CN1247149A - 无人搬运车系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人搬运车系统,它是用激光扫描仪识别沿着行进路径配置的反射板,把上次识别的反射板中的在角度和距离在规定范围内的反射板作为相同的反射板,根据已特定的反射板的位置关系,参照上述反射板位置图对允许范围外的反射板进行特定。本发明的效果在于无须假定无人搬运车的现在位置就能对反射板进行特定。

Description

无人搬运车系统

本发明涉及一种无人搬运车的引导系统，尤其是一种不用假定无人搬运车的现在位置就能对反射板进行特定的引导系统。

已知的这种系统的结构是沿着行进路径配置多个反射板，无人搬运车通过激光扫描仪识别反射板，由此算出现在位置。如果能识别三块反射板则能根据三角测量的原理识别现在位置，但问题是要对识别到的反射板究竟是反射板位置图上的哪一块反射板加以特定。为此，若能对反射板加上条形码等识别数据则问题是可简单解决，但这种反射板价格高，而且将其配置在壁面上很麻烦。因此，一般全部采用同类反射板。

在反射板本身不带有识别数据的情况下，为了能对反射板进行特定，需要把无人搬运车的起动位置输入到无人搬运车里。因此，最初是从已知位置开始起动无人搬运车并以此为前提，对起动时识别到的反射板加以特定。在以后的识别中，从前一次的识别位置推断出现在位置，把能识别出这一位置的反射板作为激光扫描仪识别的，由其特定反射板。但是采用这种方法一旦错误地识别反射板，就不能正确地进行位置识别，就不能控制无人搬运车。

本发明的目的是提供一种无须假定无人搬运车的现在位置就能对反射板进行特定的引导系统。

本发明的第二目的是提供一种即使在新出现反射板的情况下也能进行特定的无人搬运车的引导系统。

本发明的第三目的是提供一种除了无人搬运车的位置和方位以外，还能求出速度和角速度的引导系统。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种无人搬运车系统，其特征在于具有：

沿着行进路径配置的多个反射板；

设置在无人搬运车上，周期地进行扫描以求出反射板方位的激光扫描仪；

反射板位置图；

对以前扫描识别的反射板的特定结果进行记忆的记忆装置；

把根据以前识别结果在规定角度范围内的反射板作为与上次相同的反射板，来特定本次扫描所识别反射板的特定装置；

根据已特定的反射板求出无人搬运车的现在位置的装置。

所述的无人搬运车系统，其特征在于：用上述激光扫描仪求反射板的方位和距离，而且由上述特定装置构成，根据与已特定的反射板的距离关系、用上述反射板位置图对新出现的反射板进行特定。

所述的无人搬运车系统，其特征在于：从已特定的至少三块反射板求出无人搬运车的速度和角速度，对从以前识别的位置到现在时刻为止所求出的的速度和角速度进行积分，求出现在位置和方位。

所述的无人搬运车系统，具有：

沿着行进路径配置的多个反射板；

设置在无人搬运车上，周期地扫描求反射板的方位的激光扫描仪；

反射板位置图；

对以前扫描的反射板的特定结果进行记忆的记忆装置；

把根据以前识别结果在规定角度范围内的反射板作为与上次相同的反射板，来特定本次扫描所识别反射板的特定装置；

根据已特定的反射板求出无人搬运车的现在位置的装置。

最好是用上述激光扫描仪得到反射板的方位和距离，而且上述特定装置是根据与已特定的反射板的距离关系、用上述反射板位置图对新出现的反射板进行特定。

最好是从特定过的至少三块反射板求出无人搬运车的速度和角速度，从以前识别的位置直到现在时刻为止、将求得的速度和角速度积分求现在位置和方位。

本发明的效果在于：

本发明对以前扫描得到的反射板的特定结果进行记忆，把根据以前识别结果在规定角度范围内的反射板作为与上次相同的反射板。最好把前次的扫描用作以前扫描的结果。本发明是把激光扫描仪求得的以前的识别值和本次识别值相比较，把类似的识别值作为由相同反射板得到的，由此对反射板进行特定，因而能迅速而容易地特定反射板。并能正确地特定反射板。

