自主移动机器人及其控制方法
自主移动机器人及其控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及自主移动机器人及其控制方法，该自主移动机器人估计自身位置并基于估计的自身位置自主地移动。
【背景技术】
[0002]已知一种自主移动物体，其基于由距离传感器测量的距离估计自身位置(日本未审查专利申请公开第2005-157689号(JP 2005-157689 A))。
[0003]例如，当自主移动物体10在如图2中图解的出现彼此垂直的壁的环境中移动时，确定在前后方向及左右方向上的相对位置。相应地，自主移动物体10能够以高准确度估计自身位置。
[0004]另一方面，当自主移动物体10在如图3中图解的仅在一个方向上出现壁的环境中移动时，确定在左右方向上的相对位置，但是没有确定在前后方向上的相对位置。以这种方式，当在一个方向上距离传感器的距离信息被偏置并且从而不足时，存在自身位置估计误差将变得更大的可能性。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种自主移动机器人及其控制方法，该自主移动机器人能够提高自身位置的估计准确度以及提高安全性。
[0006]根据本发明的一个方面，提供了一种自主移动机器人。自主移动机器人包括:距离传感器，其测量到物体的距离；估计单元，被配置成基于由距离传感器测量的距离以及指示自主移动机器人的移动环境的地图信息估计自身位置；法线计算单元，被配置成基于由距离传感器测量的距离计算平面，以及计算平面的法线；以及确定单元，被配置成计算表示指示由法线计算单元计算的法线的方向的法线角度的分布的直方图以及基于计算的直方图确定用于估计自身位置的距离传感器的信息是否不足。基于由估计单元估计的自身位置，自主移动机器人自主地移动。当确定单元确定距离传感器的信息不足时，执行改变距离传感器的测量方向的控制过程、改变自身位置的估计方法的过程或采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。
[0007]根据该方面，当距离传感器的信息不足时，通过执行改变距离传感器的测量方向的控制过程增加距离传感器的信息量，以及通过改变自身位置的估计方法抑制距离传感器的误差的影响，从而能够提高自身位置的估计准确度。也能够通过执行采取预定安全行动的控制过程提高安全性。
[0008]在能够提高自身位置的估计准确度以及能够改善安全性的方面中，当在计算的直方图中没有出现具有正交关系的法线角度的频率峰、在计算的直方图中没有均匀地出现法线角度的多个频率峰以及在计算的直方图中法线角度没有均匀地分布时，确定单元可以确定用于估计自身位置的距离传感器的信息不足。
[0009]根据该方面，能够容易地初步确定距离传感器的信息量不足，由此能够基于该初步确定来采取对策，诸如改变距离传感器的测量方向的控制过程、改变自身位置的估计方法的过程、以及采取预定安全行动的控制过程。
[0010]在此方面，当确定单元确定距离传感器的信息不足时，估计单元可以基于由距离传感器测量的距离来计算被估计为自身位置的多个估计位置候选，可以将从所计算的估计位置候选中提取的位置估计为自身位置，以及可以增加在直方图中垂直于峰法线角度的方向上的估计位置候选的数目。
[0011]根据该方面，能够提高在相对位置未被确定的垂直方向上的自身位置的估计准确度。
[0012]在此方面，当确定单元确定距离传感器的信息不足的状态被维持预定时间量或更多时间量时，可以执行改变距离传感器的测量方向的控制过程、改变自身位置的估计方法的过程或采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。
[0013]根据该方面，能够迅速地应对由于距离传感器的信息不足的状态被维持预定时间量或更多时间量而被放大的自身位置的估计误差。
[0014]在此方面，自主移动机器人可以进一步包括控制单元，其被配置成执行改变距离传感器的测量方向的控制过程，以在直方图中产生具有正交关系的法线角度的频率峰，以及执行采取减速并停止自主移动机器人或发出警告的预定安全行动的控制过程。
[0015]通过执行改变距离传感器的测量方向的控制过程以及改变自身位置的估计方法的过程以补偿距离传感器的信息的不足，能够提高自身位置的估计准确度。通过在自身位置丢失之前减速并停止自主移动机器人或发出警告，能够抑制自身位置的丢失。
[0016]在此方面，自主移动机器人可以进一步包括:车轮，其允许自主移动机器人移动；旋转检测单元，其检测车轮的旋转信息；以及图像获取单元，其获取自主移动机器人周围的图像信息。估计单元可以基于第一估计方法和第二估计方法估计自身位置，并且当确定单元确定距离传感器的信息不足时，估计单元可以将第二估计方法的权重设置为比第一估计方法的权重高，其中，第一估计方法基于由距离传感器测量的距离和地图信息，使用测程法方法来估计自身位置，第二估计方法基于由旋转检测单元检测的旋转信息或由图像获取单元获取的图像信息中的至少一个，使用测程法方法来估计自身位置。第二估计方法的权重被设置为比第一估计方法的权重高，以减少使用包含距离传感器的误差的第一估计方法的自身位置的影响，并增加使用不包含距离传感器的误差的第二估计方法的自身位置的影响。
[0017]根据该方面，能够减少归因于距离传感器的误差的影响，并能够以高准确度估计自身位置。
[0018]根据本发明的另一方面，提供了一种自主移动机器人的控制方法，该自主移动机器人包括距离传感器和估计单元，距离传感器测量到物体的距离，估计单元被配置成基于由距离传感器测量的距离和指示自主移动机器人的移动环境的地图信息估计自身位置，并且基于由估计单元估计的自身位置自主地移动。自主移动机器人的控制方法包括:基于由距离传感器测量的距离计算平面，以及计算平面的法线；计算表示指示计算的法线的方向的法线角度的分布的直方图，以及基于计算的直方图确定用于估计自身位置的距离传感器的信息是否不足；以及当确定距离传感器的信息不足时，执行改变距离传感器的测量方向的控制过程、改变自身位置的估计方法的过程或采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。
[0019]根据本发明的各方面，可以提供能够提高自身位置的估计准确度以及改善安全性的自主移动机器人以及其控制方法。
【附图说明】
[0020]参考附图，在下面将描述本发明的示例性实施方式的特征、优点和技术及工业意义，在附图中相似的附图标记指代相似的元件，其中:
[0021]图1是示意性地图解根据本发明的实施方式的自主移动机器人的系统配置的框图；
[0022]图2是图解基于通过测量垂直的壁得到的距离信息来估计自身位置的情形的图；
[0023]图3是图解基于通过仅在诸如通道的一个方向上测量壁得到的距离信息来估计自身位置的情形的图；
[0024]图4是示意性地图解根据本发明的实施方式的控制单元的系统配置的框图；
[0025]图5是图解计算的法线的方向的图；
[0026]图6是图解具有正交关系的峰法线角度的图；
[0027]图7是图解均匀地出现多个峰法线角度的情形的图；
[0028]图8是图解法线角度均匀地分布的情形的图；
[0029]图9是图解仅出现一个峰法线角度的情形的图；
[0030]图10是图解根据本发明的实施方式的自主移动机器人的控制方法的控制过程流的流程图；以及
[0031]图11是图解执行使得距离传感器的测量方向面对垂直于壁表面的表面的控制的情形的图。
【具体实施方式】
[0032]在下文中，参考附图，将描述本发明的实施方式。根据本发明的实施方式的自主移动机器人以高准确度估计自身位置，并基于估计的自身位置自主地移动。图1是示意性地图解根据本实施方式的自主移动机器人的系统配置的框图。根据本实施方式的自主移动机器人I包括测量到物体的距离的距离传感器2、检测车轮的旋转信息的旋转传感器3、旋转地驱动车轮的电动机4、以及控制电动机4的控制单元5。
[0033]距离传感器2测量到诸如自主移动机器人I移动的移动环境中的障碍物、壁表面和道路表面的物体的距离(多个测量点)。距离传感器2例如是激光传感器或超声传感器，并被附接至自主移动机器人身体，以在自主移动机器人I的行进方向上面向道路表面。距离传感器2例如是二维距离传感器，其在水平方向上发出激光束以通过波动扫描移动环境。距离 传感器2将测量的距离信息输出至控制单元5。
