JP2000029518A - 自律的ビ―クルの経路追従方法及びシステム - Google Patents
自律的ビ―クルの経路追従方法及びシステムInfo
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Abstract
(57)【要約】
自律ビークル（１０２、３１０）を位置特定し、航行さ
れるシステム及び方法が、ビークル（１０２、３１０）
に位置間の走行を可能にする。ビークル（１０２、３１
０）の第１位置推定（１１２）はグローバル位置特定シ
ステム（１００Ａ）の衛星（１３２−１７０、２００−
２０６）及び１または複数の擬似衛星（１０５）の両方
または何れか一方から導出される。１または複数の擬似
衛星（１０５）は衛星（１３２−１７０、２００−２０
６）がビークル（１０２、３１０）の視野内に存在しな
い場合に排他的に使用することができる。第２位置推定
（１１４）は慣性参照ユニット（９０４）及びビークル
走行距離計（９０２）の両方または何れか一方から導出
される。第１及び第２位置推定が組み合わされ、濾波さ
れて第３位置推定（１１８）が導出される。ビークル
（１０２、３１０）の航行は位置情報（４１４）、障害
物検出及び回避データ（４１６）、及び搭載ビークルデ
ータ（９０８、９１０）を使用して求められる。
れるシステム及び方法が、ビークル（１０２、３１０）
に位置間の走行を可能にする。ビークル（１０２、３１
０）の第１位置推定（１１２）はグローバル位置特定シ
ステム（１００Ａ）の衛星（１３２−１７０、２００−
２０６）及び１または複数の擬似衛星（１０５）の両方
または何れか一方から導出される。１または複数の擬似
衛星（１０５）は衛星（１３２−１７０、２００−２０
６）がビークル（１０２、３１０）の視野内に存在しな
い場合に排他的に使用することができる。第２位置推定
（１１４）は慣性参照ユニット（９０４）及びビークル
走行距離計（９０２）の両方または何れか一方から導出
される。第１及び第２位置推定が組み合わされ、濾波さ
れて第３位置推定（１１８）が導出される。ビークル
（１０２、３１０）の航行は位置情報（４１４）、障害
物検出及び回避データ（４１６）、及び搭載ビークルデ
ータ（９０８、９１０）を使用して求められる。
Description
【０００１】発明の背景 １．発明の分野 本発明は位置特定システムに関し、より具体的には惑星
の地表上にある、また、は地表付近にある自律ビークル
の地上位置を決定するための位置特定装置及び方法に関
する 2．関連技術 現在、アメリカ合衆国(U.S．)を含む若干の国の政府
が、包括的にグローバル位置特定システム(GPS)と呼ば
れる地上位置決定システムを開発中である。GPSでは複
数の衛星が惑星地球の周囲の軌道上に配置される。GPS
衛星は電磁信号を送信するように設計されている。これ
らの電磁信号から地表の、または地表付近のどの受信機
も絶対地上位置(地球の中心に対する位置)を最終的に決
定することができる。U.S．政府はそのGPSを“NAVSTAR"
と命名した。U.S．政府はNAVSTAR GPSの運用は1993年に
なるであろうと宣言している。更にソビエト社会主義共
和国連邦(U.S.S.R．)政府は、実質的にNAVSTAR GPSと同
一の“GLONASS"を現在開発中であるNAVSTAR6PSでは、任
意の時点に、6つの各軌道内に4個のGPS衛星が存在し、2
1個の周回GPS衛星を機能させ、３個のCPS衛星を予備に
するという構想である。３つのGPS衛星軌道は、地球に
対して相互に直交する面を有している。GPS衛星軌道
は、極軌道でも赤道軌道でもない。更に、GPS衛星は12
時間で1回地球を周回する。NAVSTAR GPSを使用すると、
任意の地球上の受信機に対する周回中のGPS衛星の相対
位置を電磁信号から決定することができる。この相対位
置は一般に“擬似距離"と呼ばれている。更に、この相
対位置は2つの方法によって計算することができる。
の地表上にある、また、は地表付近にある自律ビークル
の地上位置を決定するための位置特定装置及び方法に関
する 2．関連技術 現在、アメリカ合衆国(U.S．)を含む若干の国の政府
が、包括的にグローバル位置特定システム(GPS)と呼ば
れる地上位置決定システムを開発中である。GPSでは複
数の衛星が惑星地球の周囲の軌道上に配置される。GPS
衛星は電磁信号を送信するように設計されている。これ
らの電磁信号から地表の、または地表付近のどの受信機
も絶対地上位置(地球の中心に対する位置)を最終的に決
定することができる。U.S．政府はそのGPSを“NAVSTAR"
と命名した。U.S．政府はNAVSTAR GPSの運用は1993年に
なるであろうと宣言している。更にソビエト社会主義共
和国連邦(U.S.S.R．)政府は、実質的にNAVSTAR GPSと同
一の“GLONASS"を現在開発中であるNAVSTAR6PSでは、任
意の時点に、6つの各軌道内に4個のGPS衛星が存在し、2
1個の周回GPS衛星を機能させ、３個のCPS衛星を予備に
するという構想である。３つのGPS衛星軌道は、地球に
対して相互に直交する面を有している。GPS衛星軌道
は、極軌道でも赤道軌道でもない。更に、GPS衛星は12
時間で1回地球を周回する。NAVSTAR GPSを使用すると、
任意の地球上の受信機に対する周回中のGPS衛星の相対
位置を電磁信号から決定することができる。この相対位
置は一般に“擬似距離"と呼ばれている。更に、この相
対位置は2つの方法によって計算することができる。
【０００２】1つの方法は、発射される電磁信号の送信
と受信との間の伝播時間遅延を測定することである。NA
VSTAR GPSでは、電磁信号は、信号がCPS衛星から送信さ
れる時刻で連続的に符号化される。時間遅延を導出する
ために受信時刻に注目し、符号化された送信時刻を減算
することが可能であるのは説明の要はあるまい。計算さ
れた時間遅延と、大気中の電磁波の走行速度の知識とか
ら、擬似距離を正確に導出することができる。上述の方
法を使用して計算された擬似距離を、本明細書では“実
際の"擬似距離と呼ぶ。別の方法は、周回衛星から送信
される電磁信号内に符号化される衛星位置データを含
む。NAVSTAR GPSの衛星位置データに関する暦データは
公的に入手できる。電磁信号内に符号化されているデー
タに関してこの暦データを参照することによって擬似距
離を正確に導出することができる、上述の方法を使用し
て計算された擬似距離を、本明細書では“推定"擬似距
離と呼ぶ。しかし、推定擬似距離を導出する従来方法に
おいて、衛星位置データがGPS衛星において1時間に1回
毎正時だけにしか更新されないことに注意すべきであ
る。従って更新された衛星位置データを使用して新しい
推定擬似距離を計算する場合の推定擬似距離の精度は、
次の正時まで各正時からの時間と共に低下する。更に、
少なくとも3個の周回GPS衛星の相対位置を知ることによ
って、任意の地球受信機の絶対地上位置(即ち、経度、
緯度、及び地球の中心に対する高度)を三角法を含む簡
単な幾何学理論によって計算することができる。地上位
置推定の精度は、部分的に、サンプルされる周回GPS衛
星の数に依存する。より多くのGPS衛星を言十算に使用
すれば、地上位置推定の精度を高めることができる。
と受信との間の伝播時間遅延を測定することである。NA
VSTAR GPSでは、電磁信号は、信号がCPS衛星から送信さ
れる時刻で連続的に符号化される。時間遅延を導出する
ために受信時刻に注目し、符号化された送信時刻を減算
することが可能であるのは説明の要はあるまい。計算さ
れた時間遅延と、大気中の電磁波の走行速度の知識とか
ら、擬似距離を正確に導出することができる。上述の方
法を使用して計算された擬似距離を、本明細書では“実
際の"擬似距離と呼ぶ。別の方法は、周回衛星から送信
される電磁信号内に符号化される衛星位置データを含
む。NAVSTAR GPSの衛星位置データに関する暦データは
公的に入手できる。電磁信号内に符号化されているデー
タに関してこの暦データを参照することによって擬似距
離を正確に導出することができる、上述の方法を使用し
て計算された擬似距離を、本明細書では“推定"擬似距
離と呼ぶ。しかし、推定擬似距離を導出する従来方法に
おいて、衛星位置データがGPS衛星において1時間に1回
毎正時だけにしか更新されないことに注意すべきであ
る。従って更新された衛星位置データを使用して新しい
推定擬似距離を計算する場合の推定擬似距離の精度は、
次の正時まで各正時からの時間と共に低下する。更に、
少なくとも3個の周回GPS衛星の相対位置を知ることによ
って、任意の地球受信機の絶対地上位置(即ち、経度、
緯度、及び地球の中心に対する高度)を三角法を含む簡
単な幾何学理論によって計算することができる。地上位
置推定の精度は、部分的に、サンプルされる周回GPS衛
星の数に依存する。より多くのGPS衛星を言十算に使用
すれば、地上位置推定の精度を高めることができる。
【０００３】普通は、地球受信機と種々のGPS衛星との
間の回路時計の差がもたらす誤差ゆえに、4個のGPS衛星
をサンプルして各地上位置推定を決定する。時計差は数
ミリ秒であり得る。もし地球受信機の時計がGPS衛星の
時言十と同期していれば、地球受信機の位置を正確に決
定するためには3個のGPS衛星をサンプルすれば十分であ
ろう。NAVSTAR GPSでは、電磁信号は全てのGPS衛星から
単一の搬送波周波数で連続的に送信される、しかし各GP
S衛星は異なる変調計画を有しており、それによって信
号を区別することができる。NAVSTAR GPSでは、搬送波
周波数は各GPS衛星に独特な擬似ランダム信号を使用し
て変調される。従って、搬送波周波数を解号すればNAVS
TAR GPS内の周回CPS衛星を識別することができる。
間の回路時計の差がもたらす誤差ゆえに、4個のGPS衛星
をサンプルして各地上位置推定を決定する。時計差は数
ミリ秒であり得る。もし地球受信機の時計がGPS衛星の
時言十と同期していれば、地球受信機の位置を正確に決
定するためには3個のGPS衛星をサンプルすれば十分であ
ろう。NAVSTAR GPSでは、電磁信号は全てのGPS衛星から
単一の搬送波周波数で連続的に送信される、しかし各GP
S衛星は異なる変調計画を有しており、それによって信
号を区別することができる。NAVSTAR GPSでは、搬送波
周波数は各GPS衛星に独特な擬似ランダム信号を使用し
て変調される。従って、搬送波周波数を解号すればNAVS
TAR GPS内の周回CPS衛星を識別することができる。
【０００４】更に、NAVSTAR GPSは、擬似ランダム数(PR
N)信号を使用する2つの搬送波変調モードを考えてい
る。“粗/収集"(C/A)モードと呼ばれる一方のモードで
は、PRN信号は1.023MHzのチップレートを有するゴール
ドコードシーケンスである。ゴールドコードシーケンス
は公知の普通の擬似ランダムシーケンスである。チップ
はこの擬似ランダムコードの1つの個々のパルスであ
る。擬似ランダムシーケンスのチップレートはシーケン
ス内でチップが生成されるレートである。従って、チッ
プレートはコード線り返しレートをそのコード内のメン
バーの数で除したものに等しい。従って、NAVSTAR GPS
の“粗/収集"モードでは、各ゴールドコードシーケンス
内には1,023チップが存在し、シーケンスは1ミリ秒に1
回繰り返される。4個の周回GPS衛星からの1.023MHzのゴ
ールドコードシーケンスを使用することによって、地球
受信機の地上位置をほぼ60乃至300メートルの精度で決
定することができる。NAVSTAR GPSにおける第2の変調モ
ードは一般に“精密"または“保護"(P)モードと呼ばれ
るものである。Pモードでは擬似ランダムコードは10.23
MHzのチップレートを有している。更にPモードシーケン
スは極めて長く、シーケンスは267日に1回しか繰り返さ
れない。その結果、任意の地球受信機の地上位置をほぼ
16乃至30メートルの精度で決定することができる。
N)信号を使用する2つの搬送波変調モードを考えてい
る。“粗/収集"(C/A)モードと呼ばれる一方のモードで
は、PRN信号は1.023MHzのチップレートを有するゴール
ドコードシーケンスである。ゴールドコードシーケンス
は公知の普通の擬似ランダムシーケンスである。チップ
はこの擬似ランダムコードの1つの個々のパルスであ
る。擬似ランダムシーケンスのチップレートはシーケン
ス内でチップが生成されるレートである。従って、チッ
プレートはコード線り返しレートをそのコード内のメン
バーの数で除したものに等しい。従って、NAVSTAR GPS
の“粗/収集"モードでは、各ゴールドコードシーケンス
内には1,023チップが存在し、シーケンスは1ミリ秒に1
回繰り返される。4個の周回GPS衛星からの1.023MHzのゴ
ールドコードシーケンスを使用することによって、地球
受信機の地上位置をほぼ60乃至300メートルの精度で決
定することができる。NAVSTAR GPSにおける第2の変調モ
ードは一般に“精密"または“保護"(P)モードと呼ばれ
るものである。Pモードでは擬似ランダムコードは10.23
MHzのチップレートを有している。更にPモードシーケン
スは極めて長く、シーケンスは267日に1回しか繰り返さ
れない。その結果、任意の地球受信機の地上位置をほぼ
16乃至30メートルの精度で決定することができる。
【０００５】しかしながらPモードシーケンスは機密扱
いされ、合衆国政府から公式に入手することはできな
い。換言すれば、Pモードは合衆国政府によって承認さ
れた地球受信機だけが使用するようになっているのであ
る。異なる周回GPS衛星からの種々のC/A信号を地球受信
機が区別するために、地球受信機は通常、ゴールドコー
ドシーケンスを局部的に生成するための複数の異なるゴ
ールドコード源を含んでいる。局部的に導出されるゴー
ルドコードシーケンスは、各GPS衛星からの独特なゴー
ルドコードシーケンスに対応する。局部的に導出された
各ゴールドコードシーケンスと送信されたゴールドコー
ドシーケンスとは、1ミリ秒のゴールドコードシーケン
ス周期にわたって互いに相互相関される。局部的に導出
されるゴールドコードシーケンスの位相は、最大の相互
相関関数が得られるまでチップ毎に、次いでチップ内で
変化する。1,023ビットの長さを有する2つのゴールドコ
ードシーケンスの相互相関は、他の何れの組合わせのゴ
ールドコードシーケンスの相互相関関数よりも約16倍も
大きいから、局部的に導出されるゴールドコードシーケ
ンスをGPS衛星の1つが送信した同一ゴールドコードシー
ケンスにロックさせることは比較的容易である。
いされ、合衆国政府から公式に入手することはできな
い。換言すれば、Pモードは合衆国政府によって承認さ
れた地球受信機だけが使用するようになっているのであ
る。異なる周回GPS衛星からの種々のC/A信号を地球受信
機が区別するために、地球受信機は通常、ゴールドコー
ドシーケンスを局部的に生成するための複数の異なるゴ
ールドコード源を含んでいる。局部的に導出されるゴー
ルドコードシーケンスは、各GPS衛星からの独特なゴー
ルドコードシーケンスに対応する。局部的に導出された
各ゴールドコードシーケンスと送信されたゴールドコー
ドシーケンスとは、1ミリ秒のゴールドコードシーケン
ス周期にわたって互いに相互相関される。局部的に導出
されるゴールドコードシーケンスの位相は、最大の相互
相関関数が得られるまでチップ毎に、次いでチップ内で
変化する。1,023ビットの長さを有する2つのゴールドコ
ードシーケンスの相互相関は、他の何れの組合わせのゴ
ールドコードシーケンスの相互相関関数よりも約16倍も
大きいから、局部的に導出されるゴールドコードシーケ
ンスをGPS衛星の1つが送信した同一ゴールドコードシー
ケンスにロックさせることは比較的容易である。
【０００６】地球受信機の視野内の少なくとも4個のGPS
衛星からのゴールドコードシーケンスは、このようにし
て、局部的に導出された各ゴールドコードシーケンスに
順次に応答する単一の信号チャネルを使用することによ
って、または代替として、異なるゴールドコードシーケ
ンスに同時に応答する並列チャネルを使用することによ
って分離される。4つの局部的に導出されたゴールドコ
ードシーケンスを地球受信機の視野内の4個のGPS衛星か
ら受信したゴールドコードシーケンスに同相にロックさ
せると、地球受信機の相対位置を約60乃至300メートル
の精度で決定できる。上述のNAVSTAR GPSの近似推定は
(1)地球受信機が実際に応答している信号を送信中のGPS
衛星の数、(2)受信信号の可変振幅、及び(3)異なるGPS
衛星からの受信信号間の相互相関ピークの大きさによっ
て影響を受ける。
衛星からのゴールドコードシーケンスは、このようにし
て、局部的に導出された各ゴールドコードシーケンスに
順次に応答する単一の信号チャネルを使用することによ
って、または代替として、異なるゴールドコードシーケ
ンスに同時に応答する並列チャネルを使用することによ
って分離される。4つの局部的に導出されたゴールドコ
ードシーケンスを地球受信機の視野内の4個のGPS衛星か
ら受信したゴールドコードシーケンスに同相にロックさ
せると、地球受信機の相対位置を約60乃至300メートル
の精度で決定できる。上述のNAVSTAR GPSの近似推定は
(1)地球受信機が実際に応答している信号を送信中のGPS
衛星の数、(2)受信信号の可変振幅、及び(3)異なるGPS
衛星からの受信信号間の相互相関ピークの大きさによっ
て影響を受ける。
【０００７】地球受信機は同時に複数のPRN信号を受信
するから、若干のコードが対立する共通時間間隔が存在
する。換言すれば、対立する受信信号間の相互相関のた
めに受信した各PRNの到着時刻の測定をコードが劣化さ
せるのである。各PRN毎の到着時刻の測定は、受信したP
RN信号のゴールドコードシーケンスと局部的に導出した
PRN信号のゴールドコードシーケンスとの間の相互相関
のピーク振幅の時刻の決定によって行われる。局部的に
導出したPRN信号が受信したPRN信号上に重畳されると、
それによってそれらの相互相関の平均時間が増加し、平
均雑音寄与が減少する、しかし、受信したPRN信号間の
相互相関誤差が周期的であるために、平均時間の増加
は、誤差信号及び受信したPRN間の相互相関値の両者に
同様な増加をもたらす。従って、PRN信号の到着時刻に
関連する誤差が相互相関によって減少することはない。
GPSに加えて、ビークルの位置推定を求めるために航法
システムに慣性システムを使用することが従来から知ら
れている、慣性参照ユニット(IRU)は、ジャイロスコー
プまたはジャイロによって安定化された参照座標フレー
ム内の加速度計から比力測定を入手する、1RUは、例え
ばレーザ、機械式、または光ファイバを含む幾つかの型
であることができる。lRUを使用する無支援航法システ
ムでは加速度計によって測定された比力(地球の重力の
効果に対して補正されている)は航法数式内に統合さ
れ、ビークルの位置及び速度が求められる。IRUの計器
測定は、プラットフォーム装置に依存して、参照座標フ
レームではなく異なる直角座標フレーム内に指定するこ
とができる。近地球航法に最も一般的に使用されている
参照航法は局部水準フレーム(東・北・垂直)である・幾
つかのジンバル付きプラットフォーム装置が上述の参照
航法フレームと共に存在している。
するから、若干のコードが対立する共通時間間隔が存在
する。換言すれば、対立する受信信号間の相互相関のた
めに受信した各PRNの到着時刻の測定をコードが劣化さ
せるのである。各PRN毎の到着時刻の測定は、受信したP
RN信号のゴールドコードシーケンスと局部的に導出した
PRN信号のゴールドコードシーケンスとの間の相互相関
のピーク振幅の時刻の決定によって行われる。局部的に
導出したPRN信号が受信したPRN信号上に重畳されると、
それによってそれらの相互相関の平均時間が増加し、平
均雑音寄与が減少する、しかし、受信したPRN信号間の
相互相関誤差が周期的であるために、平均時間の増加
は、誤差信号及び受信したPRN間の相互相関値の両者に
同様な増加をもたらす。従って、PRN信号の到着時刻に
関連する誤差が相互相関によって減少することはない。
GPSに加えて、ビークルの位置推定を求めるために航法
システムに慣性システムを使用することが従来から知ら
れている、慣性参照ユニット(IRU)は、ジャイロスコー
プまたはジャイロによって安定化された参照座標フレー
ム内の加速度計から比力測定を入手する、1RUは、例え
ばレーザ、機械式、または光ファイバを含む幾つかの型
であることができる。lRUを使用する無支援航法システ
ムでは加速度計によって測定された比力(地球の重力の
効果に対して補正されている)は航法数式内に統合さ
れ、ビークルの位置及び速度が求められる。IRUの計器
測定は、プラットフォーム装置に依存して、参照座標フ
レームではなく異なる直角座標フレーム内に指定するこ
とができる。近地球航法に最も一般的に使用されている
参照航法は局部水準フレーム(東・北・垂直)である・幾
つかのジンバル付きプラットフォーム装置が上述の参照
航法フレームと共に存在している。
【０００８】ジンバル付き局部水準・北探索IRUでは、
ジャイロスコープ及び加速度計はプラットフォーム上に
取り付けられ、このプラットフォームにはその水準及び
北を指す方位を維持するようなトルクが与えられてい
る。このプラットフォームが参照面である、これに対し
て、ジンバル付き局部水準・方位漂動IRUではプラット
フォームは水平に保たれるが、垂直軸を中心とするトル
クは与えられない。更に、ストラップダウンIRUでは、
ジャイロスコープ及び加速度計はビークル本体に直接取
り付けられる。これらは慣性空間に対するビークルの線
形及び角度運動を測定する、この運動はビークル座標で
表される。従って、ストラップダウンIRUでは、参照航
法フレームに対する高度を先ず計算する必要がある。次
いで計算された高度を使用して加速度計測定を参照フレ
ームに変換する。ストラップダウンIRUの加速度計データ
を参照フレームに補外した後の前述の航法式の解はジン
バル付きIRU及びストラップダウンIRUの両者において同
一である。 ストラップダウンIRUでは、加速度計測定を分解するた
めに要求される高度計算は通常高速で遂行される。これ
らの計算は、コンピュータのバイトサイズ及び使用可能
な処理能力に限界があることから数値誤差を生じ易い。
これらの計算誤差はセンサループ、データ転送速度、及
びサンプリング時点におけるセンサ出力の分解能及び大
きさに依存する。 しかし、重要な便益はジンバル付きIRUを使用してでは
なく、ストラップダウンIRUを使用してもたらされる。
ストラップダウンIRUはより安価である。更にストラッ
プダウンIRUは一般的に物理寸法が小さい。従ってIRU
は、その寸法及び価格の節約を実現する潜在能力から、
ストラップダウンIRUが軍用及び商用の両応用にとって
魅力的である。 IRUを使用する航法シろテムの性能は主としてIRU内の種
々の構成センサが関与する誤差によって制限される。ジ
ャイロスコープは漂動する。加速度計は本質的にバイア
スされている。更に不適切な倍率及び不適切なIRU整列
角が誤差に関与する。典型的にはそれまでの誤差が、ビ
ークルの任務の進行につれて時間と共に累積されるビー
クルの位置、速度、及び高度の推定に不正確さをもたら
す。誤差はある程度まではユーザダイナミックスに依存
する。もしあるビークルが極めて正確な航法システムを
要求すれば、その要求を満足するために高精度ジャイロ
スコープ及び加速度計を使用することは可能である。し
かし、このような高精度機器はビークルの複雑さと価格
とを増大させる。自律ビークル航法も公知である。“自
律"とは人手によらない、または機械制御されることを
意味する、しかしながら、従来の自律システムはよく見
ても初歩的である。
ジャイロスコープ及び加速度計はプラットフォーム上に
取り付けられ、このプラットフォームにはその水準及び
北を指す方位を維持するようなトルクが与えられてい
る。このプラットフォームが参照面である、これに対し
て、ジンバル付き局部水準・方位漂動IRUではプラット
フォームは水平に保たれるが、垂直軸を中心とするトル
クは与えられない。更に、ストラップダウンIRUでは、
ジャイロスコープ及び加速度計はビークル本体に直接取
り付けられる。これらは慣性空間に対するビークルの線
形及び角度運動を測定する、この運動はビークル座標で
表される。従って、ストラップダウンIRUでは、参照航
法フレームに対する高度を先ず計算する必要がある。次
いで計算された高度を使用して加速度計測定を参照フレ
ームに変換する。ストラップダウンIRUの加速度計データ
を参照フレームに補外した後の前述の航法式の解はジン
バル付きIRU及びストラップダウンIRUの両者において同
一である。 ストラップダウンIRUでは、加速度計測定を分解するた
めに要求される高度計算は通常高速で遂行される。これ
らの計算は、コンピュータのバイトサイズ及び使用可能
な処理能力に限界があることから数値誤差を生じ易い。
これらの計算誤差はセンサループ、データ転送速度、及
びサンプリング時点におけるセンサ出力の分解能及び大
きさに依存する。 しかし、重要な便益はジンバル付きIRUを使用してでは
なく、ストラップダウンIRUを使用してもたらされる。
ストラップダウンIRUはより安価である。更にストラッ
プダウンIRUは一般的に物理寸法が小さい。従ってIRU
は、その寸法及び価格の節約を実現する潜在能力から、
ストラップダウンIRUが軍用及び商用の両応用にとって
魅力的である。 IRUを使用する航法シろテムの性能は主としてIRU内の種
々の構成センサが関与する誤差によって制限される。ジ
ャイロスコープは漂動する。加速度計は本質的にバイア
スされている。更に不適切な倍率及び不適切なIRU整列
角が誤差に関与する。典型的にはそれまでの誤差が、ビ
ークルの任務の進行につれて時間と共に累積されるビー
クルの位置、速度、及び高度の推定に不正確さをもたら
す。誤差はある程度まではユーザダイナミックスに依存
する。もしあるビークルが極めて正確な航法システムを
要求すれば、その要求を満足するために高精度ジャイロ
スコープ及び加速度計を使用することは可能である。し
かし、このような高精度機器はビークルの複雑さと価格
とを増大させる。自律ビークル航法も公知である。“自
律"とは人手によらない、または機械制御されることを
意味する、しかしながら、従来の自律システムはよく見
ても初歩的である。
【０００９】視覚検知に基づく位置特定に頼る自律シス
テムが存在している。例えば、視覚をべ一スとする位置
特定がIEEE,CH2555-1/88/0000/0912$01.00.1988に所載
のR.テリー・ダンレーの論文“自律陸上ビークルのため
の障害物回避認知処理"に記載のマーチンマリエッタ自
律陸上ビークル内に使用されている。視覚をべ一スとす
る若干の位置特定システムは、点から点へ航行するため
に例えば工場の床上の固定案内線またはマークを使用手
る。他の位置特定システムは複雑なハードウエア及びソ
フトウエアによるパターン認識を含む。“非天測位置推
測法”と呼ばれる更に他のシステムでは、既知の出発点
に対するビークルの位置を追尾することによって航行す
る。この追尾は、ビークルが走行した距離を測定し、出
発点からのビークルの方向を監視することによって遂行
される。従来の自律航法システムは種々の欠点及び制限
を受け易い。例えば、もしビークル上の航法システムが
そのビークルが何処に位置しているのかを認識し損なう
か、またはビークルが辿った足跡を見失うか、またはビ
ークルの出発点を誤計算すれば、航法システムはビーク
ルをその最終行先へ到達させるように正確に導くことが
できなくなる。更に、従来の自律航法システムでは、ビ
ークルの位置推定の誤差が時間と共に累積される傾向を
有しており、航法システムは時間を費やす初期化を屡々
行う必要がある、最後に、従来の航法システムはビーク
ルの経路に沿ってパターンまたはマーカーを配置する必
要がある。このパターンまたはマーカーの配置も時間を
費やし、高価であり、小さい制御された領域へのこれら
の航法システムの適用能力を制限する。
テムが存在している。例えば、視覚をべ一スとする位置
特定がIEEE,CH2555-1/88/0000/0912$01.00.1988に所載
のR.テリー・ダンレーの論文“自律陸上ビークルのため
の障害物回避認知処理"に記載のマーチンマリエッタ自
律陸上ビークル内に使用されている。視覚をべ一スとす
る若干の位置特定システムは、点から点へ航行するため
に例えば工場の床上の固定案内線またはマークを使用手
る。他の位置特定システムは複雑なハードウエア及びソ
フトウエアによるパターン認識を含む。“非天測位置推
測法”と呼ばれる更に他のシステムでは、既知の出発点
に対するビークルの位置を追尾することによって航行す
る。この追尾は、ビークルが走行した距離を測定し、出
発点からのビークルの方向を監視することによって遂行
される。従来の自律航法システムは種々の欠点及び制限
を受け易い。例えば、もしビークル上の航法システムが
そのビークルが何処に位置しているのかを認識し損なう
か、またはビークルが辿った足跡を見失うか、またはビ
ークルの出発点を誤計算すれば、航法システムはビーク
ルをその最終行先へ到達させるように正確に導くことが
できなくなる。更に、従来の自律航法システムでは、ビ
ークルの位置推定の誤差が時間と共に累積される傾向を
有しており、航法システムは時間を費やす初期化を屡々
行う必要がある、最後に、従来の航法システムはビーク
ルの経路に沿ってパターンまたはマーカーを配置する必
要がある。このパターンまたはマーカーの配置も時間を
費やし、高価であり、小さい制御された領域へのこれら
の航法システムの適用能力を制限する。
【００１０】発明の概要 本発明はビークル位置特定システムであり、明細書全体
を通して使用されているシステムとは、装置、方法、ま
たは装置及び方法の両者の組合せを意味している。本発
明は、従来のビークル位置決定の技術の多くの限界を打
破する。本発明は、自律ビークルのための如何なる航法
システムをも支援するために使用可能である。自律ビー
クルは静止していてもまたは移動していても差し支えな
い。更に、自律ビークルは地表にあっても、または地表
付近にあっても差し支えない。換言すれば、本発明は如
何なる地上ビークルをも極めて正確且つ高速に追尾す
る。本発明は、IRU及びGPSの従来の能力を、費用に対し
て最も効率的に組合せて大幅に向上させ、地上ビークル
の極めて正確な位置推定を提供することを意図してい
る。そのようにするに当たって本発明は、優れた位置特
定能力を、従って柔軟な自律航法能力を考慮に入れた装
置及び方法を含む多くの新しく且つ創意に富むシステム
を使用する。
を通して使用されているシステムとは、装置、方法、ま
たは装置及び方法の両者の組合せを意味している。本発
明は、従来のビークル位置決定の技術の多くの限界を打
破する。本発明は、自律ビークルのための如何なる航法
システムをも支援するために使用可能である。自律ビー
クルは静止していてもまたは移動していても差し支えな
い。更に、自律ビークルは地表にあっても、または地表
付近にあっても差し支えない。換言すれば、本発明は如
何なる地上ビークルをも極めて正確且つ高速に追尾す
る。本発明は、IRU及びGPSの従来の能力を、費用に対し
て最も効率的に組合せて大幅に向上させ、地上ビークル
の極めて正確な位置推定を提供することを意図してい
る。そのようにするに当たって本発明は、優れた位置特
定能力を、従って柔軟な自律航法能力を考慮に入れた装
置及び方法を含む多くの新しく且つ創意に富むシステム
を使用する。
【００１１】本発明は更に、地表の、または地表付近の
ビークルの位置推定を決定するために3つの独立したサ
ブシステムの新しく且つ創意に富む組合せをも含む。1
つのサブシステムは、例えばNAVSTAR GPSのようにGPSを
使用する第1位置特定システムである。この第1位置特定
システムはビークルの第1位置推定を計算する。別のサ
ブシステムは、IRU及びビークルの走行距離計を使用す
る第2位置特定システムである。この第2位置特定システ
ムは第2位置推定を言十算する。最後のサブシステム
は、上記2つのサブシステムからの第1及び第2位置推定
に基づいてより正確なビークルの第3位置推定を計算す
る処理システムである。本発明は星座効果方法を含む。
星座効果方法は、ビークルの視野内のGPSの大きい群か
ら最適衛星星座を選択し、GPSから導出する第1位置推定
の精度を向上させる。本発明は、GPS及びIRUの両者また
は何れか一方から得た位置特定用データ内の雑音及び誤
差を補償する差動修正技術/方法を提供することによっ
て、ビークル位置推定の精度を高める。好ましい実施例
では、参照点として働くへ一スステーションが差動修正
技術/方法を遂行することができ、また得られたデータ
をビークルヘ中継することができる、ビークルはべ一ス
ステーションから受信したデータを使用してビークルの
位置推定の精度を高めることができる。本発明は、GPS
衛星から受信したGPSデータの精度を高めるために、放
物線バイアス技術を含む。放物線バイアスは各GPS衛星
毎に導出され、そのGPS衛星のための実際の擬似距離を
向上させる。放物線バイアス技術では、放物線モデルが
実際の擬似距離に関して作成され、この放物線モデルか
ら放物線バイアスが補外される。本発明は、GPS衛星か
ら受信したGPSデータの精度を高めるために、べ一ス残
留バイアス技術を含む。べ一ス残留バイアスは、ビーク
ル上のVPSからの第1位置推定を変更するために導出され
る。べ一ス残留バイアスは、べ一スステーションの既知
の位置とその推定された位置との実効的な差である空間
的なバイアスである。
ビークルの位置推定を決定するために3つの独立したサ
ブシステムの新しく且つ創意に富む組合せをも含む。1
つのサブシステムは、例えばNAVSTAR GPSのようにGPSを
使用する第1位置特定システムである。この第1位置特定
システムはビークルの第1位置推定を計算する。別のサ
ブシステムは、IRU及びビークルの走行距離計を使用す
る第2位置特定システムである。この第2位置特定システ
ムは第2位置推定を言十算する。最後のサブシステム
は、上記2つのサブシステムからの第1及び第2位置推定
に基づいてより正確なビークルの第3位置推定を計算す
る処理システムである。本発明は星座効果方法を含む。
星座効果方法は、ビークルの視野内のGPSの大きい群か
ら最適衛星星座を選択し、GPSから導出する第1位置推定
の精度を向上させる。本発明は、GPS及びIRUの両者また
は何れか一方から得た位置特定用データ内の雑音及び誤
差を補償する差動修正技術/方法を提供することによっ
て、ビークル位置推定の精度を高める。好ましい実施例
では、参照点として働くへ一スステーションが差動修正
技術/方法を遂行することができ、また得られたデータ
をビークルヘ中継することができる、ビークルはべ一ス
ステーションから受信したデータを使用してビークルの
位置推定の精度を高めることができる。本発明は、GPS
衛星から受信したGPSデータの精度を高めるために、放
物線バイアス技術を含む。放物線バイアスは各GPS衛星
毎に導出され、そのGPS衛星のための実際の擬似距離を
向上させる。放物線バイアス技術では、放物線モデルが
実際の擬似距離に関して作成され、この放物線モデルか
ら放物線バイアスが補外される。本発明は、GPS衛星か
ら受信したGPSデータの精度を高めるために、べ一ス残
留バイアス技術を含む。べ一ス残留バイアスは、ビーク
ル上のVPSからの第1位置推定を変更するために導出され
る。べ一ス残留バイアスは、べ一スステーションの既知
の位置とその推定された位置との実効的な差である空間
的なバイアスである。
【００１２】本発明は、新しい衛星位置予測方法を含
む。この方法によって、本発明はGPS衛星の将来位置を
予測することができる。その結果、位置特定システムの
精度及び性能が更に高められる。本発明は、GPSから最
終的に導出される第1位置推定の精度を向上させるため
に重み付き経路履歴技術を含む。重み付き経路履歴技術
は、先行第1位置推定を使用してビークル経路モデルを
導出し、このモデルによって将来の第1位置推定の有効
性を試験する。重み付き経路履歴技術を使用することに
よって第1位置推定の漂動が減少し、偽の位置計算を行
わない特性が向上する。本発明は更に、GPSの任意のGPS
衛星から受信したデータの反選択可用性をも提供する。
反選択可用性技術は任意のGPSから受信した偽の位置特
定用データを検出し、修正する。(1)U.S．及びU.S.S.
R．のそれぞれの政府によって故意に改悪されたり、ま
たは(2)技術的な誤動作のために、NAVSTAR GPSまたはGL
ON ASS GPSから偽のデータを受信することがあり得る。
当業者ならば添付図面を参照しての以下の詳細な説明か
ら、本発明のさらなる特色及び長所が明白になるであろ
う、説明には何等かの付加的な特色及び長所も含まれて
いよう。
む。この方法によって、本発明はGPS衛星の将来位置を
予測することができる。その結果、位置特定システムの
精度及び性能が更に高められる。本発明は、GPSから最
終的に導出される第1位置推定の精度を向上させるため
に重み付き経路履歴技術を含む。重み付き経路履歴技術
は、先行第1位置推定を使用してビークル経路モデルを
導出し、このモデルによって将来の第1位置推定の有効
性を試験する。重み付き経路履歴技術を使用することに
よって第1位置推定の漂動が減少し、偽の位置計算を行
わない特性が向上する。本発明は更に、GPSの任意のGPS
衛星から受信したデータの反選択可用性をも提供する。
反選択可用性技術は任意のGPSから受信した偽の位置特
定用データを検出し、修正する。(1)U.S．及びU.S.S.
R．のそれぞれの政府によって故意に改悪されたり、ま
たは(2)技術的な誤動作のために、NAVSTAR GPSまたはGL
ON ASS GPSから偽のデータを受信することがあり得る。
当業者ならば添付図面を参照しての以下の詳細な説明か
ら、本発明のさらなる特色及び長所が明白になるであろ
う、説明には何等かの付加的な特色及び長所も含まれて
いよう。
【００１３】請求の範囲に限定されている本発明は本文
及び以下の図面を参照すると理解し易いであろう。図1
は本発明の好ましい実施例の高水準ブロック線図100を
示し、図1Aは6つの軌道面174-184内に配分された21個の
機能GPS衛星130-170と、3個の予備GPS衛星(図示してな
い)とからなるNABSTAR GPS内の機能GPS衛星の高水準ブ
ロック線図100Aであり、図2はNABSTAR GPSの4個のGPS衛
星に関する4つの連立航法方程式を示す図であって、こ
れらの方程式はGPS衛星200-206とビークル102との間の
時計バイアスCbを含み、図3は本発明を実現し、実施で
きる典型的な自律作業現場の高水準ブロック線図300で
あり、図4は本発明のナビゲータ406、ビークルVPSアー
キテクチャ1000、及びビークル制御装置408の間の相互
関係の高水準ブロック線図400であり、図5は本発明によ
る自律制御システム内の種々の要素の脈絡と、それらの
相互関係とを示す高水準ブロック線図500であり、図6は
ビークル102の位置を正確に決定するために、GPS衛星星
座200、202、204及び206を含み、また擬似衛星105及び
べ一スステーション188と共に使用される多分NABSTAR G
PSであるGPSの動作の高水準ブロック線図600であり、図
7は好ましい実施例のGPS処理システムの電気的アーキテ
クチャ/ハードウエア700を示す低水準ブロック線図であ
り、図8は好ましい実施例の図7に示すようなGPS処理シ
ステム700におけるソフトウエアの機能を示す低水準流
れ図800であり、図9は好ましい実施例では走行距離計90
2及び慣性参照ユニット(IRU)904を含むMPSのアーキテク
チャ/ハードウエア900を示す中間水準ブロック線図であ
り、図10は好ましい実施例におけるVPSのVPSアーキテク
チャ/ハードウエア1000を示す中間水準ブロック線図で
あり、図11は図10のVPSアーキテクチャ1000の低水準ブ
ロック線図1100であり、図12は図10のVPS主(I/O)プロセ
ッサ1O02の中間水準ブロック線図1200であって、VPSカ
ルマンフィルタ1202及び重み付きコンバイナ1200を示
し、図12Aは好ましい実施例のスーパーカルマンフィル
タ1200Aの高水準ブロック線図であり、図13は本発明の
好ましい実施例において第1位置推定の精度を改善する
ための星座効果方法の流れ図1300であり、図14は4つのG
PS衛星(図示してない)のGPS衛星星座に関する一組の計
算された推定擬似距離1404、1406、1408、及び1410を示
す座標系1402上の極プロット1400であって、陰影領域14
12は擬似距離1406及び1408を生じさせたGPS衛星を顧慮
した時のビークルの考え得る位置推定を示し、図15は好
ましい実施例の原形バイアス技術の流れ図1500であり、
図16は好ましい実施例の放物線バイアス技術の流れ図16
00であり、図17は好ましい実施例のべ一ス残留バイアス
技術の流れ図1700であり、図17Aは、好ましい実施例の
べ一ス相関器バイアス技術の流れ図1700Aであり、図18
は将来衛星位置の予測のための好ましい実施例における
方法の流れ図1800であり、図19は本発明の重み付き経路
履歴技術の流れ図1900であり、図20はビークル102の第1
位置推定の高水準図形表示2000であって図19に示す重み
付き経路履歴方法は第1位置推定2010がビークル経路と
全く一致しないためにそれを排除するであろうことを示
し、図20Aは図19及び図20に示す重み付き経路履歴技術
を実現するための方法の高水準流れ図2000Aであり、図2
1は本発明の反選択可用性技術の流れ図であり、図22は
本発明によるノード及びセグメントを使用するビークル
ルート限定の図2200であり、図23はポスチュア及び関係
付けられた円が如何にして目標点から求められるかを図
式的に示す図2300であり、図24は最初のクロソイドセグ
メントの符号を如何にして決定するかを示す図2400であ
り、図25は最後のクロソイドセグメントの符号を如何に
して決定するかを示す図2500であり、図26はクロソイド
曲線を図式的に示す図2600であり、図27は近似フレネル
積分を計算するための数値的方法の流れ図2700であり、
図28は経路の再計画を示す図2800であり、図29は二次、
三次、及び四次のBスプライン曲線の図2900であり、図3
0は本発明のポスチュア・リングバッファの実施例を示
す図3000であり、図31は本発明の好ましい実施例の経路
追尾制御アーキテクチャ/ハードウエアの高水準ブロッ
ク線図3100であり、図32は舵取り計画サイクルにおける
関連ポスチュアを示す図3200であり、図33は曲率を含む
誤差ベクトルを如何に計算するかを示す図3400であり、
図34は曲率を含む誤差ベクトルを、包含されたビークル
経路を用いて如何に計算するかを示す図3400であり、図
35は本発明のナビゲータ406の脈絡図3500であり、図36
は本発明の経路追尾構造の脈絡図3600であり、図37A-37
Dはそれぞれナビゲータ406のデータ流概要3700A-3700D
であり、図38Aはビークル搭載スキャナ404の図3800Bで
あり、図38Bは障害物4002に対する自律ビークル走査102
を示す図3800Bであり、図39は本発明のレーザ走査シス
テムにおける選択された走査線3904及び3906の図3900で
あり、図40は障害物4002を回避する自律ビークル102を
示す図4000であり、図41は本発明の好ましい実施例によ
る障害物処理の図4100であり、図42は本発明の好ましい
実施例における障害物検出に使用されるレーザスキャナ
システムの中間水準ブロック線図4200であり、図43は本
発明の自律採鉱用ビークルのための制御システムの中間
水準ブロック線図4300であり、図44は図43の制御システ
ムの動作モード間の遷移を示す状態図4400であり、図45
は好ましい実施例の遠視線遠隔制御システムの高水準ブ
ロック線図4500であり、図46は好ましい実施例の速度制
御4304の高水準ブロック線図4600であり、図47は好まし
い実施例の速度制御4304のサービスブレーキ制御回路の
高水準ブロック線図4700であり、図48は好ましい実施例
の速度制御4304のガバナ制御回路の高水準ブロック線図
4800であり、図49は本発明の好ましい実施例の舵取り制
御システムの舵取り制御回路4306の高水準ブロック線図
4900であり、図50は本発明の速度制御430の駐車ブレー
キ制御回路の高水準ブロック線図5000であり、図51は本
発明の航法システムを開発するために使用される三輪車
舵取りモデルの高水準ブロック線図5100であり、図52は
本発明の遮断回路の実施例を示す中間水準ブロック線図
5200であり、図53はナビゲータ406のタスクを示す低水
準通信図5300であり、図54はナビゲータ406のナビゲー
タ共有メモリの実施例を示す中間水準通信図5400であ
り、図55は実行判断に関する高水準監視流れ図5500を示
し、図56は図56A-56Dの実行流れ図5600A-5600Dの関係/
接続の中間水準流れ図5600であり、図56A-56Dはそれぞ
れ、高水準流れ図5500の低水準実行流れ図5600A-5600D
であり、図57A-57Rはそれぞれ、各々が監視流れ図5600A
-5600Dにおける“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5
700A-5700Rであり、図58は図58A-58Cの相互関係の高水
準流れ図5800であり、そして、図58A-58Cはそれぞれ、
各実行流れ図5700A-5700Qにおける”状態に基づく動作"
を示す低水準流れ図5800A-5800Cである。
及び以下の図面を参照すると理解し易いであろう。図1
は本発明の好ましい実施例の高水準ブロック線図100を
示し、図1Aは6つの軌道面174-184内に配分された21個の
機能GPS衛星130-170と、3個の予備GPS衛星(図示してな
い)とからなるNABSTAR GPS内の機能GPS衛星の高水準ブ
ロック線図100Aであり、図2はNABSTAR GPSの4個のGPS衛
星に関する4つの連立航法方程式を示す図であって、こ
れらの方程式はGPS衛星200-206とビークル102との間の
時計バイアスCbを含み、図3は本発明を実現し、実施で
きる典型的な自律作業現場の高水準ブロック線図300で
あり、図4は本発明のナビゲータ406、ビークルVPSアー
キテクチャ1000、及びビークル制御装置408の間の相互
関係の高水準ブロック線図400であり、図5は本発明によ
る自律制御システム内の種々の要素の脈絡と、それらの
相互関係とを示す高水準ブロック線図500であり、図6は
ビークル102の位置を正確に決定するために、GPS衛星星
座200、202、204及び206を含み、また擬似衛星105及び
べ一スステーション188と共に使用される多分NABSTAR G
PSであるGPSの動作の高水準ブロック線図600であり、図
7は好ましい実施例のGPS処理システムの電気的アーキテ
クチャ/ハードウエア700を示す低水準ブロック線図であ
り、図8は好ましい実施例の図7に示すようなGPS処理シ
ステム700におけるソフトウエアの機能を示す低水準流
れ図800であり、図9は好ましい実施例では走行距離計90
2及び慣性参照ユニット(IRU)904を含むMPSのアーキテク
チャ/ハードウエア900を示す中間水準ブロック線図であ
り、図10は好ましい実施例におけるVPSのVPSアーキテク
チャ/ハードウエア1000を示す中間水準ブロック線図で
あり、図11は図10のVPSアーキテクチャ1000の低水準ブ
ロック線図1100であり、図12は図10のVPS主(I/O)プロセ
ッサ1O02の中間水準ブロック線図1200であって、VPSカ
ルマンフィルタ1202及び重み付きコンバイナ1200を示
し、図12Aは好ましい実施例のスーパーカルマンフィル
タ1200Aの高水準ブロック線図であり、図13は本発明の
好ましい実施例において第1位置推定の精度を改善する
ための星座効果方法の流れ図1300であり、図14は4つのG
PS衛星(図示してない)のGPS衛星星座に関する一組の計
算された推定擬似距離1404、1406、1408、及び1410を示
す座標系1402上の極プロット1400であって、陰影領域14
12は擬似距離1406及び1408を生じさせたGPS衛星を顧慮
した時のビークルの考え得る位置推定を示し、図15は好
ましい実施例の原形バイアス技術の流れ図1500であり、
図16は好ましい実施例の放物線バイアス技術の流れ図16
00であり、図17は好ましい実施例のべ一ス残留バイアス
技術の流れ図1700であり、図17Aは、好ましい実施例の
べ一ス相関器バイアス技術の流れ図1700Aであり、図18
は将来衛星位置の予測のための好ましい実施例における
方法の流れ図1800であり、図19は本発明の重み付き経路
履歴技術の流れ図1900であり、図20はビークル102の第1
位置推定の高水準図形表示2000であって図19に示す重み
付き経路履歴方法は第1位置推定2010がビークル経路と
全く一致しないためにそれを排除するであろうことを示
し、図20Aは図19及び図20に示す重み付き経路履歴技術
を実現するための方法の高水準流れ図2000Aであり、図2
1は本発明の反選択可用性技術の流れ図であり、図22は
本発明によるノード及びセグメントを使用するビークル
ルート限定の図2200であり、図23はポスチュア及び関係
付けられた円が如何にして目標点から求められるかを図
式的に示す図2300であり、図24は最初のクロソイドセグ
メントの符号を如何にして決定するかを示す図2400であ
り、図25は最後のクロソイドセグメントの符号を如何に
して決定するかを示す図2500であり、図26はクロソイド
曲線を図式的に示す図2600であり、図27は近似フレネル
積分を計算するための数値的方法の流れ図2700であり、
図28は経路の再計画を示す図2800であり、図29は二次、
三次、及び四次のBスプライン曲線の図2900であり、図3
0は本発明のポスチュア・リングバッファの実施例を示
す図3000であり、図31は本発明の好ましい実施例の経路
追尾制御アーキテクチャ/ハードウエアの高水準ブロッ
ク線図3100であり、図32は舵取り計画サイクルにおける
関連ポスチュアを示す図3200であり、図33は曲率を含む
誤差ベクトルを如何に計算するかを示す図3400であり、
図34は曲率を含む誤差ベクトルを、包含されたビークル
経路を用いて如何に計算するかを示す図3400であり、図
35は本発明のナビゲータ406の脈絡図3500であり、図36
は本発明の経路追尾構造の脈絡図3600であり、図37A-37
Dはそれぞれナビゲータ406のデータ流概要3700A-3700D
であり、図38Aはビークル搭載スキャナ404の図3800Bで
あり、図38Bは障害物4002に対する自律ビークル走査102
を示す図3800Bであり、図39は本発明のレーザ走査シス
テムにおける選択された走査線3904及び3906の図3900で
あり、図40は障害物4002を回避する自律ビークル102を
示す図4000であり、図41は本発明の好ましい実施例によ
る障害物処理の図4100であり、図42は本発明の好ましい
実施例における障害物検出に使用されるレーザスキャナ
システムの中間水準ブロック線図4200であり、図43は本
発明の自律採鉱用ビークルのための制御システムの中間
水準ブロック線図4300であり、図44は図43の制御システ
ムの動作モード間の遷移を示す状態図4400であり、図45
は好ましい実施例の遠視線遠隔制御システムの高水準ブ
ロック線図4500であり、図46は好ましい実施例の速度制
御4304の高水準ブロック線図4600であり、図47は好まし
い実施例の速度制御4304のサービスブレーキ制御回路の
高水準ブロック線図4700であり、図48は好ましい実施例
の速度制御4304のガバナ制御回路の高水準ブロック線図
4800であり、図49は本発明の好ましい実施例の舵取り制
御システムの舵取り制御回路4306の高水準ブロック線図
4900であり、図50は本発明の速度制御430の駐車ブレー
キ制御回路の高水準ブロック線図5000であり、図51は本
発明の航法システムを開発するために使用される三輪車
舵取りモデルの高水準ブロック線図5100であり、図52は
本発明の遮断回路の実施例を示す中間水準ブロック線図
5200であり、図53はナビゲータ406のタスクを示す低水
準通信図5300であり、図54はナビゲータ406のナビゲー
タ共有メモリの実施例を示す中間水準通信図5400であ
り、図55は実行判断に関する高水準監視流れ図5500を示
し、図56は図56A-56Dの実行流れ図5600A-5600Dの関係/
接続の中間水準流れ図5600であり、図56A-56Dはそれぞ
れ、高水準流れ図5500の低水準実行流れ図5600A-5600D
であり、図57A-57Rはそれぞれ、各々が監視流れ図5600A
-5600Dにおける“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5
700A-5700Rであり、図58は図58A-58Cの相互関係の高水
準流れ図5800であり、そして、図58A-58Cはそれぞれ、
各実行流れ図5700A-5700Qにおける”状態に基づく動作"
を示す低水準流れ図5800A-5800Cである。
【００１４】好ましい実施例の詳細な説明 目次 Ｉ．定義 II．一般的な概要 A．ビークル位置特定システム(VPS) B．航法システム C．べ一スステーション III．ビークル位置特定システム A．概要 B. GPS処理システム 1.NAVSTAR GPS 2．動作 C．移動体位置特定システム(MPS) D. VPSアーキテクチャ E．べ一スステーション F．衛星をべ一スとする精度改善 1．星座効果 2．差動修正技術 a．原形バイアス技術 b．放物線バイアス技術 C．べ一ス残留バイアス技術 d．べ一ス相関器バイアス技術 G．衛星位置予測装置 H．重み付き経路履歴 I．反選択可用性 J．探査 K．図形表現 IV．航法システム A．概要 B．ルート計画/経路生成 1．序 a．クロソイド経路セグメント b．ビークル経路モデル化 C．クロソイド曲線 d．ポスチュア連続経路の生成 (1)従来の方法 (2)点のシーケンスからの経路生成 (3)経路のクロソイド再計画 (4)概要 (5)Bスプライン 2．ルート作成及び記憶 a．序 b．ルート限定 C．ナビゲータルート用法 C．経路追尾 1．序 2．検討 a．グローバル位置フィードバック b．分離舵取り及び駆動制御 3．実施例 a．追尾制御構造 b.5次法 C．待ち時間及び低速システム d．ビークル・大地相互作用(VGI) e．検知及び作動タイミング f．予見 g．最適制御法 h．結論 D．障害物処理 1．序 2．障害物の検出 a．隙間検査 b．濾波及び線検出 C．障害物抽出 (1)道路の発見 (2)道路高さのモデル化 (3)しきい値設定 (4)ブロツブ抽出 (5)応用 3．障害物の回避 4．経路への復帰 5．スキャナシステム a．序 b．レーザスキャナ C．スキャナシステムインタフェース d．スキャナシステムバッファ回路 E．ビークル制御システム 1．序 2．ビークル管理者(モード) a．作動可能モード b．テレモード C．手動モード d．自律モード 3．速度制御 4．舵取り制御 a．舵取りモデル b．経路表現 C．ポスチュア定義 d．位置情報 e. VPS規定義 f．舵取り法 5．モニタ/補助 6．安全システム a．序 b．遮断制御 7．バスアーキテクチャ F．機能記述/方法 1．ナビゲータ a．主 b．モニタVEHステータス C．スキャナ d．コンソール及びコンソールパーザ e．指令入手 f．ホストヘのメッセージ ｇ.VPS位置 h.VPSポスチュア i．トラッカ j．ナビゲータ共用(グローバル)メモリ k．流れ図
【００１５】I．定義 以下のアルファベット順の定義リストは、本発明を理解
し易くするためのものである。 (1)“絶対位置"(Absolute position)本明細書において
は、地球の中心に対する位置のことである、一般的に絶
対位置は、何れも地表または地表付近にあるビークルま
たはべ一スステーションに関連していよう。本発明の好
ましい実施例においては、第1、第2、及び第3位置推定
は全て絶対位置である。 (2)“実際の擬似距離"(Actual pseudorange)とは、(1)
参照点と(2)地上位置決定システムの源との間の距離の
近似を意味する。本明細書では実際の擬似距離とは、通
常、(1)地球受信機と(2)GPS衛星及び擬似衛星の両方ま
たは何れか一方との間の距離のことを言う。実際の擬似
距離は、GPS衛星及び擬似衛星の両方または何れか一方
から発せられる電磁信号の送信と受信との間の伝播時間
遅延を最初に測定することによって近似される。実際の
擬似距離は、計算された時間遅延に光速、即ち2.997924
5898*108m/sを乗ずることによって容易に計算できる。 (3)“反選択可用性"(Anti-selective availability)と
は、変調の粗/収集(C/A)モードにおける改悪されたGPS
データを検出し、補償するための方法/技術/処理過程の
ことである。 (4)“自律"(Autonomous)は、本明細書においては、その
普通の意味で使用される。これは、完全に自動的である
か、または実質的に自動的であるか、または動作に殆ど
人間が関与しないかの何れかであるような動作を言う。
一般に自律ビークルとは、運転に人手を要さないビーク
ルか、または操縦士もしくは副操縦士を必要とせずに動
作するビークルを意味する。しかしながら、自律ビーク
ルは自動的に駆動または他の方法で作動せしめられても
よく、1人または複数の乗客を乗せていてもよい。 (5)“べ一ス相関器バイアス"(Base correlator bias)は
図17Aの流れ図1700Aに従って導出される空間バイアスを
意味する。 (6)“べ一ス相関器バイアス技術"(Base correlator bia
s technique)は、べ一ス相関器バイアスを計算するため
の方法/処理過程を意味する。 (7)“べ一ス推定位置"(Base estimated position)また
は“BEP"は、ビークルに対するべ一スステーションの相
対位置のことである。BEPは、本明細書の11.F.2.d.rべ
一ス相関器バイアス技術」において使用される。 (8)“べ一ス既知位置"(Base known position)または“B
KP"は、既知のべ一スステーション(参照点として使用さ
れる)の絶対位置である。BKPは何等かの正確な位置特定
システムから導出されたそれ自身の推定であることがで
きる。BKPは、何等かの他の位置推定よりも正確なべ一
スステーションの絶対位置であると見傲される。 (9)“べ一ス位置推定"(Base position estimate)は、ホ
スト処理システム内のGPS処理システムから導出された
べ一スステーションの絶対位置推定を意味する。べ一ス
位置推定はビークル上のGPS処理システムによって導出
された第1位置推定と実質的に同一である。べ一ス位置
推定は、本明細書のII.F.2.c.「べ一ス残留バイアス技
術」において計算される。
し易くするためのものである。 (1)“絶対位置"(Absolute position)本明細書において
は、地球の中心に対する位置のことである、一般的に絶
対位置は、何れも地表または地表付近にあるビークルま
たはべ一スステーションに関連していよう。本発明の好
ましい実施例においては、第1、第2、及び第3位置推定
は全て絶対位置である。 (2)“実際の擬似距離"(Actual pseudorange)とは、(1)
参照点と(2)地上位置決定システムの源との間の距離の
近似を意味する。本明細書では実際の擬似距離とは、通
常、(1)地球受信機と(2)GPS衛星及び擬似衛星の両方ま
たは何れか一方との間の距離のことを言う。実際の擬似
距離は、GPS衛星及び擬似衛星の両方または何れか一方
から発せられる電磁信号の送信と受信との間の伝播時間
遅延を最初に測定することによって近似される。実際の
擬似距離は、計算された時間遅延に光速、即ち2.997924
5898*108m/sを乗ずることによって容易に計算できる。 (3)“反選択可用性"(Anti-selective availability)と
は、変調の粗/収集(C/A)モードにおける改悪されたGPS
データを検出し、補償するための方法/技術/処理過程の
ことである。 (4)“自律"(Autonomous)は、本明細書においては、その
普通の意味で使用される。これは、完全に自動的である
か、または実質的に自動的であるか、または動作に殆ど
人間が関与しないかの何れかであるような動作を言う。
一般に自律ビークルとは、運転に人手を要さないビーク
ルか、または操縦士もしくは副操縦士を必要とせずに動
作するビークルを意味する。しかしながら、自律ビーク
ルは自動的に駆動または他の方法で作動せしめられても
よく、1人または複数の乗客を乗せていてもよい。 (5)“べ一ス相関器バイアス"(Base correlator bias)は
図17Aの流れ図1700Aに従って導出される空間バイアスを
意味する。 (6)“べ一ス相関器バイアス技術"(Base correlator bia
s technique)は、べ一ス相関器バイアスを計算するため
の方法/処理過程を意味する。 (7)“べ一ス推定位置"(Base estimated position)また
は“BEP"は、ビークルに対するべ一スステーションの相
対位置のことである。BEPは、本明細書の11.F.2.d.rべ
一ス相関器バイアス技術」において使用される。 (8)“べ一ス既知位置"(Base known position)または“B
KP"は、既知のべ一スステーション(参照点として使用さ
れる)の絶対位置である。BKPは何等かの正確な位置特定
システムから導出されたそれ自身の推定であることがで
きる。BKPは、何等かの他の位置推定よりも正確なべ一
スステーションの絶対位置であると見傲される。 (9)“べ一ス位置推定"(Base position estimate)は、ホ
スト処理システム内のGPS処理システムから導出された
べ一スステーションの絶対位置推定を意味する。べ一ス
位置推定はビークル上のGPS処理システムによって導出
された第1位置推定と実質的に同一である。べ一ス位置
推定は、本明細書のII.F.2.c.「べ一ス残留バイアス技
術」において計算される。
【００１６】(1O)“べ一ス残留バイアス"(Base residua
1s bias)は、べ一スステーションのべ一ス既知位置(BK
P)とホスト処理システムによって計算されるべ一スステ
ーションの位置推定との実効差である空間バイアスを意
味する。 (11)“べ一ス残留バイアス技術"(Base residuals bias
technique)はべ一ス残留バイアスを導出する方法を言
う。 (12)“バイアス"(Bias)とは、2つの測定の差、通常は位
置推定の差(空間バイアス)、またはクロックレートの差
(時計バイアス)のことである。通常、一方の測定の方が
別の測定より正確であることが知られているから、バイ
アスは“誤差"と呼ばれることが多い。 (13)“時計バイアス"(C1ock bias)とは、(1)GPS衛星及
び擬似衛星の両者または何れか一方の送信回路と(2)地
球受信機の受信回路との間の時計時刻の差を意味する。
空間バイアスの計算において時計バイアスを使用する場
合、時計バイアスには光速、即ち2.998*108m/sが乗ぜら
れる。従って、時計バイアスは長さの単位に変換される
のである。 (14)“星座"(Constellation)は、地表の、または地表付
近の点の絶対位置推定を導出するために使用される信号
を発するGPS衛星及び擬似衛星の両者または何れか一方
からなる群のことである。後述する“最適星座"を参照
されたい。 (15)“星座効果法”(Constellation effect method)
は、ビークルの視野内のGPS衛星の大きい群からCPS衛星
の最適星座を選択する技術または処理過程を意味する。 (16)“データ無線"(Data radio)は、無線周波数(RF)に
おいて通信するための送信機、受信機、送受信機、また
はそれらの任意組合せを言う。 (17)“地球受信機"(Earth receiver)は、GPS衛星及び擬
似衛星の両者または何れか一方から信号を受信し、処理
する何等かの装置またはデバイス、またほそれらの何等
かの部分のことである。地球受信機は地表に、または地
表付近に位置決めすることができる。更に地球受信機
は、例えばビークルまたはべ一スステーションの形状を
とることができる。 (18)“推定擬似距離"(Estimated pseudorange)とは、
(1)参照点と(2)地上位置決定システムの源との間の距離
の近似のことである。本明細書では実際の擬似距離と
は、通常(1)地球受信機と(2)GPS衛星及び擬似衛星の両
者または何れか一方との間の距離の近似のことである。
推定擬似距離は、GPS衛星及び擬似衛星の両者または何
れか一方から送信される電磁信号上に符号化されている
GPSデータから計算される。NAVSTAR GPSのGPSデータか
ら推定擬似距離を計算するための公式を載せた暦を公的
に入手することができる。 (19)“第1位置推定"(First position estimate)または
“FPE"または“FPE(i)"は、どのような形状であって
も、GPSから出力される何れかのビークルの推定絶対位
置のことである。本発明では、第1位置推定及び第2位置
推定は独立的に導出される。爾後にこれらの推定は組合
わされ、濾波されて第3の位置推定が導出される。従っ
て、第1位置推定の精度は第3位置推定の精度に影響す
る。
1s bias)は、べ一スステーションのべ一ス既知位置(BK
P)とホスト処理システムによって計算されるべ一スステ
ーションの位置推定との実効差である空間バイアスを意
味する。 (11)“べ一ス残留バイアス技術"(Base residuals bias
technique)はべ一ス残留バイアスを導出する方法を言
う。 (12)“バイアス"(Bias)とは、2つの測定の差、通常は位
置推定の差(空間バイアス)、またはクロックレートの差
(時計バイアス)のことである。通常、一方の測定の方が
別の測定より正確であることが知られているから、バイ
アスは“誤差"と呼ばれることが多い。 (13)“時計バイアス"(C1ock bias)とは、(1)GPS衛星及
び擬似衛星の両者または何れか一方の送信回路と(2)地
球受信機の受信回路との間の時計時刻の差を意味する。
空間バイアスの計算において時計バイアスを使用する場
合、時計バイアスには光速、即ち2.998*108m/sが乗ぜら
れる。従って、時計バイアスは長さの単位に変換される
のである。 (14)“星座"(Constellation)は、地表の、または地表付
近の点の絶対位置推定を導出するために使用される信号
を発するGPS衛星及び擬似衛星の両者または何れか一方
からなる群のことである。後述する“最適星座"を参照
されたい。 (15)“星座効果法”(Constellation effect method)
は、ビークルの視野内のGPS衛星の大きい群からCPS衛星
の最適星座を選択する技術または処理過程を意味する。 (16)“データ無線"(Data radio)は、無線周波数(RF)に
おいて通信するための送信機、受信機、送受信機、また
はそれらの任意組合せを言う。 (17)“地球受信機"(Earth receiver)は、GPS衛星及び擬
似衛星の両者または何れか一方から信号を受信し、処理
する何等かの装置またはデバイス、またほそれらの何等
かの部分のことである。地球受信機は地表に、または地
表付近に位置決めすることができる。更に地球受信機
は、例えばビークルまたはべ一スステーションの形状を
とることができる。 (18)“推定擬似距離"(Estimated pseudorange)とは、
(1)参照点と(2)地上位置決定システムの源との間の距離
の近似のことである。本明細書では実際の擬似距離と
は、通常(1)地球受信機と(2)GPS衛星及び擬似衛星の両
者または何れか一方との間の距離の近似のことである。
推定擬似距離は、GPS衛星及び擬似衛星の両者または何
れか一方から送信される電磁信号上に符号化されている
GPSデータから計算される。NAVSTAR GPSのGPSデータか
ら推定擬似距離を計算するための公式を載せた暦を公的
に入手することができる。 (19)“第1位置推定"(First position estimate)または
“FPE"または“FPE(i)"は、どのような形状であって
も、GPSから出力される何れかのビークルの推定絶対位
置のことである。本発明では、第1位置推定及び第2位置
推定は独立的に導出される。爾後にこれらの推定は組合
わされ、濾波されて第3の位置推定が導出される。従っ
て、第1位置推定の精度は第3位置推定の精度に影響す
る。
【００１７】(20)“GLONASS GPS"は、U.S.S.R。によっ
て設計され、現在開発中のGPSである。 (21)グローバル位置特定システム"(Global Positioning
system)または"GPS"は、1つの型の地上位置決定システ
ムである。GPSでは、複数の衛星が惑星地球を回る軌道
内に配置される。GPS衛星は電磁信号を送信するように
設計されている。これらの電磁信号から、地表上の、ま
たは地表付近の如何なる受信機もこの絶対地上位置(地
球の中心に対する位置)を最終的に決定することができ
る。U.S.政府は、そのGPSを“NAVSTAR"と命名した。U.
