JP3051641B2 - Trajectory generation method for mobile robot - Google Patents
Trajectory generation method for mobile robotInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、移動ロボットの軌道生
成方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for generating a trajectory of a mobile robot.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、移動ロボットの軌道を生成する場
合、図5、図6に示すように2次元平面領域1の中でロ
ボットの能力に関係なく、障害物2の存在領域に人為的
に適当な数値(ポテンシャル)を設定し、これに基づい
てスタート地点Aから目標地点Bまでの軌道3をラプラ
スの方程式を用いて求めている。なお、図5は障害物2
が複数個所に点在している場合、図6は障害物2が壁で
ある場合の例を示したものである。2. Description of the Related Art Conventionally, when a trajectory of a mobile robot is generated, as shown in FIG. 5 and FIG. An appropriate numerical value (potential) is set, and based on this, the trajectory 3 from the start point A to the target point B is obtained using Laplace's equation. In addition, FIG.
FIG. 6 shows an example where the obstacle 2 is a wall.
【0003】この方法は、軌道生成の対象領域が2次元
平面領域1のように2次元平面に限られており、屋外環
境における山の起伏等の3次元的領域を考慮していな
い。また、障害物2に対して、ロボットが移動可能かど
うかの判断は人間が行ない、移動不可能と判断されれ
ば、適当な数値を人為的に定め、障害物2の存在領域に
設定している。In this method, the target area for trajectory generation is limited to a two-dimensional plane like the two-dimensional plane area 1, and does not take into account a three-dimensional area such as undulations of a mountain in an outdoor environment. In addition, a human determines whether or not the robot can move with respect to the obstacle 2, and if it is determined that the robot cannot move, an appropriate numerical value is artificially determined and set in the area where the obstacle 2 exists. I have.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】上記従来の軌道生成方
法では、屋外に代表されるような3次元的な環境(山、
スロープ、崖、段差、池、川等の存在する環境)での軌
道生成は不可能である。また、障害物の部分に人為的に
一定のポテンシャルを設定し、ポテンシャルの低い方向
にロボットが進むような軌道の作り方をしているため、
軌道はロボットの能力に関係なく全てのロボットに対し
て同じものが生成され、移動能力の高いロボットがわざ
わざ障害物を大きく迂回してしまう軌道が生成される不
具合があった。In the above-described conventional trajectory generation method, a three-dimensional environment (mountain,
Trajectory generation on slopes, cliffs, steps, ponds, rivers, etc.) is impossible. Also, since a certain potential is set artificially at the obstacle, and the trajectory is made so that the robot moves in the direction of low potential,
The same trajectory is generated for all the robots regardless of the robot's ability, and there is a problem in that a trajectory is generated in which a robot having a high moving ability bothers a large obstacle.
【0005】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、山、斜面の起伏や、段差、池等の存在する3次元的
環境でロボットの軌道生成を行ない得ると共に、ロボッ
トの移動様式に起因する移動能力の違いに応じた軌道生
成を行ない得る移動ロボットの軌道生成方法を提供する
ことを目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and can generate a trajectory of a robot in a three-dimensional environment in which undulations of mountains and slopes, steps, ponds, and the like are present, and is based on a movement mode of the robot. It is an object of the present invention to provide a trajectory generation method for a mobile robot that can generate a trajectory according to a difference in moving ability.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明に係る移動ロボッ
トの軌道生成方法は、ロボットへ2次元平面座標に対す
る地形高さ情報及び該2次元平面座標で示される各格子
点がどのような性質のものであるかを示す属性情報から
なる原地図を入力する第1のステップと、上記原地図の
情報に基づきロボットが移動のために必要な情報を抽出
し各格子点に対する移動の可否を示すロボット地図を生
成する第2のステップと、上記ロボット地図の情報をロ
ボットの能力に応じて強調し該ロボットの移動のしにく
さを示す不可移動度分布図を生成する第3のステップ
と、上記不可移動度分布図における不可移動度分布勾配
と目標地点に発生させた吸引力を合成してスタート地点
から目標地点に向かうポテンシャルフォースを生成する
第4のステップと、上記スタート地点から目標地点に向
かうポテンシャルフォースに沿って曲線を引き、これを
軌道とする第5のステップとを具備したことを特徴とす
る。A trajectory generation method for a mobile robot according to the present invention provides a method for generating a trajectory for a robot in two-dimensional plane coordinates.
Terrain height information and each grid indicated by the two-dimensional plane coordinates
From attribute information indicating what kind of property the point is
A first step of inputting an original map, and extracting information necessary for the robot to move based on the information of the original map
A second step of generating a robot map indicating whether or not moving for each grid point, and the information of the robot map B
Emphasize according to the bot's ability to make the robot difficult to move
Third step of generating an impossible mobility distribution map indicating the impulse mobility distribution gradient in the impossible mobility distribution map
And the suction force generated at the target point and the start point
A fourth step of generating a potential force toward the target point from drawing a curve along the potential force towards the target point from the starting point, and characterized in that it was and a fifth step of the track I do.
