JP4449911B2 - Autonomous mobile device - Google Patents
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Description
本発明は、自己位置推定を行いながら走行する自律移動装置に関する。 The present invention relates to an autonomous mobile device that travels while performing self-position estimation.
従来から、2つの駆動輪をそれぞれ独立に制御することにより自律移動機能を実現する自走車、すなわち自律移動装置がある。自走車の自己位置推定には走行距離情報と自走車本体の回転情報が必要である。回転情報を得るための2つの方法が知られている。一つは、自走車本体に取り付けたジャイロからの出力情報に基づく方法であり、他の一つは、左右の駆動輪の回転駆動源、例えばモータに取り付けたエンコーダの回転信号と左右の駆動輪の寸法や配置形状などに基づく方法である。両者の方法にはそれぞれ以下のような利点、欠点がある。 Conventionally, there is a self-propelled vehicle that realizes an autonomous movement function by independently controlling two drive wheels, that is, an autonomous mobile device. In order to estimate the self position of the self-propelled vehicle, travel distance information and rotation information of the self-propelled vehicle body are required. Two methods for obtaining rotation information are known. One is a method based on output information from a gyro mounted on the self-propelled vehicle main body, and the other is a rotation drive source of left and right drive wheels, for example, a rotation signal of an encoder attached to a motor and left and right drive. This is a method based on the dimensions and arrangement of the wheels. Both methods have the following advantages and disadvantages.
ジャイロを用いる方法は、回転角度の推定精度が高いという利点があるが、ある角速度以下ではノイズの影響のため不感帯を設ける必要があり、微小な回転角度を推定できないという欠点がある。また、エンコーダを用いる方法は、不感帯を設ける必要はないものの、車輪のスリップ等の存在によってモータの回転が自走車の回転運動として十分に反映されない場合に誤差が大きくなるという欠点がある。 The method using the gyro has an advantage that the estimation accuracy of the rotation angle is high, but there is a disadvantage that a dead zone needs to be provided due to the influence of noise below a certain angular velocity, and a minute rotation angle cannot be estimated. In addition, although the method using the encoder does not need to provide a dead zone, there is a drawback that the error becomes large when the rotation of the motor is not sufficiently reflected as the rotational motion of the self-propelled vehicle due to the presence of wheel slip or the like.
そこで、上述した欠点を解消するため、ジャイロとエンコーダの両方を備え、ジャイロとエンコーダを使い分けることにより回転情報の推定精度を高くして、駆動輪の滑りの外乱の大きさに応じた制御を行い、適切な方向修正を意図する走行制御装置が知られている。例えば、図3に示すように、ジャイロからの角速度ωgの値が、ある閾値ωthよりも大きい場合にジャイロの角速度ωgを用いて、また、そうでない場合にはエンコーダからの角速度ωmを用いて走行制御を行うものがある(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上述した特許文献1に示されるような走行制御装置を自律移動装置に適用する場合、自律移動装置が停止した状態から動き出すときに発生するスリップの影響やバックラッシの影響を回転情報に反映することができず、自己位置推定誤差が生じる、という問題がある。 However, when the travel control device as shown in Patent Document 1 described above is applied to an autonomous mobile device, the effect of slip or the effect of backlash that occurs when the autonomous mobile device starts moving from a stopped state is reflected in the rotation information. There is a problem that a self-position estimation error occurs.
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成によりスリップの影響やバックラッシの影響を抑制してより精度よく自律移動装置本体の角速度を算出すると共に、自己位置推定の精度向上を実現できる自律移動装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems, and with a simple configuration, suppresses the effects of slip and backlash, calculates the angular velocity of the autonomous mobile device body more accurately, and improves the accuracy of self-position estimation. It aims at providing the autonomous mobile device which can be realized.