[0034]旋转传感器3检测车轮的旋转信息(诸如旋转角、旋转角速度以及旋转角加速度)以及将检测的旋转信息输出至控制单元5，其中车轮允许自主移动机器人I移动。电动机4根据来自控制单元5的控制信号旋转地驱动车轮。
[0035]控制单元5基于从距离传感器2输出的距离信息以及从旋转传感器3输出的旋转信息来控制电动机4，以允许自主移动机器人I自主地移动。
[0036]在硬件方面，控制单元5由微型计算机构成，微型计算机包含:执行控制过程、算术运算等的中央处理单元(CPU) 5a ;包含存储由CPU 5a执行的控制程序、算术程序等的只读存储器(ROM)或随机存取存储器(RAM)的存储器5b ;用于关于外部输入和输出信号的接口单元(I/F)5c。CPU 5a、存储器5b和接口单元5c经由数据总线5d等而彼此连接。
[0037]当基于由距离传感器测量的距离信息以高准确度估计自身位置时，有必要基于足够的距离信息估计自身位置。例如，如在图2中图解的，当自主移动物体10基于通过测量彼此垂直的壁得到的距离信息估计自身位置时，在前后方向及左右方向上的相对位置被确定。以这种方式，当距离传感器的距离信息足够时，可以以高准确度估计自身位置。另一方面，如在图3中图解的，当自主移动物体10基于通过仅在诸如通道的一个方向上测量壁得到的距离信息来估计自身位置时，在左右方向上的相对位置被确定，但是在前后方向上的相对位置未被确定。以这种方式，当距离传感器的距离信息在一个方向上被偏置并且不足时，自身位置的估计误差增大，并且例如存在自身位置将丢失的可能性。
[0038]相反，当确定距离传感器2的信息不足时，根据本实施方式的自主移动机器人I执行改变距离传感器2的测量方向的控制过程、改变自身位置的估计方法的过程以及采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。
[0039]相应地，当距离传感器2的信息不足时，通过执行改变距离传感器2的测量方向的控制过程来增加距离传感器2的信息量，以及通过改变自身位置的估计方法来抑制距离传感器2的误差的影响，从而可以提高自身位置的估计准确度。还可以通过执行采取预定安全行动的控制过程来提高安全性。
[0040]换言之，为了根据距离传感器2的测量数据以高准确度估计自身位置，能够初步确定距离传感器2的信息是否不足。当确定距离传感器2的信息不足时，可以通过执行改变距离传感器2的测量方向的控制过程或改变自身位置的估计方法的过程以补偿不足，来提高自身位置的估计准确度。通过在自身位置丢失之前执行采取预定安全行动的控制过程，可以抑制自身位置的丢失。
[0041]图4是示意性地图解根据本实施方式的控制单元的系统配置的框图。根据本实施方式的控制单元5包含信息量确定器51、自身位置估计器52和控制器53，信息量确定器51确定用于估计自身位置的距离传感器2的信息量是否不足，自身位置估计器52估计自身位置，控制器53基于估计的自身位置来控制电动机4。
[0042]信息量确定器51是法线计算单元和确定单元的具体示例，并且用于基于由距离传感器2测量的距离来计算平面以及计算平面的法线(图5)。信息量确定器51基于由距离传感器2测量的距离来计算包括多个(例如，三个)邻近的测量点的平面以及计算所计算的平面的法线。信息量确定器51计算由距离传感器2测量距离的测量点处的法线，以及计算表示出现在法线方向(法线角度)上的归一化的数目(频率)的直方图。信息量确定器51从计算的直方图中提取频率为峰的法线角度(峰法线角度)。信息量确定器51确定在计算的直方图中(I)是否出现具有正交关系的峰法线角度，(2)是否均匀地出现多个峰法线角度，或(3)法线角度是否均匀地分布。
[0043](I)
[0044]如在图6中图解的，在出现垂直的壁的移动环境中，在直方图中的相邻的峰法线角度之间的差是90°，峰法线角度具有正交关系。在这种情况下，因为在前后方向及左右方向上确定相对位置关系，所以自身位置的估计准确度高。
[0045](2)
[0046]如在图7中图解的，在以基本相等的角度出现多个壁(但没有出现正交壁)的移动环境中，在直方图中均匀地出现多个峰法线角度。在这种情况下，因为在多个方向上确定相对位置关系，所以自身位置的估计准确度高。
[0047]⑶
[0048]如在图8中图解的，在出现许多自由曲面的移动环境中，没有出现峰法线角度，但是均匀地出现成所有法线角度的法线，法线角度是均匀地分布的。在这种情况下，因为在多个方向上确定相对位置关系，所以自身位置的估计准确度高。当直方图在(I)至(3)的状态下时，信息量确定器51确定用于估计自身位置的距离传感器2的信息足够(不是不足)。
[0049]当确定直方图满足⑴至(3)的状态以及用于估计自身位置的距离传感器2的信息足够时，信息量确定器51将指示此事实的第一信号输出至自身位置估计器52。
[0050]另一方面，例如，当在计算的直方图中，在直方图中没有出现具有正交关系的峰法线角度，在直方图中没有均匀地出现多个峰法线角度，或在直方图中法线角度没有均匀地分布时(直方图不在(I)至(3)的状态下)，信息量确定器51确定用于估计自身位置的距离传感器2的信息不足。
[0051]如在图9中图解的，在出现仅一个方向上的壁的移动环境中，在直方图中仅出现一个峰法线角度。在这种情况下，在峰法线角度的方向上确定相对位置，但是在其它方向上没有确定相对位置。相应地，自身位置的估计误差增大。当确定直方图不在(I)至(3)的状态下时，信息量确定器51确定距离传感器2的信息不足。当直方图不在(I)至(3)的状态下以及确定距离传感器2的信息不足时，信息量确定器51将指示此事实的第二信号输出至控制器53。
[0052]以这种方式，例如，即使当距离传感器2具有狭窄的视场时，通过确定直方图是否在(I)至(3)的状态下，也可以容易地确定在移动环境中是否出现估计自主移动机器人I的相对位置所需要的特征形状。
[0053]自身位置估计器52是估计单元的具体示例，并且基于从距离传感器2输出的距离信息以及表示自主移动机器人I的移动环境的地图信息，使用测程法方法来估计自主移动机器人I的自身位置。例如，基于表示预定二维环境的地图信息、由距离传感器2测量的距离信息以及由旋转传感器3测量的车轮的旋转信息，自身位置估计器52通过执行匹配处理等来估计自身位置。例如，在存储器5b中事先存储地图信息。基于由自主移动机器人I的传感器检测的信息，自身位置估计器52可以在不使用测程法方法的情况下估计自身位置。
[0054]当基于从信息量确定器51输出的第一信号确定距离传感器2的信息足够时，自身位置估计器52基于距离传感器2的距离信息来执行通常的自身位置估计处理。在这种情况下，因为从距离传感器2输出的距离信息包含用于准确地确定相对位置关系的信息，所以自身位置估计器52能够基于距离传感器2的距离信息以高准确度估计自身位置。
[0055]另一方面，例如，当基于从信息量确定器51输出的第二信号确定距离传感器2的信息不足时，自身位置估计器52改变自身位置的估计方法。
[0056]这里，基于由距离传感器2测量的距离信息以及由旋转传感器3测量的车轮的旋转信息，使用测程法方法，自身位置估计器52计算被估计为自身位置的位置的多个候选(在下文中，估计位置候选)。自身位置估计器52将从计算的多个估计位置候选中最终提取的位置估计为自身位置。
[0057]自身位置估计器52通过调整估计参数来计算多个估计位置候选。估计参数是误差参数，其指示在估计移动了预定距离之后的位置时对估计位置的误差(行进方向、横向方向以及角度方向上的差异)。
[0058]在图9中图解的示例中，在直方图的频率高的方向(例如，横向方向)上确定相对位置，但是在与其垂直的方向(例如，行进方向)上没有确定相对位置。因此，自身位置估计器52调整自身位置的估计参数，以在位置没有被确定的方向(行进方向)上增加估计位置候选的数目。
[0059]在这种情况下，通过增大行进方向上的误差参数，自身位置估计器52增加在行进方向上的估计位置候选的数目。具体地，自身位置估计器52增加在直方图的峰法线角度(90° )的±90°的方向(垂直方向)上的估计位置候选的 数目。以这种方式，通过增加在相对位置没有被确定的方向上的估计位置候选的数目，可以提高在相对位置没有被确定的方向上的自身位置的估计准确度。