【0007】[0007]
(1)第1のステップ(原地図の入力) 原地図は、人間がロボットに対し与える情報で、人間が
理解できる形の地図であり、任意の点(xi ,yi )に
おける高さ情報h(xi ,yi )と、その位置がどのよ
うな性質のものであるかを記す属性情報Attr (xi ,
yi )を持っている。スタート地点、目標地点の情報
も、属性情報の中に入れられる。(1) First Step (Input of Original Map) The original map is information provided by the human to the robot, and is a map that can be understood by humans. xi, yi) and attribute information Attr (xi, yi) indicating the nature of the position.
yi). Information on the start point and the target point is also included in the attribute information.
【0008】(2)第2のステップ(ロボット地図の生
成) 人間の世界観(人間の理解できる形)からロボットの世
界観(ロボットが理解できる形)への変換を施し、ロボ
ットが移動のために必要な情報を抽出してロボット地図
を生成する。(2) Second Step (Generation of Robot Map) A conversion from a human world view (a form that a human can understand) to a robot world view (a form that a robot can understand) is performed. Extract the information necessary for the robot and generate a robot map.
【0009】(3)第3のステップ(不可移動度分布の
生成) 上記ロボット地図生成の段階でロボットの移動に必要な
情報を抽出したが、これはロボットの持つ能力に対し
て、どれくらい移動しにくいものであるかの評価がなさ
れていない。(3) Third Step (Generation of Impossible Mobility Distribution) At the stage of the above-mentioned robot map generation, information necessary for the movement of the robot is extracted. No evaluation has been made as to whether it is difficult.
【0010】従って、このステップは各々のロボットの
能力を基準に、抽出した情報がどれくらい移動しにくい
ものかを評価し、数値化して不可移動度分布を生成す
る。ロボットの移動のしにくさを示す数値が不可移動度
である。Therefore, this step evaluates how difficult the extracted information is to move based on the ability of each robot, and quantifies the information to generate a non-mobility distribution. The numerical value indicating the difficulty of moving the robot is the impossible mobility.
【0011】(4)第4ステップ(ポテンシャルフォー
スの生成) 上記不可移動度分布で設定された数値分布に演算を施す
ことにより、移動不可領域から目標地点に至る流れの
場、即ち、ポテンシャルフォースを生成する。(4) Fourth Step (Generation of Potential Force) By performing an operation on the numerical distribution set by the above-described immobile mobility distribution, the flow field from the immovable area to the target point, that is, the potential force, is calculated. Generate.
【0012】(5)第5ステップ(軌道の生成) 上記のポテンシャルフォース生成処理において生成され
た流れの場をスタート地点から、その流れに沿ってたど
っていき、その軌跡を線で結ぶことによりスタート地点
から目標地点へ至る経路、つまり、ロボットの軌道を生
成する。(5) Fifth Step (Generation of Trajectory) The flow field generated in the above-described potential force generation processing is traced from the start point along the flow, and the trajectory is connected by a line to start. The path from the point to the target point, that is, the trajectory of the robot is generated.
【0013】上記(1)〜(5)の手順により、山、斜
面等の起伏や、段差、池等の存在する3次元的環境でロ
ボットの軌道を生成でき、また、ロボットの移動様式に
起因する移動能力の違いに応じた軌道を生成することが
できる。According to the above procedures (1) to (5), the trajectory of the robot can be generated in a three-dimensional environment where there are undulations such as mountains and slopes, steps, ponds, etc. The trajectory can be generated according to the difference in the moving abilities.
【0014】[0014]
【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。本発明に係る移動ロボットの軌道生成方法は、
次の(1)〜(5)に示す5段階の軌道生成手順からな
っており、CPU等の演算処理装置を用いて軌道生成を
行なう。An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. A trajectory generation method for a mobile robot according to the present invention includes:
The trajectory generation procedure includes five steps shown in the following (1) to (5). The trajectory is generated using an arithmetic processing device such as a CPU.
【0015】(1)原地図の入力 ロボットへ地形、障害物をもった空間情報分布(原地
図)を入力する。 (2)ロボット地図の生成 原地図より、ロボットから見て移動の可能性を判断でき
る関数から各地点の移動の可否を示す空間情報分布図
(ロボット地図)を作る。(1) Input of original map A spatial information distribution (original map) having terrain and obstacles is input to the robot. (2) Generation of a robot map From the original map, a spatial information distribution map (robot map) indicating whether or not each point can be moved is created from a function that can determine the possibility of movement as viewed from the robot.