所述的发明是根据与已特定的反射板的距离关系、参照反射板位置图对新出现的反射板进行特定的。这样，不用假定无人搬运车的现在位置就能特定新出现的反射板。

所述的发明是从三块反射板的识别结果求出无人搬运车的速度和角速度，然后求出现在位置和方位的。因此与假定无人搬运车处于停止状态，求出现在位置和方位的场合相比较，能提高识别精度，而且即使在无人搬运车上设有速度传感器或角速度传感器等场合下，也能独立于它们求出速度和角速度。

以下根据附图，详细说明本发明的实施例：

图1是本发明实施例的无人搬运车的侧视图。

图2是表示本实施例的无人搬运车的控制系统的方框图。

图3是表示本实施例的在初始位置上对反射板进行特定的特性图。

图4是表示本实施例的在初始位置上对反射板进行特定的特性图。

图5是表示本实施例的反射板配置图。

图6是表示本实施例的对初始位置识别过程的流程图。

图7是表示本实施例的在独立行进过程中对反射板进行特定的特性图。

图8是表示本实施例的对新出现的反射板进行特定的特性图。

图9是表示本实施例的对无人搬运车的速度、角速度的进行处理的特性图。

图10是表示本实施例的在独立行进过程中对现在位置进行识别的流程图。

图1～图6表示本发明的实施例。图1表示无人搬运车2的结构，其中，4是车体，6是载放物品并进行升降用的升降器(リフト)，8是用于放置激光扫描仪10的台架，12是行进控制部，14是现在位置识别部。而且激光扫描仪10是以譬如10Hz频率进行旋转，通过检测从张贴在工厂墙壁上的反射板16的反射光，求出到反射板16的距离和方位。反射板16的方位(角度)分辨率是0.1度以下，而距离的分辨率是1m。

图2表示无人搬运车2的控制系统，现在位置识别部14接到由激光扫描仪10识别的反射板的角度和距离等信息，起动时设无人搬运车2处于停止的状态，然后算出无人搬运车2的现在位置及其方位。而且在开始独立行进之后，记忆前次求出的无人搬运车2的位置和方位，用激光扫描仪10输出的反射板的角度和距离等信息，求出无人搬运车2的速度和角速度，从前次识别时刻开始到现在为止地对速度和角速度进行积分，求出现在位置和方位。作为现在位置识别部14的辅助系统具有记录着沿行进路径的反射板位置的反射板位置图18；根据反射板位置图18的数据和激光扫描仪10的数据算出现在位置用的现在位置算出部19；与行进控制部12进行对、把现在位置识别部19的计时器上的时刻换算成行进控制部12的计时器上的时间对时处理部20和用来对激光扫描仪10识别的反射板究竟是位置图18上哪一个反射板加以特定的反射板特定处理部21。

(起动时反射板的特定和位置识别)

图3～图6表示起动时反射板的特定和无人搬运车2的位置和方位的识别。在这过程中，是把无人搬运车2以停止状态加以处理。图3表示对三块反射板16-1～16-3依该顺序进行识别时对反射板的临时特定。设与第一块反射板16-1之间的距离为a，与第2块反射板16-2之间的距离为b，它们之间的角度取为θ，这时可根据余弦定理，用a、b和角度θ求出反射板16-1和16-2之间的距离。由于距离a、b的分辨率是1m，因而二块反射板16-1和16-2之间距离的精度为1.4m。若接着识别第三块反射板16-3，就可确定三块反射板16-1～16-3构成的三角形的各边长度，能够完全确定这个三角形的形状。