[0060]虽然自身位置估计器52调整估计参数，但是自主移动机器人I移动，并且移动环境也被改变。相应地，例如，当移动环境改变成在图6至8中图解的移动环境时，自身位置估计器52能够使用最佳地调整的估计参数以更高准确度来估计自身位置。
[0061]当直方图不在⑴至(3)的状态下以及确定距离传感器的信息不足的状态被维持预定时间量或更多时间量时，信息量确定器51将指示此事实的第三信号输出至控制器53。基于从信息量确定器51输出的第三信号，控制器53执行(A)改变距离传感器2的测量方向的控制过程、(B)改变自身位置的估计方法的过程以及(C)采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。
[0062](A)
[0063]控制器53基于从信息量确定器51输出的第三信号来执行改变距离传感器2测量方向的控制过程。当用于估计自身位置的距离传感器2的信息不足的状态被维持预定时间量或更多时间量时，自身位置的估计误差增大，从而快速改进是必要的。相应地，控制器53主动地(actively)改变距离传感器2的测量方向并搜索距离传感器2的信息足够的例如在图6至8中图解的环境。控制器53例如通过以下方式来改变距离传感器2的测量方向:控制电动机4，以执行转动(旋转)自主移动机器人I的控制过程，或执行关于偏航轴旋转设置有距离传感器2的头部或身体的控制过程。
[0064]控制器53可以通过驱动致动器等以旋转地驱动距离传感器2来直接地改变距离传感器2的测量方向。控制器53执行改变距离传感器2的测量方向的控制过程，例如，直到直方图进入(I)至(3)的状态。相应地，距离传感器2的信息变得足够，从而自身位置估计器52能够以高准确度估计自身位置。
[0065](B)
[0066]自身位置估计器52基于从信息量确定器51输出的第三信号来执行改变自身位置的估计方法的过程。例如，使用基于由距离传感器2测量的距离来估计自身位置的第一估计方法以及基于由旋转传感器3检测的旋转信息来估计自身位置的第二估计方法，自身位置估计器52估计自身位置。
[0067]更具体地，通过使用第一估计方法，自身位置估计器52基于由距离传感器2测量的距离信息以及地图信息，使用测程法方法估计自身位置。通过使用第二估计方法，自身位置估计器52基于由旋转传感器3测量的车轮的旋转信息，使用测程法方法估计自身位置。自身位置估计器52通过将使用第一估计方法估计的自身位置以及使用第二估计方法估计的自身位置乘以预定的权重(系数)，来估计最终自身位置。
[0068]当距离传感器2的信息不足时，使用基于由距离传感器2测量的距离信息来估计自身位置的第一估计方法估计的自身位置包含大的误差。另一方面，使用基于由旋转传感器3测量的车轮的旋转信息来估计自身位置的第二估计方法估计的自身位置不受距离传感器2的误差影响，并且具有更高准确度。
[0069]因此，自身位置估计器52把第二估计方法的权重设置为比第一估计方法的权重高，以减小基于第一估计方法的自身位置的影响并增大基于第二估计方法的自身位置的影响。相应地，自身位置估计器52能够减小距离传感器2的误差的影响，并且能够以高准确度估计自身位置。
[0070]当距离传感器2的信息不足时，自身位置估计器52可以停止使用第一估计方法估计自身位置，并且可以执行使用第二估计方法估计自身位置。作为第二估计方法，例如，基于摄像机捕获的图像信息，自身位置估计器52可以使用测程法方法估计自身位置。基于摄像机的图像信息估计的自身位置不受距离传感器2的误差影响，并且具有更高准确度。自身位置估计器52可以基于摄像机捕获的图像以及旋转传感器3测量的旋转信息，使用测程法方法来估计自身位置。
[0071](C)
[0072]控制器53基于从信息量确定器51输出的第三信号来执行采取预定安全行动的控制过程。当用于估计自身位置的距离传感器2的信息不足的状态被维持预定时间量或更多时间量时，自身位置的估计误差大并且存在自身位置将丢失的可能性。因此，控制器53可以执行采取预定安全行动的控制过程。
[0073]例如，控制器53停止自身位置估计器52估计自身位置，并控制电动机4以执行减速并停止自主移动机器人I的控制过程。控制器53可以使用警告单元6对用户给出警告。警告单元6的示例包含输出警告声音的声音输出装置、打开/关闭警告灯的照明装置、显示警告的显示装置、产生警告振动的振动装置、以及对遥远位置处的用户给出警告的通信装置。相应地，即使当距离传感器2的信息不足的状态被维持以及自身位置的估计误差增大时，也可以保证自主移动机器人I的安全性。
[0074]图10是图解根据本实施方式的自主移动机器人的控制方法的控制过程流的流程图。反复地，例如每隔预定短时间，执行图10中图解的控制过程流。
[0075]距离传感器2测量到自主移动机器人I移动的移动环境中的物体的距离(步骤S101)，并将测量的距离输出至信息量确定器51以及自身位置估计器52。
[0076]信息量确定器51基于由距离传感器2测量的距离计算包含多个邻近的测量点的平面，并计算所计算的平面的法线(步骤S102)。信息量确定器51计算在距离传感器2测量到其距离的所有测量点处的法线，并计算法线角度的直方图(步骤S103)。信息量确定器51从计算的直方图中提取峰法线角度(步骤S104)。
[0077]信息量确定器51确定在计算的直方图中(I)是否出现具有正交关系的峰法线角度，(2)是否均匀地出现多个峰法线角度，或(3)法线角度是否均匀地分布(步骤S105)。
[0078]当在计算的直方图中确定⑴没有出现具有正交关系的峰法线角度，(2)没有均匀地出现多个峰法线角度，以及(3)法线角度没有均匀地分布时(步骤S105中的“否”)，信息量确定器51确定用于估计自身位置的距离传感器2的信息不足。在这种情况下，自身位置估计器52调整用于估计自身位置的估计参数，以增加在直方图中峰法线角度(90° )的±90°方向上的估计位置候选的数目(步骤S106)。
[0079]信息量确定器51确定直方图是否不在(I)至(3)的状态下以及用于估计自身位置的距离传感器2的信息不足的状态是否被维持第一预定时间量或更多时间量(步骤S107)ο
[0080]当信息量确定器51确定距离传感器2的信息不足的状态被维持第一预定时间量或更多时间量时(步骤S107中的“是”)，控制器53执行(A)改变距离传感器2的测量方向的控制过程(步骤S108)。
[0081]此时，控制器53可以不执行(A)改变距离传感器2的测量方向的控制过程，而是自身位置估计器52可以执行⑶改变自身位置的估计方法的过程。控制器53执行㈧改变距离传感器2的测量方向的控制过程，并且自身位置估计器52可以执行(B)改变自身位置的估计方法的过程。信息量确定器51确定距离传感器2的信息不足的状态是否被维持第二预定时间量(第二预定时间量 > 第一预定时间量)或更多时间量(步骤S109)。
[0082]当信息量确定器51确定距离传感器2的信息不足的状态被维持第二预定时间量或更多时间量时(步骤S109中的“是”)，控制器53执行(C)采取预定安全行动的控制过程(步骤S110)。以这种方式，当在距离传感器2的测量方向被改变之后经过了预定时间量而距离传感器2的信息不足的状态被维持时，自身位置的估计误差大，并且存在自身位置将丢失的可能性。相应地，通过采取预定安全行动，令人满意地防止自身位置的丢失。另一方面，当信息量确定器51确定距离传感器2的信息足够时(步骤S109中的“否”)，过程流移至以下处理(步骤S111)。
[0083]当在计算的直方图中(I)出现具有正交关系的峰法线角度，(2)均匀地出现多个峰法线角度，或(3)法线角度均匀地分布时(步骤S105中的“是”)，信息量确定器51确定用于估计自身位置的距离传感器2的信息足够。在这种情况下，自身位置估计器52基于从距离传感器2输出的距离信息以及地图信息，使用测程法方法来估计自身位置(步骤S111)，并且控制过程流结束。
[0084]在控制过程流中，当信息量确定器51确定在计算的直方图中( I)没有出现具有正交关系的峰法线角度，(2)没有均匀地出现多个峰法线角度，以及(3)法线角度没有均匀地分布时(步骤S105中的“否”)，自身位置估计器52可以不调整估计参数，而是可以立即执行⑷改变距离传感器2的测量方向的控制过程、⑶改变自身位置的估计方法的过程以及(C)采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。