【0016】(3)不可移動度分布図の生成 ロボット地図を適正に強調して、ロボットの移動のし易
さ、危険度を判断できる空間情報分布図(不可移動度分
布図)を生成する。(3) Generation of an Impossible Mobility Distribution Map A robot information map is appropriately emphasized to generate a spatial information distribution map (impossible mobility distribution map) that can determine the ease of movement and danger of the robot.
【0017】(4)ポテンシャルフォース図の生成 不可移動度分布図の勾配と目標地点に発生させた吸引力
を各地点で合成してポテンシャルフォース図を生成す
る。(4) Generation of a Potential Force Diagram A potential force diagram is generated by combining the gradient of the impossible mobility distribution map and the suction force generated at the target point at each point.
【0018】(5)軌道生成 スタート地点から目標地点に向かうポテンシャルフォー
スに沿って曲線を引き、これを軌道とする。(5) Trajectory generation A curve is drawn along the potential force from the start point to the target point, and this is defined as a trajectory.
【0019】以下、上記5段階の軌道生成手順の詳細に
ついて、図1を参照して説明する。図1(a)〜(e)
は、上記(1)〜(5)の軌道生成手順に対応してい
る。 (1)原地図の入力 この原地図は、人間がロボットに対して与える地図情報
であり、人間が理解できる形の地図である。この地図情
報は、以下に示す2つの情報を持っている。The details of the above-described five-step trajectory generation procedure will be described below with reference to FIG. 1 (a) to 1 (e)
Corresponds to the trajectory generation procedure of the above (1) to (5). (1) Input of Original Map This original map is map information given to a robot by a human, and is a map that can be understood by a human. This map information has the following two pieces of information.
【0020】(a)図2(a)に示す2次元平面座標
(xi ,yi )に対する地形高さ情報zi =h(xi ,
yi ) (b)上記座標(xi ,yi )で示される位置がどのよ
うな性質のものであるかを示す属性情報Attr (xi ,
yi )(山、スロープ、段差、川、池、溝、崖、砂漠、
普通、スタート地点、目標地点等を含む) 上記属性情報は、図2(b)に示すように屋外環境にお
いては、山、池、進入禁止区域、危険物埋設区域、砂漠
(砂地)、屋内環境においては階段、壁、立入禁止区域
等の位置(xi ,yi )における属性(A) Terrain height information zi = h (xi, xi) for two-dimensional plane coordinates (xi, yi) shown in FIG.
yi) (b) Attribute information Attr (xi, xi) indicating what kind of property the position indicated by the coordinates (xi, yi) has.
yi) (mountain, slope, step, river, pond, ditch, cliff, desert,
The attribute information includes, as shown in FIG. 2B, a mountain, a pond, an off-limits area, a burial area, a desert (sand), and an indoor environment. , Attributes at positions (xi, yi) of stairs, walls, off-limits areas, etc.
【0021】[0021]
【数1】 という形でその場所の物理的/非物理的情報を表現す
る。また、上記(a),(b)の情報をベクトルとして
以下のように表現する。(Equation 1) Express the physical / non-physical information of the place in the form. Further, the information of (a) and (b) is expressed as a vector as follows.
【0022】[0022]
【数2】 (Equation 2)
【0023】図1(a)は、原地図11を示したもの
で、属性情報として例えば2つの山(傾斜地)12、池
13、段差14を含み、スタート地点Aと目標(ゴー
ル)地点Bとの間に2つの山12と池13が存在してい
る。FIG. 1A shows an original map 11, which includes, for example, two mountains (sloped land) 12, a pond 13, and a step 14 as attribute information, and a start point A and a target (goal) point B. There are two mountains 12 and a pond 13 between them.
【0024】上記山12は、 x(xi ,yi ) =hexp {−((xi −x0 )2 +(yi −y0 )2 )/d2 }…(2) のように中心位置(x0 ,y0 )、山の高さh、山のす
そ野の幅dが設定される。[0024] The mountain 12, x (xi, yi) = hexp {- ((xi -x0) 2 + (y i -y0) 2) / d 2} ... center position as in (2) (x0, y0), the height h of the mountain, and the width d of the base of the mountain are set.
【0025】(2)ロボット地図 人間の世界観(人間の理解できる形)からロボットの世
界観(ロボットが理解できる形)への変換を施し、ロボ
ットが移動のために必要な地図情報を抽出する。即ち、
次式に示すように上記原地図11における情報に対し、
世界観変換のための関数fを作用させて、ロボットマッ
プベクトルRm(xi ,yi )を生成する。(2) Robot Map A conversion from a human world view (a form that a human can understand) to a robot world view (a form that a robot can understand) is performed, and the map information necessary for the robot to move is extracted. . That is,
As shown in the following equation, for the information in the original map 11,
A function f for world view conversion is applied to generate a robot map vector Rm (xi, yi).