图4是表示识别譬如四块反射板时，对反射板进行特定和无人搬运车2现在位置的识别算法。设沿着行进路径有N块反射板。由于没有假定无人搬运车2的初始位置，因而在识别第一块反射板16-1，对这个反射板的特定可作出N组假设。若接着识别第二块反射板16-2，则第二块反射板必须处在离开第一块反射板规定的距离上，它的分辨率为1.4m。例如假定将反射板平均间隔空开10m地配置、把反射板之间的距离标准偏差为5m，假定在标准偏差范围内反射板大致同样地分布，如果用1.4m的精度就能识别第一块反射板和第二块反射板之间的距离，则第二块反射板的候补的范围可以缩小到第一块反射板附近的反射板中七块有一块。在识别第二块反射板时的反射板的预定候补数(与反射板的组合相关的假设的数)是kN，k是1以上、10以下，实际上不会比1大很多。

若接着识别第三块反射板16-3，则必须使三块反射板16-1～16-3构成的三角形和反射板位置图18上的某一个三角形一致。这时三块反射板的候补的组合会减少，它的可能性是mN组(m＜1)，能使候补范围大幅度缩小。因此，譬如相对于mN组的候补、根据公知的三角测量原理求出无人搬运车2的现在位置。即如果有相对于三块反射板的角度信息，则能决定无人搬运车2的位置和朝向，这点是已知的。对于mN组求得的无人搬运车的现在位置算出三块反射板16-1～16-3之间的距离，与用激光扫描仪10得到的识别值相比较，能进一步检查一致性，使特定三块反射板的假设进一步缩小。

譬如，在反射板的总块数较少的场合下，或者在输入无人搬运车2的初始位置的概略值的场合下(例如把输入行进路径分割成10段场合下输入段的标号时)，或者在把各个反射板是在行进路径前方的右侧看到还是在左侧看到等附加信息输入到反射板位置图18中时，这时几乎能对三块反射板完全地特定。例如设定反射板之间的距离分辨率是1.4m，反射板之间间隔的标准误差为5m，则在识别第二块反射板时，k的值是稍比1大，在识别第三块反射板时m值变成1以下，现在位置算出后的无人搬运车2和各个反射板之间的距离进行检查，则m值就更小于1。这时如果有无人搬运车2的初始位置概略数据及各个反射板是在行进路径的右侧看到和在左侧看到的区别等附加数据，则m值变成十分小，在小规模的无人搬运车系统中，在位置图18上几乎可以特定三块反射板。

如果使反射板的块数增加30％，则能从识别三块反射板的状态变化成识别四块以上的反射板的状态。在识别第四块反射板的场合下，由于角度分辨率极高，因此能检查到此为止所特定的反射板的一致性。如前所述，角度的分辨率是0.1度以下，第四块反射板偶然在这范围内的概率是1/1000以下，几乎能确实地检查一致性。而且，与第四块反射板之间的距离分辨率是1m，因而能进一步对一致性进行检查。因此，在识别第四块反射板时，实用上几乎能确实地对反射板进行特定。

图5、图6表示本实施例的初始位置识别过程。图5表示行进路径和反射板(用○表示)的配置。譬如，在识别三块反射板时，设使这些反射板构成的三角形与图5中的反射板16-1～16-3基本一致。与其基本相等的三角形在图5中不存在。进一步加上第四块反射板的场合下，与这四点构成的四边形相等的四边形在图5中不存在。这样，这点是很显然的，即、如果用3个以上反射板、再有它们与激光扫描仪10之间的距离信息，则基本能对反射板进行特定。

图6表示反射板特定的过程。假设无人搬运车2能从沿着行进路径的任意位置起动，或沿着行进路径设定多个能够识别四块以上反射板的位置，从这些位置中的任意一个上起动。在识别最初的一块反射板时，设在行进路径上的反射板16的总数为N，与反射板特定相关的假设是N组。接着，在识别第二块反射板时，从位置图上选择第一块反射板和第二块反射板的距离与用图3的手法求出的距离基本一致的反射板。这时，第一块反射板和第二块反射板的组合相关的假设为kN，k是1以上10以下，实际上大致接近于1的数。接着识别第三块反射板时，确定由三块反射板构成的三角形的形状，从图5所示的反射板位置图中找出与其形状基本相等的三角形，作为与反射板的特定相关的假设而剩下。其结果是与反射板特定相关的假设范围被进一步缩小。

