JP2005291916A

JP2005291916A - 測位装置

Info

Publication number: JP2005291916A
Application number: JP2004107302A
Authority: JP
Inventors: Masaru Komiyama; 優小宮山; Hitoshi Kitano; 斉北野; Yoshihiko Kuwabara; 義彦桑原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP3963179B2

Abstract

【課題】電波発信器とアンテナ装置との相対位置を高い精度で検出することができる測位装置を提供する。
【解決手段】アンテナ装置２は、電波発信器１からの電波を受信し、アンテナ装置２に設けたアンテナ２１を原点として設定されるアンテナ座標系における電波の到来方向を検出する。アンテナ座標系は三次元の極座標であり、電波発信器１から原点に向かう電波がｚ軸に対してなす角度φと、ｚ軸と電波発信器１とを含む平面がｘ軸に対してなす角度θとを求める。アンテナ装置２では、電波発信器１のｘｙ平面からの距離Ｌｖを既知情報に用いて、アンテナ座標系における電波発信器１とアンテナ２１との相対位置を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電波を送信する電波発信器と、電波発信器からの電波を受信するアンテナ装置とを用い、アンテナ装置により検出される電波の到来方向を検出し、電波の到来方向を用いて電波発信器とアンテナとの位置関係を求める測位装置に関するものである。

従来から、無人搬送車やショッピングカートなどにおいて、人の携帯する電波発信器からの電波の到来方向に向かって自動運転する自走装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。すなわち、自走装置が電波発信器からの電波の到来方向に向かって自動運転し、電波発信器と自走装置との距離が小さくなると電波到来方向を検出するための信号強度が飽和することを利用して自走装置を停止させることにより、電波発信器を持っている操作者に自走装置が衝突するのを防止することが記載されている。

また、特許文献１では、電波の到来方向を知るために単一指向性アンテナを機械的に回転させると小型化や軽量化が難しくなることに鑑みて、受信指向性を電子的に制御可能な電子制御式アレーアンテナを用いることが提案されている。電子制御式アレーアンテナとしては、モノポールである励振素子の周囲に等角度間隔で非励振素子を配置してあり、非励振素子に接続した可変リアクタンスのリアクタンス値を変化させることにより指向特性を変化させるものを用いている。
特開２００３−１７７８２０号公報（第０００７段落、図１２）

一方、工場内で用いる無人搬送車においては、無人搬送車が自走する領域内の地図情報を持ち、地図情報を用いて目的位置に到達するように走行するものが知られている。この種の無人搬送車では、自走する領域内で自己位置を知らなければ地図情報を用いることができない。また、工場内において用いる無人搬送車では、通過可能な経路が比較的狭いから、自己位置を比較的高い精度で検出することが要求される。

すなわち、特許文献１に記載の技術のように、電波の受信強度がもっとも高くなる方向に自走装置を向けるのではなく、自走装置の自己位置を比較的高い精度で検出することが要求される。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、電波発信器とアンテナ装置との相対位置を高い精度で検出することができる測位装置を提供することにある。

請求項１の発明は、電波を送信する電波発信器と、電波発信器からの電波を受信するアンテナを備えアンテナを原点として設定されるアンテナ座標系における電波の到来方向を検出するアンテナ装置と、アンテナ座標系の１つの基準軸と電波発信器とを含む平面内において前記基準軸の軸方向におけるアンテナと電波発信器との距離を既知情報に用いて前記到来方向からアンテナ座標系における電波発信器とアンテナとの相対位置を算出する位置演算手段とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、電波発信器からの電波の到来方向と既知情報とを用いて電波発信器とアンテナとの相対位置を算出するから、電波の到来方向を精度よく求めることによって、電波発信器とアンテナとの相対位置を精度よく検出することが可能になる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記アンテナ座標系は三次元の極座標であって、前記アンテナ装置は、アンテナ座標系の原点と前記電波発信器とを結ぶ直線が前記基準軸に対してなす第１の角度と、前記基準軸と電波発信器とを含む平面がアンテナ座標系の他の基準軸に対してなす第２の角度とを前記到来方向として同時に計測することを特徴とする。