【0026】 Rm(xi ,yi )=f(M(xi ,yi )) …(3) これにより図1(b)に示すロボット地図21が生成さ
れる。このロボット地図21において、22は、山12
における斜面の斜度情報である。ここでロボットの移動
様式として車輪型、クローラ型、脚型を考える。それぞ
れの移動様式において、移動に必要な情報を次に示す。Rm (xi, yi) = f (M (xi, yi)) (3) Thus, the robot map 21 shown in FIG. 1B is generated. In this robot map 21, 22 is the mountain 12
Is the slope information of the slope at. Here, a wheel type, a crawler type, and a leg type are considered as robot movement modes. The information required for each type of travel is shown below.
【0027】(a)車輪ロボット 車輪が乗り越えられる段差、溝の高さは最大で車輪半径
となる。また、斜面を登るときは重力に逆らわなければ
ならず、登坂できる斜度に限界がある。従って、車輪ロ
ボットの移動能力を考える上で、山12の斜面における
斜度情報22、段差14に対する情報が必要である。よ
って、次の(4)式で示される斜度、(5)式で示され
る段差、(6)式で示される地形の属性を情報として記
憶しておく。(A) Wheel Robot The height of the steps or grooves over which the wheels can be climbed is the maximum wheel radius. Also, when climbing a slope, it is necessary to oppose gravity, and there is a limit to the slope that can be climbed. Therefore, in consideration of the moving ability of the wheel robot, information on the slope information 22 and the step 14 on the slope of the mountain 12 is required. Therefore, the slope shown by the following equation (4), the step shown by the equation (5), and the attribute of the terrain shown by the equation (6) are stored as information.
【0028】[0028]
【数3】 (Equation 3)
【0029】ただし、 r:地図上の任意の位置 P:斜面の傾斜ベクトル Z(r):rにおける地形高さ H:段差高さ Hstep(r) :任意の位置rにおける段差高さを返す関数 Attr(r):任意の位置rにおける地形の属性情報 である。Where: r: an arbitrary position on the map P: slope vector of the slope Z (r): terrain height at r H: step height Hstep (r): function that returns the step height at an arbitrary position r Attr (r): attribute information of the terrain at an arbitrary position r.
【0030】(b)クローラロボット クローラロボットは、クローラで地面の凹凸を平滑化し
ながら走行するため、小さな凹凸情報、段差情報は関係
ない。どのくらいの凹凸、段差まで乗り越えられるかは
クローラの形状、すくい角、ピッチ等によって定められ
る。ここでは、他ロボットとの差異を明らかにするた
め、段差は乗り越えられるものと仮定し、斜度情報22
のみを考える。よって、上記(4)式で示される斜度、
(6)式で示される地形の属性をロボット地図21の情
報とする。(B) Crawler Robot Since the crawler robot travels while smoothing the unevenness of the ground with the crawler, small unevenness information and step information are not relevant. How much unevenness and steps can be overcome is determined by the shape, rake angle, pitch and the like of the crawler. Here, in order to clarify the difference from other robots, it is assumed that a step can be overcome, and the slope information 22
Think only. Therefore, the gradient indicated by the above equation (4),
The attribute of the terrain represented by the equation (6) is set as information of the robot map 21.
【0031】(c)脚ロボット 脚ロボットも、脚の可動範囲の制約により、移動可能な
斜度範囲と転倒しない斜度範囲が規定される。よって、
斜度情報22が重要な指標となるので、上記(4)式で
示される斜度、(6)式で示される地形の属性をロボッ
ト地図21の情報とする。(C) Leg Robot The leg robot also defines a movable gradient range and a tilt range in which the leg robot does not fall down due to restrictions on the movable range of the legs. Therefore,
Since the slope information 22 is an important index, the slope attribute shown by the above equation (4) and the attribute of the terrain shown by the above equation (6) are used as information of the robot map 21.
【0032】なお、斜面の傾斜ベクトルPからその位置
の斜面の傾斜角θは、 θ=tan -1(‖P‖) …(7) で求められる。The slope angle θ of the slope at that position is obtained from the slope vector P of the slope as follows: θ = tan −1 ({P}) (7)
【0033】(3)不可移動度分布図の生成 上記ロボット地図21の情報を各々のロボットの能力に
応じて強調し、図1(c)に示す不可移動度分布図31
を生成する。即ち、上記山12に対しては、斜度不可移
動度32、池13に対しては属性不可移動度33、段差
14に対しては段差不可移動度34を示す。上記不可移
動度分布図31は、一種のポテンシャルであり、その大
きさは、ロボットの移動のしにくさを意味する。すなわ
ち、不可移動度が大きいほどロボットがそこへ行きにく
いことを意味する。各々のロボットは、その能力により
最大登坂斜度が規定される。ロボット地図21で求めた
傾斜角が、ロボットの最大登坂角を越える領域と、属性
情報により立ち入ってはならない領域には∞を設定す
る。以下、ロボットの移動様式に応じた不可移動度の設
定について説明する。(3) Generation of Impossible Mobility Distribution Map The information of the robot map 21 is emphasized according to the capabilities of each robot, and the impossible mobility distribution map 31 shown in FIG.