这样，一直将范围缩小到对与反射板的特定相关的假设在运算上根本没有负担的程度，相对于剩下的假设，算出无人搬运车2的现在位置和方位。例如如果剩下10组假设，则无人搬运车2的现在位置和方位就可以从10组里求出。如果有必要，则将激光扫描仪10与各个反射板之间的距离识别值与每个假设求出的距离计算值进行比较，将不合理的数据除掉。这样，这时作为无人搬运车2的现在位置和方位的有效假设就变成mN组，m是1以下的数。

接着，进一步识别第四块以后的反射板，从它的识别角度和距离对mN组假设的一致性进行检查。它的出错率通过将激光扫描仪10的角度分辨率和360度之比，乘以激光扫描仪10的距离分辨率和反射板之间的距离标准误差之比就能基本确定，其值比1/1000小得多。这样，如果能识别例如四块反射板，则错误地特定反射板的概率为1/1000以下。假定能识别五块以后的反射板的场合下，则进一步进行一致性的检查，譬如，就五块反射板而言，用角度和识别距离求出的现在位置的最小2乘法误差是否在规定的范围内进行一致性检查。而且在一致性不充分时，改变无人搬运车2的位置而进行复查。如果有一致性则进行下面的独立行进。在独立行进时把如上所述地求出的现在位置作为初始位置，其中把已特定的反射板作为最初看到的反射板，以后根据这信息，重复反射板的特定。即由激光扫描仪10以10Hz的频率进行扫描，这期间无人搬运车2的行进距离比1m小得多，实际上就等于连续地看到各块反射板。其结果是相对于上次识别了的反射板的组合，把根据以前识别结果在规定角度范围内的反射板作为与上次相同的反射板，来特定本次扫描所识别反射板。如果有新出现的反射板，则参照反射板位置图18加以特定，若在这样对反射板进行特定，则可依此特定识别现在位置。

(独立行进)

若用图1～图6所示的处理或结构确定无人搬运车2的初始位置和方位，就可使无人搬运车2开始行进独立行进。在独立行进过程中如果在现在位置识别方面产生问题，则只要反复进行图3～图6所示的处理，再次进行初始位置的测定即可。

如果能对三块反射板进行特定，则能识别无人搬运车2的现在位置和方位，这点是公知的，因而在独立行进中的问题其实是对反射板的特定。图7表示反射板的特定手法，虚线表示上次识别的反射板的方位和距离，实线表示本次识别的反射板的距离和方位。未必要如字面那样用上次识别结果，譬如可用上上次的识别结果。由于是把上次识别结果记忆在反射板特定处理部21里、激光扫描仪10以例如每秒10Hz的频率进行扫描、无人搬运车2的行进速度是每秒1m，因而上次的激光扫描仪的位置和这次的激光扫描仪的位置相差10cm。与此相对应，无人搬运车和反射板的距离一般是1m以上，可以说激光扫描仪10是连续地识别反射板。而且随着无人搬运车2移动10cm，激光扫描仪10和反射板之间的距离变化一般是激光扫描仪10的距离分辨率以下，关于距离在有效数值范围里能得到大致相同的结果。而且激光扫描仪10和反射板16之间的距离例如是1m时、而激光扫描仪10移动10cm的场合下，方位的变化即使最大也不满6度。一般地激光扫描仪10和反射板之间的距离比1m大，方位变化最大的是无人搬运车2的行进方向和反射板位置是直角的场合，但一般认为不受这角度限制，这时在下一扫描中方位变化就成为相当小的角度。而且这角度如上所述，一般不满6度。

若把这些情况作为前提，则可把相对于上次识别的反射板、距离大致相等、方位变化小的推断为相同反射板。譬如在图7上，与上次的识别值相对应的距离变化的允许范围用Δr时标、角度的变化用Δθ(Δθ是不取决于距离r，固定的)或者Δθ(r)(Δθ是根据从激光扫描仪10到反射板16的距离而变更，譬如与距离成反比例，或者作为距离r的递减函数而确定Δθ)的时标，在这时标内如果用本次扫描识别到峰值(ピ一ク)，则特定为与上次相同的反射板。

