JP2517240B2

JP2517240B2 - 無人走行車輌

Info

Publication number: JP2517240B2
Application number: JP61190566A
Authority: JP
Inventors: 直人東條; 悦男硲口; 通宏堀江
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 1986-08-15
Filing date: 1986-08-15
Publication date: 1996-07-24
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: JPS6347806A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明は、少なくとも一対の独立して前後進する駆動
輪を備えて自由方向に走行し、複数の壁面で囲まれた床
面を走行する無人走行車輌に関する。

（ロ）従来の技術例えば、清掃ロボットのように、壁面で囲まれた作業
領域を移動しながら作業を行なう無人走行車輌は、独立
して作業領域を識別してそれに対応した地図データを形
成し、その作業領域を作業するための走行経路を地図デ
ータに基づいて作成している。

このように、作業領域の地図データを形成したり、走
行経路を外さないで走行するためには、精度よく方向を
検出するセンサが必要であり、そのため、従来ではガス
レートジャイロ等のジャイロ手段を用いていた。

（ハ）発明が解決しようとする問題点しかしながら、このようなジャイロ手段は、高価であ
り、そのために無人走行車輌のコストが増大するという
不都合を生じていた。

そこで本発明は、高価なセンサを使用せずに安価に実
現できる無人走行車輌を提供することを目的とする。

（ニ）問題点を解決するための手段本発明は、少なくとも一対の独立して前後進する駆動
輪を備えて自由方向に走行し、複数の壁面で囲まれた床
面を走行する無人走行車輌において、上記複数の壁面を
それぞれ基準面としてあらかじめ形成され、上記床面を
走行する走行経路をあらわす走行経路データを記憶する
メモリと、おのおのの駆動輪の回転量を検出する回転量
検出器と、車体前面に複数個配列されて車体が物体に衝
突することを検出する衝突検出器と、車体の両側面にそ
れぞれ配設され、該車体に対し左右方向の壁面と車体と
の間の距離を測定する距離測定手段と、上記回転量検出
器の出力に基づき上記走行経路データに対応した走行経
路における車体の現在位置を位置データとして保持し、
その位置データに基づいて該走行経路に沿って走行する
ように上記駆動輪を制御する制御手段とを備え、上記制
御手段は、上記床面走行中に上記衝突検出器のいずれか
１つ以上からの検出出力があるとき、車体の進行方向前
方の壁面に衝突したと判断して上記駆動輪を停止させ、
該衝突検出器の全てから検出出力が得られるまで上記駆
動輪の一方のみを前進駆動させた後、上記距離測定手段
を動作させて上記左右方向の壁面から車体までの距離を
測定し、その測定結果に基づいて上記位置データを修正
することを特徴とするものである。

（ホ）作用本発明によれば、走行経路の基準面となる壁面に衝突
するたびに、衝突検出器の全てから検出出力が得られる
ように車体の向きを修正し、その時点で距離測定手段を
動作させて左右方向の壁面から車体までの距離を測定し
て、その測定結果に基づいて車体の現在位置を修正する
ので、ガスレートジャイロ等の高価なセンサを使用しな
くとも車体を適切に走行できる。

（ヘ）実施例第１図に本発明の一実施例にかかる無人走行車輌の走
行部を示す。

同図において、長方形の前部に半円形の後部を連結し
た形状の車体１の前面には、車体１が壁面等に衝突した
ことを検出するための５個の衝突センサ2,3,4,5,6がほ
ぼ等間隔に配列されており、車体１の左側面の前方と略
中央部には車体１が壁面に接触たことを検出するための
２個の接触センサ7,8が配設されている。これらの衝突
センサ2,3,4,5,6および接触センサ7,8としては、例えば
マイクロスイッチ等を用いることができる。

また、車体１の進行方向に正対して前方の壁面からの
距離を測定するための超音波センサ９と、車体１の左右
側面に正対して車体１と左右の壁面からの距離を測定す
るための超音波センサ10,11がそれぞれ配設されてい
る。