Generate That is, for the mountain 12, the gradient non-mobility 32, for the pond 13, the attribute non-mobility 33, and for the step 14, the non-step mobility 34 is shown. The unmovable mobility distribution diagram 31 is a kind of potential, and its magnitude means that the robot is difficult to move. In other words, it means that the higher the impossible mobility, the harder the robot goes there. For each robot, the maximum climbing gradient is defined by its ability. ∞ is set in a region where the inclination angle obtained on the robot map 21 exceeds the maximum climbing angle of the robot and in a region where entry is not allowed due to the attribute information. Hereinafter, the setting of the impossibility mobility according to the movement mode of the robot will be described.
【0034】(a)車輪ロボット i .段差による不可移動度34 段差における車輪ロボットの移動の可否は、段差14の
高さが車輪の半径に比べ、大きいか小さいかで決まる。
つまり、乗り越えの可能な段差しきい値Hmax で2値化
すれば良い。段差不可移動度34をUstep とすると、
次式のようにして2値化する。(A) Wheel robot i. Impossible Mobility Due to Steps 34 Whether the wheel robot can move at the steps depends on whether the height of the steps 14 is larger or smaller than the radius of the wheels.
In other words, binarization may be performed at the step threshold Hmax at which the vehicle can get over. If the step-impossible mobility 34 is Ustep,
Binarization is performed as in the following equation.
【0035】[0035]
【数4】 (Equation 4)
【0036】ii.斜度による不可移動度32 ロボット地図21の傾斜角θを強調する。傾斜角θが最
大登坂角θmax に近づくほど不可移動度が大きくなり、
θ≧θmax で無限大となるように、以下の式を用いる。
斜度不可移動度32をUslope をとすると、 Uslope =tan {(90°/θmax )・θ} …(9) となる。Ii. Impossible mobility 32 due to inclination The inclination angle θ of the robot map 21 is emphasized. As the inclination angle θ approaches the maximum climbing angle θmax, the impossible mobility increases,
The following equation is used so that θ ≧ θmax becomes infinite.
If the slope-impossible mobility 32 is Uslope, then Uslope = tanpe (90 ° / θmax) ・ θ (9).
【0037】iii .属性による不可移動度33 ロボット地図21の属性データが、池や進入禁止領域の
場合などは、そこにロボットは行ってはいけないので、
∞の値を設定する。属性不可移動度33をUattrとする
と、次式のように設定する。Iii. Impossible mobility 33 by attribute If the attribute data of the robot map 21 is a pond or a no-go area, the robot must not go there.
Set the value of ∞. Assuming that the attribute-impossible mobility 33 is Uattr, the following equation is set.
【0038】[0038]
【数5】 (Equation 5)
【0039】そして、上記(i) ,(ii),(iii) のそれぞ
れの不可移動度Ustep 、Uslope、Uattrを次式のよう
に重畳して不可移動度分布図31を生成する。 U=Ustep+Uslope +Uattr …(11) (b)クローラロボット この例におけるクローラロボットでは、上記したように
段差は乗り越えられるものと仮定しているので、斜度不
可移動度(Uslope )32と属性不可移動度(Uattr)
33より不可移動度分布図31を生成する。Then, the unmovable mobilities Ustep, Uslope, and Uattr of (i), (ii), and (iii) are superimposed as in the following equation to generate an unmovable mobility distribution map 31. U = Ustep + Uslope + Uattr (11) (b) Crawler Robot In the crawler robot in this example, as described above, it is assumed that the step can be overcome, so that the gradient non-mobility (Uslope) 32 and the attribute non-mobility are used. (Uattr)
33, a non-mobility distribution map 31 is generated.
【0040】 U=Uslope +Uattr …(12) (c)脚ロボット 斜度不可移動度(Uslope )32を以下のように設定す
る。U = Uslope + Uattr (12) (c) Leg Robot The non-tilt mobility (Uslope) 32 is set as follows.