S.S.R.政府は、そのGPSを“GLONASS"と命名している。 (22)“GPSデータ"(CPS data)とは、GPSのGPS衛星から送
信される信号上に符号化されている全てのデータのこと
である。GPSデータは、例えば天体暦データ及び時刻デ
ータを含む。 (23)"GPS処理システム"(CPS processing system)は、地
上位置決定システムから信号を受信し、受信した信号か
らビークルの第1位置推定を導出するための本発明のシ
ステムである。好ましい実施例では、GPS処理システム
はGPSのGPS衛星及び擬似衛星の両者または何れか一方か
ら電磁信号を受信する。 (24)“ホスト処理システム"(Host processing system)
は、ビークルの位置推定の精度を高める方法及び技術を
遂行するためにべ一スステーションにおいて作動するコ
ンピュータシステムである。これらの方法及び技術から
導出したデータはビークルヘ送信されるので、ビークル
は第1、第2、及び第3位置推定を計算する際にこのデー
タを使用することができる。好ましい実施例では、ホス
ト処理システムのアーキテクチャ/ハードウエアはVPSの
アーキテクチャ/ハードウェアと実質的に同一である。 (25)“慣性参照ユニット"(Inertial reference unit)ま
たは“IRU"は通常はビークルに搭載され、ビークルの第
2位置推定の導出を支援するシステムである。IRUは、ジ
ャイロスコープまたはジャイロによって安定化されてい
る参照座標フレーム内の加速度計から比力(specific-fo
rce)測定を入手する。IRUは、レーザ型または機械型で
あって差し支えない。IRUを使用する無支援航法システ
ムでは、加速度計によって測定された比力(地球重力の
効果に関して補正済)は航法数式に統合されてビークル
の位置及び速度を発生する。好ましい実施例では、IRU
はMPSの部分である。 (26)"カルマンフィルタ"(Kalman fi1ter)は、その普通
の意味で使用される。これは、データ内の雑音または誤
りを濾波して排除するためのソフトウエアプログラムの
ことである。好ましい実施例では、第1位置推定の精度
を高めるべく雑音または誤りを濾波して排除するために
GPS処理システムにおいてGPSカルマンフィルタが使用さ
れている。また第2位置推定の精度を高めるべく雑音ま
たは誤りを濾波して排除するためにVPSにおいてVPSカル
マンフィルタが使用されている。 (27)“移動体位置特定システム"(Motion Positioning s
ystem)または“MPS"は、少なくともIRUと、ビークル走
行距離計とを備えている。好ましい実施例では、MPSは
地表の、または地表付近の如何なるビークルの第2位置
推定をも導出する。更に、べ一スステーションは本質的
に静止しているから、べ一スステーションにMPSは必要
ではない。 (28)“最適星座"(Optimal constellation)は空間におけ
るGPS衛星の相対位置が、地表の、または地表付近の点
の最も正確な推定を導出する優れた三角測量を提供する
ような衛星星座を意味する。 (29)“原形バイアス"(Original bias)は、実際の擬似距
離から、推定擬似距離と(長さの単位での)時計バイアス
とを減算することによって計算される空間バイアスを意
味する。時計バイアスは、それらに光速、即ち2.997924
5898*1O8m/sを乗ずることによって長さの単位に変換さ
れている。
て設計され、現在開発中のGPSである。 (21)グローバル位置特定システム"(Global Positioning
system)または"GPS"は、1つの型の地上位置決定システ
ムである。GPSでは、複数の衛星が惑星地球を回る軌道
内に配置される。GPS衛星は電磁信号を送信するように
設計されている。これらの電磁信号から、地表上の、ま
たは地表付近の如何なる受信機もこの絶対地上位置(地
球の中心に対する位置)を最終的に決定することができ
る。U.S.政府は、そのGPSを“NAVSTAR"と命名した。U.
S.S.R.政府は、そのGPSを“GLONASS"と命名している。 (22)“GPSデータ"(CPS data)とは、GPSのGPS衛星から送
信される信号上に符号化されている全てのデータのこと
である。GPSデータは、例えば天体暦データ及び時刻デ
ータを含む。 (23)"GPS処理システム"(CPS processing system)は、地
上位置決定システムから信号を受信し、受信した信号か
らビークルの第1位置推定を導出するための本発明のシ
ステムである。好ましい実施例では、GPS処理システム
はGPSのGPS衛星及び擬似衛星の両者または何れか一方か
ら電磁信号を受信する。 (24)“ホスト処理システム"(Host processing system)
は、ビークルの位置推定の精度を高める方法及び技術を
遂行するためにべ一スステーションにおいて作動するコ
ンピュータシステムである。これらの方法及び技術から
導出したデータはビークルヘ送信されるので、ビークル
は第1、第2、及び第3位置推定を計算する際にこのデー
タを使用することができる。好ましい実施例では、ホス
ト処理システムのアーキテクチャ/ハードウエアはVPSの
アーキテクチャ/ハードウェアと実質的に同一である。 (25)“慣性参照ユニット"(Inertial reference unit)ま
たは“IRU"は通常はビークルに搭載され、ビークルの第
2位置推定の導出を支援するシステムである。IRUは、ジ
ャイロスコープまたはジャイロによって安定化されてい
る参照座標フレーム内の加速度計から比力(specific-fo
rce)測定を入手する。IRUは、レーザ型または機械型で
あって差し支えない。IRUを使用する無支援航法システ
ムでは、加速度計によって測定された比力(地球重力の
効果に関して補正済)は航法数式に統合されてビークル
の位置及び速度を発生する。好ましい実施例では、IRU
はMPSの部分である。 (26)"カルマンフィルタ"(Kalman fi1ter)は、その普通
の意味で使用される。これは、データ内の雑音または誤
りを濾波して排除するためのソフトウエアプログラムの
ことである。好ましい実施例では、第1位置推定の精度
を高めるべく雑音または誤りを濾波して排除するために
GPS処理システムにおいてGPSカルマンフィルタが使用さ
れている。また第2位置推定の精度を高めるべく雑音ま
たは誤りを濾波して排除するためにVPSにおいてVPSカル
マンフィルタが使用されている。 (27)“移動体位置特定システム"(Motion Positioning s
ystem)または“MPS"は、少なくともIRUと、ビークル走
行距離計とを備えている。好ましい実施例では、MPSは
地表の、または地表付近の如何なるビークルの第2位置
推定をも導出する。更に、べ一スステーションは本質的
に静止しているから、べ一スステーションにMPSは必要
ではない。 (28)“最適星座"(Optimal constellation)は空間におけ
るGPS衛星の相対位置が、地表の、または地表付近の点
の最も正確な推定を導出する優れた三角測量を提供する
ような衛星星座を意味する。 (29)“原形バイアス"(Original bias)は、実際の擬似距
離から、推定擬似距離と(長さの単位での)時計バイアス
とを減算することによって計算される空間バイアスを意
味する。時計バイアスは、それらに光速、即ち2.997924
5898*1O8m/sを乗ずることによって長さの単位に変換さ
れている。
【００１８】(30)“原形バイアス技術"(Original bias
technique)は、原形バイアスを計算する方法である。 (31)“NAVSTAR GPS"は、U.S.政府によって設計され、現
在開発中のGPSである。 (32)"航法システム"(Navigation system)は、地表の、
または地表付近の如何なるビークルをも案内する何等か
のシステム及び方法の両者または何れか一方を言う。航
法システムはビークルに搭載できる。本発明のVPSは、
ビークルの航法システムに極めて正確な第3位置推定を
供給できるので、それによって航法システムはビークル
を精密に案内することができる。 (33)“放物線バイアス"(Parabolic bias)は、各観測さ
れたGPS衛星の実際の擬似距離に関する放物線モデルを
作成し、これらの放物線モデルから複数の値を補外する
ことによって計算される空間バイアスである。好ましい
実施例では、放物線バイアスは、実際の擬似距離、マイ
ナス作成された放物線モデルから補外した値、マイナス
時計バイアス(光遠を乗ずることによって長さの単位)で
ある。 (34)“放物線バイアス技術"(Parabolic bias techniqu
e)は、使用される各GPS衛星に関して放物線バイアスを
計算するための方法である。 (35)“好ましい実施例"(Preferred embodiment)は、本
発明を実現する最良モードのことである。好ましい実施
例は単に例示に過ぎない。本発明は、好ましい実施例に
よって限定されるものと解釈すべきではない。 (36)“擬似衛星"(Pseudolite)はGPS衛星に似せた地表ま
たは地表付近の放射装置である、好ましい実施例では、
GPS衛星からの電磁信号に類似した電磁信号が陸上基地
擬似衛星から送信される。GPS衛星に似せるために1また
はそれ以上の擬似衛星を使用して第1位置推定の計算を
向上させることができる。 (37)“擬似衛星データ"(Pseudolite data)は、擬似衛星
から受信する信号上に符号化されている全てのデータを
意味する。擬似衛星データは多くの点でCPSデータに類
似し、同じような情報を含む。 (38)“擬似距離"(Pseudorange)は、地上位置決定システ
ムの源と地表または地表付近の点との間の距離である。
好ましい実施例では、これらの源はGPS衛星及び擬似衛
星の両者または何れか一方であることができる。地上位
置決定システムは、擬似衛星(もし使用すれば)と共に使
用されるGPSであることができる。更に、地表または地
表付近の点は、べ一スステーション及びビークルの両方
または何れか一方であることができる。 (39)“衛星位置予測法"(Satellite position predicto
r)は、GPS衛星の将来位置を決定する方法である。この
方法によって早目に最適星座を選択することが可能にな
る。
technique)は、原形バイアスを計算する方法である。 (31)“NAVSTAR GPS"は、U.S.政府によって設計され、現
在開発中のGPSである。 (32)"航法システム"(Navigation system)は、地表の、
または地表付近の如何なるビークルをも案内する何等か
のシステム及び方法の両者または何れか一方を言う。航
法システムはビークルに搭載できる。本発明のVPSは、
ビークルの航法システムに極めて正確な第3位置推定を
供給できるので、それによって航法システムはビークル
を精密に案内することができる。 (33)“放物線バイアス"(Parabolic bias)は、各観測さ
れたGPS衛星の実際の擬似距離に関する放物線モデルを
作成し、これらの放物線モデルから複数の値を補外する
ことによって計算される空間バイアスである。好ましい
実施例では、放物線バイアスは、実際の擬似距離、マイ
ナス作成された放物線モデルから補外した値、マイナス
時計バイアス(光遠を乗ずることによって長さの単位)で
ある。 (34)“放物線バイアス技術"(Parabolic bias techniqu
e)は、使用される各GPS衛星に関して放物線バイアスを
計算するための方法である。 (35)“好ましい実施例"(Preferred embodiment)は、本
発明を実現する最良モードのことである。好ましい実施
例は単に例示に過ぎない。本発明は、好ましい実施例に
よって限定されるものと解釈すべきではない。 (36)“擬似衛星"(Pseudolite)はGPS衛星に似せた地表ま
たは地表付近の放射装置である、好ましい実施例では、
GPS衛星からの電磁信号に類似した電磁信号が陸上基地
擬似衛星から送信される。GPS衛星に似せるために1また
はそれ以上の擬似衛星を使用して第1位置推定の計算を
向上させることができる。 (37)“擬似衛星データ"(Pseudolite data)は、擬似衛星
から受信する信号上に符号化されている全てのデータを
意味する。擬似衛星データは多くの点でCPSデータに類
似し、同じような情報を含む。 (38)“擬似距離"(Pseudorange)は、地上位置決定システ
ムの源と地表または地表付近の点との間の距離である。
好ましい実施例では、これらの源はGPS衛星及び擬似衛
星の両者または何れか一方であることができる。地上位
置決定システムは、擬似衛星(もし使用すれば)と共に使
用されるGPSであることができる。更に、地表または地
表付近の点は、べ一スステーション及びビークルの両方
または何れか一方であることができる。 (39)“衛星位置予測法"(Satellite position predicto
r)は、GPS衛星の将来位置を決定する方法である。この
方法によって早目に最適星座を選択することが可能にな
る。
【００１９】(40)“第2位置推定"(Second position est
imate)または“SPE"は、どのような形状であっても、MP
Sから出力される何れかのビークルの推定絶対位置のこ
とである。第2位置推定は、少なくともIRUからの位置情
報を含む。第2位置推定は、ビークル上に位置している
ビークル走行距離計からの位置情報を含むことができ
る。 (41)“空間バイアス"(Spatia1 bias)は、二次元または
三次元空間における位置の近似に関連するバイアスのこ
とである。空間バイアスは、位置推定の精度を高めるた
めに位置推定をオフセットさせるのに使用される。空間
バイアスは、本発明の複数の異なる方法で計算すること
ができる。これらの方法に含まれるのは、例えば、原形
バイアス技術1500(II.F.2.a.)、放物線バイアス技術160
0(II.F.2.b.)、べ一ス残留バイアス技術1700(II.F.2.
c.)、及びべ一ス相関器バイアス技術1700A(II.F.2.d.)
である。 (42)“システム"(System)は、装置、方法、または装置
と方法の両者の組合せを意味するために簡略化の目的で
使用される。更に、これはソフトウェア、ハードウエ
ア、またはハードウエアとソフトウエアの両者の組合せ
をも含むことができる。 (43)“位置決定システム"(Position determination sys
tem)は、源と受信機との間の相対距離を推定するために
信号の受信機が使用することができる信号を発する源を
有する何等かのシステムを意味する。信号は、例えば、
電磁波、衝撃波、及び音響波の全てまたは何れかの形状
であることができる。 (44)“地上位置決定システム"(Terrestrial Position d
etermination system)は、地球受信機の地上位置を最終
的に推定するために使用できる何等かの位置決定システ
ムを意味する。信号は、例えば、電磁波、衝撃波、及び
音響波の全てまたは何れかの形状であることができる。
好ましい実施例では、地上位置決定システムはNAVSTAR
GPSである。 (45)“第3位置推定"(Third position estimate)または
“TPE"は、どのような形状においても、VPSから出力さ
れる何れかのビークルの推定絶対位置のことである。第
3位置推定は、第1及び第2位置推定よりも正確なビーク
ル位置の位置推定である、第3位置は、VPS処理システム
によって第1及び第2位置推定から導出される。 (46)”ビークル"(Vehic1e)とは、物理的な物を輸送する
ための何等かの運搬装置のことである。ビークルは、採
鉱用トラック、建設用トラック、農業用トラクタ、自動
車、船、ボート、列車、気球、ミサイル、または航空機
の形状をとることができる。好ましい実施例では、キャ
タピラ社の785オフハイウエイトラックが使用されてい
る。 (47)”ビークル位置特定システム"(Vehicle Positionin
g system)または"VPS"は、何れかのビークルの位置推定
を導出するための本発明のシステムである。VPSからの
位置推定は極めて正確であり、ビークルを正確に案内す
るために如何なるビークル上の航法システムも使用する
ことができる。好ましい実施例では、VPSからの位置推
定を第3位置推定と呼ぶ。 (48)“VPS処理システム"(VPS Processing system)は、V
PSの処理システムを意味する。VPS処理システムは、第1
及び第2位置推定から第3位置推定を導出する。アーキテ
クチャは図10及び11に示されている。 (49)“重み付きコンバイナ"(Weighted combiner)は、デ
ータを処理する特定のソフトウエアプログラムのことで
ある。入力されたデータは、そのデータの推定精度と、
そのデータを集めるために使用された技術とに基づいて
所定の重み付け係数が割り当てられる。例えば、好まし
い実施例では、GPS信号716の第1位置推定は、IRU信号91
0の第2位置推定よりも重い重み付けがなされる(前者の
方が本質的により正確であるから)。更に、IRUによって
測定された速度はGPS処理システムによって測定された
速度よりも重い重み付けがなされる(前者の方が本質的
により正確であるから)。好ましい実施例では、GPS処理
システムによって測定された速度は最後まで使用されな
いが、他の実施において使用することは可能である。 (50)“重み付き経路履歴技術"(Weighted path history
technique)はGPS処理システムから出力される第1位置
推定の精度を高めるための方法または処理過程である。
この技術は、将来の第1位置推定の有効性を試験するた
めのビークル経路モデルを導出するために、それまでの
第1位置推定を使用する。重み付き経路履歴技術を使用
することにより、第1位置推定の漂動が減少し、偽位置
を計算しない免除特性が高められる。
imate)または“SPE"は、どのような形状であっても、MP
Sから出力される何れかのビークルの推定絶対位置のこ
とである。第2位置推定は、少なくともIRUからの位置情
報を含む。第2位置推定は、ビークル上に位置している
ビークル走行距離計からの位置情報を含むことができ
る。 (41)“空間バイアス"(Spatia1 bias)は、二次元または
三次元空間における位置の近似に関連するバイアスのこ
とである。空間バイアスは、位置推定の精度を高めるた
めに位置推定をオフセットさせるのに使用される。空間
バイアスは、本発明の複数の異なる方法で計算すること
ができる。これらの方法に含まれるのは、例えば、原形
バイアス技術1500(II.F.2.a.)、放物線バイアス技術160
0(II.F.2.b.)、べ一ス残留バイアス技術1700(II.F.2.
c.)、及びべ一ス相関器バイアス技術1700A(II.F.2.d.)
である。 (42)“システム"(System)は、装置、方法、または装置
と方法の両者の組合せを意味するために簡略化の目的で
使用される。更に、これはソフトウェア、ハードウエ
ア、またはハードウエアとソフトウエアの両者の組合せ
をも含むことができる。 (43)“位置決定システム"(Position determination sys
tem)は、源と受信機との間の相対距離を推定するために
信号の受信機が使用することができる信号を発する源を
有する何等かのシステムを意味する。信号は、例えば、
電磁波、衝撃波、及び音響波の全てまたは何れかの形状
であることができる。 (44)“地上位置決定システム"(Terrestrial Position d
etermination system)は、地球受信機の地上位置を最終
的に推定するために使用できる何等かの位置決定システ
ムを意味する。信号は、例えば、電磁波、衝撃波、及び
音響波の全てまたは何れかの形状であることができる。
好ましい実施例では、地上位置決定システムはNAVSTAR
GPSである。 (45)“第3位置推定"(Third position estimate)または
“TPE"は、どのような形状においても、VPSから出力さ
れる何れかのビークルの推定絶対位置のことである。第
3位置推定は、第1及び第2位置推定よりも正確なビーク
ル位置の位置推定である、第3位置は、VPS処理システム
によって第1及び第2位置推定から導出される。 (46)”ビークル"(Vehic1e)とは、物理的な物を輸送する
ための何等かの運搬装置のことである。ビークルは、採
鉱用トラック、建設用トラック、農業用トラクタ、自動
車、船、ボート、列車、気球、ミサイル、または航空機
の形状をとることができる。好ましい実施例では、キャ
タピラ社の785オフハイウエイトラックが使用されてい
る。 (47)”ビークル位置特定システム"(Vehicle Positionin
g system)または"VPS"は、何れかのビークルの位置推定
を導出するための本発明のシステムである。VPSからの
位置推定は極めて正確であり、ビークルを正確に案内す
るために如何なるビークル上の航法システムも使用する
ことができる。好ましい実施例では、VPSからの位置推
定を第3位置推定と呼ぶ。 (48)“VPS処理システム"(VPS Processing system)は、V
PSの処理システムを意味する。VPS処理システムは、第1
及び第2位置推定から第3位置推定を導出する。アーキテ
クチャは図10及び11に示されている。 (49)“重み付きコンバイナ"(Weighted combiner)は、デ
ータを処理する特定のソフトウエアプログラムのことで
ある。入力されたデータは、そのデータの推定精度と、
そのデータを集めるために使用された技術とに基づいて
所定の重み付け係数が割り当てられる。例えば、好まし
い実施例では、GPS信号716の第1位置推定は、IRU信号91
0の第2位置推定よりも重い重み付けがなされる(前者の
方が本質的により正確であるから)。更に、IRUによって
測定された速度はGPS処理システムによって測定された
速度よりも重い重み付けがなされる(前者の方が本質的
により正確であるから)。好ましい実施例では、GPS処理
システムによって測定された速度は最後まで使用されな
いが、他の実施において使用することは可能である。 (50)“重み付き経路履歴技術"(Weighted path history
technique)はGPS処理システムから出力される第1位置
推定の精度を高めるための方法または処理過程である。
この技術は、将来の第1位置推定の有効性を試験するた
めのビークル経路モデルを導出するために、それまでの
第1位置推定を使用する。重み付き経路履歴技術を使用
することにより、第1位置推定の漂動が減少し、偽位置
を計算しない免除特性が高められる。
【００２０】II．一般的な概要 図1は、本発明の好ましい実施例の高水準ブロック線図1
00を示す。地表の、または地表付近のビークル102の正
確な自律動作を得るために、本発明はビークル位置特定
システム(VPS)1000と、航法システム1022とを含む。こ
れらの両システムは装置、方法、及び技術を含み、これ
らは一緒に統合すると人手によらないビークルの高度に
正確な制御を提供する。 A．ビークル位置特定システム(VPS) 規定された経路に沿って自律ビークル102を案内するタ
スクは、特に、ある参照点に対するビークルの現位置の
正確な推定を必要とする。一旦現位置が知れれば、ビー
クル102はその次の行先へ進むように命令される。本発
明のVPS1000を使用すると、ビークル102の位置推定を極
めて精密に決定することができる。VPS1000は、NAVSTAR
GPSまたはCLONASS GPSのようなGPSのGPS衛星104からGP
Sデータを受信する。好ましい実施例では、NAVSTAR GPS
を使用している。図1AにNAVSTAR GPSを示す。GPS衛星13
0-168は6つの軌道174-184内で地球172を周回している。
図1に戻って、VPS1O00は、1または複数の擬似衛星105か
らの擬似衛星データをも受信できる。本明細書において
は、“擬似衛星"とは地表の、または地表付近のGPS衛星
に似せた放射装置を意味する。GPSデータ及び擬似衛星
データの両方または何れか一方から、VPS1000はビーク
ル102の正確な位置の推定を導出する。GPSデータ及び擬
似衛星データの両方または何れか一方は、ビークル位置
推定の精度を向上させるための本発明の種々の創意に富
む技術及び方法によって、大幅に改善される。詳述すれ
ば、好ましい実施例のVPS1000は、NAVSTARGPS104から
の、及び移動体位置特定システム900からのGPSデータを
組入れた位置特定システムである。好ましい実施例で
は、移動体位置特定システム900は慣性参照ユニット(IR
U)904及びビークル走行距離計902の両方または何れか一
方を備えている。IRU904は、1またはそれ以上のレーザ
ジャイロスコープ106と、1またはそれ以上の加速度計10
8とを含み、これらは位置、速度、横揺れ、縦揺れ及び
偏揺れデータを発生させるために使用できる。ビークル
走行距離計902は、ビークル102が走行した距離に関する
データを発生する。
00を示す。地表の、または地表付近のビークル102の正
確な自律動作を得るために、本発明はビークル位置特定
システム(VPS)1000と、航法システム1022とを含む。こ
れらの両システムは装置、方法、及び技術を含み、これ
らは一緒に統合すると人手によらないビークルの高度に
正確な制御を提供する。 A．ビークル位置特定システム(VPS) 規定された経路に沿って自律ビークル102を案内するタ
スクは、特に、ある参照点に対するビークルの現位置の
正確な推定を必要とする。一旦現位置が知れれば、ビー
クル102はその次の行先へ進むように命令される。本発
明のVPS1000を使用すると、ビークル102の位置推定を極
めて精密に決定することができる。VPS1000は、NAVSTAR
GPSまたはCLONASS GPSのようなGPSのGPS衛星104からGP
Sデータを受信する。好ましい実施例では、NAVSTAR GPS
を使用している。図1AにNAVSTAR GPSを示す。GPS衛星13
0-168は6つの軌道174-184内で地球172を周回している。
図1に戻って、VPS1O00は、1または複数の擬似衛星105か
らの擬似衛星データをも受信できる。本明細書において
は、“擬似衛星"とは地表の、または地表付近のGPS衛星
に似せた放射装置を意味する。GPSデータ及び擬似衛星
データの両方または何れか一方から、VPS1000はビーク
ル102の正確な位置の推定を導出する。GPSデータ及び擬
似衛星データの両方または何れか一方は、ビークル位置
推定の精度を向上させるための本発明の種々の創意に富
む技術及び方法によって、大幅に改善される。詳述すれ
ば、好ましい実施例のVPS1000は、NAVSTARGPS104から
の、及び移動体位置特定システム900からのGPSデータを
組入れた位置特定システムである。好ましい実施例で
は、移動体位置特定システム900は慣性参照ユニット(IR
U)904及びビークル走行距離計902の両方または何れか一
方を備えている。IRU904は、1またはそれ以上のレーザ
ジャイロスコープ106と、1またはそれ以上の加速度計10
8とを含み、これらは位置、速度、横揺れ、縦揺れ及び
偏揺れデータを発生させるために使用できる。ビークル
走行距離計902は、ビークル102が走行した距離に関する
データを発生する。
【００２１】ビークル102の第1位置推定は、GPS衛星140
から受信したGPSデータ及び1または複数の擬似衛星105
から受信した擬似衛星データから、GPS処理システム700
によって導出される。第1位置推定の精度を高めるため
に、本発明は以下に説明する複数の方法を実現する。更
に、IRU904及びビークル走行距離計902の両方または何
れか一方を備えた移動体位置特定システム900のMPS相互
通信プロセッサ906によって第2位置推定を導出する。矢
印112及び114によってそれぞれ示しであるように、第1
位置推定及び第2位置推定は、VPS処理システム116によ
って組合わされ、濾波される。出力矢印118によって示
される結果が、より正確な第3位置推定である。
から受信したGPSデータ及び1または複数の擬似衛星105
から受信した擬似衛星データから、GPS処理システム700
によって導出される。第1位置推定の精度を高めるため
に、本発明は以下に説明する複数の方法を実現する。更
に、IRU904及びビークル走行距離計902の両方または何
れか一方を備えた移動体位置特定システム900のMPS相互
通信プロセッサ906によって第2位置推定を導出する。矢
印112及び114によってそれぞれ示しであるように、第1
位置推定及び第2位置推定は、VPS処理システム116によ
って組合わされ、濾波される。出力矢印118によって示
される結果が、より正確な第3位置推定である。
【００２２】Ｂ．航法システム 航法システム1022は、VPS1OOOから第3位置推定を受信す
る。航法システム1022はこの精密な第3位置推定を使用
してビークル102を正確に航行させる。航法システム102
2の主目的は、事前に確立された、または動的に生成さ
れる経路に沿う点間でビークル102を案内することであ
る。好ましい実施例では、航法システム1022はビークル
102自体上に位置決めされている。換言すれば、それは
本質的に“搭載"システムである。更に・航法システム1
022は、既存ビークル102に事後設置するように設計する
ことができる。航法システム1022がビークル102を案内
して事前に確立された、または動的に生成される経路を
辿らせることを可能にするために、種々のモデル、即ち
概念的表現が生成され、使用される。例えば、線及び弧
を使用して目標点間にビークル経路を確立することがで
きる。ビークル102が航行する実際の経路をモデル化す
るために、数学的Bスプラインまたはクロソイド(clotho
id)曲線を使用することができる。これらの数学的曲線
に関しては後に詳述する。上記モデル化、即ち表現技術
の使用が、データ通信、記憶、及びビークル102の取り
扱いを向上させる。更に、これらの技術が制御及び通信
の階層を提供するので、監視タスクを簡易化することが
できる。階層制御体系に存在する制御のレベルが高いほ
ど、タスクは簡易化され、また命令はコンパクトにな
る。航法システム1022は、ビークル102を移動させ、停
止させ、舵取りするために要求される必要物理動作を遂
行するために、ブレーキ、舵取り装置、及び機関及び伝
動装置のようなビークルの機械的システムの制御をも行
う。また航法システム1022は、所望の位置に対するビー
クル102の実際の位置を検査し、所望の位置に従ってビ
ークル制御を修正する。航法システム1022は、この検査
能力を向上させるために、多重状態モデルを走らせるこ
とができる。更に航法システム1022は、システム自体及
びビークル成分内の誤りまたは障害を検査する。もし誤
りまたは障害が検出されれば、航法システム1022はビー
クル102を完全に停止せしめることによってフェールセ
ーフ運転停止を遂行することができる。更に航法システ
ム1022は、ビークル102を制御するための異なるモード
を提供する。これらには、(1)ビークル102の航行が航法
システム1022によって自動的に処理される完全自律モー
ドと、(2)遠隔の操作員(図示してない)がビークル102の
方向及び運動等を制御できるテレモード、または遠隔制
御モードと、(3)ビークル102内に座している操作員がビ
ークル102の制御を行い、それを手動で駆動することが
できる手動モードとが含まれる。自律モードでは、もし
ビークル102が制御下になければ、障害物が特性に甚大
な損傷をもたらし、生命に重大な危害を与えかねないの
で、障害物の検出は臨界的である。航法システム1022は
効率的に障害物を検出することができる。巨礫、動物、
人々、樹木、または他の障害物が突然ビークル102の経
路内に侵入するかも知れない。航法システム102はこれ
らの障害物を検出することができ、ビークル102を停止
させるか、または障害物を廻る経路を計画し、その経路
が安全であると考えられるとビークル102を元のルート
に戻す。所望のルートを正確に追尾することが航法シス
テム1022の別の機能である。航法システム1022の機能及
びアーキテクチャは、約30マイル/時(mph)までの速度で
ビークル経路を実時間追尾するように設計されている。
る。航法システム1022はこの精密な第3位置推定を使用
してビークル102を正確に航行させる。航法システム102
2の主目的は、事前に確立された、または動的に生成さ
れる経路に沿う点間でビークル102を案内することであ
る。好ましい実施例では、航法システム1022はビークル
102自体上に位置決めされている。換言すれば、それは
本質的に“搭載"システムである。更に・航法システム1
022は、既存ビークル102に事後設置するように設計する
ことができる。航法システム1022がビークル102を案内
して事前に確立された、または動的に生成される経路を
辿らせることを可能にするために、種々のモデル、即ち
概念的表現が生成され、使用される。例えば、線及び弧
を使用して目標点間にビークル経路を確立することがで
きる。ビークル102が航行する実際の経路をモデル化す
るために、数学的Bスプラインまたはクロソイド(clotho
id)曲線を使用することができる。これらの数学的曲線
に関しては後に詳述する。上記モデル化、即ち表現技術
の使用が、データ通信、記憶、及びビークル102の取り
扱いを向上させる。更に、これらの技術が制御及び通信
の階層を提供するので、監視タスクを簡易化することが
できる。階層制御体系に存在する制御のレベルが高いほ
ど、タスクは簡易化され、また命令はコンパクトにな
る。航法システム1022は、ビークル102を移動させ、停
止させ、舵取りするために要求される必要物理動作を遂
行するために、ブレーキ、舵取り装置、及び機関及び伝
動装置のようなビークルの機械的システムの制御をも行
う。また航法システム1022は、所望の位置に対するビー
クル102の実際の位置を検査し、所望の位置に従ってビ
ークル制御を修正する。航法システム1022は、この検査
能力を向上させるために、多重状態モデルを走らせるこ
とができる。更に航法システム1022は、システム自体及
びビークル成分内の誤りまたは障害を検査する。もし誤
りまたは障害が検出されれば、航法システム1022はビー
クル102を完全に停止せしめることによってフェールセ
ーフ運転停止を遂行することができる。更に航法システ
ム1022は、ビークル102を制御するための異なるモード
を提供する。これらには、(1)ビークル102の航行が航法
システム1022によって自動的に処理される完全自律モー
ドと、(2)遠隔の操作員(図示してない)がビークル102の
方向及び運動等を制御できるテレモード、または遠隔制
御モードと、(3)ビークル102内に座している操作員がビ
ークル102の制御を行い、それを手動で駆動することが
できる手動モードとが含まれる。自律モードでは、もし
ビークル102が制御下になければ、障害物が特性に甚大
な損傷をもたらし、生命に重大な危害を与えかねないの
で、障害物の検出は臨界的である。航法システム1022は
効率的に障害物を検出することができる。巨礫、動物、
人々、樹木、または他の障害物が突然ビークル102の経
路内に侵入するかも知れない。航法システム102はこれ
らの障害物を検出することができ、ビークル102を停止
させるか、または障害物を廻る経路を計画し、その経路
が安全であると考えられるとビークル102を元のルート
に戻す。所望のルートを正確に追尾することが航法シス
テム1022の別の機能である。航法システム1022の機能及
びアーキテクチャは、約30マイル/時(mph)までの速度で
ビークル経路を実時間追尾するように設計されている。
【００２３】C.べ一スステーション 本発明は、べ一スステーション188にホスト処理システ
ム186を備えることができる。ホスト処理システム186
は、VPS1000及び航法システム1022の両方に関する機能
を遂行する。VPS1000に関してホスト処理システム186
は、矢印190及び192によってそれぞれ示してあるよう
に、GPSデータ及び擬似衛星データの両方または何れか
一方を受信する。奉際には、後述するようにビークル位
置推定の精度を改害するために、べ一スステーション18
8と同様にホスト処理システム186は既知の参照点として
働く。ホスト処理システム186はビークル位置推定の精
度を向上させるための種々の方法を実現する。前述の衛
星位置予測法(II.G.参照)もホスト処理システム186によ
って実現される。ホスト処理システム186は、ビークル10
2によって観測される同一衛星星座を認識するであろ
う。GPSデータ及び擬似衛星データの両方または何れか
一方に対して計算が遂行されてバイアスが導出される。
本明細書においては“バイアス"とは、2つの測定の間の
差のことであり、通常は位置推定間の差(空間バイアス)
またはクロックレートの差(時計バイアス)である。通常
は一方の測定の方が別の測定よりも正確であることが知
られているから、バイアスを“誤差"と呼ぶことが多
い。空間バイアスを計算するために、ホスト処理システ
ム186は多くの方法を実現する。これらの方法には、例
えば、原形バイアス技術1500(II.F.2.a.)、放物線バイ
アス技術1600(II.F.2.b.)、べ一ス残留バイアス技術(I
I.F.2.c.)、及びべ一ス相関器バイアス技術(11.F.2.d.)
が含まれる。
ム186を備えることができる。ホスト処理システム186
は、VPS1000及び航法システム1022の両方に関する機能
を遂行する。VPS1000に関してホスト処理システム186
は、矢印190及び192によってそれぞれ示してあるよう
に、GPSデータ及び擬似衛星データの両方または何れか
一方を受信する。奉際には、後述するようにビークル位
置推定の精度を改害するために、べ一スステーション18
8と同様にホスト処理システム186は既知の参照点として
働く。ホスト処理システム186はビークル位置推定の精
度を向上させるための種々の方法を実現する。前述の衛
星位置予測法(II.G.参照)もホスト処理システム186によ
って実現される。ホスト処理システム186は、ビークル10
2によって観測される同一衛星星座を認識するであろ
う。GPSデータ及び擬似衛星データの両方または何れか
一方に対して計算が遂行されてバイアスが導出される。
本明細書においては“バイアス"とは、2つの測定の間の
差のことであり、通常は位置推定間の差(空間バイアス)
またはクロックレートの差(時計バイアス)である。通常
は一方の測定の方が別の測定よりも正確であることが知
られているから、バイアスを“誤差"と呼ぶことが多
い。空間バイアスを計算するために、ホスト処理システ
ム186は多くの方法を実現する。これらの方法には、例
えば、原形バイアス技術1500(II.F.2.a.)、放物線バイ
アス技術1600(II.F.2.b.)、べ一ス残留バイアス技術(I
I.F.2.c.)、及びべ一ス相関器バイアス技術(11.F.2.d.)
が含まれる。
【００２４】前述の差動修正技術はデータ誤差を補償す
る。換言すれば、ポスト処理システム186において計算
されたバイアスはデータ誤差を表す。矢印194によって
示すように、バイアスはビークル102のGPS処理システム
700へ送信される。GPS処理システム700はこれらのバイ
アスを使用してビークル位置推定内の誤差を排除する。
ホスト処理システム186は、本発明の航法システム1022
に関する機能をも提供する。矢印196によって示してあ
るように、ホスト処理システム186は、航法システム102
2の最高水準の制御として働く。それは、人間の運行管
理係が達成するのと殆ど同一の結果をもたらすようにビ
ークル1O2のスケジューリング及び運行管理を処理す
る。従って、ホスト処理システム186は、ビークル102の
作業サイクルを決定することができる。ホスト処理シス
テム186は、ビークル102に指定された経路を通って現位
置から将来位置まで進行するように命令するので、ビー
クル102はその作業目的を達成することができる。ホス
ト処理システム186は、普通に行われているようにルー
トに沿う各点をリストするのではなく、名前によってビ
ークルルートを指定することができる。従って、ビーク
ル搭載航法システム1022は名付けられたビークルルート
を表引きし、名付けられたビークルルートを名付けられ
たビークルルートに沿うノード及びセグメントの集合に
翻訳する。
る。換言すれば、ポスト処理システム186において計算
されたバイアスはデータ誤差を表す。矢印194によって
示すように、バイアスはビークル102のGPS処理システム
700へ送信される。GPS処理システム700はこれらのバイ
アスを使用してビークル位置推定内の誤差を排除する。
ホスト処理システム186は、本発明の航法システム1022
に関する機能をも提供する。矢印196によって示してあ
るように、ホスト処理システム186は、航法システム102
2の最高水準の制御として働く。それは、人間の運行管
理係が達成するのと殆ど同一の結果をもたらすようにビ
ークル1O2のスケジューリング及び運行管理を処理す
る。従って、ホスト処理システム186は、ビークル102の
作業サイクルを決定することができる。ホスト処理シス
テム186は、ビークル102に指定された経路を通って現位
置から将来位置まで進行するように命令するので、ビー
クル102はその作業目的を達成することができる。ホス
ト処理システム186は、普通に行われているようにルー
トに沿う各点をリストするのではなく、名前によってビ
ークルルートを指定することができる。従って、ビーク
ル搭載航法システム1022は名付けられたビークルルート
を表引きし、名付けられたビークルルートを名付けられ
たビークルルートに沿うノード及びセグメントの集合に
翻訳する。
【００２５】II．ビークル位置特定システム A．概要 以下に特に図7乃至21を参照してVPS1000に関して説明す
る。図10及び11はVPS1000のアーキテクチャ/ハードウエ
アを示す。VPS1000は地表の、または地表付近の移動ま
たは静止ビークル102の極めて正確な位置決定システム
である。VPS1000が、それぞれ図7及び9に示すGPS処理シ
ステム700及びMPS900を含んでいることを思い出された
い。またMPS900が、共に図9に示されている1RU904とビ
ークル走行距離計902とを含んでいることも思い出され
たい。実際には、極めて効果的な位置決定システムを得
るために、これらのシステムは本発明によって向上せし
められている。図7を参照する。GPS処理システム700
は、GPS受信機706に接続されるアンテナ702を含んでい
る。アンテナ702の視野内のGPS衛星104が、図2及び3に
示すように複数のGPS衛星200-206からなっている場合に
は、GPS受信機706はそれらの各GPSデータを、アンテナ7
02の視野内の1またはそれ以上の何れかの擬似衛星105か
らの擬似衛星データと共に読み取る。好ましい実施例で
は、GPS受信機706はビークル102の第1位置推定をGPSデ
ータ及び擬似衛星データの両方または何れか一方から言
十算する責を負っている。第1位置方法の精度を高める
ために、衛星位置予測方法1800(II.G.参照)がGPS処理シ
ステム700のGPSプロセッサ710によって実現される。衛
星位置予測方法1800は現時点における、または何れかの
将来時点における如何なるGPS衛星の位置をも予測す
る。
る。図10及び11はVPS1000のアーキテクチャ/ハードウエ
アを示す。VPS1000は地表の、または地表付近の移動ま
たは静止ビークル102の極めて正確な位置決定システム
である。VPS1000が、それぞれ図7及び9に示すGPS処理シ
ステム700及びMPS900を含んでいることを思い出された
い。またMPS900が、共に図9に示されている1RU904とビ
ークル走行距離計902とを含んでいることも思い出され
たい。実際には、極めて効果的な位置決定システムを得
るために、これらのシステムは本発明によって向上せし
められている。図7を参照する。GPS処理システム700
は、GPS受信機706に接続されるアンテナ702を含んでい
る。アンテナ702の視野内のGPS衛星104が、図2及び3に
示すように複数のGPS衛星200-206からなっている場合に
は、GPS受信機706はそれらの各GPSデータを、アンテナ7
02の視野内の1またはそれ以上の何れかの擬似衛星105か
らの擬似衛星データと共に読み取る。好ましい実施例で
は、GPS受信機706はビークル102の第1位置推定をGPSデ
ータ及び擬似衛星データの両方または何れか一方から言
十算する責を負っている。第1位置方法の精度を高める
ために、衛星位置予測方法1800(II.G.参照)がGPS処理シ
ステム700のGPSプロセッサ710によって実現される。衛
星位置予測方法1800は現時点における、または何れかの
将来時点における如何なるGPS衛星の位置をも予測す
る。
【００２６】衛星位置情報を使用すれば、GPS処理シス
テム700は最適GPS衛星星座を決定でき、星座効果方法13
00(II.F.参照)を使用することによって認識することが
できる。好ましい実施例では、星座効果方法1300もGPS
プロセッサ710によって実現されている。星座効果方法1
300に従えば、GPS衛星200-206及び1または複数の擬似衛
星105からなるデータ源から最良の星座が選択される。G
PSプロセッサ706は、最良星座及び幾何学/三角法に基づ
いてビークル102の第1位置推定を言十算する。第1位置
推定の精度は、部分的に、計算に用いられるGPS衛星の
数に依存する。使用される付加的な各GPS衛星は第1位置
推定の精度を向上させることができる、計算の後に、ビ
ークル102の第1位置推定は図10のVPS主プロセッサ1002
へ送信される。図9を参照する、IRU904は、位置、速
度、横揺れ、縦揺れ、偏揺れデータを発生するレーザジ
ャイロスコープ及び加速度計を備えている。IRU904は、
この情報をビークル102の第2位置推定内へ組合わせる。
ビークル102が走行した距離を測定するために走行距離
計902を組込むことができる。図10に示すように、IRU90
4及び走行距離計902からのデータもMPS相互通信プロセ
ッサ906を介してVPS主プロセッサ1002へ送信される。VP
S主プロセッサ1002は、MPS900(IRU904及び多分走行距離
計902)からの第2位置推定と、GPS処理システム700から
の第1位置推定とを組合わせて、より正確な第3位置推定
を生成する。VPS1000は、ビークルを“漂動"させる恐れ
のある誤りの、または偽の第3位置推定を排除する方法
をも実現する。この方法は重み付き経路履歴方法(II.H.
参照)と呼ばれる。本質的に、ビークル102の経路履歴
は、ビークル102の位置の将来推定の精度を統計的に決
定するために使用される。
テム700は最適GPS衛星星座を決定でき、星座効果方法13
00(II.F.参照)を使用することによって認識することが
できる。好ましい実施例では、星座効果方法1300もGPS
プロセッサ710によって実現されている。星座効果方法1
300に従えば、GPS衛星200-206及び1または複数の擬似衛
星105からなるデータ源から最良の星座が選択される。G
PSプロセッサ706は、最良星座及び幾何学/三角法に基づ
いてビークル102の第1位置推定を言十算する。第1位置
推定の精度は、部分的に、計算に用いられるGPS衛星の
数に依存する。使用される付加的な各GPS衛星は第1位置
推定の精度を向上させることができる、計算の後に、ビ
ークル102の第1位置推定は図10のVPS主プロセッサ1002
へ送信される。図9を参照する、IRU904は、位置、速
度、横揺れ、縦揺れ、偏揺れデータを発生するレーザジ
ャイロスコープ及び加速度計を備えている。IRU904は、
この情報をビークル102の第2位置推定内へ組合わせる。
ビークル102が走行した距離を測定するために走行距離
計902を組込むことができる。図10に示すように、IRU90
4及び走行距離計902からのデータもMPS相互通信プロセ
ッサ906を介してVPS主プロセッサ1002へ送信される。VP
S主プロセッサ1002は、MPS900(IRU904及び多分走行距離
計902)からの第2位置推定と、GPS処理システム700から
の第1位置推定とを組合わせて、より正確な第3位置推定
を生成する。VPS1000は、ビークルを“漂動"させる恐れ
のある誤りの、または偽の第3位置推定を排除する方法
をも実現する。この方法は重み付き経路履歴方法(II.H.
参照)と呼ばれる。本質的に、ビークル102の経路履歴
は、ビークル102の位置の将来推定の精度を統計的に決
定するために使用される。
【００２７】図1及び3を参照する。べ一スステーション
188は、VPS1O00のための地理的近似参照点を提供する、
べ一スステーション188は、ホスト処理システム186を含
む。好ましい実施例では、ホスト処理システム186はGPS
処理システム700と類似のアーキテクチャを備え、同一
機能を遂行する。しかし、ホスト処理システム700は、第
1位置推定の精度を向上させるための付加的な機能を遂
行する。衛星位置予測方法1800(II.G.)は、上述のよう
にGPS処理システム700に加えてホスト処理システム186
によって実現される。従ってホスト処理システム186
は、ビークル102が観測したものと同一の、またはより
大きい星座内に同一GPS衛星を含むGPS衛星星座を認識す
る。GPSデータ及び擬似衛星データの両方または何れか
一方に対して計算が遂行され、空間バイアス及び時言十
バイアスを含むバイアスが導出される。空間バイアスを
計算するために、ホスト処理システム186は種々の方法
を実現する。図15は原形バイアス技術1500(II.F.2.a.)
を示す。図16は放物線バイアス技術1600(II.F.2.b.)を
示す。図17はべ一ス残留バイアス技術1700(II.F.2.c.)
を示す。図17Aはべ一ス相関器バイアス技術1700A(11.F.
2.d.)を示す。矢印194で示すように、空間バイアス及び
時計バイアスはビークル102のGPS処理システム700へ送
信される。GPS処理システム700はこれらのバイアスを使
用してビークル位置推定内の誤差を排除する。
188は、VPS1O00のための地理的近似参照点を提供する、
べ一スステーション188は、ホスト処理システム186を含
む。好ましい実施例では、ホスト処理システム186はGPS
処理システム700と類似のアーキテクチャを備え、同一
機能を遂行する。しかし、ホスト処理システム700は、第
1位置推定の精度を向上させるための付加的な機能を遂
行する。衛星位置予測方法1800(II.G.)は、上述のよう
にGPS処理システム700に加えてホスト処理システム186
によって実現される。従ってホスト処理システム186
は、ビークル102が観測したものと同一の、またはより
大きい星座内に同一GPS衛星を含むGPS衛星星座を認識す
る。GPSデータ及び擬似衛星データの両方または何れか
一方に対して計算が遂行され、空間バイアス及び時言十
バイアスを含むバイアスが導出される。空間バイアスを
計算するために、ホスト処理システム186は種々の方法
を実現する。図15は原形バイアス技術1500(II.F.2.a.)
を示す。図16は放物線バイアス技術1600(II.F.2.b.)を
示す。図17はべ一ス残留バイアス技術1700(II.F.2.c.)
を示す。図17Aはべ一ス相関器バイアス技術1700A(11.F.