車体重心の床面投影位置Ｇをはさんで左右の対象位置
には、駆動輪12,13、この駆動輪12,13をそれぞれ独立に
駆動するためのモータ14,15、および、駆動輪12,13の回
転量を検出するためのパルスエンコーダ16,17がそれぞ
れ配設されている。また、位置Ｇをはさんで前後の対称
位置には、ボールキャスタあるいは自在キャスタ等から
なる従動輪18,19が配設されている。

したがって、車体１は、駆動輪12,13がともに前進駆
動あるいは後進駆動されるときには前進あるいは後進
し、駆動輪12が前進駆動されて駆動輪13が駆動輪12と同
一速度で後進駆動されるときにはその場で時計回り方向
に回転し、駆動輪12が前進駆動されて駆動輪13が駆動輪
12と異なる速度で後進駆動されるときにはその速度差に
対応して時計回り方向に回転し、駆動輪12のみが前進駆
動されるときにはそのときの車体１の運動の支点（例え
ば駆動輪13と床面の接触点あるいは車体前面の一点）を
中心として時計回り方向に回転する。

同様に車体１は、駆動輪13が前進駆動されて駆動輪12
が後進駆動されるときにはその場で反時計回り方向に回
転し、駆動輪13が前進駆動されて駆動輪12が駆動輪13と
異なる速度で後進駆動されるときにはその速度差に対応
して反時計回り方向に回転し、駆動輪13のみが前進駆動
されるときにはそのときの車体１の運動の支点（例えば
駆動輪12と床面の接触点あるいは車体前面の一点）を中
心として反時計回り方向に回転する。

また、車体１が運動（走行）するときには、従動輪1
8,19は進行方向をその運動方向に沿って倣い、従動回転
する。

このようにして、車体１が運動するとき、パルスエン
コーダ16,17の出力パルスを積算することにより、車体
１の移動距離と、運動の前後での移動方向の差すなわち
進行方向の相対的な方位を検出することができる。

なお、このために、パルスエンコーダ16,17として２
相のパルス信号を出力するものを用い、駆動輪12,13の
回転方向を識別できるようにしている。また、パルスエ
ンコーダ16,17に代えて、アブソリュートエンコーダを
用いることができる。

この無人走行車輌の走行制御部の一例を第２図に示
す。

同図において、無人走行車輌の走行を制御するための
制御部20は、マイクロプロセッサとその周辺回路等から
構成されており、作業領域（走行領域）をあらわす地図
データ、走行経路をあらわす走行経路データおよび車体
１の現在位置等を記憶するためのメモリ21を備えてお
り、また、衝突センサ２〜６および接触センサ7,8の検
出信号S2〜S8は制御部20に加えられている。

また、制御部20から送信パルス信号TP1が送信部22に
出力されると、所定周波数で所定パルス幅の信号が送信
部22から超音波センサ９の送波器9aに印加され、これに
よって、超音波信号が前方の壁面に放出される。その壁
面からのエコーは、超音波センサ９の受波器9bで検出さ
れ、この受波器9bの検出信号は、受信部23によって検波
されるとともに波形整形され、受信パルス信号EP1とし
て制御部20に出力される。

制御部20では、送信パルス信号TP1の出力タイミング
から受信パルス信号EP1の受信タイミングまでの時間に
基づいて、車体１と前方の壁面との距離を算出する。こ
の算出結果は、車体１が前方の壁面に衝突する直前に、
車体１と前方の壁面との距離に応じて車体１の速度を減
速するときに用いられる。

同様に、制御部20から送信パルス信号TP2,TP3が送信
部24,26に出力されると、所定周波数で所定パルス幅の
信号が送信部24,26から超音波センサ10,11の送波器10a,
11aに印加され、これによって、超音波信号が左右のの
壁面に放出される。それらの壁面からのエコーは、超音
波センサ10,11の受波器10b,11bで検出され、この受波器
10b,11bの検出信号は、受信部25,27によって検波される
とともに波形整形され、受信パルス信号EP2,EP3として
制御部20に出力される。

制御部20では、送信パルス信号TP2,TP3の出力タイミ
ングから受信パルス信号EP2,EP3の受信タイミングまで
の時間に基づいて、車体１と左右の壁面との距離を算出
する。これらの算出結果は、車体１が壁面あるいは障害
物等に衝突したときに、車体１の位置を修正する場合等
に用いられる。