【0041】[0041]
【数6】 (Equation 6)
【0042】クローラロボットと同じく、斜度不可移動
度(Uslope )32と属性不可移動度(Uattr)33よ
り不可移動度分布図31を生成する。脚ロボットは、脚
の持つ能動的懸架能力のため、斜度がきつくないところ
では、平地と同様に移動できる。ここでは、仮に最大登
坂傾斜の75%までは平地と同様の移動ができ、それ以
降は、歩行が次第に困難になってくるとして、クロー
ラ、車輪ロボットと同様のポテンシャル設定を行なって
いる。あとはクローラロボットと同様に斜度不可移動度
32と属性不可移動度33より不可移動度分布図31を
生成する。As in the case of the crawler robot, an impossible mobility distribution map 31 is generated from the impossibility mobility (Uslope) 32 and the impossibility mobility (Uattr) 33. Because of the active suspension ability of the leg, the leg robot can move in a place where the inclination is not as steep as on a flat ground. Here, it is assumed that the same movement as that of a flat ground can be performed up to 75% of the maximum uphill slope, and thereafter, walking becomes gradually difficult, so that the same potential setting as the crawler and the wheel robot is performed. Then, similarly to the crawler robot, a non-mobility distribution map 31 is generated from the non-oblique mobility 32 and the attribute non-mobility 33.
【0043】(4)ポテンシャルフォース生成 ここでは、図1(d)に示すようにポテンシャルフォー
ス42を求めてポテンシャルフォース図41を生成す
る。同図において、43は上記斜度不可移動度32、属
性不可移動度33に対応した移動不可領域を示してい
る。(4) Generation of Potential Force Here, as shown in FIG. 1D, a potential force 42 is obtained and a potential force diagram 41 is generated. In the same figure, reference numeral 43 denotes a non-movable area corresponding to the above-described improper mobility 32 and the non-attributable mobility 33.
【0044】上記ポテンシャルフォース42とは、目標
に向かう力の流れのようなものである。そのためのポテ
ンシャルとして、ラプラスの微分方程式の解(以後、ラ
プラスポテンシャルという)を用いる。このポテンシャ
ルは拡散方程式や熱伝導方程式の解として広く知られ、
数値計算アルゴリズムも良く研究されている。ラプラス
ポテンシャルの特徴として、ラプラス方程式を満足する
領域内でポテンシャルが極値を取らないことが挙げられ
る。熱伝導を例に考えると、発、吸熱点が無い点では、
熱は一点に留まること無く流れている。従って、熱の移
動方向をたどっていけば、必ず吸熱点にたどり着ける。The potential force 42 is like a flow of a force toward a target. As a potential for this, a solution of Laplace's differential equation (hereinafter referred to as Laplace potential) is used. This potential is widely known as the solution of the diffusion and heat conduction equations,
Numerical algorithms are also well studied. A characteristic of the Laplace potential is that the potential does not take an extreme value in a region satisfying the Laplace equation. Taking heat conduction as an example, at the point where there is no heat generation or heat absorption point,
Heat is flow rather nothingness to stay at one point. Therefore, if the direction of heat movement is traced, the end point can be always reached.
【0045】これを本発明に適用して考えると、発熱源
は移動不可領域43で、吸熱源が目標地点Bとなる。移
動不可領域43から、目標地点Bに向かって極小値の無
い流れができるわけで、これをポテンシャルフォース4
2と呼ぶ。極小値が無いことは非常に都合が良いこと
で、軌道がどこかで停留することなく、必ず目標地点B
に至ることを保証するものである。以下にポテンシャル
フォース42を得る手順を示す。When this is applied to the present invention, the heat source is the immovable area 43 and the heat absorption source is the target point B. A flow without a minimum value is generated from the immovable area 43 toward the target point B.
Call it 2. It is very convenient that there is no minimum value.
Is guaranteed. The procedure for obtaining the potential force 42 will be described below.
【0046】(a)2値化 上記図1(c)に示した不可移動度分布図31におい
て、設定した値が∞の領域はロボットが立ち入れない移
動不可領域43であり、残りの部分は程度の差はあるが
移動可能領域44である。このように、移動可能領域4
4/移動不可領域43の2つの領域に分ける。 (b)ラプラスの微分方程式を適用 ラプラスの微分方程式(A) Binarization In the non-mobility distribution diagram 31 shown in FIG. 1C, the area where the set value is ∞ is the non-movable area 43 where the robot cannot enter, and the remaining part is The movable area 44 is different in degree. Thus, the movable area 4
4 / Moveable area 43 is divided into two areas. (B) Apply Laplace's differential equation Laplace's differential equation
【0047】[0047]
【数7】 格子点i,jにおいて、n回目の繰返し計算によって得
られたポテンシャルの計算値である。最初の境界条件は
移動不可領域43に正の値Φ0 、目標地点Bに負の値Φ
goalを与える。また、繰返し計算の初期条件として移動
可能領域44にも、Φ0 を与える。最初は目標地点Bだ
けが低く、他の領域はすべて同じ高さからスタートす
る。そして、移動可能領域44のすべての点に上記(1
5)式の平均化操作を繰り返すことにより、目標地点B
のローレベル(low level )のポテンシャルが領域の隅
々に伝播していく。そして、移動不可領域43から発せ
られる流れと、目標地点Bで吸い込まれる流れがほぼ平
衡になったところで計算を終了する。(Equation 7) At grid points i and j, it is the calculated value of the potential obtained by the n-th repetitive calculation. The first boundary condition is a positive value Φ0 in the immovable area 43 and a negative value Φ in the target point B.