上記課題を達成するために、請求項1の発明は、自律移動装置本体の回転角度と移動変位を用いた自己位置推定を行って自律的に移動する自律移動装置であって、移動用の複数の駆動輪と、前記各駆動輪を回転駆動する回転モータと、前記各回転モータの回転量に基づいた回転信号を出力するエンコーダと、前記エンコーダからの各回転信号に基づいて自律移動装置本体の角速度を算出する角速度算出部と、自律移動装置本体の角速度を直接取得するジャイロと、前記角速度算出部により算出された角速度と前記ジャイロから得られた角速度とを用いて回転角度を推定すると共に、その推定した回転角度と前記移動変位とに基づいて前記モータの回転を制御することにより自律移動装置本体の走行制御を行う走行制御部と、を備え、前記走行制御部は、前記角速度算出部により算出された角速度と前記ジャイロから得られた角速度との差の絶対値が所定値よりも大きいときには前記ジャイロから得られた角速度を用いて回転角度の推定を行い、前記角速度の差の絶対値が前記所定量よりも小さいかまたは等しいときには前記角速度算出部により算出された角速度を用いて回転角度を推定するものである。 In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is an autonomous mobile device that autonomously moves by performing self-position estimation using the rotation angle and the movement displacement of the autonomous mobile device body. Drive wheels, a rotation motor that rotationally drives each drive wheel, an encoder that outputs a rotation signal based on the rotation amount of each rotation motor, and an autonomous mobile device main body based on each rotation signal from the encoder An angular velocity calculation unit that calculates an angular velocity, a gyro that directly acquires the angular velocity of the autonomous mobile device body, an angular velocity calculated by the angular velocity calculation unit, and an angular velocity obtained from the gyro, A travel control unit that performs travel control of the autonomous mobile device main body by controlling rotation of the motor based on the estimated rotation angle and the movement displacement, and the travel Control unit, when the absolute value of the difference between the obtained angular velocity from the the calculated angular by the angular velocity calculating section gyro is greater than a predetermined value is carried out to estimate the rotation angle by using the angular velocity obtained from the gyro When the absolute value of the difference between the angular velocities is smaller than or equal to the predetermined amount, the rotation angle is estimated using the angular velocities calculated by the angular velocity calculation unit.
請求項1の発明によれば、エンコーダが回転量を計測しているモータの回転が駆動輪の回転運動として十分に生かされない場合に、ジャイロを用いて自己位置推定を行うことができるので、精度の高い走行制御を行うことができる。例えば、自律移動装置が停止した状態から動き出すときにスリップやバックラッシなどが発生すると、エンコーダから得られる角速度ωmは大きいのに実際の角速度ωは小さくなる。この場合、ジャイロからの角速度ωgは、エンコーダからの角速度ωmよりも、より実際に近い値を示しており、より精度の高い走行制御を行うことができる。 According to the first aspect of the present invention, the self-position estimation can be performed using the gyro when the rotation of the motor whose encoder is measuring the rotation amount is not sufficiently utilized as the rotational motion of the driving wheel. High traveling control can be performed. For example, when slip or backlash occurs when the autonomous mobile device starts to move from a stopped state, the actual angular velocity ω is reduced although the angular velocity ωm obtained from the encoder is large. In this case, the angular velocity ωg from the gyro is closer to the actual value than the angular velocity ωm from the encoder, and more accurate traveling control can be performed.
以下、本発明の一実施形態に係る自律移動装置について、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移動装置1の概略構成を示す。自律移動装置1は、移動用の一対の駆動輪2と、各駆動輪2をそれぞれ回転駆動する一対の回転モータ3と、各モータ3に対応して設けられ対応するモータ3の回転量に基づいた回転信号を出力する一対のエンコーダ4と、各エンコーダ4からの回転信号に基づいて自律移動装置本体の角速度を算出する角速度算出部5と、自律移動装置本体の角速度を直接取得するジャイロ6と、前記エンコーダ4からの各回転信号に基づいて自律移動装置本体の移動変位を取得する移動変位取得部7と、モータ3の回転を制御することにより自律移動装置本体の走行制御を行う走行制御部10と、を備えている。走行制御部10は、角速度算出部5により算出された角速度ωmとジャイロ6から得られた角速度ωgとを用いて自律移動装置本体の回転角度を推定すると共に、その推定した回転角度と移動変位取得部7の取得した移動変位とに基づいて自己位置を推定する。走行制御部10は、さらに、その自己位置の推定に基づいて、モータ3の回転を制御することにより自律移動装置本体の走行制御を行う。ここで、移動変位とは、自律移動装置1の走行移動する領域を規定するxy座標系におけるxy座標値である。自律移動装置1の自己位置は、そのxy座標値である移動変位と、その位置での自己の姿勢、つまり回転角度によって決まる。
Hereinafter, an autonomous mobile device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of an autonomous mobile device 1 according to an embodiment of the present invention. The autonomous mobile device 1 is based on a pair of
また、走行制御部10は、回転角度の推定に際し、2つの角速度ωm、ωgのいずれを用いるかの判断を行う。すなわち、走行制御部10は、角速度算出部5により算出された角速度ωmとジャイロ6から得られた角速度ωgとの差の絶対値が所定の閾値ωthよりも大きいときにはジャイロ6から得られた角速度ωgを用いて回転角度を推定し、角速度の差の絶対値が閾値ωthよりも小さいときには角速度算出部5により算出された角速度ωmを用いて回転角度を推定する。
In addition, the
自己位置の推定について、さらに説明する。自律移動装置1は、自律移動装置1の走行する空間を規定する座標系におけるある点において、自己の位置と自己の向いている方向を既知として、その点からデッドレコニング(Dead Reckoning)により自己位置と向きを確認しながら自律的に移動する。デッドレコニングは、外部からの情報を得ることなく、内部で得られた情報に基づいて移動量(回転角度と移動変位)を計算し、初期位置からの移動量の積算により現在の自己の位置を求める技術である。 The self-position estimation will be further described. The autonomous mobile device 1 assumes that the position of the autonomous mobile device 1 in the coordinate system that defines the space in which the autonomous mobile device 1 travels is known and the direction in which the autonomous mobile device 1 is facing, and determines the position of the autonomous mobile device 1 through dead reckoning from that point. And move autonomously while checking the direction. Dead reckoning calculates the amount of movement (rotation angle and movement displacement) based on the information obtained internally without obtaining information from the outside, and calculates the current self position by integrating the amount of movement from the initial position. This is the technology that we want.
