態においては、光源の一例である回転灯を例として説明したが、回転灯に限らず、回転しない光源を採用することもできる。

・上述した実施形態においては、四輪の無人車両を例として説明したが、これに限るものではなく、二輪や三輪のものに適用できることは勿論である。

６ 音声発生装置（サウンダ）
７（７ａ〜７ｅ） 光源（走行・速度表示灯）
８ 報知装置
１０ｂ 報知手段
１３ 非常停止用無線回路
２１ 駆動回路
３０ｂ エリア抽出手段
３０ｃ 移動経路計画手段
３０ｄ 移動速度計画手段
３０ｅ 停止距離算出手段
３３ 測距部
Ａ１ 自律型移動体（無人車両）
Ｃ 非常停止用無線機
Ｅ 駆動機構

Claims (6)

1. 移動領域内の測距データを取得するための測距部と、その移動領域内を移動するための駆動機構と、視覚又は聴覚若しくはそれら双方を通じて所要の情報を周囲に報知するための報知装置とを備え、自律して移動可能な自律型移動体であって、
   測距部により取得した測距データに基づいて、移動可能エリアを抽出するエリア抽出手段と、
   移動可能エリアにおける自律移動のための移動経路を計画する移動経路計画手段と、
   現在の移動速度における停止距離を算出する停止距離算出手段と、
   現在の移動速度における停止距離だけ離れた地点における自己の移動情報を報知装置により報知させる報知手段とを設けたことを特徴とする自律型移動体。
2. 移動領域内の測距データを取得するための測距部と、その移動領域内を移動するための駆動機構と、視覚又は聴覚若しくはそれら双方を通じて所要の情報を周囲に報知するための報知装置とを備え、自律して移動可能な自律型移動体であって、
   報知装置は、移動方向に対して交差する方向に列設された複数の光源を有するとともに、それら複数の光源が所定の旋回曲率毎に対応しており、
   測距部により取得した測距データに基づいて、移動可能エリアを抽出するエリア抽出手段と、
   移動可能エリアにおける自律移動のための移動経路を計画する移動経路計画手段と、
   計画した移動経路を含む自己の移動情報を報知装置により報知させる報知手段とを有し、
   報知手段は、旋回曲率に対応する光源を発光させ、かつ、移動経路に対応する光源の発光態様での報知を行うことを特徴とする自律型移動体。
3. 所定の移動速度毎に光源の点滅周期が設定されており、
   報知手段は、移動速度に対応する点滅周期で光源を点滅させることを特徴とする請求項１又は２に記載の自律型移動体。
4. 報知装置は所要の音声を発生する音声発生装置であり、
   報知手段は、自律して移動可能な移動状態に移行するときに、音声発生装置によって音声を発生させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の自律型移動体。
5. 報知装置は所要の音声を発生する音声発生装置であり、
   報知手段は、移動速度に応じた音声を音声発生装置によって発生させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の自律型移動体。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の自律型移動体と、この自律型移動体の移動を非常停止させるための非常停止信号を自律型移動体に向けて送信する非常停止用無線機を含む移動体システムであって、
   自律型移動体には、非常停止用無線機から送信される非常停止信号を受信するための非常停止用無線回路と、この非常停止用無線回路で受信した非常停止信号を直接受信し、かつ、報知装置を駆動するための駆動回路とが設けられており、
   駆動回路は、非常停止用無線回路から送信された非常停止信号により、駆動機構を停止する機能を有していることを特徴とする移動体システム。

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