Give a goal. Also, Φ0 is given to the movable area 44 as an initial condition for the iterative calculation. Initially, only the target point B is low, and all other areas start from the same height. Then, the above (1) is set at all points of the movable area 44.
By repeating the averaging operation of the expression 5), the target point B
Low level potential propagates to every corner of the region. The calculation is terminated when the flow emitted from the immovable area 43 and the flow sucked at the target point B are substantially balanced.
【0048】(c)各格子点のポテンシャル場の勾配を
求める 各格子点において、ポテンシャル場の勾配を求める。f
をポテンシャルフォース42とすると、ポテンシャルの
勾配は(C) Determining the gradient of the potential field at each grid point The gradient of the potential field is determined at each grid point. f
Is the potential force 42, the potential gradient is
【0049】[0049]
【数8】 で求められる。(Equation 8) Is required.
【0050】(5)軌道生成 各格子点で得られた目標地点Bに向かうポテンシャルフ
ォース42に沿って曲線を引き、図1(e)に示す軌道
51を生成する。図3に示すような2次元空間内の格子
点(i,j),(i+1,j),(i,j+1),(i
+1,j+1)で囲まれた領域内にある点(x,y)の
ポテンシャルフォースfs (x,y)i,j は、 fs (x,y)i,j =fi,j (i+1−x)(i+1−y) +fi+1,j (x−i)(j+1−y) +fi,j+1 (i+1−x)(y−j) +fi+1,j+1 (x−i)(y−j) …(17) で求められる。(5) Trajectory Generation A curve is drawn along the potential force 42 toward the target point B obtained at each grid point, and a trajectory 51 shown in FIG. 1E is generated. Grid points (i, j), (i + 1, j), (i, j + 1), (i
The potential force fs (x, y) i, j at the point (x, y) in the area surrounded by (+ 1, j + 1) is fs (x, y) i, j = fi, j (i + 1-x) (I + 1-y) + fi + 1, j (xi) (j + 1-y) + fi, j + 1 (i + 1-x) (yj) + fi + 1, j + 1 (xi) (y- j)... (17)
【0051】ここで、i,jは、点(x,y)を含む正
格子領域の4つの格子点の内で最も原点に近い点の座
標、fi,j は、上記(4)のポテンシャルフォース生成
の処理で得られたポテンシャルフォースである。Here, i and j are the coordinates of the point closest to the origin among the four lattice points of the regular lattice area including the point (x, y), and fi, j is the potential force of the above (4). This is the potential force obtained in the generation process.
【0052】そして、図4に示すように、点Sのポテン
シャルフォースが求まると、格子線に突き当たるまで軌
道を進める。この格子線に突き当たった点Pnextを求め
る方法を次に説明する。Then, as shown in FIG. 4, when the potential force at the point S is obtained, the trajectory is advanced until it hits a grid line. Next, a method for obtaining the point Pnext which hits this grid line will be described.
【0053】上記の点Sとそれを含むまわりの格子点の
位置ベクトルをPS ,P1 ,P2 ,P3 ,P4 とする
と、 PS +tfS =(1−s)Pi +sPi+1 …(18) となる。ここで、fS とPi −Pi+1 が1次独立であれ
ば、Assuming that the position vectors of the above-mentioned point S and the surrounding grid points are PS, P1, P2, P3, and P4, then PS + tfs = (1-s) Pi + sPi + 1 (18). Here, if fS and Pi−Pi + 1 are linearly independent,
【0054】[0054]
【数9】 となる。また、i=1のときt≧0かつ0≧s≧1を満
たせば、Pnextの点は Pnext=tfS +PS より求まる。条件を満たさなければ、i=2,3,4で
行なってみる。ただし、P5 =P1 である。(Equation 9) Becomes Further, if t ≧ 0 and 0 ≧ s ≧ 1 when i = 1, the point of Pnext can be obtained from Pnext = tfS + PS. If the condition is not satisfied, try with i = 2,3,4. Here, P5 = P1.
【0055】上記のようにして障害物を迂回してスター
ト地点Aから目標地点Bに至るロボットの軌道51を生
成することができる。この場合、車輪型→クローラ型→
脚型と、ロボットの移動能力が高くなるにつれて、迂回
の少ない軌道51が生成される。As described above, the trajectory 51 of the robot from the start point A to the target point B bypassing the obstacle can be generated. In this case, wheel type → crawler type →
The trajectory 51 with less detours is generated as the leg shape and the movement ability of the robot increase.