上述の回転角度の変化は、自律移動装置1の自転によって生じるので、自律移動装置本体の回転の角速度を用いて求められる。つまり、角速度を時間積分することによって、回転角度が得られ、その回転角度が自己の姿勢すなわち現在の移動方向を決定する。また、エンコーダ4からの回転信号に基づいて角速度を求める場合、次のようにして求められる。すなわち、回転信号の情報は、角速度算出部5によって、最終的に左右の駆動輪2の単位時間当たりの回転量に換算され、さらに、この回転量と、駆動輪2の直径と、2つの駆動輪2の間の距離とに基づいて、角速度が求められる。言い換えると、角速度算出部5は、モータに取り付けたエンコーダの回転信号と左右の駆動輪の寸法や配置形状に基づいて角速度を算出する。なお、自律移動装置1は、左右の駆動輪2が正転すれば前進し、逆転すれば後退し、左右の回転量が異なれば右又は左にカーブする。さらに左右の駆動輪2を互いに逆転すれば、自律移動装置1は、その場回転することになる。
Since the change in the rotation angle described above is caused by the rotation of the autonomous mobile device 1, it is obtained using the angular velocity of the rotation of the autonomous mobile device body. In other words, the rotation angle is obtained by time-integrating the angular velocity, and the rotation angle determines its own posture, that is, the current moving direction. Moreover, when calculating | requiring angular velocity based on the rotation signal from the
また、ジャイロを用いて角速度を直接求める場合、例えば、MEMS(micro electro mechanical systems)技術よって形成したジャイロ・センサを用いることができる。 When the angular velocity is directly obtained using a gyro, for example, a gyro sensor formed by a MEMS (micro electro mechanical systems) technique can be used.
次に、図2を参照して、自律移動装置1における、回転角度の推定に用いる角速度の取扱に注目した、走行制御の処理を説明する。自律移動装置1が、自己位置の確定した初期状態から移動を開始すると、走行制御部10が、所定の制御周期毎に、ジャイロ6からの角速度ωgと角速度算出部5による角速度ωmとを取得してその差の絶対値を求めて、その差の絶対値と所定の閾値ωthとの比較を行う(S1)。ここで、閾値ωthとして、例えば、ジャイロ6の、通常、不感帯ωxとされる程度の値を用いる。ここで、角速度の不感帯ωxとは、角速度の値が小さく、信号対ノイズ比(S/N比)が比較的悪い領域のことである。本発明では、不感帯を設けることなく、つまり、角速度ωgの値が小さな値であっても無視することなく、条件によってその値を採用するものである。
Next, with reference to FIG. 2, a description will be given of the travel control process focusing on the handling of the angular velocity used for estimating the rotation angle in the autonomous mobile device 1. When the autonomous mobile device 1 starts moving from the initial state where the self-position is fixed, the
上述の比較の結果、ジャイロ6の角速度ωgと角速度算出部5の角速度ωmとの差の絶対値が閾値ωthより大きい場合、つまり、|ωm−ωg|>ωth、の場合(S1でYes)、走行制御部10は、ジャイロの角速度ωgを用いて回転角度の推定を行い自己位置推定を行う(S2)。また、|ωm−ωg|≦ωth、の場合(S1でNo)、走行制御部10は、角速度算出部5の角速度ωmを用いて回転角度の推定を行い自己位置推定を行う(S3)。走行制御部10は、このような自己位置推定を、制御が終了するまで、所定の制御周期で繰り返す(S4)。
As a result of the above comparison, when the absolute value of the difference between the angular velocity ωg of the
角速度の差の絶対値が閾値ωthより大きくなる場合とは、例えば、左右の駆動輪2の回転速度に差をつけて、左右を逆回転したり、一方を停止したりして旋回するとき、両駆動輪2、又は片側の駆動輪2が、スリップすることにより、角速度ωmが駆動輪2の空回りで大きくなる一方、自律移動装置本体の実際の角速度が略ゼロとなる場合である。このような場合、たとえ、ジャイロ6からの角速度ωgが、通常は不感帯ωxとされる値よりも小さくなっているとしても、ジャイロ6の角速度ωgの方が、角速度算出部5の角速度ωmよりも、より現実の角速度に近いと考えられるので、より精度の高い走行制御を実現できる。
The case where the absolute value of the difference between the angular velocities is larger than the threshold ωth is, for example, when making a difference by rotating the left and