また制御部20は、モータ14,15を駆動するモータ駆動
部28,29に、モータ14,15の回転方向と回転速度からなる
駆動指令信号を出力して、モータ14,15を制御する。

また、駆動輪12,13の回転に伴ってパルスエンコーダ1
6,17から出力される２相のパルス信号PP1,PP2は、制御
部20に出力されており、制御部20は、これらのパルス信
号PP1,PP2に基づいて駆動輪12,13の回転量を算出すると
ともにそれらの回転方向を識別し、車体１の移動量、回
転方向および回転量（方向転換量）を算出する。

このようにして、本実施例では、パルスエンコーダ1
6,17から出力される２相のパルス信号PP1,PP2に基づい
て車体１の方向転換量等を算出しているので、ジャイロ
等の方位センサを必要としない。

以上の構成で、車体１を作業領域内に設定される走行
経路上を走行させることを考える。

ここで、車体１は、例えば壁面で囲まれた床面を清掃
する清掃ロボット等の無人走行車輌の車体であるものと
し、図示しない清掃ユニットをその下部に付設している
ものとする。したがって、この場合の作業領域は壁面で
囲まれた床面であり、走行経路は清掃ユニットによって
その作業領域を隙間なく塗り潰すような経路、例えば、
清掃ユニットの幅に対応した間隔で、一筆書きできるよ
うなジグザグな往復経路である。

まず、無人走行車輌に作業領域をあらわす地図データ
を形成させる。そのためには、作業領域を囲む壁面を接
触センサ８が検出できるように、車体１を床面の清掃開
始位置に置いて、この無人走行車輌を起動させればよ
い。

これにより、制御部20は、接触センサ８が常に壁面を
検出できるように駆動輪12,13を駆動制御するととも
に、そのときに通過した経路を作業領域の最外枠として
識別し、それをあらわす地図データを形成する。この地
図データを形成するとき、作業領域をなす多角形の一辺
の長さは、パルスエンコーダ16,17から出力されるパル
ス信号PP1,PP2の計算値に基づいて算出し、作業領域を
なす多角形のおのおのの頂点の角度は、その頂点におい
て車体１を回転させたときのパルス信号PP1,PP2の計数
値の差等に基づいて算出する。

例えば、接触センサ８が所定時間壁面を検出できなか
ったときに、その位置から接触センサ７が壁面を検出す
るまで車体１を反時計回り方向に回転させ、そのときの
回転量に基づいてその頂点での角度を算出する。これに
より、作業領域をなす多角形の頂点のうちその多角形の
内部に突出している頂点の角度、すなわち、車体１が左
折する角度を求めることができる。

また、衝突センサ２〜６が壁面に衝突したことを検出
したときには、全ての衝突センサ２〜６が衝突を検知し
ない程度の距離だけ車体１を後退させ、その位置で、車
体１を、その進行方向が衝突した壁面に沿う状態になる
まで時計回り方向に車体１を回転させ、そのときの回転
量に基づいてその頂点での角度を算出する。これによ
り、作業領域をなす多角形の頂点のうちその多角形の外
部に突出している頂点の角度、すなわち、車体１が右折
する角度を求めることができる。

このようにして、壁面に沿って車体１を走行させなが
ら地図データを形成してゆき、車体１が出発点に戻って
きたらその地図データの形成を終了し、それによって地
図データが完成する。そして、制御部20は、この形成し
た地図データをメモリ21に記憶する。

なお、このようにして地図データを形成しているとき
に、適宜に清掃ユニットを作動して床面の最外枠の清掃
を行なうこともできる。

次に、制御部20は、この完成した地図データに基づ
き、作業領域全体を清掃ユニットの幅よりも所定のオー
バラップ量だけ小さい間隔で、車体１の中心位置Ｇがジ
グザグな往復経路を移動するような一筆書きの走行経路
を生成する。

この場合、走行時の車体方向の基準は、作業領域を囲
む壁面に設定されているので、作業領域の両側を規制し
ている壁面に車体１が衝突しながら、それらの壁面間を
往復移動する経路を走行経路として生成する。