この構成によれば、三次元の極座標について２方向を同時に計測することができるから、三次元空間において電波発信器とアンテナとが相対的に移動する場合であっても、三次元空間での相対位置を短時間で算出することが可能になる。すなわち、相対的な移動を伴う場合でもほぼ実時間で位置の追跡が可能になる。

請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記アンテナは複数個のパラサイト素子を備えパラサイト素子の負荷状態を切り替えることにより受信指向性を変化させる電子走査アンテナであって、アンテナ装置は、電子走査アンテナの負荷状態を時間変化させたときの負荷状態ごとの受信強度から求めた相関行列の成分からなるベクトルを入力とし、前記第１の角度と前記第２の角度とにそれぞれ対応した出力値を出力するニューラルネットワークを備えることを特徴とする。

この構成によれば、パラサイト素子の負荷状態を時間変化させることにより受信指向性を変化させたときの複数の受信強度を用いて第１の角度および第２の角度に相当する出力値を出力させるのであって、ニューラルネットワークを用いることで第１の角度および第２の角度に相当する出力値を同時に得ることができる。また、使用環境に応じてニューラルネットワークを学習させることにより、電波発信器からの直接波だけではなく間接波もアンテナで受信しているような場合でも、電波発信器とアンテナとの相対位置を精度よく求めることが可能になる。

請求項４の発明では、請求項３の発明において、前記ニューラルネットワークの出力は、前記第１の角度および前記第２の角度の正弦および余弦の４つの出力値であることを特徴とする。

この構成によれば、ニューラルネットワークが４種類の出力値を同時に出力するように構成されているから、４種類の情報を組み合わせて第１の角度および第２の角度を求めることができ、ニューラルネットワークのみで第１の角度および第２の角度を求める場合に比較すると、結果の精度および信頼性が高くなる。

請求項５の発明では、請求項２の発明において、前記アンテナは複数個のパラサイト素子を備えパラサイト素子の負荷状態を切り替えることにより受信指向性を変化させる電子走査アンテナであって、アンテナ装置は、前記第１の角度および第２の角度の組と各パラサイト素子に対応するアンテナ出力を成分に持つステアリングベクトルとを対応付けたテーブルと、電子走査アンテナの負荷状態を時間変化させたときの負荷状態ごとの受信強度から求めた相関行列の成分からなるベクトルを入力とし、当該ベクトルとテーブルに格納したステアリングベクトルとの距離が小さいほど値が大きくなるように設定した評価関数の演算を行い、評価関数が最大になるステアリングベクトルをテーブルから求め当該ステアリングベクトルに対応する第１の角度および第２の角度との組を出力する評価演算手段とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、第１の角度および第２の角度の組と既知のステアリングベクトルとを対応付けたテーブルをあらかじめ作成しておき、アンテナの出力から得られたベクトルとステアリングベクトルとの距離に相当する評価関数を用いてアンテナの出力を評価するから、既知のステアリングベクトルとの距離がもっとも小さくなるように第１の角度および第２の角度を決定することで、第１の角度および第２の角度を再現性よく検出することができる。

請求項６の発明では、請求項１の発明において、前記アンテナ装置は、前記基準軸の軸方向におけるアンテナと電波発信器との距離を計測する計測手段を備えることを特徴とする。

この構成によれば、計測手段により求めた距離を前記既知情報として用いることができ、電波発信器とアンテナとの相対位置を求めるために必要な既知情報をあらかじめ与えておく必要がなく、導入の際の手間が少なくなる。

請求項７の発明では、請求項１ないし請求項６の発明において、前記電波発信器と前記アンテナ装置とを含む空間に固定的に設定されアンテナ座標系の前記基準軸が平行になる基準軸を備えた絶対座標系における他の基準軸の方位を検出する方位検出手段を備え、前記位置演算手段は、別途求めた電波発信器の絶対座標系における座標位置と方位検出手段で求めた方向に基づいて前記アンテナ座標系から絶対座標系に座標変換することにより、電波発信器に対するアンテナの位置を絶対座標系において求めることを特徴とする。