[0085]在步骤S105中，信息量确定器51可以通过确定(I)在计算的直方图中是否出现具有正交关系的峰法线角度来确定距离传感器2的信息是否不足。相应地，可以简化确定过程，从而减少计算成本。如上所述，在根据本实施方式的自主移动机器人I中，基于由距离传感器2测量的距离，信息量确定器51计算表示指示平面的法线的方向的法线角度的分布的直方图。基于计算的直方图，信息量确定器51确定用于估计自身位置的距离传感器2的信息是否不足。当信息量确定器51确定距离传感器2的信息不足时，执行改变距离传感器2的测量方向的控制过程、改变自身位置的估计方法的过程以及采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。相应地，当距离传感器2的信息不足时，通过执行改变距离传感器2的测量方向的控制过程来增加距离传感器2的信息量，并且通过改变自身位置的估计方法来抑制距离传感器2的误差的影响，由此可以提高自身位置的估计准确度。也可以通过执行采取预定安全行动的控制过程来提高安全性。
[0086]本发明不限于上述实施方式，而且在没有偏离其主旨的情况下能够适当地被修改。例如，在上述实施方式中，距离传感器可以是获取三维测量点组的三维距离传感器。
[0087]信息量确定器51基于由三维距离传感器2测量的三维测量点组来计算诸如壁表面的平面，并且计算所计算的法线的法线。信息量确定器51计算表示所计算的法线的法线角度的分布的直方图。信息量确定器51从计算的直方图中提取峰法线角度。
[0088]信息量确定器51确定(I)在计算的直方图中是否出现具有正交关系的峰法线角度。当信息量确定器51确定在计算的直方图中没有出现具有正交关系的峰法线角度时，控制器53执行(A)改变距离传感器2的测量方向的控制过程。例如，如在图11中图解的，控制器53执行把距离传感器2的测量方向指向垂直于壁的表面(阴影线部分)的控制过程。在直方图中，形成具有正交关系的峰法线角度(图6)。相应地，距离传感器2的信息变得足够，并且自身位置估计器52能够以高准确度估计自身位置。
[0089]在本发明中，可以通过使CPU 5a执行计算机程序来实施图10中图解的过程流。
[0090]在程序被记录在各种类型的非暂态计算机可读介质的状态下，能够向计算机提供程序。非暂态计算机可读介质包含各种类型的有形存储介质。非暂态计算机可读介质的示例包含磁记录介质(诸如软盘、磁带和硬盘驱动器)、磁光记录介质(诸如磁光盘)、CD-ROM(只读存储器)、CD-R、CD-R/W、以及半导体存储器(诸如掩模型ROM、可编程ROM (PROM)、可擦除PROM (EPROM)、闪存R0M、随机存取存储器(RAM))。
[0091 ] 可以使用各种类型的暂态计算机可读介质来向计算机提供程序。暂态计算机可读介质的示例包含电信号、光信号以及电磁波。暂态计算机可读介质可以经由诸如电线及光纤的有线通信线路或无线通信线路向计算机提供程序。
【主权项】
1.一种自主移动机器人(I)，其特征在于包括: 距离传感器(2)，其测量到物体的距离； 估计单元(52)，被配置成基于由所述距离传感器测量的所述距离以及指示所述自主移动机器人的移动环境的地图信息估计自身位置； 法线计算单元，被配置成基于由所述距离传感器测量的所述距离计算平面，以及计算所述平面的法线；及 确定单元，被配置成计算表示指示由所述法线计算单元计算的所述法线的方向的法线角度的分布的直方图，以及基于所计算的直方图确定用于估计所述自身位置的所述距离传感器的信息是否不足， 其中基于由所述估计单元估计的所述自身位置，所述自主移动机器人自主地移动，以及 其中当所述确定单元确定所述距离传感器的所述信息不足时，执行改变所述距离传感器的测量方向的控制过程、改变所述自身位置的估计方法的过程以及采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。2.根据权利要求1所述的自主移动机器人，其特征在于:当在所述计算的直方图中具有正交关系的所述法线角度的频率峰没有出现、在所述计算的直方图中所述法线角度的多个频率峰没有均匀地出现以及在所述计算的直方图中所述法线角度没有均匀地分布时，所述确定单元确定用于估计所述自身位置的所述距离传感器的所述信息不足。3.根据权利要求1或2所述的自主移动机器人，其特征在于:当所述确定单元确定所述距离传感器的所述信息不足时，所述估计单元基于由所述距离传感器测量的所述距离，计算被估计为所述自身位置的多个估计位置候选，将从所计算的估计位置候选中提取的位置估计为所述自身位置，以及增加所述直方图中在垂直于峰法线角度的方向的估计位置候选的数目。4.根据权利要求1至3的任一项所述的自主移动机器人，其特征在于:当所述确定单元确定所述距离传感器的所述信息不足的状态被维持预定时间量或更多时间量时，执行所述改变所述距离传感器的测量方向的控制过程、所述改变所述自身位置的估计方法的过程以及所述采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。5.根据权利要求1至4的任一项所述的自主移动机器人，其特征在于进一步包括: 控制单元，被配置成执行所述改变所述距离传感器的测量方向的控制过程，以在所述直方图中产生具有正交关系的所述法线角度的频率峰，以及执行采取减速和停止所述自主移动机器人或发出警告的预定安全行动的控制过程。6.根据权利要求1至5的任一项所述的自主移动机器人，其特征在于进一步包括: 车轮，其允许所述自主移动机器人移动； 旋转检测单元，其检测所述车轮的旋转信息；以及 图像获取单元，其获取所述自主移动机器人周围的图像信息， 其中所述估计单元基于第一估计方法以及第二估计方法估计所述自身位置，以及当所述确定单元确定所述距离传感器的所述信息不足时将所述第二估计方法的权重设置为比所述第一估计方法的权重高，其中，所述第一估计方法基于由所述距离传感器测量的所述距离和所述地图信息，使用测程法方法来估计所述自身位置，所述第二估计方法基于由所述旋转检测单元检测的所述旋转信息以及由所述图像获取单元获取的所述图像信息中的至少一个，使用所述测程法方法来估计所述自身位置。7.—种自主移动机器人的控制方法，所述自主移动机器人包含距离传感器以及估计单元，所述距离传感器测量到物体的距离，所述估计单元被配置成基于由所述距离传感器测量的所述距离和指示所述自主移动机器人的移动环境的地图信息估计自身位置，以及所述自主移动机器人基于由所述估计单元估计的所述自身位置自主地移动，所述控制方法的特征在于包括: 基于由所述距离传感器测量的所述距离计算平面，以及计算所述平面的法线(S101，S102)； 计算表示指示所计算的法线的方向的法线角度的分布的直方图，以及基于所述计算的直方图确定用于估计所述自身位置的所述距离传感器的信息是否不足(S105);以及 当确定所述距离传感器的所述信息不足时，执行改变所述距离传感器的测量方向的控制过程、改变所述自身位置的估计方法的过程以及采取预定安全行动的控制过程中的至少一个(si08，si1，Sm) ο
【专利摘要】公开了一种自主移动机器人及其控制方法。自主移动机器人包括：距离传感器；估计单元，其被配置成基于由距离传感器测量的距离以及地图信息估计自身位置；法线计算单元，其被配置成基于距离计算平面，以及计算平面的法线；以及确定单元，其被配置成计算表示指示法线的方向的法线角度的分布的直方图，以及基于计算的直方图确定距离传感器的信息是否不足。基于估计的自身位置，自主移动机器人自主地移动。当确定单元确定信息不足时，执行改变距离传感器的测量方向的控制过程、改变自身位置的估计方法的过程以及采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。
【IPC分类】G05D1/02
【公开号】CN104898658
【申请号】CN201510097052
【发明人】高冈丰
【申请人】丰田自动车株式会社
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月4日