2.d.)を示す。矢印194で示すように、空間バイアス及び
時計バイアスはビークル102のGPS処理システム700へ送
信される。GPS処理システム700はこれらのバイアスを使
用してビークル位置推定内の誤差を排除する。
【００２８】B. GPS処理システム GPS処理システム700は、地上位置決定システムからのビ
ークル位置データを使用してビークル102の第1位置推定
を導出する。好ましい実施例では、地上位置決定システ
ムは、現在U.S．政府が開発中のNAVSTAR GPS及び地球を
べ一スとする擬似衛星の両方または何れか一方からな
る。 1. NAVSTAR GPS 図1Aに示すように、NAVSTAR GPSは、現在では6つの軌道
174-184内に24個の人工電子GPS衛星132-170を企図して
いる。現在考えられているところでは、GPS衛星132-170
は約14,O00マイルの高度で、1日に2回地球172を周回す
る。後述するように、NAVSTAR GPSのCモードを使用する
と天候、時刻には関係なく、また地球172の殆どの領域
において15メートル以内で地上位置を決定することが可
能である。本明細書を提出した日現在で、地球172を回
る軌道内には6個の実験用GPS衛星と、7個の動作中のGPS
衛星とが存在することが知られている。更に、幾つかの
製造業者が、図7のGPS受信機706のようなGPS受信機を設
計または、製造中であることが知られている。GPS衛星
は次々に開発されて機能しており、位置追尾のために毎
日使用できる実験用GPS衛星が3個またはそれ以上である
時間は増加している。更に、実験用GPS衛星は(及び他の
全ては、一旦展開すると)正確に予測可能である。ビー
クル102上のGPS受信機に対するこれらのGPS衛星の相対
位置、即ち“擬似距離"は、電磁信号から2つの方法によ
って決定できる。1つの方法は、発射される電磁信号の
送信と受信との間の伝播時間遅延を測定することであ
る。NAVSTAR GPSでは、電磁信号は、それらの信号がGPS
衛星から送信される時刻で連続的に符号化されている。
受信時刻に注目して、符号化された送信時刻を差し引く
ことによって時間遅延を導出できることは言うまでもな
い。計算された時間遅延と、大気中の電磁波の走行速度
とから、擬似距離を正確に導出することができる。上記
方法を使用して言十算された擬似距離を、本明細書では
“実際の"擬似距離と呼ぶ。別の方法は、周回するGPS衛
星から送信される電磁信号内に符号化されている衛星位
置データを包含する。INAVSTAR GPSのGPS衛星の位置デ
ータに関する暦データが公的に入手できる。もし受信機
位置が知られていれば、電磁信号内に符号化されている
データに関するこの暦データを参照することによって、
擬似距離の正確な導出が可能である。この方法を使用し
て計算された擬似距離を、本明細書では“推定"擬似距
離と呼ぶ。しかしながら、推定擬似距離を導出する従来
の方法においては、衛星位置データがGPS衛星において
毎正時に1回だけしか更新されないことに注目すべきで
ある。従って、更新された衛星位置データを使用して新
しい擬似距離を計算する場合には、擬似距離の精度は次
の正時までは各正時からの時間と共に低下する。再び図
1Aを参照する。この図には完全に機能しているNAVSTAR
GPSの構成の概要が示されている。24個の各GPS衛星132-
170は電磁信号を送信し、これらの電磁信号はビークル1
02の絶対地上位置(即ち、地球172の中心に対するする緯
度、経度、及び高度)を決定るために使用することがで
きる。具体的に言えば、少なくとも3個の周回GPS衛星13
2-170の相対位置を知ることによって、三角法を含む簡
単な幾何学理論を使用してビークル102の絶対地上位置
を計算することができる。この地上位置推定の精度は、
部分的に、ビークル102がサンプルする周回GPS衛星132-
170の数に依存する。より多くのGPS衛星132-170のサン
プリングを計算に入れれば、地上位置推定の精度は向上
する。ビークル102の回路と種々のGPS衛星132-170との
間の回路時計差が誤差をもたらすので、伝統的に、3個
ではなく4個のGPS衛星をサンプルして各地上位置推定を
決定している。NAVSTAR GPSでは、電磁信号は全てのGPS
衛星132-170から単一の搬送波周波数で連続的に送信さ
れる。しかし、各GPS衛星132-170は異なる変調計画を有
し、それによって電磁信号を区別できるようになってい
る。NAVSTAR GPSでは、搬送波周波数は、各GPS衛星に独
特な擬似2進コード信号(データビット流)を使用して変
調されている。この擬似2進コード信号が搬送波周波数
を2相変調するために使用される。従って搬送波周波数
を復調すればNAVSTAR GPS内の周回GPS衛星を識別するこ
とができる。
ークル位置データを使用してビークル102の第1位置推定
を導出する。好ましい実施例では、地上位置決定システ
ムは、現在U.S．政府が開発中のNAVSTAR GPS及び地球を
べ一スとする擬似衛星の両方または何れか一方からな
る。 1. NAVSTAR GPS 図1Aに示すように、NAVSTAR GPSは、現在では6つの軌道
174-184内に24個の人工電子GPS衛星132-170を企図して
いる。現在考えられているところでは、GPS衛星132-170
は約14,O00マイルの高度で、1日に2回地球172を周回す
る。後述するように、NAVSTAR GPSのCモードを使用する
と天候、時刻には関係なく、また地球172の殆どの領域
において15メートル以内で地上位置を決定することが可
能である。本明細書を提出した日現在で、地球172を回
る軌道内には6個の実験用GPS衛星と、7個の動作中のGPS
衛星とが存在することが知られている。更に、幾つかの
製造業者が、図7のGPS受信機706のようなGPS受信機を設
計または、製造中であることが知られている。GPS衛星
は次々に開発されて機能しており、位置追尾のために毎
日使用できる実験用GPS衛星が3個またはそれ以上である
時間は増加している。更に、実験用GPS衛星は(及び他の
全ては、一旦展開すると)正確に予測可能である。ビー
クル102上のGPS受信機に対するこれらのGPS衛星の相対
位置、即ち“擬似距離"は、電磁信号から2つの方法によ
って決定できる。1つの方法は、発射される電磁信号の
送信と受信との間の伝播時間遅延を測定することであ
る。NAVSTAR GPSでは、電磁信号は、それらの信号がGPS
衛星から送信される時刻で連続的に符号化されている。
受信時刻に注目して、符号化された送信時刻を差し引く
ことによって時間遅延を導出できることは言うまでもな
い。計算された時間遅延と、大気中の電磁波の走行速度
とから、擬似距離を正確に導出することができる。上記
方法を使用して言十算された擬似距離を、本明細書では
“実際の"擬似距離と呼ぶ。別の方法は、周回するGPS衛
星から送信される電磁信号内に符号化されている衛星位
置データを包含する。INAVSTAR GPSのGPS衛星の位置デ
ータに関する暦データが公的に入手できる。もし受信機
位置が知られていれば、電磁信号内に符号化されている
データに関するこの暦データを参照することによって、
擬似距離の正確な導出が可能である。この方法を使用し
て計算された擬似距離を、本明細書では“推定"擬似距
離と呼ぶ。しかしながら、推定擬似距離を導出する従来
の方法においては、衛星位置データがGPS衛星において
毎正時に1回だけしか更新されないことに注目すべきで
ある。従って、更新された衛星位置データを使用して新
しい擬似距離を計算する場合には、擬似距離の精度は次
の正時までは各正時からの時間と共に低下する。再び図
1Aを参照する。この図には完全に機能しているNAVSTAR
GPSの構成の概要が示されている。24個の各GPS衛星132-
170は電磁信号を送信し、これらの電磁信号はビークル1
02の絶対地上位置(即ち、地球172の中心に対するする緯
度、経度、及び高度)を決定るために使用することがで
きる。具体的に言えば、少なくとも3個の周回GPS衛星13
2-170の相対位置を知ることによって、三角法を含む簡
単な幾何学理論を使用してビークル102の絶対地上位置
を計算することができる。この地上位置推定の精度は、
部分的に、ビークル102がサンプルする周回GPS衛星132-
170の数に依存する。より多くのGPS衛星132-170のサン
プリングを計算に入れれば、地上位置推定の精度は向上
する。ビークル102の回路と種々のGPS衛星132-170との
間の回路時計差が誤差をもたらすので、伝統的に、3個
ではなく4個のGPS衛星をサンプルして各地上位置推定を
決定している。NAVSTAR GPSでは、電磁信号は全てのGPS
衛星132-170から単一の搬送波周波数で連続的に送信さ
れる。しかし、各GPS衛星132-170は異なる変調計画を有
し、それによって電磁信号を区別できるようになってい
る。NAVSTAR GPSでは、搬送波周波数は、各GPS衛星に独
特な擬似2進コード信号(データビット流)を使用して変
調されている。この擬似2進コード信号が搬送波周波数
を2相変調するために使用される。従って搬送波周波数
を復調すればNAVSTAR GPS内の周回GPS衛星を識別するこ
とができる。
【００２９】更にNAVSTAR GPSには、擬似ランダム数(PR
N)信号を使用する2つの搬送波変調モードが含まれる。
“粗/収集"(C/A)モードと呼ぶ一方のモードでは、PRN信
号は1.023MHzのチップレートを有するゴールドコードシ
ーケンスである。ゴールドコードシーケンスは当分野で
は周知の、普通の擬似ランダムシーケンスである。擬似
ランダムコードシーケンスのチップレートは、シーケン
ス内にチップが生成されるレートである。従って、チッ
プレートは、コード繰り返しレートをそのコード内のメ
ンバーの数で除した値に等しい。従って、NAVSTAR GPS
の粗/収集モードでは、各ゴールドコードシーケンス内
に1,023チップが存在し、シーケンスは1ミリ秒毎に繰り
返される。4個の周回GPS衛星からの1.023MHzのゴールド
コードシーケンスを使用すると、ビークル102の地上位
置を60乃至300メートル以内の近似精度で決定すること
ができる。NAVSTAR GPSの第2の変調モードは、一般に
“精密"または“保護"(P)モ一ドと呼ばれている。Pモー
ドでは、擬似ランダムコードは10.23MHzのチップレート
を有している。更に、Pモードシーケンスは極めて長
く、シーケンスは267日に1回以上繰り返すことはない。
その結果、ビークル102の地上位置を16乃至30メートル
の近似精度で決定することができる。しかしながら、P
モードシーケィスは機密扱いされており、合衆国政府に
よって一般には利用できないようになっている。換言す
れば、Pモードは合衆国政府によって承認された地球受
信機だけが使用するようになっているのである。地球受
信機が、異なる周回GPS衛星からの種々のC/A信号を区別
できるようにするために、通常は地球受信機は局部的に
生成されるゴールドコードシーケンスのための複数の異
なるゴールドコード源を含んでいる。局部的に導出され
る各ゴ一ルドコードシーケンスは、各GPS衛星からの各
独特なゴールドコードシーケンスに対応する。局部的に
導出されたゴールドコードシーケンスと、送信されたゴ
ールドコードシーケンスとは、1ミリ秒のゴールドコー
ドシーケンス周期にわたって互いに相互相関される。局
部的に導出されるゴールドコードシーケンスの位相は、
最大の相互相関関数が得られるまでチップ毎に、次いで
チップ内で変化する。1,023ビットの長さを有する2つの
ゴールドコードシーケンスの相互相関は、他の如何なる
ゴールドコードシーケンスの組合わせの相互相関関数よ
りほぼ16倍は大きいから、局部的に導出されたゴールド
コードシーケンスをGPS衛星の1つから送信された同一ゴ
ールドコードシーケンスにロックすることは比較的容易
である。
N)信号を使用する2つの搬送波変調モードが含まれる。
“粗/収集"(C/A)モードと呼ぶ一方のモードでは、PRN信
号は1.023MHzのチップレートを有するゴールドコードシ
ーケンスである。ゴールドコードシーケンスは当分野で
は周知の、普通の擬似ランダムシーケンスである。擬似
ランダムコードシーケンスのチップレートは、シーケン
ス内にチップが生成されるレートである。従って、チッ
プレートは、コード繰り返しレートをそのコード内のメ
ンバーの数で除した値に等しい。従って、NAVSTAR GPS
の粗/収集モードでは、各ゴールドコードシーケンス内
に1,023チップが存在し、シーケンスは1ミリ秒毎に繰り
返される。4個の周回GPS衛星からの1.023MHzのゴールド
コードシーケンスを使用すると、ビークル102の地上位
置を60乃至300メートル以内の近似精度で決定すること
ができる。NAVSTAR GPSの第2の変調モードは、一般に
“精密"または“保護"(P)モ一ドと呼ばれている。Pモー
ドでは、擬似ランダムコードは10.23MHzのチップレート
を有している。更に、Pモードシーケンスは極めて長
く、シーケンスは267日に1回以上繰り返すことはない。
その結果、ビークル102の地上位置を16乃至30メートル
の近似精度で決定することができる。しかしながら、P
モードシーケィスは機密扱いされており、合衆国政府に
よって一般には利用できないようになっている。換言す
れば、Pモードは合衆国政府によって承認された地球受
信機だけが使用するようになっているのである。地球受
信機が、異なる周回GPS衛星からの種々のC/A信号を区別
できるようにするために、通常は地球受信機は局部的に
生成されるゴールドコードシーケンスのための複数の異
なるゴールドコード源を含んでいる。局部的に導出され
る各ゴ一ルドコードシーケンスは、各GPS衛星からの各
独特なゴールドコードシーケンスに対応する。局部的に
導出されたゴールドコードシーケンスと、送信されたゴ
ールドコードシーケンスとは、1ミリ秒のゴールドコー
ドシーケンス周期にわたって互いに相互相関される。局
部的に導出されるゴールドコードシーケンスの位相は、
最大の相互相関関数が得られるまでチップ毎に、次いで
チップ内で変化する。1,023ビットの長さを有する2つの
ゴールドコードシーケンスの相互相関は、他の如何なる
ゴールドコードシーケンスの組合わせの相互相関関数よ
りほぼ16倍は大きいから、局部的に導出されたゴールド
コードシーケンスをGPS衛星の1つから送信された同一ゴ
ールドコードシーケンスにロックすることは比較的容易
である。
【００３０】地球受信機の視野内の少なくとも4個のGPS
衛星からのゴールドコードシーケンスは、このようにし
て、局部的に導出された各ゴールドコードシーケンスに
順次に応答する単一のチャネルを使用するか、または代
替として、異なるゴールドコードシーケンスに同時に応
答する並列チャネルを使用することによって分離され
る。4つのゴールドコードシーケンスを地球受信機の視
野内の4個のGPS衛星から受信したゴールドコードシーケ
ンスと同相にロックした後は、地球受信機の相対位置は
約60乃至300メートルの精度で決定できる。NAVSTAR GPS
の上記近似精度は、(1)地球受信機が実際に応答する信
号を送信中のGPS衛星の数と、(2)受信信号の可変振幅
と、(3)異なるGPS衛星から受信した信号間の相互相関ピ
ークの大きさとによって影響を受ける。
衛星からのゴールドコードシーケンスは、このようにし
て、局部的に導出された各ゴールドコードシーケンスに
順次に応答する単一のチャネルを使用するか、または代
替として、異なるゴールドコードシーケンスに同時に応
答する並列チャネルを使用することによって分離され
る。4つのゴールドコードシーケンスを地球受信機の視
野内の4個のGPS衛星から受信したゴールドコードシーケ
ンスと同相にロックした後は、地球受信機の相対位置は
約60乃至300メートルの精度で決定できる。NAVSTAR GPS
の上記近似精度は、(1)地球受信機が実際に応答する信
号を送信中のGPS衛星の数と、(2)受信信号の可変振幅
と、(3)異なるGPS衛星から受信した信号間の相互相関ピ
ークの大きさとによって影響を受ける。
【００３１】図7を参照する。GPS処理システム700はGPS
衛星132-170からのGPSデータ及び1または複数の擬似衛
星105からの擬似衛星データを処理する。更に、GPS受信
機706は種々のCPS衛星132-170からのC/A信号を解号す
る。図2に、NAVSTAR GPSの4個のGPS衛星200-206に関す
る航法方程式212を示す。4個のGPS衛星200、202、204及
び206はそれぞれ擬似距離R0、R2、R4、及びR6を有し、
ビークル102によって認識されたGPS衛星132-170の現星
座を構成している。航法方程式212は、GPS衛星200-206
とビークル102との間の時計バイアスCbを含む。航法方
程式212は擬似距離R0、R2、R4、及びR6を使用してビー
クル102の経度及び緯度を計算するために使用される。
記述ブロック208内に示すように、各GPS衛星200、202、
204及び206は、タイミングデータ(GPS時刻)と天体暦デ
ータとを含むGPSデータを送信する。当分野では周知の
航法方程式212と、上記タイミングデータとを使用すれ
ば、GPS処理システム700は擬似距離RO、R2、R4、及びR6
(実際の擬似距離と呼ぶ)を推定することができる。更
に、上記天体暦データと地球172上の暦データを使用す
れば、GPS処理システムは擬似距離RO、R2、R4、及びR6
(推定擬似距離と呼ぶ)を推定することができる。
衛星132-170からのGPSデータ及び1または複数の擬似衛
星105からの擬似衛星データを処理する。更に、GPS受信
機706は種々のCPS衛星132-170からのC/A信号を解号す
る。図2に、NAVSTAR GPSの4個のGPS衛星200-206に関す
る航法方程式212を示す。4個のGPS衛星200、202、204及
び206はそれぞれ擬似距離R0、R2、R4、及びR6を有し、
ビークル102によって認識されたGPS衛星132-170の現星
座を構成している。航法方程式212は、GPS衛星200-206
とビークル102との間の時計バイアスCbを含む。航法方
程式212は擬似距離R0、R2、R4、及びR6を使用してビー
クル102の経度及び緯度を計算するために使用される。
記述ブロック208内に示すように、各GPS衛星200、202、
204及び206は、タイミングデータ(GPS時刻)と天体暦デ
ータとを含むGPSデータを送信する。当分野では周知の
航法方程式212と、上記タイミングデータとを使用すれ
ば、GPS処理システム700は擬似距離RO、R2、R4、及びR6
(実際の擬似距離と呼ぶ)を推定することができる。更
に、上記天体暦データと地球172上の暦データを使用す
れば、GPS処理システムは擬似距離RO、R2、R4、及びR6
(推定擬似距離と呼ぶ)を推定することができる。
【００３２】2．動作 図6に、動作中の代表的なGPS星座を示す。4個のGPS衛星
200、202、204及び206はGPSデータを送信する。ビーク
ル102及びべ一スステーション188の両者は、これらの各
GPS衛星200、202、204及び206からのこれらの信号を、
それぞれGPSアンテナ312及び316で受信する。好ましい
実施例では、C/Aコード及び搬送波周波数の両者がGPSア
ンテナ312及び316で受信され、処理される。図6には、4
個のGPS衛星の他に、擬似衛星105が示されている。図6
に示すように、1または複数の擬似衛星105はどのような
鉱坑の境界の周囲に戦略的に配置することもでき、また
GPS衛星200、202、204及び206に似せることができる。
この配列は、高い鉱坑壁のような地形的な特色のために
採鉱ビークルがGPS衛星200、202、204及び206の1または
それ以上の視界から消えるような鉱坑、空洞等のような
状況に極めて有用とすることができる。大地をべ一スと
する1または複数の擬似衛星105は付加的な測距信号を供
給し、従って本発明における位置決め能力の可用性(利
用可能度)及び精度を改善することができる。1または複
数の擬似衛星105はCPS衛星200、202、204及び206と同期
されており、GPS衛星200、202、204及び206の信号構造
とは異なってはいるが両立可能な信号構造を有してい
る。更に、ビークル102と1または複数の擬似衛星105と
の間の距離(レンジ)は、ビークル102とGPS衛星200、20
2、204及び206の1つとの間の距離と同様に計算される。
1または複数の擬似衛星105を使用すれば、測距誤差は選
択可用性も、電離層誤差も含まない。しかし対流圏誤
差、擬似衛星時計誤差、及び多重経路誤差のような他の
誤差は斟酌しなければならない。深い露天堀り採鉱作業
では、鉱坑内のビークル102からの空の視界は、鉱坑壁
によって制限されることがあり得る。そのためGPS処理
システム700の視界内には、第1位置推定を適切に導出す
るのに十分な数のGPS衛星は存在しないかも知れない。
このような場合、本発明では、1またはそれ以上の擬似
衛星105を二次的な源として働かせることができる。1ま
たは複数の擬似衛星105を鉱山の縁に、または他の場所
に配置することができる。1または複数の擬似衛星105
は、正確な第1位置推定を得るために何れかの可視GPS衛
星と共に使用することができる。GPS衛星を支援するため
に、またはGPS衛星からGPSデータを受信する必要を完全
に排除するような他の形状の二次的な源も実現可能であ
る。更に、レーザ走査技術を利用して二次的な参照源か
らビークル102までの局所化された測距データを得るこ
とができる。
200、202、204及び206はGPSデータを送信する。ビーク
ル102及びべ一スステーション188の両者は、これらの各
GPS衛星200、202、204及び206からのこれらの信号を、
それぞれGPSアンテナ312及び316で受信する。好ましい
実施例では、C/Aコード及び搬送波周波数の両者がGPSア
ンテナ312及び316で受信され、処理される。図6には、4
個のGPS衛星の他に、擬似衛星105が示されている。図6
に示すように、1または複数の擬似衛星105はどのような
鉱坑の境界の周囲に戦略的に配置することもでき、また
GPS衛星200、202、204及び206に似せることができる。
この配列は、高い鉱坑壁のような地形的な特色のために
採鉱ビークルがGPS衛星200、202、204及び206の1または
それ以上の視界から消えるような鉱坑、空洞等のような
状況に極めて有用とすることができる。大地をべ一スと
する1または複数の擬似衛星105は付加的な測距信号を供
給し、従って本発明における位置決め能力の可用性(利
用可能度)及び精度を改善することができる。1または複
数の擬似衛星105はCPS衛星200、202、204及び206と同期
されており、GPS衛星200、202、204及び206の信号構造
とは異なってはいるが両立可能な信号構造を有してい
る。更に、ビークル102と1または複数の擬似衛星105と
の間の距離(レンジ)は、ビークル102とGPS衛星200、20
2、204及び206の1つとの間の距離と同様に計算される。
1または複数の擬似衛星105を使用すれば、測距誤差は選
択可用性も、電離層誤差も含まない。しかし対流圏誤
差、擬似衛星時計誤差、及び多重経路誤差のような他の
誤差は斟酌しなければならない。深い露天堀り採鉱作業
では、鉱坑内のビークル102からの空の視界は、鉱坑壁
によって制限されることがあり得る。そのためGPS処理
システム700の視界内には、第1位置推定を適切に導出す
るのに十分な数のGPS衛星は存在しないかも知れない。
このような場合、本発明では、1またはそれ以上の擬似
衛星105を二次的な源として働かせることができる。1ま
たは複数の擬似衛星105を鉱山の縁に、または他の場所
に配置することができる。1または複数の擬似衛星105
は、正確な第1位置推定を得るために何れかの可視GPS衛
星と共に使用することができる。GPS衛星を支援するため
に、またはGPS衛星からGPSデータを受信する必要を完全
に排除するような他の形状の二次的な源も実現可能であ
る。更に、レーザ走査技術を利用して二次的な参照源か
らビークル102までの局所化された測距データを得るこ
とができる。
【００３３】通信チャネル618は、べ一スステーション1
88とビークル102との間の通信リンクを表す。好ましい
実施例では、通信チャネル618は送受信機であるデータ
無線機620及び622によって確立された電磁リンクからな
っている。通信チャネル618は、べ一スステーション188
とビークル102との間のデータ転送に使用される。他の
形状の通信媒体も使用できる。例えば、レーザ走査技術
を利用してべ一スステーション188からビークル102へ情
報を輸送することができる。データ無線機620及び622
は、それぞれべ一スステーション188及びビークル102に
配置されている。無線機620及び622は、べ一スステーシ
ョン188とビークル102との間のデータ交換の責を負う、
データ交換の型に関しては後述する。好ましい実施例に
おいてデータ無線機620及び622として適切に機能する無
線送受信機は、カナダ国モントリオールのDataradio Lt
d．からモデルDR-4800BZとして市販されている。
88とビークル102との間の通信リンクを表す。好ましい
実施例では、通信チャネル618は送受信機であるデータ
無線機620及び622によって確立された電磁リンクからな
っている。通信チャネル618は、べ一スステーション188
とビークル102との間のデータ転送に使用される。他の
形状の通信媒体も使用できる。例えば、レーザ走査技術
を利用してべ一スステーション188からビークル102へ情
報を輸送することができる。データ無線機620及び622
は、それぞれべ一スステーション188及びビークル102に
配置されている。無線機620及び622は、べ一スステーシ
ョン188とビークル102との間のデータ交換の責を負う、
データ交換の型に関しては後述する。好ましい実施例に
おいてデータ無線機620及び622として適切に機能する無
線送受信機は、カナダ国モントリオールのDataradio Lt
d．からモデルDR-4800BZとして市販されている。
【００３４】図7に、GPS処理システム700の好ましい実
施例を示す。ビークル102上のGPS処理システム700はGPS
アンテナ702を含む。好ましい実施例では、GPSアンテナ
702は電磁放射の無線スペクトルを受け入れる。しか
し、本発明はGPS衛星132-170がデータを符号化すること
ができる如何なる信号をも受信することを企図するもの
である。好ましい実施例では、GPSアンテナ702は、マサ
チュセッツ州リトルトンのChu Associates Inc。からモ
デルCA3224として市販されているアンテナである。GPS
アンテナ702は前置増幅器704に結合されているので、GP
Sアンテナ702が受信した信号は前置増幅器704へ伝送す
ることができる。本明細書では”結合”とは、通信を確
立するための何等かのシステム及び方法を意味してい
る。結合システム及び方法は、例えば電子、光学、音響
その他の技術の全てまたは何れかを含むが、詳細な説明
は省略する。好ましい実施例では、結合は一般に電子式
であり、数多くの工業標準の電子インタフェースの何れ
か1つを考えている。前置増幅器704はGPSアンテナ702か
ら受信したGPSデータを増幅し、それを処理し解号でき
るように変換する。本発明は、受信信号を増幅できる何
等かの方法を企図している、好ましい実施例では、前置
増幅器704は、カリフォルニア州サンタクララのTelecom
muications Inc.(STel)から市販されているモデル5300
シリーズGPS RF/IFである。前置増幅器704は、GPS受信
機706に結合されている。GPS受信機706は、GPSアンテナ
702の視界内のGPS衛星200、202、204及び206から送られ
たGPSデータを処理する。各GPS受信機706は、GPS衛星20
0、202、204及び206毎の実際の擬似距離を計算する。本
明細書では実際の擬似距離は、GPS衛星からの電磁信号
の送信と、GPS処理システム700による電磁信号の受信と
の間の時間遅延から導出された擬似距離の推定RO、R2、
R4及びR6として定義されている。更に好ましい実施例で
はGPS受信機706は、GPS衛星200、202、204及び206に関
する実際の擬似距離の全てを並列に処理できる。
施例を示す。ビークル102上のGPS処理システム700はGPS
アンテナ702を含む。好ましい実施例では、GPSアンテナ
702は電磁放射の無線スペクトルを受け入れる。しか
し、本発明はGPS衛星132-170がデータを符号化すること
ができる如何なる信号をも受信することを企図するもの
である。好ましい実施例では、GPSアンテナ702は、マサ
チュセッツ州リトルトンのChu Associates Inc。からモ
デルCA3224として市販されているアンテナである。GPS
アンテナ702は前置増幅器704に結合されているので、GP
Sアンテナ702が受信した信号は前置増幅器704へ伝送す
ることができる。本明細書では”結合”とは、通信を確
立するための何等かのシステム及び方法を意味してい
る。結合システム及び方法は、例えば電子、光学、音響
その他の技術の全てまたは何れかを含むが、詳細な説明
は省略する。好ましい実施例では、結合は一般に電子式
であり、数多くの工業標準の電子インタフェースの何れ
か1つを考えている。前置増幅器704はGPSアンテナ702か
ら受信したGPSデータを増幅し、それを処理し解号でき
るように変換する。本発明は、受信信号を増幅できる何
等かの方法を企図している、好ましい実施例では、前置
増幅器704は、カリフォルニア州サンタクララのTelecom
muications Inc.(STel)から市販されているモデル5300
シリーズGPS RF/IFである。前置増幅器704は、GPS受信
機706に結合されている。GPS受信機706は、GPSアンテナ
702の視界内のGPS衛星200、202、204及び206から送られ
たGPSデータを処理する。各GPS受信機706は、GPS衛星20
0、202、204及び206毎の実際の擬似距離を計算する。本
明細書では実際の擬似距離は、GPS衛星からの電磁信号
の送信と、GPS処理システム700による電磁信号の受信と
の間の時間遅延から導出された擬似距離の推定RO、R2、
R4及びR6として定義されている。更に好ましい実施例で
はGPS受信機706は、GPS衛星200、202、204及び206に関
する実際の擬似距離の全てを並列に処理できる。
【００３５】本発明の好ましい実施例では、GPS受信機7
06は、4個またはそれ以上のGPS衛星が見えている時にこ
のデータを生成する。本明細書のII.F.2.において説明
する差動修正技術を使用すれば、GPS処理システム700
は、4個のGPS衛星200、202、204及び206の最適星座が見
える時には約25メートルの精度で第1位置推定を（GPSプ
ロセッサ710において)計算することができる。視界内に
5個のGPS衛星の最適星座がある時には(図示してない)、
約15メートルの精度で第1位置推定を計算することがで
きる。“最適"星座とは、空間内のGPS衛星の相対位置が
周知の優れた三角測量能力を提供するような星座のこと
である。好ましい実施例では、GPS受信機706は実際の擬
似距離と、現在サンプル中のGPS衛星132-170の数とを出
力する。一連の第1位置推定のために見えているGPS衛星
132-170の数が4個より少ない場合には、好ましい実施例
のVPS重み付きコンバイナ1204(図12及びその説明参照)
は、GPS処理システム700(具体的にはGPSプロセッサ710)
から受信した第1位置推定を第3位置推定の計算には使用
しない。
06は、4個またはそれ以上のGPS衛星が見えている時にこ
のデータを生成する。本明細書のII.F.2.において説明
する差動修正技術を使用すれば、GPS処理システム700
は、4個のGPS衛星200、202、204及び206の最適星座が見
える時には約25メートルの精度で第1位置推定を（GPSプ
ロセッサ710において)計算することができる。視界内に
5個のGPS衛星の最適星座がある時には(図示してない)、
約15メートルの精度で第1位置推定を計算することがで
きる。“最適"星座とは、空間内のGPS衛星の相対位置が
周知の優れた三角測量能力を提供するような星座のこと
である。好ましい実施例では、GPS受信機706は実際の擬
似距離と、現在サンプル中のGPS衛星132-170の数とを出
力する。一連の第1位置推定のために見えているGPS衛星
132-170の数が4個より少ない場合には、好ましい実施例
のVPS重み付きコンバイナ1204(図12及びその説明参照)
は、GPS処理システム700(具体的にはGPSプロセッサ710)
から受信した第1位置推定を第3位置推定の計算には使用
しない。
【００３６】好ましい実施例のCPS受信機706は、Stanfo
rd Te1ecommunications Inc.製モデル5305-NSI受信機か
らなる。しかし、実際の擬似距離と、サンブル中のGPS
衛星の数とを出力できる如何なる受信機を使用しても差
し支えない。 好ましい実施例に使用されている受信機の型のために、
GPS受信機706はGPS相互通信プロセッサ708に結合されて
いる。好ましい実施例では、相互通信プロセッサ708は
U.S.A.イリノイ州ショームバーグのMotorola Inc.から
市販されている68000マイクロプロセッサである。以下
に説明する目的と同一の目的を遂行するために、如何な
るプロセッサも単独で、またはGPS受信機706と組合せて
使用することができる。GPS相互通信プロセッサ708は更
に、GPSプロセッサ710及びGPSコンソール1712に結合さ
れている。GPS相互通信プロセッサ708は、これら3つの
装置間のデータ交換を調製する。即ち、GPS相互通信プ
ロセッサ708は、GPS受信機706から受信した擬似距離デ
ータをGPSプロセッサ710へ渡す。擬似距離は、例えばGP
S受信機706が計算した実際の擬似距離と、GPS受信機706
が現在見ているGPS衛星200、202、204及び206の数と、
各GPS衛星200、202、204及び206毎にGPSプロセッサ710
が推定擬似距離を計算するために必要な他のGPSデータ
とを含む。GPS相互通信プロセッサ708は、GPS受信機706
及びGPSプロセッサ710に関するステータス情報もGPSコ
ンソール1712へ中継する。GPS相互通信プロセッサ708
は、上記情報をGPSプロセッサ710へ伝送する。る。好ま
しい実施例では、GPSプロセッサ710はMotorola Inc.か
ら市販されている68020マイクロプロセッサからなる。
図8はGPSプロセッサ710内のソフトウエアの機能を示す
低水準流れ図800である。GPSプロセッサ710は受信した
データを処理するために、例えば図8に示すGPSカルマン
フィルタ802を含む多くのアルゴリズム及び方法を使用
する。カルマンフィルタ802は当分野では公知である。好
ましい実施例では、GPSカルマンフィルタ802はGPSプロ
セッサ７1Oのソフトウェア内のモジュールである。カル
マンフィルタ802の機能は、部分的に、擬似距離データ
に付随する雑音を濾波して排除することである。この雑
音には、例えば電離層、時計及び受信機の全てまたは何
れかの雑音が含まれる。べ一スステーション188に配置
されているホスト処理システム186のGPSカルマンフィル
タ802は、第1位置推定の精度を向上させるために(本明
細書のII.F.2.参照)ビークル102へ伝送される空間バイ
アス及び時計バイアスを計算する。これに対してビーク
ル102内のGPSカルマンフィルタ802は、べ一スステーシ
ョン188から受信する空間バイアス及び時計バイアスを
斟酌する。GPSカルマンフィルタ802は、半適応的に機能
する。換言すれば、GPSカルマンフィルタ802はビークル
102の速度に依存して、受け入れ可能なデータ動揺のし
きい値を自動的に変更する。本明細書では“動揺"とは、
正規のコースからのずれを意味する。GPSカルマンフィ
ルタ802の半適応的な機能が、本発明の応答及び精度を
最適化する。要約すれば、ビークル102がその速度を指
定された量だけ増加させると、GPSカルマンフィルタ802
はその受け入れ可能なデータ動揺のしきい値を上昇させ
る。同様に、ビークル102がその速度を指定された量だ
け減少させると、GPSカルマンフィルタ802はその受け入
れ可能なデータ動揺のしきい値を低下させる。本発明の
この自動最適化技術は、移動及び静止の両状態の下で最
高度の精度を提供する。
rd Te1ecommunications Inc.製モデル5305-NSI受信機か
らなる。しかし、実際の擬似距離と、サンブル中のGPS
衛星の数とを出力できる如何なる受信機を使用しても差
し支えない。 好ましい実施例に使用されている受信機の型のために、
GPS受信機706はGPS相互通信プロセッサ708に結合されて
いる。好ましい実施例では、相互通信プロセッサ708は
U.S.A.イリノイ州ショームバーグのMotorola Inc.から
市販されている68000マイクロプロセッサである。以下
に説明する目的と同一の目的を遂行するために、如何な
るプロセッサも単独で、またはGPS受信機706と組合せて
使用することができる。GPS相互通信プロセッサ708は更
に、GPSプロセッサ710及びGPSコンソール1712に結合さ
れている。GPS相互通信プロセッサ708は、これら3つの
装置間のデータ交換を調製する。即ち、GPS相互通信プ
ロセッサ708は、GPS受信機706から受信した擬似距離デ
ータをGPSプロセッサ710へ渡す。擬似距離は、例えばGP
S受信機706が計算した実際の擬似距離と、GPS受信機706
が現在見ているGPS衛星200、202、204及び206の数と、
各GPS衛星200、202、204及び206毎にGPSプロセッサ710
が推定擬似距離を計算するために必要な他のGPSデータ
とを含む。GPS相互通信プロセッサ708は、GPS受信機706
及びGPSプロセッサ710に関するステータス情報もGPSコ
ンソール1712へ中継する。GPS相互通信プロセッサ708
は、上記情報をGPSプロセッサ710へ伝送する。る。好ま
しい実施例では、GPSプロセッサ710はMotorola Inc.か
ら市販されている68020マイクロプロセッサからなる。
図8はGPSプロセッサ710内のソフトウエアの機能を示す
低水準流れ図800である。GPSプロセッサ710は受信した
データを処理するために、例えば図8に示すGPSカルマン
フィルタ802を含む多くのアルゴリズム及び方法を使用
する。カルマンフィルタ802は当分野では公知である。好
ましい実施例では、GPSカルマンフィルタ802はGPSプロ
セッサ７1Oのソフトウェア内のモジュールである。カル
マンフィルタ802の機能は、部分的に、擬似距離データ
に付随する雑音を濾波して排除することである。この雑
音には、例えば電離層、時計及び受信機の全てまたは何
れかの雑音が含まれる。べ一スステーション188に配置
されているホスト処理システム186のGPSカルマンフィル
タ802は、第1位置推定の精度を向上させるために(本明
細書のII.F.2.参照)ビークル102へ伝送される空間バイ
アス及び時計バイアスを計算する。これに対してビーク
ル102内のGPSカルマンフィルタ802は、べ一スステーシ
ョン188から受信する空間バイアス及び時計バイアスを
斟酌する。GPSカルマンフィルタ802は、半適応的に機能
する。換言すれば、GPSカルマンフィルタ802はビークル
102の速度に依存して、受け入れ可能なデータ動揺のし
きい値を自動的に変更する。本明細書では“動揺"とは、
正規のコースからのずれを意味する。GPSカルマンフィ
ルタ802の半適応的な機能が、本発明の応答及び精度を
最適化する。要約すれば、ビークル102がその速度を指
定された量だけ増加させると、GPSカルマンフィルタ802
はその受け入れ可能なデータ動揺のしきい値を上昇させ
る。同様に、ビークル102がその速度を指定された量だ
け減少させると、GPSカルマンフィルタ802はその受け入
れ可能なデータ動揺のしきい値を低下させる。本発明の
この自動最適化技術は、移動及び静止の両状態の下で最
高度の精度を提供する。
【００３７】本発明の最良モードでは、GPSカルマンフ
ィルタ802のしきい値は連続的に、または極めて微小な
離散した間隔で変化するのではない。そうではなく、こ
れらの間隔はより大きく離散した間隔であり、従って、
連続的に変化するフィルタより精度は低下する。しか
し、本発明のカルマンフィルタ802は連続的に変化する
フィルタより実現が容易であり、低価格であり、計算時
間が少なくて済む。しかしながら、連続的に変化するフ
ィルタを使用することは可能であり、またそのことも本
発明に含まれていることを理解すべきである。動作させ
るためには、システムの始動時にGPSカルマンフィルタ8
02に初期値を与えなければならない。この初期値とGPS
受信機706が収集したGPSデータとから、GPSカルマンフ
ィルタ802は現在の状態(第1位置推定と、北進、東進のた
めのビークル速度及び高度とを含む)を補外する。GPSカ
ルマンフィルタ802は循環的に動作する、換言すれば、
補外された現在の状態が次の繰り返しのための初期値で
あると見傲されるのである。これは新しいGPSデータ(更
新)と組合わされ/濾波されて新しい現在の状態が導出さ
れる。
ィルタ802のしきい値は連続的に、または極めて微小な
離散した間隔で変化するのではない。そうではなく、こ
れらの間隔はより大きく離散した間隔であり、従って、
連続的に変化するフィルタより精度は低下する。しか
し、本発明のカルマンフィルタ802は連続的に変化する
フィルタより実現が容易であり、低価格であり、計算時
間が少なくて済む。しかしながら、連続的に変化するフ
ィルタを使用することは可能であり、またそのことも本
発明に含まれていることを理解すべきである。動作させ
るためには、システムの始動時にGPSカルマンフィルタ8
02に初期値を与えなければならない。この初期値とGPS
受信機706が収集したGPSデータとから、GPSカルマンフ
ィルタ802は現在の状態(第1位置推定と、北進、東進のた
めのビークル速度及び高度とを含む)を補外する。GPSカ
ルマンフィルタ802は循環的に動作する、換言すれば、
補外された現在の状態が次の繰り返しのための初期値で
あると見傲されるのである。これは新しいGPSデータ(更
新)と組合わされ/濾波されて新しい現在の状態が導出さ
れる。
【００３８】GPSデータを使用する方法は、制御ファイ
ル820と呼ばれる演繹的に保管されたファイルに依存す
る。制御ファイル820は、(1)雑音しきい値、(2)応答の
速さ、(3)ビークル位置及び速度の初期状態、(4)GPSカ
ルマンフィルタ802のリセットが行われる前のずれの程
度、(5)許容される不良測定の数、及び(6)測定に割り当
てられた時間の全てまたは何れかを決定する。次いでGP
Sプロセッサ710は上述の現在の状態と、時計バイアス及
び空間バイアスを含む何等かのバイアスとを使用して、
推定擬似距離と、第1位置推定と、ビークル速度(ドップ
ラ偏移)とを計算する。しかし、ビークル速度を導出す
るために搬送波周波数ではなくC/AコードがGPS受信機70
6によって使用される場合には、GPSプロセッサ710は計
算した速度データを破棄する。ビークル速度を破棄する
理由は、C/Aコードから導出した場合には十分な精度が
得られないことが実験から分かっているからである。搬
送波周波数から導出されるビークル速度(ドップラ偏移)
はC/Aコードから導出される速度よりも遥かに正確であ
る。好ましい実施例では、図10に示すように第1推定位
置(及び、もし搬送波周波数から導出されれば、ビーク
ル速度)はGPS信号716上に符号化され、VPS主プロセッサ
1002へ送られる。前述のように、GPSプロセッサ710は搬
送波周波数及びC/Aコードの両方を解析する。C/Aコード
から解号されるデータとは異なり、データはGPS受信機7
06によって搬送波周波数からほぼ50Hzで(C/Aコードを解
号する場合の約2Hzではなく)検索することができる。こ
の増大した速さによって、本発明は少ない誤差で、より
精密な位置及び速度を決定することができる。
ル820と呼ばれる演繹的に保管されたファイルに依存す
る。制御ファイル820は、(1)雑音しきい値、(2)応答の
速さ、(3)ビークル位置及び速度の初期状態、(4)GPSカ
ルマンフィルタ802のリセットが行われる前のずれの程
度、(5)許容される不良測定の数、及び(6)測定に割り当
てられた時間の全てまたは何れかを決定する。次いでGP
Sプロセッサ710は上述の現在の状態と、時計バイアス及
び空間バイアスを含む何等かのバイアスとを使用して、
推定擬似距離と、第1位置推定と、ビークル速度(ドップ
ラ偏移)とを計算する。しかし、ビークル速度を導出す
るために搬送波周波数ではなくC/AコードがGPS受信機70
6によって使用される場合には、GPSプロセッサ710は計
算した速度データを破棄する。ビークル速度を破棄する
理由は、C/Aコードから導出した場合には十分な精度が
得られないことが実験から分かっているからである。搬
送波周波数から導出されるビークル速度(ドップラ偏移)
はC/Aコードから導出される速度よりも遥かに正確であ
る。好ましい実施例では、図10に示すように第1推定位
置(及び、もし搬送波周波数から導出されれば、ビーク
ル速度)はGPS信号716上に符号化され、VPS主プロセッサ
1002へ送られる。前述のように、GPSプロセッサ710は搬
送波周波数及びC/Aコードの両方を解析する。C/Aコード
から解号されるデータとは異なり、データはGPS受信機7
06によって搬送波周波数からほぼ50Hzで(C/Aコードを解
号する場合の約2Hzではなく)検索することができる。こ
の増大した速さによって、本発明は少ない誤差で、より
精密な位置及び速度を決定することができる。
【００３９】図8には好ましい実施例におけるGPSプロセ
ッサ710の他の機能が示されている。しかし本発明は、G
PSデータを処理して擬似距離を決定できる如何なる方
(法をも意図するものである。流れ図ブロック816に示す
ように、コンソール機能はGPSコンソール2の動作を制御
する。好ましい実施例のコンソール機能は、ユーザイン
タフェースをフィルタ内に設けることによってGPSカル
マンフィルタ802の動作を統制する。VPS通信機能818はV
PS1000へ導かれるGPSカルマンフィルタ802の出力を制御
する。流れ図ブロック806に示すように、GPSカルマンフ
ィルタ802はGPS受信機706からのデータを要求し、解号
する。このデータは流れ図ブロック804に示すようにIPR
OT0機能804を通して導かれる。図示のように、1PROT0機
能804はGPS相互通信プロセッサ708内に常駐し、GPS相互
通信プロセッサ708に関連するタスクを実行する。好ま
しい実施例では、IPROT0機能804はXycom Inc.から市販
されているモデルXVME-081である。流れ図ブロック810
に示すように、通信チャネル618を通して伝達されたデ
ータはIPROT0機能804へ供給される。このデータの大部
分は、最終的にはGPSカルマンフィルタ802を行先とす
る。流れ図ブロック808に示す通信管理者機能は、IPROT
O機能から到来するデータを調整する。通信管理者機能8
08は、流れ図ブロック812に示すICC機能から受信するデ
ータも調整する。図示のようにIcc機能812は、データ無
線機714(GPS相互通信プロセッサ720を介して)とGPSデー
タ収集装置718との間のデータ交換を行う。GPSコンソー
ル712は当分野においては周知である。所望の機能を提
供する多くの型の装置が市販されている。このような1つ
の装置は、マサチュセッツ州メイナードのDigital Equi
pment CorporationからモデルVT220として市販されてい
るものである。GPSコンソール712は、GPS相互通信プロセ
ッサ708及びGPSプロセッサ710に関するプロセッサ活動
データを表示する。 GPSプロセッサ710は、GPSコンソール722とGPS通信イン
タフェースプロセッサ720とに結合されている。GPSコン
ソール722は当分野においては周知である。所望の機能
を提供する多くの型の装置が市販されている。このよう
な装置の1つは、マサチュセッツ州メイナードのDigital
Equipment CorporationからモデルVT220として市販さ
れているものである。GPSコンソール722はユーザインタ
フェースとして作動し、それを通してGPSプロセッサ710
を作動させ、監視することができる。
ッサ710の他の機能が示されている。しかし本発明は、G
PSデータを処理して擬似距離を決定できる如何なる方
(法をも意図するものである。流れ図ブロック816に示す
ように、コンソール機能はGPSコンソール2の動作を制御
する。好ましい実施例のコンソール機能は、ユーザイン
タフェースをフィルタ内に設けることによってGPSカル
マンフィルタ802の動作を統制する。VPS通信機能818はV
PS1000へ導かれるGPSカルマンフィルタ802の出力を制御
する。流れ図ブロック806に示すように、GPSカルマンフ
ィルタ802はGPS受信機706からのデータを要求し、解号
する。このデータは流れ図ブロック804に示すようにIPR
OT0機能804を通して導かれる。図示のように、1PROT0機
能804はGPS相互通信プロセッサ708内に常駐し、GPS相互
通信プロセッサ708に関連するタスクを実行する。好ま
しい実施例では、IPROT0機能804はXycom Inc.から市販
されているモデルXVME-081である。流れ図ブロック810
に示すように、通信チャネル618を通して伝達されたデ
ータはIPROT0機能804へ供給される。このデータの大部
分は、最終的にはGPSカルマンフィルタ802を行先とす
る。流れ図ブロック808に示す通信管理者機能は、IPROT
O機能から到来するデータを調整する。通信管理者機能8
08は、流れ図ブロック812に示すICC機能から受信するデ
ータも調整する。図示のようにIcc機能812は、データ無
線機714(GPS相互通信プロセッサ720を介して)とGPSデー
タ収集装置718との間のデータ交換を行う。GPSコンソー
ル712は当分野においては周知である。所望の機能を提
供する多くの型の装置が市販されている。このような1つ
の装置は、マサチュセッツ州メイナードのDigital Equi
pment CorporationからモデルVT220として市販されてい
るものである。GPSコンソール712は、GPS相互通信プロセ
ッサ708及びGPSプロセッサ710に関するプロセッサ活動
データを表示する。 GPSプロセッサ710は、GPSコンソール722とGPS通信イン
タフェースプロセッサ720とに結合されている。GPSコン
ソール722は当分野においては周知である。所望の機能
を提供する多くの型の装置が市販されている。このよう
な装置の1つは、マサチュセッツ州メイナードのDigital
Equipment CorporationからモデルVT220として市販さ
れているものである。GPSコンソール722はユーザインタ
フェースとして作動し、それを通してGPSプロセッサ710
を作動させ、監視することができる。
【００４０】GPS通信インタフェースプロセッサ720は、
本質的には1/Oボードである。これは、データ無線機714
とGPSデータ収集装置718とに結合されている。GPS通信
インタフェースプロセッサ720は、GPSプロセッサ710
と、データ無線機714及びGPSデータ収集装置718の両者
との間のデータ交換を調整する。好ましい実施例のGPS
通信インタフェースプロセッサ720は、Motorola Inc.、
U.S.A.から市販されているモデルMVME331である。デー
タ無線機714は、べ一スステーション188に搭載され下い
るデータ無線機714に類似したビークル102に搭載されて
いるデータ無線機(図6参照)を介してGPSプロセッサ710
(GPS通信インタフェースプロセッサ720を介して)間に通
信リンクを確立する。好ましい実施例では、データ無線
機714はRF周波数を使用して9600ボーで同期して通信す
る。べ一スステーション188に搭載されているデータ無
線機714は、ビークル102に搭載のデータ無線機714に対
して各衛星毎の空間バイアス及び時計バイアスの量を2H
zのレート(毎秒2回)で周期的に更新する手段を提供す
る。べ一スステーション188による空間バイアス及び時
計バイアスの計算に関しては後述する。GPSデータ収集装
置718は、卓上型コンピュータのような種々の一般的な
電子処理及び記憶装置の何れかであることができる。U.
S.A.フロリダ州ボカレイトンのInternational Business
Machines Corporation(IBM)製のどのパーソナルコンピ
ュータ(PC)ででも実現できる。
本質的には1/Oボードである。これは、データ無線機714
とGPSデータ収集装置718とに結合されている。GPS通信
インタフェースプロセッサ720は、GPSプロセッサ710
と、データ無線機714及びGPSデータ収集装置718の両者
との間のデータ交換を調整する。好ましい実施例のGPS
通信インタフェースプロセッサ720は、Motorola Inc.、
U.S.A.から市販されているモデルMVME331である。デー
タ無線機714は、べ一スステーション188に搭載され下い
るデータ無線機714に類似したビークル102に搭載されて
いるデータ無線機(図6参照)を介してGPSプロセッサ710
(GPS通信インタフェースプロセッサ720を介して)間に通
信リンクを確立する。好ましい実施例では、データ無線
機714はRF周波数を使用して9600ボーで同期して通信す
る。べ一スステーション188に搭載されているデータ無
線機714は、ビークル102に搭載のデータ無線機714に対
して各衛星毎の空間バイアス及び時計バイアスの量を2H
zのレート(毎秒2回)で周期的に更新する手段を提供す
る。べ一スステーション188による空間バイアス及び時
計バイアスの計算に関しては後述する。GPSデータ収集装
置718は、卓上型コンピュータのような種々の一般的な
電子処理及び記憶装置の何れかであることができる。U.
S.A.フロリダ州ボカレイトンのInternational Business
Machines Corporation(IBM)製のどのパーソナルコンピ
ュータ(PC)ででも実現できる。
【００４１】C.移動体位置特定システム(MPS) 好ましい実施例のMPSgOOを図9に示す。MPS9OOは、ビー
クル102の第2位置推定を導出する、通常、この第2位置
推定は第1位置推定と組合わされ、濾波されてより正確
な第3位置推定が導出される。しかしながら、第1位置推
定が明らかに不正確であると考えられる若干の場合に
は、この第2位置推定を第3位置推定として排他的に使用
できる。MPS900の場合、好ましい実施例は走行距離計90
2及びIRU904を組合せる構想である。しかし、走行距離
計902を用いずに、IRU904を使用することが可能であ
る。走行距離計及びIRU904はMPS相互通信プロセッサ906
に結合され、それによってMPS9OOが構成されている。IR
U及び走行距離計は周知であり、それぞれミネソタ州ミ
ネアポリスのHoneywell Inc.からモデルHG1050-SRO1、
及びイリノイ州ペオリアのCaterpillar Inc.から部品番
号7T6337として市販されている。IRU904は、周知設言十
のリングレーザジャイロスコープ及び加速度計を具備す
る。好ましい実施例に使用されているIRU904は、航空機
の位置を決定するためにボーイング767機に使用されて
いるシステムの複製であるが、767機に対してビークル1
02が呈する小さいダイナミックス(例えば、速度)を斟酌
するためにIR0904には変更が加えられている。IRU904
は、ビークル位置を5Hzで、速度を10Hzで、横揺れを50H
zで、縦揺れを50Hzで、そして偏揺れデータを50Hzで出
力することができる。更に好ましい実施例では、ビーク
ル走行距離計902は、ビークル102が走行した距離を20Hz
で出力することができる。IRU904のレーザジャイロスコ
ープを適切に機能させるためには、初めにビール102の
高度の推定を与えなければならない。このデータを基線
位置推定として使用し、次いで所定の較正と地球172の
回転に伴う力とを使用してジャイロスコープはビークル
102の現位置の推定を決定する。次いでIRU904は、この
情報とIRU904加速度計が取得したデータとを組合せてビ
ークルの現位置のより正確な第2位置推定を生成する。I
RU904からの第2位置推定及びビークル走行距離計902か
らのデータは、図9の矢印910及び908によってそれぞれ
示されているように、MPS相互通信プロセッサ906へ伝送
される。構成都晶の精密度の欠如のためにIRU904はビー
クル102の誤りの第2位置推定を供給する恐れがあること
が実験により判明している。詳述すれば、好ましい実施
例では動作中のIRU904の方向出力が、方向北から反時計
方向に漂動することが観測された。この漂動はビークル
102が、従ってIRU904が走行する方向に依存する。更にこ
の漂動はIRU漂動方程式によって定義することができ
る。IRU漂動方程式は、重み付き経路履歴技術(II.H.)に
関して説明する経路方程式の作成、または放物線バイア
ス技術(II.F.2.b.)に関して説明する放物線方程式の作
成に類似して導出することができる。導出後、IRU漂動
方程式を使用してより正確な第2位置推定を補外するこ
とができる。好ましい実施例では、相互通信プロセッサ
1002はMotorola Inc.から市販されている68000マイクロ
プロセッサからなっている。相互通信プロセッサ102
は、MPS900とVPS1OOOとの間のデータの交換を調整す
る。上述したような機能と同一機能を有する如何なるプ
ロセッサも使用可能である。
クル102の第2位置推定を導出する、通常、この第2位置
推定は第1位置推定と組合わされ、濾波されてより正確
な第3位置推定が導出される。しかしながら、第1位置推
定が明らかに不正確であると考えられる若干の場合に
は、この第2位置推定を第3位置推定として排他的に使用
できる。MPS900の場合、好ましい実施例は走行距離計90
2及びIRU904を組合せる構想である。しかし、走行距離
計902を用いずに、IRU904を使用することが可能であ
る。走行距離計及びIRU904はMPS相互通信プロセッサ906
に結合され、それによってMPS9OOが構成されている。IR
U及び走行距離計は周知であり、それぞれミネソタ州ミ
ネアポリスのHoneywell Inc.からモデルHG1050-SRO1、
及びイリノイ州ペオリアのCaterpillar Inc.から部品番
号7T6337として市販されている。IRU904は、周知設言十
のリングレーザジャイロスコープ及び加速度計を具備す
る。好ましい実施例に使用されているIRU904は、航空機
の位置を決定するためにボーイング767機に使用されて
いるシステムの複製であるが、767機に対してビークル1
02が呈する小さいダイナミックス(例えば、速度)を斟酌
するためにIR0904には変更が加えられている。IRU904
は、ビークル位置を5Hzで、速度を10Hzで、横揺れを50H
zで、縦揺れを50Hzで、そして偏揺れデータを50Hzで出
力することができる。更に好ましい実施例では、ビーク
ル走行距離計902は、ビークル102が走行した距離を20Hz
で出力することができる。IRU904のレーザジャイロスコ
ープを適切に機能させるためには、初めにビール102の
高度の推定を与えなければならない。このデータを基線
位置推定として使用し、次いで所定の較正と地球172の
回転に伴う力とを使用してジャイロスコープはビークル
102の現位置の推定を決定する。次いでIRU904は、この
情報とIRU904加速度計が取得したデータとを組合せてビ
ークルの現位置のより正確な第2位置推定を生成する。I
RU904からの第2位置推定及びビークル走行距離計902か
らのデータは、図9の矢印910及び908によってそれぞれ
示されているように、MPS相互通信プロセッサ906へ伝送
される。構成都晶の精密度の欠如のためにIRU904はビー
クル102の誤りの第2位置推定を供給する恐れがあること
が実験により判明している。詳述すれば、好ましい実施
例では動作中のIRU904の方向出力が、方向北から反時計
方向に漂動することが観測された。この漂動はビークル
102が、従ってIRU904が走行する方向に依存する。更にこ
の漂動はIRU漂動方程式によって定義することができ
る。IRU漂動方程式は、重み付き経路履歴技術(II.H.)に
関して説明する経路方程式の作成、または放物線バイア
ス技術(II.F.2.b.)に関して説明する放物線方程式の作
成に類似して導出することができる。導出後、IRU漂動
方程式を使用してより正確な第2位置推定を補外するこ
とができる。好ましい実施例では、相互通信プロセッサ
1002はMotorola Inc.から市販されている68000マイクロ
プロセッサからなっている。相互通信プロセッサ102
は、MPS900とVPS1OOOとの間のデータの交換を調整す
る。上述したような機能と同一機能を有する如何なるプ
ロセッサも使用可能である。
【００４２】D.ビークル位置特定システム(VPS) 図10に、VPS1000のアーキテクチャの好ましい実施例を
示す。図11はGPS処理システム700とMPS9OOとに接続され
ているVPS1000の詳細図である。 GPS処理システム700及びMPS900は、独立的にVPS主プロ
セッサ1002に結合されている。この独立的な結合が、本
発明の重要な新規特色である。これらが独立しているた
めに、一方のシステムが障害を起こしても他方のシステ
ムが作動不能になることはない。例えば、GPS処理シス
テム700が作動しなくても、データはMPS9OOによって、
従ってVPS1O00によって収集され、処理される。GPS処理
システム700及びMPS９OOは、図示のように信号716、90
8、及び910をVPS主プロセッサ1O02へ伝送する。これら
の信号は、位置、速度、時刻、縦揺れ、横揺れ、偏揺
れ、及び距離を含む(図7及び9、並びにそれらの説明を
参照されたい)。VPS主プロセッサ1O02は、VPSＩ/Oプロ
セッサ1004に結合されている。VPS主プロセッサ1O02
は、図示のように信号1008をVPSＩ/0プロセッサ1004へ
伝送する。この信号1008は第3位置推定からなる。第3位
置推定は上記GPS、ＩRU及び走行距離計から、具体的に
はビークル102の第1及び第2位置推定から導出されたも
のである。本発明は、矢印716、908及び910によって示
されている信号を、VPS主プロセッサ1002がCPS処理シス
テム700及びMPS900から受信し、それらをVPSＩ/Oプロセ
ッサ1O04へ転送できるような何等かのシステム及び方法
を企図している。VPS主プロセッサ1002はMotorola In
c.、U.S.A.から市販されている68020マイクロプロセッサ
である。
示す。図11はGPS処理システム700とMPS9OOとに接続され
ているVPS1000の詳細図である。 GPS処理システム700及びMPS900は、独立的にVPS主プロ
セッサ1002に結合されている。この独立的な結合が、本
発明の重要な新規特色である。これらが独立しているた
めに、一方のシステムが障害を起こしても他方のシステ
ムが作動不能になることはない。例えば、GPS処理シス
テム700が作動しなくても、データはMPS9OOによって、
従ってVPS1O00によって収集され、処理される。GPS処理
システム700及びMPS９OOは、図示のように信号716、90
8、及び910をVPS主プロセッサ1O02へ伝送する。これら
の信号は、位置、速度、時刻、縦揺れ、横揺れ、偏揺
れ、及び距離を含む(図7及び9、並びにそれらの説明を
参照されたい)。VPS主プロセッサ1O02は、VPSＩ/Oプロ
セッサ1004に結合されている。VPS主プロセッサ1O02
は、図示のように信号1008をVPSＩ/0プロセッサ1004へ
伝送する。この信号1008は第3位置推定からなる。第3位
置推定は上記GPS、ＩRU及び走行距離計から、具体的に
はビークル102の第1及び第2位置推定から導出されたも
のである。本発明は、矢印716、908及び910によって示
されている信号を、VPS主プロセッサ1002がCPS処理シス
テム700及びMPS900から受信し、それらをVPSＩ/Oプロセ
ッサ1O04へ転送できるような何等かのシステム及び方法
を企図している。VPS主プロセッサ1002はMotorola In
c.、U.S.A.から市販されている68020マイクロプロセッサ
である。
【００４３】図12は、図10のVPS主プロセッサ1002の中
間水準ブロック線図1200であって、VPSカルマンフィル
タ1202と重み付きコンバイナ1204とを示す、図示のよう
に、GPS信号716及び走行距離計信号908は重み付きコン
バイナ1200へ直接伝送される。IRU信号910はVPSカルマ
ンフィルタ1202へ伝送される。好ましい実施例では、GP
S信号716は2Hzのレートで伝送される。走行距離計信号90
8は20Hzのレートで伝送される。更に、第2位置推定を含
むIRU信号910は50Hzのレートで伝送される。VPSカルマ
ンフィルタ1202は、データからの外来雑音を濾波し、処
理済のデータを重み付きコンバイナ1204へ出力する。更
にVPSカルマンフィルタ1202は、矢印1208で示すよう
に、重み付きコンバイナ1204からの信号を受信する。こ
の信号はVPSカルマンフィルタ1202を新しい位置情報で
リセットするために使用される。重み付きコンバイナ12
04はこれらの信号を処理し、使用されているデータ収集
技術の推定される精度に基づいて、各データに所定の重
み付け係数を与える。即ち、好ましい実施例では、GPS
信号716の第1位置推定はIRU信号910の第2位置推定より
も重い重みが付けられる。このような重み付けをする理
由は、第1位置推定はIRU904からの第2位置推定よりも本
質的に正確だからである。
間水準ブロック線図1200であって、VPSカルマンフィル
タ1202と重み付きコンバイナ1204とを示す、図示のよう
に、GPS信号716及び走行距離計信号908は重み付きコン
バイナ1200へ直接伝送される。IRU信号910はVPSカルマ
ンフィルタ1202へ伝送される。好ましい実施例では、GP
S信号716は2Hzのレートで伝送される。走行距離計信号90
8は20Hzのレートで伝送される。更に、第2位置推定を含
むIRU信号910は50Hzのレートで伝送される。VPSカルマ
ンフィルタ1202は、データからの外来雑音を濾波し、処
理済のデータを重み付きコンバイナ1204へ出力する。更
にVPSカルマンフィルタ1202は、矢印1208で示すよう
に、重み付きコンバイナ1204からの信号を受信する。こ
の信号はVPSカルマンフィルタ1202を新しい位置情報で
リセットするために使用される。重み付きコンバイナ12
04はこれらの信号を処理し、使用されているデータ収集
技術の推定される精度に基づいて、各データに所定の重
み付け係数を与える。即ち、好ましい実施例では、GPS
信号716の第1位置推定はIRU信号910の第2位置推定より
も重い重みが付けられる。このような重み付けをする理
由は、第1位置推定はIRU904からの第2位置推定よりも本
質的に正確だからである。
【００４４】しかしながら、速度はIRUによって決定さ
れたものの方がより正確であり得る。従ってIRU信号910
の速度成分は、GPS信号716の速度成分よりも大きい重み
付けをすることができる。本発明の好ましい実施例で
は、GPS信号716の速度成分は排除して、IRU信号910の速
度成分を使用している。 重み付きコンバイナ1204は、20Hzで出力1206を生成す
る。出力1206は計算済の全てのデータを含み、2つの位
置、即ち矢印1208で示されているようにVPSカルマンフ
ィルタ1202と、矢印1008で示されているようにVPSI/0プ
ロセッサ1004とへ送られる。出力1206はGPS衛星に関す
る時刻情報を含む。更に出力1206は、ビークルの位置、
速度、偏揺れ、縦揺れ、及び横揺れに関する情報をも含
む。最後に、VPS出力1206がビークル102の第3位置推定
を構成していることに注目されたい。重み付きコンバイ
ナ1204からの矢印1018で示す別の出力は、ビークル102
の速度に関するデータだけを含む。速度データはVPS主
プロセッサ1O02からGPS処理システム700へ送られる。こ
の速度データは、後述するように第1位置推定の精度を
向上させるために使用される。
れたものの方がより正確であり得る。従ってIRU信号910
の速度成分は、GPS信号716の速度成分よりも大きい重み
付けをすることができる。本発明の好ましい実施例で
は、GPS信号716の速度成分は排除して、IRU信号910の速
度成分を使用している。 重み付きコンバイナ1204は、20Hzで出力1206を生成す
る。出力1206は計算済の全てのデータを含み、2つの位
置、即ち矢印1208で示されているようにVPSカルマンフ
ィルタ1202と、矢印1008で示されているようにVPSI/0プ
ロセッサ1004とへ送られる。出力1206はGPS衛星に関す
る時刻情報を含む。更に出力1206は、ビークルの位置、
速度、偏揺れ、縦揺れ、及び横揺れに関する情報をも含
む。最後に、VPS出力1206がビークル102の第3位置推定
を構成していることに注目されたい。重み付きコンバイ
ナ1204からの矢印1018で示す別の出力は、ビークル102
の速度に関するデータだけを含む。速度データはVPS主
プロセッサ1O02からGPS処理システム700へ送られる。こ
の速度データは、後述するように第1位置推定の精度を
向上させるために使用される。
【００４５】本発明は、信号716、908、及び910を上述
の処理過程の諸段階に従ってVPS主プロセッサ1002にお
いて処理できるような何等かのシステム及び方法を企図
している。好ましい実施例では、VPS主プロセッサ1002
は、Motorola Inc.、U.S.A.から市販されている68020マ
イクロプロセッサである。 図12Aに本発明のスーパーカルマンフィルタ1200Aを示
す。スーパーカルマンフィルタ1200Aは、ビークル102の
位置推定の精度を向上させるためにデータを処理するシ
ステム及び方法である。即ち、スーパーカルマンフィル
タは第1位置推定の精度を直接的に向上させる。従っ
て、第3位置推定の精度は間接的に向上される。好まし
い実施例では、スーパーカルマンフィルタ1200Aは、図7
のGPS処理システム700及び図10のVPS1000のアーキテク
チャ内のソフトウェアを構成している。スーパーカルマ
ンフィルタ1200Aは、例えば集積回路、光学フィルタ等
内のハードウエア内に構築することも可能である。矢印
1210で示すように、GPSカルマンフィルタ802は地上位置
決定システムから、例えばGPSデータ及び擬似衛星デー
タの両方または何れか一方を含むことができる第1デー
タを受信する。GPSカルマンフィルタ802はこれらのデー
タを操作して、矢印1006で示すように第1位置推定(FPE)
を出力する。矢印1010で示すように、VPSカルマンフィ
ルタ1202は、MPS900からMPSデータを受信する。VPSカル
マンフィルタはMPSデータを操作して第2位置推定(SPE)
を出力する。重み付きコンバイナ1204は、矢印1006及び
1210で示すようにFPE及びSPEをそれぞれ受信する。重み
付きコンバイナ1204は、ビークル102の速度1018をGPSカ
ルマンフィルタ802へ出力する。GPSカルマンフィルタ80
2は、ビークルのビークル速度1018に従って矢印1006のF
PEの精度を向上させるように適合させる。GPSカルマン
フィルタ802は、離散した時間間隔に適合するように、
または連続的に適合するように設計することができる。
好ましい実施例では、GPSカルマンフィルタ802は、価格
と性能との兼ね合いから離散した時間間隔に適合させて
ある。
の処理過程の諸段階に従ってVPS主プロセッサ1002にお
いて処理できるような何等かのシステム及び方法を企図
している。好ましい実施例では、VPS主プロセッサ1002
は、Motorola Inc.、U.S.A.から市販されている68020マ
イクロプロセッサである。 図12Aに本発明のスーパーカルマンフィルタ1200Aを示
す。スーパーカルマンフィルタ1200Aは、ビークル102の
位置推定の精度を向上させるためにデータを処理するシ
ステム及び方法である。即ち、スーパーカルマンフィル
タは第1位置推定の精度を直接的に向上させる。従っ
て、第3位置推定の精度は間接的に向上される。好まし
い実施例では、スーパーカルマンフィルタ1200Aは、図7
のGPS処理システム700及び図10のVPS1000のアーキテク
チャ内のソフトウェアを構成している。スーパーカルマ
ンフィルタ1200Aは、例えば集積回路、光学フィルタ等
内のハードウエア内に構築することも可能である。矢印
1210で示すように、GPSカルマンフィルタ802は地上位置
決定システムから、例えばGPSデータ及び擬似衛星デー
タの両方または何れか一方を含むことができる第1デー
タを受信する。GPSカルマンフィルタ802はこれらのデー
タを操作して、矢印1006で示すように第1位置推定(FPE)
を出力する。矢印1010で示すように、VPSカルマンフィ
ルタ1202は、MPS900からMPSデータを受信する。VPSカル
マンフィルタはMPSデータを操作して第2位置推定(SPE)
を出力する。重み付きコンバイナ1204は、矢印1006及び
1210で示すようにFPE及びSPEをそれぞれ受信する。重み
付きコンバイナ1204は、ビークル102の速度1018をGPSカ
ルマンフィルタ802へ出力する。GPSカルマンフィルタ80
2は、ビークルのビークル速度1018に従って矢印1006のF
PEの精度を向上させるように適合させる。GPSカルマン
フィルタ802は、離散した時間間隔に適合するように、
または連続的に適合するように設計することができる。
好ましい実施例では、GPSカルマンフィルタ802は、価格
と性能との兼ね合いから離散した時間間隔に適合させて
ある。
【００４６】正確な地上位置決定システムを得るために
は、1つのカルマンフィルタ(図示してない)だけを実現
すればよいと考えられる。詳述すれば、第3位置推定を
導出する唯一のカルマンフィルタに接続されたGPS処理
システム700及びMPS900(走行距離計902及びIRU904の両
方または何れか一方を有する)を有することが可能であ
る。しかしながら、このような構成は好ましい実施例と
しての全ての好ましい特性を備えてはいないであろう。
図12及び12Aのスーパーカルマンフィルタは、単一のカ
ルマンフィルタ及び分離したカルマンフィルタの両方の
都合のよい特性を有している。図示のように構成された
GPSカルマンフィルタ802及びVPSカルマンフィルタ1202
は連続的にデータを交換し、それによって第1及び第2位
置推定の制度を向上させる、従って第3位置推定の精度
が向上する。ある意味で、単一のカルマン濾波システム
は、第3位置推定の最終出力と入力中の位置データとの
間に常駐しているのである。別の意味では、GPSカルマ