【0056】[0056]
【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、
山、斜面の起伏や、段差、池等の存在する3次元的環境
でロボットの軌道生成を行ない得ると共に、ロボットの
移動様式に起因する移動能力の違いに応じた軌道生成を
行なうことができる。As described in detail above, according to the present invention,
The trajectory of the robot can be generated in a three-dimensional environment in which there are undulations on mountains and slopes, steps, ponds, and the like, and trajectory generation can be performed in accordance with the difference in the moving ability caused by the robot's movement style.
【図1】本発明の一実施例に係る移動ロボットの軌道生
成方法を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a trajectory generation method for a mobile robot according to one embodiment of the present invention.
【図2】同実施例における軌道生成用地図の概念図。FIG. 2 is a conceptual diagram of a trajectory generation map in the embodiment.
【図3】同実施例における格子点内のポテンシャルフォ
ースを求めるための説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram for obtaining a potential force within a grid point in the embodiment.
【図4】同実施例における軌道の次の点を求めるための
説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram for obtaining the next point on the trajectory in the embodiment.
【図5】従来の2次元平面内での移動ロボットの軌道生
成方法を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a conventional method for generating a trajectory of a mobile robot in a two-dimensional plane.
【図6】従来の壁のある2次元平面内での移動ロボット
の軌道生成方法を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a conventional trajectory generation method of a mobile robot in a two-dimensional plane having a wall.
11 原地図 12 山12 13 池 14 段差 21 ロボット地図 22 斜度情報 31 不可移動度分布図 32 斜度不可移動度 33 属性不可移動度 34 段差不可移動度 41 ポテンシャルフォース図 42 ポテンシャルフォース 43 移動不可領域 44 移動可能領域 51 軌道 11 Original map 12 Mountain 12 13 Pond 14 Step 21 Robot map 22 Slope information 31 Impossible mobility distribution map 32 Impossible mobility 33 Attribute impossible mobility 34 Impossible mobility 41 Potential force diagram 42 Potential force 43 Impossible area 44 Movable area 51 Orbit
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−603(JP,A) 特開 平5−274037(JP,A) 特開 平5−228860(JP,A) 特開 昭63−5408(JP,A) 特開 昭63−200210(JP,A) 特開 昭63−133212(JP,A) 特開 昭63−229503(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05D 1/02 B25J 9/10 B25J 5/00 Continuation of front page (56) References JP-A-63-603 (JP, A) JP-A-5-274037 (JP, A) JP-A-5-228860 (JP, A) JP-A-63-5408 (JP) JP-A-63-200210 (JP, A) JP-A-63-133212 (JP, A) JP-A-63-229503 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB Name) G05D 1/02 B25J 9/10 B25J 5/00
Claims (2)
高さ情報及び該2次元平面座標で示される各格子点がど
のような性質のものであるかを示す属性情報からなる原
地図を入力する第1のステップと、 上記原地図の情報に基づきロボットが移動のために必要
な情報を抽出し各格子点に対する移動の可否を示すロボ
ット地図を生成する第2のステップと、 上記ロボット地図の情報をロボットの能力に応じて強調
し該ロボットの移動のしにくさを示す不可移動度分布図
を生成する第3のステップと、 上記不可移動度分布図における不可移動度分布勾配と目
標地点に発生させた吸引力を合成してスタート地点から
目標地点に向かうポテンシャルフォースを生成する第4
のステップと、上記 スタート地点から目標地点に向かうポテンシャルフ
ォースに沿って曲線を引き、これを軌道とする第5のス
テップとを具備したことを特徴とする移動ロボットの軌
道生成方法。1. A terrain for a two-dimensional plane coordinate to a robot
Which grid points are indicated by the height information and the two-dimensional plane coordinates?
Element consisting of attribute information indicating whether the property is
A first step of inputting a map, robot based on the information of the original map needs for movement
A second step of extracting robot information and generating a robot map indicating whether or not the robot can move with respect to each grid point; and emphasizing the information of the robot map according to the capabilities of the robot.
And a third step and, impossible mobility distribution gradient and eyes in the unmovable size distribution diagram generating a disable mobility distribution diagram <br/> showing was difficulty of movement of the robot
Synthesize the suction force generated at the reference point and start from the starting point
4th generation of potential force toward target point
A step of drawing a curve along the potential force towards the target point from the starting point, the trajectory generating method of a mobile robot is characterized in that it was and a fifth step of the track.
フォースは、上記不可移動度分布図における不可移動度
分布勾配に基づきラプラスの微分方程式の解を用いて算
出することを特徴とする請求項1記載の移動ロボットの
軌道生成方法。2. The potential force in the fourth step is represented by an unmovable mobility in the unmovable mobility distribution map.
The trajectory generation method for a mobile robot according to claim 1, wherein the trajectory is calculated using a solution of a Laplace differential equation based on the distribution gradient .
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