【公告号】US9207674, US20150253774
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及自主移动机器人及其控制方法，该自主移动机器人估计自身位置并基于估计的自身位置自主地移动。
【背景技术】
[0002]已知一种自主移动物体，其基于由距离传感器测量的距离估计自身位置(日本未审查专利申请公开第2005-157689号(JP 2005-157689 A))。
[0003]例如，当自主移动物体10在如图2中图解的出现彼此垂直的壁的环境中移动时，确定在前后方向及左右方向上的相对位置。相应地，自主移动物体10能够以高准确度估计自身位置。
[0004]另一方面，当自主移动物体10在如图3中图解的仅在一个方向上出现壁的环境中移动时，确定在左右方向上的相对位置，但是没有确定在前后方向上的相对位置。以这种方式，当在一个方向上距离传感器的距离信息被偏置并且从而不足时，存在自身位置估计误差将变得更大的可能性。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种自主移动机器人及其控制方法，该自主移动机器人能够提高自身位置的估计准确度以及提高安全性。
[0006]根据本发明的一个方面，提供了一种自主移动机器人。自主移动机器人包括:距离传感器，其测量到物体的距离；估计单元，被配置成基于由距离传感器测量的距离以及指示自主移动机器人的移动环境的地图信息估计自身位置；法线计算单元，被配置成基于由距离传感器测量的距离计算平面，以及计算平面的法线；以及确定单元，被配置成计算表示指示由法线计算单元计算的法线的方向的法线角度的分布的直方图以及基于计算的直方图确定用于估计自身位置的距离传感器的信息是否不足。基于由估计单元估计的自身位置，自主移动机器人自主地移动。当确定单元确定距离传感器的信息不足时，执行改变距离传感器的测量方向的控制过程、改变自身位置的估计方法的过程或采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。
[0007]根据该方面，当距离传感器的信息不足时，通过执行改变距离传感器的测量方向的控制过程增加距离传感器的信息量，以及通过改变自身位置的估计方法抑制距离传感器的误差的影响，从而能够提高自身位置的估计准确度。也能够通过执行采取预定安全行动的控制过程提高安全性。
[0008]在能够提高自身位置的估计准确度以及能够改善安全性的方面中，当在计算的直方图中没有出现具有正交关系的法线角度的频率峰、在计算的直方图中没有均匀地出现法线角度的多个频率峰以及在计算的直方图中法线角度没有均匀地分布时，确定单元可以确定用于估计自身位置的距离传感器的信息不足。
[0009]根据该方面，能够容易地初步确定距离传感器的信息量不足，由此能够基于该初步确定来采取对策，诸如改变距离传感器的测量方向的控制过程、改变自身位置的估计方法的过程、以及采取预定安全行动的控制过程。
[0010]在此方面，当确定单元确定距离传感器的信息不足时，估计单元可以基于由距离传感器测量的距离来计算被估计为自身位置的多个估计位置候选，可以将从所计算的估计位置候选中提取的位置估计为自身位置，以及可以增加在直方图中垂直于峰法线角度的方向上的估计位置候选的数目。
[0011]根据该方面，能够提高在相对位置未被确定的垂直方向上的自身位置的估计准确度。
[0012]在此方面，当确定单元确定距离传感器的信息不足的状态被维持预定时间量或更多时间量时，可以执行改变距离传感器的测量方向的控制过程、改变自身位置的估计方法的过程或采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。
[0013]根据该方面，能够迅速地应对由于距离传感器的信息不足的状态被维持预定时间量或更多时间量而被放大的自身位置的估计误差。
[0014]在此方面，自主移动机器人可以进一步包括控制单元，其被配置成执行改变距离传感器的测量方向的控制过程，以在直方图中产生具有正交关系的法线角度的频率峰，以及执行采取减速并停止自主移动机器人或发出警告的预定安全行动的控制过程。
[0015]通过执行改变距离传感器的测量方向的控制过程以及改变自身位置的估计方法的过程以补偿距离传感器的信息的不足，能够提高自身位置的估计准确度。通过在自身位置丢失之前减速并停止自主移动机器人或发出警告，能够抑制自身位置的丢失。
[0016]在此方面，自主移动机器人可以进一步包括:车轮，其允许自主移动机器人移动；旋转检测单元，其检测车轮的旋转信息；以及图像获取单元，其获取自主移动机器人周围的图像信息。估计单元可以基于第一估计方法和第二估计方法估计自身位置，并且当确定单元确定距离传感器的信息不足时，估计单元可以将第二估计方法的权重设置为比第一估计方法的权重高，其中，第一估计方法基于由距离传感器测量的距离和地图信息，使用测程法方法来估计自身位置，第二估计方法基于由旋转检测单元检测的旋转信息或由图像获取单元获取的图像信息中的至少一个，使用测程法方法来估计自身位置。第二估计方法的权重被设置为比第一估计方法的权重高，以减少使用包含距离传感器的误差的第一估计方法的自身位置的影响，并增加使用不包含距离传感器的误差的第二估计方法的自身位置的影响。
[0017]根据该方面，能够减少归因于距离传感器的误差的影响，并能够以高准确度估计自身位置。
[0018]根据本发明的另一方面，提供了一种自主移动机器人的控制方法，该自主移动机器人包括距离传感器和估计单元，距离传感器测量到物体的距离，估计单元被配置成基于由距离传感器测量的距离和指示自主移动机器人的移动环境的地图信息估计自身位置，并且基于由估计单元估计的自身位置自主地移动。自主移动机器人的控制方法包括:基于由距离传感器测量的距离计算平面，以及计算平面的法线；计算表示指示计算的法线的方向的法线角度的分布的直方图，以及基于计算的直方图确定用于估计自身位置的距离传感器的信息是否不足；以及当确定距离传感器的信息不足时，执行改变距离传感器的测量方向的控制过程、改变自身位置的估计方法的过程或采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。
[0019]根据本发明的各方面，可以提供能够提高自身位置的估计准确度以及改善安全性的自主移动机器人以及其控制方法。
【附图说明】
[0020]参考附图，在下面将描述本发明的示例性实施方式的特征、优点和技术及工业意义，在附图中相似的附图标记指代相似的元件，其中:
[0021]图1是示意性地图解根据本发明的实施方式的自主移动机器人的系统配置的框图；
[0022]图2是图解基于通过测量垂直的壁得到的距离信息来估计自身位置的情形的图；
[0023]图3是图解基于通过仅在诸如通道的一个方向上测量壁得到的距离信息来估计自身位置的情形的图；
[0024]图4是示意性地图解根据本发明的实施方式的控制单元的系统配置的框图；
[0025]图5是图解计算的法线的方向的图；
[0026]图6是图解具有正交关系的峰法线角度的图；
[0027]图7是图解均匀地出现多个峰法线角度的情形的图；
[0028]图8是图解法线角度均匀地分布的情形的图；
[0029]图9是图解仅出现一个峰法线角度的情形的图；
[0030]图10是图解根据本发明的实施方式的自主移动机器人的控制方法的控制过程流的流程图；以及
[0031]图11是图解执行使得距离传感器的测量方向面对垂直于壁表面的表面的控制的情形的图。
【具体实施方式】
[0032]在下文中，参考附图，将描述本发明的实施方式。根据本发明的实施方式的自主移动机器人以高准确度估计自身位置，并基于估计的自身位置自主地移动。图1是示意性地图解根据本实施方式的自主移动机器人的系统配置的框图。根据本实施方式的自主移动机器人I包括测量到物体的距离的距离传感器2、检测车轮的旋转信息的旋转传感器3、旋转地驱动车轮的电动机4、以及控制电动机4的控制单元5。
[0033]距离传感器2测量到诸如自主移动机器人I移动的移动环境中的障碍物、壁表面和道路表面的物体的距离(多个测量点)。距离传感器2例如是激光传感器或超声传感器，并被附接至自主移动机器人身体，以在自主移动机器人I的行进方向上面向道路表面。距离传感器2例如是二维距离传感器，其在水平方向上发出激光束以通过波动扫描移动环境。距离 传感器2将测量的距离信息输出至控制单元5。