ンフィルタ802及びVPSカルマンフィルタ1202は完全に分
離した独立フィルタとして動作する。例えば、もしGPS
データまたはMPSデータの何れかが劣化していれば、劣
化していないデータの精度に影響を与えることなく重み
付きコンバイナ1204を介して劣化したデータの全体また
は一部が無視される。単一カルマンフィルタを使用する
システムでは、もしGPSデータまたはMPSデータの何れか
が劣化していれば、最終出力即ち第3位置推定は実質的
に不正確になるであろう。
は、1つのカルマンフィルタ(図示してない)だけを実現
すればよいと考えられる。詳述すれば、第3位置推定を
導出する唯一のカルマンフィルタに接続されたGPS処理
システム700及びMPS900(走行距離計902及びIRU904の両
方または何れか一方を有する)を有することが可能であ
る。しかしながら、このような構成は好ましい実施例と
しての全ての好ましい特性を備えてはいないであろう。
図12及び12Aのスーパーカルマンフィルタは、単一のカ
ルマンフィルタ及び分離したカルマンフィルタの両方の
都合のよい特性を有している。図示のように構成された
GPSカルマンフィルタ802及びVPSカルマンフィルタ1202
は連続的にデータを交換し、それによって第1及び第2位
置推定の制度を向上させる、従って第3位置推定の精度
が向上する。ある意味で、単一のカルマン濾波システム
は、第3位置推定の最終出力と入力中の位置データとの
間に常駐しているのである。別の意味では、GPSカルマ
ンフィルタ802及びVPSカルマンフィルタ1202は完全に分
離した独立フィルタとして動作する。例えば、もしGPS
データまたはMPSデータの何れかが劣化していれば、劣
化していないデータの精度に影響を与えることなく重み
付きコンバイナ1204を介して劣化したデータの全体また
は一部が無視される。単一カルマンフィルタを使用する
システムでは、もしGPSデータまたはMPSデータの何れか
が劣化していれば、最終出力即ち第3位置推定は実質的
に不正確になるであろう。
【００４７】図10に戻って、VPSＩ/Oプロセッサ1O04はV
PS通信インタフェースプロセッサ1020に結合されてい
る。通信インタフェースプロセッサ1020は、Motorola I
nc.、U.S.A.から市販されているMVME331プロセッサであ
る。以下に説明する目的と同じ目的を達成する如何なる
プロセッサも使用可能である。好ましい実施例では、VP
S通信インタフェースプロセッサ1020は3つの異なる装
置、即ち(1)VPSコンソール1012、(2)データ収集装置101
4、及び(3)航法システム1022に結合されている。VPS通
信インタフェースプロセッサ1020は出力1016内に含まれ
ている第3位置推定を含むデータを上記3つの装置へ20Hz
のレートで転送する。VPSコンソール1O12は当分野では
周知であり、ミネソタ州ミネアポリスのDigital Equipm
ent CorporationからモデルVT220として市販されてい
る。このVPSコンソール1O12はVPSI/0プロセッサ1004の
現ステータスを表示するために使用される。VPSデータ
収集装置1014は、例えば卓上型PCのような、数多く市販
されている電子式処理及び言己憶装置の何れかであって
差し支えない。カリフォルニア州クパーティノのApple C
omputerから市販されているとのMacIntosh PCもこの目
的のために使用することができる。航法システム1022
は、ビークル102の航行に関連付けられた機能を備えて
いる。VPS1000は第3位置推定を航法システム1022へ伝送
するので、航法システム1022は自律ビークル102を正確
且つ安全に案内することができる。
PS通信インタフェースプロセッサ1020に結合されてい
る。通信インタフェースプロセッサ1020は、Motorola I
nc.、U.S.A.から市販されているMVME331プロセッサであ
る。以下に説明する目的と同じ目的を達成する如何なる
プロセッサも使用可能である。好ましい実施例では、VP
S通信インタフェースプロセッサ1020は3つの異なる装
置、即ち(1)VPSコンソール1012、(2)データ収集装置101
4、及び(3)航法システム1022に結合されている。VPS通
信インタフェースプロセッサ1020は出力1016内に含まれ
ている第3位置推定を含むデータを上記3つの装置へ20Hz
のレートで転送する。VPSコンソール1O12は当分野では
周知であり、ミネソタ州ミネアポリスのDigital Equipm
ent CorporationからモデルVT220として市販されてい
る。このVPSコンソール1O12はVPSI/0プロセッサ1004の
現ステータスを表示するために使用される。VPSデータ
収集装置1014は、例えば卓上型PCのような、数多く市販
されている電子式処理及び言己憶装置の何れかであって
差し支えない。カリフォルニア州クパーティノのApple C
omputerから市販されているとのMacIntosh PCもこの目
的のために使用することができる。航法システム1022
は、ビークル102の航行に関連付けられた機能を備えて
いる。VPS1000は第3位置推定を航法システム1022へ伝送
するので、航法システム1022は自律ビークル102を正確
且つ安全に案内することができる。
【００４８】E．べ一スステーション 図7を参照する。べ一スステーション188に配置されてい
るホスト処理システム186は、図7のGPS処理システム700
を具備する。べ一スステーション188に配置されている
ホスト処理システム186の目的は、(1)ビークル102の動
作の監視、(2)空間バイアス(11.F.2．の差動バイアス技
術参照)の生成を可能にする地上参照点の提供、及び(3)
必要に応じて他の情報を高速データ通信チャネル618を
通してビークル102へ供給することである。好ましい実
施例では、べ一スステーション188はビークル102に近接
して、好ましくは20マイル以内に、配置される。この地
理的に近接した関係のためにべ一スステーション188と
ビークル102との間に効果的な無線通信が確立される。
またこれは、ビークル102が受信した衛星送信とへ一ス
ステーション188が受信した衛星送信とを比較するため
の正確な参照点をも提供する。正確な空間バイアスを計
算するためには、地理的に近接した参照点が必要であ
る。空間バイアス及び時計バイアスは、実質的に、NAVS
TAR GPS及びGPS処理システム700に固有の共通モード雑
音である。空間バイアス及び時計バイアスは一旦べース
ステーション188において計算されると、図7に示すよう
にデータ無線機714を使用してビークル102へ送られる。
空間バイアスは、後述する種々の方法を使用して計算さ
れる。本発明の好ましい実施例では、べ一スステーショ
ン188のポスト処理システム186はビークル102の自律活
動をも調整し、またVPS1000と人間の監視者とをインタ
フェースする。
るホスト処理システム186は、図7のGPS処理システム700
を具備する。べ一スステーション188に配置されている
ホスト処理システム186の目的は、(1)ビークル102の動
作の監視、(2)空間バイアス(11.F.2．の差動バイアス技
術参照)の生成を可能にする地上参照点の提供、及び(3)
必要に応じて他の情報を高速データ通信チャネル618を
通してビークル102へ供給することである。好ましい実
施例では、べ一スステーション188はビークル102に近接
して、好ましくは20マイル以内に、配置される。この地
理的に近接した関係のためにべ一スステーション188と
ビークル102との間に効果的な無線通信が確立される。
またこれは、ビークル102が受信した衛星送信とへ一ス
ステーション188が受信した衛星送信とを比較するため
の正確な参照点をも提供する。正確な空間バイアスを計
算するためには、地理的に近接した参照点が必要であ
る。空間バイアス及び時計バイアスは、実質的に、NAVS
TAR GPS及びGPS処理システム700に固有の共通モード雑
音である。空間バイアス及び時計バイアスは一旦べース
ステーション188において計算されると、図7に示すよう
にデータ無線機714を使用してビークル102へ送られる。
空間バイアスは、後述する種々の方法を使用して計算さ
れる。本発明の好ましい実施例では、べ一スステーショ
ン188のポスト処理システム186はビークル102の自律活
動をも調整し、またVPS1000と人間の監視者とをインタ
フェースする。
【００４９】F．衛星をべ一スとする精度改善 本発明は、複数の差動修正技術を介してビークル102の
位置推定の精度を改善する。これらの差動バイアス技術
は第1、第2、及び第3位置推定を向上させるために使用
される。これらの差動修正技術の幾つかは、擬似距離R
0、R2、R4、及びR6(実際の擬似距離、及び推定擬似距離
の両方)の計算内の誤差(雑音または妨害)を直接除去す
るように設計されている。これらの誤差を除去すると精
密な第1位置推定が得られ、これはGPS処理システム700
からVPS1000へ出力され、そして最終的にはより精密な
第3位置推定がVPS1000から航法システム1022へ出力され
る。好ましい実施例では、べ一スステーション188のホ
スト処理システム186が、これらの差動技術を実行し、
結果をビークル102へ転送する責を負っている。”差
動”なる語は、べ一スステーション188及びビークル102
が、独立してはいるが仮想的には同一のGPS処理システ
ム700を使用するから使用しているのである。更に、べ一
スステーション188は静止し、その絶対位置が既知であ
るから、電子的誤差(雑音または妨害)及び誤差を誘起す
る他の現象を測定するための参照点として役立つ。
位置推定の精度を改善する。これらの差動バイアス技術
は第1、第2、及び第3位置推定を向上させるために使用
される。これらの差動修正技術の幾つかは、擬似距離R
0、R2、R4、及びR6(実際の擬似距離、及び推定擬似距離
の両方)の計算内の誤差(雑音または妨害)を直接除去す
るように設計されている。これらの誤差を除去すると精
密な第1位置推定が得られ、これはGPS処理システム700
からVPS1000へ出力され、そして最終的にはより精密な
第3位置推定がVPS1000から航法システム1022へ出力され
る。好ましい実施例では、べ一スステーション188のホ
スト処理システム186が、これらの差動技術を実行し、
結果をビークル102へ転送する責を負っている。”差
動”なる語は、べ一スステーション188及びビークル102
が、独立してはいるが仮想的には同一のGPS処理システ
ム700を使用するから使用しているのである。更に、べ一
スステーション188は静止し、その絶対位置が既知であ
るから、電子的誤差(雑音または妨害)及び誤差を誘起す
る他の現象を測定するための参照点として役立つ。
【００５０】1.星座効果 図13は本発明の好ましい実施例における第1位置推定の
精度を改善するための星座効果方法の流れ図1300であ
る。この方法は、ビークル102に搭載されているGPS処理
システム700内に実現することができる。代替として、
この方法をべ一スステーション188のホスト処理システ
ム186内に実現しても差し支えない。後者の場合には、
この方法によって決定された情報を爾後にビークル102
へ伝送して第1位置推定を適切に向上せしめることにな
ろう。流れ図1300は、GPSアンテナ702の視界内の最良衛
星星座を選択する方法を示す。ビークル102にとって
は、GPS衛星132-170の多くがGPSアンテナ702の視界内に
存在していよう。任意数(好ましい実施例では少なくと
も4個)の衛星が特定星座を形成するように、これらの衛
星の部分集合だけが選択される。本質的に、地理学的な
考察に基づいて“最良"または“最適"星座が選択され
る。GPSアンテナ及びビークルの企図された経路の視界
内のGPS衛星132-170の空間内の位置が後述するようにし
て斟酌される。流れ図1300は流れ図ブロック1302から開
始される。流れ図1304において、視界内の、及びGPSア
ンテナ702に対する各GPS衛星の推定擬似距離が計算され
る。本明細書では、推定擬似距離は、層データと衛星か
らの天体暦とから導出された推定擬似距離として定義さ
れている。暦データとは、１日の特定時刻におけるGPS
衛星132-170の空間における位置を記憶している事前に
記録されたデータのことである。 NAVSTAR GPSの場合、層データは複数の変数を有する方
程式の形状である。これらの暦方程式はU.S.政府から公
式に入手可能である。若干の変数はGPS衛星132-170を識
別する。さらなる必須入力には、推定擬似距離が決定さ
れる時刻、及び地球上の関連点の既知位置とが含まれ
る。
精度を改善するための星座効果方法の流れ図1300であ
る。この方法は、ビークル102に搭載されているGPS処理
システム700内に実現することができる。代替として、
この方法をべ一スステーション188のホスト処理システ
ム186内に実現しても差し支えない。後者の場合には、
この方法によって決定された情報を爾後にビークル102
へ伝送して第1位置推定を適切に向上せしめることにな
ろう。流れ図1300は、GPSアンテナ702の視界内の最良衛
星星座を選択する方法を示す。ビークル102にとって
は、GPS衛星132-170の多くがGPSアンテナ702の視界内に
存在していよう。任意数(好ましい実施例では少なくと
も4個)の衛星が特定星座を形成するように、これらの衛
星の部分集合だけが選択される。本質的に、地理学的な
考察に基づいて“最良"または“最適"星座が選択され
る。GPSアンテナ及びビークルの企図された経路の視界
内のGPS衛星132-170の空間内の位置が後述するようにし
て斟酌される。流れ図1300は流れ図ブロック1302から開
始される。流れ図1304において、視界内の、及びGPSア
ンテナ702に対する各GPS衛星の推定擬似距離が計算され
る。本明細書では、推定擬似距離は、層データと衛星か
らの天体暦とから導出された推定擬似距離として定義さ
れている。暦データとは、１日の特定時刻におけるGPS
衛星132-170の空間における位置を記憶している事前に
記録されたデータのことである。 NAVSTAR GPSの場合、層データは複数の変数を有する方
程式の形状である。これらの暦方程式はU.S.政府から公
式に入手可能である。若干の変数はGPS衛星132-170を識
別する。さらなる必須入力には、推定擬似距離が決定さ
れる時刻、及び地球上の関連点の既知位置とが含まれ
る。
【００５１】各GPS衛星に関連する推定擬似距離を決定
するために、以下の情報がこれらの暦方程式内に挿入さ
れる。即ち、(1)GPS衛星を識別するパラメタ(これらはG
PS衛星からのGPSデータ内に符号化されている)と、(2)
現在の時刻と、そして(3)べ一スステーション188の既知
の位置である。次に、流れ図ブロック1306において、極
座標を使用して推定擬似距離が作図される。図14は極座
標系1402土の作図1400であって、4個のGPS衛星(図示し
てない)のGPS衛星星座に関係付けられた推定擬似距離円
1404、1406、1408、及び1410の集合を示している。推定
擬似距離円1404、1406、1408、及び1410は、極図1400の
中心1412において交差するように描かれている。図示の
ようにこの座標系1402は、方向北からの方位を反映して
いる。GPS衛星とGPSアンテナとの間の相対距離も、推定
擬似距離円1404、1406、1408、及び1410の寸法によって
極図1400内に表されている。即ち、例えば、推定擬似距
離円1406によって表されているGPS衛星は、推定擬似距
離円1408によって表されているGPS衛星より更に遠くに
ある。図14を参照する。陰影を付けた長円領域1412は、
推定擬似距離円1406及び1408を生じさせたGPS衛星(図示
してない)を考慮した時のビークル102の考え得る位置を
示している。長円表現内の重要なパラメタは、地理学的
アクセス係数比(GRAF)と呼ばれる長円の半長アクセスと
手短アクセスとの比である。GRAFは次の流れ図ブロック
1308において計算する予定である。流れ図ブロック1308
を参照する。GRAFは長アクセスの角度と共に重み付け係
数を計算するために使用され、後述するようにこの重み
付け係数はGPS処理システム700がより正確な第1位置推
定を計算するのを最終的に援助する。
するために、以下の情報がこれらの暦方程式内に挿入さ
れる。即ち、(1)GPS衛星を識別するパラメタ(これらはG
PS衛星からのGPSデータ内に符号化されている)と、(2)
現在の時刻と、そして(3)べ一スステーション188の既知
の位置である。次に、流れ図ブロック1306において、極
座標を使用して推定擬似距離が作図される。図14は極座
標系1402土の作図1400であって、4個のGPS衛星(図示し
てない)のGPS衛星星座に関係付けられた推定擬似距離円
1404、1406、1408、及び1410の集合を示している。推定
擬似距離円1404、1406、1408、及び1410は、極図1400の
中心1412において交差するように描かれている。図示の
ようにこの座標系1402は、方向北からの方位を反映して
いる。GPS衛星とGPSアンテナとの間の相対距離も、推定
擬似距離円1404、1406、1408、及び1410の寸法によって
極図1400内に表されている。即ち、例えば、推定擬似距
離円1406によって表されているGPS衛星は、推定擬似距
離円1408によって表されているGPS衛星より更に遠くに
ある。図14を参照する。陰影を付けた長円領域1412は、
推定擬似距離円1406及び1408を生じさせたGPS衛星(図示
してない)を考慮した時のビークル102の考え得る位置を
示している。長円表現内の重要なパラメタは、地理学的
アクセス係数比(GRAF)と呼ばれる長円の半長アクセスと
手短アクセスとの比である。GRAFは次の流れ図ブロック
1308において計算する予定である。流れ図ブロック1308
を参照する。GRAFは長アクセスの角度と共に重み付け係
数を計算するために使用され、後述するようにこの重み
付け係数はGPS処理システム700がより正確な第1位置推
定を計算するのを最終的に援助する。
【００５２】流れ図ブロック1312に示すように、ビーク
ル102に搭載のGPS処理システム700内のGPSカルマンフィ
ルタ802は、図14に示す推定長円の形状とビークル102の
計算された北東向きの座標とを受け入れるために変更さ
れる。更に、矢印1314で示すように、中心1412の推定位
置を絶えず向上させる月ように上述の手順が絶えず繰り
返される。流れ図ブロック1316において、ビークルの所
望経路のための最適衛星星座が決定される。この最適星
座は、ビークルの所望経路に直角な方向において最小の
誤差を与えるような星座であろう。流れ図ブロック1318
に示すように、最適衛星星座はデータ無線機714を介し
てビークル102へ送信される。ビークル102はこの最適衛
星星座を使用して第1位置推定を計算する。
ル102に搭載のGPS処理システム700内のGPSカルマンフィ
ルタ802は、図14に示す推定長円の形状とビークル102の
計算された北東向きの座標とを受け入れるために変更さ
れる。更に、矢印1314で示すように、中心1412の推定位
置を絶えず向上させる月ように上述の手順が絶えず繰り
返される。流れ図ブロック1316において、ビークルの所
望経路のための最適衛星星座が決定される。この最適星
座は、ビークルの所望経路に直角な方向において最小の
誤差を与えるような星座であろう。流れ図ブロック1318
に示すように、最適衛星星座はデータ無線機714を介し
てビークル102へ送信される。ビークル102はこの最適衛
星星座を使用して第1位置推定を計算する。
【００５３】2．差動修正技術 a．原形バイアス技術 図15を参照する。流れ図1500は当分野では周知の原形バ
イアス技術を示す。原形バイアス技術は、第3位置推定
を限定するに当たって最終的に関与する第1位置推定の
精度を向上させるために、空間バイアスを計算するため
の方法である。以下に説明する原形バイアス技術は、空
間バイアス(原形バイアス)を決定するための参照点とし
てべ一スステーション188の既知の位置を使用する。原
形バイアス技術は、ビークル102に搭載のGPS処理システ
ム700内に実現することができる。更に原形バイアス技
術は、べ一スステーション188に搭載のホスト処理シス
テム186内に実現することもできる。後者の方式におい
ては、好ましい実施例方法によって決定された情報が爾
後にビークル102へ通信されて第1位置推定を適切に向上
させることになろう。更に、好ましい実施例は後者の方
式を採用し、べ一スステーション188に搭載のホスト処
理システム186内に実現している。図15に示すように原
形バイアス技術は、流れ図ブロック1502から開始され
る。流れ図ブロック1504に示すように、GPSアンテナ702
の視界内の各GPS衛星の実際の擬似距離(べ一ス実際の擬
似距離)及び推定擬似距離(べ一ス推定擬似距離)はべ一
スステーション188に搭載のホスト処理システム186内で
計算される。べース実際の擬似距離はべース推定擬似距
離とは独立的に計算される、べース実際の擬似距離は、
ホスト処理システム186内のGPS受信機706によって計算
される。更に、べ一ス推定擬似距離はGPSプロセッサ710
によって言十算される。べ一ス実際の擬似距離は、GPS
衛星(または擬似衛星)からの電磁信号の送信と、べ一ス
ステーション188に搭載のホスト処理システム186におけ
る受信との間の伝播時間経過を測定することによって計
算される。電磁信号は送信時刻を符号化している。更
に、GPS受信機706は受信時刻を記録する。これらの電磁
信号が光速、即ち2.9979245898*108m/sで走行すものと
すれば、各衛星の実際の擬似距離は、伝播時間経過に光
速(適切な単位の)を乗ずることによって決定することが
できる。
イアス技術を示す。原形バイアス技術は、第3位置推定
を限定するに当たって最終的に関与する第1位置推定の
精度を向上させるために、空間バイアスを計算するため
の方法である。以下に説明する原形バイアス技術は、空
間バイアス(原形バイアス)を決定するための参照点とし
てべ一スステーション188の既知の位置を使用する。原
形バイアス技術は、ビークル102に搭載のGPS処理システ
ム700内に実現することができる。更に原形バイアス技
術は、べ一スステーション188に搭載のホスト処理シス
テム186内に実現することもできる。後者の方式におい
ては、好ましい実施例方法によって決定された情報が爾
後にビークル102へ通信されて第1位置推定を適切に向上
させることになろう。更に、好ましい実施例は後者の方
式を採用し、べ一スステーション188に搭載のホスト処
理システム186内に実現している。図15に示すように原
形バイアス技術は、流れ図ブロック1502から開始され
る。流れ図ブロック1504に示すように、GPSアンテナ702
の視界内の各GPS衛星の実際の擬似距離(べ一ス実際の擬
似距離)及び推定擬似距離(べ一ス推定擬似距離)はべ一
スステーション188に搭載のホスト処理システム186内で
計算される。べース実際の擬似距離はべース推定擬似距
離とは独立的に計算される、べース実際の擬似距離は、
ホスト処理システム186内のGPS受信機706によって計算
される。更に、べ一ス推定擬似距離はGPSプロセッサ710
によって言十算される。べ一ス実際の擬似距離は、GPS
衛星(または擬似衛星)からの電磁信号の送信と、べ一ス
ステーション188に搭載のホスト処理システム186におけ
る受信との間の伝播時間経過を測定することによって計
算される。電磁信号は送信時刻を符号化している。更
に、GPS受信機706は受信時刻を記録する。これらの電磁
信号が光速、即ち2.9979245898*108m/sで走行すものと
すれば、各衛星の実際の擬似距離は、伝播時間経過に光
速(適切な単位の)を乗ずることによって決定することが
できる。
【００５４】べ一ス推定擬似距離は、(1)層データ(NAVS
TAR GPSでは、暦方程式)と、(2)GPS衛星からの電磁信号
の送信時刻と、(3)べ一スステーション188の既知の位置
(べ一ス既知位置)とから計算される。送信時刻と、べ一
ス既知位置(BKP)とが暦方程式内に代入されて、ある衛
星のための推定擬似距離が導出される。流れ図ブロック
1604に示すようにホスト処理システム186の回路時計
と、認識されたGPS衛星の回路時計との間の時計バイア
ス(べ一ス時計バイアス)も計算される。好ましい実施例
では、全ての衛星に関して1つのべ一ス時計バイアスが
計算される。べ一ス時計バイアスは、所定の時間にわた
って衛星及びホスト処理システム188のクロックパルス
を計数することによって計算される。次いでこれらのパ
ルスが比較され、差が求められる。次にこの差に光速、
即ち2.998*108m/sが乗ぜられ、時計バイアスが長さの単
位に変換される。しかし、本発明にはべ一ス時計バイア
スを計算し、表現する如何なる方法も組入れることが可
能であることを理解すべきである。流れ図ブロック1508
に示すように空間バイアス(原形バイアス)は、べ一ス実
際の擬似距離から、べ一ス推定擬似距離とベース時計バ
イアス(長さの単位)とを差し引くことによって計算され
る。原形バイアスは、大気状態、受信機誤差等のような
多くの異なる効果によってもたらされる。ビークル102
の実際の位置は未知であるから、ビークル102を参照点
として使用して原形バイアスの計算を遂行することはで
きないことに注目すべきである。しかし、原形バイアス
の計算をビークル102において遂行することはできる。
流れ図ブロック1510に示すように、ホスト処理システム
188内のGPSカルマンワルタ802は原形バイアスを用いて
更新される。更に矢印1512で示すように、原形バイアス
を計算する処理過程は連続的に遂行され、導出された原
形バイアスはGPSカルマンワルタ802の繰り返し更新に使
用される。
TAR GPSでは、暦方程式)と、(2)GPS衛星からの電磁信号
の送信時刻と、(3)べ一スステーション188の既知の位置
(べ一ス既知位置)とから計算される。送信時刻と、べ一
ス既知位置(BKP)とが暦方程式内に代入されて、ある衛
星のための推定擬似距離が導出される。流れ図ブロック
1604に示すようにホスト処理システム186の回路時計
と、認識されたGPS衛星の回路時計との間の時計バイア
ス(べ一ス時計バイアス)も計算される。好ましい実施例
では、全ての衛星に関して1つのべ一ス時計バイアスが
計算される。べ一ス時計バイアスは、所定の時間にわた
って衛星及びホスト処理システム188のクロックパルス
を計数することによって計算される。次いでこれらのパ
ルスが比較され、差が求められる。次にこの差に光速、
即ち2.998*108m/sが乗ぜられ、時計バイアスが長さの単
位に変換される。しかし、本発明にはべ一ス時計バイア
スを計算し、表現する如何なる方法も組入れることが可
能であることを理解すべきである。流れ図ブロック1508
に示すように空間バイアス(原形バイアス)は、べ一ス実
際の擬似距離から、べ一ス推定擬似距離とベース時計バ
イアス(長さの単位)とを差し引くことによって計算され
る。原形バイアスは、大気状態、受信機誤差等のような
多くの異なる効果によってもたらされる。ビークル102
の実際の位置は未知であるから、ビークル102を参照点
として使用して原形バイアスの計算を遂行することはで
きないことに注目すべきである。しかし、原形バイアス
の計算をビークル102において遂行することはできる。
流れ図ブロック1510に示すように、ホスト処理システム
188内のGPSカルマンワルタ802は原形バイアスを用いて
更新される。更に矢印1512で示すように、原形バイアス
を計算する処理過程は連続的に遂行され、導出された原
形バイアスはGPSカルマンワルタ802の繰り返し更新に使
用される。
【００５５】ビークル102はべ一スステーション188に近
接しているから、擬似距離計算における誤差は同一と見
傲される。従って、流れ図ブロック1508に示すようにし
て決定された原形バイアスも、ビークル102のGPS処理シ
ステム700によって生成された実際の擬似距離を変更す
るために使用される。従って・流れ図ブロック1514に示
すように、原形バイアスはデータ無線機620及び622を使
用してべ一スステーション188からビークル102へ送信さ
れる。原形バイアスはビークル102内のGPSカルマンワル
タ802を更新するために使用される。GPSカルマンワルタ
802を更新することにより、より正確な第1位置推定が得
られる。
接しているから、擬似距離計算における誤差は同一と見
傲される。従って、流れ図ブロック1508に示すようにし
て決定された原形バイアスも、ビークル102のGPS処理シ
ステム700によって生成された実際の擬似距離を変更す
るために使用される。従って・流れ図ブロック1514に示
すように、原形バイアスはデータ無線機620及び622を使
用してべ一スステーション188からビークル102へ送信さ
れる。原形バイアスはビークル102内のGPSカルマンワル
タ802を更新するために使用される。GPSカルマンワルタ
802を更新することにより、より正確な第1位置推定が得
られる。
【００５６】b．放物線バイアス技術 GPS衛星132-170が空に昇り、沈むにつれて各GPS衛星132
-170が形成する経路を地表または地表付近において擬似
距離で追尾すると放物線を辿る。従って、天空中の各GP
S衛星の経路を表す放物線関数を導出することができ
る。これは、好ましい実施例におけるべ一スステーショ
ン188に搭載のホスト処理システム186において遂行され
る放物線バイアス技術の要諦を説明している。しかし放
物線バイアス技術はビークル102において遂行すること
ができることに注目すべきである。図16の流れ図1600は
放物線バイアス技術を示す。放物線関数(モデル)は、べ
ースステーション188においてGPSアンテナ702の視界内
の各GPS衛星毎に計算される。流れ図1600は流れ図ブロ
ック1602から開始される。流れ図ブロック1604に示すよ
うに、時刻t(n)に、前述のようにGPS受信機706を使用し
てGPSアンテナ702の視界内の各GPS衛星毎に実際の擬似
距離がべ一スステーション188において決定される。流
れ図ブロック1606に示すように、これらの(各GPS衛星毎
の)実際の擬似距離は各GPS衛星毎の放物線最良適合モデ
ル内に組入れられる。即ち、流れ図ブロック1606におい
て、各GPS衛星毎の放物線モデルに1つの点が付加され
る。流れ図ブロック1608に示すように、各GPS衛星毎の
放物線関数を推定するために十分な点が放物線モデル上
で決定されたか否かの試験が行われる。収集された点の
数は特定の統計R2値を決定する。好ましい実施例では、
R2値は次のようにして計算される。
-170が形成する経路を地表または地表付近において擬似
距離で追尾すると放物線を辿る。従って、天空中の各GP
S衛星の経路を表す放物線関数を導出することができ
る。これは、好ましい実施例におけるべ一スステーショ
ン188に搭載のホスト処理システム186において遂行され
る放物線バイアス技術の要諦を説明している。しかし放
物線バイアス技術はビークル102において遂行すること
ができることに注目すべきである。図16の流れ図1600は
放物線バイアス技術を示す。放物線関数(モデル)は、べ
ースステーション188においてGPSアンテナ702の視界内
の各GPS衛星毎に計算される。流れ図1600は流れ図ブロ
ック1602から開始される。流れ図ブロック1604に示すよ
うに、時刻t(n)に、前述のようにGPS受信機706を使用し
てGPSアンテナ702の視界内の各GPS衛星毎に実際の擬似
距離がべ一スステーション188において決定される。流
れ図ブロック1606に示すように、これらの(各GPS衛星毎
の)実際の擬似距離は各GPS衛星毎の放物線最良適合モデ
ル内に組入れられる。即ち、流れ図ブロック1606におい
て、各GPS衛星毎の放物線モデルに1つの点が付加され
る。流れ図ブロック1608に示すように、各GPS衛星毎の
放物線関数を推定するために十分な点が放物線モデル上
で決定されたか否かの試験が行われる。収集された点の
数は特定の統計R2値を決定する。好ましい実施例では、
R2値は次のようにして計算される。
【００５７】R2:和2(推定擬似距離(t)一推定擬似距離の
平均)/和2(実際の擬似距離(t)一実際の擬似距離の平均) 上記標準統計方程式は当分野では公知である。この方程
式に関するさらなる考察はDraper, Applied Regression
Analysis、1966 editionを参照されたい。Nを計算され
た推定及び実際の両擬似距離の数を定義することによっ
て、及び方程式を数学的に展開することによって、より
使用可能な形状の以下の方程式を容易に導出することが
できる。 R2=N*和(全推定擬似距離の自乗)一2*和(推定擬似距離)*
和(実際の擬似距離)十和(実際の擬似距離)2/N*和(全実
際の擬似距離の自乗)一和(実際の擬似距離) 流れ図ブロック1608に示すように、好ましい実施例で
は、もしこのＲ2値がO.98よりも大きければ、この放物
線モデルはGPS衛星の将来経路を推定するのに十分に正
確であるものと見傲される。もしＲ2値が0.98よりも小
さいかまたは等しければ、放物線モデル上のさらなる点
を計算しなければならない。これらの点は、GPS受信機7
06によって連続的に計算されている擬似距離データを組
入れることによって計算される。流れ図ブロック1610に
示すようにN値がインクリメントされ、流れ図ブロック1
604に示す擬似距離を計算する時刻が増加したことを示
す。GPS受信機706は各GPS衛星毎の実際の擬似距離を2Hz
で(1秒間に2回)出力するから、各Nインクリメントはほ
ぼO.5秒を表しているべきである。
平均)/和2(実際の擬似距離(t)一実際の擬似距離の平均) 上記標準統計方程式は当分野では公知である。この方程
式に関するさらなる考察はDraper, Applied Regression
Analysis、1966 editionを参照されたい。Nを計算され
た推定及び実際の両擬似距離の数を定義することによっ
て、及び方程式を数学的に展開することによって、より
使用可能な形状の以下の方程式を容易に導出することが
できる。 R2=N*和(全推定擬似距離の自乗)一2*和(推定擬似距離)*
和(実際の擬似距離)十和(実際の擬似距離)2/N*和(全実
際の擬似距離の自乗)一和(実際の擬似距離) 流れ図ブロック1608に示すように、好ましい実施例で
は、もしこのＲ2値がO.98よりも大きければ、この放物
線モデルはGPS衛星の将来経路を推定するのに十分に正
確であるものと見傲される。もしＲ2値が0.98よりも小
さいかまたは等しければ、放物線モデル上のさらなる点
を計算しなければならない。これらの点は、GPS受信機7
06によって連続的に計算されている擬似距離データを組
入れることによって計算される。流れ図ブロック1610に
示すようにN値がインクリメントされ、流れ図ブロック1
604に示す擬似距離を計算する時刻が増加したことを示
す。GPS受信機706は各GPS衛星毎の実際の擬似距離を2Hz
で(1秒間に2回)出力するから、各Nインクリメントはほ
ぼO.5秒を表しているべきである。
【００５８】Ｒ2値を0.98よりも大きくするような十分
なデータが収集されていれば、流れ図ブロック1612に示
すように、この放物線モデルは各衛星軌道経路を表すの
に十分に正確であると見傲される。流れ図ブロック1614
に示すように、これで放物線モデルは完壁であり、モデ
ル上の将来点を補外することができる。流れ図ブロック
1614に示すように、時刻Ｔ(n+1)における各放物線モデ
ル上の軌跡点が計算される。軌跡点とは、時刻Ｔ(n+1)
におけるGPS衛星の予測される実際の擬似距離のことで
ある。一旦この軌跡点が計算されれば、流れ図ブロック
1616に示すように、その軌跡点に関する距離(GPSアンテ
ナ702とGPS衛星との間の距離)が計算される。流れ図ブ
ロック1618において、好ましい実施例では現時刻である
時刻Ｔ(n+1)における実際の擬似距離が計算される。こ
れらの実際の擬似距離は前述のようにGPS受信機706によ
って計算される。時刻Ｔ(n+1)におけるこれらの実際の
擬似距離は、流れ図ブロック1600の次の繰り返しにおい
て放物線最良適合モデル内に組入れられる。流れ図ブロ
ック1620に示すように、時刻T(n+1)に計算された各衛星
毎の実際の擬似距離及びべ一ス時計バイアス(長さの単
位)が、軌跡点距離から差し引かれて各衛星毎の放物線
バイアスが生成される。次いで流れ図ブロック1624に示
すように、これらの放物線バイアスはデータ無線機714
を介してビークル102のGPS処理システム700へ転送され
る。ビークル102のGPS処理システム700はこれらの放物
線バイアスを使用して実際の擬似距離(ビークル実際の
擬似距離)の精度を向上させ、それによって第1位置推定
の精度を向上させる。
なデータが収集されていれば、流れ図ブロック1612に示
すように、この放物線モデルは各衛星軌道経路を表すの
に十分に正確であると見傲される。流れ図ブロック1614
に示すように、これで放物線モデルは完壁であり、モデ
ル上の将来点を補外することができる。流れ図ブロック
1614に示すように、時刻Ｔ(n+1)における各放物線モデ
ル上の軌跡点が計算される。軌跡点とは、時刻Ｔ(n+1)
におけるGPS衛星の予測される実際の擬似距離のことで
ある。一旦この軌跡点が計算されれば、流れ図ブロック
1616に示すように、その軌跡点に関する距離(GPSアンテ
ナ702とGPS衛星との間の距離)が計算される。流れ図ブ
ロック1618において、好ましい実施例では現時刻である
時刻Ｔ(n+1)における実際の擬似距離が計算される。こ
れらの実際の擬似距離は前述のようにGPS受信機706によ
って計算される。時刻Ｔ(n+1)におけるこれらの実際の
擬似距離は、流れ図ブロック1600の次の繰り返しにおい
て放物線最良適合モデル内に組入れられる。流れ図ブロ
ック1620に示すように、時刻T(n+1)に計算された各衛星
毎の実際の擬似距離及びべ一ス時計バイアス(長さの単
位)が、軌跡点距離から差し引かれて各衛星毎の放物線
バイアスが生成される。次いで流れ図ブロック1624に示
すように、これらの放物線バイアスはデータ無線機714
を介してビークル102のGPS処理システム700へ転送され
る。ビークル102のGPS処理システム700はこれらの放物
線バイアスを使用して実際の擬似距離(ビークル実際の
擬似距離)の精度を向上させ、それによって第1位置推定
の精度を向上させる。
【００５９】C．べ一ス残留バイアス技術 図17にべ一ス残留バイアス技術を実現するための流れ図
1700を示す。好ましい実施例では、べ一ス残留バイアス
技術はべ一スステーション188に搭載されているホスト
処理システム186において遂行される、べ一ス残留バイ
アスは、べ一スステーション188において計算された後
にビークル102のGPS処理システム700へ転送される。ビ
ークル102のGPS処理システム700はこのべ一ス残留バイ
アスを使用して第1位置推定の精度を向上させる。
1700を示す。好ましい実施例では、べ一ス残留バイアス
技術はべ一スステーション188に搭載されているホスト
処理システム186において遂行される、べ一ス残留バイ
アスは、べ一スステーション188において計算された後
にビークル102のGPS処理システム700へ転送される。ビ
ークル102のGPS処理システム700はこのべ一ス残留バイ
アスを使用して第1位置推定の精度を向上させる。
【００６０】本明細書ではべ一ス残留バイアスとは、べ
一スステーション188のべ一ス既知位置とへ一スステー
ション188の位置推定(もしビークル102によって計算さ
れれば、第1位置推定)との差であり、これはべ一スステ
ーション188のホスト処理システム186によって計算され
る。これが如何に機能するかを説明するために、べ一ス
ステーション188がメープル通りとエルム通りの角に位
置しているものとする。またべ一スステーション188のG
PS処理システム700は、べ一スステーション188がべ一ス
既知位置(エルム通りとメーブル通りとの角)の真南4マ
イルの処にあると推定しているものとする。べ一ス残留
バイアスが、真南の方向4マイルに等しい距離であるこ
とは明白である。ビークル102のGPS処理システム700は
べ一スステーション188のGPS処理システム700と同一で
あるから、計算内のこの4マイル誤差はビークル102及び
べースステーション188において発生するものと考える
ことができる。そこでビークル102はこの情報をそのGPS
プロセッサ710において使用することができる。実際
に、ビークル102のGPSプロセッサはデータ内の4マイル
真南の誤差を斟酌してその第1位置推定を変更する。
一スステーション188のべ一ス既知位置とへ一スステー
ション188の位置推定(もしビークル102によって計算さ
れれば、第1位置推定)との差であり、これはべ一スステ
ーション188のホスト処理システム186によって計算され
る。これが如何に機能するかを説明するために、べ一ス
ステーション188がメープル通りとエルム通りの角に位
置しているものとする。またべ一スステーション188のG
PS処理システム700は、べ一スステーション188がべ一ス
既知位置(エルム通りとメーブル通りとの角)の真南4マ
イルの処にあると推定しているものとする。べ一ス残留
バイアスが、真南の方向4マイルに等しい距離であるこ
とは明白である。ビークル102のGPS処理システム700は
べ一スステーション188のGPS処理システム700と同一で
あるから、計算内のこの4マイル誤差はビークル102及び
べースステーション188において発生するものと考える
ことができる。そこでビークル102はこの情報をそのGPS
プロセッサ710において使用することができる。実際
に、ビークル102のGPSプロセッサはデータ内の4マイル
真南の誤差を斟酌してその第1位置推定を変更する。
【００６１】以下に図17を参照してべ一ス残留バイアス
技術の原理体系の詳細を説明する。流れ図ブロック1704
において、べ一スステーション188の正確な極座標x0、y
0、zOがべ一ス既知位置から得られる。流れ図ブロック1
706において、べース実際の擬似距離、べース推定擬似
距離、及びべ一ス時計バイアスがべ一スステーション18
8のホスト処理システム186によって計算される。もしビ
ークル102のGPS受信機706がGPS衛星の特定星座(図示し
てない)からのデータを読取るように構成されていれ
ば、べ一スステーション188のGPS受信機706は同一衛星
星座を使用することになろう。流れ図ブロック1708に示
すように、べ一スステーション188の位置推定(べ一ス位
置推定)が計算される。好ましい実施例では、このべ一
ス位置推定はビークル102における第1位置推定と同一の
方法で計算される。次に流れ図ブロック1710において、
べ一ス位置推定がべ一ス既知位置と比較される。べース
位置推定とベース既知位置(エルム通りとメープル通り
との角)との差(例えば上例では4マイル)を(もしあれ
ば)、本明細書ではべ一ス残留バイアスと呼ぶ。流れ図
ブロック1712に示すように、べース残留バイアスはデー
タ無線機714によってビークル102へ送信される。べース
残留バイアスは、ビークル102のGPSプロセッサ710にお
いて処理されて第1位置推定の精度が向上される。
技術の原理体系の詳細を説明する。流れ図ブロック1704
において、べ一スステーション188の正確な極座標x0、y
0、zOがべ一ス既知位置から得られる。流れ図ブロック1
706において、べース実際の擬似距離、べース推定擬似
距離、及びべ一ス時計バイアスがべ一スステーション18
8のホスト処理システム186によって計算される。もしビ
ークル102のGPS受信機706がGPS衛星の特定星座(図示し
てない)からのデータを読取るように構成されていれ
ば、べ一スステーション188のGPS受信機706は同一衛星
星座を使用することになろう。流れ図ブロック1708に示
すように、べ一スステーション188の位置推定(べ一ス位
置推定)が計算される。好ましい実施例では、このべ一
ス位置推定はビークル102における第1位置推定と同一の
方法で計算される。次に流れ図ブロック1710において、
べ一ス位置推定がべ一ス既知位置と比較される。べース
位置推定とベース既知位置(エルム通りとメープル通り
との角)との差(例えば上例では4マイル)を(もしあれ
ば)、本明細書ではべ一ス残留バイアスと呼ぶ。流れ図
ブロック1712に示すように、べース残留バイアスはデー
タ無線機714によってビークル102へ送信される。べース
残留バイアスは、ビークル102のGPSプロセッサ710にお
いて処理されて第1位置推定の精度が向上される。
【００６２】d．べ一ス相関器バイアス技術 図17Aは、ビークル102の第1位置推定の精度を改善する
ために本発明に使用されるべ一ス相関器技術の高水準流
れ図1700Aである。要約すれば、本技術は参照点の既知
の位置を精度向上の方策として使用する。好ましい実施
例では、べースステーション188を参照点として働かせ
る。以下に図6を参照して流れ図1700Aの原理を説明す
る。べース相関器技術では、流れ図ブロック1705に示す
ように、先ず空間バイアス(べース空間バイアス)及び時
計バイアス(べース時計バイアス)が図6のべースステー
ション188のホスト処理システム186によって計算され
る。べース空間バイアスは、上述の原形バイアス及び放
物線バイアスを含む、しかしこれらに限定されない何等
かの空間誤差計算であることができる。即ち原形バイア
スは、実際の擬似距離(べース実際の擬似距離)から推定
擬似距離(べース推定擬似距離)及びべ一ス時計バイアス
を差し引くことによって計算されることを思い出された
い。べース推定擬似距離は、(1)暦データと、(2)衛星信
号の送信の時刻と、(3)べースステーション188の既知位
置(べース既知位置)とから決定される。べース時計バイ
アスは、GPS衛星及び擬似衛星の両方または何れか一方
の送信回路と、べースステーション188の受信回路との
時計時刻の差である。べース時計バイアスは、それらに
光速を乗ずることによって長さの単位で表される。べー
ス実際の擬似距離は、GPS衛星及び擬似衛星の両方また
は何れか一方からべースステーション188へ送られる電
磁信号の送信と受信との間の伝播時間遅延から決定され
る。
ために本発明に使用されるべ一ス相関器技術の高水準流
れ図1700Aである。要約すれば、本技術は参照点の既知
の位置を精度向上の方策として使用する。好ましい実施
例では、べースステーション188を参照点として働かせ
る。以下に図6を参照して流れ図1700Aの原理を説明す
る。べース相関器技術では、流れ図ブロック1705に示す
ように、先ず空間バイアス(べース空間バイアス)及び時
計バイアス(べース時計バイアス)が図6のべースステー
ション188のホスト処理システム186によって計算され
る。べース空間バイアスは、上述の原形バイアス及び放
物線バイアスを含む、しかしこれらに限定されない何等
かの空間誤差計算であることができる。即ち原形バイア
スは、実際の擬似距離(べース実際の擬似距離)から推定
擬似距離(べース推定擬似距離)及びべ一ス時計バイアス
を差し引くことによって計算されることを思い出された
い。べース推定擬似距離は、(1)暦データと、(2)衛星信
号の送信の時刻と、(3)べースステーション188の既知位
置(べース既知位置)とから決定される。べース時計バイ
アスは、GPS衛星及び擬似衛星の両方または何れか一方
の送信回路と、べースステーション188の受信回路との
時計時刻の差である。べース時計バイアスは、それらに
光速を乗ずることによって長さの単位で表される。べー
ス実際の擬似距離は、GPS衛星及び擬似衛星の両方また
は何れか一方からべースステーション188へ送られる電
磁信号の送信と受信との間の伝播時間遅延から決定され
る。
【００６３】更に、放物線バイアスは、観測された各GP
S衛星のべース実際の擬似距離のための放物線モデルを
作成し、これらの放物線モデルから値を補外することに
よって計算される、好ましい実施例では放物線バイアス
は、べース実際の擬似距離、マイナス作成された放物線
モデルから補外された値、マイナスペース時計バイアス
(長さの単位)である。流れ図ブロック1709に示すよう
に、べ一スステーション188は通信チャネル618を通して
ビークル102へ、べ一ス実際の擬似距離と、べ一ス推定
擬似距離と、べ一ス空間バイアスと、べ一ス時計バイア
スと、べ一スステーション188のべ一ス既知位置とを転
送する。推定自体を極めて正確にするために、べ一ス既
知位置は、本発明の新規なシステム及び方法、または何
等かの普通のシステム及び方法を含む、しかしこれらに
限定されることがない適切な手段によって決定すること
ができる。ビークル102が上記情報をべ一スステーショ
ン188から受信した後に、ビークル102のGPSプロセッサ7
10はこの情報を、それ自身の空間バイアス(ビークル空
間バイアス)の計算に使用する。
S衛星のべース実際の擬似距離のための放物線モデルを
作成し、これらの放物線モデルから値を補外することに
よって計算される、好ましい実施例では放物線バイアス
は、べース実際の擬似距離、マイナス作成された放物線
モデルから補外された値、マイナスペース時計バイアス
(長さの単位)である。流れ図ブロック1709に示すよう
に、べ一スステーション188は通信チャネル618を通して
ビークル102へ、べ一ス実際の擬似距離と、べ一ス推定
擬似距離と、べ一ス空間バイアスと、べ一ス時計バイア
スと、べ一スステーション188のべ一ス既知位置とを転
送する。推定自体を極めて正確にするために、べ一ス既
知位置は、本発明の新規なシステム及び方法、または何
等かの普通のシステム及び方法を含む、しかしこれらに
限定されることがない適切な手段によって決定すること
ができる。ビークル102が上記情報をべ一スステーショ
ン188から受信した後に、ビークル102のGPSプロセッサ7
10はこの情報を、それ自身の空間バイアス(ビークル空
間バイアス)の計算に使用する。
【００６４】ビークル102が流れ図ブロック1713におい
てビークル空間バイアスを導出するための計算を遂行す
る前にそのGPS受信機706は、それ自身の実際の擬似距離
(ビークル実際の擬似距離)と、それ自身の推定擬似距離
(ビークル推定擬似距離)と、それ自身の時計バイアス
(ビークル時計バイアス)とを計算する。ビークルGPSプ
ロセッサ710はビークル実際の擬似距離から、ビークル
推定擬似距離と、ビークル時計バイアスと、流れ図ブロ
ック1709においてべ一スステーション188から送られた
べ一ス空間バイアスとを差し引く。その結果がビークル
102におけるビークル空間バイアスのより正確な計算で
ある。次いで流れ図ブロック1717に示すように、ビーク
ル空間バイアスを使用してビークル102の第1位置推定(F
PE)をより正確に変更する。FPEがビークル102の絶対位
置(地球172の中心に対する)の推定であることに注意す
べきである。流れ図ブロック1721から始めて、ビークル
102のFPEを改善するために繰り返し方法が設けられてい
る。この方法は、べ一スステーションを一種の相関器と
して使用することを企図している。好ましい実施例で
は、この方法をGPSカルマンフィルタ802によって実現し
ている。
てビークル空間バイアスを導出するための計算を遂行す
る前にそのGPS受信機706は、それ自身の実際の擬似距離
(ビークル実際の擬似距離)と、それ自身の推定擬似距離
(ビークル推定擬似距離)と、それ自身の時計バイアス
(ビークル時計バイアス)とを計算する。ビークルGPSプ
ロセッサ710はビークル実際の擬似距離から、ビークル
推定擬似距離と、ビークル時計バイアスと、流れ図ブロ
ック1709においてべ一スステーション188から送られた
べ一ス空間バイアスとを差し引く。その結果がビークル
102におけるビークル空間バイアスのより正確な計算で
ある。次いで流れ図ブロック1717に示すように、ビーク
ル空間バイアスを使用してビークル102の第1位置推定(F
PE)をより正確に変更する。FPEがビークル102の絶対位
置(地球172の中心に対する)の推定であることに注意す
べきである。流れ図ブロック1721から始めて、ビークル
102のFPEを改善するために繰り返し方法が設けられてい
る。この方法は、べ一スステーションを一種の相関器と
して使用することを企図している。好ましい実施例で
は、この方法をGPSカルマンフィルタ802によって実現し
ている。
【００６５】流れ図ブロック1721において、ビークル10
2に対するべ一スステーション188の推定相対位置(HBE)
が決定される。FPEの初期状態は、iを繰り返しに対応す
る正の整数値として、FPE(i)の現在の値を取る。従っ
て、この方法が流れ図ブロック1717からブロック1721へ
進むと、FPE(i)の現在の値はFPE(0)になる。更に流れ図
ブロック1725において、ビークル102は次に、べ一スス
テーション188からビークル102に転送されたべ一ス実際
の擬似距離と、べ一ス推定擬似距離と、べ一ス空間バイ
アスと、べ一ス時言十バイアスとを使用して、べ一スス
テーション188の推定位置(べ一ス推定位置;BEP)を計算
する。このBEPが絶対位置(地球172の中心に対する)であ
ることに注意すべきである。FPEからBEPを差し引くこと
によって、ビークル102に対するべ一スステーション188
の推定相対位置(HBE)が決定される。流れ図ブロック172
5に示すように、HBAが決定される、HBAはビークル102に
対するべ一スステーション188の別の推定相対位置であ
る。しかしHBEとは異なり、HBAはFPEからべ一ス既知位
置(BKP)を差し引くことによって計算される。従ってHBE
とHBAとは、前者がGPSデータ及び疑似衛星データの両方
または何れか一方を使用して計算されるのに対して、後
者は既知データを使用して計算される点が異なる。
2に対するべ一スステーション188の推定相対位置(HBE)
が決定される。FPEの初期状態は、iを繰り返しに対応す
る正の整数値として、FPE(i)の現在の値を取る。従っ
て、この方法が流れ図ブロック1717からブロック1721へ
進むと、FPE(i)の現在の値はFPE(0)になる。更に流れ図
ブロック1725において、ビークル102は次に、べ一スス
テーション188からビークル102に転送されたべ一ス実際
の擬似距離と、べ一ス推定擬似距離と、べ一ス空間バイ
アスと、べ一ス時言十バイアスとを使用して、べ一スス
テーション188の推定位置(べ一ス推定位置;BEP)を計算
する。このBEPが絶対位置(地球172の中心に対する)であ
ることに注意すべきである。FPEからBEPを差し引くこと
によって、ビークル102に対するべ一スステーション188
の推定相対位置(HBE)が決定される。流れ図ブロック172
5に示すように、HBAが決定される、HBAはビークル102に
対するべ一スステーション188の別の推定相対位置であ
る。しかしHBEとは異なり、HBAはFPEからべ一ス既知位
置(BKP)を差し引くことによって計算される。従ってHBE
とHBAとは、前者がGPSデータ及び疑似衛星データの両方
または何れか一方を使用して計算されるのに対して、後
者は既知データを使用して計算される点が異なる。
【００６６】次に流れ図ブロック1729において、HBEか
らHBAを減算することによってオフセットが計算され
る。好ましい実施例では、このオフセットは、二次元直
交座標系内のベクトルである。ビークル102とベースス
テ一ション188との高度差を斟酌する場合には三次元ベ
クトルを実現できることも考えられる。流れ図ブロック
1733において、古いFPEからオフセットを差し引くこと
によって新しいFPE(i)が計算される、換言すれば、オフ
セットはバイアスとして使用され、FPE(i)の精度を向上
させるためにFPE(i)から差し引かれる。流れ図ブロック
1737において、オフセットが所定のしきい値と比較され
る。好ましい実施例では、各ベクトル成分は対応するし
きい値を有している。もし全ての成分がそれらの対応す
る所定のしきい値よりも小さくなければ、戻り矢印1739
で示すように流れ図1700Aは再び流れ図ブロック1721を
開始する、この場合正の整数iが1だけ増加され、その繰
り返しが別の繰り返しであり、異なるFPE(i)であること
を指示する。本発明は所定のしきい値に達するか、また
はそれを超えるまで循環的に、またはループ状に動作す
る。オフセットが最終的に所定のしきい値に達すると、
流れ図ブロック1743に示すようにFPEはFPE(i)の現状態
を取る。以上のように、べ一ス相関器バイアス技術は高
精度のFPEをもたらす。
らHBAを減算することによってオフセットが計算され
る。好ましい実施例では、このオフセットは、二次元直
交座標系内のベクトルである。ビークル102とベースス
テ一ション188との高度差を斟酌する場合には三次元ベ
クトルを実現できることも考えられる。流れ図ブロック
1733において、古いFPEからオフセットを差し引くこと
によって新しいFPE(i)が計算される、換言すれば、オフ
セットはバイアスとして使用され、FPE(i)の精度を向上
させるためにFPE(i)から差し引かれる。流れ図ブロック
1737において、オフセットが所定のしきい値と比較され
る。好ましい実施例では、各ベクトル成分は対応するし
きい値を有している。もし全ての成分がそれらの対応す
る所定のしきい値よりも小さくなければ、戻り矢印1739
で示すように流れ図1700Aは再び流れ図ブロック1721を
開始する、この場合正の整数iが1だけ増加され、その繰
り返しが別の繰り返しであり、異なるFPE(i)であること
を指示する。本発明は所定のしきい値に達するか、また
はそれを超えるまで循環的に、またはループ状に動作す
る。オフセットが最終的に所定のしきい値に達すると、
流れ図ブロック1743に示すようにFPEはFPE(i)の現状態
を取る。以上のように、べ一ス相関器バイアス技術は高
精度のFPEをもたらす。
【００６７】G．衛星位置予測装置 本発明は、べ一スステーション188及びビークル102の両
方または何れか一方の既知の絶対位置に対するGPS衛星1
32-170の将来位置を予測することができる。将来位置
は、ホスト処理システム188及びVPS1000の両方または何
れか一方のGPSプロセッサ710によって計算された推定擬
似距離に基づく。更に、この計算はべ一スステーション
188及びビークル102の両方または何れか一方において遂
行し、必要ならば、何処へでも転送することができる。
GPS衛星132-170の将来位置を予測することによって、十
分事前にビークル102のための最適衛星星座を決定する
ことができる。従って本発明は、衛星の可用性及び非可
用性を体系的に予測することができる。また本発明によ
ればビークル102の動作、サービス、及び保守に関する
将来言十画が可能になる。
方または何れか一方の既知の絶対位置に対するGPS衛星1
32-170の将来位置を予測することができる。将来位置
は、ホスト処理システム188及びVPS1000の両方または何
れか一方のGPSプロセッサ710によって計算された推定擬
似距離に基づく。更に、この計算はべ一スステーション
188及びビークル102の両方または何れか一方において遂
行し、必要ならば、何処へでも転送することができる。
GPS衛星132-170の将来位置を予測することによって、十
分事前にビークル102のための最適衛星星座を決定する
ことができる。従って本発明は、衛星の可用性及び非可
用性を体系的に予測することができる。また本発明によ
ればビークル102の動作、サービス、及び保守に関する
将来言十画が可能になる。
【００６８】図18の流れ図1800は本発明の星座位置予測
方法を示す。流れ図ブロック1804において、特定のGPS
衛星に関して、今までには示さなかった多くの理由の何
れかのために、将来データ及び時刻が入手または選択さ
れる。流れ図ブロック1806に示すように、将来データ及
び時刻を取得した後に、べ一スステーション188及びビ
ークル102の両方または何れか一方の位置が決定され
る。好ましい実施例では、べ一スステーション188を参
照点として使用する。べ一スステーション188の位置は
べ一ス既知位置またはべ一ス位置推定(両者共べ一ス残
留技術に関して説明済)であってよい。好ましい実施例
ではベース既知位置を使用し、以下の説明はこれに基づ
く。次に流れ図ブロック1808に示すように、暦データを
参照する。本明細書の初めの部分で説明したように、NA
VSTAR GPSの層データは暦方程式の形状である。衛星の
識別と、将来データ及び時刻と、べ一ス既知位置とを暦
方程式内に入力することによって、どの衛星の将来位置
も決定することができる。
方法を示す。流れ図ブロック1804において、特定のGPS
衛星に関して、今までには示さなかった多くの理由の何
れかのために、将来データ及び時刻が入手または選択さ
れる。流れ図ブロック1806に示すように、将来データ及
び時刻を取得した後に、べ一スステーション188及びビ
ークル102の両方または何れか一方の位置が決定され
る。好ましい実施例では、べ一スステーション188を参
照点として使用する。べ一スステーション188の位置は
べ一ス既知位置またはべ一ス位置推定(両者共べ一ス残
留技術に関して説明済)であってよい。好ましい実施例
ではベース既知位置を使用し、以下の説明はこれに基づ
く。次に流れ図ブロック1808に示すように、暦データを
参照する。本明細書の初めの部分で説明したように、NA
VSTAR GPSの層データは暦方程式の形状である。衛星の
識別と、将来データ及び時刻と、べ一ス既知位置とを暦
方程式内に入力することによって、どの衛星の将来位置
も決定することができる。
【００６９】暦方程式を使用してべ一スステーション18
8に対する衛星の将来位置を決定する場合の将来位置
は、流れ図ブロック1808に示すように直交XYZ座標であ
る。最後に、好ましい実施例では流れ図ブロック1810に
おいて、XYZ座標とベースステーション188の位置とから
衛星の緯度、経度、高度及び方位が計算される。衛星の
将来位置の計算から、最適衛星星座を決定することがで
きる。べ一スステーション188を参照点として使用して
決定された最適衛星星座は、もしビークル102がべ一ス
ステーション188に近接していれば、ビークル102へ転送
することができる。
8に対する衛星の将来位置を決定する場合の将来位置
は、流れ図ブロック1808に示すように直交XYZ座標であ
る。最後に、好ましい実施例では流れ図ブロック1810に
おいて、XYZ座標とベースステーション188の位置とから
衛星の緯度、経度、高度及び方位が計算される。衛星の
将来位置の計算から、最適衛星星座を決定することがで
きる。べ一スステーション188を参照点として使用して
決定された最適衛星星座は、もしビークル102がべ一ス
ステーション188に近接していれば、ビークル102へ転送
することができる。
【００７０】H．重み付き経路履歴 本発明の重み付き経路履歴技術は、GPS処理システム700
から導出するビークル102の第1位置推定の精度を改善す
る。重み付き経路履歴技術は、VPS1000によって導出す
る第3位置推定の精度を改善するために以下に記述する
のと同じようにして実現することができる。重み付き経
路履歴技術を図19及び20に示す。本質的に重み付き経路
履歴技術は、将来の第1位置推定の有効性を試験するた
めに、先行第1位置推定を使用してビークル経路モデル
を導出する。重み付き経路履歴技術を使用することによ
って、第1位置推定の漂動が減少し、偽の位置計算を行
わない免除特性が向上する、本明細書で使用する“漂
動"とは、GPS処理システム700が、ビークル102の実際の
経路からずれた誤りのビークル位置を推定する傾向のこ
とである。
から導出するビークル102の第1位置推定の精度を改善す
る。重み付き経路履歴技術は、VPS1000によって導出す
る第3位置推定の精度を改善するために以下に記述する
のと同じようにして実現することができる。重み付き経
路履歴技術を図19及び20に示す。本質的に重み付き経路
履歴技術は、将来の第1位置推定の有効性を試験するた
めに、先行第1位置推定を使用してビークル経路モデル
を導出する。重み付き経路履歴技術を使用することによ
って、第1位置推定の漂動が減少し、偽の位置計算を行
わない免除特性が向上する、本明細書で使用する“漂
動"とは、GPS処理システム700が、ビークル102の実際の
経路からずれた誤りのビークル位置を推定する傾向のこ
とである。
【００７１】図19を参照する。重み付き経路履歴流れ図
は流れ図ブロック1902から開始される。流れ図ブロック
1904に示すように、ビークル102の第1位置推定がGPS処
理システム700によって計算され、記録される。第1位置
推定は時刻に関連して記録される。図20に示すように、
ビークル102の第1位置推定2002、2004、2006、2008、20
10、及び2012は図200に作図され、最終的にビークル経
路2022を導出する。流れ図ブロック1906においては、第
1位置推定を使用してビークル102の経路に最良適合する
経路方程式が処理/導出される。換言すれば、第1位置推
定が時間に関して累積され、正確な“経路方程式"が導
出されるのである。好ましい実施例では、経路方程式は
二次(放物線)方程式である。しかし、曲折するビークル
経路及びビークル転回に関して、三次(数学的変曲を有
する)方程式も含まれることを理解すべきである。更
に、本発明の実施例は、無限数の異なるビークル経路を
写図するために、どのような型の方程式の組合わせをも
使用することができる。流れ図ブロック1908において、
経路方程式及び第1位置推定に関する統計Ｒ2値が計算さ
れ、数値的しきい値と比較される。好ましい実施例で
は、このしきい値は0.98に設定されている。統計R2値に
関しては本明細書において既に説明済である。図19の重
み付き経路履歴技術に関しては、Ｒ2値は、これまでに
求められた第1位置推定の数を反映し、従って経路方程
式からの将来予測の統計的精度を表す。
は流れ図ブロック1902から開始される。流れ図ブロック
1904に示すように、ビークル102の第1位置推定がGPS処
理システム700によって計算され、記録される。第1位置
推定は時刻に関連して記録される。図20に示すように、
ビークル102の第1位置推定2002、2004、2006、2008、20
10、及び2012は図200に作図され、最終的にビークル経
路2022を導出する。流れ図ブロック1906においては、第
1位置推定を使用してビークル102の経路に最良適合する
経路方程式が処理/導出される。換言すれば、第1位置推
定が時間に関して累積され、正確な“経路方程式"が導
出されるのである。好ましい実施例では、経路方程式は
二次(放物線)方程式である。しかし、曲折するビークル
経路及びビークル転回に関して、三次(数学的変曲を有
する)方程式も含まれることを理解すべきである。更
に、本発明の実施例は、無限数の異なるビークル経路を
写図するために、どのような型の方程式の組合わせをも
使用することができる。流れ図ブロック1908において、
経路方程式及び第1位置推定に関する統計Ｒ2値が計算さ
れ、数値的しきい値と比較される。好ましい実施例で
は、このしきい値は0.98に設定されている。統計R2値に
関しては本明細書において既に説明済である。図19の重
み付き経路履歴技術に関しては、Ｒ2値は、これまでに
求められた第1位置推定の数を反映し、従って経路方程
式からの将来予測の統計的精度を表す。
【００７２】もしＲ2値が0.98より大きいか、または等
しければ、流れ図ブロック1910において新経路方程式を
導出すべきか否かを決定する試験が遂行される。換言す
れば、現在収集されている第1位置推定並びに経路方程
式が不正確であり、従って頼るべきではないか否かの決
定が行われるのである。好ましい実施例では、第1位置
推定の数が計数され、しきい値20と比較される。どのよ
うなしきい値数を事前選択しても差し支えない。もし20
より多くの第1位置推定を計数すれば、流れ図はブロッ
ク1914へ移動する。流れ図ブロック1914は、流れ図1900
の次の繰り返し中に、新しい経路方程式を流れ図ブロッ
ク1906から開始さ世ることを指示する。もし20より少な
いか、または等しい第1位置推定が計算され、収集され
ていれば、流れ図ブロック1906の現経路方程式はそのま
ま使用され、流れ図1900の次の繰り返し中に再び検討さ
れる。更に、流れ図ブロック1912に示すように第1位置
推定がGPS処理システム700によって出力される。
しければ、流れ図ブロック1910において新経路方程式を
導出すべきか否かを決定する試験が遂行される。換言す
れば、現在収集されている第1位置推定並びに経路方程
式が不正確であり、従って頼るべきではないか否かの決
定が行われるのである。好ましい実施例では、第1位置
推定の数が計数され、しきい値20と比較される。どのよ
うなしきい値数を事前選択しても差し支えない。もし20
より多くの第1位置推定を計数すれば、流れ図はブロッ
ク1914へ移動する。流れ図ブロック1914は、流れ図1900
の次の繰り返し中に、新しい経路方程式を流れ図ブロッ
ク1906から開始さ世ることを指示する。もし20より少な
いか、または等しい第1位置推定が計算され、収集され
ていれば、流れ図ブロック1906の現経路方程式はそのま
ま使用され、流れ図1900の次の繰り返し中に再び検討さ
れる。更に、流れ図ブロック1912に示すように第1位置
推定がGPS処理システム700によって出力される。
【００７３】図20に検討中のシナリオを図式的に示す。
ビークル102の第1位置推定2010は、経路方程式の最良適
合予測2006とは極端に異なっている。従って経路方程式
のＲ2値が所定のしきい値より大きいか、または等しい
限り、及び十分な位置推定がサンプルされている限り、
第1位置推定2010は最良適合予測2006によって置換され
る。線2014及び2016は、第1位置推定の許容範囲を示
す。これらの線2014及び2016は、Ｒ2値の物理的表示を
表す。従って、GPS処理システム700は、線2016の広がり
の外側の第1位置推定2010の代わりに、最良適合予測200
6を航法システム1022へ出力する。図20Aは、図19及び20
で説明した重み付き経路履歴技術を実現する方法の高水
準流れ図2000Aである。図示のようにこの方法は、鋭い
角、交差、及び何等かの極端な非線形経路の全てまたは
何れかを有するビークル走行経路を受け入れる。この方
法は、GPS処理システム700が出力するビークル102の第1
位置推定(FPE)の精度を向上させる。
ビークル102の第1位置推定2010は、経路方程式の最良適
合予測2006とは極端に異なっている。従って経路方程式
のＲ2値が所定のしきい値より大きいか、または等しい
限り、及び十分な位置推定がサンプルされている限り、
第1位置推定2010は最良適合予測2006によって置換され
る。線2014及び2016は、第1位置推定の許容範囲を示
す。これらの線2014及び2016は、Ｒ2値の物理的表示を
表す。従って、GPS処理システム700は、線2016の広がり
の外側の第1位置推定2010の代わりに、最良適合予測200
6を航法システム1022へ出力する。図20Aは、図19及び20
で説明した重み付き経路履歴技術を実現する方法の高水
準流れ図2000Aである。図示のようにこの方法は、鋭い
角、交差、及び何等かの極端な非線形経路の全てまたは
何れかを有するビークル走行経路を受け入れる。この方
法は、GPS処理システム700が出力するビークル102の第1
位置推定(FPE)の精度を向上させる。
【００７４】好ましい実施例は、ソフトウェアによって
図20Aの新規な原理体系を実現する。このソフトウェア
は、ビークル102及びべ一スステーション188の両方また
は何れか一方のGPS処理システム700のGPSプロセッサ710
内に位置させることができる。流れ図1600Aは、流れ図
ブロック2001から開始され、流れ図ブロック2019で終
る。流れ図ブロック2005に示すように、図7及び8で説明
したGPS処理システム700は、本明細書で説明済のバイア
ス技術の何れかを使用して第1位置推定を計算する。好
ましい実施例では、図20Aの方法に採用されるバイアス
技術は、例えば図15の原形バイアス技術及び図16の放物
線バイアス技術を含む。
図20Aの新規な原理体系を実現する。このソフトウェア
は、ビークル102及びべ一スステーション188の両方また
は何れか一方のGPS処理システム700のGPSプロセッサ710
内に位置させることができる。流れ図1600Aは、流れ図
ブロック2001から開始され、流れ図ブロック2019で終
る。流れ図ブロック2005に示すように、図7及び8で説明
したGPS処理システム700は、本明細書で説明済のバイア
ス技術の何れかを使用して第1位置推定を計算する。好
ましい実施例では、図20Aの方法に採用されるバイアス
技術は、例えば図15の原形バイアス技術及び図16の放物
線バイアス技術を含む。
【００７５】流れ図ブロック2009において、ビークル10
2が鋭い角、交差、または不規則な経路に接近中か、ま
たはその中にあるか否かの決定が行われる。この質問に
答えるために必要な情報は、図4のナビゲータ406からGP
Sプロセッサ710に供給することができる。もしこの質問
に対する答えが否であれば、流れ図2000Aは矢印2013で
示すように進められる。そうでなければ、即ちもしこの
質問への答えが肯定ならば、流れ図2000Aは矢印2021で
示すように進む。これらの両進路に関して以下に説明す
る。ビークル102が極端な非線形経路に接近中でも、そ
の中に位置してもいなければ、流れ図2000Aは流れ図ブ
ロック2015を開始する。流れ図ブロック2015においてGP
Sプロセッサ710は、1またはそれ以上のバイアス技術を
使用して導出した第1位置推定をVPS1000へ出力する。図
10及び11において説明済のVPS1000が、GPS処理システム
700から送られた第1位置推定を部分的に使用してビーク
ル102の第3位置推定を計算することを思い出されたい。
2が鋭い角、交差、または不規則な経路に接近中か、ま
たはその中にあるか否かの決定が行われる。この質問に
答えるために必要な情報は、図4のナビゲータ406からGP
Sプロセッサ710に供給することができる。もしこの質問
に対する答えが否であれば、流れ図2000Aは矢印2013で
示すように進められる。そうでなければ、即ちもしこの
質問への答えが肯定ならば、流れ図2000Aは矢印2021で
示すように進む。これらの両進路に関して以下に説明す
る。ビークル102が極端な非線形経路に接近中でも、そ
の中に位置してもいなければ、流れ図2000Aは流れ図ブ
ロック2015を開始する。流れ図ブロック2015においてGP
Sプロセッサ710は、1またはそれ以上のバイアス技術を
使用して導出した第1位置推定をVPS1000へ出力する。図
10及び11において説明済のVPS1000が、GPS処理システム
700から送られた第1位置推定を部分的に使用してビーク
ル102の第3位置推定を計算することを思い出されたい。
【００７６】ビークル102が極端な非線形経路に接近中
である場合には、流れ図2000Aは流れ図ブロック2023を
開始する。流れ図ブロック2023では、最終的により線形
な経路が後続するまで、バイアス技術は一時的に放棄さ
れる。流れ図ブロック2027に示すように、GPSプロセッ
サ710はバイアス技術に無関係にビークル102の第1位置