由于在1次扫描过程里无人搬运车2的行进距离是10cm，因而在大部分场合下，上次扫描和本次扫描是识别相同的反射板。而且在这些场合下，如果把相对于上次扫描在距离和角度(方位)的时标方范围一致的反射板作为相同的反射板，则能容易地对反射板再次特定进行。

在本次扫描识别中无法识别到上次已识别的反射板时，则推断该反射板已退出视野外。可以考虑是因为被障碍物一时遮挡而无法看见，或者由无人搬运车2的行进而退出视野外等2种情况。而且在这些情况中的任何一种都把这次没能识别的反射板作为没看到的，将其从处理对象中除去。

在检测到上次没有识别到的新的反射光峰值(ピ一ク)的场合下，不是假定无人搬运车2的现在位置，而是对新的峰值进行特定。如图3所示，在识别三块反射板的场合下，如果用激光扫描仪10测定与它们之间的距离，则能基本确定三块反射板构成的三角形的形状。由于大部分反射板是上次识别了的反射板、是能容易地特定的，因而相对于新发生的反射光峰值(反射板的识别值)，应该存在二块以上已特定的反射板。借助与反射板间的距离求出这三块反射板构成的三角形的形状，参照着反射板的位置图18对新的峰值进行特定。在图8中表示这个过程，反射板16-1、16-2是已特定的，反射板16-3是未特定的，与激光扫描仪10之间的距离是a、b、c，它们之间的角度是θ、φ。于是，反射板16-1～16-3构成的三角形的形状自动地确定，在反射板位置图18上未特定的反射板16-3可能的存在位置只是如图8右侧所示的2点。只要把这2点中最一致的点特定成反射板即可。这样，不假定无人搬运车2的现在位置就能容易地对已识别的反射板进行特定。

(速度和角速度的检测)

能对三块反射板进行特定，就能决定无人搬运车2的现在位置和方位，这点是公知的。但是公知的手法是把无人搬运车2以停止状态处理，或者是使现在位置识别部14接受从行进控制部12输出的与车身速度和角速度相关的信息作为前提。实际上无人搬运车2是在行进的，为了提高位置的识别精度，将无人搬运车2以停止状态处理欠佳。譬如在1次扫描期间里，如果无人搬运车2行进10cm，则在把无人搬运车2以停止状态处理的场合下，会产生最大10cm的位置误差。另一方面，由装在无人搬运车2上的传感器求得的速度和角速度又是含糊的信息，尤其是角速度的检测结果可靠性很低。而且从行进控制部12输出的速度和角速度等信息不断地输入到现在位置识别部14，这使无人搬运车2内的通信负担增加。因此在实施例中将现在位置识别部14从行进控制部12独立出来，没有行进控制部12输出的数据也能识别现在位置。为此，就由自己来求出无人搬运车2的速度和角速度(实际上是激光扫描仪10的台架8的速度和角速度)。并以此为前提，把用激光扫描仪10识别到反射板16时开始到处理结束时为止的时间滞后的影响去除。

时间滞后的处理极简单，在实施例中，行进控制部12把自己的计时器信号以适当的间隔送向现在位置识别部14，现在位置识别部14把自己的计时器信号与行进控制部12的计时器信号相比较，求出用于把自己的时刻换算成行进控制部12的时刻的数据。在行进控制部12和现在位置识别部14中、计时器的时刻不同的因素较多场合时钟的频率不一致，例如在进行一次补正的场合下，行进控制部12以规定的时间间隔、把时间输入到现在位置识别部14，现在位置识别部用自己的钟表对这段时间计时，以此求出补正用的比例系数进行补正就可以了。