[0034]旋转传感器3检测车轮的旋转信息(诸如旋转角、旋转角速度以及旋转角加速度)以及将检测的旋转信息输出至控制单元5，其中车轮允许自主移动机器人I移动。电动机4根据来自控制单元5的控制信号旋转地驱动车轮。
[0035]控制单元5基于从距离传感器2输出的距离信息以及从旋转传感器3输出的旋转信息来控制电动机4，以允许自主移动机器人I自主地移动。
[0036]在硬件方面，控制单元5由微型计算机构成，微型计算机包含:执行控制过程、算术运算等的中央处理单元(CPU) 5a ;包含存储由CPU 5a执行的控制程序、算术程序等的只读存储器(ROM)或随机存取存储器(RAM)的存储器5b ;用于关于外部输入和输出信号的接口单元(I/F)5c。CPU 5a、存储器5b和接口单元5c经由数据总线5d等而彼此连接。
[0037]当基于由距离传感器测量的距离信息以高准确度估计自身位置时，有必要基于足够的距离信息估计自身位置。例如，如在图2中图解的，当自主移动物体10基于通过测量彼此垂直的壁得到的距离信息估计自身位置时，在前后方向及左右方向上的相对位置被确定。以这种方式，当距离传感器的距离信息足够时，可以以高准确度估计自身位置。另一方面，如在图3中图解的，当自主移动物体10基于通过仅在诸如通道的一个方向上测量壁得到的距离信息来估计自身位置时，在左右方向上的相对位置被确定，但是在前后方向上的相对位置未被确定。以这种方式，当距离传感器的距离信息在一个方向上被偏置并且不足时，自身位置的估计误差增大，并且例如存在自身位置将丢失的可能性。
[0038]相反，当确定距离传感器2的信息不足时，根据本实施方式的自主移动机器人I执行改变距离传感器2的测量方向的控制过程、改变自身位置的估计方法的过程以及采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。
[0039]相应地，当距离传感器2的信息不足时，通过执行改变距离传感器2的测量方向的控制过程来增加距离传感器2的信息量，以及通过改变自身位置的估计方法来抑制距离传感器2的误差的影响，从而可以提高自身位置的估计准确度。还可以通过执行采取预定安全行动的控制过程来提高安全性。
[0040]换言之，为了根据距离传感器2的测量数据以高准确度估计自身位置，能够初步确定距离传感器2的信息是否不足。当确定距离传感器2的信息不足时，可以通过执行改变距离传感器2的测量方向的控制过程或改变自身位置的估计方法的过程以补偿不足，来提高自身位置的估计准确度。通过在自身位置丢失之前执行采取预定安全行动的控制过程，可以抑制自身位置的丢失。
[0041]图4是示意性地图解根据本实施方式的控制单元的系统配置的框图。根据本实施方式的控制单元5包含信息量确定器51、自身位置估计器52和控制器53，信息量确定器51确定用于估计自身位置的距离传感器2的信息量是否不足，自身位置估计器52估计自身位置，控制器53基于估计的自身位置来控制电动机4。
[0042]信息量确定器51是法线计算单元和确定单元的具体示例，并且用于基于由距离传感器2测量的距离来计算平面以及计算平面的法线(图5)。信息量确定器51基于由距离传感器2测量的距离来计算包括多个(例如，三个)邻近的测量点的平面以及计算所计算的平面的法线。信息量确定器51计算由距离传感器2测量距离的测量点处的法线，以及计算表示出现在法线方向(法线角度)上的归一化的数目(频率)的直方图。信息量确定器51从计算的直方图中提取频率为峰的法线角度(峰法线角度)。信息量确定器51确定在计算的直方图中(I)是否出现具有正交关系的峰法线角度，(2)是否均匀地出现多个峰法线角度，或(3)法线角度是否均匀地分布。
[0043](I)
[0044]如在图6中图解的，在出现垂直的壁的移动环境中，在直方图中的相邻的峰法线角度之间的差是90°，峰法线角度具有正交关系。在这种情况下，因为在前后方向及左右方向上确定相对位置关系，所以自身位置的估计准确度高。
[0045](2)
[0046]如在图7中图解的，在以基本相等的角度出现多个壁(但没有出现正交壁)的移动环境中，在直方图中均匀地出现多个峰法线角度。在这种情况下，因为在多个方向上确定相对位置关系，所以自身位置的估计准确度高。
[0047]⑶
[0048]如在图8中图解的，在出现许多自由曲面的移动环境中，没有出现峰法线角度，但是均匀地出现成所有法线角度的法线，法线角度是均匀地分布的。在这种情况下，因为在多个方向上确定相对位置关系，所以自身位置的估计准确度高。当直方图在(I)至(3)的状态下时，信息量确定器51确定用于估计自身位置的距离传感器2的信息足够(不是不足)。
[0049]当确定直方图满足⑴至(3)的状态以及用于估计自身位置的距离传感器2的信息足够时，信息量确定器51将指示此事实的第一信号输出至自身位置估计器52。
[0050]另一方面，例如，当在计算的直方图中，在直方图中没有出现具有正交关系的峰法线角度，在直方图中没有均匀地出现多个峰法线角度，或在直方图中法线角度没有均匀地分布时(直方图不在(I)至(3)的状态下)，信息量确定器51确定用于估计自身位置的距离传感器2的信息不足。
[0051]如在图9中图解的，在出现仅一个方向上的壁的移动环境中，在直方图中仅出现一个峰法线角度。在这种情况下，在峰法线角度的方向上确定相对位置，但是在其它方向上没有确定相对位置。相应地，自身位置的估计误差增大。当确定直方图不在(I)至(3)的状态下时，信息量确定器51确定距离传感器2的信息不足。当直方图不在(I)至(3)的状态下以及确定距离传感器2的信息不足时，信息量确定器51将指示此事实的第二信号输出至控制器53。
[0052]以这种方式，例如，即使当距离传感器2具有狭窄的视场时，通过确定直方图是否在(I)至(3)的状态下，也可以容易地确定在移动环境中是否出现估计自主移动机器人I的相对位置所需要的特征形状。
[0053]自身位置估计器52是估计单元的具体示例，并且基于从距离传感器2输出的距离信息以及表示自主移动机器人I的移动环境的地图信息，使用测程法方法来估计自主移动机器人I的自身位置。例如，基于表示预定二维环境的地图信息、由距离传感器2测量的距离信息以及由旋转传感器3测量的车轮的旋转信息，自身位置估计器52通过执行匹配处理等来估计自身位置。例如，在存储器5b中事先存储地图信息。基于由自主移动机器人I的传感器检测的信息，自身位置估计器52可以在不使用测程法方法的情况下估计自身位置。
[0054]当基于从信息量确定器51输出的第一信号确定距离传感器2的信息足够时，自身位置估计器52基于距离传感器2的距离信息来执行通常的自身位置估计处理。在这种情况下，因为从距离传感器2输出的距离信息包含用于准确地确定相对位置关系的信息，所以自身位置估计器52能够基于距离传感器2的距离信息以高准确度估计自身位置。
[0055]另一方面，例如，当基于从信息量确定器51输出的第二信号确定距离传感器2的信息不足时，自身位置估计器52改变自身位置的估计方法。
[0056]这里，基于由距离传感器2测量的距离信息以及由旋转传感器3测量的车轮的旋转信息，使用测程法方法，自身位置估计器52计算被估计为自身位置的位置的多个候选(在下文中，估计位置候选)。自身位置估计器52将从计算的多个估计位置候选中最终提取的位置估计为自身位置。
[0057]自身位置估计器52通过调整估计参数来计算多个估计位置候选。估计参数是误差参数，其指示在估计移动了预定距离之后的位置时对估计位置的误差(行进方向、横向方向以及角度方向上的差异)。
[0058]在图9中图解的示例中，在直方图的频率高的方向(例如，横向方向)上确定相对位置，但是在与其垂直的方向(例如，行进方向)上没有确定相对位置。因此，自身位置估计器52调整自身位置的估计参数，以在位置没有被确定的方向(行进方向)上增加估计位置候选的数目。
[0059]在这种情况下，通过增大行进方向上的误差参数，自身位置估计器52增加在行进方向上的估计位置候选的数目。具体地，自身位置估计器52增加在直方图的峰法线角度(90° )的±90°的方向(垂直方向)上的估计位置候选的 数目。以这种方式，通过增加在相对位置没有被确定的方向上的估计位置候选的数目，可以提高在相对位置没有被确定的方向上的自身位置的估计准确度。