この構成によれば、絶対座標系におけるアンテナの位置を求めることが可能になる。

請求項８の発明では、請求項７の発明において、絶対座標系の１つの基準軸に対してアンテナ座標系の前記基準軸を平行に保つ傾斜防止手段を設けたことを特徴とする。

この構成によれば、傾斜防止手段により絶対座標系に対するアンテナの傾きが防止されるから、電波の到来方向を正確に求めることができる。

請求項９の発明では、請求項７の発明において、絶対座標系の１つの基準軸に対するアンテナ座標系の前記基準軸の傾斜角度を検出する傾きセンサと、傾きセンサにより検出された傾斜角度に応じて前記電波発信器からの電波の到来方向の補正演算を行う補正演算手段とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、絶対座標系に対してアンテナが傾いている場合でも補正演算により電波発信器からの電波の到来方向を精度よく求めることができる。

本発明の構成によれば、電波発信器からの電波の到来方向と既知情報とを用いて電波発信器とアンテナとの相対位置を算出するから、電波の到来方向を精度よく求めることによって、電波発信器とアンテナとの相対位置を精度よく検出することが可能になるという利点がある。

以下に説明する実施形態は、図１に示すように、定位置に設置した電波発信器１と、電波発信器１からの電波の到来方向を検出するアンテナ装置２とを用い、電波発信器１とアンテナ装置２との相対位置を算出するものである。説明を簡単にするために、電波発信器１は高所に配置され、アンテナ装置２は電波発信器１からの電波を受信可能な領域において電波発信器１との相対高さＬｖを変化させることなく移動するものとする。この例は、アンテナ装置２を工場内で地上を走行する無人搬送車に設ける場合に相当する。

まず、アンテナ装置２に設けたアンテナ２１に原点を設定したアンテナ座標系（座標軸を小文字で表記した座標系）において、電波発信器１とアンテナ装置２との相対位置を求める場合について説明する。アンテナ座標系においてアンテナ２１が水平面に対して傾かないものとすれば、アンテナ座標系の１つの基準軸であるｚ軸と電波発信器１とアンテナ２１とを含む平面内で、ｚ軸方向における電波発信器１とアンテナ２１との距離は上述した相対高さＬｖであって既知情報になる。したがって、電波発信器１からアンテナ２１への電波の到来方向がわかれば、電波発信器１とアンテナ２１との水平面内での距離Ｌｈを求めることができる。ここで、電波の到来方向φをｚ軸に対する角度として求めるとすれば、距離Ｌｈは、Ｌｈ＝Ｌｖ・ｔａｎφになる。この関係は、アンテナ装置２が水平面に平行な面内で移動するものとすれば、ｘ軸およびｙ軸の向きにかかわらず成立する。

一方、無人搬送車に使用する場合には無人搬送車が走行する空間内での無人搬送車の向きが変化すると、アンテナ座標系におけるｚ軸と電波発信器１とアンテナ２１とを含む平面がｘ軸に対してなす角度θが変化し、無人搬送車が走行する空間に設定した絶対座標系（座標軸を大文字で表記した座標系）での無人搬送車の位置が変化しなくとも向きが変化するだけでアンテナ２１での受信状態に変化が生じることになる。したがって、絶対座標系での無人搬送車の位置を検出しようとすれば、角度θを電波の到来方向として求めることによって、アンテナ座標系における電波発信器１の三次元位置を求め、さらに絶対座標系とアンテナ座標系との間で座標変換が必要になる。また、絶対座標系における電波発信器１の座標位置も必要である。アンテナ座標系のｚ軸が絶対座標系のＺ軸に平行であるように条件が拘束されているときには、アンテナ座標系におけるｘ軸（またはｙ軸）と絶対座標系におけるＸ軸（またはＹ軸）とがなす角度とがわかれば、アンテナ座標系を絶対座標系に座標変換することができる。つまり、絶対座標系における電波発信器１の位置は既知情報として別途に与えることができるから、絶対座標系において無人搬送車が走行する向き（ｘ軸またはｙ軸に相当する）がわかれば、アンテナ座標系における電波発信器１の三次元位置を用いて、絶対座標系におけるアンテナ２１の位置を特定することができる。無人搬送車が走行する向きを求める技術は周知の種々技術を用いることができる。