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。上記では、駆動輪、回転モータ、及びエンコーダを各左右一対にして備えた自律移動装置1の例を示したが、これらの数と配置に制限はなく、また、左右一対との制限もなく、エンコーダからの回転信号に基づいて自律移動装置本体の角速度ωmが求まれば、本発明は適用可能である。従って、本発明は、駆動輪と操舵輪とが異なる自律移動装置や、3つや4つの駆動輪を備えて、全方位方向に移動可能な自律移動装置などにおいても適用可能である。 The present invention is not limited to the above-described configuration, and various modifications can be made. In the above, an example of the autonomous mobile device 1 provided with a pair of left and right drive wheels, a rotary motor, and an encoder has been shown, but there is no limit to the number and arrangement of these, and there is no limit to the pair of left and right, The present invention is applicable if the angular velocity ωm of the autonomous mobile device body is obtained based on the rotation signal from the encoder. Therefore, the present invention can also be applied to an autonomous mobile device in which drive wheels and steering wheels are different, an autonomous mobile device that includes three or four drive wheels and can move in all directions.
1 自律移動装置
2 駆動輪
3 モータ
4 エンコーダ
5 角速度算出部
6 ジャイロ
7 移動変位取得部
10 走行制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Autonomous
Claims (1)
移動用の複数の駆動輪と、
前記各駆動輪を回転駆動する回転モータと、
前記各回転モータの回転量に基づいた回転信号を出力するエンコーダと、
前記エンコーダからの各回転信号に基づいて自律移動装置本体の角速度を算出する角速度算出部と、
自律移動装置本体の角速度を直接取得するジャイロと、
前記角速度算出部により算出された角速度と前記ジャイロから得られた角速度とを用いて回転角度を推定すると共に、その推定した回転角度と前記移動変位とに基づいて前記モータの回転を制御することにより自律移動装置本体の走行制御を行う走行制御部と、を備え、
前記走行制御部は、前記角速度算出部により算出された角速度と前記ジャイロから得られた角速度との差の絶対値が所定値よりも大きいときには前記ジャイロから得られた角速度を用いて回転角度の推定を行い、前記角速度の差の絶対値が前記所定量よりも小さいかまたは等しいときには前記角速度算出部により算出された角速度を用いて回転角度を推定することを特徴とする自律移動装置。 An autonomous mobile device that moves autonomously by performing self-position estimation using the rotation angle and movement displacement of the autonomous mobile device body,
A plurality of driving wheels for movement;
A rotation motor for rotating the drive wheels;
An encoder that outputs a rotation signal based on the rotation amount of each of the rotary motors;
An angular velocity calculation unit for calculating an angular velocity of the autonomous mobile device body based on each rotation signal from the encoder;
A gyro that directly acquires the angular velocity of the autonomous mobile device body,
By estimating the rotation angle using the angular velocity calculated by the angular velocity calculation unit and the angular velocity obtained from the gyro, and controlling the rotation of the motor based on the estimated rotation angle and the moving displacement. A traveling control unit that performs traveling control of the autonomous mobile device body,
The travel control unit estimates the rotation angle using the angular velocity obtained from the gyro when the absolute value of the difference between the angular velocity calculated by the angular velocity calculation unit and the angular velocity obtained from the gyro is larger than a predetermined value. An autonomous mobile device characterized in that when the absolute value of the difference between the angular velocities is smaller than or equal to the predetermined amount, the rotational angle is estimated using the angular velocities calculated by the angular velocity calculating unit.
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