[0060]虽然自身位置估计器52调整估计参数，但是自主移动机器人I移动，并且移动环境也被改变。相应地，例如，当移动环境改变成在图6至8中图解的移动环境时，自身位置估计器52能够使用最佳地调整的估计参数以更高准确度来估计自身位置。
[0061]当直方图不在⑴至(3)的状态下以及确定距离传感器的信息不足的状态被维持预定时间量或更多时间量时，信息量确定器51将指示此事实的第三信号输出至控制器53。基于从信息量确定器51输出的第三信号，控制器53执行(A)改变距离传感器2的测量方向的控制过程、(B)改变自身位置的估计方法的过程以及(C)采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。
[0062](A)
[0063]控制器53基于从信息量确定器51输出的第三信号来执行改变距离传感器2测量方向的控制过程。当用于估计自身位置的距离传感器2的信息不足的状态被维持预定时间量或更多时间量时，自身位置的估计误差增大，从而快速改进是必要的。相应地，控制器53主动地(actively)改变距离传感器2的测量方向并搜索距离传感器2的信息足够的例如在图6至8中图解的环境。控制器53例如通过以下方式来改变距离传感器2的测量方向:控制电动机4，以执行转动(旋转)自主移动机器人I的控制过程，或执行关于偏航轴旋转设置有距离传感器2的头部或身体的控制过程。
[0064]控制器53可以通过驱动致动器等以旋转地驱动距离传感器2来直接地改变距离传感器2的测量方向。控制器53执行改变距离传感器2的测量方向的控制过程，例如，直到直方图进入(I)至(3)的状态。相应地，距离传感器2的信息变得足够，从而自身位置估计器52能够以高准确度估计自身位置。
[0065](B)
[0066]自身位置估计器52基于从信息量确定器51输出的第三信号来执行改变自身位置的估计方法的过程。例如，使用基于由距离传感器2测量的距离来估计自身位置的第一估计方法以及基于由旋转传感器3检测的旋转信息来估计自身位置的第二估计方法，自身位置估计器52估计自身位置。
[0067]更具体地，通过使用第一估计方法，自身位置估计器52基于由距离传感器2测量的距离信息以及地图信息，使用测程法方法估计自身位置。通过使用第二估计方法，自身位置估计器52基于由旋转传感器3测量的车轮的旋转信息，使用测程法方法估计自身位置。自身位置估计器52通过将使用第一估计方法估计的自身位置以及使用第二估计方法估计的自身位置乘以预定的权重(系数)，来估计最终自身位置。
[0068]当距离传感器2的信息不足时，使用基于由距离传感器2测量的距离信息来估计自身位置的第一估计方法估计的自身位置包含大的误差。另一方面，使用基于由旋转传感器3测量的车轮的旋转信息来估计自身位置的第二估计方法估计的自身位置不受距离传感器2的误差影响，并且具有更高准确度。
[0069]因此，自身位置估计器52把第二估计方法的权重设置为比第一估计方法的权重高，以减小基于第一估计方法的自身位置的影响并增大基于第二估计方法的自身位置的影响。相应地，自身位置估计器52能够减小距离传感器2的误差的影响，并且能够以高准确度估计自身位置。
[0070]当距离传感器2的信息不足时，自身位置估计器52可以停止使用第一估计方法估计自身位置，并且可以执行使用第二估计方法估计自身位置。作为第二估计方法，例如，基于摄像机捕获的图像信息，自身位置估计器52可以使用测程法方法估计自身位置。基于摄像机的图像信息估计的自身位置不受距离传感器2的误差影响，并且具有更高准确度。自身位置估计器52可以基于摄像机捕获的图像以及旋转传感器3测量的旋转信息，使用测程法方法来估计自身位置。
[0071](C)
[0072]控制器53基于从信息量确定器51输出的第三信号来执行采取预定安全行动的控制过程。当用于估计自身位置的距离传感器2的信息不足的状态被维持预定时间量或更多时间量时，自身位置的估计误差大并且存在自身位置将丢失的可能性。因此，控制器53可以执行采取预定安全行动的控制过程。
[0073]例如，控制器53停止自身位置估计器52估计自身位置，并控制电动机4以执行减速并停止自主移动机器人I的控制过程。控制器53可以使用警告单元6对用户给出警告。警告单元6的示例包含输出警告声音的声音输出装置、打开/关闭警告灯的照明装置、显示警告的显示装置、产生警告振动的振动装置、以及对遥远位置处的用户给出警告的通信装置。相应地，即使当距离传感器2的信息不足的状态被维持以及自身位置的估计误差增大时，也可以保证自主移动机器人I的安全性。
[0074]图10是图解根据本实施方式的自主移动机器人的控制方法的控制过程流的流程图。反复地，例如每隔预定短时间，执行图10中图解的控制过程流。
[0075]距离传感器2测量到自主移动机器人I移动的移动环境中的物体的距离(步骤S101)，并将测量的距离输出至信息量确定器51以及自身位置估计器52。
[0076]信息量确定器51基于由距离传感器2测量的距离计算包含多个邻近的测量点的平面，并计算所计算的平面的法线(步骤S102)。信息量确定器51计算在距离传感器2测量到其距离的所有测量点处的法线，并计算法线角度的直方图(步骤S103)。信息量确定器51从计算的直方图中提取峰法线角度(步骤S104)。
[0077]信息量确定器51确定在计算的直方图中(I)是否出现具有正交关系的峰法线角度，(2)是否均匀地出现多个峰法线角度，或(3)法线角度是否均匀地分布(步骤S105)。
[0078]当在计算的直方图中确定⑴没有出现具有正交关系的峰法线角度，(2)没有均匀地出现多个峰法线角度，以及(3)法线角度没有均匀地分布时(步骤S105中的“否”)，信息量确定器51确定用于估计自身位置的距离传感器2的信息不足。在这种情况下，自身位置估计器52调整用于估计自身位置的估计参数，以增加在直方图中峰法线角度(90° )的±90°方向上的估计位置候选的数目(步骤S106)。
[0079]信息量确定器51确定直方图是否不在(I)至(3)的状态下以及用于估计自身位置的距离传感器2的信息不足的状态是否被维持第一预定时间量或更多时间量(步骤S107)ο
[0080]当信息量确定器51确定距离传感器2的信息不足的状态被维持第一预定时间量或更多时间量时(步骤S107中的“是”)，控制器53执行(A)改变距离传感器2的测量方向的控制过程(步骤S108)。
[0081]此时，控制器53可以不执行(A)改变距离传感器2的测量方向的控制过程，而是自身位置估计器52可以执行⑶改变自身位置的估计方法的过程。控制器53执行㈧改变距离传感器2的测量方向的控制过程，并且自身位置估计器52可以执行(B)改变自身位置的估计方法的过程。信息量确定器51确定距离传感器2的信息不足的状态是否被维持第二预定时间量(第二预定时间量 > 第一预定时间量)或更多时间量(步骤S109)。
[0082]当信息量确定器51确定距离传感器2的信息不足的状态被维持第二预定时间量或更多时间量时(步骤S109中的“是”)，控制器53执行(C)采取预定安全行动的控制过程(步骤S110)。以这种方式，当在距离传感器2的测量方向被改变之后经过了预定时间量而距离传感器2的信息不足的状态被维持时，自身位置的估计误差大，并且存在自身位置将丢失的可能性。相应地，通过采取预定安全行动，令人满意地防止自身位置的丢失。另一方面，当信息量确定器51确定距离传感器2的信息足够时(步骤S109中的“否”)，过程流移至以下处理(步骤S111)。
[0083]当在计算的直方图中(I)出现具有正交关系的峰法线角度，(2)均匀地出现多个峰法线角度，或(3)法线角度均匀地分布时(步骤S105中的“是”)，信息量确定器51确定用于估计自身位置的距离传感器2的信息足够。在这种情况下，自身位置估计器52基于从距离传感器2输出的距离信息以及地图信息，使用测程法方法来估计自身位置(步骤S111)，并且控制过程流结束。
[0084]在控制过程流中，当信息量确定器51确定在计算的直方图中( I)没有出现具有正交关系的峰法线角度，(2)没有均匀地出现多个峰法线角度，以及(3)法线角度没有均匀地分布时(步骤S105中的“否”)，自身位置估计器52可以不调整估计参数，而是可以立即执行⑷改变距离传感器2的测量方向的控制过程、⑶改变自身位置的估计方法的过程以及(C)采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。