推定を計算する。次に流れ図は流れ図ブロック2031へ進
む。ビークル102が比較的線形の経路に接近中か、また
はその中にあるか否かの決定が行われる。もし肯定であ
れば、流れ図2000Aは戻り矢印2033によって示されてい
るように流れ図ブロック2005へ戻される。流れ図ブロッ
ク2005においては、先に終了させられた何れかのバイア
ス技術が再び使用される。
である場合には、流れ図2000Aは流れ図ブロック2023を
開始する。流れ図ブロック2023では、最終的により線形
な経路が後続するまで、バイアス技術は一時的に放棄さ
れる。流れ図ブロック2027に示すように、GPSプロセッ
サ710はバイアス技術に無関係にビークル102の第1位置
推定を計算する。次に流れ図は流れ図ブロック2031へ進
む。ビークル102が比較的線形の経路に接近中か、また
はその中にあるか否かの決定が行われる。もし肯定であ
れば、流れ図2000Aは戻り矢印2033によって示されてい
るように流れ図ブロック2005へ戻される。流れ図ブロッ
ク2005においては、先に終了させられた何れかのバイア
ス技術が再び使用される。
【００７７】図16の放物線バイアス技術の場合には、観
測される各GPS衛星毎に新しい最良適合放物線モデルが
作成される。観測される各GPS衛星毎に実際の擬似距離
がある時間周期に対して決定され、各GPS衛星毎の放物
線モデルが作成されることを思い出されたい。放物線モ
デルの精度があるしきい値より大きくなるまでは、これ
らのモデルは使用されない。本発明では、統計Ｒ2値が
O.99より大きくな(るまでは放物線モデルは使用されな
い。一方、もしビークル102が比較的線形の経路に接近
中でもなく、またその中に位置してもいなければ、流れ
図2000Aは前述の流れ図ブロック2015へ移動する。しか
しこの点でVPS1000へ送信される第1位置推定が如何なる
バイアス技術も使用されずに導出されたものであること
に注目すべきである。
測される各GPS衛星毎に新しい最良適合放物線モデルが
作成される。観測される各GPS衛星毎に実際の擬似距離
がある時間周期に対して決定され、各GPS衛星毎の放物
線モデルが作成されることを思い出されたい。放物線モ
デルの精度があるしきい値より大きくなるまでは、これ
らのモデルは使用されない。本発明では、統計Ｒ2値が
O.99より大きくな(るまでは放物線モデルは使用されな
い。一方、もしビークル102が比較的線形の経路に接近
中でもなく、またその中に位置してもいなければ、流れ
図2000Aは前述の流れ図ブロック2015へ移動する。しか
しこの点でVPS1000へ送信される第1位置推定が如何なる
バイアス技術も使用されずに導出されたものであること
に注目すべきである。
【００７８】I．反選択可用性 U.S．政府(NAVSTAR GPSの運用者)が、時々、時計パラメ
タ及び天体暦パラメタの両方または何れか一方を変更す
ることによって、GPS衛星132170から送信されるGPSデー
タ内に誤差を導入させるものと信じられる。換言すれ
ば、U.S．政府はGPSデータの可用性を選択的に変更でき
るのである。例えば、このような操作は国家非常時に行
われるであろう。それでもU.S．政府はNAVSTAR GPSを使
用できるのである。何故ならば、U.S．政府はPモードと
呼ばれる他の異質の型の擬似ランダムコードを使用する
からである。従って、U.S．政府はC/Aモードを弱体化す
ることができる。このような弱体化によって、GPS受信
機706は不正確な実際の、及び推定擬似距離を、従って
不正確な第1位置推定を計算してしまうようになる。本
発明の反選択可用隼技術は、GPSデータの何等かの誤導
入を検出し、補償する方策である。
タ及び天体暦パラメタの両方または何れか一方を変更す
ることによって、GPS衛星132170から送信されるGPSデー
タ内に誤差を導入させるものと信じられる。換言すれ
ば、U.S．政府はGPSデータの可用性を選択的に変更でき
るのである。例えば、このような操作は国家非常時に行
われるであろう。それでもU.S．政府はNAVSTAR GPSを使
用できるのである。何故ならば、U.S．政府はPモードと
呼ばれる他の異質の型の擬似ランダムコードを使用する
からである。従って、U.S．政府はC/Aモードを弱体化す
ることができる。このような弱体化によって、GPS受信
機706は不正確な実際の、及び推定擬似距離を、従って
不正確な第1位置推定を計算してしまうようになる。本
発明の反選択可用隼技術は、GPSデータの何等かの誤導
入を検出し、補償する方策である。
【００７９】図21に、反選択可用性技術の流れ図2100を
示す。好ましい実施例では、反選択可用性技術はホスト
処理システム186のGPSプロセッサ710内で遂行されてい
る。しかしこの技術は、ビークル102のGPSプロセッサ71
0内で実現することが可能である。流れ図2100は、流れ
図ブロック2102で開始され、流れ図ブロック2118で終了
する。流れ図ブロック2104において、GPSアンテナ702の
視界内のGPS衛星の推定擬似距離(予測推定擬似距離;Oi
j)が、古い暦データを使用することによって予測され
る。古い層データとは、先にGPS受信機706によって記録
され、またGPSプロセッサ710が現在受信したGPSデータ
には関わりなく予測推定擬似距離を計算するのを可能に
するGPSデータ、またはその一部のことである。ある意
味では、この古い層データは現在受信したGPSデータの
完全性を調べるのに使用されるのである。好ましい実施
例では、この古い暦データはGPS受信機706によって受信
された先行天体暦である。更に流れ図ブロック2104にお
いて、GPS衛星によって送信中の現天体暦データ(GPSデ
ータの部分集合)と、べ一スステーション188のべ一ス既
知位置とを使用して、GPS衛星の現推定擬似距離(“Ni
j")が通常のように計算される。流れ図ブロック2106に
おいて、予測推定擬似距離(暦を使用)と、現推定擬似距
離(最新天体暦を使用)とが比較される。流れ図ブロック
2106に示すように、予測推定擬似距離と現推定擬似距離
のユークリッドノルムが計算され、所定のしきい値と比
較される。
示す。好ましい実施例では、反選択可用性技術はホスト
処理システム186のGPSプロセッサ710内で遂行されてい
る。しかしこの技術は、ビークル102のGPSプロセッサ71
0内で実現することが可能である。流れ図2100は、流れ
図ブロック2102で開始され、流れ図ブロック2118で終了
する。流れ図ブロック2104において、GPSアンテナ702の
視界内のGPS衛星の推定擬似距離(予測推定擬似距離;Oi
j)が、古い暦データを使用することによって予測され
る。古い層データとは、先にGPS受信機706によって記録
され、またGPSプロセッサ710が現在受信したGPSデータ
には関わりなく予測推定擬似距離を計算するのを可能に
するGPSデータ、またはその一部のことである。ある意
味では、この古い層データは現在受信したGPSデータの
完全性を調べるのに使用されるのである。好ましい実施
例では、この古い暦データはGPS受信機706によって受信
された先行天体暦である。更に流れ図ブロック2104にお
いて、GPS衛星によって送信中の現天体暦データ(GPSデ
ータの部分集合)と、べ一スステーション188のべ一ス既
知位置とを使用して、GPS衛星の現推定擬似距離(“Ni
j")が通常のように計算される。流れ図ブロック2106に
おいて、予測推定擬似距離(暦を使用)と、現推定擬似距
離(最新天体暦を使用)とが比較される。流れ図ブロック
2106に示すように、予測推定擬似距離と現推定擬似距離
のユークリッドノルムが計算され、所定のしきい値と比
較される。
【００８０】もしユークリッドノルムが所定のしきい値
よりも大きければ、流れ図ブロック2108に示すように天
体暦データは信頼できないものとされる。従って、流れ
図ブロック2108に示すように、べ一スステーション188
の位置推定を計算する代わりに最新の有効暦データが使
用される。次いで流れ図2100は流れ図ブロック2110へ進
められる。もしユークリッドノルムが所定のしきい値よ
りも小さければ、その天体暦データは適切であるものと
され、流れ図2100は流れ図ブロック2110へ進められる。
次に流れ図ブロック2110に示すように、現時刻と、現在
受信したGPSデータか、または古い暦データの何れか(流
れ図ブロック2106において決定)とを使用してべ一スス
テーション188のべ一ス位置推定が計算される。流れ図
ブロック2112においてこのべ一ス位置推定が予測値と比
較される。換言すれば、べ一スステーション188の所在
(べ一ス既知位置)は既知であるから、反選択可用性技術
を使用したべ一ス位置推定の精度は、所定のしきい値に
対して容易に調べることができるのである。もし精度が
所定のしきい値内にあれば、流れ図ブロック2116に示す
ようにそのGPSデータが適切であるという指示がビーク
ル102へ送られる。その結果べ一スステーション188は第
1位置推定を計算するのに必要な情報をビークル102へ転
送する。転送される情報は、例えばべ一ス時計バイア
ス、空間バイアス(原形バイアス、放物線バイアス、べ
一ス残留バイア子)、べ一ス推定擬似距離、及びべ一ス
実際の擬似距離の全てまたは何れかを含むことができ
る。
よりも大きければ、流れ図ブロック2108に示すように天
体暦データは信頼できないものとされる。従って、流れ
図ブロック2108に示すように、べ一スステーション188
の位置推定を計算する代わりに最新の有効暦データが使
用される。次いで流れ図2100は流れ図ブロック2110へ進
められる。もしユークリッドノルムが所定のしきい値よ
りも小さければ、その天体暦データは適切であるものと
され、流れ図2100は流れ図ブロック2110へ進められる。
次に流れ図ブロック2110に示すように、現時刻と、現在
受信したGPSデータか、または古い暦データの何れか(流
れ図ブロック2106において決定)とを使用してべ一スス
テーション188のべ一ス位置推定が計算される。流れ図
ブロック2112においてこのべ一ス位置推定が予測値と比
較される。換言すれば、べ一スステーション188の所在
(べ一ス既知位置)は既知であるから、反選択可用性技術
を使用したべ一ス位置推定の精度は、所定のしきい値に
対して容易に調べることができるのである。もし精度が
所定のしきい値内にあれば、流れ図ブロック2116に示す
ようにそのGPSデータが適切であるという指示がビーク
ル102へ送られる。その結果べ一スステーション188は第
1位置推定を計算するのに必要な情報をビークル102へ転
送する。転送される情報は、例えばべ一ス時計バイア
ス、空間バイアス(原形バイアス、放物線バイアス、べ
一ス残留バイア子)、べ一ス推定擬似距離、及びべ一ス
実際の擬似距離の全てまたは何れかを含むことができ
る。
【００８１】もし計算されたべ一スステーション188が
所定のしきい値内になければ、流れ図ブロック2114に示
すように、推定べ一ス位置が所定のしきい値内に入るよ
うにべ一ス時計バイアス及びべ一ス空間バイアスの両方
または何れか一方が操作される。そこで、流れ図ブロッ
ク2116に示すようにべ一ス推定位置を受け入れ可能なし
きい値内に移動させるのに必要なべ一ス時計バイアスが
ビークル102へ送られるのである。
所定のしきい値内になければ、流れ図ブロック2114に示
すように、推定べ一ス位置が所定のしきい値内に入るよ
うにべ一ス時計バイアス及びべ一ス空間バイアスの両方
または何れか一方が操作される。そこで、流れ図ブロッ
ク2116に示すようにべ一ス推定位置を受け入れ可能なし
きい値内に移動させるのに必要なべ一ス時計バイアスが
ビークル102へ送られるのである。
【００８２】J.探査 ビークル102の位置推定及び航路の決定に加えて、本発
明は地球172の表面の探査を実時間で達成する別の実施
例に使用することができる。即ち、本発明の技術及び方
法を使用して地球172上の如何なる点の位置も言十算す
ることができる。 K.図形表現 本発明は、ホスト処理システム188のユーザインタフェ
ース(図示してない)上に図形画像を生成をさせる。図形
画像によって、べ一スステーション188に搭乗するユー
ザは、ビークル102、及び本発明を使用して航行中の任
意の他のビークルの経路を視ることができる。好ましい
実施例では、もし望むならば、図形画像を市販のビデオ
表示装置上に表示させ、画面を普通のプリンタによって
印刷させることができる。
明は地球172の表面の探査を実時間で達成する別の実施
例に使用することができる。即ち、本発明の技術及び方
法を使用して地球172上の如何なる点の位置も言十算す
ることができる。 K.図形表現 本発明は、ホスト処理システム188のユーザインタフェ
ース(図示してない)上に図形画像を生成をさせる。図形
画像によって、べ一スステーション188に搭乗するユー
ザは、ビークル102、及び本発明を使用して航行中の任
意の他のビークルの経路を視ることができる。好ましい
実施例では、もし望むならば、図形画像を市販のビデオ
表示装置上に表示させ、画面を普通のプリンタによって
印刷させることができる。
【００８３】IV．航法システム A．概要 自律航法システムの実現を検討する際に、点Aから点Bま
での航行を成功させるためには、自律システムが答える
ことができなければならない若干の基本的な質問が存在
する。最初の質問は、“今我々(ビークル)は何処にいる
のか?"である、この最初の質問には、区分II．において
説明した本発明の位置特定システム部分が答える。次
の、第2の質問は、“我々は何処へ行くのか、そしてど
のようにしてそこへ行くのか?"である。この第2の質問
は、本区分(III.)において説明する本発明の航法システ
ム部分の領域に入る。さらなる(第3の)質問は、“どの
ようにして我々はビークルを実際に物理的に運動させる
のか、そのようにするためには例えばどのアクチュエー
タが含まれるのか(舵取り、速度、制動、等々)?"であ
る。これも以下に説明する航法システムのビークル制御
サブシステムの領域である。上述のように、例えば採鉱
用ビークルの自律航行は、従来の航行よりも優れた若干
の長所を提供する。就中、優れた生産性を提供するのは
ビークルの終日、即ち24時間運転である。危険な作業環
境、または低視程の作業環境が提示する諸問題は、自律
システムが解決するのに特に適した問題である。例え
ば、低視程のために年間200日は作業不可能な採鉱現場
が存在する。産業公害または核公害によって汚染されて
いるために人の生命にとって危険であるかも知れない他
の領域も存在する。ある領域は、人間がそこで働くには
極めて苛酷であるか、または実行不能な程遠方、または
荒廃しているかも知れない。本発明の応用は、地球外動
作、例えば必要GPS衛星が月の軌道内に配置されている
ことを条件に、月における採鉱を予見的に含むことがで
きる。
での航行を成功させるためには、自律システムが答える
ことができなければならない若干の基本的な質問が存在
する。最初の質問は、“今我々(ビークル)は何処にいる
のか?"である、この最初の質問には、区分II．において
説明した本発明の位置特定システム部分が答える。次
の、第2の質問は、“我々は何処へ行くのか、そしてど
のようにしてそこへ行くのか?"である。この第2の質問
は、本区分(III.)において説明する本発明の航法システ
ム部分の領域に入る。さらなる(第3の)質問は、“どの
ようにして我々はビークルを実際に物理的に運動させる
のか、そのようにするためには例えばどのアクチュエー
タが含まれるのか(舵取り、速度、制動、等々)?"であ
る。これも以下に説明する航法システムのビークル制御
サブシステムの領域である。上述のように、例えば採鉱
用ビークルの自律航行は、従来の航行よりも優れた若干
の長所を提供する。就中、優れた生産性を提供するのは
ビークルの終日、即ち24時間運転である。危険な作業環
境、または低視程の作業環境が提示する諸問題は、自律
システムが解決するのに特に適した問題である。例え
ば、低視程のために年間200日は作業不可能な採鉱現場
が存在する。産業公害または核公害によって汚染されて
いるために人の生命にとって危険であるかも知れない他
の領域も存在する。ある領域は、人間がそこで働くには
極めて苛酷であるか、または実行不能な程遠方、または
荒廃しているかも知れない。本発明の応用は、地球外動
作、例えば必要GPS衛星が月の軌道内に配置されている
ことを条件に、月における採鉱を予見的に含むことがで
きる。
【００８４】図3に示すように、本発明の典型的な応用
は採鉱現場における採鉱車の航行に関し、この現場には
基本的な3つの作業領域、即ち積荷現場、輸送路、及び
ダンプ現場が存在する。積荷現場では、運搬車は種々の
方法の何れかで、例えば直接制御または遠隔制御の何れ
かによって制御される手動ショベル、または自律ショベ
ルによって鉱石を積荷することができる。次いで運搬車
は輸送路と呼ばれる領域を走行しなければならない。輸
送路は数百メートル程度しかない場合も、数キロメート
ルに達する場合もある。輸送路の終りがダンプ現場であ
り、鉱石は例えば粉砕、またはその他に精製するために
運搬車からダンプされる。本発明は、運搬車を輸送路に
沿って制御するために自律位置特定及び航法を使用す
る。自律航行する燃料補給ビークル及び保守ビークルも
考えられる。図4及び5を参照する。AMT(自律採鉱トラッ
ク)の航行は、幾つかのシステム、装置及び機能の全て
または何れかを包含する。上記総合AMTシステムのサブ
システムVPS1000は、例えばビークルが北及び東位置を
含む何処に位置しているかを指示する位置データを出力
する。
は採鉱現場における採鉱車の航行に関し、この現場には
基本的な3つの作業領域、即ち積荷現場、輸送路、及び
ダンプ現場が存在する。積荷現場では、運搬車は種々の
方法の何れかで、例えば直接制御または遠隔制御の何れ
かによって制御される手動ショベル、または自律ショベ
ルによって鉱石を積荷することができる。次いで運搬車
は輸送路と呼ばれる領域を走行しなければならない。輸
送路は数百メートル程度しかない場合も、数キロメート
ルに達する場合もある。輸送路の終りがダンプ現場であ
り、鉱石は例えば粉砕、またはその他に精製するために
運搬車からダンプされる。本発明は、運搬車を輸送路に
沿って制御するために自律位置特定及び航法を使用す
る。自律航行する燃料補給ビークル及び保守ビークルも
考えられる。図4及び5を参照する。AMT(自律採鉱トラッ
ク)の航行は、幾つかのシステム、装置及び機能の全て
または何れかを包含する。上記総合AMTシステムのサブ
システムVPS1000は、例えばビークルが北及び東位置を
含む何処に位置しているかを指示する位置データを出力
する。
【００８５】図4及び5を参照する。VPSからのデータ出
力はナビゲータ406によって受信される。ナビゲータ
は、ビークルが何処へ行きたいのか(ルートデータか
ら)、及びどのようにしてそこへ到達するかを決定し、
舵取り及び速度命令からなるデータをビークル制御機能
ブロック408へ出力してビークルを運動させる。次いで
ビークル制御ブロックは低水準命令を、ガバナ、ブレー
キ、及び伝導装置のような種々のビークル102システム
ヘ出力する。ビークルが行先へ向かって運動すると、ビ
ークル制御フロック及びVPSは、例えばビークルのシス
テムの障害状態、現速度等々を表すフィードバック情報
をビークルから受信する。航法は予期せざる障害物に対
処する障害物処理(検出及び回避)能力をも含んでいなけ
ればならない、走査システム404は、ビークルの予定の
道筋内の障害物、及び側から接近するかも知れない障害
物を検出して、これらのナビゲータに通知する。次いで
ナビゲータは、障害物を回避するための動作が必要か否
かを決定することを要求されるかも知れない。もし動作
が要求されれば、ナビゲータはどのようにして障害物を
回避するかを決定する。またナビゲータは、障害物を回
避した後に、どのようにしてビークルをその行先に向か
う経路に戻すかを決定する。脈絡図と名付けた図35、及
び図37A-37Dを参照する。数字入りの円で示されている
定義を以下に示す。
力はナビゲータ406によって受信される。ナビゲータ
は、ビークルが何処へ行きたいのか(ルートデータか
ら)、及びどのようにしてそこへ到達するかを決定し、
舵取り及び速度命令からなるデータをビークル制御機能
ブロック408へ出力してビークルを運動させる。次いで
ビークル制御ブロックは低水準命令を、ガバナ、ブレー
キ、及び伝導装置のような種々のビークル102システム
ヘ出力する。ビークルが行先へ向かって運動すると、ビ
ークル制御フロック及びVPSは、例えばビークルのシス
テムの障害状態、現速度等々を表すフィードバック情報
をビークルから受信する。航法は予期せざる障害物に対
処する障害物処理(検出及び回避)能力をも含んでいなけ
ればならない、走査システム404は、ビークルの予定の
道筋内の障害物、及び側から接近するかも知れない障害
物を検出して、これらのナビゲータに通知する。次いで
ナビゲータは、障害物を回避するための動作が必要か否
かを決定することを要求されるかも知れない。もし動作
が要求されれば、ナビゲータはどのようにして障害物を
回避するかを決定する。またナビゲータは、障害物を回
避した後に、どのようにしてビークルをその行先に向か
う経路に戻すかを決定する。脈絡図と名付けた図35、及
び図37A-37Dを参照する。数字入りの円で示されている
定義を以下に示す。
【００８６】502．ポスト命令&照会:ホストによってビ
ークル管理者に与えられる命令。これらの命令は幾つか
の型であり得る。 開始/終了;供給パラメタ;緊急時動作;及び指令。照会は
ナビゲータの種々の部分のステータスに関して問合わせ
る。
ークル管理者に与えられる命令。これらの命令は幾つか
の型であり得る。 開始/終了;供給パラメタ;緊急時動作;及び指令。照会は
ナビゲータの種々の部分のステータスに関して問合わせ
る。
【００８７】504．ホストヘの返答:これらは、ホストに
よってなされた照会に対する応答である。 432．位置データ:これは、VPSによって供給されるスト
リーム化された情報である。 416．距離データ:これは、線レーザスキャナからの距離
データである。 432. VPS制御:これらは、VPSの始動、停止、及びモード
間の切り換えを行うために与えられる命令である。 416．スキャナ制御:これらは、レーザスキャナに運動を
開始させ、速度パターンを追随させるように設定するた
めに送られる命令である。
よってなされた照会に対する応答である。 432．位置データ:これは、VPSによって供給されるスト
リーム化された情報である。 416．距離データ:これは、線レーザスキャナからの距離
データである。 432. VPS制御:これらは、VPSの始動、停止、及びモード
間の切り換えを行うために与えられる命令である。 416．スキャナ制御:これらは、レーザスキャナに運動を
開始させ、速度パターンを追随させるように設定するた
めに送られる命令である。
【００８８】420．舵取り&速度命令：これらは、舵取り
及び速度を制御するためにビークルに与えられる命令で
ある。これらの命令は、2-5Hzのレートで供給される。
図5を参照する。前述のように本発明の好ましい実施例
では、VPS及びナビゲータは共にビークル上に配置さ
れ、以下に説明するようにべ一スステーション188と通
信してホスト処理システム186から高水準GPS位置情報及
び指令を受信する。システムはべ一スステーション及び
ビークル上においてGPS衛星200−206からのGPS位置情報
を収集するので、共通モード誤差は除去され、位置決め
精度を向上させることができる。
及び速度を制御するためにビークルに与えられる命令で
ある。これらの命令は、2-5Hzのレートで供給される。
図5を参照する。前述のように本発明の好ましい実施例
では、VPS及びナビゲータは共にビークル上に配置さ
れ、以下に説明するようにべ一スステーション188と通
信してホスト処理システム186から高水準GPS位置情報及
び指令を受信する。システムはべ一スステーション及び
ビークル上においてGPS衛星200−206からのGPS位置情報
を収集するので、共通モード誤差は除去され、位置決め
精度を向上させることができる。
【００８９】本発明の代替実施例では、VPS及びナビゲ
ータの部分をベースステーションに配置することができ
る。べ一スステーションに配置されているホストは、例
えば点Aから点Bへ行くことをナビゲータに通知すること
ができ、使用する固定ルートの集合の中の1つを指示す
ることができる。またホストは、効率の最大化、衝突回
避、誤り状態の検出等々を達成するためのビークル及び
機器め調整のような他の典型的なタスク指名及びスケジ
ューリングをも処理する。またホストは、人間の管理者
のための操作インタフェースを有している。通信の隘路
と、それによりもたらされる性能及び応答性の劣化を回
避するためには、ホストをべ一スステーションに配置
し、ナビゲータをビークルに配置することが望ましいこ
とが分かった。ホストは比較的高水準の命令及び簡易化
されたデータをナビゲータヘ送るから、比較的狭い通信
帯域幅で済む。しかしながら、本発明のために広帯域通
信が使用可能である場合には、これが要因にはならない
かも知れない。
ータの部分をベースステーションに配置することができ
る。べ一スステーションに配置されているホストは、例
えば点Aから点Bへ行くことをナビゲータに通知すること
ができ、使用する固定ルートの集合の中の1つを指示す
ることができる。またホストは、効率の最大化、衝突回
避、誤り状態の検出等々を達成するためのビークル及び
機器め調整のような他の典型的なタスク指名及びスケジ
ューリングをも処理する。またホストは、人間の管理者
のための操作インタフェースを有している。通信の隘路
と、それによりもたらされる性能及び応答性の劣化を回
避するためには、ホストをべ一スステーションに配置
し、ナビゲータをビークルに配置することが望ましいこ
とが分かった。ホストは比較的高水準の命令及び簡易化
されたデータをナビゲータヘ送るから、比較的狭い通信
帯域幅で済む。しかしながら、本発明のために広帯域通
信が使用可能である場合には、これが要因にはならない
かも知れない。
【００９０】本発明のシステムの諸要素の特定位置を決
定する別の要因は、自律航法の時間臨界度である。ある
ルートを辿る際に容認できない程の不正確さを回避する
ために、航法システムはその絶対位置と相対位置とを絶
えず検査していなければならない。位置検査に必要な周
波数はビークルの速度と共に増加し、ビークル速度が比
較的中庸であってさえも通信速度が制限要因になり始め
る。しかし、ビークルの最大速度が主たる考察要因では
なく、高度のルート追随精度が臨界的ではない両方また
は何れか一方の応用においては、この通信要因は重要で
はないかも知れない。例えば、広々と開けた平坦な土地
を比較的直線の経路に沿って急いで横切るような場合に
は、曲がりくねった山道に沿って走行する場合のように
走行中に屡々位置を検査する必要はあるまい。
定する別の要因は、自律航法の時間臨界度である。ある
ルートを辿る際に容認できない程の不正確さを回避する
ために、航法システムはその絶対位置と相対位置とを絶
えず検査していなければならない。位置検査に必要な周
波数はビークルの速度と共に増加し、ビークル速度が比
較的中庸であってさえも通信速度が制限要因になり始め
る。しかし、ビークルの最大速度が主たる考察要因では
なく、高度のルート追随精度が臨界的ではない両方また
は何れか一方の応用においては、この通信要因は重要で
はないかも知れない。例えば、広々と開けた平坦な土地
を比較的直線の経路に沿って急いで横切るような場合に
は、曲がりくねった山道に沿って走行する場合のように
走行中に屡々位置を検査する必要はあるまい。
【００９１】概念的には、本発明の航法の面は、任意に
以下の主要機能に分割することができる。 ルート計画/経路生成;経路追尾;及び障害物処理。本発
明の機能を以下に説明する。
以下の主要機能に分割することができる。 ルート計画/経路生成;経路追尾;及び障害物処理。本発
明の機能を以下に説明する。
【００９２】B．ルート計画/経路生成 1．序 本発明による自律ビークル航法は、概念的には、別個に
解決される2つの副問題、即ち経路生成と、経路追尾と
からなる。経路生成は高水準プランナからの中間目標を
使用して、ビークル102が辿る詳しい経路を生成する。
これらの計画の表現の簡易さと、それらを実行できる容
易さとの間には明白なトレードオフが存在する。例えば
簡単な計画は、経路を直線と円曲線に分解することであ
る、しかしながら、セグメントの遷移点における曲率が
不連続であり瞬時加速を必要とするために、簡単にこれ
らの経路を精密に追尾することはできない。経路生成に
続いて、経路追尾は入力として生成された詳細な経路を
入手し、可能な限り精密にその経路を迫るようにビーク
ル102を制御する。所要の舵取り運動を正確に達成する
ことに失敗すると、安定なオフセット誤差を生じてしま
うので、単に事前に作成された舵取り命令のリストに従
うだけでは不十分である。誤差は長期運転中に累積す
る。グローバル位置フィードバック432は、理想的アク
チュエータに対する不足分を補償するために使用するこ
とができる。従来のビークル制御計画とは異なり、位置
の時間履歴(軌跡)をビークル102に対して指定された計
画の中に暗示するような方法が本発明のために開発され
た。これらの方法は、舵取り運動が時間から切り離され
ていること、即ち舵取り運動を指定された経路の幾何学
的性質に直接関係付け、ビークル102の速度を独立パラ
メタとしていることから、“経路"追尾と適切に命名さ
れている。
解決される2つの副問題、即ち経路生成と、経路追尾と
からなる。経路生成は高水準プランナからの中間目標を
使用して、ビークル102が辿る詳しい経路を生成する。
これらの計画の表現の簡易さと、それらを実行できる容
易さとの間には明白なトレードオフが存在する。例えば
簡単な計画は、経路を直線と円曲線に分解することであ
る、しかしながら、セグメントの遷移点における曲率が
不連続であり瞬時加速を必要とするために、簡単にこれ
らの経路を精密に追尾することはできない。経路生成に
続いて、経路追尾は入力として生成された詳細な経路を
入手し、可能な限り精密にその経路を迫るようにビーク
ル102を制御する。所要の舵取り運動を正確に達成する
ことに失敗すると、安定なオフセット誤差を生じてしま
うので、単に事前に作成された舵取り命令のリストに従
うだけでは不十分である。誤差は長期運転中に累積す
る。グローバル位置フィードバック432は、理想的アク
チュエータに対する不足分を補償するために使用するこ
とができる。従来のビークル制御計画とは異なり、位置
の時間履歴(軌跡)をビークル102に対して指定された計
画の中に暗示するような方法が本発明のために開発され
た。これらの方法は、舵取り運動が時間から切り離され
ていること、即ち舵取り運動を指定された経路の幾何学
的性質に直接関係付け、ビークル102の速度を独立パラ
メタとしていることから、“経路"追尾と適切に命名さ
れている。
【００９３】さて、図3を参照する。自律ビークル102
は、ホスト処理システム186の指令の下に、ダンプ現場3
22まで輸送セグメント320を走行し、その積荷をダンプ
した後に、別の輸送セグメントをサービスショップ324
まで走行することを要求されるかも知れない。ホスト処
理システム186はビークル102の行先を決定するが、これ
は“サイクル計画"と呼ばれる。どのルートを通って所
望の行先へ行くかの決定は、“ルート言十画"によって
達成されなければならない。“ルート計画"とは、どの
経路セグメントを通って所望の行先へ行くかを決定する
ことである。一般に、ルートは2つの限定された位置間
の点の集合の高水準抽象、または表現と考えることがで
きる。誰かが運転手に対して“メイン州ロブスターから
国道95号線を南にとりフロリダ州マイアミまで行け"と
指令したものとすれば、運転手がその指令を一連の操作
(これらの操作は、車即ちビークル102を始動させ、ブレ
ーキ4406をゆるめ、伝導装置4610を係合させ、公示され
た制限速度まで加速し、舵取りハンドル4910を回し、障
害物を避ける等々を含むであろう)に変換するであろう
が、それと全く同じことを本発明の自律航法システムは
遂行するのである。本発明のシステムにおいて使用する
“ルート”とは、走行の始まりと終りとの間の連続“セ
グメントのシーケンスのことである。自律ビークル102
はシーケンスのどの位置からでも始めることができ、ま
たルートを何れの方向にも走行することができる。“セ
グメント”は、“ノード"間の経路である、”ノード"は
ある経路上で決定を必要とする“ポスチュァ"(posture)
である。ノードの例は、積荷現場3318、ダンプ現場32
2、及び戸交差点326である。
は、ホスト処理システム186の指令の下に、ダンプ現場3
22まで輸送セグメント320を走行し、その積荷をダンプ
した後に、別の輸送セグメントをサービスショップ324
まで走行することを要求されるかも知れない。ホスト処
理システム186はビークル102の行先を決定するが、これ
は“サイクル計画"と呼ばれる。どのルートを通って所
望の行先へ行くかの決定は、“ルート言十画"によって
達成されなければならない。“ルート計画"とは、どの
経路セグメントを通って所望の行先へ行くかを決定する
ことである。一般に、ルートは2つの限定された位置間
の点の集合の高水準抽象、または表現と考えることがで
きる。誰かが運転手に対して“メイン州ロブスターから
国道95号線を南にとりフロリダ州マイアミまで行け"と
指令したものとすれば、運転手がその指令を一連の操作
(これらの操作は、車即ちビークル102を始動させ、ブレ
ーキ4406をゆるめ、伝導装置4610を係合させ、公示され
た制限速度まで加速し、舵取りハンドル4910を回し、障
害物を避ける等々を含むであろう)に変換するであろう
が、それと全く同じことを本発明の自律航法システムは
遂行するのである。本発明のシステムにおいて使用する
“ルート”とは、走行の始まりと終りとの間の連続“セ
グメントのシーケンスのことである。自律ビークル102
はシーケンスのどの位置からでも始めることができ、ま
たルートを何れの方向にも走行することができる。“セ
グメント”は、“ノード"間の経路である、”ノード"は
ある経路上で決定を必要とする“ポスチュァ"(posture)
である。ノードの例は、積荷現場3318、ダンプ現場32
2、及び戸交差点326である。
【００９４】セグメントには種々の型がある。例えば、
線形セグメントと円形セグメントとがある。線形セグメ
ント(線)は、2つのノードによって限定される。円形セ
グメント(弧)は、3つのノードによって限定される。
“ポスチュア"は、例えばルート、経路、及びノードの
部分をモデル化するために使用される。ポスチュアは、
位置、ヘッディング(進行方位)、曲率、最大速度、及び
経路上の所与の点に関する情報からなることができる。
“経路"は、連続するポスチュアのシーケンスである。
従ってあるセグメントはノード間の連続するポスチュア
のシーケンスである。全てのセグメントはそれらに関連
するある速度を有しており、この速度はビークル102が
そのセグメントを走行する時の最大遠度を指定する。他
の要求を満たすために、もし必要ならば、ナビゲータ40
6はより遅い速度を命令することができる。
線形セグメントと円形セグメントとがある。線形セグメ
ント(線)は、2つのノードによって限定される。円形セ
グメント(弧)は、3つのノードによって限定される。
“ポスチュア"は、例えばルート、経路、及びノードの
部分をモデル化するために使用される。ポスチュアは、
位置、ヘッディング(進行方位)、曲率、最大速度、及び
経路上の所与の点に関する情報からなることができる。
“経路"は、連続するポスチュアのシーケンスである。
従ってあるセグメントはノード間の連続するポスチュア
のシーケンスである。全てのセグメントはそれらに関連
するある速度を有しており、この速度はビークル102が
そのセグメントを走行する時の最大遠度を指定する。他
の要求を満たすために、もし必要ならば、ナビゲータ40
6はより遅い速度を命令することができる。
【００９５】経路セグメントを限定するにはどのポスチ
ュアが必要であるかを解析的、実験的、または両者の組
合せによって決定することを、本発明では“経路計画"
と呼ぶ。説明の全範囲にわたって上述の連続するルート
のシーケンスを“サイクル"と呼び、ビークル102の作業
目標はその“サイクル"を決定する。従ってルートを限
定するためには、先ずノードとセグメントとを限定しな
ければならない。次にノードとセグメントとを順序付け
なければならない。最後に、ルートの順序付けられた集
合の何処から始めるのか、及び順序付けられた集合をど
の方向に進むのかを指定することによって、ルートを限
定しなければならない(本発明のこれらの概念を示す図2
2を参照されたい)。ルートを限定する上述の方法は、本
発明ではメモリ効率のために開発された。またこれは、
ノード及びセグメントの指定された集合で多くのルート
を限定するための便利な方策でもある。
ュアが必要であるかを解析的、実験的、または両者の組
合せによって決定することを、本発明では“経路計画"
と呼ぶ。説明の全範囲にわたって上述の連続するルート
のシーケンスを“サイクル"と呼び、ビークル102の作業
目標はその“サイクル"を決定する。従ってルートを限
定するためには、先ずノードとセグメントとを限定しな
ければならない。次にノードとセグメントとを順序付け
なければならない。最後に、ルートの順序付けられた集
合の何処から始めるのか、及び順序付けられた集合をど
の方向に進むのかを指定することによって、ルートを限
定しなければならない(本発明のこれらの概念を示す図2
2を参照されたい)。ルートを限定する上述の方法は、本
発明ではメモリ効率のために開発された。またこれは、
ノード及びセグメントの指定された集合で多くのルート
を限定するための便利な方策でもある。
【００９６】本発明の実際の例では、多くの交差する道
路326が存在するような現場が想像される。ルートプロ
グラマは、交差点にノードを限定し、交差点間の道路を
限定するためにセグメントを限定するであろう。従っ
て、ルートは道路及び交差点によって決定されるであろ
う。しかしながら、交差点及び道路の固定された集合を
用いて、点Aから点Bまで行くには多くの道(多くのルー
ト)が存在しよう。本発明の経路追尾方法(以下に説明す
る)はビークルを舵取りするためにルート曲率を使用す
る。線と弧を使用するルート限定方法は、連続する曲率
を与えない。クロソイド(c1othoid)曲線はルートを限定
するための別の方法である。本発明者によって開発され
た別のルート限定方法は、駆動されたデータにBスプラ
インを適合させる。Bスプラインは連続的な曲率を与
え、従って追尾性能を向上させる。更に、Bスプライン
は自由形状の湾曲であるから、ルートは単一のBスプラ
イン曲線によって限定することができる。自由形状の湾
曲を使用することによって、ルートを、ルート上でビー
クルを駆動することによって収集されるデータに適合さ
せるためのより確固たる方法(半自動)が本発明によって
得られる。
路326が存在するような現場が想像される。ルートプロ
グラマは、交差点にノードを限定し、交差点間の道路を
限定するためにセグメントを限定するであろう。従っ
て、ルートは道路及び交差点によって決定されるであろ
う。しかしながら、交差点及び道路の固定された集合を
用いて、点Aから点Bまで行くには多くの道(多くのルー
ト)が存在しよう。本発明の経路追尾方法(以下に説明す
る)はビークルを舵取りするためにルート曲率を使用す
る。線と弧を使用するルート限定方法は、連続する曲率
を与えない。クロソイド(c1othoid)曲線はルートを限定
するための別の方法である。本発明者によって開発され
た別のルート限定方法は、駆動されたデータにBスプラ
インを適合させる。Bスプラインは連続的な曲率を与
え、従って追尾性能を向上させる。更に、Bスプライン
は自由形状の湾曲であるから、ルートは単一のBスプラ
イン曲線によって限定することができる。自由形状の湾
曲を使用することによって、ルートを、ルート上でビー
クルを駆動することによって収集されるデータに適合さ
せるためのより確固たる方法(半自動)が本発明によって
得られる。
【００９７】図4及び22を参照する。動作中に、べ一ス
ステーション188のホスト処理システム186は、識別され
たビークル102に対してその現位置からルートNを取るよ
うに命令する、ナビゲータ406は“ルート1"を、各々が
“公示された"または関係付けられた最大速度限界を有
することができる一連のセグメントに翻訳することによ
らて経路を生成する(これらのセグメントが一緒になっ
てビークルに辿らせるための生成された経路を形成す
る)ように機能する。ルートを指定し、この方向の高水
準命令を有する自律ビークル102に命令することによっ
て、本発明では方向を与える場合に要求される莫大なデ
ータ及び非効率を回避している。ナビゲータ406は、ル
ートを一連の個々の点の集合としてではなく、経路セグ
メントのリンクされたリストとして記憶する。これらの
セグメントは、限定された位置即ちノード間の点の集合
の抽象でもある。次いでリンカは柔軟性及び効率を斟酌
しながら所与の経路セグメントを取り、制御点のリンク
されたリストを生成する。図22に示すように、経路セグ
メントは異なるルートによって共用される。経路セグメ
ントは、弧、線及びポスチュアの集合として、TARGA 53
02と呼ぶメモリ内に記憶される。例えば、本発明の1実
施例では、解析的生成プログラム機能がこれらの弧、線
及びポスチュアを使用して経路を生成する。本発明の別
の実施例では、上述のように、ルートの数学的表現とし
てBスプラインを使用する。本発明の別の実施例では、
経路セグメントを生成するために“クロソイド"曲線を
使用する。これらに関して以下に説明する。
ステーション188のホスト処理システム186は、識別され
たビークル102に対してその現位置からルートNを取るよ
うに命令する、ナビゲータ406は“ルート1"を、各々が
“公示された"または関係付けられた最大速度限界を有
することができる一連のセグメントに翻訳することによ
らて経路を生成する(これらのセグメントが一緒になっ
てビークルに辿らせるための生成された経路を形成す
る)ように機能する。ルートを指定し、この方向の高水
準命令を有する自律ビークル102に命令することによっ
て、本発明では方向を与える場合に要求される莫大なデ
ータ及び非効率を回避している。ナビゲータ406は、ル
ートを一連の個々の点の集合としてではなく、経路セグ
メントのリンクされたリストとして記憶する。これらの
セグメントは、限定された位置即ちノード間の点の集合
の抽象でもある。次いでリンカは柔軟性及び効率を斟酌
しながら所与の経路セグメントを取り、制御点のリンク
されたリストを生成する。図22に示すように、経路セグ
メントは異なるルートによって共用される。経路セグメ
ントは、弧、線及びポスチュアの集合として、TARGA 53
02と呼ぶメモリ内に記憶される。例えば、本発明の1実
施例では、解析的生成プログラム機能がこれらの弧、線
及びポスチュアを使用して経路を生成する。本発明の別
の実施例では、上述のように、ルートの数学的表現とし
てBスプラインを使用する。本発明の別の実施例では、
経路セグメントを生成するために“クロソイド"曲線を
使用する。これらに関して以下に説明する。
【００９８】a．クロソイド経路セグメント 上述したように、本発明が関与し解決しようとする航法
問題の部分は、実際には2つの副問題、即ち経路計画及
び経路生成である。本発明はこれらを別々に解決する。
経路計画はある経路最適化機能を使用して副目標の集合
から開始され、ビークル102が取得しなければならない
“目的"点の順序付けられたシーケンスを生成する。経
路生成の難題は(経路計画の)目的点から、自律ビークル
102が容易に辿るのに十分に滑らかな連続した、衝琴を
生じない経路3312を生成することである。例えば、簡単
な計画は経路3312を直線と円形曲線とに分解することで
ある。次いで経路3312はビークル102を所望の経路上に
保つためにビークルのアクチュエータに供給される明示
指令のシーケンスに変換される。これらの計画の表現の
簡易さと、それらが実行できる容易さとの間には明確な
トレードオフが存在することに注目すべきである。自律
ビークル102が指定された経路3312を追尾する能力は、
経路の特性に依存する。生成される経路3312の曲率が連
続していること、及び曲率の変化率(鋭さ)は、これらの
パラメタがビークル102を所望の経路3312上に留まらせ
るために必要な舵取り運動を指令するものであるから特
に重要である。曲率が不連続であると、それらは無限の
加速を要求するので追随することは不可能になる。経路
の線形の鋭さはほぼ一定速度の舵取りに等しいから、若
干の自律ビークル形態の場合には、経路の鋭さが線形で
ある範囲が舵取り運動によってビークルを所望の経路33
12上に留める見込みがある範囲である。
問題の部分は、実際には2つの副問題、即ち経路計画及
び経路生成である。本発明はこれらを別々に解決する。
経路計画はある経路最適化機能を使用して副目標の集合
から開始され、ビークル102が取得しなければならない
“目的"点の順序付けられたシーケンスを生成する。経
路生成の難題は(経路計画の)目的点から、自律ビークル
102が容易に辿るのに十分に滑らかな連続した、衝琴を
生じない経路3312を生成することである。例えば、簡単
な計画は経路3312を直線と円形曲線とに分解することで
ある。次いで経路3312はビークル102を所望の経路上に
保つためにビークルのアクチュエータに供給される明示
指令のシーケンスに変換される。これらの計画の表現の
簡易さと、それらが実行できる容易さとの間には明確な
トレードオフが存在することに注目すべきである。自律
ビークル102が指定された経路3312を追尾する能力は、
経路の特性に依存する。生成される経路3312の曲率が連
続していること、及び曲率の変化率(鋭さ)は、これらの
パラメタがビークル102を所望の経路3312上に留まらせ
るために必要な舵取り運動を指令するものであるから特
に重要である。曲率が不連続であると、それらは無限の
加速を要求するので追随することは不可能になる。経路
の線形の鋭さはほぼ一定速度の舵取りに等しいから、若
干の自律ビークル形態の場合には、経路の鋭さが線形で
ある範囲が舵取り運動によってビークルを所望の経路33
12上に留める見込みがある範囲である。
【００９９】本発明が使用する1方法は、直線及び円弧
のシーケンスとして経路を組立てることである。この方
法は、弧が接し合う所で曲率に不連続をもたらす欠点が
ある。本発明の別の方法は、目的点間に経路を当てはめ
る多項式スプラインを使用することである。スプライン
は曲率の連続性は保証するが、鋭さの線形性は保証しな
い。必須曲率を追尾することができなければ、所望の経
路3312から安定したオフセット誤差がもたらされる。こ
れらの誤差は、位置3314上のフィードバックループを閉
じることによって補償することができる。これは、アク
チュエータの応答が十分に高速であって追尾誤差が無視
でき、また工場の床のように位置検知が正確であること
を保証するようなシナリオにおいては十分である。しか
し、もし経路が本質的に追尾が容易であれば、経路追尾
はより簡単である。本発明の方法は、目的点のシーケン
スを通過している明示経路を生成する。本発明の導関数
法は、追尾誤差が大きくなるか、または所望経路が変化
する場合には経路の部分を動的に再計画する。
のシーケンスとして経路を組立てることである。この方
法は、弧が接し合う所で曲率に不連続をもたらす欠点が
ある。本発明の別の方法は、目的点間に経路を当てはめ
る多項式スプラインを使用することである。スプライン
は曲率の連続性は保証するが、鋭さの線形性は保証しな
い。必須曲率を追尾することができなければ、所望の経
路3312から安定したオフセット誤差がもたらされる。こ
れらの誤差は、位置3314上のフィードバックループを閉
じることによって補償することができる。これは、アク
チュエータの応答が十分に高速であって追尾誤差が無視
でき、また工場の床のように位置検知が正確であること
を保証するようなシナリオにおいては十分である。しか
し、もし経路が本質的に追尾が容易であれば、経路追尾
はより簡単である。本発明の方法は、目的点のシーケン
スを通過している明示経路を生成する。本発明の導関数
法は、追尾誤差が大きくなるか、または所望経路が変化
する場合には経路の部分を動的に再計画する。
【０１００】b．ビークル経路モデル化 どのような経路も、位置座標(x(s)、y(s))3304によって
経路長(s)の関数としてパラメタ化することができる。
即ち、位置座標X及びyは経路長Sの明示関数として書く
ことができる、ヘッディング(o(s))3318及び曲率((c
(s))3316は以下のように導出することができる。 o(s)=dy(s)/dx(s) (式1) c(s)=do(s)/ds (式2) これらのパラメタの4部分、p=(x,y,o,c)は任意点におけ
る自律ビークル102の状態を時刻で記述するポスチュア3
314である。
経路長(s)の関数としてパラメタ化することができる。
即ち、位置座標X及びyは経路長Sの明示関数として書く
ことができる、ヘッディング(o(s))3318及び曲率((c
(s))3316は以下のように導出することができる。 o(s)=dy(s)/dx(s) (式1) c(s)=do(s)/ds (式2) これらのパラメタの4部分、p=(x,y,o,c)は任意点におけ
る自律ビークル102の状態を時刻で記述するポスチュア3
314である。
【０１０１】C．クロソイド曲線 本発明の1実施例にはクロソイド曲線が使用されてい
る。これらはポスチュア連続である曲線の群であり、そ
れらの曲率が曲線の長さと共に線形に変化することが特
徴である。 c(s)=ks+ci (式3) ここにkは曲線の曲率の変化率(鋭さ)であり、下添え字i
は初期状態を表す。クロソイド曲線セグメント2002を図
26に示す。初期ポスチュア、クロソイドセグメントの鋭
さ及びそのセグメントに沿う距離を与えれば、任意点に
おける位置、配向、及び曲率は以下のように計算するこ
とができる。
る。これらはポスチュア連続である曲線の群であり、そ
れらの曲率が曲線の長さと共に線形に変化することが特
徴である。 c(s)=ks+ci (式3) ここにkは曲線の曲率の変化率(鋭さ)であり、下添え字i
は初期状態を表す。クロソイド曲線セグメント2002を図
26に示す。初期ポスチュア、クロソイドセグメントの鋭
さ及びそのセグメントに沿う距離を与えれば、任意点に
おける位置、配向、及び曲率は以下のように計算するこ
とができる。
【０１０２】
【０１０３】d.ポスチュア連続経路の生成 実際の航行における諸問題は、単一のクロソイドセグメ
ントでは満足させることができないような距離及び複雑
さを有する複合経路を必要とすることである。殆どの経
路は、複数の目的点を通過する多重セグメントを必要と
する。 (1)従来の方法 Proceedings IECON.1985,MIT Press,1985に所載のホン
ゴウらの論文"自己制御ビークルの自動案内システム・
命令システム及び制御アルゴリズム"は、目的点のシー
ケンスから接続された直線及び円弧からなる連続経路を
生成する方法を提唱している。弧及び直線のみからなる
経路は計算は容易であるが、上述したようにこのよ一う
な計画はセグメントの遷移において不連続を残す。 Rbobotics Research: The third International Sympos
ium, ISIR, Gouvieux,France, 1986に所載のカナヤマら
の論文“移動ロボットのための軌跡生成"は、ポスチュ
ア間にクロソイド曲線と直線の遷移とを対にして使用し
ている。直線遷移の制約は、閉じた形状の解を有してい
ない式(7)及び(8)内の積分によるものである。カナヤマ
はこの問題を、ci=0を要求することによって簡易化して
いる。また参照フレームを初期配向の量、oi=Oだけ回転
させることによって、簡単な近似
ントでは満足させることができないような距離及び複雑
さを有する複合経路を必要とすることである。殆どの経
路は、複数の目的点を通過する多重セグメントを必要と
する。 (1)従来の方法 Proceedings IECON.1985,MIT Press,1985に所載のホン
ゴウらの論文"自己制御ビークルの自動案内システム・
命令システム及び制御アルゴリズム"は、目的点のシー
ケンスから接続された直線及び円弧からなる連続経路を
生成する方法を提唱している。弧及び直線のみからなる
経路は計算は容易であるが、上述したようにこのよ一う
な計画はセグメントの遷移において不連続を残す。 Rbobotics Research: The third International Sympos
ium, ISIR, Gouvieux,France, 1986に所載のカナヤマら
の論文“移動ロボットのための軌跡生成"は、ポスチュ
ア間にクロソイド曲線と直線の遷移とを対にして使用し
ている。直線遷移の制約は、閉じた形状の解を有してい
ない式(7)及び(8)内の積分によるものである。カナヤマ
はこの問題を、ci=0を要求することによって簡易化して
いる。また参照フレームを初期配向の量、oi=Oだけ回転
させることによって、簡単な近似
【０１０４】
【０１０５】が残る。カナヤマの方法は、若干の点にお
いてより鋭く、必要以上にコンパクトな経路をもたら
し、制御に不都合な結果となる。更に、再計画されるセ
グメントが非曲線区分を含むことが保証されていないの
で、直線遷移に対しては経路の局部的再計画を予め除外
することが要求される。 2．点のシーケンスからの経路生成 点のシーケンスから独特なポスチュア連続経路を生成す
るための本発明の2段階方法を以下に説明する。
いてより鋭く、必要以上にコンパクトな経路をもたら
し、制御に不都合な結果となる。更に、再計画されるセ
グメントが非曲線区分を含むことが保証されていないの
で、直線遷移に対しては経路の局部的再計画を予め除外
することが要求される。 2．点のシーケンスからの経路生成 点のシーケンスから独特なポスチュア連続経路を生成す
るための本発明の2段階方法を以下に説明する。
【０１０６】図23、24、及び25を参照する。第1段階
は、目的点から独特なポスチュア2302、2304、2306、23
08、2310のシーケンスを導出することである。第2段階
は、これらのポスチュアをクロソイドセグメントで補間
することである。開始位置2402及び終り位置2404におい
てヘッディング及び曲率を仮定する。開始ポスチュア24
02及び終りポスチュア2404を、それぞれＰi及びＰfとす
る。4つの式、式2、式4、式5及び式6を1つのクロソイド
曲線の2つのパラメタ(鋭さk及び長さs)だけで同時に満
足させることはできないから、2つのポスチュアを1つの
クロソイド曲線セグメントで接続できるとは限らない。
4つの式、式2、式4、式5及び式6を満足させるために
は、少なくとも2つのクロソイド曲線セグメントを必要
とする。しかし、もしｋi及びｋrが同一符号を有してい
れば、2つのクロソイドセグメントでは一般的な問題は
解くことはできず、殆どの場合それらの間に第3のセグ
メントが必要になる。1対の隣接する関連ポスチュアを
接続する一組の十分なクロソイドは、3つのクロソイド
セグメント(k,si)、(一k,s。)、(k,s3)の集合である。
下添え字は、Ｐiからのクロソイドセグメントの順位で
ある。この組合せは、以下の理由から妥当であると考え
られる。
は、目的点から独特なポスチュア2302、2304、2306、23
08、2310のシーケンスを導出することである。第2段階
は、これらのポスチュアをクロソイドセグメントで補間
することである。開始位置2402及び終り位置2404におい
てヘッディング及び曲率を仮定する。開始ポスチュア24
02及び終りポスチュア2404を、それぞれＰi及びＰfとす
る。4つの式、式2、式4、式5及び式6を1つのクロソイド
曲線の2つのパラメタ(鋭さk及び長さs)だけで同時に満
足させることはできないから、2つのポスチュアを1つの
クロソイド曲線セグメントで接続できるとは限らない。
4つの式、式2、式4、式5及び式6を満足させるために
は、少なくとも2つのクロソイド曲線セグメントを必要
とする。しかし、もしｋi及びｋrが同一符号を有してい
れば、2つのクロソイドセグメントでは一般的な問題は
解くことはできず、殆どの場合それらの間に第3のセグ
メントが必要になる。1対の隣接する関連ポスチュアを
接続する一組の十分なクロソイドは、3つのクロソイド
セグメント(k,si)、(一k,s。)、(k,s3)の集合である。
下添え字は、Ｐiからのクロソイドセグメントの順位で
ある。この組合せは、以下の理由から妥当であると考え
られる。
【０１０７】1．最初と最後のクロソイドセグメントの
ためのkの符号が同一であること。 2．第2のクロソイドセグメントのためのkの大きさが等
しく、符号が最初と最後のクロソイドセグメントの符号
とは反対であること。これにより、最初と最後のクロソ
イドセグメントの符号が曲線位置要求を満足していると
しても、S1、S2、S3を変化させることによって開始及び
終り曲率間の曲率変化を3つのクロソイドセグメントの
曲線で満足させることができる。 3．組合せ内には4つの変数、k、S1 、S2、S3が存在するこ
と。開始及び終りポスチュア間の数学的関係を記述する
以下の4つの式を満足させる独特な解を見出すことが可
能である。
ためのkの符号が同一であること。 2．第2のクロソイドセグメントのためのkの大きさが等
しく、符号が最初と最後のクロソイドセグメントの符号
とは反対であること。これにより、最初と最後のクロソ
イドセグメントの符号が曲線位置要求を満足していると
しても、S1、S2、S3を変化させることによって開始及び
終り曲率間の曲率変化を3つのクロソイドセグメントの
曲線で満足させることができる。 3．組合せ内には4つの変数、k、S1 、S2、S3が存在するこ
と。開始及び終りポスチュア間の数学的関係を記述する
以下の4つの式を満足させる独特な解を見出すことが可
能である。
【０１０８】
【０１０９】ここに、 θ1(ξ)=θi+Ciξ十(k/2)ξ12、 θ2(ξ)=θi+CiS1+(k/2)S1 2+(ci+ks1)ξ一(k/2)ξ2、 θ3(ξ)＝θi+Ci(CiS1)十k(S1S2)十k/2(S1 2-S2 2)＋｛Ci
+k(S1-S2)〕ξ十(k/2)ξ2 である。
+k(S1-S2)〕ξ十(k/2)ξ2 である。
【０１１０】図27に示す方法を参照する。上記式9及び1
0は閉じた形状の解が存在しないフレネル積分を含むか
ら、k、S1、S2及びS3の値が計算される。この方法から得
られる経路は、他の方法に比して以下のような長所を有
している。 §この方法は、点の任意のシーケンスから進められる。
普通は目標を点を発展させた列として配置してある探査
計画ではポスチュアの生成は不可欠である。この方法に
よって生成された経路が全ての目的点を通過するのに対
して、カナヤマの方法及び弧法は、これらの方法がポス
チュアのシーケンスから出発しているために、多くの点
に近接しているに過ぎない。 §この方法は、経路に沿う位置、ヘッディング及び曲率
の連続性を保証する。更に、鋭さは区分的に一定であ
る。 §この方法によって生成される経路は、道筋の諸点を直
線で接続することによって形成される鋭角の外側を常に
通る。得られた経路は、一般にこれらの角度の内側に存
在する障害物の周囲を補間するのに特に有用である。こ
れに対して、ナヤマの経路は常に角の内側にある。
0は閉じた形状の解が存在しないフレネル積分を含むか
ら、k、S1、S2及びS3の値が計算される。この方法から得
られる経路は、他の方法に比して以下のような長所を有
している。 §この方法は、点の任意のシーケンスから進められる。
普通は目標を点を発展させた列として配置してある探査
計画ではポスチュアの生成は不可欠である。この方法に
よって生成された経路が全ての目的点を通過するのに対
して、カナヤマの方法及び弧法は、これらの方法がポス
チュアのシーケンスから出発しているために、多くの点
に近接しているに過ぎない。 §この方法は、経路に沿う位置、ヘッディング及び曲率
の連続性を保証する。更に、鋭さは区分的に一定であ
る。 §この方法によって生成される経路は、道筋の諸点を直
線で接続することによって形成される鋭角の外側を常に
通る。得られた経路は、一般にこれらの角度の内側に存
在する障害物の周囲を補間するのに特に有用である。こ
れに対して、ナヤマの経路は常に角の内側にある。
【０１１１】3．経路のクロソイド再計画 クロソイド再計画は、始めに経路を取得するか、または
本発明による正常航行を通してビークル102を所望経路3
312へ戻るように案内するかの何れかのために行われ
る。予め指定された経路を追尾する際に、大きい修正を
行おうとして突然に加速するのを回避するために、本発
明は現位置から所望経路3312へ滑らかに収束する新経路
を生成する経路プランナを使用する。再計画は2つの副
問題に分解される。
本発明による正常航行を通してビークル102を所望経路3
312へ戻るように案内するかの何れかのために行われ
る。予め指定された経路を追尾する際に、大きい修正を
行おうとして突然に加速するのを回避するために、本発
明は現位置から所望経路3312へ滑らかに収束する新経路
を生成する経路プランナを使用する。再計画は2つの副
問題に分解される。
【０１１２】1．企図した経路3308への収束点の決定。 2．現位置3302から収束点3308までの経路の計画。 本発明による経路再計画を図式的に示す図28を参照す
る。予め指定された経路は、ポスチュア(k,s)m(m=
1，．．．，n)2804-2810と、ポスチュアPm(セグメント
(k,s)mの終りに位置する)との間の補間2804からなる。
ビークル102が、PmとPm+1との間の経路からずれている
ものとすれば、再計画された経路2816が収束するポスチ
ュア334としてPm+2が選択される。Pm+2までの距離は可
変である。2つの曲線からなる曲線がポスチュア（現ポ
スチュア及び収束ポスチュアとして選択されたポスチュ
ア)に適合され、4つの支配的ポスチュア式、式7、式8、
式9、式10を満足する再計画された経路2816が得られ
る。もし、経路を再計画するのか否かを決定するしきい
値が各クロソイド曲線セグメント(k,s)mの長さよりも遥
かに小さければ、既知((km+1,Ｓk+1)、(kk+1、sk+1))か
らの小さい動揺を使用して新しいポスチュア連続経路
((k*k+1,Sk+1)、(k*k+2,S*k+2))を見出すことができ
る。再計画された経路2816は元の経路3312から極めて遠
いとは考えられないから、2つのクロソイドセグメント
を使用することができる。
る。予め指定された経路は、ポスチュア(k,s)m(m=
1，．．．，n)2804-2810と、ポスチュアPm(セグメント
(k,s)mの終りに位置する)との間の補間2804からなる。
ビークル102が、PmとPm+1との間の経路からずれている
ものとすれば、再計画された経路2816が収束するポスチ
ュア334としてPm+2が選択される。Pm+2までの距離は可
変である。2つの曲線からなる曲線がポスチュア（現ポ
スチュア及び収束ポスチュアとして選択されたポスチュ
ア)に適合され、4つの支配的ポスチュア式、式7、式8、
式9、式10を満足する再計画された経路2816が得られ
る。もし、経路を再計画するのか否かを決定するしきい
値が各クロソイド曲線セグメント(k,s)mの長さよりも遥
かに小さければ、既知((km+1,Ｓk+1)、(kk+1、sk+1))か
らの小さい動揺を使用して新しいポスチュア連続経路
((k*k+1,Sk+1)、(k*k+2,S*k+2))を見出すことができ
る。再計画された経路2816は元の経路3312から極めて遠
いとは考えられないから、2つのクロソイドセグメント
を使用することができる。
【０１１３】4.概要 本発明による自律ビークル102のための連続経路の生成
は、得られる経路がポスチュア連続であるだけではな
く、曲線に沿う線形曲率が経路に沿ってほぼ線形に変化
する舵取り角をもたらし、経路追尾を容易ならしめるの
で、経路生成にクロソイドセグメントを使用することが
できるのである。本発明の方策は以下のようである。先
ず、目的点を使用してポスチュアのシーケンスを求め
る。次いで、各隣接ポスチュアを3つのクロソイド曲線
セグメントを使用して接続する。本方法は、弧及びO曲
率クロソイドを使用する場合のように目的点の事前処理
を必要としないという付加的な長所が得られる。更に、
生成された経路のジオメトリは、道筋の諸点を直線で接
続することによって形成される鋭角の外側を常に通る。
これらは、普通は角の内側に存在する障害物の周囲を補
間するのに特に有用である。記憶した弧、線及びポスチ
ュアの集合、クロソイド曲線、Bスプライン等から、VPS
ポスチュアブロックを用いてある経路に沿う諸点が生成
される。 以上のような本発明のルート処理の長所は、ホストとビ
ークルとの間に要求される帯域幅が減少することに加え
て、記憶するデータを減少させるために要求されるデー
タ圧縮が行われること、及び経路を滑らかにするように
機能することである。
は、得られる経路がポスチュア連続であるだけではな
く、曲線に沿う線形曲率が経路に沿ってほぼ線形に変化
する舵取り角をもたらし、経路追尾を容易ならしめるの
で、経路生成にクロソイドセグメントを使用することが
できるのである。本発明の方策は以下のようである。先
ず、目的点を使用してポスチュアのシーケンスを求め
る。次いで、各隣接ポスチュアを3つのクロソイド曲線
セグメントを使用して接続する。本方法は、弧及びO曲
率クロソイドを使用する場合のように目的点の事前処理
を必要としないという付加的な長所が得られる。更に、
生成された経路のジオメトリは、道筋の諸点を直線で接
続することによって形成される鋭角の外側を常に通る。
これらは、普通は角の内側に存在する障害物の周囲を補
間するのに特に有用である。記憶した弧、線及びポスチ
ュアの集合、クロソイド曲線、Bスプライン等から、VPS
ポスチュアブロックを用いてある経路に沿う諸点が生成
される。 以上のような本発明のルート処理の長所は、ホストとビ
ークルとの間に要求される帯域幅が減少することに加え
て、記憶するデータを減少させるために要求されるデー
タ圧縮が行われること、及び経路を滑らかにするように
機能することである。
【０１１４】5. Bスプライン Bスプラインは、多項式の係数を指定することによって
一連の点の形状を記述する手段として数学的に、及びコ
ンピュータグラフィックスの分野では周知である(ニュ
ーヨーク州ニューヨークのマグロウヒル・ブック・カン
パニから刊行されているDavid F. Rogers及びJ. A1ah A
dams著“コンピュータグラフィックスのための数学的要
素"144-155頁を参照されたい)。この曲線近似関数はN次
の多項式である(Nはユーザが指定し、曲線の所望の形状
に依存する)。Bスプライン曲線は如何なる次数であって
もよく、曲線近似関数マイナス1の次数に連続する。Bス
プラインは本発明の実施例に使用されている。Bスプラ
インは、少数の係数によって任意長の経路を記述でき、
記憶するデータ量を減少させるので、本発明における経
路生成には十分に役立つのである。曲線近似関数の次数
が十分に高い(3またはそれよりも大きい)ものとすれば
生成される経路は曲率が滑らかであり、本発明の上述の
実施例が本質的に容易に追尾できる経路が得られる、図
29にBスプライン曲線の例を示す。
一連の点の形状を記述する手段として数学的に、及びコ
ンピュータグラフィックスの分野では周知である(ニュ
ーヨーク州ニューヨークのマグロウヒル・ブック・カン
パニから刊行されているDavid F. Rogers及びJ. A1ah A
dams著“コンピュータグラフィックスのための数学的要
素"144-155頁を参照されたい)。この曲線近似関数はN次
の多項式である(Nはユーザが指定し、曲線の所望の形状
に依存する)。Bスプライン曲線は如何なる次数であって
もよく、曲線近似関数マイナス1の次数に連続する。Bス
プラインは本発明の実施例に使用されている。Bスプラ
インは、少数の係数によって任意長の経路を記述でき、
記憶するデータ量を減少させるので、本発明における経
路生成には十分に役立つのである。曲線近似関数の次数
が十分に高い(3またはそれよりも大きい)ものとすれば
生成される経路は曲率が滑らかであり、本発明の上述の
実施例が本質的に容易に追尾できる経路が得られる、図
29にBスプライン曲線の例を示す。
【０１１５】2.ルート作成及び記憶 a.序 本発明の1実施例においては、現場300のためのルートを
作成するために、人がビークル102を作業現場300の道路
系上を駆動している間に、先ずVPS1O00からデータを収
集して記憶する。次いでノード及びセグメントを記憶さ
れた駆動されたデータに当てはめ、上述の手順毎のルー
トに編成する。ルートデータを記憶された駆動されたデ
ータに図式的に当てはめ、更にルート(即ち、速度、シ
ーケンス、出発点、走行方向)を限定するために、APOLL
Oコンピュータ(現カリフォルニア州パロアルトのHEWLET
T-PACKARD)ワークステーション上での応用が開発され
た。このAPOLLOと同等などのようなグラフィックスワー
クステーションも使用可能である。現場のためのルート
が限定されると、そのルートデータは永久記憶装置へ書
き込まれる。本発明の1実施例で使用した記憶装置は、
付属読み取り装置/書き込み装置を有するバブルメモリ
カートリッジである。バブルメモリ装置5302は恒久性で
あり、電力が切り離された時にデータを保持する。APOL
LO応用はカートリッジ5302ヘデータを書き込むことがで
き、カートリッジ5302からデータを読み取ることができ
る。先に暗に示したように、本発明においてはルートは
予め限定することも、または動的に生成することも可能
である。 採鉱応用では、一般的に、現場300が探査され、道路は
予め計画され、注意深く設計され、そして建設される。
次いで航法システムによって使用されるルートが、手動
で作成された(その航法システムによって使用されるよ
うに特別に作成された)コンピュータデータベースか
ら、または代替として、上述のようにビークルを現場の
実際のルート上で物理的に駆動してルートを学習させる
の何れかによって入手される。学習方法では、所与のル
ートを数回走行させることができる。次いでデータの変
動(例えば運転手のハンドルの切り方による)が平均化さ
れ、滑らかな最良適合が開発される。
作成するために、人がビークル102を作業現場300の道路
系上を駆動している間に、先ずVPS1O00からデータを収
集して記憶する。次いでノード及びセグメントを記憶さ
れた駆動されたデータに当てはめ、上述の手順毎のルー
トに編成する。ルートデータを記憶された駆動されたデ
ータに図式的に当てはめ、更にルート(即ち、速度、シ
ーケンス、出発点、走行方向)を限定するために、APOLL
Oコンピュータ(現カリフォルニア州パロアルトのHEWLET
T-PACKARD)ワークステーション上での応用が開発され
た。このAPOLLOと同等などのようなグラフィックスワー
クステーションも使用可能である。現場のためのルート
が限定されると、そのルートデータは永久記憶装置へ書
き込まれる。本発明の1実施例で使用した記憶装置は、
付属読み取り装置/書き込み装置を有するバブルメモリ
カートリッジである。バブルメモリ装置5302は恒久性で
あり、電力が切り離された時にデータを保持する。APOL
LO応用はカートリッジ5302ヘデータを書き込むことがで
き、カートリッジ5302からデータを読み取ることができ
る。先に暗に示したように、本発明においてはルートは
予め限定することも、または動的に生成することも可能
である。 採鉱応用では、一般的に、現場300が探査され、道路は
予め計画され、注意深く設計され、そして建設される。
次いで航法システムによって使用されるルートが、手動
で作成された(その航法システムによって使用されるよ
うに特別に作成された)コンピュータデータベースか
ら、または代替として、上述のようにビークルを現場の
実際のルート上で物理的に駆動してルートを学習させる
の何れかによって入手される。学習方法では、所与のル
ートを数回走行させることができる。次いでデータの変
動(例えば運転手のハンドルの切り方による)が平均化さ
れ、滑らかな最良適合が開発される。
【０１１６】b.ルート限定 本発明の1実施例では、ルートを限定するために以下の
方法を使用している。ルートを構築するノード及びセグ
メントを限定。ノード及びセグメントデータを“ルート
データ"アレイと呼ぶアレイ内に配置する。アレイ内の
各記録は以下の情報を含む。 1.項目の型(即ち、ノード、線形セグメント、円形セグ
メント、ルートマーカの終り) 2.もしノード項目であれば、そのノードの北及び東座標
を限定 そうではなく、もし線形セグメントであれば、そのセグ
メントに沿う速度を限定そうではなく、もし円形セグメ
ント項目であれば、中心の北及び東座標、半径、円が走
る方向(即ち、時計方向または反時計方向)、及びそのセ
グメントに沿う速度を限定 そうではなく、もしルートマーカであれば、他の情報は
存在しない。
方法を使用している。ルートを構築するノード及びセグ
メントを限定。ノード及びセグメントデータを“ルート
データ"アレイと呼ぶアレイ内に配置する。アレイ内の
各記録は以下の情報を含む。 1.項目の型(即ち、ノード、線形セグメント、円形セグ
メント、ルートマーカの終り) 2.もしノード項目であれば、そのノードの北及び東座標
を限定 そうではなく、もし線形セグメントであれば、そのセグ
メントに沿う速度を限定そうではなく、もし円形セグメ
ント項目であれば、中心の北及び東座標、半径、円が走
る方向(即ち、時計方向または反時計方向)、及びそのセ
グメントに沿う速度を限定 そうではなく、もしルートマーカであれば、他の情報は
存在しない。
【０１１７】2.ノード及びセグメントデータを一緒にし
てシーケンスにリンクする。これらのシーケンスは、単
なるルートデータアレイ内への索引のアレイである。各
シーケンスはルートマーカの終りで始まり、ノードが後
続し、次いでシーケンスの残余は、そのシーケンスが別
のルートマーカの終りによって終了させられるまで、セ
グメントとノードとの間を交番しなければならない。シ
ーケンスの例は以下のようであろう。 1,6,3,4,7,9,1O,23,78,1 但し、これらの整数はルートデータヘの索引である。3.
最後に、シーケンスアレイヘの索引と、シーケンスを通
して正方向に索引付けるか負正方向に索引付けるかを指
定することによってルートを限定。索引及び索引方向を
“ルートスペック"アレイと呼ぶアレイ内に配置する。
ルートスペックアレイ内の項目は以下のようであり得
る。 6,1 この仕様は、ノード6で始まり、正方向に索引
付けられたルートを限定する。 78、一1この仕様は、ノード78で始まり、負方向に索引
付けられたルートを限定する。 ユーザは、単にビークルに、ルートスペックアレイ内の
どの項目をルートとして使用するかを通知するだけであ
る。 4.上記データを、段階1-3において限定した順番に記憶
装置内に記憶。
てシーケンスにリンクする。これらのシーケンスは、単
なるルートデータアレイ内への索引のアレイである。各
シーケンスはルートマーカの終りで始まり、ノードが後
続し、次いでシーケンスの残余は、そのシーケンスが別
のルートマーカの終りによって終了させられるまで、セ
グメントとノードとの間を交番しなければならない。シ
ーケンスの例は以下のようであろう。 1,6,3,4,7,9,1O,23,78,1 但し、これらの整数はルートデータヘの索引である。3.