速度和角速度的计算如图9所示地进行。在图9中，根据上次的识别结果，把时刻T＝0时无人搬运车2的座标(x、y)及方位设为是已知，其中，为了简便，把方位取成0。而且在这次扫描中，设在时刻T1识别反射板M1、在时刻T2识别反射板M2、在时刻T3识别反射板M3。把扫描的方向取成如图9所示的反时针方向。把各个反射板M1～M3的x座标和y座标分别取为Mxi、Myi(i＝1～3)，把无人搬运车2的x方向速度取为u、把y方向速度取为v、把角速度取为ω。扫描的间隔是0.1秒，若把转弯等时间点除去，可把速度u、v或角速度ω处理成一定的。而且识别时把时刻T1的反射板M1的方位角取为α1、把时刻T2的反射板M2的方位角取为α2、把时刻T3的反射板M3的方位角取为α3。于是，用在时刻T1时的无人搬运车2的座标和反射板M1，能构成如图所示的直角三角形，其中一边的角度由α1+ωT1确定。在图9的场合下，ω表示负的。因此，借助于这个直角三角形建立了一个把u、v、ω作为未知数的方程式。其中的x、y、T1、Mx1、My1是已知的。同样，用时刻T2的无人搬运车的位置和方位和反射板M2的位置也建立起一个方程式，用时刻T3的无人搬运车的位置和方位和反射板M3的位置又建立起一个方程式。结果在识别三块反射板的场合下，使3个方程式成立，未知数是3个。因此，如果从这些联立方程式求出无人搬运车2的速度u、v或角速度ω，算出从基准时刻T＝0到现在时刻T4的位置和方位的变化，就能求得在任何时刻的无人搬运车2的方位和位置。

图10是将图7～图9所示的处理加以整理后表示的流程图。在独立行进开始之后，每次扫描对反射板进行特定。反射板的特定是从上次已特定的反射板中、把角度或距离的变化在允许范围内的反射板作为相同的反射板加以特定。在上次已识别的反射板中如果有这次没能识别的反射板，则将其作为退出视野处理，如果有新的反射板，则用图8的手法，用二块已特定的反射板和新识别的反射板构成三角形，在反射板的位置图18求出与上述三角形对应的反射板，由此对反射板进行特定。

接着，现在位置识别部14与行进控制部12按规定的时间间隔、不思进行对时，由此知道行进控制部12的时刻。接着用图9的原理求出无人搬运车2的速度u、v和角速度ω。在把图9的关系考虑为无人搬运车2的位置和方位变化的一次项求解时，可得到图10右侧的联立一次方程式。由于这个方程式是容易解的，因而能求出无人搬运车2的速度u、v和角速度ω。在识别到4点以上时，已知的解法是把未知数u、v、ω的最小2乘法误差取成最小，能更正确地求出速度和角速度。如果求无人搬运车2的速度和角速度，则由于时刻T＝0时的位置和方位是已知的，因而T4时的位置是x+uT4，y+vT4，将时刻T＝0的方位取成θ，则T4时的方位是θ+ωT4。而且现在位置识别部14把这些数据输入到行进控制部12里，现在位置识别部14无须对现在位置进行假定、或输入无人搬运车2的速度和角速度就能求出现在位置和方位。

Claims (3)

1.一种无人搬运车系统，其特征在于具有：

沿着行进路径配置的多个反射板；

设置在无人搬运车上，周期地进行扫描以求出反射板方位的激光扫描仪；

反射板位置图；

对以前扫描识别的反射板的特定结果进行记忆的记忆装置；

把根据以前识别结果在规定角度范围内的反射板作为与上次相同的反射板，来特定本次扫描所识别反射板的特定装置；

根据已特定的反射板求出无人搬运车的现在位置的装置。

2.如权利要求1所述的无人搬运车系统，其特征在于：用上述激光扫描仪求反射板的方位和距离，而且由上述特定装置构成，根据与已特定的反射板的距离关系、用上述反射板位置图对新出现的反射板进行特定。

3.如权利要求1所述的无人搬运车系统，其特征在于：从已特定的至少三块反射板求出无人搬运车的速度和角速度，对从以前识别的位置到现在时刻为止所求出的的速度和角速度进行积分，求出现在位置和方位。

Images