そして、制御部20は、このようにして生成した走行経
路に対応した座標データ等からなる走行経路データを形
成し、この走行経路データをメモリ21に記憶する。

制御部20は、メモリ21に記憶した走行経路データを参
照しながら、そのときの作業領域を作業するために生成
した走行経路に沿って車体１を走行させながら、清掃ユ
ニットを作動させて床面を清掃する。

このようにして、走行経路を走行させるとき、まず、
走行経路をなす１つの片路の経路の開始点にまで車体１
を移動させるとその片路経路に乗るように車体１をいず
れかの方向に回転し、それによって対面した壁面に衝突
するまで車体１を走行させる。そして、このようにして
癖面に衝突させると、若干の距離を後退し、次の片路経
路に移行するために車体１をいずれかの方向に所定の角
度回転させて、次の片路経路の開始点にまで車体１を移
動させる。このような制御を順次繰り返して行ない、生
成した走行経路に沿って車体１を走行させる。

また、制御部20は、このように車体１を走行させると
き、パルスエンコーダ16,17の出力に基づいて走行経路
における車体１の現在位置を常に監視して、その位置デ
ータを保持している。そして、この位置データによって
次に衝突する壁面からの距離を判別し、その距離が所定
値よりも小さくなった場合には超音波センサ９の作動を
開始して壁面との距離を監視し、車体１が壁面に接近す
るに伴って車体１を減速させ、これによって、車体１を
微小な速度で壁面に衝突させている。

さて、このようにして走行経路に沿って車体１を走行
させているとき、床面の材質および凹凸等によって駆動
輪12,13が滑ったり、蹴られたりすると、車体１が実際
に走行している経路が、最初に生成した基準となる走行
経路と異なり、走行誤差を生じる。

例えば、第３図に示すように、壁面W1と平行な走行経
路RT1を走行するとき、その走行経路（片路経路）RT1の
開始点で状態SS1のように車体１の進行方向が走行経路R
T1と角度θだけずれていた場合には、走行経路RT1の終
点で車体１は状態SS2のように壁面W2と角度θの傾斜を
もって衝突する。

この走行経路RT1の距離をＬとすると、走行経路RT1の
終点における車体１の壁面W1からの位置誤差ER1、すな
わち、走行経路RT1の開始点における車体１の壁面W1か
らの距離1₀と走行経路RT1の終点における車体１の壁面W
1からの距離1₁との差は、次式（Ｉ）によってあらわさ
れる。

ER1＝1₁−1₀＝Ltanθ・・・（Ｉ）例えば、距離Ｌを3m、角度θを１度としたとき、位置
誤差ER1は5.2cmとなる。

さて、状態SS2では、走行経路の基準となっている壁
面の１つである壁面W2と、車体１の前面とがある角度を
もって衝突している。その様子を第４図（ａ）に示す。
ここでは、衝突センサ２〜６のうち衝突センサ２のみが
壁面W2を検出しており、壁面W2と車体１の前面とが角度
ψをなしている。

すなわち、制御部20は、車体１がいずれかの壁面に衝
突したとき、全ての衝突センサ２〜６が壁面を検出して
いなければ車体１が基準となる方向を向いていないと判
断し、かつ、そのときに壁面を検出している衝突制御２
〜６を識別して、いずれの方向に向きがずれているかを
判別する。

この場合には衝突センサ２のみがオン作動しているの
で、制御部20は、第４図（ｂ）に示すように、全ての衝
突センサ２〜６がオン作動するまでの間、駆動輪13のみ
を前進駆動させる。また、そのときにパルスエンコーダ
17から出力されるパルス信号PP2に基づいてそのときの
ずれの角度ψを算出することができる。

このとき、車体１が第４図（ａ）から同図（ｂ）の状
態になるまで、衝突センサ２が運動の支点となってお
り、同図（ａ）の状態でのその支点から車体１の中心位
置Ｇまでの壁面W2に平行な方向の距離1₂と、同図（ｂ）
の状態でのその支点からの車体１の中心位置Ｇまでの壁
面W2に平行な方向の距離1₃との誤差、すなわち、車体１
の方向を修正したことに基づく車体１の位置誤差ER2
は、次式（II）のようになる。