最後に、シーケンスアレイヘの索引と、シーケンスを通
して正方向に索引付けるか負正方向に索引付けるかを指
定することによってルートを限定。索引及び索引方向を
“ルートスペック"アレイと呼ぶアレイ内に配置する。
ルートスペックアレイ内の項目は以下のようであり得
る。 6,1 この仕様は、ノード6で始まり、正方向に索引
付けられたルートを限定する。 78、一1この仕様は、ノード78で始まり、負方向に索引
付けられたルートを限定する。 ユーザは、単にビークルに、ルートスペックアレイ内の
どの項目をルートとして使用するかを通知するだけであ
る。 4.上記データを、段階1-3において限定した順番に記憶
装置内に記憶。
【０１１８】C.ナビゲータルート用法 以下の説明は、本発明の上記方法から限定されたルート
をナビゲータ406がどのように使用するかに関する。ナ
ビゲータ406は給電されると、ルート情報を記憶装置530
2から読み取り、それを既存の構文内のRAMに記憶する。 次に、操作員はビークル102が辿るルートを指定する。
この場合も、ルートはルートスペックアレイ内への索引
である。ナビゲータ406は、全てのシステムが自動動作
の準備が整ったことを決定すると、メッセージをvpsポ
スチュアタスク5324へ送って係合することを通知する。
vpsポスチュアタスク5324は、ビークル102の現位置2812
に最も近いルートに沿う位置を決定する。ルートに最も
近い位置284の探索は以下のように進められる。 1.ポインタを、そのルート内の最初のセグメントにセッ
トする。 2.ビークル位置からそのセグメントまでの垂直距離を決
定する。 3.ポインタを、そのルート内の次のセグメントに移動さ
せる。 4．ビークル位置から次のセグメントまでの垂直距離を
決定する。 5．ルートマーカ2218の終りに達するまで段階3及び4を
繰り返す。 6．ビークル位置からそのルートの端点2218までの距離
を決定する。 7．ポインタを、最も近い距離であったルートセグメン
トにセットし、 その最も近い距離の座標を記憶する。次いでvpsポスチ
ュアタスク5324は、ルートのこの記述(線、弧及び速度)
を使用して、1メートル間隔でポスチュアを生成する、
タスク5324は、ポスチュアの予め限定された距離プラス
安全余裕度を生成し、ポスチュアをバッファ3000内に配
置する。所与のポスチュアから1メートルであるポスチ
ュアを生成するために、vpsポスチュアタスク5324は以
下の手順を使用する。
をナビゲータ406がどのように使用するかに関する。ナ
ビゲータ406は給電されると、ルート情報を記憶装置530
2から読み取り、それを既存の構文内のRAMに記憶する。 次に、操作員はビークル102が辿るルートを指定する。
この場合も、ルートはルートスペックアレイ内への索引
である。ナビゲータ406は、全てのシステムが自動動作
の準備が整ったことを決定すると、メッセージをvpsポ
スチュアタスク5324へ送って係合することを通知する。
vpsポスチュアタスク5324は、ビークル102の現位置2812
に最も近いルートに沿う位置を決定する。ルートに最も
近い位置284の探索は以下のように進められる。 1.ポインタを、そのルート内の最初のセグメントにセッ
トする。 2.ビークル位置からそのセグメントまでの垂直距離を決
定する。 3.ポインタを、そのルート内の次のセグメントに移動さ
せる。 4．ビークル位置から次のセグメントまでの垂直距離を
決定する。 5．ルートマーカ2218の終りに達するまで段階3及び4を
繰り返す。 6．ビークル位置からそのルートの端点2218までの距離
を決定する。 7．ポインタを、最も近い距離であったルートセグメン
トにセットし、 その最も近い距離の座標を記憶する。次いでvpsポスチ
ュアタスク5324は、ルートのこの記述(線、弧及び速度)
を使用して、1メートル間隔でポスチュアを生成する、
タスク5324は、ポスチュアの予め限定された距離プラス
安全余裕度を生成し、ポスチュアをバッファ3000内に配
置する。所与のポスチュアから1メートルであるポスチ
ュアを生成するために、vpsポスチュアタスク5324は以
下の手順を使用する。
【０１１９】1.所与のポスチュァを生成したセグメント
の型を決定する。 2.セグメントの型に関する適切な公式を使用してセグメ
ント長のメートル当たりの北及び東の変化を決定する。 3.メートル当たりの北及び東の変化を最後の所与のポス
チュアに付加する。 4.もし生成したポスチュアが現セグメントの端から離れ
ていれば、ポインタを次のセグメントにセットし、段階
2及び3を繰り返す。そうでなければ、生成したポスチュ
アを戻す。次いでvpsポスチュアタスク5324は、追尾の
準備が整ったことをエグゼクティブ5316へ通知する。
の型を決定する。 2.セグメントの型に関する適切な公式を使用してセグメ
ント長のメートル当たりの北及び東の変化を決定する。 3.メートル当たりの北及び東の変化を最後の所与のポス
チュアに付加する。 4.もし生成したポスチュアが現セグメントの端から離れ
ていれば、ポインタを次のセグメントにセットし、段階
2及び3を繰り返す。そうでなければ、生成したポスチュ
アを戻す。次いでvpsポスチュアタスク5324は、追尾の
準備が整ったことをエグゼクティブ5316へ通知する。
【０１２０】自律ビークル102がバッファ3000内のポス
チュアに沿って移動するにつれて、安全余裕度3006が枯
渇してくる、安全余裕度が指定された量以下になると、
vpsポスチュアタスク5324はポスチュアの別の安全余裕
度3006を生成し、それらを現バッファ3000へ追加する、
vpsポスチュアタスク5324は、ビークル102の現位置2812
を監視しバッファ3000内のポインタ3002を最寄りのポス
チュアヘ移動させることによってポスチュアバッファ30
00を枯渇させる。ポスチュアバッファ3000は時計方向に
進行するリングとして構成されている(図30のポスチュ
ア・リングバッファ参照)、即ち、ポスチュアは、ビー
クルの走行方向がポスチュア・リングバッファ3000の時
計方向進行に対応するようにリング内に配置されるので
ある。従って、ビークル102が運動するにつれて、バッ
ファ3000内の最寄りのポスチュアを指すポインタ3002は
時計方向に移動して行く。ポインタ3002が時計方向に移
動すると、ポスチュアの背後(ポインタの反時計方向)の
リング内のメモリは自由に重ね書きされるようになる。
チュアに沿って移動するにつれて、安全余裕度3006が枯
渇してくる、安全余裕度が指定された量以下になると、
vpsポスチュアタスク5324はポスチュアの別の安全余裕
度3006を生成し、それらを現バッファ3000へ追加する、
vpsポスチュアタスク5324は、ビークル102の現位置2812
を監視しバッファ3000内のポインタ3002を最寄りのポス
チュアヘ移動させることによってポスチュアバッファ30
00を枯渇させる。ポスチュアバッファ3000は時計方向に
進行するリングとして構成されている(図30のポスチュ
ア・リングバッファ参照)、即ち、ポスチュアは、ビー
クルの走行方向がポスチュア・リングバッファ3000の時
計方向進行に対応するようにリング内に配置されるので
ある。従って、ビークル102が運動するにつれて、バッ
ファ3000内の最寄りのポスチュアを指すポインタ3002は
時計方向に移動して行く。ポインタ3002が時計方向に移
動すると、ポスチュアの背後(ポインタの反時計方向)の
リング内のメモリは自由に重ね書きされるようになる。
【０１２１】段階7(上述の探索ルーチンの)はルートマ
ーカ2218の終りがリセットされるまで登録され、その時
点になるとvpsポスチュアタスク5324はポスチュアの生
成を終らせ、ルートの終りに達したことをエグゼクティ
ブ5316へ通知する。前述のように、経路は連続“ポスチ
ュア"のシリーズ、またはシーケンスである。ポスチュ
アはトラック上に載っているのに必要な速度と舵取り角
を含む。ポスチュアは、経度、緯度、ヘッディング、曲
率(1/転回半径)、最大速度、及び次のポスチュア情報ま
での距離を含むことができる。
ーカ2218の終りがリセットされるまで登録され、その時
点になるとvpsポスチュアタスク5324はポスチュアの生
成を終らせ、ルートの終りに達したことをエグゼクティ
ブ5316へ通知する。前述のように、経路は連続“ポスチ
ュア"のシリーズ、またはシーケンスである。ポスチュ
アはトラック上に載っているのに必要な速度と舵取り角
を含む。ポスチュアは、経度、緯度、ヘッディング、曲
率(1/転回半径)、最大速度、及び次のポスチュア情報ま
での距離を含むことができる。
【０１２２】3．ポスチュア生成 本発明の追尾方法は、追尾するルートに関するある情報
を必要とする。この情報は、”ポスチュア”3314と呼ば
れるパケット内に含まれている。単一のポスチュア3314
は、ルート上の指定された位置(location)に関する位置
(即ち、北及び東座標)、ヘッディング、及び曲率を含む
ことができる。従って、本発明によればルート仕様から
ポスチュアデータを発生する方策が必要である。ナビゲ
ータタスク(以下に説明)の中には、ルート情報を読み取
り、追尾方法が使用するルートに沿う間隔(例えば1メー
トル)でポスチュアを発生するタスクがある。本発明の1
実施例では、各ポスチュアはメモリの36バイトを必要と
し、これは、ルートの1キロメートル毎に約36kになる。
メモリに対する要求を低減させるために、ナビゲータは
ポスチュアデータを緩衝する。ポスチュアを発生するタ
スクは、ビークル102の現位置を読み取り、ルート上で
現位置に最も近い点を見出し、次いでビークル102の前
方に指定された数のポスチュアを生成する。生成するポ
スチュアの数は、ビークル102の最大停止距離に依存す
る。即ちバッファ3000内には、ビークル102を停止点ま
で案内するために十分なポスチュアが常に存在すべきな
のである。 しかし本発明によるルート限定のためのBスプライン方
法では、追尾方法がBスプライン曲線からポスチュア情
報を直接発生することができるので、ポスチュアバッフ
ァは必要としない。
を必要とする。この情報は、”ポスチュア”3314と呼ば
れるパケット内に含まれている。単一のポスチュア3314
は、ルート上の指定された位置(location)に関する位置
(即ち、北及び東座標)、ヘッディング、及び曲率を含む
ことができる。従って、本発明によればルート仕様から
ポスチュアデータを発生する方策が必要である。ナビゲ
ータタスク(以下に説明)の中には、ルート情報を読み取
り、追尾方法が使用するルートに沿う間隔(例えば1メー
トル)でポスチュアを発生するタスクがある。本発明の1
実施例では、各ポスチュアはメモリの36バイトを必要と
し、これは、ルートの1キロメートル毎に約36kになる。
メモリに対する要求を低減させるために、ナビゲータは
ポスチュアデータを緩衝する。ポスチュアを発生するタ
スクは、ビークル102の現位置を読み取り、ルート上で
現位置に最も近い点を見出し、次いでビークル102の前
方に指定された数のポスチュアを生成する。生成するポ
スチュアの数は、ビークル102の最大停止距離に依存す
る。即ちバッファ3000内には、ビークル102を停止点ま
で案内するために十分なポスチュアが常に存在すべきな
のである。 しかし本発明によるルート限定のためのBスプライン方
法では、追尾方法がBスプライン曲線からポスチュア情
報を直接発生することができるので、ポスチュアバッフ
ァは必要としない。
【０１２３】C.経路追尾 1.序 経路追尾または追随は、本発明によるビークル航行の重
要な面である。本発明の技術は、正確な自律ビークル経
路3312を追随させるために位置をべ一スとする航行(普
通の航行システムに使用されている視覚をべ一スとする
航行ではない)を使用する。また本発明は、舵取り角311
6とビークル速度3118とを別々に制御することが新機軸
である、図36に本発明の経路追尾システム3600を図式的
に示す。指定された経路を本発明による自律ビークル10
2に追尾させるためには、ビークルサーボ制御装置のた
めの参照された入力を生成する必要がある、即ち、経路
追尾は、現在のずれた位置から前方の参照された経路へ
戻るために、次の時間間隔のための参照された舵取り角
と参照速度とを求める問題と考えることができる。一般
的に言えば、経路追尾は、所与の経路を辿るのに必要な
自律ビークル命令(速度、舵取り角)を決定することであ
る、予め指定された舵取り角、駆動輪速度値及び誤差成
分が与えられれば、命令舵取り及び駆動入力は本発明に
より計算される。
要な面である。本発明の技術は、正確な自律ビークル経
路3312を追随させるために位置をべ一スとする航行(普
通の航行システムに使用されている視覚をべ一スとする
航行ではない)を使用する。また本発明は、舵取り角311
6とビークル速度3118とを別々に制御することが新機軸
である、図36に本発明の経路追尾システム3600を図式的
に示す。指定された経路を本発明による自律ビークル10
2に追尾させるためには、ビークルサーボ制御装置のた
めの参照された入力を生成する必要がある、即ち、経路
追尾は、現在のずれた位置から前方の参照された経路へ
戻るために、次の時間間隔のための参照された舵取り角
と参照速度とを求める問題と考えることができる。一般
的に言えば、経路追尾は、所与の経路を辿るのに必要な
自律ビークル命令(速度、舵取り角)を決定することであ
る、予め指定された舵取り角、駆動輪速度値及び誤差成
分が与えられれば、命令舵取り及び駆動入力は本発明に
より計算される。
【０１２４】2．検討 a．グローバル位置フィードバック 追尾すべき経路は直交座標で指定される。もし制御計画
が参照舵取り命令に対するサーボ制御だけからなってい
れば、ビークル位置及びヘッディング誤差は累積する。
位置及びヘッディングは舵取り及び駆動の全履歴を積分
することによって得られる。従って、ビークル位置3304
及びヘッディング3318は直交空間でフィードバックする
必要がある。従って、サーボ制御装置への参照された入
力は、位置付けされたフィードバック3114(図31に示す
ように)に基づいて実時間で生成される。 b．分離舵取り及び駆動制御 舵取り及び駆動参照入力は、本発明ではそれぞれ所与の
経路及びビークル速度から計算される。これは経路追尾
と、例えば衝突回避のような本発明の他のモジュールと
の統合を容易ならしめる。
が参照舵取り命令に対するサーボ制御だけからなってい
れば、ビークル位置及びヘッディング誤差は累積する。
位置及びヘッディングは舵取り及び駆動の全履歴を積分
することによって得られる。従って、ビークル位置3304
及びヘッディング3318は直交空間でフィードバックする
必要がある。従って、サーボ制御装置への参照された入
力は、位置付けされたフィードバック3114(図31に示す
ように)に基づいて実時間で生成される。 b．分離舵取り及び駆動制御 舵取り及び駆動参照入力は、本発明ではそれぞれ所与の
経路及びビークル速度から計算される。これは経路追尾
と、例えば衝突回避のような本発明の他のモジュールと
の統合を容易ならしめる。
【０１２５】3．実施例 a．追尾制御構造 (図31及び図33) ビークル自律の難題の1つは、指定され
た経路を追尾するために要求される舵取り入力を決定す
ることである。普通に舵取りされるビークルの場合、本
発明では所望の経路及びその経路に沿う所望の速度は別
々に追尾することができ、舵取りの制御の1つに対する
問題が減少する。(この説明では、位置の時間履歴であ
る軌跡に対して、経路とは時間には無関係な幾何学的曲
線のことを言う。) 舵取り角は所望の経路3312及び検知されたビークル位置
から計画される。これらの角は舵取り制御装置3104を介
してビークルに命令される。図31の機能ブロック線図
は、本発明による追尾制御構造を示す。運動学的舵取り
計画では、位置、ヘッディング及び曲率の誤差は、アク
チュエータ飽和、コンプライアンス、何等かの摩擦また
は質量項を考慮することなく、誤差のジオメトリに基づ
いて低減される。良好な性能を得るために、経路上の予
見距離及び曲率の選択のような調整を要する値が経験的
な試行及びシミュレーションを通して選択される。
た経路を追尾するために要求される舵取り入力を決定す
ることである。普通に舵取りされるビークルの場合、本
発明では所望の経路及びその経路に沿う所望の速度は別
々に追尾することができ、舵取りの制御の1つに対する
問題が減少する。(この説明では、位置の時間履歴であ
る軌跡に対して、経路とは時間には無関係な幾何学的曲
線のことを言う。) 舵取り角は所望の経路3312及び検知されたビークル位置
から計画される。これらの角は舵取り制御装置3104を介
してビークルに命令される。図31の機能ブロック線図
は、本発明による追尾制御構造を示す。運動学的舵取り
計画では、位置、ヘッディング及び曲率の誤差は、アク
チュエータ飽和、コンプライアンス、何等かの摩擦また
は質量項を考慮することなく、誤差のジオメトリに基づ
いて低減される。良好な性能を得るために、経路上の予
見距離及び曲率の選択のような調整を要する値が経験的
な試行及びシミュレーションを通して選択される。
【０１２６】手動駆動ビークルでは、予見距離は、駆動
中に率転手が見るビークルの前方の距離3310である、本
発明における予見距離は、それまでに位置、ヘッディン
グ及び曲率の誤差をOに低下させようとする距離であ
る。この距離は普通の、または自律ビークルの速度と共
に変化する。予見距離を変化させると、コースの変化を
遂行するために舵取り調整を行わなければならない程度
が変化する。予見距離に関しては後に詳述する。しか
し、実際のビークルは運動学的に理想化されたものとは
異なり、それらの制御応答も相応に異なる。ビークルの
速度、質量及び経路状態が変化すると、実際のビークル
応答は運動学的理想からより一層異なってくる。従っ
て、一般的に運動学的理想は一定の状態を有する低速度
においてのみ有効である。
中に率転手が見るビークルの前方の距離3310である、本
発明における予見距離は、それまでに位置、ヘッディン
グ及び曲率の誤差をOに低下させようとする距離であ
る。この距離は普通の、または自律ビークルの速度と共
に変化する。予見距離を変化させると、コースの変化を
遂行するために舵取り調整を行わなければならない程度
が変化する。予見距離に関しては後に詳述する。しか
し、実際のビークルは運動学的に理想化されたものとは
異なり、それらの制御応答も相応に異なる。ビークルの
速度、質量及び経路状態が変化すると、実際のビークル
応答は運動学的理想からより一層異なってくる。従っ
て、一般的に運動学的理想は一定の状態を有する低速度
においてのみ有効である。
【０１２７】本発明の実施例は、こわさ、質量及び滑り
角に関する考えを含むモデルを使用する。制御問題は線
形二次最適追尾問題として定型化され、位置、ヘッディ
ング及び曲率の誤差はビークル制御モデルに基づいて最
小化される。最適経路及び制御は、現誤差を最適制御問
題への初期条件として使用して所望の経路及び現在検知
されているビークル位置から計算される。最適経路の初
期部分に沿う幾つかの計算された舵取り角が、次の検知
時間間隔のための低レベル舵取り制御装置への参照とし
て使用される。この予告最適舵取り計画は、所与の性能
指標に対して安定性と最適性とを保証する長所を有して
いる。本発明のこの最適予告制御方法が、自律ビークル
の舵取り言十画の中枢である。
角に関する考えを含むモデルを使用する。制御問題は線
形二次最適追尾問題として定型化され、位置、ヘッディ
ング及び曲率の誤差はビークル制御モデルに基づいて最
小化される。最適経路及び制御は、現誤差を最適制御問
題への初期条件として使用して所望の経路及び現在検知
されているビークル位置から計算される。最適経路の初
期部分に沿う幾つかの計算された舵取り角が、次の検知
時間間隔のための低レベル舵取り制御装置への参照とし
て使用される。この予告最適舵取り計画は、所与の性能
指標に対して安定性と最適性とを保証する長所を有して
いる。本発明のこの最適予告制御方法が、自律ビークル
の舵取り言十画の中枢である。
【０１２８】再度図31を参照する。舵取り制御3104の内
側ループ3116は10ミリ秒程度で実行され、一方外側ルー
フ3114はO.25-O.5秒のレートで閉じられる。ループを位
置で閉じるために以下の手順が使用される。現位置(P
A,k)3210を検知すると、現時間間隔の終り(P a、k+1)321
6におけるポスチュアが予測される。次いで次の時間間
隔の終り(Pd、k+2)3218における所望のポスチュアが計
算され、(P a、k、k+1)3216と(Pd、k+2)3218との間の参
照された舵取り角が決定される。重要なのは、上述のよ
うに、本発明のこれらのビークル及び経路技術が舵取り
制御をビークルにおける速度制御から切り離しているこ
とである。
側ループ3116は10ミリ秒程度で実行され、一方外側ルー
フ3114はO.25-O.5秒のレートで閉じられる。ループを位
置で閉じるために以下の手順が使用される。現位置(P
A,k)3210を検知すると、現時間間隔の終り(P a、k+1)321
6におけるポスチュアが予測される。次いで次の時間間
隔の終り(Pd、k+2)3218における所望のポスチュアが計
算され、(P a、k、k+1)3216と(Pd、k+2)3218との間の参
照された舵取り角が決定される。重要なのは、上述のよ
うに、本発明のこれらのビークル及び経路技術が舵取り
制御をビークルにおける速度制御から切り離しているこ
とである。
【０１２９】.5次法 詳細は後述する図53のナビゲータタスク図には、トラッ
カ5306と呼ぶ機能ブロックが示されている。トラッカ530
6は所望の、または正確な経路に戻す滑らかな経路を構
成するように動作する。本発明の1実施例では、前述の
ように、5次法(quintic method)が使用される。これは
舵取り命令のための誤差空間内に5次曲線を含む。 本発明の5次多項式法は、ある予見距離3310内で所望経
路に収束する単純な連続経路を再計画し、次の時間間隔
に迫るべき再計画された経路2816の部分に対応する舵取
り角を計算する。もし所望経路を位置の連続関数として
考え、またビークルが現在Pa3320にあるものとすれぱ誤
差ベクトルを計算することができる(図33)。この誤差ベ
クトルは、P。に対する経路までの横方向距離の誤差(e
O)3322と、ヘッディングの誤差(B。)3322と、曲率の誤
差(y。)3404とを表す、もしビークルを距離L3310(参照
経路に沿って測定)以内で指定された経路に戻すのであ
れば、初期誤差及びPLにおけるO誤差に対応する6つの境
界条件を示すことができる。 ε(P。)＝ε。;ε(pL)=0 β(P。)=ε。;β(pL)=O γ(P。)=ε。;γ(PL)=O (式11) 5次多項式は、再計画された経路(誤差空間における)を
以下のように記述するように構成することができる。 ここに、sは〔O,L]の集合内にある。e(s)のための式
は、P03304からPL3308までの再計画された経路2816に沿
う誤差を与える。2次導関数は経路曲率を記述し、曲率
自体は所望経路3312へ戻すようにビークルを案内する舵
取り命令を計算するために使用される。再計画された経
路2816からの舵取り角(または誤差空間)の変動は誤差関
数e(s)の2次導関数から計算される。次いで、新経路に
沿う曲率を次のように言十算することができる。 Cnew=Cold(s)十ｄ2ε(s)/ds2 (式13)
カ5306と呼ぶ機能ブロックが示されている。トラッカ530
6は所望の、または正確な経路に戻す滑らかな経路を構
成するように動作する。本発明の1実施例では、前述の
ように、5次法(quintic method)が使用される。これは
舵取り命令のための誤差空間内に5次曲線を含む。 本発明の5次多項式法は、ある予見距離3310内で所望経
路に収束する単純な連続経路を再計画し、次の時間間隔
に迫るべき再計画された経路2816の部分に対応する舵取
り角を計算する。もし所望経路を位置の連続関数として
考え、またビークルが現在Pa3320にあるものとすれぱ誤
差ベクトルを計算することができる(図33)。この誤差ベ
クトルは、P。に対する経路までの横方向距離の誤差(e
O)3322と、ヘッディングの誤差(B。)3322と、曲率の誤
差(y。)3404とを表す、もしビークルを距離L3310(参照
経路に沿って測定)以内で指定された経路に戻すのであ
れば、初期誤差及びPLにおけるO誤差に対応する6つの境
界条件を示すことができる。 ε(P。)＝ε。;ε(pL)=0 β(P。)=ε。;β(pL)=O γ(P。)=ε。;γ(PL)=O (式11) 5次多項式は、再計画された経路(誤差空間における)を
以下のように記述するように構成することができる。 ここに、sは〔O,L]の集合内にある。e(s)のための式
は、P03304からPL3308までの再計画された経路2816に沿
う誤差を与える。2次導関数は経路曲率を記述し、曲率
自体は所望経路3312へ戻すようにビークルを案内する舵
取り命令を計算するために使用される。再計画された経
路2816からの舵取り角(または誤差空間)の変動は誤差関
数e(s)の2次導関数から計算される。次いで、新経路に
沿う曲率を次のように言十算することができる。 Cnew=Cold(s)十ｄ2ε(s)/ds2 (式13)
【０１３０】新経路に沿う参照舵取り角3112は曲率から
変換することができる。この手順は計画間隔毎に実行さ
れるから、参照経路3112へ戻る新経路は全て不要であ
る。次の時間間隔のための舵取り角だけが新経路上の点
の曲率から計算され、これは次の時間間隔中に達成でき
る。予見距離L3310は、如何に早くビークルを舵取りし
て所望経路へ収束させるかを調整するのに使用できるパ
ラメタである。更に、もしL3310をビークル速度に比例
して選択すれば、より良好な性能が得られる。何故なら
ば、L3310が小さい値の場合にはビークルは経路3312を
中心として振動し、またL3310が大きい値の場合には5次
多項式によって導入される変化が十分に小さくなって追
尾性能を貧弱にするからである。6つの境界条件、即ちe
p0一現位置における位置の誤差(距離)及び(予見)と、eh
0一ヘッディングの誤差及びeh1(予見)と、ec0一曲率の
誤差及びec1(予見)とを使用しているから、5次曲線が必
要なのである。これは舵取り角3112を生成するために使
用される。
変換することができる。この手順は計画間隔毎に実行さ
れるから、参照経路3112へ戻る新経路は全て不要であ
る。次の時間間隔のための舵取り角だけが新経路上の点
の曲率から計算され、これは次の時間間隔中に達成でき
る。予見距離L3310は、如何に早くビークルを舵取りし
て所望経路へ収束させるかを調整するのに使用できるパ
ラメタである。更に、もしL3310をビークル速度に比例
して選択すれば、より良好な性能が得られる。何故なら
ば、L3310が小さい値の場合にはビークルは経路3312を
中心として振動し、またL3310が大きい値の場合には5次
多項式によって導入される変化が十分に小さくなって追
尾性能を貧弱にするからである。6つの境界条件、即ちe
p0一現位置における位置の誤差(距離)及び(予見)と、eh
0一ヘッディングの誤差及びeh1(予見)と、ec0一曲率の
誤差及びec1(予見)とを使用しているから、5次曲線が必
要なのである。これは舵取り角3112を生成するために使
用される。
【０１３１】経路追尾計画は、一般に、指定された経路
が本質的に追尾が容易である場合により良好な追尾を遂
行することを思い出されたい。これは、舵取りアクチュ
エータがビークルの速度に比して緩速である場合に特に
言えることである。舵取り応答、舵取りバックラッシ
ュ、ビークル速度、サンプリング、及び計画時間間隔の
ような他のビークル特性が、ビークル性能に重大な影響
を与える。予測されるように、もし検知及び計画時間間
隔を一定に保つのであれば、ビークルの速度が大きいほ
どより高遠でより正確なアクチュエータが必要である。
一般的に言えば、5次多項式方法の長所は、それが簡単
であり、且つ参照舵取.り角を極めて容易に計算できる
ことである。しかしながら、制御計画にビークル特性
(質量、慣性、時間遅延、ビークルと大地間の相互作用
等々)を考慮に入れていないので、安定度及び収束は保
証されない。パラメタL3310(予見距離)はビークルの応
答を変更するように調整可能であり、またL3310の値
は、試行錯誤に基づいて選択することができる、この計
画により、本明細書の作成時には、約28Km/時までの速
度において良好な結果を得ている。
が本質的に追尾が容易である場合により良好な追尾を遂
行することを思い出されたい。これは、舵取りアクチュ
エータがビークルの速度に比して緩速である場合に特に
言えることである。舵取り応答、舵取りバックラッシ
ュ、ビークル速度、サンプリング、及び計画時間間隔の
ような他のビークル特性が、ビークル性能に重大な影響
を与える。予測されるように、もし検知及び計画時間間
隔を一定に保つのであれば、ビークルの速度が大きいほ
どより高遠でより正確なアクチュエータが必要である。
一般的に言えば、5次多項式方法の長所は、それが簡単
であり、且つ参照舵取.り角を極めて容易に計算できる
ことである。しかしながら、制御計画にビークル特性
(質量、慣性、時間遅延、ビークルと大地間の相互作用
等々)を考慮に入れていないので、安定度及び収束は保
証されない。パラメタL3310(予見距離)はビークルの応
答を変更するように調整可能であり、またL3310の値
は、試行錯誤に基づいて選択することができる、この計
画により、本明細書の作成時には、約28Km/時までの速
度において良好な結果を得ている。
【０１３２】本発明のトラッカによって使用される方法
は以下の通りである。 (1)位置の状態を平均化または評価の何れかによって次
の位置を推定し、(2)上記何れかの推定方法を使用して
遅延を補償し、(3)異なる速度において動的予見一5次法
の係数;予見距離を変更する。 C．待ち時間及び低速システム応答 本発明の別の経路追尾実施例は、ビークル応答特性を改
善するために種々の補償技術を使用している。これは、
改善された追尾性能を実現するために5次多項式方法と
共に使用される。若干のビークル応答特性は、ビークル
制御命令の待ち時間と、遅いシステム応答と、ビークル
・大地相互作用(VGI)(滑り角及びアンダ/オーバステア)
を含むビークル動的特性とを含む。本発明の1実施例に
おいては、時間遅延を減少させるようにビークル制御ハ
ードウェアを変更し、現存する遅延を補償するように制
御命令を十分に早めにセットする方法を使用することに
よって、ビークル制御命令の待ち時間を補償している。
は以下の通りである。 (1)位置の状態を平均化または評価の何れかによって次
の位置を推定し、(2)上記何れかの推定方法を使用して
遅延を補償し、(3)異なる速度において動的予見一5次法
の係数;予見距離を変更する。 C．待ち時間及び低速システム応答 本発明の別の経路追尾実施例は、ビークル応答特性を改
善するために種々の補償技術を使用している。これは、
改善された追尾性能を実現するために5次多項式方法と
共に使用される。若干のビークル応答特性は、ビークル
制御命令の待ち時間と、遅いシステム応答と、ビークル
・大地相互作用(VGI)(滑り角及びアンダ/オーバステア)
を含むビークル動的特性とを含む。本発明の1実施例に
おいては、時間遅延を減少させるようにビークル制御ハ
ードウェアを変更し、現存する遅延を補償するように制
御命令を十分に早めにセットする方法を使用することに
よって、ビークル制御命令の待ち時間を補償している。
【０１３３】ビークルの位置を検知する時刻と、命令を
発行する時刻との間の時間遅れを短縮させると予測誤差
が減少するが、この減少は舵取り角を計画するために要
求されることであり、より良好な追尾性能がもたらされ
る。速度と共に予見距離を変化させることも、定予見距
離に比して追尾性能を改善する。追尾方法は、直列リン
クを通してビークル制御システムヘ舵取り及び速度命令
を出力する。ビークル制御システムは、タスク間通信に
関してメールボックス待ち行列を頼りにするマルチプロ
セッサ、多重タスキングシステムである。このメールボ
ックス待ち行列は2つの型の待ち行列、即ち高性能待ち
行列と、オーバフロー待ち行列とからなる。追尾タスク
からの高データ流レート中、高性能待ち行列はオーバフ
ロー待ち行列内へこぼれ、タスク間通信の性能を劣化さ
せる。これは追尾タスクと、実際の舵取りアクチュエー
タ命令との間の合計待ち時間を秒のオーダーにする可能
性がある。舵取りダイナミックスは1次遅れシステムと
してモデル化することができる。これは、所望の最終値
の約63%に到達するまでの1次遅れ応答に対する1時定数
に等価な期間を要する。大きい時定数を有する低速シス
テムの場合には、応答時間が重大となり得ることは明白
であろう。待ち時間及び応答問題を解消するために、ハ
ードウェアを、ビークルの舵取りを制御するための追尾
方法と、純時間遅延及び貧弱な応答を補償するために考
案された新しい制御計画とに密接に関係付けて使用する
ように調整することができる。
発行する時刻との間の時間遅れを短縮させると予測誤差
が減少するが、この減少は舵取り角を計画するために要
求されることであり、より良好な追尾性能がもたらされ
る。速度と共に予見距離を変化させることも、定予見距
離に比して追尾性能を改善する。追尾方法は、直列リン
クを通してビークル制御システムヘ舵取り及び速度命令
を出力する。ビークル制御システムは、タスク間通信に
関してメールボックス待ち行列を頼りにするマルチプロ
セッサ、多重タスキングシステムである。このメールボ
ックス待ち行列は2つの型の待ち行列、即ち高性能待ち
行列と、オーバフロー待ち行列とからなる。追尾タスク
からの高データ流レート中、高性能待ち行列はオーバフ
ロー待ち行列内へこぼれ、タスク間通信の性能を劣化さ
せる。これは追尾タスクと、実際の舵取りアクチュエー
タ命令との間の合計待ち時間を秒のオーダーにする可能
性がある。舵取りダイナミックスは1次遅れシステムと
してモデル化することができる。これは、所望の最終値
の約63%に到達するまでの1次遅れ応答に対する1時定数
に等価な期間を要する。大きい時定数を有する低速シス
テムの場合には、応答時間が重大となり得ることは明白
であろう。待ち時間及び応答問題を解消するために、ハ
ードウェアを、ビークルの舵取りを制御するための追尾
方法と、純時間遅延及び貧弱な応答を補償するために考
案された新しい制御計画とに密接に関係付けて使用する
ように調整することができる。
【０１３４】残余の遅延(追尾方法の処理時間及び追尾
システム内のタスク間通信に起因する遅延)を補償する
ために、本発明では何等かの遅延に反作用するように早
めに速度及び舵取り命令を送る方法を使用する。この方
法は以下のように実行することができる。 現位置Pactualを検知 (初期化:Pactual＝P[0]=P[1]=．．．．=P[d-index+1]) 予測位置と検知位置との間の誤差を計算: i=Oの場合d_index,Pe=Pactual-P[0]、 P[i]=P[i+1]十Pe 時間間隔の始めの位置に対応する経路上の位置を計算:P
onを入手 (P[d-index]、Pon) 初期条件を入手:誤差(0)=P[d-index]一Pon 誤差空間[1]における5次多項式曲線を計算 計画時間間隔の終りにおける位置を予測; despos(Pon、ds、P+d-index+1) P[d-index+1]十=誤差(ds)を入手 例えば、2計画間隔程度の(250mSecのオーダーの)時間遅
延を有するシステムを補償するためには、変数d-index
を2.0にセットする。追尾性能は、補償指標(d-index)が
システムに固有の遅延に整合するように増加するにつれ
て改善される。
システム内のタスク間通信に起因する遅延)を補償する
ために、本発明では何等かの遅延に反作用するように早
めに速度及び舵取り命令を送る方法を使用する。この方
法は以下のように実行することができる。 現位置Pactualを検知 (初期化:Pactual＝P[0]=P[1]=．．．．=P[d-index+1]) 予測位置と検知位置との間の誤差を計算: i=Oの場合d_index,Pe=Pactual-P[0]、 P[i]=P[i+1]十Pe 時間間隔の始めの位置に対応する経路上の位置を計算:P
onを入手 (P[d-index]、Pon) 初期条件を入手:誤差(0)=P[d-index]一Pon 誤差空間[1]における5次多項式曲線を計算 計画時間間隔の終りにおける位置を予測; despos(Pon、ds、P+d-index+1) P[d-index+1]十=誤差(ds)を入手 例えば、2計画間隔程度の(250mSecのオーダーの)時間遅
延を有するシステムを補償するためには、変数d-index
を2.0にセットする。追尾性能は、補償指標(d-index)が
システムに固有の遅延に整合するように増加するにつれ
て改善される。
【０１３５】d.ビークル・大地相互作用(VG1):舵取り角
及びビークル速度に関する参照命令は、変化する角速度
とビークル車輪の加速をもたらす。VGIは、舵取りされ
た車輪角及び車輪角速度を与えるとビークルがどのよう
に運動するかを記述する。主たるVG1現象は滑り角及び
アンダ/オーバステア特性であって、これらはタイヤ/道
路接触領域ジオメトリに基づき、タイヤの弾性変形によ
って影響を受ける。これらの現象は、運動学的に計算さ
れたものに比してより大きい舵取り角を要求する。 e．検知及び作動タイミング 本発明においては実際の経路追尾はディジタルプロセッ
サによって制御されるから、離散した時間間隔が使用さ
れる。これは舵取り計画に必要な計算時間(16mSecのオ
ーダーであり得る)よりも遥かに長い位置検知時間間隔
(O.25Secのオーダーであり得る)によって支配される。
時には、特に離散した時間間隔が長い場合には、ビーク
ル位置の予測が貧弱となって追尾方法の性能が劣化する
ことが起こり得る。
及びビークル速度に関する参照命令は、変化する角速度
とビークル車輪の加速をもたらす。VGIは、舵取りされ
た車輪角及び車輪角速度を与えるとビークルがどのよう
に運動するかを記述する。主たるVG1現象は滑り角及び
アンダ/オーバステア特性であって、これらはタイヤ/道
路接触領域ジオメトリに基づき、タイヤの弾性変形によ
って影響を受ける。これらの現象は、運動学的に計算さ
れたものに比してより大きい舵取り角を要求する。 e．検知及び作動タイミング 本発明においては実際の経路追尾はディジタルプロセッ
サによって制御されるから、離散した時間間隔が使用さ
れる。これは舵取り計画に必要な計算時間(16mSecのオ
ーダーであり得る)よりも遥かに長い位置検知時間間隔
(O.25Secのオーダーであり得る)によって支配される。
時には、特に離散した時間間隔が長い場合には、ビーク
ル位置の予測が貧弱となって追尾方法の性能が劣化する
ことが起こり得る。
【０１３６】
【０１３７】本発明の補償方法は、離散した時間間隔を
短縮することによって次のビークル位置の予測の誤差を
減少させるのに役立つ。この方法では、ビークル位置
は、計画間隔(250mSec)の終りにではなく、計算間隔(16
mSec)の終りに対して予測される。この方法は以下のよ
うに実行される。 現位置Pactualを検知 (初期化:Pactual=P[0]:P[1]=．．．．=P[d-index+1])=P
actual,k+1 予測位置と検知位置との間の誤差を計算: i=0,d_indexの場合、Pe=Pactual-、Pactual,k+1 P[i]=P[i+1]十Pe 時間間隔の始めの位置に対応する経路上の位置を計算: Pon(P[d-index]、Pon)を入手 初期条件を入手:誤差(O)=P[d-index]一Pon 誤差空間における5次多項式曲線を計算 誤差空間[1]における5次多項式曲線を計算 計画時間間隔の終りにおける位置を予測 despos(Pon、ds、P+d-index+1) P[d-index+1〕十=誤差(ds)を入手 次の検知時刻における位置を予測: Pactual,k+1=P[0]十(P[1]一P[0])*(dt計画一dt計算/dt
計画)
短縮することによって次のビークル位置の予測の誤差を
減少させるのに役立つ。この方法では、ビークル位置
は、計画間隔(250mSec)の終りにではなく、計算間隔(16
mSec)の終りに対して予測される。この方法は以下のよ
うに実行される。 現位置Pactualを検知 (初期化:Pactual=P[0]:P[1]=．．．．=P[d-index+1])=P
actual,k+1 予測位置と検知位置との間の誤差を計算: i=0,d_indexの場合、Pe=Pactual-、Pactual,k+1 P[i]=P[i+1]十Pe 時間間隔の始めの位置に対応する経路上の位置を計算: Pon(P[d-index]、Pon)を入手 初期条件を入手:誤差(O)=P[d-index]一Pon 誤差空間における5次多項式曲線を計算 誤差空間[1]における5次多項式曲線を計算 計画時間間隔の終りにおける位置を予測 despos(Pon、ds、P+d-index+1) P[d-index+1〕十=誤差(ds)を入手 次の検知時刻における位置を予測: Pactual,k+1=P[0]十(P[1]一P[0])*(dt計画一dt計算/dt
計画)
【０１３８】f.予見 人の運転手が駆動する場合には、異なる予見距離3310を
使用する。低速時には運転手はビークルに比較的近い道
路上の点を見ているのが普通であり、この点は一般にビ
ークルより前方である。速度が大きくなるにつれて参照
点は更に前方になり、その結果舵取り修正はより小さく
なる。従って、自律応用において予見距離を速度と共に
変化させることは追尾性能を改善するのを論理的に援助
する。所望の舵取り角は、参照経路3312からの舵取り色
と、追尾誤差を修正するために5次法を用いて計算され
た舵取り角3112とからなることができる。これらの舵取
り角は加算されて以下の式(1)に示すようなビークル舵
取り命令が求められる。 Φ=Φref+Φerror たとえ手動駆動における予見が参照及び誤差補償舵取り
角の両方に影響を及ぼすとしても、自律言十画における
予見はΦerrorだけにしか影響を与えないことに注目さ
れたい。予見値を短くすれば大きい舵取り修正がもたら
されるから、予見距離は誤差フィードバックシステムに
おける利得と解釈することができる。予見距離(L)を速
度(V)に伴って変化させる任意モデルは以下の式(2)に示
すように3つのパラメタ、Vref、Lref、及び勾配を用い
て表される。 L=勾配*(V-Vref)十Lref ここに、Vはビークルの速度であり、LはLmin=1O乃至Lma
x=30とすべきである。追尾性能は本発明の変化する予見
距離3310によって改善される。
使用する。低速時には運転手はビークルに比較的近い道
路上の点を見ているのが普通であり、この点は一般にビ
ークルより前方である。速度が大きくなるにつれて参照
点は更に前方になり、その結果舵取り修正はより小さく
なる。従って、自律応用において予見距離を速度と共に
変化させることは追尾性能を改善するのを論理的に援助
する。所望の舵取り角は、参照経路3312からの舵取り色
と、追尾誤差を修正するために5次法を用いて計算され
た舵取り角3112とからなることができる。これらの舵取
り角は加算されて以下の式(1)に示すようなビークル舵
取り命令が求められる。 Φ=Φref+Φerror たとえ手動駆動における予見が参照及び誤差補償舵取り
角の両方に影響を及ぼすとしても、自律言十画における
予見はΦerrorだけにしか影響を与えないことに注目さ
れたい。予見値を短くすれば大きい舵取り修正がもたら
されるから、予見距離は誤差フィードバックシステムに
おける利得と解釈することができる。予見距離(L)を速
度(V)に伴って変化させる任意モデルは以下の式(2)に示
すように3つのパラメタ、Vref、Lref、及び勾配を用い
て表される。 L=勾配*(V-Vref)十Lref ここに、Vはビークルの速度であり、LはLmin=1O乃至Lma
x=30とすべきである。追尾性能は本発明の変化する予見
距離3310によって改善される。
【０１３９】g.最適制御法 前述のように、本発明の実施例は、こわさ、質量及び滑
り角に関する考えを含むモデルを使用する。制御問題
は、位置、ヘッディング、及び曲率の誤差がビークル制
御モデルに基づいて最小化される線形2次最適追尾問題
として処理される。最適経路及び制御は、現在の誤差を
最適制御問題に対する初期条件として用いて所望経路33
12及び現検知ビークル位置3304から計算される。最適経
路の初期部分に沿う幾つかの計算された舵取り角が、次
の検知時間間隔のための低レベル舵取りコントローラヘ
の参照として使用される。この予測最適舵取り制御は、
所与の性能指標に対する安定性及び最適性を保証する長
所を有している。本発明による最適予測制御方法は自律
ビークル102の舵取り計画に適用可能である。
り角に関する考えを含むモデルを使用する。制御問題
は、位置、ヘッディング、及び曲率の誤差がビークル制
御モデルに基づいて最小化される線形2次最適追尾問題
として処理される。最適経路及び制御は、現在の誤差を
最適制御問題に対する初期条件として用いて所望経路33
12及び現検知ビークル位置3304から計算される。最適経
路の初期部分に沿う幾つかの計算された舵取り角が、次
の検知時間間隔のための低レベル舵取りコントローラヘ
の参照として使用される。この予測最適舵取り制御は、
所与の性能指標に対する安定性及び最適性を保証する長
所を有している。本発明による最適予測制御方法は自律
ビークル102の舵取り計画に適用可能である。
【０１４０】モデルは標準の時間短縮された、または自
転車モデル(図示してない)、またはビークルの近似から
導出される。ビークル運動を記述する方程式は、前述し
たVGIを表す項を含む。これらの方程式は状態変数を使
用する。 ここにｘ及びｙはビークルのグローバル位置を表し、θ
はビーグルのヘッディング3318であり、θはヘッディン
グの変化のレートである。これらの変数を使用する方程
式は以下に通りである。 u1=δ C＝［ｍL/ｔ］ 但し、 Vξ:横方向速度 Vn:一定前進速度 δ:舵取り角 αF:滑り角 VF:前輪の速度 FF:前輪と大地との間の横方向力 FR:後輪と大地との間の横方向力 m:ビークル質量 I:ビークル慣性モーメント θ:ビークルヘッディング Cα F、Cα R:前及び後タイヤコーナリングこわさ
転車モデル(図示してない)、またはビークルの近似から
導出される。ビークル運動を記述する方程式は、前述し
たVGIを表す項を含む。これらの方程式は状態変数を使
用する。 ここにｘ及びｙはビークルのグローバル位置を表し、θ
はビーグルのヘッディング3318であり、θはヘッディン
グの変化のレートである。これらの変数を使用する方程
式は以下に通りである。 u1=δ C＝［ｍL/ｔ］ 但し、 Vξ:横方向速度 Vn:一定前進速度 δ:舵取り角 αF:滑り角 VF:前輪の速度 FF:前輪と大地との間の横方向力 FR:後輪と大地との間の横方向力 m:ビークル質量 I:ビークル慣性モーメント θ:ビークルヘッディング Cα F、Cα R:前及び後タイヤコーナリングこわさ
【０１４１】
【０１４２】最適制御理論の分野では、システム内の選
択されたパラメタを最小化するために使用される費用関
数を選択しなければならないことは周知である。この問
題に使用される費用関数は以下のようにして選択され
た。 状態方程式(14)及び費用関数(15)を用いて最適制御問題
を解くには若干の問題が存在する。
択されたパラメタを最小化するために使用される費用関
数を選択しなければならないことは周知である。この問
題に使用される費用関数は以下のようにして選択され
た。 状態方程式(14)及び費用関数(15)を用いて最適制御問題
を解くには若干の問題が存在する。
【０１４３】1．システムは非線形である。通常、非線
形がもたらす2点境界値問題は解析的解を持たない。一
方、数値的解の言十算には長時間を要する。 2．得られる最適制御問題は自由最終時間問題である。
一般に、固定最終時間問題を解く方が、自由最終時間問
題を解くよりも簡単である。 3．積分(上記費用関数内の)内の第1項は制御入力の時間
導関数であり、通常は最適制御問題の2次費用関数内に
は存在ない。しかし、舵取りの時間レート変化は、それ
が遠心力(ビークルの横方向加速に起因する)の変化の時
間レートに直接関係付けられていることから、滑らかな
経路追尾にとって極めて重要である。舵取り角が、図51
に示すように経路の曲率に依存することに注目された
い。上記3つの問題を解消し、得られる最適制御問題を
処理し易くするために以下の方策が適用される。
形がもたらす2点境界値問題は解析的解を持たない。一
方、数値的解の言十算には長時間を要する。 2．得られる最適制御問題は自由最終時間問題である。
一般に、固定最終時間問題を解く方が、自由最終時間問
題を解くよりも簡単である。 3．積分(上記費用関数内の)内の第1項は制御入力の時間
導関数であり、通常は最適制御問題の2次費用関数内に
は存在ない。しかし、舵取りの時間レート変化は、それ
が遠心力(ビークルの横方向加速に起因する)の変化の時
間レートに直接関係付けられていることから、滑らかな
経路追尾にとって極めて重要である。舵取り角が、図51
に示すように経路の曲率に依存することに注目された
い。上記3つの問題を解消し、得られる最適制御問題を
処理し易くするために以下の方策が適用される。
【０１４４】1．(14)の第1及び第2式内の正弦関数がシ
ステムを非線形にしているから、現ビークル位置に対す
る経路の対応点の正接方法に平行な軸を有する新しい座
標系を使用する。費用関数では、偏差は横方向において
のみ考慮される。これら2つの近似は、システム方程式
内の非線形を排除するだけではなく、処理する式の数を
減少させ、(14)の第1式は不要になる、(“座標系"参
照)。 2．自由最終時間tfを有するこの問題は、前方距離に対
する運動の式内へ微分を書き込むことによって、独立変
数の固定最終値を有する問題に変換することができる。
この目的のために、非次元独立変数Sを次のように定義
する。 Sf=accel 3.上述した第3の問題を解くために、新しい状態ベクト
ル及び制御入力を以下のように定義する。
ステムを非線形にしているから、現ビークル位置に対す
る経路の対応点の正接方法に平行な軸を有する新しい座
標系を使用する。費用関数では、偏差は横方向において
のみ考慮される。これら2つの近似は、システム方程式
内の非線形を排除するだけではなく、処理する式の数を
減少させ、(14)の第1式は不要になる、(“座標系"参
照)。 2．自由最終時間tfを有するこの問題は、前方距離に対
する運動の式内へ微分を書き込むことによって、独立変
数の固定最終値を有する問題に変換することができる。
この目的のために、非次元独立変数Sを次のように定義
する。 Sf=accel 3.上述した第3の問題を解くために、新しい状態ベクト
ル及び制御入力を以下のように定義する。
【０１４５】ここに、Xnewは以下を満足する:
【０１４６】ｙ＝Ax+B ここに、Aold及びBoldは古いシステムマトリクス及び古
い入力マトリクスを表す。
い入力マトリクスを表す。
【０１４７】次いで、状態変数及び制御入力は次の用に
定義される。 これは、以下のようにシステム方程式を満足する。 新しい費用関数は次のようになる。 上述の得られたシステム方程式(17)及び費用関数(18)を
用いた舵取り計画は、以下のようにして線形2次追尾問
題として解くことができる。システム方程式及び費用関
数を以下のように記述するものとする。
定義される。 これは、以下のようにシステム方程式を満足する。 新しい費用関数は次のようになる。 上述の得られたシステム方程式(17)及び費用関数(18)を
用いた舵取り計画は、以下のようにして線形2次追尾問
題として解くことができる。システム方程式及び費用関
数を以下のように記述するものとする。
【０１４８】また、Qｆ≧、o,Q≧、o,R≧o は全て対称に選択される、従って得られた方程式は以下
の通りである。 従って、riccati方程式(21)を先ず解き、riccati方程式
の結果から利得を計算し、そして所望の経路によって駆
動される強制関数を式(23)を解くことによって計算す
る。次いで、式(19)及び(24)を解くことによって制御及
び状態を求める。Riccati方程式を解くために、マック
ファーレン・ポッタ積分法を試みた。この方法は時間不
変問題の安定状態解に対して極めて効果的であることが
知られている。予測距離はかなり長く、解の初期部分を
使用するから、この方法は計算時間を短縮するのに良い
ものと考えられる。従って、予測距離が長く、解の初期
部分だけを使用するので、式(23)を以下の式(25)に変形
してそれを解く。 (A-BK)Tv+QXd=O(式25) （式２５）
の通りである。 従って、riccati方程式(21)を先ず解き、riccati方程式
の結果から利得を計算し、そして所望の経路によって駆
動される強制関数を式(23)を解くことによって計算す
る。次いで、式(19)及び(24)を解くことによって制御及
び状態を求める。Riccati方程式を解くために、マック
ファーレン・ポッタ積分法を試みた。この方法は時間不
変問題の安定状態解に対して極めて効果的であることが
知られている。予測距離はかなり長く、解の初期部分を
使用するから、この方法は計算時間を短縮するのに良い
ものと考えられる。従って、予測距離が長く、解の初期
部分だけを使用するので、式(23)を以下の式(25)に変形
してそれを解く。 (A-BK)Tv+QXd=O(式25) （式２５）
【０１４９】h．結論 追尾性能は、本発明に占りビークル及び制御システムダ
イナミクスを研究し、理解することによって、及びこの
理解の下に補償方法を設言十することによって改善され
た。追尾方法の性能の劣化には、ビークル制御命令の待
ち時間、遅いシステム応答、及びビークルの動的特性が
関与しているのである。これらの各効果に反作用させる
ことが可能である。有力な効果であるビークル命令の待
ち時間は、ビークル制御ハードウェアを変更することに
よって、及び制御命令を十分に前広にセットして遅延を
補償する方法を使用することによって成功裏に補償する
ことができる。ビークル位置を検知する時点と、命令を
発行する時点との間の時間遅れを減少させると、予測誤
差が減少する。これは舵取り角を計画するために必要な
ことであり、これによって良好な追尾性能がもたらされ
る。速度に伴って予見距離を変化させることも、予見距
離を一定にする場合に比して追尾性能を改善する。一般
的に言えば経路追尾はコースに留まることの関数であ
る、上述したように本発明の経路追尾において検討した
若干の要因は、距離、ヘッディング及び曲率の誤差と、
処理遅延、アクチェエータヘのビークル応答の遅延等を
含むシステム内の遅延と、動的な予見距離と、重み付き
経路履歴と、補外とである。
イナミクスを研究し、理解することによって、及びこの
理解の下に補償方法を設言十することによって改善され
た。追尾方法の性能の劣化には、ビークル制御命令の待
ち時間、遅いシステム応答、及びビークルの動的特性が
関与しているのである。これらの各効果に反作用させる
ことが可能である。有力な効果であるビークル命令の待
ち時間は、ビークル制御ハードウェアを変更することに
よって、及び制御命令を十分に前広にセットして遅延を
補償する方法を使用することによって成功裏に補償する
ことができる。ビークル位置を検知する時点と、命令を
発行する時点との間の時間遅れを減少させると、予測誤
差が減少する。これは舵取り角を計画するために必要な
ことであり、これによって良好な追尾性能がもたらされ
る。速度に伴って予見距離を変化させることも、予見距
離を一定にする場合に比して追尾性能を改善する。一般
的に言えば経路追尾はコースに留まることの関数であ
る、上述したように本発明の経路追尾において検討した
若干の要因は、距離、ヘッディング及び曲率の誤差と、
処理遅延、アクチェエータヘのビークル応答の遅延等を
含むシステム内の遅延と、動的な予見距離と、重み付き
経路履歴と、補外とである。
【０１５０】D．障害物処理 1．序障害物処理は、少なくとも3つの主要機能、即ち障
害物4002の検出と、障害物4 002の回避と、経路3312への復帰とを含む、経路への復
帰機能は上述の経路生成及び追尾に類似する。ビークル
102の航行を成功させるためには、経路追尾(追随)の他
に、ビークル102がその経路内の障害物4002を検出し、
衝突が発生する前に障害物を回避するためにビークルが
停止するか、または他の回避動作を起こすことができる
ようにすることが要求される。本発明の1実施例では、
単一線赤外レーザスキャナ404(図38参照)を、走査が水
平(図示してない)に行われるような形態で使用してい
る。走査線3810は大地と接しないから、距離データの何
等かの不連続が環境内の物体4,002を表すしていること
になる。参照経路3312が使用可能であり、この参照経路
に対するビークルの位置は既知であるから、危険物体40
02に関しては距離データ及び参照経路3312を画している
領域だけが処理される。この領域、または境界ゾーンの
外側の物体は無視される。境界ゾーンの幅(図示してな
い)は、ビークル幅プラスある選択された安全緩衝に等
しくして追尾及び位置特定誤差のための余裕を見込んで
いる。この方法はその有用性に限界があり、“隙間検
査"と呼ぶ。
害物4002の検出と、障害物4 002の回避と、経路3312への復帰とを含む、経路への復
帰機能は上述の経路生成及び追尾に類似する。ビークル
102の航行を成功させるためには、経路追尾(追随)の他
に、ビークル102がその経路内の障害物4002を検出し、
衝突が発生する前に障害物を回避するためにビークルが
停止するか、または他の回避動作を起こすことができる
ようにすることが要求される。本発明の1実施例では、
単一線赤外レーザスキャナ404(図38参照)を、走査が水
平(図示してない)に行われるような形態で使用してい
る。走査線3810は大地と接しないから、距離データの何
等かの不連続が環境内の物体4,002を表すしていること
になる。参照経路3312が使用可能であり、この参照経路
に対するビークルの位置は既知であるから、危険物体40
02に関しては距離データ及び参照経路3312を画している
領域だけが処理される。この領域、または境界ゾーンの
外側の物体は無視される。境界ゾーンの幅(図示してな
い)は、ビークル幅プラスある選択された安全緩衝に等
しくして追尾及び位置特定誤差のための余裕を見込んで
いる。この方法はその有用性に限界があり、“隙間検
査"と呼ぶ。
【０１５１】2．障害物の検出 a．隙間検査 本発明の最も簡単な例ではレーザ404を単一線走査で使
用し、視野を規則的な角度間隔でレーザ走査して連続距
離測定に成功している。これもまた簡易化のために、こ
れらの走査を規則的な時間間隔で開始することができ
る。“隙間検査"なる語はこの方法を記述するために使
用しているのである。本発明のこのバージョンにおける
この方法は、二次元デー夕のみを処理することに制限さ
れる。この型の障害物検出方法は、視野全体をスキャナ
404が走査するに当たって連続距離測定を規則正しい角
度間隔で行う単一線走査モードを使用して経路3312が支
障があるか否かを見る検査に制限される。何等かの障害
物4002の存在を特定するか、またはもし経路に支障があ
ればその周囲に経路を作成するような如何なる方法も含
まない。この型の方法は、工場の床のような極めて厳密
に制御された環境を除いて、特に有用な障害物検出方法
であるとは考えられない。
用し、視野を規則的な角度間隔でレーザ走査して連続距
離測定に成功している。これもまた簡易化のために、こ
れらの走査を規則的な時間間隔で開始することができ
る。“隙間検査"なる語はこの方法を記述するために使
用しているのである。本発明のこのバージョンにおける
この方法は、二次元デー夕のみを処理することに制限さ
れる。この型の障害物検出方法は、視野全体をスキャナ
404が走査するに当たって連続距離測定を規則正しい角
度間隔で行う単一線走査モードを使用して経路3312が支
障があるか否かを見る検査に制限される。何等かの障害
物4002の存在を特定するか、またはもし経路に支障があ
ればその周囲に経路を作成するような如何なる方法も含
まない。この型の方法は、工場の床のような極めて厳密
に制御された環境を除いて、特に有用な障害物検出方法
であるとは考えられない。
【０１５２】b．濾波及び線検出計画 本発明の第2の障害物検出は、走査3810がビークル102の
前方のある距離で大地に接するような多重線スキャナ38
04(図38参照)を使用する。走査線が大地と接するので、
距離データの不連続は最早危険物体4002を表してはいな
い。例えば、丘及び急傾斜した道路または路頂のような
自然物の輪郭が距離データに不連続をもたらし得る。本
発明のこの技術は、危検物体4002及び自然物体(図示し
てない)からの距離データを識別することができる。本
発明のこの実施例では、処理されるデータの量を減少さ
せるため濾波計画がに使用され、また使用されるスキャ
ナ構成とは無関係である。境界ゾーンの縁は距離データ
を、各距離値が行番号3908及び列番号3910(マトリクス
表現)によって検索される画像面表現3900(図39参照)に
転送することによって見出される。距離画像表現3900内
で使用可能な比較的少数の走査線を選択することによっ
て処理される負荷は最小化される。これらの走査線はビ
ークル速度によって選択され、ビークルの停止距離及び
それを越える点に集中される。連続するデータフレーム
から選択される走査線は重複することができる。この方
法では、もしビークル102が高速で運動していれば、選
択される走査線3906はビークルの前方(距離画像表現390
0の上方)へ離れる。これに対してビークルがゆっくり走
行している場合には、選択走査線3906はビークルに近づ
く(距離画像表現3900の下方に接近する)。
前方のある距離で大地に接するような多重線スキャナ38
04(図38参照)を使用する。走査線が大地と接するので、
距離データの不連続は最早危険物体4002を表してはいな
い。例えば、丘及び急傾斜した道路または路頂のような
自然物の輪郭が距離データに不連続をもたらし得る。本
発明のこの技術は、危検物体4002及び自然物体(図示し
てない)からの距離データを識別することができる。本
発明のこの実施例では、処理されるデータの量を減少さ
せるため濾波計画がに使用され、また使用されるスキャ
ナ構成とは無関係である。境界ゾーンの縁は距離データ
を、各距離値が行番号3908及び列番号3910(マトリクス
表現)によって検索される画像面表現3900(図39参照)に
転送することによって見出される。距離画像表現3900内
で使用可能な比較的少数の走査線を選択することによっ
て処理される負荷は最小化される。これらの走査線はビ
ークル速度によって選択され、ビークルの停止距離及び
それを越える点に集中される。連続するデータフレーム
から選択される走査線は重複することができる。この方
法では、もしビークル102が高速で運動していれば、選
択される走査線3906はビークルの前方(距離画像表現390
0の上方)へ離れる。これに対してビークルがゆっくり走
行している場合には、選択走査線3906はビークルに近づ
く(距離画像表現3900の下方に接近する)。
【０１５３】各走査線はデータの多くの絵素からなる。
各絵素はそれに関連する2つのパラメタを有している。
第1に、絵素の実際の値はスキャナ3804から戻される距
離値である。第2に、走査線上の絵素の位置は、その距
離が記録された時のビークル中心線に対する角度の指示
を与える。これは円筒座標フレーム(R、シータ、Z)記述
に対応する。円筒記述及びビークル102に対する既知の
スキャナ位置を与えれば、距離値Iは直交座標(X,Y,Z)系
に変換することができる。その結果が道路輪郭記述であ
り、これはビークル経路3812内に危険な物体4002が存在
するか否かを決定し、一方で典型的な道路内の自然の丘
及び谷に起因する効果を無視する新しい濾波言十画に使
用することができる。
各絵素はそれに関連する2つのパラメタを有している。
第1に、絵素の実際の値はスキャナ3804から戻される距
離値である。第2に、走査線上の絵素の位置は、その距
離が記録された時のビークル中心線に対する角度の指示
を与える。これは円筒座標フレーム(R、シータ、Z)記述
に対応する。円筒記述及びビークル102に対する既知の
スキャナ位置を与えれば、距離値Iは直交座標(X,Y,Z)系
に変換することができる。その結果が道路輪郭記述であ
り、これはビークル経路3812内に危険な物体4002が存在
するか否かを決定し、一方で典型的な道路内の自然の丘
及び谷に起因する効果を無視する新しい濾波言十画に使
用することができる。
【０１５４】スキャナデータが直交座標に変換された
後、データは、走査のどの部分が実際に道路3312上にあ
り、走査線のどの部分がビークル経路の外側にある(従
って、安全に無視できる)かを決定するために処理され
る。ビークル位置及び境界の幅(ビークル幅プラスある
安全余裕度に等しい)を与えることによって、ビークル
経路の何れの側の境界の座標をも決定することができ
る。境界の座標は、現走査線上の各絵素の座標と比較す
ることができる。境界の外側の座標を有する絵素は無視
される。濾波計画は、先に検知された道路輪郭から道路
輪郭の予測を構築する。この予測は、典型的な舗装され
た道路を十分に記述することが見出された3つのパラメ
タに基づいている。 §路頂:道路断面(道路の中心線に垂直な)の曲率。 §道路傾斜:道路輪郭(道路の中心線に垂直な)の`傾
き'。 §道路高さ:ビークル102の4つのタイヤの位置によって
記述される参照面上の道路中心線の高さ。 路頂及び道路傾斜の予測値は、先に検知したスキャナデ
ータに対して標準の最小自乗カルマン濾波技術を遂行す
ることによって決定される。カルマンフィルタは、基本
的には、先行データから決定された値に基づいてこれら
2つのパラメタのランニング平均の型を保つ。
後、データは、走査のどの部分が実際に道路3312上にあ
り、走査線のどの部分がビークル経路の外側にある(従
って、安全に無視できる)かを決定するために処理され
る。ビークル位置及び境界の幅(ビークル幅プラスある
安全余裕度に等しい)を与えることによって、ビークル
経路の何れの側の境界の座標をも決定することができ
る。境界の座標は、現走査線上の各絵素の座標と比較す
ることができる。境界の外側の座標を有する絵素は無視
される。濾波計画は、先に検知された道路輪郭から道路
輪郭の予測を構築する。この予測は、典型的な舗装され
た道路を十分に記述することが見出された3つのパラメ
タに基づいている。 §路頂:道路断面(道路の中心線に垂直な)の曲率。 §道路傾斜:道路輪郭(道路の中心線に垂直な)の`傾
き'。 §道路高さ:ビークル102の4つのタイヤの位置によって
記述される参照面上の道路中心線の高さ。 路頂及び道路傾斜の予測値は、先に検知したスキャナデ
ータに対して標準の最小自乗カルマン濾波技術を遂行す
ることによって決定される。カルマンフィルタは、基本
的には、先行データから決定された値に基づいてこれら
2つのパラメタのランニング平均の型を保つ。
【０１５５】本発明によれば、特定走査に対する道路高
さは2つの類似した方法の一方によって決定することが
できる。第1は、現走査線内の各絵素における道路高さ
を平均して当該走査線の特性高さを決定する方法であ
る。第2の方法は、路頂及び傾斜予測を決定する時に使
用したものと類似の標準カルマンフィルタを使用して道
路高さを濾波することである。これら3つのパラメタを
使用して、予測される道路輪郭を記述する2次方程式を
決定することができる。この予測輪郭は実際の道路輪郭
と比較される。両者間に所定のしきい値を超える何等か
の偏差があれば、それらは危険をもたらす物体であるも
のと見傲される。
さは2つの類似した方法の一方によって決定することが
できる。第1は、現走査線内の各絵素における道路高さ
を平均して当該走査線の特性高さを決定する方法であ
る。第2の方法は、路頂及び傾斜予測を決定する時に使
用したものと類似の標準カルマンフィルタを使用して道
路高さを濾波することである。これら3つのパラメタを
使用して、予測される道路輪郭を記述する2次方程式を
決定することができる。この予測輪郭は実際の道路輪郭
と比較される。両者間に所定のしきい値を超える何等か
の偏差があれば、それらは危険をもたらす物体であるも
のと見傲される。
【０１５６】本発明のこの計画は、検出される物体4002
が道路の幅に比して小さいものと仮定すれば実行可能で
ある。これらを平均化する、または最小自乗法を使用す
れば、物体に起因する効果は自然の道路データに比して
無視できる。この濾波言十画は、選択された距離データ
を簡単な7点重み付け関数を用いて畳み込む極めて簡単
な線検出法をも含む。
が道路の幅に比して小さいものと仮定すれば実行可能で
ある。これらを平均化する、または最小自乗法を使用す
れば、物体に起因する効果は自然の道路データに比して
無視できる。この濾波言十画は、選択された距離データ
を簡単な7点重み付け関数を用いて畳み込む極めて簡単
な線検出法をも含む。
【０１５７】C．障害物抽出 本発明の付加的な技術は、多重線スキャナ3804からの物
体に関する距離画像表現3900全体を処理する。本発明の
この方法は3つの目標を達成する。 1．何も存在しない場合には障害物4002は検出しない。 2．障害物が存在する場合に舛障害物4002を検出する。 3．障害物が存在する場合には正しい障害物4002を検出
する。 障害物抽出は、ブロッブ(blob)抽出を使用する障害物検
出である。ブロッブ抽出は、コンピュータグラフィック
スの分野では周知である。障害物は類似絵素をブロッブ
と呼ぶ群にクラスタ化することによって見出される。障
害物抽出の目標は、障害物を個々の絵素としてではなく
ユニットとして記憶し、処理することである。
体に関する距離画像表現3900全体を処理する。本発明の
この方法は3つの目標を達成する。 1．何も存在しない場合には障害物4002は検出しない。 2．障害物が存在する場合に舛障害物4002を検出する。 3．障害物が存在する場合には正しい障害物4002を検出
する。 障害物抽出は、ブロッブ(blob)抽出を使用する障害物検
出である。ブロッブ抽出は、コンピュータグラフィック
スの分野では周知である。障害物は類似絵素をブロッブ
と呼ぶ群にクラスタ化することによって見出される。障