[0085]在步骤S105中，信息量确定器51可以通过确定(I)在计算的直方图中是否出现具有正交关系的峰法线角度来确定距离传感器2的信息是否不足。相应地，可以简化确定过程，从而减少计算成本。如上所述，在根据本实施方式的自主移动机器人I中，基于由距离传感器2测量的距离，信息量确定器51计算表示指示平面的法线的方向的法线角度的分布的直方图。基于计算的直方图，信息量确定器51确定用于估计自身位置的距离传感器2的信息是否不足。当信息量确定器51确定距离传感器2的信息不足时，执行改变距离传感器2的测量方向的控制过程、改变自身位置的估计方法的过程以及采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。相应地，当距离传感器2的信息不足时，通过执行改变距离传感器2的测量方向的控制过程来增加距离传感器2的信息量，并且通过改变自身位置的估计方法来抑制距离传感器2的误差的影响，由此可以提高自身位置的估计准确度。也可以通过执行采取预定安全行动的控制过程来提高安全性。
[0086]本发明不限于上述实施方式，而且在没有偏离其主旨的情况下能够适当地被修改。例如，在上述实施方式中，距离传感器可以是获取三维测量点组的三维距离传感器。
[0087]信息量确定器51基于由三维距离传感器2测量的三维测量点组来计算诸如壁表面的平面，并且计算所计算的法线的法线。信息量确定器51计算表示所计算的法线的法线角度的分布的直方图。信息量确定器51从计算的直方图中提取峰法线角度。
[0088]信息量确定器51确定(I)在计算的直方图中是否出现具有正交关系的峰法线角度。当信息量确定器51确定在计算的直方图中没有出现具有正交关系的峰法线角度时，控制器53执行(A)改变距离传感器2的测量方向的控制过程。例如，如在图11中图解的，控制器53执行把距离传感器2的测量方向指向垂直于壁的表面(阴影线部分)的控制过程。在直方图中，形成具有正交关系的峰法线角度(图6)。相应地，距离传感器2的信息变得足够，并且自身位置估计器52能够以高准确度估计自身位置。
[0089]在本发明中，可以通过使CPU 5a执行计算机程序来实施图10中图解的过程流。
[0090]在程序被记录在各种类型的非暂态计算机可读介质的状态下，能够向计算机提供程序。非暂态计算机可读介质包含各种类型的有形存储介质。非暂态计算机可读介质的示例包含磁记录介质(诸如软盘、磁带和硬盘驱动器)、磁光记录介质(诸如磁光盘)、CD-ROM(只读存储器)、CD-R、CD-R/W、以及半导体存储器(诸如掩模型ROM、可编程ROM (PROM)、可擦除PROM (EPROM)、闪存R0M、随机存取存储器(RAM))。
[0091 ] 可以使用各种类型的暂态计算机可读介质来向计算机提供程序。暂态计算机可读介质的示例包含电信号、光信号以及电磁波。暂态计算机可读介质可以经由诸如电线及光纤的有线通信线路或无线通信线路向计算机提供程序。
【主权项】
1.一种自主移动机器人(I)，其特征在于包括: 距离传感器(2)，其测量到物体的距离； 估计单元(52)，被配置成基于由所述距离传感器测量的所述距离以及指示所述自主移动机器人的移动环境的地图信息估计自身位置； 法线计算单元，被配置成基于由所述距离传感器测量的所述距离计算平面，以及计算所述平面的法线；及 确定单元，被配置成计算表示指示由所述法线计算单元计算的所述法线的方向的法线角度的分布的直方图，以及基于所计算的直方图确定用于估计所述自身位置的所述距离传感器的信息是否不足， 其中基于由所述估计单元估计的所述自身位置，所述自主移动机器人自主地移动，以及 其中当所述确定单元确定所述距离传感器的所述信息不足时，执行改变所述距离传感器的测量方向的控制过程、改变所述自身位置的估计方法的过程以及采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。2.根据权利要求1所述的自主移动机器人，其特征在于:当在所述计算的直方图中具有正交关系的所述法线角度的频率峰没有出现、在所述计算的直方图中所述法线角度的多个频率峰没有均匀地出现以及在所述计算的直方图中所述法线角度没有均匀地分布时，所述确定单元确定用于估计所述自身位置的所述距离传感器的所述信息不足。3.根据权利要求1或2所述的自主移动机器人，其特征在于:当所述确定单元确定所述距离传感器的所述信息不足时，所述估计单元基于由所述距离传感器测量的所述距离，计算被估计为所述自身位置的多个估计位置候选，将从所计算的估计位置候选中提取的位置估计为所述自身位置，以及增加所述直方图中在垂直于峰法线角度的方向的估计位置候选的数目。4.根据权利要求1至3的任一项所述的自主移动机器人，其特征在于:当所述确定单元确定所述距离传感器的所述信息不足的状态被维持预定时间量或更多时间量时，执行所述改变所述距离传感器的测量方向的控制过程、所述改变所述自身位置的估计方法的过程以及所述采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。5.根据权利要求1至4的任一项所述的自主移动机器人，其特征在于进一步包括: 控制单元，被配置成执行所述改变所述距离传感器的测量方向的控制过程，以在所述直方图中产生具有正交关系的所述法线角度的频率峰，以及执行采取减速和停止所述自主移动机器人或发出警告的预定安全行动的控制过程。6.根据权利要求1至5的任一项所述的自主移动机器人，其特征在于进一步包括: 车轮，其允许所述自主移动机器人移动； 旋转检测单元，其检测所述车轮的旋转信息；以及 图像获取单元，其获取所述自主移动机器人周围的图像信息， 其中所述估计单元基于第一估计方法以及第二估计方法估计所述自身位置，以及当所述确定单元确定所述距离传感器的所述信息不足时将所述第二估计方法的权重设置为比所述第一估计方法的权重高，其中，所述第一估计方法基于由所述距离传感器测量的所述距离和所述地图信息，使用测程法方法来估计所述自身位置，所述第二估计方法基于由所述旋转检测单元检测的所述旋转信息以及由所述图像获取单元获取的所述图像信息中的至少一个，使用所述测程法方法来估计所述自身位置。7.—种自主移动机器人的控制方法，所述自主移动机器人包含距离传感器以及估计单元，所述距离传感器测量到物体的距离，所述估计单元被配置成基于由所述距离传感器测量的所述距离和指示所述自主移动机器人的移动环境的地图信息估计自身位置，以及所述自主移动机器人基于由所述估计单元估计的所述自身位置自主地移动，所述控制方法的特征在于包括: 基于由所述距离传感器测量的所述距离计算平面，以及计算所述平面的法线(S101，S102)； 计算表示指示所计算的法线的方向的法线角度的分布的直方图，以及基于所述计算的直方图确定用于估计所述自身位置的所述距离传感器的信息是否不足(S105);以及 当确定所述距离传感器的所述信息不足时，执行改变所述距离传感器的测量方向的控制过程、改变所述自身位置的估计方法的过程以及采取预定安全行动的控制过程中的至少一个(si08，si1，Sm) ο
【专利摘要】公开了一种自主移动机器人及其控制方法。自主移动机器人包括：距离传感器；估计单元，其被配置成基于由距离传感器测量的距离以及地图信息估计自身位置；法线计算单元，其被配置成基于距离计算平面，以及计算平面的法线；以及确定单元，其被配置成计算表示指示法线的方向的法线角度的分布的直方图，以及基于计算的直方图确定距离传感器的信息是否不足。基于估计的自身位置，自主移动机器人自主地移动。当确定单元确定信息不足时，执行改变距离传感器的测量方向的控制过程、改变自身位置的估计方法的过程以及采取预定安全行动的控制过程中的至少一个。
【IPC分类】G05D1/02
【公开号】CN104898658
【申请号】CN201510097052
【发明人】高冈丰
【申请人】丰田自动车株式会社
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月4日
【公告号】US9207674, US20150253774
最新回复(0)