ER2＝1₃−1₂ ＝ｒ−Ｌcos（θ＋ψ）＝ｒ−R/sinθ・（cosθcosψ−sinθsinψ）＝ｒ−Ｒ（cosψ/tanθ−sinψ）＝ｒ−rcosψ＋Rsinψ ＝ｒ（１−cosψ）＋Rsinψ・・・（II）ただし、Ｒは車体１の前部の長方形の縦方向の長さ、
ｒは車体１の後部の半円形の半径である。例えば、長さ
Ｒを25cm、半径ｒを20cm、角度ψを５度とすると、位置
誤差ER2は2.3cmになる。

この場合、状態SS2での向きを修正した時点で、制御
部20は、超音波センサ10,11を作動させて左右の壁面か
らの車体１の距離を測定し、その測定結果に基づいてそ
の衝突位置を判断し、その判断結果によって、内部的に
形成している位置データを修正する。なお当然のことな
がら、衝突センサ６のみが壁面を検出している場合に
は、反対方向に車体１を回転させて車体１の向きを修正
する。

そして、その修正した位置データに基づいて、次の走
行経路（片路経路）の開始点までの方向と距離を算出
し、その算出結果に基づいて車体１を次の走行経路の開
始点に移動させる。

このように、車体１を壁面に衝突させる度にその位置
誤差を修正し、次の走行経路に適切に乗せるようにして
いるので、車体１の絶対的な方位を検出しなくとも、最
初に生成した走行経路に沿って車体１を走行させること
ができる。

ところで、第３図に示すように、作業領域内に障害物
30があるときには、最初に生成した走行経路に沿って車
体１を走行させている途中に、その障害物30に衝突す
る。その状態を状態SS3および状態SS4として示す。

状態SS3では、第５図（ａ）に示すように、衝突セン
サ２のみが障害物30を検出している。したがって、制御
部20は全ての衝突センサ２〜６が障害物30を検出するよ
うに、この場合には駆動輪13を前進駆動する。これによ
り、衝突センサ２の位置を支点にして、車体１が反時計
回り方向に回転する。

ところが、このときには、同図（ｂ）に示すように、
全ての衝突センサ２〜６が障害物30を検出する状態には
ならないから、制御部20は、さらに駆動輪13を前進駆動
し、それによって同図（ｃ）に示すように、今度は中央
の衝突センサ４の位置を中心にして車体１が反時計回り
方向に回転する。

このとき、最初にオン作動していた衝突センサ２がオ
フ作動し、これにより、制御部20は反対側の駆動輪12を
前進駆動し、同図（ｄ）に示すように、最初にオン作動
していた衝突センサ２が再度オン作動する状態で、駆動
輪12を停止する。

このようにして、車体１が障害物30に対して正対し、
車体１の方向が修正される。

また状態SS4では、その状態が第４図（ｃ）に相当
し、この場合には、いずれかの方向に所定量だけ車体１
を回転し、その状態でいずれの衝突センサ２〜６もオン
作動しないときには、反対方向に最初の２倍だけ車体１
を回転し、それでも衝突センサ２〜６がオン作動しない
ときには、いずれかの衝突センサ２〜６がオンするまで
徐々に回転量を増加しながら車体１の回転を繰り返す。
そして、最終的に第４図（ｄ）と同様な状態に車体１を
移動し、このようにして車体１の方向を修正する。

また、このようにして、車体１の方向を修正したと
き、状態SS2の場合と同様にして、車体１の位置データ
を修正する。

なお、制御部20は、最初に生成した走行経路を走行さ
せている途中で、車体１が障害物に衝突したと判断した
場合には、その障害物の周囲を倣ってその外形形状を判
断し、それに基づいてメモリ21に記憶した地図データを
修正し、その修正した地図データに基づいて最初に生成
した走行経路を修正することもできる。

ところで、上述した実施例では、車体１の方向を修正
したときに、超音波センサ10,11を作動して車体１と左
右の壁面との距離を測定し、その測定結果に基づいて車
体１の位置データを修正しているが、この位置データの
修正はこれに限ることはない。