害物抽出の目標は、障害物を個々の絵素としてではなく
ユニットとして記憶し、処理することである。
【０１５８】本発明の障害物抽出は、画像面3901内で以
下の諸段階を遂行することによって行われる。 1．ビークル経路を画像面3901内へ投影する。 2．距離データを高さデータに変換する。 3．道路の中心の高さ(これは各行における予測された道
路高さを表す)に曲線を当てはめる。 4．実際の道路高さと高さ予測とを比較する。 5．障害物(実際の道路高さと予測された道路高さとの差
がしきい値を超えたことによって指示される)を抽出す
る。
下の諸段階を遂行することによって行われる。 1．ビークル経路を画像面3901内へ投影する。 2．距離データを高さデータに変換する。 3．道路の中心の高さ(これは各行における予測された道
路高さを表す)に曲線を当てはめる。 4．実際の道路高さと高さ予測とを比較する。 5．障害物(実際の道路高さと予測された道路高さとの差
がしきい値を超えたことによって指示される)を抽出す
る。
【０１５９】(1)道路の発見 使用可能な全てのデータを処理するために、画像はスキ
ャナ3804のフレームレートで処理しなければならない。
この理由から、障害物検出法における殆どの計算は画像
面3901内において行われる。経路を画像内に投影するこ
とによって画像の大部分は無視することができ、多くの
不要計算が回避される。ビークル経路3812が規則的な間
隔で指定されているものとすれば、現ビークル位置を使
用してスキャナの前方の経路セグメント線3902を探知す
ることができる。この経路3812は、道路または境界縁39
02に対応する点を画像面3901(図39参照)内へ投影するこ
とによって、実際の座標から画像座標へ変換される。間
隙の間を補間するために3次スプラインが使用される。
即ち、行3902の中心及び縁が画像面3901内の各行3908毎
に見出される。道路線3902間で孤立している絵素は距離
から高さデータヘ(円筒座標から直交座標へ)変換され
る。域外の絵素は破棄され、それ以上処理されることは
ない。
ャナ3804のフレームレートで処理しなければならない。
この理由から、障害物検出法における殆どの計算は画像
面3901内において行われる。経路を画像内に投影するこ
とによって画像の大部分は無視することができ、多くの
不要計算が回避される。ビークル経路3812が規則的な間
隔で指定されているものとすれば、現ビークル位置を使
用してスキャナの前方の経路セグメント線3902を探知す
ることができる。この経路3812は、道路または境界縁39
02に対応する点を画像面3901(図39参照)内へ投影するこ
とによって、実際の座標から画像座標へ変換される。間
隙の間を補間するために3次スプラインが使用される。
即ち、行3902の中心及び縁が画像面3901内の各行3908毎
に見出される。道路線3902間で孤立している絵素は距離
から高さデータヘ(円筒座標から直交座標へ)変換され
る。域外の絵素は破棄され、それ以上処理されることは
ない。
【０１６０】(2)道路高さのモデル化 画像面3901内の全ての行3908の道路の中心が分かると、
これらの各点毎の高さを決定することができる。3次最
小自乗曲線がこれらのデータに当てはめられる。これ
は、道路の一般的な傾向(上り、下がり坂)をモデル化
し、また道路の中心に横たわる雑音及び小さい物体の効
果を濾波して除去する効果を有する。 (3)しきい値設定 障害物は、高さしきい値を使用することによって探知す
ることができる。周囲の地形が平坦であるとは限らない
から、直線的な高さしきい値は無意味である。従ってこ
のしきい値は、所与の絵素の行番号3908における3次適
合によって予測される予測高さに対して参照される。こ
のようにすると、丘は高さ予測と実際の高さとが極めて
精密ピ整合するから障害物とは見傲されない、一方実障
害物4002は予測道路高さを殆ど反映せず(最小自乗適合
のために)、従ってしきい値設定によって容易に見出た
される。このしきい値設定の結果は、“ブロッブ抽出"
に適する2値画像(図示してない)である。2値画像は、何
処に物体があるのかを、または物体が画像内には存在し
ないことだけを指示する。
これらの各点毎の高さを決定することができる。3次最
小自乗曲線がこれらのデータに当てはめられる。これ
は、道路の一般的な傾向(上り、下がり坂)をモデル化
し、また道路の中心に横たわる雑音及び小さい物体の効
果を濾波して除去する効果を有する。 (3)しきい値設定 障害物は、高さしきい値を使用することによって探知す
ることができる。周囲の地形が平坦であるとは限らない
から、直線的な高さしきい値は無意味である。従ってこ
のしきい値は、所与の絵素の行番号3908における3次適
合によって予測される予測高さに対して参照される。こ
のようにすると、丘は高さ予測と実際の高さとが極めて
精密ピ整合するから障害物とは見傲されない、一方実障
害物4002は予測道路高さを殆ど反映せず(最小自乗適合
のために)、従ってしきい値設定によって容易に見出た
される。このしきい値設定の結果は、“ブロッブ抽出"
に適する2値画像(図示してない)である。2値画像は、何
処に物体があるのかを、または物体が画像内には存在し
ないことだけを指示する。
【０１６１】(4)ブロッブ抽出 ブロッブ抽出は、セットされた隣接絵素(障害物4002が
存在することを指示)を一緒にクラスタ化し、それらを
ユニットとして処理することによって作業する。2つの
絵素は、もしそれらが 1．同一列3910内にあり、連続行番号3908を有している 2．同一行3908内にあり、連続列番号3910を有している の何れかである場合に隣接していると言う。絵素を一緒
にブロッブ内にグループ化することによって、障害物40
02を全ユニットとして処理することができ、さらなる処
理に適するものとなる。
存在することを指示)を一緒にクラスタ化し、それらを
ユニットとして処理することによって作業する。2つの
絵素は、もしそれらが 1．同一列3910内にあり、連続行番号3908を有している 2．同一行3908内にあり、連続列番号3910を有している の何れかである場合に隣接していると言う。絵素を一緒
にブロッブ内にグループ化することによって、障害物40
02を全ユニットとして処理することができ、さらなる処
理に適するものとなる。
【０１６２】(5)応用 抽出されたブロッブを使用する1つの方策は、それらを
別のプログラムヘの入カとして転送することである。例
えば、物体4002は座標内ヘパーズし、グローバル目的写
図4004(図40参照)を累積するために使用することができ
る。この写図4002は別のプログラムヘ渡され、衝突回避
または経路計画を行うために使用される。 (6)障害物の回避 本発明がビークル102の経路内に障害物4002を検出する
と(図40参照)、その物体との衝突を回避しなければなら
ない。障害物回避問題に関して若干の仮定を行う。 1．障害物環境は、凸多角形または凸線によって表すこ
とができる障害物4002が散在している。 2．航行方法は、未処理レーザ距離データから、または
ブロッブ抽出を通して処理済のデータから入手できるビ
ークル102の位置から見ることができる障害物の全ての
面を表すローカル写図の形状のローカル環境情報へのア
クセスだけを有している。 3．ビークル102は普通に舵取りされる型であり、その速
度及び加速度に対する制約と、その舵取り角及び舵取り
角の変化のレートに対する細約とを有している。障害物
回避問題を処理するために、本発明はそれを2つの副問
題に分割する。第1は、何等かの障害物が途上に存在す
るか否かを決定し、もし存在すれば、ビークルはどちら
側を通り抜けるべきかを決定することである。次にビー
クル102を障害物4002を廻って導く副目標4006を選択
し、所望の経路に戻す高いレベルの目標4008に向けて導
く。
別のプログラムヘの入カとして転送することである。例
えば、物体4002は座標内ヘパーズし、グローバル目的写
図4004(図40参照)を累積するために使用することができ
る。この写図4002は別のプログラムヘ渡され、衝突回避
または経路計画を行うために使用される。 (6)障害物の回避 本発明がビークル102の経路内に障害物4002を検出する
と(図40参照)、その物体との衝突を回避しなければなら
ない。障害物回避問題に関して若干の仮定を行う。 1．障害物環境は、凸多角形または凸線によって表すこ
とができる障害物4002が散在している。 2．航行方法は、未処理レーザ距離データから、または
ブロッブ抽出を通して処理済のデータから入手できるビ
ークル102の位置から見ることができる障害物の全ての
面を表すローカル写図の形状のローカル環境情報へのア
クセスだけを有している。 3．ビークル102は普通に舵取りされる型であり、その速
度及び加速度に対する制約と、その舵取り角及び舵取り
角の変化のレートに対する細約とを有している。障害物
回避問題を処理するために、本発明はそれを2つの副問
題に分割する。第1は、何等かの障害物が途上に存在す
るか否かを決定し、もし存在すれば、ビークルはどちら
側を通り抜けるべきかを決定することである。次にビー
クル102を障害物4002を廻って導く副目標4006を選択
し、所望の経路に戻す高いレベルの目標4008に向けて導
く。
【０１６３】第2は、副目標4006を選択した後に、障害
物4002を避けるように舵取りしながらビークル102を副
目標4006に向けて駆動する舵取り決定を行うことであ
る。本発明の副目標選択方法及び舵取り決定方法がこれ
ら2つの副問題を解決する。上に列挙した仮定は以下の
処理過程において管理される。障害物探知はレーザ距離
スキャナ3804または404から得られる。スキャナ3804ま
たは404が生成した距離データは、ビークル位置から見
ることができる障害物の部分をモデル化する多角面のリ
ストを作成するために処理される。新しい距離データが
使用可能になる軍に、副目標選択方法が実行されて副目
標4006を生成し、舵取り決定方法のための安全航行の領
域(自由空間4010)を決定する。副目標選択方法を実行す
ることができる頻度は、スキャナ3804または404がデー
タを収集できるレートに依存する。達成可能なビークル
速度自体は、この実行頻度に依存する。
物4002を避けるように舵取りしながらビークル102を副
目標4006に向けて駆動する舵取り決定を行うことであ
る。本発明の副目標選択方法及び舵取り決定方法がこれ
ら2つの副問題を解決する。上に列挙した仮定は以下の
処理過程において管理される。障害物探知はレーザ距離
スキャナ3804または404から得られる。スキャナ3804ま
たは404が生成した距離データは、ビークル位置から見
ることができる障害物の部分をモデル化する多角面のリ
ストを作成するために処理される。新しい距離データが
使用可能になる軍に、副目標選択方法が実行されて副目
標4006を生成し、舵取り決定方法のための安全航行の領
域(自由空間4010)を決定する。副目標選択方法を実行す
ることができる頻度は、スキャナ3804または404がデー
タを収集できるレートに依存する。達成可能なビークル
速度自体は、この実行頻度に依存する。
【０１６４】舵取り決定方法に関しては、滑らかな経路
を生成するためにより高いサンプリテングレートが望ま
しい。従って、舵取り決定方法は副目標方法よりも屡々
実行される。副目標方法の基本的流れは以下の通りであ
る。 1最後の初期副目標、副目標、及び自由空間を保管せ
よ、目標遮蔽フラグを真にセットせよ 2もし最終目標が可視であれば直接目標を生成せよもし
直接目標が可視であれば目標遮蔽フラグを偽にセットせ
よ 3そうでなければ初期副目標を生成せよ副目標を初期副
目標にセットせよ
を生成するためにより高いサンプリテングレートが望ま
しい。従って、舵取り決定方法は副目標方法よりも屡々
実行される。副目標方法の基本的流れは以下の通りであ
る。 1最後の初期副目標、副目標、及び自由空間を保管せ
よ、目標遮蔽フラグを真にセットせよ 2もし最終目標が可視であれば直接目標を生成せよもし
直接目標が可視であれば目標遮蔽フラグを偽にセットせ
よ 3そうでなければ初期副目標を生成せよ副目標を初期副
目標にセットせよ
【０１６５】最新副目標が可視になるまで副目標を繰り
返し生成せよ。もし副目標が実行可能でなければ、中止
せよ 4もし目標遮蔽フラグが真であれば古い初期副目標、副
目標、及び自由空間を復元せよ 5そうでなければ自由空間を生成せよもし自由空間が安
全でなければ
返し生成せよ。もし副目標が実行可能でなければ、中止
せよ 4もし目標遮蔽フラグが真であれば古い初期副目標、副
目標、及び自由空間を復元せよ 5そうでなければ自由空間を生成せよもし自由空間が安
全でなければ
【０１６６】古い初期副目標、副目標、及び自由空間を
復元せよ 副目標方法:先ず(上記段階1)、先行繰り返しから生成さ
れた初期副目標、副目標、及び自由空間を保管する。こ
れは、新たに生成された副目標が安全ではない場合に、
古い副目標を追求し続けることを可能ならしめる。次に
(上記段階2)最終目標が可視である場合には、どの障害
物4002にも関連がない直接目標を生成することを試み
る。最終目標がローカル写図内で可視ではあっても、ス
キャナ範囲(距離的に、及び角度的に)の外側の障害物は
ローカル写図内には表されていないから、必ずしもこれ
が障害物が最終目標を遮っていないことを意味するもの
ではない。従って直接目標を生成する場合には、ローカ
ル写図内には存在していない障害物4002上に、またはそ
の背後に副目標を配置することがないように、スキャナ
3804または404によってカバーされる円錐領域内に目標
を位置定めするようにする。
復元せよ 副目標方法:先ず(上記段階1)、先行繰り返しから生成さ
れた初期副目標、副目標、及び自由空間を保管する。こ
れは、新たに生成された副目標が安全ではない場合に、
古い副目標を追求し続けることを可能ならしめる。次に
(上記段階2)最終目標が可視である場合には、どの障害
物4002にも関連がない直接目標を生成することを試み
る。最終目標がローカル写図内で可視ではあっても、ス
キャナ範囲(距離的に、及び角度的に)の外側の障害物は
ローカル写図内には表されていないから、必ずしもこれ
が障害物が最終目標を遮っていないことを意味するもの
ではない。従って直接目標を生成する場合には、ローカ
ル写図内には存在していない障害物4002上に、またはそ
の背後に副目標を配置することがないように、スキャナ
3804または404によってカバーされる円錐領域内に目標
を位置定めするようにする。
【０１６７】次の段階(上記段階3)は、ローカル写図内
において最終目標が障害物4002によって遮られているよ
うな状況を処理する。この場合、最終目標への視線を遮
っている障害物4002が先ず決定される。流れ図を遮って
いる障害物が与えられると、それを廻って進む2つの道
が考えられる。もし障害物の両縁がスキャナ3804または
404の範囲内にあれば、ビークル102から縁までと、縁か
ら最終距離までの距離の合計が最小になる方の縁を廻っ
て進むように選択することができる。もし障害物4002の
一方の縁だけが範囲内にあれば、その縁を廻って進むこ
とが選択される、もし縁が見えなければ、常に左縁を廻
って進むことが独断的に選択される。廻って進む縁が決
定されると、ビークルの大きさに比例する距離だけ縁か
ら離して初期副目標が配置される。
において最終目標が障害物4002によって遮られているよ
うな状況を処理する。この場合、最終目標への視線を遮
っている障害物4002が先ず決定される。流れ図を遮って
いる障害物が与えられると、それを廻って進む2つの道
が考えられる。もし障害物の両縁がスキャナ3804または
404の範囲内にあれば、ビークル102から縁までと、縁か
ら最終距離までの距離の合計が最小になる方の縁を廻っ
て進むように選択することができる。もし障害物4002の
一方の縁だけが範囲内にあれば、その縁を廻って進むこ
とが選択される、もし縁が見えなければ、常に左縁を廻
って進むことが独断的に選択される。廻って進む縁が決
定されると、ビークルの大きさに比例する距離だけ縁か
ら離して初期副目標が配置される。
【０１６８】この変位のために、得られた副目標が他の
障害物4002によって遮られるかも知れない。これは、今
生成された副目標への視線を遮っている障害物上に副目
標を繰り返して生成することを要求する。この繰り返し
処理過程は、ビークル102が見ることができる副目標が
生成されるまで続行される。このようにして生成された
各副目標は実行可能性が検査される。実行可能性とは、
ビークルが通過するには小さ過ぎる2つの障害物4002間
の間隙に向かって副目標がビークル102を導かないこと
を意味する。このような状態が検出されると、ビークル
102は停止することになろう。第2段階(上記段階2)にお
いて生成された直接目標が、ビークル102からは不明瞭
である可能性がある。もしこれが事実であれば、先行繰
り返しから古い副目標が復元され、次(上記段階4)にお
いて使用される。最終段階(上記段階5)では、可視副目
標のための自由空間4010(これは障害物を含まない三角
形領域である)が生成される。この自由空間4010が生成
されると、副目標及び自由空間4010の安全性を決定する
ことができる。新しい副目標及び自由空間4010が安全で
ない場合には、古い副目標及び自由空間が再び復元され
る。そうでない場合には、新しい副目標及び自由空間が
使用される。
障害物4002によって遮られるかも知れない。これは、今
生成された副目標への視線を遮っている障害物上に副目
標を繰り返して生成することを要求する。この繰り返し
処理過程は、ビークル102が見ることができる副目標が
生成されるまで続行される。このようにして生成された
各副目標は実行可能性が検査される。実行可能性とは、
ビークルが通過するには小さ過ぎる2つの障害物4002間
の間隙に向かって副目標がビークル102を導かないこと
を意味する。このような状態が検出されると、ビークル
102は停止することになろう。第2段階(上記段階2)にお
いて生成された直接目標が、ビークル102からは不明瞭
である可能性がある。もしこれが事実であれば、先行繰
り返しから古い副目標が復元され、次(上記段階4)にお
いて使用される。最終段階(上記段階5)では、可視副目
標のための自由空間4010(これは障害物を含まない三角
形領域である)が生成される。この自由空間4010が生成
されると、副目標及び自由空間4010の安全性を決定する
ことができる。新しい副目標及び自由空間4010が安全で
ない場合には、古い副目標及び自由空間が再び復元され
る。そうでない場合には、新しい副目標及び自由空間が
使用される。
【０１６９】本発明の舵取り決定方法は、2つの主要成
分、即ち状態制約から制御制約への移行と、所望制御ベ
クトルの決定とからなる。制御制約及び所望制御ベクト
ルが計算されると、当分野では周知の最適化技術を使用
して制御ベクトルを決定することができる。
分、即ち状態制約から制御制約への移行と、所望制御ベ
クトルの決定とからなる。制御制約及び所望制御ベクト
ルが計算されると、当分野では周知の最適化技術を使用
して制御ベクトルを決定することができる。
【０１７０】4．経路への復帰本 発明は、図40に図式的に示すように、物体4002を回避し
た後のビークル102が参照経路を再取得するように検出
した物体4002を廻る安全な経路をプロットし、航行させ
る方法を含む。
た後のビークル102が参照経路を再取得するように検出
した物体4002を廻る安全な経路をプロットし、航行させ
る方法を含む。
【０１７１】5．スキャナシステム a．序 図38及び42を参照する。本発明はレーザスキャナシステ
ム404をも含む。スキャナ404は、前述のようにビークル
102経路内にランダムに突然出現する障害物4002(図40参
照)を見出すために使用される。これらの障害物4002の
源は変化するものであり、特定の作業現場に大きく依存
する。これらは、落下した木及び枝、巨礫、移動中のま
たは駐止中のビークル、及び人々を含むであろう。スキ
ャナ404は、自律ビークル102に必須条件として外部世界
を検出し、処理する能力を与える。 b．レーザスキャナ レーザスキャナシステム404の主要成分を図42に示す。
レーザ距離ファインダ3804は、距離ファインダユニット
3804と、最寄りの物体4002との間の距離を測定するため
に赤外ビーム3810を使用する。短いパルスがユニット38
04から送信され、ビーム3810が物体4002から反射して戻
るのに要する時間が距離を与える。距離ファインダ404
からのビーム3810は回転鏡4222によって反射され、距離
ファインダ404に360°世界の視野を与える。鏡の回転は
電動機4206によって達成される。電動機速度は、標準の
RS232C直列リンク4224を通して電動機増幅器/制御装置4
220と通信する端末4210によって制御される。レーザ発
射と鏡の角位置との同期はエンコーダを用いて行われ
る。レーザ距離ファインダ404からの線4226上の距離デ
ータはインタフェース回路4228によって受けられ、差動
的にバッファ回路4214へ伝送される。データの個々の片
々は、鏡4222が完全1回転するまでバッファ回路4214に
よって収集される。このデータ集合が1走査を構成す
る、ある走査が完了するとバッファ回路4214はプロセッ
サ4212に通知し、その走査全体のデータはプロセッサ42
12へ転送されて処理される。
ム404をも含む。スキャナ404は、前述のようにビークル
102経路内にランダムに突然出現する障害物4002(図40参
照)を見出すために使用される。これらの障害物4002の
源は変化するものであり、特定の作業現場に大きく依存
する。これらは、落下した木及び枝、巨礫、移動中のま
たは駐止中のビークル、及び人々を含むであろう。スキ
ャナ404は、自律ビークル102に必須条件として外部世界
を検出し、処理する能力を与える。 b．レーザスキャナ レーザスキャナシステム404の主要成分を図42に示す。
レーザ距離ファインダ3804は、距離ファインダユニット
3804と、最寄りの物体4002との間の距離を測定するため
に赤外ビーム3810を使用する。短いパルスがユニット38
04から送信され、ビーム3810が物体4002から反射して戻
るのに要する時間が距離を与える。距離ファインダ404
からのビーム3810は回転鏡4222によって反射され、距離
ファインダ404に360°世界の視野を与える。鏡の回転は
電動機4206によって達成される。電動機速度は、標準の
RS232C直列リンク4224を通して電動機増幅器/制御装置4
220と通信する端末4210によって制御される。レーザ発
射と鏡の角位置との同期はエンコーダを用いて行われ
る。レーザ距離ファインダ404からの線4226上の距離デ
ータはインタフェース回路4228によって受けられ、差動
的にバッファ回路4214へ伝送される。データの個々の片
々は、鏡4222が完全1回転するまでバッファ回路4214に
よって収集される。このデータ集合が1走査を構成す
る、ある走査が完了するとバッファ回路4214はプロセッ
サ4212に通知し、その走査全体のデータはプロセッサ42
12へ転送されて処理される。
【０１７２】C．スキャナシステムインタフェース インタフェース回路4228は3つの機能を有している。第1
に、それは安全モニタとして動作する。電動機4206と鏡
4222との間の駆動ベルト4230が切断した等によって、鏡
4222が回転を停止する状況が発生するかも知れない。こ
の状態の下でもレーザ4204は発射し続けるが、鏡4222が
静止しているのでそれは単一の点に発射することになる
(レーザビームを直接見ることは誰にとっても危険であ
る)。しかし、インタフェース回路4228は、鏡4222の角
速度が毎秒回転数の半分以下に低下したことを検知し、
もしこのような状態が発生すればレーザ4204を作動不能
にする。第2の機能は、360o走査領域の一部分にわたっ
てレーザ4204の発射を不能にすることである。典型的に
は、レーザスキャナユニット404はビークル102の前部に
取り付けられており、関心のある視野はビークルの前方
180°の範囲であろう。ビークル自体も360°走査領域の
後方部分を遮るであろう。この場合回路4228はレーザ42
04がビークル内に発射することを阻止し、ビークルの前
方領域の距離データを受信する間のレーザダイオードの
寿命を伸ばす。レーザ距離ファインダ4204の動作の可能
化及び不能化は、鏡ハウジング4222付近に取り付けられ
ている2つのセンサ(図示してない)を介して行われる。
試験の目的に対しては、または360°走査が望まれる応
用に対しては、不能化機能はDIPスイッチによって遮断
することができる。回路4228の第3の機能は、信号をシ
ングルエンデッドと差動形状との間で変換することであ
る。レーザユニット4204からのTTL信号は差動的にバッ
ファ回路4214へ伝送され、バッファ回路4214から差動伝
送された信号はTTLレベルに変換される。これは、2つの
回路を接続しているケーブル4226における雑音劣化を防
ぐ。
に、それは安全モニタとして動作する。電動機4206と鏡
4222との間の駆動ベルト4230が切断した等によって、鏡
4222が回転を停止する状況が発生するかも知れない。こ
の状態の下でもレーザ4204は発射し続けるが、鏡4222が
静止しているのでそれは単一の点に発射することになる
(レーザビームを直接見ることは誰にとっても危険であ
る)。しかし、インタフェース回路4228は、鏡4222の角
速度が毎秒回転数の半分以下に低下したことを検知し、
もしこのような状態が発生すればレーザ4204を作動不能
にする。第2の機能は、360o走査領域の一部分にわたっ
てレーザ4204の発射を不能にすることである。典型的に
は、レーザスキャナユニット404はビークル102の前部に
取り付けられており、関心のある視野はビークルの前方
180°の範囲であろう。ビークル自体も360°走査領域の
後方部分を遮るであろう。この場合回路4228はレーザ42
04がビークル内に発射することを阻止し、ビークルの前
方領域の距離データを受信する間のレーザダイオードの
寿命を伸ばす。レーザ距離ファインダ4204の動作の可能
化及び不能化は、鏡ハウジング4222付近に取り付けられ
ている2つのセンサ(図示してない)を介して行われる。
試験の目的に対しては、または360°走査が望まれる応
用に対しては、不能化機能はDIPスイッチによって遮断
することができる。回路4228の第3の機能は、信号をシ
ングルエンデッドと差動形状との間で変換することであ
る。レーザユニット4204からのTTL信号は差動的にバッ
ファ回路4214へ伝送され、バッファ回路4214から差動伝
送された信号はTTLレベルに変換される。これは、2つの
回路を接続しているケーブル4226における雑音劣化を防
ぐ。
【０１７３】d．スキャナシステムバッファ回路 バッファ回路4214の機能は、レーザ404の発射と鏡4222
の角位置とを同期させて完全1回転にわたってデータを
収集し、走査をコンピュータ4214へ伝送して処理させる
ことである。鏡4222の角位置はエンコーダ4208から送ら
れる信号によって決定することができる。バッファ回路
4214はエンコーダ4208からの2つの信号、即ちZ及びAチ
ャネルを使用する。Zチャネルはエンコーダ標識であっ
て、エンコーダ4208の各回転毎に1回表明され、走査領
域の始まりを信号するために使用される。Aチャネルは
エンコーダ4208の2線直交出力の一方の線であり、エン
コーダの各回転毎に1OOOパルスを発生する。このチャネ
ルはレーザの発射をトリガするために使用される。走査
フィールドをエンコーダ信号に完全に同期させるために
は、1つの別の信号が必要である。エンコーダ/電動機42
06と鏡4222との間には2:1の歯車比が存在する、エンコ
ーダ4208が2回転すると鏡4222は1回転する。これは、鏡
4222が1回転する毎に2Zチャネルパルスと、2000Aチャネ
ルパルスとに変換するが、走査の第1の半分の始まりと
第2の半分の始まりとを区別することはできない。走査
フィールドを完全に同期させるためにインタフェース回
路4222が生成するDB(不感帯)信号を使用する。走査の後
半におけるレーザ4204の発射を不能にするために使用さ
れるDB信号によって、走査の前半と後半とを区別するこ
とができる。Z及びDB信号は一緒になって走査領域の始
まりを信号する。完全1走査中のデータを収集するバッ
ファ回路4214の第2のタスクは、エンコーダ4208のAチャ
ネルを通して達成される。チャネルの2000パルスは回路
基盤4228上のDIPスイッチ(図示してない)によって選択
された2,4,8または16までに分割することができる。こ
れにより走査当たりのデータ点の数を1OOO,500,250及び
125の間で変化させることができる。分割された信号は
適切な角度間隔でレーザ距離ファインダ4204をトリガ
し、また得られた距離データをメモリ4214内に言己憶さ
せるために使用される。事象のシーケンスは以下の通り
である。分割されたA信号野立ち上がり縁で1クロックサ
イクルのW(書き込み)が表明される、この時点には先行
丁(レーザトリガ)からのデータが使用可能であり、メモ
リ4214内に記憶されている。Tは次のクロックサイクル
に表明され、レーザをトリガし、得られた距離データを
メモリ入力バス4226上に配置する、このデータは次のW
パルスで書き込まれ、サイクルを繰り返す。バッファ回
路4214の最終タスクは、走査データをコンピュータ4212
へ伝送して処理させることである。完了した走査はZ及
びDB信号によって信号される(ある走査の始まりは先行
走査の終りでもある)。走査が完了すると割り込み要求
線が表明され、鏡4222が半回転を行ってしまうか、また
はプロセッサ4212が割り込みを承認するまで表明され続
ける。第1の場合には鏡4222の半回転は次のZパルスによ
って信号され、タイムアウト状態を指示する。プロセッ
サ4212は承認に失敗し、データは失われる。
の角位置とを同期させて完全1回転にわたってデータを
収集し、走査をコンピュータ4214へ伝送して処理させる
ことである。鏡4222の角位置はエンコーダ4208から送ら
れる信号によって決定することができる。バッファ回路
4214はエンコーダ4208からの2つの信号、即ちZ及びAチ
ャネルを使用する。Zチャネルはエンコーダ標識であっ
て、エンコーダ4208の各回転毎に1回表明され、走査領
域の始まりを信号するために使用される。Aチャネルは
エンコーダ4208の2線直交出力の一方の線であり、エン
コーダの各回転毎に1OOOパルスを発生する。このチャネ
ルはレーザの発射をトリガするために使用される。走査
フィールドをエンコーダ信号に完全に同期させるために
は、1つの別の信号が必要である。エンコーダ/電動機42
06と鏡4222との間には2:1の歯車比が存在する、エンコ
ーダ4208が2回転すると鏡4222は1回転する。これは、鏡
4222が1回転する毎に2Zチャネルパルスと、2000Aチャネ
ルパルスとに変換するが、走査の第1の半分の始まりと
第2の半分の始まりとを区別することはできない。走査
フィールドを完全に同期させるためにインタフェース回
路4222が生成するDB(不感帯)信号を使用する。走査の後
半におけるレーザ4204の発射を不能にするために使用さ
れるDB信号によって、走査の前半と後半とを区別するこ
とができる。Z及びDB信号は一緒になって走査領域の始
まりを信号する。完全1走査中のデータを収集するバッ
ファ回路4214の第2のタスクは、エンコーダ4208のAチャ
ネルを通して達成される。チャネルの2000パルスは回路
基盤4228上のDIPスイッチ(図示してない)によって選択
された2,4,8または16までに分割することができる。こ
れにより走査当たりのデータ点の数を1OOO,500,250及び
125の間で変化させることができる。分割された信号は
適切な角度間隔でレーザ距離ファインダ4204をトリガ
し、また得られた距離データをメモリ4214内に言己憶さ
せるために使用される。事象のシーケンスは以下の通り
である。分割されたA信号野立ち上がり縁で1クロックサ
イクルのW(書き込み)が表明される、この時点には先行
丁(レーザトリガ)からのデータが使用可能であり、メモ
リ4214内に記憶されている。Tは次のクロックサイクル
に表明され、レーザをトリガし、得られた距離データを
メモリ入力バス4226上に配置する、このデータは次のW
パルスで書き込まれ、サイクルを繰り返す。バッファ回
路4214の最終タスクは、走査データをコンピュータ4212
へ伝送して処理させることである。完了した走査はZ及
びDB信号によって信号される(ある走査の始まりは先行
走査の終りでもある)。走査が完了すると割り込み要求
線が表明され、鏡4222が半回転を行ってしまうか、また
はプロセッサ4212が割り込みを承認するまで表明され続
ける。第1の場合には鏡4222の半回転は次のZパルスによ
って信号され、タイムアウト状態を指示する。プロセッ
サ4212は承認に失敗し、データは失われる。
【０１７４】通常の場合には割り込みは承認される。承
認を受信すると、STR(データストローブ)が表明され、I
BF(入力パッファー杯)を受信するまで保持される。この
時間中、データはデータバス4230上に供給され、コンピ
ュータ4212による準備が整う。データはIBFが表明され
るまでバス4230上で有効であり、1BFが表明されるとSTR
の表明は取り消され、データはバス4230から除去され
る。プロセッサ4212がSTRの表明取り消しを検出する
と、IBFの表明を取り消す。これによりデータの次の片
の間STRを表明させ、サイクルを繰り返す。走査データ
は収集され、2つのメモリバンク4214内に記憶される。
これは共用メモリ、及び走査記憶と走査伝送との間の同
期問題を回避する。新しい走査のデータは一方のバンク
内に記憶され、先行走査は他方のバンクから伝送され
る。バッファ回路4214は、プロセッサ4212がレーザ発見
と鏡位置とを同期させる責任、及びデータの個々の片々
を収集する責任から解放する。プロセッサ4212はデータ
を走査サイズの塊として受信するので、CPU時間をより
効率的に使用できる。プロセッサ4212はその時間をデー
タの処理に費やし、データの収集に費やすことはない。
認を受信すると、STR(データストローブ)が表明され、I
BF(入力パッファー杯)を受信するまで保持される。この
時間中、データはデータバス4230上に供給され、コンピ
ュータ4212による準備が整う。データはIBFが表明され
るまでバス4230上で有効であり、1BFが表明されるとSTR
の表明は取り消され、データはバス4230から除去され
る。プロセッサ4212がSTRの表明取り消しを検出する
と、IBFの表明を取り消す。これによりデータの次の片
の間STRを表明させ、サイクルを繰り返す。走査データ
は収集され、2つのメモリバンク4214内に記憶される。
これは共用メモリ、及び走査記憶と走査伝送との間の同
期問題を回避する。新しい走査のデータは一方のバンク
内に記憶され、先行走査は他方のバンクから伝送され
る。バッファ回路4214は、プロセッサ4212がレーザ発見
と鏡位置とを同期させる責任、及びデータの個々の片々
を収集する責任から解放する。プロセッサ4212はデータ
を走査サイズの塊として受信するので、CPU時間をより
効率的に使用できる。プロセッサ4212はその時間をデー
タの処理に費やし、データの収集に費やすことはない。
【０１７５】E．ビークル制御システム 1．序 図43を参照する。ビークル制御は、4つの低水準機能ブ
ロックからなる。第1は“ビークル管理者"(4302)と呼ば
れる。第2は“速度制御"(4304)と呼ばれる。第3は“舵
取り制御"(4306)と呼ばれる。第4は“モニタ/補助制御"
(2つの分離したブロック4310及び4308として示す)と呼
ばれる。これらに関して以下に説明する。これらは全て
高遠直列データバス4314に結ばれている、バス4314は、
データ衝突検出・パケットパッシングシステムである。
これらの各機能ブロックは、個別にマイクロプロセッサ
(例えばMotorola 68000 16ビットシリーズ)を有してい
る。これらの各マイクロプロセッサはバス4314を通して
他のマイクロプロセッサに話しかけ、他のマイクロプロ
セッサを聴く。各機能ブロックはある程度特定の機能を
有し、ビークル管理者4302は通信ハブとして機能する。
ビークル管理者4302それビークル管理者4302は、RS-42
2,9600ボー直列リンク4316を介してナビゲータ406ヘメ
セッセージを送り、それからメッセージを受信する。ま
たビークル管理者4302はFM無線通信リンク4318を介して
遠隔制御、または“テレ"パネル410を聴取して送信す
る。 2．ビークル管理者(モード) 前述のように、ビークル管理者4302は、遠隔制御パネル
410及びナビゲータ406から命令を受信する。次いでビー
クル管理者4302は、ビークル102を“A"(自律)、“M"(手
動)、“T'(テレ)、または“R"(作動可能)のどのモード
にすべきかを決定する。 a．作動可能モード 状態(モード)、及びビークル102をどのようにして状態
間で変化させるか幸示す図44を参照する。ナビゲータ40
6はそれ自身のモードを設定することはできない。ビー
クル102が、例えばテレから自律へ変化することができ
ないことに注目されたい。この場合には、。先ず作動可
能モード4404を通過しなければならない。作動可能モー
ド4404は、ビークル102を既知状態に停止せしめる。こ
れは、例えばビークル102が移動している間に自律モー
ド4408からテレモード4406へ滑らかに移行させることは
困難であるからである。テレ制御パネル操縦かん4502、
4504は、制御が切り換えられた時に正面位置になければ
ならない。テレモード4406から自律モード4408へ進む場
合、ナビゲータ406を初期化しなければならないという
配慮が存在する。例えば、ある有限の時間を要する制御
を行う前にルートに対して何処にいるのかを決定しなけ
ればならない。さもなければ、この時間の間ビークル10
2は制御されずに駆動されることになりかねない。
ロックからなる。第1は“ビークル管理者"(4302)と呼ば
れる。第2は“速度制御"(4304)と呼ばれる。第3は“舵
取り制御"(4306)と呼ばれる。第4は“モニタ/補助制御"
(2つの分離したブロック4310及び4308として示す)と呼
ばれる。これらに関して以下に説明する。これらは全て
高遠直列データバス4314に結ばれている、バス4314は、
データ衝突検出・パケットパッシングシステムである。
これらの各機能ブロックは、個別にマイクロプロセッサ
(例えばMotorola 68000 16ビットシリーズ)を有してい
る。これらの各マイクロプロセッサはバス4314を通して
他のマイクロプロセッサに話しかけ、他のマイクロプロ
セッサを聴く。各機能ブロックはある程度特定の機能を
有し、ビークル管理者4302は通信ハブとして機能する。
ビークル管理者4302それビークル管理者4302は、RS-42
2,9600ボー直列リンク4316を介してナビゲータ406ヘメ
セッセージを送り、それからメッセージを受信する。ま
たビークル管理者4302はFM無線通信リンク4318を介して
遠隔制御、または“テレ"パネル410を聴取して送信す
る。 2．ビークル管理者(モード) 前述のように、ビークル管理者4302は、遠隔制御パネル
410及びナビゲータ406から命令を受信する。次いでビー
クル管理者4302は、ビークル102を“A"(自律)、“M"(手
動)、“T'(テレ)、または“R"(作動可能)のどのモード
にすべきかを決定する。 a．作動可能モード 状態(モード)、及びビークル102をどのようにして状態
間で変化させるか幸示す図44を参照する。ナビゲータ40
6はそれ自身のモードを設定することはできない。ビー
クル102が、例えばテレから自律へ変化することができ
ないことに注目されたい。この場合には、。先ず作動可
能モード4404を通過しなければならない。作動可能モー
ド4404は、ビークル102を既知状態に停止せしめる。こ
れは、例えばビークル102が移動している間に自律モー
ド4408からテレモード4406へ滑らかに移行させることは
困難であるからである。テレ制御パネル操縦かん4502、
4504は、制御が切り換えられた時に正面位置になければ
ならない。テレモード4406から自律モード4408へ進む場
合、ナビゲータ406を初期化しなければならないという
配慮が存在する。例えば、ある有限の時間を要する制御
を行う前にルートに対して何処にいるのかを決定しなけ
ればならない。さもなければ、この時間の間ビークル10
2は制御されずに駆動されることになりかねない。
【０１７６】b．テレモード テレ操作毛一ド、遠隔制御モード、または無線制御モー
ドとも呼ばれるテレ制御モードは、ビークル102を視界
内に保ちつつ遠隔位置からビークル102を制御する方策
を提供する。ショップ職員はテレ操作モード4406を使用
して、ビークル102を例えばヤードヘ移動させよう。有
利なことには、ショベルまたはローダー操作員がこのモ
ードを使用してビークルを積荷または荷降ろし位置へ操
縦し、自律モード4408が制御を再開する位置までビーク
ルを移動させるためにも使用される。テレ操作モード44
06においては、自律作業現場300の各ビークル102は無線
制御パネル410上で選択されたそれ自身の独特な識別コ
ードを有しており、正しいビークルだけとの通信及び制
御が行われるようになっている。ビークル102は、その
独特な識別コードが送信された時だけテレ操作命令4318
に応答する。手動モード4402とテレモード4406との間の
ようなモード間の何等かの対立は、明白な安全上の理由
から手動モード4402を選択することによって解消されよ
う。ビークル102はテレモード4406によって既知ルート
から外れて操縦できるとしても、ナビゲータ406はテレ
モード4406で操作中のビークル102が何処にいるかを記
憶している。
ドとも呼ばれるテレ制御モードは、ビークル102を視界
内に保ちつつ遠隔位置からビークル102を制御する方策
を提供する。ショップ職員はテレ操作モード4406を使用
して、ビークル102を例えばヤードヘ移動させよう。有
利なことには、ショベルまたはローダー操作員がこのモ
ードを使用してビークルを積荷または荷降ろし位置へ操
縦し、自律モード4408が制御を再開する位置までビーク
ルを移動させるためにも使用される。テレ操作モード44
06においては、自律作業現場300の各ビークル102は無線
制御パネル410上で選択されたそれ自身の独特な識別コ
ードを有しており、正しいビークルだけとの通信及び制
御が行われるようになっている。ビークル102は、その
独特な識別コードが送信された時だけテレ操作命令4318
に応答する。手動モード4402とテレモード4406との間の
ようなモード間の何等かの対立は、明白な安全上の理由
から手動モード4402を選択することによって解消されよ
う。ビークル102はテレモード4406によって既知ルート
から外れて操縦できるとしても、ナビゲータ406はテレ
モード4406で操作中のビークル102が何処にいるかを記
憶している。
【０１７７】C．手動モード 手動制御モード4402は、ビークル102が例えば修理ショ
ップ、設備ヤード等の地域に極めて接近して操縦されて
いる場合、または修理または保守のために制御サブシス
テムを解除する必要がある場合に要求されよう。この制
御モードは操作員が手動制御器の何れかを動作させると
呼び出されるように実現することができる、例えば、ブ
レーキ4708を踏む、シフトレバーをある所定の自律モー
ド位置から移動させる、または操舵ハンドル4910を握る
のような簡単な動作が、手動制御モード4402を希望して
いることとして直ちに制御システムに伝えられ、システ
ムは直ちに手動モードヘ移る。手動モード中、自律シス
テムはビークルの運動を絶えず監視し、ビークル位置の
更新された記録を維持するので、自律モードを望む場
合、及び自律モードが望まれれば、より迅速に且つより
効率的に移行することができる。自律モード4408を再度
望む場合には、操作員は例えばスイッチまたはレバーを
自律制御モードヘ物理的に移動させることによって自律
モード4408に係合させるような確実な動作を起こす。も
し望むならば、ビークル102をそのままの状態にする機
会を操作員に与えるために、時間遅延を組み入れること
が好ましい。時間遅延の終りに、システムは点灯、警笛
等のような幾つかの水準の警告を与えて、ビークル102
の自律モードヘの移行が迫っていることを指示する。
ップ、設備ヤード等の地域に極めて接近して操縦されて
いる場合、または修理または保守のために制御サブシス
テムを解除する必要がある場合に要求されよう。この制
御モードは操作員が手動制御器の何れかを動作させると
呼び出されるように実現することができる、例えば、ブ
レーキ4708を踏む、シフトレバーをある所定の自律モー
ド位置から移動させる、または操舵ハンドル4910を握る
のような簡単な動作が、手動制御モード4402を希望して
いることとして直ちに制御システムに伝えられ、システ
ムは直ちに手動モードヘ移る。手動モード中、自律シス
テムはビークルの運動を絶えず監視し、ビークル位置の
更新された記録を維持するので、自律モードを望む場
合、及び自律モードが望まれれば、より迅速に且つより
効率的に移行することができる。自律モード4408を再度
望む場合には、操作員は例えばスイッチまたはレバーを
自律制御モードヘ物理的に移動させることによって自律
モード4408に係合させるような確実な動作を起こす。も
し望むならば、ビークル102をそのままの状態にする機
会を操作員に与えるために、時間遅延を組み入れること
が好ましい。時間遅延の終りに、システムは点灯、警笛
等のような幾つかの水準の警告を与えて、ビークル102
の自律モードヘの移行が迫っていることを指示する。
【０１７８】d．自律モード 自律モード4408は作動可能モード4404から入る。自律モ
ード4408では、ビークル102は自律航行システムの制御
下に入る。このモードでは、ビークル制御システムは上
述のようにビークル管理者4302を通してナビゲータ406
からメッセージを受信する。上述のようにビークル管理
者4302は、基本的には、残余の制御のための通信及び命
令ハブである。ビークル管理者4302、及び他の機能制御
ブロックは全て遮断回路4312と通信する。遮断回路4312
に関しては後述する。
ード4408では、ビークル102は自律航行システムの制御
下に入る。このモードでは、ビークル制御システムは上
述のようにビークル管理者4302を通してナビゲータ406
からメッセージを受信する。上述のようにビークル管理
者4302は、基本的には、残余の制御のための通信及び命
令ハブである。ビークル管理者4302、及び他の機能制御
ブロックは全て遮断回路4312と通信する。遮断回路4312
に関しては後述する。
【０１７９】3．速度制御 速度制御サブシステム4600は、速度制御解析器と、機関
4614のための閉じたループ制御4618と、伝導装置4610及
びブレーキ4606と、速度制御システムの実時間シミュレ
ーションモデルと、独立したビークル遮断システム4312
に結ばれているモニタ4310とを含むように編成されてい
る。これはビークル102上の生産システムと並列に配置
されるように設言十されている。速度制御機能ブロック
4304は、3つの基本的機能を処理する。速度制御機能ブ
ロック4304は、機関4614のガバナを制御する。速度制御
機能ブロック4304は、ブレーキシステム4606を制御す
る。また速度制御機能ブロック4304は、生産伝導装置制
御ブロック4616を介して伝導装置4610を制御する。
4614のための閉じたループ制御4618と、伝導装置4610及
びブレーキ4606と、速度制御システムの実時間シミュレ
ーションモデルと、独立したビークル遮断システム4312
に結ばれているモニタ4310とを含むように編成されてい
る。これはビークル102上の生産システムと並列に配置
されるように設言十されている。速度制御機能ブロック
4304は、3つの基本的機能を処理する。速度制御機能ブ
ロック4304は、機関4614のガバナを制御する。速度制御
機能ブロック4304は、ブレーキシステム4606を制御す
る。また速度制御機能ブロック4304は、生産伝導装置制
御ブロック4616を介して伝導装置4610を制御する。
【０１８０】生産伝導装置制御ブロック4616は、図48に
示す生産システム上への自律システムの並列後設機能と
して速度制御ブロック4304によってインタフェースされ
る。生産伝導装置制御ブロック4616は、マイクロプロセ
ッサをべ一スとするシステムであって、主として速度及
びそれに相応する歯車入れ換えを監視する。自律システ
ム速度制御ブロック4304は、所望する最大歯車比を伝導
装置制御ブロック4616へ送り込む。例えば、もしビーク
ル102を15mphで進行させるのであれば、最大歯車比は第
3歯車比(サード)であろう。生産伝導装置制御ブロック4
616は、その歯車比を適切に得るために必要な入れ換え
の全てを制御する。ガバナ4626(図46)は機関4616に送給
される燃料の量を制御する。従ってガバナ4626は機関速
度を制御する、自律システムは、伝導装置システムに関
して説明したように、生産ガバナ制御システムと並列に
後段することができる。ブレーキシステムを図47及び図
50に示す。この場合も自律システムを生産ブレーキシス
テムに後段することができる。
示す生産システム上への自律システムの並列後設機能と
して速度制御ブロック4304によってインタフェースされ
る。生産伝導装置制御ブロック4616は、マイクロプロセ
ッサをべ一スとするシステムであって、主として速度及
びそれに相応する歯車入れ換えを監視する。自律システ
ム速度制御ブロック4304は、所望する最大歯車比を伝導
装置制御ブロック4616へ送り込む。例えば、もしビーク
ル102を15mphで進行させるのであれば、最大歯車比は第
3歯車比(サード)であろう。生産伝導装置制御ブロック4
616は、その歯車比を適切に得るために必要な入れ換え
の全てを制御する。ガバナ4626(図46)は機関4616に送給
される燃料の量を制御する。従ってガバナ4626は機関速
度を制御する、自律システムは、伝導装置システムに関
して説明したように、生産ガバナ制御システムと並列に
後段することができる。ブレーキシステムを図47及び図
50に示す。この場合も自律システムを生産ブレーキシス
テムに後段することができる。
【０１８１】以下に図46,48,47,50及び49に示すビーク
ルシステムを説明する。これらのシステムはビークル駆
動列及び舵取り4900システムに関する。図46を参照す
る。ガバナ4626は機関速度4222を制御し、機関はビーク
ル速度4624を制御する。機関動力は駆動列を通して駆動
輪へ伝達される。駆動列は以下のものからなる。 トルクコンバータ4612 伝導装置4610 最終駆動装置4608 ブレーキシステム4606 車輪4604 これらのシステムの機能は当分野では周知である。自律
制御を遂行するために、幾つかのキージステムが本発明
により変更された。主システムは速度制御システム(機
関速度、伝導装置、ビークル速度、及びブレーキ)及び
舵取りシステムであった。各キージステムは安全尺度と
して手動無効化能力を有するように設計されている。如
何なる場合でも、もしビークルが自律的に操作されてお
り、操作員がビークル機能の何れか1つの制御を取り上
げるものとすれば、制御は自動的に操作員に戻される。
ルシステムを説明する。これらのシステムはビークル駆
動列及び舵取り4900システムに関する。図46を参照す
る。ガバナ4626は機関速度4222を制御し、機関はビーク
ル速度4624を制御する。機関動力は駆動列を通して駆動
輪へ伝達される。駆動列は以下のものからなる。 トルクコンバータ4612 伝導装置4610 最終駆動装置4608 ブレーキシステム4606 車輪4604 これらのシステムの機能は当分野では周知である。自律
制御を遂行するために、幾つかのキージステムが本発明
により変更された。主システムは速度制御システム(機
関速度、伝導装置、ビークル速度、及びブレーキ)及び
舵取りシステムであった。各キージステムは安全尺度と
して手動無効化能力を有するように設計されている。如
何なる場合でも、もしビークルが自律的に操作されてお
り、操作員がビークル機能の何れか1つの制御を取り上
げるものとすれば、制御は自動的に操作員に戻される。
【０１８２】システムには、作動させると全ての電子的
に制御されているシステムを作動不能にしてビークル10
2を手動制御4402に戻す非常時無効化ボタン(図示してな
い、’パニック'ボタンとも呼ぶ)をも備えている。シス
テムは、若干のキージステムを作動させるためのキー部
分である空気圧をも検知する。もしこの圧力がある所定
のしきい値を下回れば、それは問題が存在するものと見
傲され、ビークル制御システムは手動制御4402へ復帰
し、そしてビークル102は停止する。図48は機関速度を
制御するために使用されるシステムを示す。このシステ
ムは、機関速度4622の電子制御を無効にするために手動
操作できるペダル4806と並列に、空気圧を調整する電子
制御弁4808及び4812を使用している。圧力センサ4802及
び機関速度センサ4622は電子速度制御システム4304のた
めの必要フィードバックを供給する。
に制御されているシステムを作動不能にしてビークル10
2を手動制御4402に戻す非常時無効化ボタン(図示してな
い、’パニック'ボタンとも呼ぶ)をも備えている。シス
テムは、若干のキージステムを作動させるためのキー部
分である空気圧をも検知する。もしこの圧力がある所定
のしきい値を下回れば、それは問題が存在するものと見
傲され、ビークル制御システムは手動制御4402へ復帰
し、そしてビークル102は停止する。図48は機関速度を
制御するために使用されるシステムを示す。このシステ
ムは、機関速度4622の電子制御を無効にするために手動
操作できるペダル4806と並列に、空気圧を調整する電子
制御弁4808及び4812を使用している。圧力センサ4802及
び機関速度センサ4622は電子速度制御システム4304のた
めの必要フィードバックを供給する。
【０１８３】またビークル速度を制御するためには伝導
装置制御4616も必要である、基本的制御システムは、こ
の目的のために使用される特定ビークル上で容易に使用
可能である。ビークル速度を調整する手段として機関速
度4622を制御するのに加えて、ビークルサービスブレー
キ4606を制御することも必要である。このシステムは図
47に示されており、ビークル102の正常停止または低速
化を遂行するために必要である。このシステムは、制動
力を調整するために手動操作ペダル4708及びレターダレ
バー4710の両方または何れか一方と並列に、電子制御空
気弁4712及び4716を使用している。これらの2つの手動
入力を作動させると、電子制御システムが無効になる。
圧力センサ4702及びビークル速度センサ4６24は、制動
力を調整するための必要フィードバックを供給する。
装置制御4616も必要である、基本的制御システムは、こ
の目的のために使用される特定ビークル上で容易に使用
可能である。ビークル速度を調整する手段として機関速
度4622を制御するのに加えて、ビークルサービスブレー
キ4606を制御することも必要である。このシステムは図
47に示されており、ビークル102の正常停止または低速
化を遂行するために必要である。このシステムは、制動
力を調整するために手動操作ペダル4708及びレターダレ
バー4710の両方または何れか一方と並列に、電子制御空
気弁4712及び4716を使用している。これらの2つの手動
入力を作動させると、電子制御システムが無効になる。
圧力センサ4702及びビークル速度センサ4６24は、制動
力を調整するための必要フィードバックを供給する。
【０１８４】ビークルを自律的に操作するためにはビー
クル舵取りの制御も必要である。この機能を遂行するシ
ステムを図49に示す。このシステムは、ビークル舵取り
リンケージに取り付けられている流体圧シリンダ4914及
び4916に流れを供給するように電子的に作動可能なRexr
oth比例流体圧弁4912を備えている。システムは、電子
制御システムに並列な手動操作可能なハンドメータリン
グユニット、即ちHMUをも備えている。手動システム
は、安全のためにもし必要であれば、電子システムを無
効にすることができる。またシステムはHMU上にスイッ
チ4920を設けてあり、手動舵取りハンドル4910が中心位
置とは異なることを検出する。ハンドル4910が中心にな
い場合にはシステムは、システムが手動で(4402)操作さ
れつつあるものと見倣してビークル102の自律制御を作
動不能にする。ビークル駐車ブレーキの電子制御も付加
的な安全機能として含まれている。このシステムを図50
に示す。自律制御下で適切に操作させるために、駐車ブ
レーキは手動で'オン'位置に配置される。ビークルがス
テータスモード(手動4402、作動可能4404、及び自律440
8)によって進行中は、駐車ブレーキは空気圧弁5008を電
子的に制御することによって自動的に解放される。この
システムは、ブレーキレバー解放弁5016及び非常時ブレ
ーキレバー5014からなる手動システムと並列である。問
題に遭遇すると、ビークル102は自動的に手動制御下に
入る。駐車ブレーキの手動設定は通常は`オン'であるか
ら、これが駐車ブレーキを作動させ、可能な限り迅速に
ビークル102を停止させる。
クル舵取りの制御も必要である。この機能を遂行するシ
ステムを図49に示す。このシステムは、ビークル舵取り
リンケージに取り付けられている流体圧シリンダ4914及
び4916に流れを供給するように電子的に作動可能なRexr
oth比例流体圧弁4912を備えている。システムは、電子
制御システムに並列な手動操作可能なハンドメータリン
グユニット、即ちHMUをも備えている。手動システム
は、安全のためにもし必要であれば、電子システムを無
効にすることができる。またシステムはHMU上にスイッ
チ4920を設けてあり、手動舵取りハンドル4910が中心位
置とは異なることを検出する。ハンドル4910が中心にな
い場合にはシステムは、システムが手動で(4402)操作さ
れつつあるものと見倣してビークル102の自律制御を作
動不能にする。ビークル駐車ブレーキの電子制御も付加
的な安全機能として含まれている。このシステムを図50
に示す。自律制御下で適切に操作させるために、駐車ブ
レーキは手動で'オン'位置に配置される。ビークルがス
テータスモード(手動4402、作動可能4404、及び自律440
8)によって進行中は、駐車ブレーキは空気圧弁5008を電
子的に制御することによって自動的に解放される。この
システムは、ブレーキレバー解放弁5016及び非常時ブレ
ーキレバー5014からなる手動システムと並列である。問
題に遭遇すると、ビークル102は自動的に手動制御下に
入る。駐車ブレーキの手動設定は通常は`オン'であるか
ら、これが駐車ブレーキを作動させ、可能な限り迅速に
ビークル102を停止させる。
【０１８５】4．舵取り制御 再び図43を参照する。舵取り制御機能ブロック4306は、
ビークルの車輪の舵取り角を制御する責を負っている。
舵取り制御機能ブロック4306は弁4912へ命令を送って舵
取り角を制御し、タイロッドシステム上に取り付けられ
ているレゾルバ(図示してない)から情報を受けているの
で、実際の車輪の角度がとれ程であるかを知っている。
舵取り角は0.5°程度の精度で制御することができ、レ
ゾルバの精度はそれよりやや高く、1/8°程度である。
ビークル102の有効寿命のある時期にレゾルバの調整が
狂うかも知れない。もしこのようなことになれば、ビー
クルは経路3312を正しく追尾することはできなくなる。
しかし、ナビゲータ406は、ビークル102が所望経路3312
からどれ程離れたかを決定するために絶えずビークル10
2を監視している(ビークル102は常に所望経路3812から
ある程度外れており、システムは絶えず修正してい
る)。もしビークル102が、例えば数メートルのようにあ
る距離以上に所望経路3312から離れれば、ナビゲータ40
6は安全上の予防措置としてビークルを停止させる。舵
取り制御システム4306自体も、レゾルバが正確下あるこ
とを保証するためと、受信した舵取り命令420が雑音ま
たは他の誤差源によって劣化していなかったこととを常
に検査している。システムの付加的な検査として舵取り
シミュレーションモデルも実現することができる。自律
舵取りシステム4900は、手動舵取りシステムと並列に実
現するように設計することができ、また速度制御システ
ムと同様な技法でビークル102に後から設置することも
できる。
ビークルの車輪の舵取り角を制御する責を負っている。
舵取り制御機能ブロック4306は弁4912へ命令を送って舵
取り角を制御し、タイロッドシステム上に取り付けられ
ているレゾルバ(図示してない)から情報を受けているの
で、実際の車輪の角度がとれ程であるかを知っている。
舵取り角は0.5°程度の精度で制御することができ、レ
ゾルバの精度はそれよりやや高く、1/8°程度である。
ビークル102の有効寿命のある時期にレゾルバの調整が
狂うかも知れない。もしこのようなことになれば、ビー
クルは経路3312を正しく追尾することはできなくなる。
しかし、ナビゲータ406は、ビークル102が所望経路3312
からどれ程離れたかを決定するために絶えずビークル10
2を監視している(ビークル102は常に所望経路3812から
ある程度外れており、システムは絶えず修正してい
る)。もしビークル102が、例えば数メートルのようにあ
る距離以上に所望経路3312から離れれば、ナビゲータ40
6は安全上の予防措置としてビークルを停止させる。舵
取り制御システム4306自体も、レゾルバが正確下あるこ
とを保証するためと、受信した舵取り命令420が雑音ま
たは他の誤差源によって劣化していなかったこととを常
に検査している。システムの付加的な検査として舵取り
シミュレーションモデルも実現することができる。自律
舵取りシステム4900は、手動舵取りシステムと並列に実
現するように設計することができ、また速度制御システ
ムと同様な技法でビークル102に後から設置することも
できる。
【０１８６】図49に示すように、既存の、または生産手
動舵取りシステムは、ハンドメータリングユニットHMU4
918を回転させる手動舵取りハンドル4910を有してい
る。HMU4918は、車輪(図示してない)を回転させる舵取
りシリンダ4914、4916への流体圧用流体の流れを制御す
る弁4912を制御する。HMU4918上のスイッチ4920は、舵
取りハンドル4910の位置が中心から離れたことを、舵取
りが手動制御に変化したことの指示として検出する。キ
ャブに搭乗している操作員は単に舵取りハンドル4910を
回転させるたけで自律舵取り制御4408を作動不能にする
ことができる。自律舵取り制御4408の下では、自律舵取
り制御が車輪をどの位置まで回転させようともキャブ内
の手動舵取りハンドル4910は中心に位置している。舵取
りハンドル4910と車輪自体との間には機械的リンケージ
は存在しない。勿論ビークル102は、望むならばビーク
ル上に何等の手動舵取りシステムも設けずに製造するこ
とができる。ビークルを手動で駆動するためにはテレパ
ネル5410を使用することができ、または例えばある種の
テレパネルをビークル102の側内に装着し、近接した仕
事場内で無線リンクを使用することなく制御することも
できる。このような状況では操作員のために折り畳み式
の補助席が設けられよう。開発された舵取りモデルを説
明しておくことは本発明の理解を容易にするであろう。
動舵取りシステムは、ハンドメータリングユニットHMU4
918を回転させる手動舵取りハンドル4910を有してい
る。HMU4918は、車輪(図示してない)を回転させる舵取
りシリンダ4914、4916への流体圧用流体の流れを制御す
る弁4912を制御する。HMU4918上のスイッチ4920は、舵
取りハンドル4910の位置が中心から離れたことを、舵取
りが手動制御に変化したことの指示として検出する。キ
ャブに搭乗している操作員は単に舵取りハンドル4910を
回転させるたけで自律舵取り制御4408を作動不能にする
ことができる。自律舵取り制御4408の下では、自律舵取
り制御が車輪をどの位置まで回転させようともキャブ内
の手動舵取りハンドル4910は中心に位置している。舵取
りハンドル4910と車輪自体との間には機械的リンケージ
は存在しない。勿論ビークル102は、望むならばビーク
ル上に何等の手動舵取りシステムも設けずに製造するこ
とができる。ビークルを手動で駆動するためにはテレパ
ネル5410を使用することができ、または例えばある種の
テレパネルをビークル102の側内に装着し、近接した仕
事場内で無線リンクを使用することなく制御することも
できる。このような状況では操作員のために折り畳み式
の補助席が設けられよう。開発された舵取りモデルを説
明しておくことは本発明の理解を容易にするであろう。
【０１８７】a．舵取りモデル 舵取りプランナのための基準は、図5.1に示す三輸車舵
取りモデルである。このモデルによればビークルの速度
には無関係に所要舵角を計算することができる。Φ=tan
-lLC経路 このモデルを使用するためには、所望の経路3312は、追
随すべき経路の曲率を含んでいなければならない。曲率
は曲線のその点における瞬時曲率半径の逆数である。
取りモデルである。このモデルによればビークルの速度
には無関係に所要舵角を計算することができる。Φ=tan
-lLC経路 このモデルを使用するためには、所望の経路3312は、追
随すべき経路の曲率を含んでいなければならない。曲率
は曲線のその点における瞬時曲率半径の逆数である。
【０１８８】f(s) p: 位置曲線 f'(s) p: 曲線またはヘッドに対する正接 f"(s) p: その点における曲線 これは、その点における2次経路導関数にも等しい。 b．経路表現 図22-34を参照する。経路3312を追尾中の自律ビークル1
02の応答は、部分的に、経路3312の特性に依存する。具
体的には、経路3312の曲率の連続性及び曲率の変化のレ
ート(鋭さ)が特に重要である。何故ならば、ビークル10
2を所望の経路3312上に保つ上で、理想化された舵取り
運動がこれらのパラメタによって支配されるからであ
る。経路が弧及び線のシーケンスとして指定されている
場合には、異なる半径の2つの弧が接続される点におい
て曲率が不連続になる。曲率の不連続は舵取りハンドル
を無限に加速する必要があるから、厄介な問題である。
非O速度で、このような遷移点を通って走行するビー一
クルは、所望経路3312に沿ってオフセット誤差をもたら
す。θ一般に、そして図33に示すように、もしポスチュ
ア3314が4つのパラメタ、即ち若干のスプライン曲線は
ポスチュア連続性を保証する。しかしながら、これらの
スプライン曲線は曲線に沿う曲率の線形勾配を保証しな
い。クロソイド曲線はそれらの曲率が曲線に沿う距離と
共に線形に変化する“良好な"特性を有している。(a)弧
及び直線、または(b)クロソイドセグメントからなる経
路が開発されている。曲率に不連続を有する経路はより
大きい安定した状態の追尾誤差をもたらす。これは特
に、アクチュエータが低速の場合に生じ易い。経路表現
は、所望経路3312を駆動するために必要な舵角3112(図3
1参照)を計算するための十分な情報を含んでいなければ
ならない。即ち、少なくとも位置、ヘッディング、曲率
及び速度を含んでいなければならない。所望経路3312上
の位置はポスチュア3314として定義されており、本発明
ではポスチュアの構造は次のように与えられる。 C．ポスチュア定義 北:所望の北座標 東:所望の東座標 ヘッディング:所望のヘッディング 曲率:所望の曲率 速度:所望の対地速度 距離:源ポスチュアと先行ポスチュアとの間の距離 d．位置情報 位置情報3322はVPS1O00から入手され、例えば71バイト
のデータである。所望経路3312を追尾するために使用さ
れる情報の構造は71バイトVPS出力の部分集合であり、
以下に示すVPS規定義によって与えられる。 e.VPS短定義 時刻:gpS時刻 北:wgs84偏北距離 東:wgs84偏東距離 ヘッディング:ビークルが運動している羅針盤方向 曲率:他の変数から計算される N速度:北速度 E速度:東速度 偏揺れ速度:ヘッディングの変化のレート G速度:対地速度 走行した距離 f．舵取り法 舵取りプランナは所望経路3312を追尾するために必要な
舵角を計算する。もしビークル102が所望経路3312上に
あれば、舵角は 経路上Φ舵=f(C<所望>)=tan-1LC である。もしビークル102が所望経路3312から外れてい
れば、舵角は 経路外Φ舵=f(C〈所望>十C〈誤差>) である。C〈誤差〉を計算するために使用される本発明
の方法は、5次法である。5次法は、所望経路3312に戻す
滑らかな経路を限定する誤差空間内の5次多項式であ
る。多項式の次数は必要データ、即ちC<誤差>及び既知
の端制約によって限定される。誤差空間内の5次多項式: 誤差
02の応答は、部分的に、経路3312の特性に依存する。具
体的には、経路3312の曲率の連続性及び曲率の変化のレ
ート(鋭さ)が特に重要である。何故ならば、ビークル10
2を所望の経路3312上に保つ上で、理想化された舵取り
運動がこれらのパラメタによって支配されるからであ
る。経路が弧及び線のシーケンスとして指定されている
場合には、異なる半径の2つの弧が接続される点におい
て曲率が不連続になる。曲率の不連続は舵取りハンドル
を無限に加速する必要があるから、厄介な問題である。
非O速度で、このような遷移点を通って走行するビー一
クルは、所望経路3312に沿ってオフセット誤差をもたら
す。θ一般に、そして図33に示すように、もしポスチュ
ア3314が4つのパラメタ、即ち若干のスプライン曲線は
ポスチュア連続性を保証する。しかしながら、これらの
スプライン曲線は曲線に沿う曲率の線形勾配を保証しな
い。クロソイド曲線はそれらの曲率が曲線に沿う距離と
共に線形に変化する“良好な"特性を有している。(a)弧
及び直線、または(b)クロソイドセグメントからなる経
路が開発されている。曲率に不連続を有する経路はより
大きい安定した状態の追尾誤差をもたらす。これは特
に、アクチュエータが低速の場合に生じ易い。経路表現