例えば、車体１を走行させて壁面に衝突させる度に、
そのときの衝突センサ２〜６のオン作動の状況を判断し
て車体１の進行方向のずれとその向きを判別し、全ての
衝突センサ２〜６がオンするまでのいずれかの駆動輪1
2,13の回転量に基づいてその方向のずれの量を算出し、
それらと、とのときに走行した走行経路の距離に基づい
て、上述した式（Ｉ），（II）を演算して位置誤差ER1,
ER2を算出し、それらの位置誤差ER1,ER2の和にもとづい
てその壁面に衝突した時点で内部的に保持している車体
１の位置データを修正する。

ただし、壁面に衝突して車体１の進行方向のずれを修
正したときに駆動輪12,13が滑る可能性があるので、そ
の算出した修正量が所定値を越えたときには、超音波セ
ンサ10,11を作動させて車体１と左右の壁面との距離を
測定し、その測定結果に基づいて、車体１の位置データ
を再度修正する。

なお、上述した実施例においては、接触センサを車体
の左側面に付設して、時計回り方向に壁面をたどって作
業領域に対応する地図データを形成しているが、接触セ
ンサを車体の右側面に付設して、反時計回り方向に壁面
をたどって作業領域に対応する地図データを形成するこ
ともできる。また、走行経路は、往復経路に限ることは
ない。

また上述した実施例においては、車体に清掃ユニット
を塔載して床面を清掃する清掃ロボットについて本発明
を適用しているが、これ以外の機能を実現する無人走行
車輌についても、本発明を同様にして適用できる。

（ト）発明の効果以上のように本発明によれば、走行経路の基準面とな
る壁面に衝突するたびに車体の向きを修正し、その時点
で距離測定手段を動作させて左右方向の壁面から車体ま
での距離を測定して、その測定結果に基づいて車体の現
在位置を修正するので、ガスレートジャイロ等の高価な
センサを使用しなくとも、あらかじめ形成されている走
行経路データに従った走行経路を走行することができる
という効果を得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる無人走行車輌の走行
系を例示した概略平面図、第２図は走行制御系の一例を
示したブロック図、第３図は走行態様を例示した概略
図、第４図（ａ），（ｂ）は車体を壁面に衝突させたと
きの車体の進行方向の修正の一例を示した説明図、第５
図（ａ）〜（ｄ）は車体が障害物に衝突したときの車体
の方向の修正例を示した説明図である。１…車体、２〜６…衝突センサ、7,8…接触センサ、9,1
0,11…超音波センサ、9a,10a,11a…送波器、9b,10b,11b
…受波器、12,13…駆動輪、14,15…モータ、16,17…パ
ルスエンコーダ、18,19…従動輪、20制御部、21…メモ
リ、22,24,26…送信部、23,25,27…受信部、28,29…モ
ータ駆動部。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭51−46971（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−16016（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−293320（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−170811（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−93522（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−121408（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−122606（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一対の独立して前後進する駆動
輪を備えて自由方向に走行し、複数の壁面で囲まれた床
面を走行する無人走行車輌において、上記複数の壁面をそれぞれ基準面としてあらかじめ形成
され、上記床面を走行する走行経路をあらわす走行経路
データを記憶するメモリと、おのおのの駆動輪の回転量を検出する回転量検出器と、車体前面に複数個配列されて車体が物体に衝突すること
を検出する衝突検出器と、車体の両側面にそれぞれ配設され、該車体に対し左右方
向の壁面と車体との間の距離を測定する距離測定手段
と、上記回転量検出器の出力に基づき上記走行経路データに
対応した走行経路における車体の現在位置を位置データ
として保持し、その位置データに基づいて該走行経路に
沿って走行するように上記駆動輪を制御する制御手段と
を備え、上記制御手段は、上記床面走行中に上記衝突検出器のい
ずれか１つ以上からの検出出力があるとき、車体の進行
方向前方の壁面に衝突したと判断して上記駆動輪を停止
させ、該衝突検出器の全てから検出出力が得られるまで
上記駆動輪の一方のみを前進駆動させた後、上記距離測
定手段を動作させて上記左右方向の壁面から車体までの
距離を測定し、その測定結果に基づいて上記位置データ
を修正することを特徴とする無人走行車輌。