は、所望経路3312を駆動するために必要な舵角3112(図3
1参照)を計算するための十分な情報を含んでいなければ
ならない。即ち、少なくとも位置、ヘッディング、曲率
及び速度を含んでいなければならない。所望経路3312上
の位置はポスチュア3314として定義されており、本発明
ではポスチュアの構造は次のように与えられる。 C．ポスチュア定義 北:所望の北座標 東:所望の東座標 ヘッディング:所望のヘッディング 曲率:所望の曲率 速度:所望の対地速度 距離:源ポスチュアと先行ポスチュアとの間の距離 d．位置情報 位置情報3322はVPS1O00から入手され、例えば71バイト
のデータである。所望経路3312を追尾するために使用さ
れる情報の構造は71バイトVPS出力の部分集合であり、
以下に示すVPS規定義によって与えられる。 e.VPS短定義 時刻:gpS時刻 北:wgs84偏北距離 東:wgs84偏東距離 ヘッディング:ビークルが運動している羅針盤方向 曲率:他の変数から計算される N速度:北速度 E速度:東速度 偏揺れ速度:ヘッディングの変化のレート G速度:対地速度 走行した距離 f．舵取り法 舵取りプランナは所望経路3312を追尾するために必要な
舵角を計算する。もしビークル102が所望経路3312上に
あれば、舵角は 経路上Φ舵=f(C<所望>)=tan-1LC である。もしビークル102が所望経路3312から外れてい
れば、舵角は 経路外Φ舵=f(C〈所望>十C〈誤差>) である。C〈誤差〉を計算するために使用される本発明
の方法は、5次法である。5次法は、所望経路3312に戻す
滑らかな経路を限定する誤差空間内の5次多項式であ
る。多項式の次数は必要データ、即ちC<誤差>及び既知
の端制約によって限定される。誤差空間内の5次多項式: 誤差
【０１８９】s=0において: 誤差(0)位置=現所望位置一現実際の位置 誤差'(0)ヘッディング=現所望ヘッデインダ−現実際の
ヘッディング 誤差"(0)曲率=現所望曲率位置曲率−現実際の曲率 s=L(L=予見距離)において: 誤差(L)位置=O 誤差(L)ヘッディング=0 誤差(L)曲率=0 多項式誤差の係数はL、即ち誤差が0になる距離の関数で
ある。 誤差(0)=a0 誤差'(0)=a1 誤差"(O)=2a2 誤差(L)=a0十alL+a2L2+a3L3+a4L4+a5L5 誤差'(L)=a1L+2a2L+3a3L2+4a4L3+5a5L4 誤差"(L)=2a2+6a3L+12a4L2+20a5L3 これら5つの方程式は係数a0、a1...a5について記号的に
解かれる。次いで各係数は、境界条件のどの合理的集合
についても容易に決定することができる。多項式の係数
が決定されると、誤差"(s)をあるピックド(picked)sに
ついて評価することができる。このピックドsはs=Oから
所望経路に沿う距離に対応し、現在次のように定義され
ている。 S<ピックド>=対地速度*計画間隔 補正項を得るために: C<誤差>=誤差"<(sピックド)曲率> 新しい舵角を得るために: Φ舵:tan-1〔(C<所望>十C〈〈誤差>@ピックド>)L〕 この計算は、現在はO.25秒である各計画間隔(dt計画)に
遂行される。 5.モニタ/補助 図43を参照する。モニタ/補助機能ブロック4308及び431
0は、ビークル制御システムの他のブロックが遂行しな
い若干の雑機能を処理する。例えば機関4616の始動及び
停止、警笛の吹鳴、ベッドの昇降、駐車ブレーキオンま
たはオフの設定等がその機能である。またモニタブロッ
ク4310は、バス4314上の他の機能ブロックが送受する命
令を検査して、それらが有効か否かを調べる。もし誤差
が検出されれば、モニタブロック4310はそれを遮断回路
ブロック4312へ通知し、システムは後述するように遮断
されることになる。 6．安全システム a．序 遮断回路4312を含む安全システム(図43及び52参照)は、
種々の誤差が検出されると駐車ブレーキをオンに設定す
ることによってビークル102を停止させるように動作す
る。これによりビークル102は、可能な最短距離で安全
停止するようになる。駐車ブレーキは、通常は“セット
または“オン”であるように設計され、電子回路がそれ
を解放するように動作するから、電子制御システムが故
障するとアクチュエータ5006への電源5216が遮断され、
弁を作動させる電力が供給されなくなるので駐車ブレー
キは“セットと呼ばれるその通常位置へ戻される。幾つ
かの誤った命令を受信した時、または速度及び舵取りの
両方または何れか一方のシミュレーションモデルとビー
クルセンサ出力4622及び4624とが受け入れ難い許容差を
呈した時が、システムを遮断せしめる状態の例である。
遮断システム4312は他の自律制御サブシステムから独立
し、分離したサブシステムである(図43及び52参照)。 b．遮断制御 他のビークル制御システム機能ブロックの出力に接続さ
れている安全システム遮断回路4312(図43)の詳細を図52
に示す。これはフェールセーフ型の設計である。これは
マイクロプロセッサを全く含んでいない。これは全てハ
ードワイヤード離散論理である。ビークル制御システム
4312設計の特色は、全ての機能ブロックが直列バス4314
上の他の機能ブロックの出力内の誤りを検出できること
である。従ってもしこれらの機能ブロックの1つが、別
の機能ブロックが正しく機能していないことを検知すれ
ば、それは遮断回路4312へ信号を送ってシステムを遮断
させることができる。例えば、速度及び舵取りブロック
は各々受信した命令(ビークル管理者4302から受信)を調
べて、命令が有効であることを確認している。また告げ
られたこと、即ち命令が要求していることが実行されて
いるか否かを確認することも所定の機能である。もし否
であれば、これらはシステムを遮断させる。安全システ
ムは、パニック停止5208、ブレーキペダル5202及び舵取
りハンドル5206のスイッチを含む無効化用手動スイッチ
を含んでいる。
ヘッディング 誤差"(0)曲率=現所望曲率位置曲率−現実際の曲率 s=L(L=予見距離)において: 誤差(L)位置=O 誤差(L)ヘッディング=0 誤差(L)曲率=0 多項式誤差の係数はL、即ち誤差が0になる距離の関数で
ある。 誤差(0)=a0 誤差'(0)=a1 誤差"(O)=2a2 誤差(L)=a0十alL+a2L2+a3L3+a4L4+a5L5 誤差'(L)=a1L+2a2L+3a3L2+4a4L3+5a5L4 誤差"(L)=2a2+6a3L+12a4L2+20a5L3 これら5つの方程式は係数a0、a1...a5について記号的に
解かれる。次いで各係数は、境界条件のどの合理的集合
についても容易に決定することができる。多項式の係数
が決定されると、誤差"(s)をあるピックド(picked)sに
ついて評価することができる。このピックドsはs=Oから
所望経路に沿う距離に対応し、現在次のように定義され
ている。 S<ピックド>=対地速度*計画間隔 補正項を得るために: C<誤差>=誤差"<(sピックド)曲率> 新しい舵角を得るために: Φ舵:tan-1〔(C<所望>十C〈〈誤差>@ピックド>)L〕 この計算は、現在はO.25秒である各計画間隔(dt計画)に
遂行される。 5.モニタ/補助 図43を参照する。モニタ/補助機能ブロック4308及び431
0は、ビークル制御システムの他のブロックが遂行しな
い若干の雑機能を処理する。例えば機関4616の始動及び
停止、警笛の吹鳴、ベッドの昇降、駐車ブレーキオンま
たはオフの設定等がその機能である。またモニタブロッ
ク4310は、バス4314上の他の機能ブロックが送受する命
令を検査して、それらが有効か否かを調べる。もし誤差
が検出されれば、モニタブロック4310はそれを遮断回路
ブロック4312へ通知し、システムは後述するように遮断
されることになる。 6．安全システム a．序 遮断回路4312を含む安全システム(図43及び52参照)は、
種々の誤差が検出されると駐車ブレーキをオンに設定す
ることによってビークル102を停止させるように動作す
る。これによりビークル102は、可能な最短距離で安全
停止するようになる。駐車ブレーキは、通常は“セット
または“オン”であるように設計され、電子回路がそれ
を解放するように動作するから、電子制御システムが故
障するとアクチュエータ5006への電源5216が遮断され、
弁を作動させる電力が供給されなくなるので駐車ブレー
キは“セットと呼ばれるその通常位置へ戻される。幾つ
かの誤った命令を受信した時、または速度及び舵取りの
両方または何れか一方のシミュレーションモデルとビー
クルセンサ出力4622及び4624とが受け入れ難い許容差を
呈した時が、システムを遮断せしめる状態の例である。
遮断システム4312は他の自律制御サブシステムから独立
し、分離したサブシステムである(図43及び52参照)。 b．遮断制御 他のビークル制御システム機能ブロックの出力に接続さ
れている安全システム遮断回路4312(図43)の詳細を図52
に示す。これはフェールセーフ型の設計である。これは
マイクロプロセッサを全く含んでいない。これは全てハ
ードワイヤード離散論理である。ビークル制御システム
4312設計の特色は、全ての機能ブロックが直列バス4314
上の他の機能ブロックの出力内の誤りを検出できること
である。従ってもしこれらの機能ブロックの1つが、別
の機能ブロックが正しく機能していないことを検知すれ
ば、それは遮断回路4312へ信号を送ってシステムを遮断
させることができる。例えば、速度及び舵取りブロック
は各々受信した命令(ビークル管理者4302から受信)を調
べて、命令が有効であることを確認している。また告げ
られたこと、即ち命令が要求していることが実行されて
いるか否かを確認することも所定の機能である。もし否
であれば、これらはシステムを遮断させる。安全システ
ムは、パニック停止5208、ブレーキペダル5202及び舵取
りハンドル5206のスイッチを含む無効化用手動スイッチ
を含んでいる。
【０１９０】7.バスアーキテクチャ ビークル制御システム機能ユニット4302、4304、4306、
4308、及び4310を相互接続しているバス4314は、データ
パケット衝突検出計画を使用するリング構造で実現され
た直列データ型である。 F．機能記述/方法 1．以下は、「タスク図」と名付けられた図53に示すナ
ビゲータ406の説明である。各タスク図を以下に説明す
る。 a．主(エグゼクティブ) 図53の中心は“主"(エグゼクティブ)5316と名付けたタ
スクである。このタスク5316はタスク間通信を調整し、
またナビゲータ406のために行われる高水準決定を遂行
する。タスク5316が行う主な決定の1つは、システム内
の他のタスクから受信したメッセージに基づいて、トラ
ッカ5306を何時(非)係合させるかというものである。 b．モニタVEHステータス このタスク5308は、“主'タスク5316の右上に示されて
いる◎これはビークルポート5326を読み取り、ビークル
モード変化及びナビゲータ・ビークル通信状態をエグゼ
クティブ待ち行列5328を介して“主"5316へ報告する。
更にビークル102のステータスはグローバルメモリ構造5
400(図54参照)に書き込まれる。 C．スキャナ 図53のタスク図の右下角には、障害物検出システム404
からのデータを“主"5316へ通信するために設けられた
ろキャナタスク53n1Oが示されている。 d．コンソール及びコンソールパーザ コンソール5312及びコンソールパーザ5314は、図53のタ
スク図には“主"タスク5316の真下に示されている。こ
れらのタスクはシステムの開発中にデバッグ用ツールと
して開発されたものである。これらは、端末5302からの
ユーザ入力に従ってナビゲータ406状態を表示し、処理
する。コンソールパーザタスク5314は、トラッカパラメ
タをセットするためにも使用される。 e．指令入手 このタスク5320は、図53のタスク図の左上角に示されて
いる。これは、ホストナビゲータインタフェース5330の
一部である。ホスト処理システム186からのメッセージ
はこのタスク5320によって受信され、解号される。次い
で、メッセージに依存して、メッセージは“主"タスク5
316か、または別のタスクの何れかへ通信される。次い
でこの別のタスクは適切な応答をナビゲー(タ406からホ
スト処理システム186へ送る。 f．ホストヘのメッセージ “主"タスク5316の左上に示されているこρタスク5318
は、ナビゲータ406からのメッセージを定型化し、それ
らをホスト処理システム186へ通信する。 ｇ.VPS位置 このタスク5322は、図53のタスク図の左側に示されてい
る。VPS位置タスク5322はVPS1000からの(20Hz)出力を読
み取る。このデータは正しさ(例えば“検査合計"につい
て)を検査し、もし正しければそれをグローバルメモリ
構造5400、位置バッファ(VPS位置待ち行列)5322内へ配
置する。このタスクは、位置障害が発生するとメッセー
ジをI“主"5316へ送る。 h.VPSポスチュア このタスク5324は、図53のタスク図の左下角に示されて
いる。ビークルが追尾中は、このタスクはポスチュアバ
ッファ(VPS_ポスチュア_待ち行列)5334を維持する、こ
のタスク(5324)はビークルの位置を監視し、走行方向に
おける現ビークル位置からほぼ50ポスチュアを、ポスチ
ュアバッファ(3000)内に維持する。 g．トラッカ 図53のタスク図の右上角に示されているこのタスク5306
は、現位置5332及びポスチュアバッファ5334を読み取
る。読み取った情報に基づき、タスク5306は舵取り及び
速度修正420を計算する。このタスク5306はそれらをビ
ークル102へ送り、それによってビークルのコースを制
御する。 j．ナビゲータ共用(グローバル)メモリ ナビゲータタスク5300に関して説明したように、ナビゲ
ータ406は、種々のタスクが読み書きするグローバルメ
モリ構造5400を有している。このメモリ構造5400を図54
に示す。図54では、タスクは、中に特定タスクを書き入
れた長円で示されている。メモリ5400は図54の中央部に
箱の積み重ねとして示されている。非保護メモリは箱の
積み重ね内に単一の箱として示されている。セマフォー
保護されたメモリは積み重ねられた箱内の箱として示さ
れている。矢印はタスクとメモリとの間のデータ転送方
向を指し示している。従って、タスクからメモリヘの書
き込みは、そのタスクから当該メモリを指し示す矢印を
有する線で示される。同様に、タスクによるメモリから
の読み出しは、メモリから当該タスクを指し示す矢印を
有する線で示される。タスクとメモリとの間に双方向デ
ータ転送が存在する場合には、線の両端に矢印が付けら
れている。 k．主(エグゼクティブ)流れ図 図55及び56A-56Dはナビゲータ主またはエグゼクティブ
タスク5316の流れ図である。先ず図55を参照する。これ
は主またはエグゼクティブタスク流の一般的な構造を示
す図である。以下にナビゲータエグゼクティブタスク53
16に関連する幾つかの流れ図を説明する。図55はエグゼ
クティブ流れ図であって5つのブロック、即ち開始ブロ
ックであるブロック5502と、ナビゲータを初期化するブ
ロック5504と、未処理エグゼクティブ決定であるブロッ
ク5506と、状態に基づく動作であるブロック5510とを示
している。図55は、ナビゲータ406に電力が投入された
(電源スイッチをオンにした)時に、エグゼクティブタス
ク5316がその機能をどのように実行するかを記述してい
る。電力が投入されると、エグゼクティブタスク5316
(またはエクゼクティブ)は開始ブロック5502から開始さ
れ、直ち5504に進んでナビゲータを初期化し、エグゼク
ティブ5316はナビゲータ406を既知の初期状態にする。
ついでエグゼクティブは未処理エグゼクティブ待ち行列
5506へ進み、複数の原始からそのメッセージ待ち行列53
28ヘメッセージが到着するのを待機する。例えば、典型
的なメッセージはホスト処理システム186からの情報に
関する問い合わせであり得る。エグゼクティブ待ち行列
5328にメッセージを受信すると、エグゼクティブ5316は
エグゼクティブ決定ブロック5508へ進む。このブロック
ではエグーセクティブ5316は既知の技法によって一連の
ステータスフラグをセットする。これらのフラグはナビ
ゲータ406を既知の状態、具体的にはメッセージ受信済
にする。ステータスフラグが適切にセットされると、エ
グゼクティブ5316は状態に基づく動作5510へ進み、受信
した指令の型に従って必要動作が遂行される。今度は図
56-56Dを参照する。これらの図は、図55の一般的構造図
に示した“エグゼクティブ決定ブロック5508の流れを示
す。エグゼクティブタスク5316が開始できる種々の応答
の詳細を以下に説明する。エグゼクティブ待ち行列5328
内に予測される既知のメッセージの集合が存在する。こ
れらのメッセージの詳細を図56A-56Dに示す。
4308、及び4310を相互接続しているバス4314は、データ
パケット衝突検出計画を使用するリング構造で実現され
た直列データ型である。 F．機能記述/方法 1．以下は、「タスク図」と名付けられた図53に示すナ
ビゲータ406の説明である。各タスク図を以下に説明す
る。 a．主(エグゼクティブ) 図53の中心は“主"(エグゼクティブ)5316と名付けたタ
スクである。このタスク5316はタスク間通信を調整し、
またナビゲータ406のために行われる高水準決定を遂行
する。タスク5316が行う主な決定の1つは、システム内
の他のタスクから受信したメッセージに基づいて、トラ
ッカ5306を何時(非)係合させるかというものである。 b．モニタVEHステータス このタスク5308は、“主'タスク5316の右上に示されて
いる◎これはビークルポート5326を読み取り、ビークル
モード変化及びナビゲータ・ビークル通信状態をエグゼ
クティブ待ち行列5328を介して“主"5316へ報告する。
更にビークル102のステータスはグローバルメモリ構造5
400(図54参照)に書き込まれる。 C．スキャナ 図53のタスク図の右下角には、障害物検出システム404
からのデータを“主"5316へ通信するために設けられた
ろキャナタスク53n1Oが示されている。 d．コンソール及びコンソールパーザ コンソール5312及びコンソールパーザ5314は、図53のタ
スク図には“主"タスク5316の真下に示されている。こ
れらのタスクはシステムの開発中にデバッグ用ツールと
して開発されたものである。これらは、端末5302からの
ユーザ入力に従ってナビゲータ406状態を表示し、処理
する。コンソールパーザタスク5314は、トラッカパラメ
タをセットするためにも使用される。 e．指令入手 このタスク5320は、図53のタスク図の左上角に示されて
いる。これは、ホストナビゲータインタフェース5330の
一部である。ホスト処理システム186からのメッセージ
はこのタスク5320によって受信され、解号される。次い
で、メッセージに依存して、メッセージは“主"タスク5
316か、または別のタスクの何れかへ通信される。次い
でこの別のタスクは適切な応答をナビゲー(タ406からホ
スト処理システム186へ送る。 f．ホストヘのメッセージ “主"タスク5316の左上に示されているこρタスク5318
は、ナビゲータ406からのメッセージを定型化し、それ
らをホスト処理システム186へ通信する。 ｇ.VPS位置 このタスク5322は、図53のタスク図の左側に示されてい
る。VPS位置タスク5322はVPS1000からの(20Hz)出力を読
み取る。このデータは正しさ(例えば“検査合計"につい
て)を検査し、もし正しければそれをグローバルメモリ
構造5400、位置バッファ(VPS位置待ち行列)5322内へ配
置する。このタスクは、位置障害が発生するとメッセー
ジをI“主"5316へ送る。 h.VPSポスチュア このタスク5324は、図53のタスク図の左下角に示されて
いる。ビークルが追尾中は、このタスクはポスチュアバ
ッファ(VPS_ポスチュア_待ち行列)5334を維持する、こ
のタスク(5324)はビークルの位置を監視し、走行方向に
おける現ビークル位置からほぼ50ポスチュアを、ポスチ
ュアバッファ(3000)内に維持する。 g．トラッカ 図53のタスク図の右上角に示されているこのタスク5306
は、現位置5332及びポスチュアバッファ5334を読み取
る。読み取った情報に基づき、タスク5306は舵取り及び
速度修正420を計算する。このタスク5306はそれらをビ
ークル102へ送り、それによってビークルのコースを制
御する。 j．ナビゲータ共用(グローバル)メモリ ナビゲータタスク5300に関して説明したように、ナビゲ
ータ406は、種々のタスクが読み書きするグローバルメ
モリ構造5400を有している。このメモリ構造5400を図54
に示す。図54では、タスクは、中に特定タスクを書き入
れた長円で示されている。メモリ5400は図54の中央部に
箱の積み重ねとして示されている。非保護メモリは箱の
積み重ね内に単一の箱として示されている。セマフォー
保護されたメモリは積み重ねられた箱内の箱として示さ
れている。矢印はタスクとメモリとの間のデータ転送方
向を指し示している。従って、タスクからメモリヘの書
き込みは、そのタスクから当該メモリを指し示す矢印を
有する線で示される。同様に、タスクによるメモリから
の読み出しは、メモリから当該タスクを指し示す矢印を
有する線で示される。タスクとメモリとの間に双方向デ
ータ転送が存在する場合には、線の両端に矢印が付けら
れている。 k．主(エグゼクティブ)流れ図 図55及び56A-56Dはナビゲータ主またはエグゼクティブ
タスク5316の流れ図である。先ず図55を参照する。これ
は主またはエグゼクティブタスク流の一般的な構造を示
す図である。以下にナビゲータエグゼクティブタスク53
16に関連する幾つかの流れ図を説明する。図55はエグゼ
クティブ流れ図であって5つのブロック、即ち開始ブロ
ックであるブロック5502と、ナビゲータを初期化するブ
ロック5504と、未処理エグゼクティブ決定であるブロッ
ク5506と、状態に基づく動作であるブロック5510とを示
している。図55は、ナビゲータ406に電力が投入された
(電源スイッチをオンにした)時に、エグゼクティブタス
ク5316がその機能をどのように実行するかを記述してい
る。電力が投入されると、エグゼクティブタスク5316
(またはエクゼクティブ)は開始ブロック5502から開始さ
れ、直ち5504に進んでナビゲータを初期化し、エグゼク
ティブ5316はナビゲータ406を既知の初期状態にする。
ついでエグゼクティブは未処理エグゼクティブ待ち行列
5506へ進み、複数の原始からそのメッセージ待ち行列53
28ヘメッセージが到着するのを待機する。例えば、典型
的なメッセージはホスト処理システム186からの情報に
関する問い合わせであり得る。エグゼクティブ待ち行列
5328にメッセージを受信すると、エグゼクティブ5316は
エグゼクティブ決定ブロック5508へ進む。このブロック
ではエグーセクティブ5316は既知の技法によって一連の
ステータスフラグをセットする。これらのフラグはナビ
ゲータ406を既知の状態、具体的にはメッセージ受信済
にする。ステータスフラグが適切にセットされると、エ
グゼクティブ5316は状態に基づく動作5510へ進み、受信
した指令の型に従って必要動作が遂行される。今度は図
56-56Dを参照する。これらの図は、図55の一般的構造図
に示した“エグゼクティブ決定ブロック5508の流れを示
す。エグゼクティブタスク5316が開始できる種々の応答
の詳細を以下に説明する。エグゼクティブ待ち行列5328
内に予測される既知のメッセージの集合が存在する。こ
れらのメッセージの詳細を図56A-56Dに示す。
【０１９１】図56Aは、図56A-56Dの編成図である。図56
A-56Dは、エグゼクティブ5316が種々のメッセージに対
して応答するために使用される手順の詳細を記述してい
る。図56Aを参照して、特定のメッセージに対するエグ
ゼクティブ5316の動作を説明する。エグゼクティブ待ち
行列5328へのメッセージを受信すると、プログラムはブ
ロック5506を去ってブロック5602へ進み、エグゼクティ
ブ5316はそのメッセージが’新ルート指令'か否かを決
定する。もしそのメッセージが`新ルート指令'であれ
ば、エグゼクティブ5316は`新ルート指令'に基づく動作
ブロック5604へ進む。`新ルート指令'メッセージに特定
の動作が成功裏に完了すると、エグゼクティブ5316は状
態ブロックに基づく動作5510へ進む。この動作が完了す
ると、エグゼクティブ5316は未処理エグゼクティブ待ち
行列ブロック5506へ戻り、別のメッセージを待機する。
もしブロック5602内の初期メッセージが’新ルート指
令'でなければ、エグゼクティブ5316はブロック5606へ
進んでメッセージが’速度変更指令'であるか否かを決
定する。’速度変更指令'、’VEH応答'、`VEH無応答'及
び`VEH検査合計誤り'のようなメッセージに対する応答
は、’新ルート指令'に関して記述した手順と類似手順
を辿。しかしながら、’...'に基づく動作10 5604乃至5
620において遂行される動作は異なる考え得るメッセー
ジごとに異なる。有効メッセージの種々の型、及びその
要約記述は以下の通りである。 「新ルート指令」:ビークルが追随するルート番号をセ
ットせよ。 「速度変更指令」:ルートの特定部分をビークルが走行
するこができる最大可能な速度を命令せよ。 「VEH応答」:ビークルは適切に命令に応答しつつあり、
ナビゲータステータフラグをr健全」にセットせよ。 「VEH無応答」:ビークルは命令に応答しておらず、ビー
クルを停止させよ。 「VEH検査合計誤り」:ビークルはデータを正しく送信/
受信しておらず、ビークルを停止させよ。 「テレ」、「手動」、「作動可能」、または「自律」:
ビークルのモードをr正しい順序で」にセットせよ。 「VPSタイムアウト」:VPSはデータを送信しておらず、
ビークルを停止させよ。 「VPS検査合計誤り」:VPSは誤転送されたデータを送信
しており、ビークルを停止させよ。 「VPSポスチュア作動可能」:経路ポスチュアの生成作動
可能。 「VPS位置作動可能」:VPSデータは使用可能。 「VPS位置整列」:VPSは初期化中、ビークルを運動させ
るな。 「ルートの終り」:ビークルは現ルートの終りに接近し
つつあり、到達したならばホスト処理システムに通知せ
よ。 「走査作動可能」:走査システムは経路内の物体の探査
作動可能。 「走査無妨害」:ビークル経路上に物体は検出されず、
正常に続行せよ。 「走査障害物」:ビークル経路上に物体を検出、ビーク
ルを停止させよ。 「トラッカコース外」:ビークルは所望経路を許容差以
内で追随しておらず、ビークルを停止させよ。 「トラッカルートの終り」:トラッカは経路の終りに到
達した、ビークルを停止させよ。 「トラッカ停止」:追尾タスクがビークルを停止させた
ことをナビゲータに通知せよ。 ’テレ'、’手動'、’作動可能'、及び`自律'に対する
応答は、これらのメッセージが互いに関係付けられてい
て、特定の順序に基づいて動作しなければならないから
やや異なっている。これは既に説明済である。これらの
メッセージのためのプログラム流を図56A及び56Bに示
し、ブロック5622-5630について説明する。爾後に見込
まれるメッセージに対する応答は、図56B乃至56Dのブロ
ック5632乃至5678に示されている。これらの応答はメッ
セージ’新ルート指令'に関して説明したものと類似し
ている。もし受信したメッセージが予測したメッセージ
の1つではないか、またはそのメッセージが誤転送され
たものであれば、エグゼクティブ5316はブロック5680に
導かれ、そこでホスト処理システム186は問題を知らさ
れる。次いでエグゼクティブ5316はエグゼクティブ待ち
行列5506へ戻り、待ち行列内の次のメッセージに応答す
る。図57A乃至57Rは、エグゼクティブ5316が特定のメッ
セージに応答するために使用する特定手順を示す。例え
ば、図57Aはエグゼクティブ5316が’新ルート指令'メッ
セージに如何に応答するかの詳細を示す。このメッセー
ジがエグゼクティブ待ち行列5328内に到着すると、エグ
ゼクティブ5316は流れ図ブロック5702へ進んでメッセー
ジが何であるか(この場合には’新ルート指令')を決定
する、もしメッセージが’新ルート指令'であれば、エ
グゼクティブ5316は流れ図ブロック5705へ進み、メッセ
ージに応答する。そうでなければ、流れ図ブロック5704
へ進んでそれが有効(他の考え得るメッセージの1っ)で
あるのか、または無効であるのかを決定する。メッセー
ジが’新ルート指令'であることが分かると、エグゼク
ティブ5316は図57Aに示されている処理過程を辿ってそ
のメッセージに応答する。この処理過程はブロック5706
乃至5714によって示されている。この手順では(そして
他の指令に対する応答では)、エグゼクティブ5316はナ
ビゲータ406内の異なるタスクの状態を検査し、これら
の状態に対して既知の、所定技法で応答する。この応答
の効果は、一連のステータスフラグをセットすることで
あり、これによってエグゼクティブ5316が状態に基づく
動作5510に到達した時にナビゲータ406内の他のタスク
による爾後の応答が遂行される。ブロック5510内に実現
されている実際の手順を図58に示す。他の有効メッセー
ジに対するエグゼクティブ5316の応答は、’新ルート指
令'において説明した手順に類似している。指令に対す
る各応答の効果は、先ずフラグの集合を変化させ、それ
によってナビゲータ406の状態に影響を与えることであ
る。特定のフラグ集合は、特定の指令に依存する。ナビ
ゲータ406は、エグゼクティブ5316が「状態に基づく動
作」ブロック5510まで移動した時に、これらのフラグの
変化に応答する。図58A-58Cは、’状態に基づく動作'ブ
ロック5510の流れを示す。状態に基づく動作ブロック55
10を図58A-58Cに示す。図58は図58A-58Cの相互関係を示
し、これらの3つの各図は状態に基づく動作ブロック551
0の部分を示す。エグゼクティブタスク5316が特定のエ
グゼクティブメッセージに応答して適切なフラグをセッ
トすると、エグゼクティブ5316は適切なタスクまたはエ
ンティティに対してメッセージを送るようになる。これ
らのタスクまたはエンティティはエグゼクティブメッセ
ージの結果としてナビゲータ406システムに対する変化
を知らされなければならない。例えば、エグゼクティブ
タスク5316がエグゼクティブ決定5508を去ると先ず状態
に基づく動作ブロック5510に入り、ビークルが自律モー
ドに対して作動可能である(例えば、VPSが作動可能であ
り、ビークルが適切に通信し、適切なルートが命令され
ており、そしてビークルが自律モードで作動可能であ
る)というようなステータスがセットされているか否か
を検査する。ブロック5802を参照されたい。もしこれら
の条件の1またはそれ以上が満足されなければ、エグゼ
クティブは別の有効メッセージを待機するように戻る。
もしこれらの全戸での条件が満たされれば、エグゼクテ
ィブ5316は、経路生成器5804が作動中であるか否かを検
査する。もし作動中であれば、エグゼクティブ5316は自
律動作のために必要な他のシステムを開始させる。もし
経路生成システムが作動中ではなければ、エグゼクティ
ブ5316タスクは経路生成器を始動させるためにメッセー
ジ’VPSポスチュア係合'をVpsポスチュア待ち行列5334
へ送る。次いでエグゼクティブタスクは未処理エグゼク
ティブ待ち行列5506へ戻り、ビークル102の適切な動作
を保証するために別の指令を待機する。
A-56Dは、エグゼクティブ5316が種々のメッセージに対
して応答するために使用される手順の詳細を記述してい
る。図56Aを参照して、特定のメッセージに対するエグ
ゼクティブ5316の動作を説明する。エグゼクティブ待ち
行列5328へのメッセージを受信すると、プログラムはブ
ロック5506を去ってブロック5602へ進み、エグゼクティ
ブ5316はそのメッセージが’新ルート指令'か否かを決
定する。もしそのメッセージが`新ルート指令'であれ
ば、エグゼクティブ5316は`新ルート指令'に基づく動作
ブロック5604へ進む。`新ルート指令'メッセージに特定
の動作が成功裏に完了すると、エグゼクティブ5316は状
態ブロックに基づく動作5510へ進む。この動作が完了す
ると、エグゼクティブ5316は未処理エグゼクティブ待ち
行列ブロック5506へ戻り、別のメッセージを待機する。
もしブロック5602内の初期メッセージが’新ルート指
令'でなければ、エグゼクティブ5316はブロック5606へ
進んでメッセージが’速度変更指令'であるか否かを決
定する。’速度変更指令'、’VEH応答'、`VEH無応答'及
び`VEH検査合計誤り'のようなメッセージに対する応答
は、’新ルート指令'に関して記述した手順と類似手順
を辿。しかしながら、’...'に基づく動作10 5604乃至5
620において遂行される動作は異なる考え得るメッセー
ジごとに異なる。有効メッセージの種々の型、及びその
要約記述は以下の通りである。 「新ルート指令」:ビークルが追随するルート番号をセ
ットせよ。 「速度変更指令」:ルートの特定部分をビークルが走行
するこができる最大可能な速度を命令せよ。 「VEH応答」:ビークルは適切に命令に応答しつつあり、
ナビゲータステータフラグをr健全」にセットせよ。 「VEH無応答」:ビークルは命令に応答しておらず、ビー
クルを停止させよ。 「VEH検査合計誤り」:ビークルはデータを正しく送信/
受信しておらず、ビークルを停止させよ。 「テレ」、「手動」、「作動可能」、または「自律」:
ビークルのモードをr正しい順序で」にセットせよ。 「VPSタイムアウト」:VPSはデータを送信しておらず、
ビークルを停止させよ。 「VPS検査合計誤り」:VPSは誤転送されたデータを送信
しており、ビークルを停止させよ。 「VPSポスチュア作動可能」:経路ポスチュアの生成作動
可能。 「VPS位置作動可能」:VPSデータは使用可能。 「VPS位置整列」:VPSは初期化中、ビークルを運動させ
るな。 「ルートの終り」:ビークルは現ルートの終りに接近し
つつあり、到達したならばホスト処理システムに通知せ
よ。 「走査作動可能」:走査システムは経路内の物体の探査
作動可能。 「走査無妨害」:ビークル経路上に物体は検出されず、
正常に続行せよ。 「走査障害物」:ビークル経路上に物体を検出、ビーク
ルを停止させよ。 「トラッカコース外」:ビークルは所望経路を許容差以
内で追随しておらず、ビークルを停止させよ。 「トラッカルートの終り」:トラッカは経路の終りに到
達した、ビークルを停止させよ。 「トラッカ停止」:追尾タスクがビークルを停止させた
ことをナビゲータに通知せよ。 ’テレ'、’手動'、’作動可能'、及び`自律'に対する
応答は、これらのメッセージが互いに関係付けられてい
て、特定の順序に基づいて動作しなければならないから
やや異なっている。これは既に説明済である。これらの
メッセージのためのプログラム流を図56A及び56Bに示
し、ブロック5622-5630について説明する。爾後に見込
まれるメッセージに対する応答は、図56B乃至56Dのブロ
ック5632乃至5678に示されている。これらの応答はメッ
セージ’新ルート指令'に関して説明したものと類似し
ている。もし受信したメッセージが予測したメッセージ
の1つではないか、またはそのメッセージが誤転送され
たものであれば、エグゼクティブ5316はブロック5680に
導かれ、そこでホスト処理システム186は問題を知らさ
れる。次いでエグゼクティブ5316はエグゼクティブ待ち
行列5506へ戻り、待ち行列内の次のメッセージに応答す
る。図57A乃至57Rは、エグゼクティブ5316が特定のメッ
セージに応答するために使用する特定手順を示す。例え
ば、図57Aはエグゼクティブ5316が’新ルート指令'メッ
セージに如何に応答するかの詳細を示す。このメッセー
ジがエグゼクティブ待ち行列5328内に到着すると、エグ
ゼクティブ5316は流れ図ブロック5702へ進んでメッセー
ジが何であるか(この場合には’新ルート指令')を決定
する、もしメッセージが’新ルート指令'であれば、エ
グゼクティブ5316は流れ図ブロック5705へ進み、メッセ
ージに応答する。そうでなければ、流れ図ブロック5704
へ進んでそれが有効(他の考え得るメッセージの1っ)で
あるのか、または無効であるのかを決定する。メッセー
ジが’新ルート指令'であることが分かると、エグゼク
ティブ5316は図57Aに示されている処理過程を辿ってそ
のメッセージに応答する。この処理過程はブロック5706
乃至5714によって示されている。この手順では(そして
他の指令に対する応答では)、エグゼクティブ5316はナ
ビゲータ406内の異なるタスクの状態を検査し、これら
の状態に対して既知の、所定技法で応答する。この応答
の効果は、一連のステータスフラグをセットすることで
あり、これによってエグゼクティブ5316が状態に基づく
動作5510に到達した時にナビゲータ406内の他のタスク
による爾後の応答が遂行される。ブロック5510内に実現
されている実際の手順を図58に示す。他の有効メッセー
ジに対するエグゼクティブ5316の応答は、’新ルート指
令'において説明した手順に類似している。指令に対す
る各応答の効果は、先ずフラグの集合を変化させ、それ
によってナビゲータ406の状態に影響を与えることであ
る。特定のフラグ集合は、特定の指令に依存する。ナビ
ゲータ406は、エグゼクティブ5316が「状態に基づく動
作」ブロック5510まで移動した時に、これらのフラグの
変化に応答する。図58A-58Cは、’状態に基づく動作'ブ
ロック5510の流れを示す。状態に基づく動作ブロック55
10を図58A-58Cに示す。図58は図58A-58Cの相互関係を示
し、これらの3つの各図は状態に基づく動作ブロック551
0の部分を示す。エグゼクティブタスク5316が特定のエ
グゼクティブメッセージに応答して適切なフラグをセッ
トすると、エグゼクティブ5316は適切なタスクまたはエ
ンティティに対してメッセージを送るようになる。これ
らのタスクまたはエンティティはエグゼクティブメッセ
ージの結果としてナビゲータ406システムに対する変化
を知らされなければならない。例えば、エグゼクティブ
タスク5316がエグゼクティブ決定5508を去ると先ず状態
に基づく動作ブロック5510に入り、ビークルが自律モー
ドに対して作動可能である(例えば、VPSが作動可能であ
り、ビークルが適切に通信し、適切なルートが命令され
ており、そしてビークルが自律モードで作動可能であ
る)というようなステータスがセットされているか否か
を検査する。ブロック5802を参照されたい。もしこれら
の条件の1またはそれ以上が満足されなければ、エグゼ
クティブは別の有効メッセージを待機するように戻る。
もしこれらの全戸での条件が満たされれば、エグゼクテ
ィブ5316は、経路生成器5804が作動中であるか否かを検
査する。もし作動中であれば、エグゼクティブ5316は自
律動作のために必要な他のシステムを開始させる。もし
経路生成システムが作動中ではなければ、エグゼクティ
ブ5316タスクは経路生成器を始動させるためにメッセー
ジ’VPSポスチュア係合'をVpsポスチュア待ち行列5334
へ送る。次いでエグゼクティブタスクは未処理エグゼク
ティブ待ち行列5506へ戻り、ビークル102の適切な動作
を保証するために別の指令を待機する。
【図１】 本発明の好ましい実施例の高水準ブロック線
図100を示し、
図100を示し、
【図１Ａ】 6つの軌道面174-184内に配分された21個の
機能GPS衛星130-170と、3個の予備GPS衛星(図示してな
い)とからなるNABSTAR GPS内の機能GPS衛星の高水準ブ
ロック線図100Aであり、
機能GPS衛星130-170と、3個の予備GPS衛星(図示してな
い)とからなるNABSTAR GPS内の機能GPS衛星の高水準ブ
ロック線図100Aであり、
【図２】 NABSTAR GPSの4個のGPS衛星に関する4つの連
立航法方程式を示す図であって、これらの方程式はGPS
衛星200-206とビークル102との間の時計バイアスCbを含
み、
立航法方程式を示す図であって、これらの方程式はGPS
衛星200-206とビークル102との間の時計バイアスCbを含
み、
【図３】 は本発明を実現し、実施できる典型的な自律
作業現場の高水準ブロック線図300であり、
作業現場の高水準ブロック線図300であり、
【図４】 本発明のナビゲータ406、ビークルVPSアーキ
テクチャ1000、及びビークル制御装置408の間の相互関
係の高水準ブロック線図400であり、
テクチャ1000、及びビークル制御装置408の間の相互関
係の高水準ブロック線図400であり、
【図５】 本発明による自律制御システム内の種々の要
素の脈絡と、それらの相互関係とを示す高水準ブロック
線図500であり、
素の脈絡と、それらの相互関係とを示す高水準ブロック
線図500であり、
【図６】 ビークル102の位置を正確に決定するため
に、GPS衛星星座200、202、204及び206を含み、また擬
似衛星105及びべ一スステーション188と共に使用される
多分NABSTAR GPSであるGPSの動作の高水準ブロック線図
600であり、
に、GPS衛星星座200、202、204及び206を含み、また擬
似衛星105及びべ一スステーション188と共に使用される
多分NABSTAR GPSであるGPSの動作の高水準ブロック線図
600であり、
【図７】 好ましい実施例のGPS処理システムの電気的
アーキテクチャ/ハードウエア700を示す低水準ブロック
線図であり、
アーキテクチャ/ハードウエア700を示す低水準ブロック
線図であり、
【図８】 好ましい実施例の図7に示すようなGPS処理シ
ステム700におけるソフトウエアの機能を示す低水準流
れ図800であり、
ステム700におけるソフトウエアの機能を示す低水準流
れ図800であり、
【図９】 好ましい実施例では走行距離計902及び慣性
参照ユニット(IRU)904を含むMPSのアーキテクチャ/ハー
ドウエア900を示す中間水準ブロック線図であり、
参照ユニット(IRU)904を含むMPSのアーキテクチャ/ハー
ドウエア900を示す中間水準ブロック線図であり、
【図１０】 好ましい実施例におけるVPSのVPSアーキテ
クチャ/ハードウエア1000を示す中間水準ブロック線図
であり、
クチャ/ハードウエア1000を示す中間水準ブロック線図
であり、
【図１１】 図10のVPSアーキテクチャ1000の低水準ブ
ロック線図1100であり、
ロック線図1100であり、
【図１２】 図10のVPS主(I/O)プロセッサ1O02の中間水
準ブロック線図1200であって、VPSカルマンフィルタ120
2及び重み付きコンバイナ1200を示し、
準ブロック線図1200であって、VPSカルマンフィルタ120
2及び重み付きコンバイナ1200を示し、
【図１２Ａ】 好ましい実施例のスーパーカルマンフィ
ルタ1200Aの高水準ブロック線図であり、
ルタ1200Aの高水準ブロック線図であり、
【図１３】 本発明の好ましい実施例において第1位置
推定の精度を改善するための星座効果方法の流れ図1300
であり、
推定の精度を改善するための星座効果方法の流れ図1300
であり、
【図１４】 4つのGPS衛星(図示してない)のGPS衛星星
座に関する一組の計算された推定擬似距離1404、1406、
1408、及び1410を示す座標系1402上の極プロット1400で
あって、陰影領域1412は擬似距離1406及び1408を生じさ
せたGPS衛星を顧慮した時のビークルの考え得る位置推
定を示し、
座に関する一組の計算された推定擬似距離1404、1406、
1408、及び1410を示す座標系1402上の極プロット1400で
あって、陰影領域1412は擬似距離1406及び1408を生じさ
せたGPS衛星を顧慮した時のビークルの考え得る位置推
定を示し、
【図１５】 好ましい実施例の原形バイアス技術の流れ
図1500であり、
図1500であり、
【図１６】 好ましい実施例の放物線バイアス技術の流
れ図1600であり、
れ図1600であり、
【図１７】 好ましい実施例のべ一ス残留バイアス技術
の流れ図1700であり、
の流れ図1700であり、
【図１７Ａ】 好ましい実施例のべ一ス相関器バイアス
技術の流れ図1700Aであり、
技術の流れ図1700Aであり、
【図１８】 将来衛星位置の予測のための好ましい実施
例における方法の流れ図1800であり、
例における方法の流れ図1800であり、
【図１９】 本発明の重み付き経路履歴技術の流れ図19
00であり、
00であり、
【図２０】 ビークル102の第1位置推定の高水準図形表
示2000であって図19に示す重み付き経路履歴方法は第1
位置推定2010がビークル経路と全く一致しないためにそ
れを排除するであろうことを示し、
示2000であって図19に示す重み付き経路履歴方法は第1
位置推定2010がビークル経路と全く一致しないためにそ
れを排除するであろうことを示し、
【図２０Ａ】 図19及び図20に示す重み付き経路履歴技
術を実現するための方法の高水準流れ図2000Aであり、
術を実現するための方法の高水準流れ図2000Aであり、
【図２１】 本発明の反選択可用性技術の流れ図であ
り、
り、
【図２２】 本発明によるノード及びセグメントを使用
するビークルルート限定の図2200であり、
するビークルルート限定の図2200であり、
【図２３】 ポスチュア及び関係付けられた円が如何に
して目標点から求められるかを図式的に示す図2300であ
り、
して目標点から求められるかを図式的に示す図2300であ
り、
【図２４】 最初のクロソイドセグメントの符号を如何
にして決定するかを示す図2400であり、
にして決定するかを示す図2400であり、
【図２５】 最後のクロソイドセグメントの符号を如何
にして決定するかを示す図2500であり、
にして決定するかを示す図2500であり、
【図２６】 クロソイド曲線を図式的に示す図2600であ
り、
り、
【図２７】 近似フレネル積分を計算するための数値的
方法の流れ図2700であり、
方法の流れ図2700であり、
【図２８】 経路の再計画を示す図2800であり、
【図２９】 二次、三次、及び四次のBスプライン曲線
の図2900であり、
の図2900であり、
【図３０】 本発明のポスチュア・リングバッファの実
施例を示す図3000であり、
施例を示す図3000であり、
【図３１】 本発明の好ましい実施例の経路追尾制御ア
ーキテクチャ/ハードウエアの高水準ブロック線図3100
であり、
ーキテクチャ/ハードウエアの高水準ブロック線図3100
であり、
【図３２】 舵取り計画サイクルにおける関連ポスチュ
アを示す図3200であり、
アを示す図3200であり、
【図３３】 曲率を含む誤差ベクトルを如何に計算する
かを示す図3400であり、
かを示す図3400であり、
【図３４】 曲率を含む誤差ベクトルを、包含されたビ
ークル経路を用いて如何に計算するかを示す図3400であ
り、
ークル経路を用いて如何に計算するかを示す図3400であ
り、
【図３５】 本発明のナビゲータ406の脈絡図3500であ
り、
り、
【図３６】 本発明の経路追尾構造の脈絡図3600であ
り、
り、
【図３７Ａ】 それぞれナビゲータ406のデータ流概要3
700A-3700Dであり、
700A-3700Dであり、
【図３７Ｂ】 それぞれナビゲータ406のデータ流概要3
700A-3700Dであり、
700A-3700Dであり、
【図３７Ｃ】 それぞれナビゲータ406のデータ流概要3
700A-3700Dであり、
700A-3700Dであり、
【図３７Ｄ】 それぞれナビゲータ406のデータ流概要3
700A-3700Dであり、
700A-3700Dであり、
【図３８Ａ】 ビークル搭載スキャナ404の図3800Bであ
り、
り、
【図３８Ｂ】 障害物4002に対する自律ビークル走査10
2を示す図3800Bであり、
2を示す図3800Bであり、
【図３９】 本発明のレーザ走査システムにおける選択
された走査線3904及び3906の図3900であり、
された走査線3904及び3906の図3900であり、
【図４０】 障害物4002を回避する自律ビークル102を
示す図4000であり、
示す図4000であり、
【図４１】 本発明の好ましい実施例による障害物処理
の図4100であり、
の図4100であり、
【図４２】 本発明の好ましい実施例における障害物検
出に使用されるレーザスキャナシステムの中間水準ブロ
ック線図4200であり、
出に使用されるレーザスキャナシステムの中間水準ブロ
ック線図4200であり、
【図４３】 本発明の自律採鉱用ビークルのための制御
システムの中間水準ブロック線図4300であり、
システムの中間水準ブロック線図4300であり、
【図４４】 図43の制御システムの動作モード間の遷移
を示す状態図4400であり、
を示す状態図4400であり、
【図４５】 好ましい実施例の遠視線遠隔制御システム
の高水準ブロック線図4500であり、
の高水準ブロック線図4500であり、
【図４６】 好ましい実施例の速度制御4304の高水準ブ
ロック線図4600であり、
ロック線図4600であり、
【図４７】 好ましい実施例の速度制御4304のサービス
ブレーキ制御回路の高水準ブロック線図4700であり、
ブレーキ制御回路の高水準ブロック線図4700であり、
【図４８】 好ましい実施例の速度制御4304のガバナ制
御回路の高水準ブロック線図4800であり、
御回路の高水準ブロック線図4800であり、
【図４９】 本発明の好ましい実施例の舵取り制御シス
テムの舵取り制御回路4306の高水準ブロック線図4900で
あり、
テムの舵取り制御回路4306の高水準ブロック線図4900で
あり、
【図５０】 本発明の速度制御430の駐車ブレーキ制御
回路の高水準ブロック線図5000であり、
回路の高水準ブロック線図5000であり、
【図５１】 本発明の航法システムを開発するために使
用される三輪車舵取りモデルの高水準ブロック線図5100
であり、
用される三輪車舵取りモデルの高水準ブロック線図5100
であり、
【図５２】 本発明の遮断回路の実施例を示す中間水準
ブロック線図5200であり、
ブロック線図5200であり、
【図５３】 ナビゲータ406のタスクを示す低水準通信
図5300であり、
図5300であり、
【図５４】 ナビゲータ406のナビゲータ共有メモリの
実施例を示す中間水準通信図5400であり、
実施例を示す中間水準通信図5400であり、
【図５５】 実行判断に関する高水準監視流れ図5500を
示し、
示し、
【図５６】図56は図56A-56Dの実行流れ図5600A-5600Dの
関係/接続の中間水準流れ図5600であり、
関係/接続の中間水準流れ図5600であり、
【図５６Ａ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５６Ｂ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５６Ｃ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５６Ｄ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ａ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｂ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｃ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｄ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｅ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｆ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｇ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｈ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り
【図５７Ｉ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｊ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｋ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｌ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｍ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｎ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｏ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｐ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｑ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５７Ｒ】 各々が監視流れ図5600A-5600Dにおける
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
“…に基づく動作"を示す低水準流れ図5700A-5700Rであ
り、
【図５８】 それぞれ、各実行流れ図5700A-5700Qにお
ける”状態に基づく動作"を示す低水準流れ図5800A-580
0Cである。
ける”状態に基づく動作"を示す低水準流れ図5800A-580
0Cである。
【図５８Ａ】 それぞれ、各実行流れ図5700A-5700Qに
おける”状態に基づく動作"を示す低水準流れ図5800A-5
800Cである。
おける”状態に基づく動作"を示す低水準流れ図5800A-5
800Cである。
【図５８Ｂ】 それぞれ、各実行流れ図5700A-5700Qに
おける”状態に基づく動作"を示す低水準流れ図5800A-5
800Cである。
おける”状態に基づく動作"を示す低水準流れ図5800A-5
800Cである。
【図５８Ｃ】 それぞれ、各実行流れ図5700A-5700Qに
おける”状態に基づく動作"を示す低水準流れ図5800A-5
800Cである。
おける”状態に基づく動作"を示す低水準流れ図5800A-5
800Cである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グダット アダム ジェイ アメリカ合衆国 イリノイ州 61516 エ ーデルスタイン ピント ドライヴ 523 (72)発明者 クリステンセン ダナ エイ アメリカ合衆国 イリノイ州 61526 エ ーデルスタイン ウェスト ストラットフ ォード 809 (72)発明者 フリードリック ダグラス ダブリュー アメリカ合衆国 イリノイ州 61554 ペ キン エディソン コート 1007 (72)発明者 スタッフォード ダーレル イー アメリカ合衆国 イリノイ州 61525 ダ ンラップ ヒッコリー グローヴ ロード 12151 (72)発明者 センノット ジェームズ ダブリュー アメリカ合衆国 イリノイ州 61701 ブ ルーミングトン ノース リンデン スト リート 418
Claims (26)
- 【請求項１】 自律的なビークルにおいて該ビークルが
所望の径路を追従するようにするための方法であって、
ビークルに所望のビークル径路を与え、該ビークルが該
所望の径路を追従するようにするビークル命令を実行
し、実際のビークル位置を求め、前記実際のビークル位
置と所望のビークル径路の間の誤差を求め、前記実際の
ビークル位置と所望のビークル径路の間の誤差を減少さ
せる、段階からなり、前記減少段階は、前記誤差に基づ
いて、前方距離の位置で前記所望のビークル径路に収斂
するように、前記実際の位置から前記所望のビークル径
路への連続的な径路を、前記実際のビークル位置と前記
所望のビークル経路と前記前方距離に基づく5次の多項
式により計画し、フィードバック補償を用いてビークル
応答特性を補償し、該ビークルが前記連続径路に追従す
るようにする、段階を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載した方法であって、前記
実際のビークル位置と所望のビークル径路の間の誤差を
減少させる前記減少段階は、早期操舵命令をフィードフ
ォウォードすることによるフィードフォーウォード補償
を用いて前記ビークル応答特性の遅れを補償し、ビーク
ルが前記連続径路に追従するようにする段階を含むこと
を特徴とする方法。 - 【請求項３】 請求項２に記載した方法であって、 前記誤差を減少させる前記減少段階は、 ビークル制御命令の遅れ、システムの応答遅れ、及びビ
ークルの地表との相互作用とスリップ角とアンダー/オ
ーバーステアリングを含むビークルの動力学的要因を含
むビークル応答特性を補償するものであることを特徴と
する方法。 - 【請求項４】 請求項１に記載した方法であって、 前記誤差を減少させる前記減少段階は、前記システムの
検知及び作動タイミング特性を補償する段階を含むこと
を特徴とする方法。 - 【請求項５】 自律的なビークルにおいて該ビークルが
所望の径路を追従するようにするための方法であって、
ビークルに所望のビークル径路を与え、該ビークルが該
所望の径路を追従するようにするビークル速度及び操舵
制御命令を実行し、実際のビークル位置を求め、前記実
際のビークル位置と所望のビークル径路の間の誤差を求
め、前記実際のビークル位置と所望のビークル径路の間
の誤差を減少させる、段階からなり、前記減少段階は、
前記誤差に基づいて、前方距離の位置で前記所望のビー
クル径路に収斂するように、前記実際の位置から前記所
望のビークル径路への連続的な径路を、前記実際のビー
クル位置と前記所望のビークル径路とビークル速度に応
じて変わる前記前方距離に基づく5次の多項式により計
画し、フィードバック補償を用いてビークル応答特性を
補償し、該ビークルが前記連続径路に追従するようにす
る、段階を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項６】 自律的なビークルにおいて該ビークルが
所望の径路を追従するようにするためのシステムであっ
て、ビークルに所望のビークル径路を与える手段と、該
ビークルが該所望の径路を追従するようにするビークル
命令を実行する手段と、実際のビークル位置を求める手
段と、前記実際のビークル位置と所望のビークル径路の
間の誤差を求める手段と、前記実際のビークル位置と所
望のビークル径路の間の誤差を減少させる手段と、から
なり、前記減少手段は、前記誤差に基づいて、前方距離
の位置で前記所望のビークル径路に収斂するように、前
記実際の位置から前記所望のビークル径路への連続的な
径路を、前記実際のビークル位置と前記所望のビークル
径路と前記前方距離に基づいて計画する手段と、前記前
方距離をビークル速度に応じて変化させる手段と、から
なることを特徴とするシステム。 - 【請求項７】 自律的なビークルを所望径路に追従させ
るための方法であって、(1)所望径路に沿った正規の単
位距離において基準状態を、長手方向と横方向とヘッデ
ィングと曲線と最大速度と次の状態への距離とを含む該
径路上の特定の位置についての情報のパケットとして求
め、(2)実際のビークル状態を求め、(3)現在の計画時間
間隔に対応する将来時刻における予想ビークル状態を実
際のビークル状態に基づいて求め、(4)次の計画時間間
隔の終わりにおける所望の状態を前記基準状態に基づい
て求め、(5)前記予想ビークル状態と前記所望の状態か
ら操舵角を求め、(6)ビークルに求められた操舵角に操
舵するように命令し、(7)段階(2)から(6)までを繰り返
す、段階からなることを特徴とする方法。 - 【請求項８】 自律的なビークルを所望径路に追従させ
るためのシステムであって、(1)所望径路に沿った正規
の単位距離において基準状態を、長手方向と横方向一と
ヘッディングと曲線と最大速度と次の状態への距離とを
含む該径路上の特定の位置についての情報のパケットと
して求める手段と、(2)実際のビークル状態を求める手
段と、(3)現在の計画時間間隔に対応する将来時刻にお
ける予想ビークル状態を実際のビークル状態に基づいて
求める手段と、(4)次の計画時間間隔の終わりにおける
所望の状態を前記基準状態に基づいて求める手段と、
(5)前記予想ビークル状態と前記所望の状態から操舵角
を求める手段と、(6)ビークルに求められた操舵角に操
舵するように命令する手段と、を備えることを特徴とす
るシステム。 - 【請求項９】 自律的なビークルを所望の径路に追従さ
せるための方法であって、前記所望の径路に沿って、間
隔をもって位置する複数の基準状態を、位置とヘッディ
ングと曲線を有するものとして定め、ビークル上のセン
サからの測定に基づくビークルの検知された状態を求
め、第1の時間間隔の終わりにおける予想状態を前記検
知された状態に基づいて求め、次の時間間隔の終わりに
おける所望状態を前記複数の基準状態に基づいて求め、
前記予想状態と前記所望状態の差に基づいて操舵角を求
め、前記操舵角に基づいて操舵して前記所望径路に追従
するようにビークルに命令する、段階からなることを特
徴とする方法。 - 【請求項１０】 自律的なビークルを所望の径路に追従
させるためのシステムであって、前記所望の径路に沿っ
て、間隔をもって位置する複数の基準状態を、位置とヘ
ッディングと曲線を有するもめとして定める手段と、ビ
ークル上のセンサからの測定に基づくビークルの検知さ
れた状態を求める手段と、現在の計画時間間隔の終わり
における予想状態を前記検知された状態に基づいて求め
る手段と、次の計画時間間隔の終わりにおける所望状態
を前記複数の基準状態に基づいて求める手段と、前記予
想状態と前記所望状態の差に基づいて操舵角を求める手
段と、該操舵角に基づいて操舵して前記所望径路に追従
するようにビークルに命令する手段と、を備えることを
特徴とするシステム。 - 【請求項１１】 ビークルが現在の径路に追従できるよ
うにするビークルのためのシステムであって、所望径路
を少なくとも4次の連続関数で表す管理手段と、前記管
理手段からの前記所望径路と検知されたビークル位置に
ついての位置決めシステムからの入力とに基づいて所望
の操舵角を出力することにより操舵を計画する手段と、
前記操舵計画手段からの所望操舵角とビークルの前記操
舵システムからのフィードバックに応じて操舵サーボ命
令をビークルの操舵システムに出力することによりビー
クルの操舵を制御する手段と、前記管理手段からの所望
速度入力に基づいて所望速度信号を出力することにより
速度を設定する手段と、前記所望速度信号とビークルの
速度システムからフィードバックされた実際の速度の差
に基づいて前記ビークル速度システムに速度命令を出力
することによりビークルの速度を制御する手段と、から
なることを特徴とするシステム。 - 【請求項１２】 ビークルが現在の径路に追従できるよ
うにビークルを作動させる方法であって、(1)所望径路
を少なくとも4次の連続関数で表し、(2)前記所望径路と
検知されたビークル位置とに基づいて所望の操舵角を出
力することにより操舵を計画し、(3)所望操舵角とビー
クルの前記操舵システムからのフィードバックに応じて
操舵サーボ命令をビークルの操舵システムに出力するこ
とによりビークルの操舵を制御し、(4)所望遠度に基づ
いて所望速度信号を出力することにより速度を設定し、
(5)前記所望遠度信号とビークルの速度システムからフ
ィードバックされた実際の速度の差に基づいて前記ビー
クル速度システムに速度命令を出力することによりビー
クルの速度を制御する、段階からなることを特徴とする
方法。 - 【請求項１３】 請求項１２に記載した方法であって、
前記段階(1)は、立方Bスプライン関数から評価される少
なくとも4次の関数として所望径路を表すことを含む方
法。 - 【請求項１４】 請求項１２に記載した方法であって、
前記段階(1)は、時間と無関係な幾何学的曲線である少
なくとも4次の関数として所望径路を表すことを含む方
法。 - 【請求項１５】 ビークルが所定のルートを横切ること
ができるようにするシステムにおける該ビークルが追従
するための径路を生成するシステムであって、前記所定
のルートに沿ったビークルの位置とヘッディングと曲線
を各々が含むビークルの複数の状態を表し該所定のルー
トを形成する複数の径路部分と、該所定のルートの初め
と終わり及び隣接する径路部分間において前記所定のル
ートに沿って位置する複数の節と、を示す所定のルート
のためのルートデータをストアする手段と、前記複数の
径路部分と前記複数の節を状態が連続する関数として表
す圧縮径路データとしてストアし、該圧縮径路データが
前記所定の径路に要求される記憶量を減少させるように
する手段と、所定の径路に関連する圧縮径路データを取
り出す手段と、ビークルが追従する前記取り出された圧
縮径路データから一連の状態を生成して該ビークルが所
内のルートを横切ることができるようにする手段と、か
らなることを特徴とするシステム。 - 【請求項１６】 ビークルが所定のルートを横切ること
ができるようにするシステムにおける該ビークルが追従
するための径路を生成する方法であって、前記所定のル
ートに沿ったビークルの位置とヘッディングと曲線を各
々が含むビークルの複数の状態を表し該所定のルートを
形成する複数の径路部分と、該所定のルートの初めと終
わり及び隣接する径路部分間において前記所定のルート
に沿って位置する複数の節と、を示す所定のルートのた
めのル一トデータをストアし、前記複数の径路部分と前
記複数の節を状態が連続する関数として表す圧縮径路デ
ータとしてストアして、該圧縮径路データが前記所定の
径路に要求される記憶量を減少させるようにし、所定の
径路に関連する圧縮径路データを取り出し、ビークルが
追従するための前記取り出された圧縮径路データから一
連の状態を生成して該ビークルが所内のルートを横切る
ことができるようにする、段階からなることを特徴とす
る方法。 - 【請求項１７】 請求項１６に記載した方法であって、
前記複数の径路部分と前記複数の節をストアする前記段
階は、前記複数の径路部分と前記複数の節をクロソイド
曲線として表す段階を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項１８】 請求項１６に記載した方法であって、
前記複数の径路部分と前記複数の節をストアする前記段
階は、前記複数の径路部分と前記複数の節をBスプライ
ンとして表す段階を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項１９】 請求項１８に記載した方法であって、
前記複数の径路部分と前記複数の節をBスプラインとし
て表す前記段階は、前記複数の径路部分と前記複数の節
から状態の順序を選定し、十分な次数を有するBスプラ
イン関数を前記状態の順序に適合させ、該Bスプライン
関数が連続的であり、前記所定の径路の一部を表すよう
にする、段階を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項２０】 請求項１８に記載した方法であって、
前記複数の径路部分と前記複数の節をBスプラインとし
て表す前記段階は、状態の順序を所定径路全体として選
定し、十分な次数を有するBスプライン関数を前記状態
の順序に適合させ、該Bスプライン関数が連続的であ
り、前記所定の径路の全体を表すようにする、段階を含
むことを特徴とする方法。 - 【請求項２１】 請求項１８に記載した方法であって、
前記複数の径路部分と前記複数の節をストアする前記段
階は、前記複数の径路部分の各々を個別のBスプライン
関数としてストアし、Bスプライン関数全体を前記個別
のBスプライン関数に適合させて圧縮径路データを形成
する、段階を含むことを特徴とする方法 - 【請求項２２】 ビークルを所定のルートに沿って航行
させるための方法であって、(1)各々が2つの節を接続す
る複数のルート部分を含み、該所定のルートを表すルー
トデータをストアし、(2)各径路部分に沿ったビークル
の状態を含む所定のルートのための径路データをストア
し、(3)前記所定のルートを表すルートデータを取り出
し、(4)この取り出されたルートデータの径路データを
取り出し、(5)前記所定のルートの少なくとも一部を表
す径路を取り出された前記径路デー一夕から生成し、
(6)ビークル命令を生成された前記径路に関連させ、(7)
関連させられたビークル命令を実行してビークルが前記
生成した径路に追従するようにし、(8)前記生成された
径路に追従する際の誤差を周期的に計算し、(9)関連さ
せられたビークル命令の実行を、この計算された誤差に
応じて調節して、計算された誤差を減少させ、ビークル
が高度の正確さで生成された径路に追従するようにす
る、段階を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項２３】 請求項２２に記載したビークルを所定
のルートに沿って航行させるための方法であって、生成
された径路に追従する際の誤差を周期的に計算する前記
段階は、(a)ビークルの実際の位置を求め、(b)ビークル
の所望の位置を求め、(C)前記実際の位置を前記所望の
位置と比較して生成された前記径路に追従する際の誤差
を計算する、ことからなる方法。 - 【請求項２４】 請求項２２に記載したビークルを所
定のルートに沿って航行させるための方法であって、関
連させられたビークル命令の実行を調節する前記段階
は、(a)実際の位置から所望の位置にビークルを操舵す
る修正操舵角を動的に求める、段階を含むことを特徴と
する方法。 - 【請求項２５】 請求項２２に記載した方法であって、
(10)ビークルの移動方向にある障害物を検出し、(11)該
障害物との衝突を避ける、段階を含むことを特徴とする
方法。 - 【請求項２６】 請求項２５に記載した方法であって、
衝突を避ける前記段階は、(a)前記障害物との衝突を避
けるためにビークルを停止させ、(b)該障害物のまわり
の第2の径路を生成する、ことを含む方法。
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