上述した例はアンテナ座標系におけるｚ軸が絶対座標系におけるＺ軸と平行であることを前提条件としているが、無人搬送車が傾斜面を移動する場合のように、アンテナ座標系のｚ軸が絶対座標系のＺ軸に対して傾いている場合には、無人搬送車の走行する向きだけではなく、傾きについても検出する必要がある。たとえば、無人搬送車がｙ軸方向に走行するものとすれば、ｘ軸回りでの傾きの角度であるピッチと、ｙ軸回りでの傾きの角度であるロールとを検出することが必要になる。絶対座標系において無人搬送車が走行する向きはｚ軸回りの傾き角度であるからヨーに相当し、このことから、ピッチ、ロール、ヨーを求めると、アンテナ座標系から絶対座標系への座標変換が完全なものになると言える。

以上説明したことをまとめると、以下の３種類の場合分けが可能である。すなわち、第１の場合として、電波発信器１とアンテナ２１とのｚ軸方向の距離Ｌｖが既知情報であるときに、電波発信器１とアンテナ２１との水平面での距離Ｌｈを求めるには、電波発信器１からアンテナ２１に到来する電波のアンテナ座標系におけるｚ軸に対する到来方向φがわかればよい。第２の場合として、アンテナ座標系におけるｚ軸が絶対座標系におけるＺ軸と平行であるときに、絶対座標系におけるアンテナ２１の位置を求めるには電波発信器１からアンテナ２１に到来する電波のアンテナ座標系におけるｚ軸に対する到来方向φだけではなく、ｘ軸に対する到来方向θと、アンテナ座標系でのｘ軸（またはｙ軸）が絶対座標系でのＸ軸（またはＹ軸）に対してなす角度であるヨーとが必要である。第３の場合は、アンテナ座標系におけるｚ軸が絶対座標系におけるＺ軸に対して傾く可能性がある場合であって、絶対座標系におけるアンテナ２１の位置を求めるために、電波発信器１からアンテナ２１に到来する電波のアンテナ座標系におけるｚ軸とｘ軸とに対する到来方向φ，θと、アンテナ座標系の絶対座標系に対するピッチ、ロール、ヨーとを求めることになる。

上述のように、アンテナ装置２にはアンテナ２１への電波の到来方向φ（または、φ，θ）を検出する機能が要求される。そこで、アンテナ２１には受信指向性を変化させることができる電子制御式のアレイアンテナ（つまり、電子走査アンテナ）を用いる。この種の電子走査アンテナとしてはフェーズドアレイの原理を用いるものが知られているが、一般にフェーズドアレイの原理によるアンテナ２１では、電波発信器１からの電波の到来方向を求める演算の計算量が多くなる。

そこで、アンテナ２１には、図２（ａ）に示すように、リアクタンスの切り替えが可能なパラサイト素子２１ｂを放射素子２１ａの周囲に等間隔で複数個（図示例では６個）配列した電子走査アンテナ（以下では、「パラサイト負荷切替型アンテナ」と呼ぶ）を用いる。図２では放射素子２１ａおよびパラサイト素子２１ｂを楕円で示しているが、図は実際の素子形状を表しているのではなく、放射素子２１ａおよびパラサイト素子２１ｂの素子形状としては種々のものを用いることができる。たとえば、放射素子２１ａおよびパラサイト素子２１ｂを、ポスト状に形成したり印刷配線基板に平面パターンとして形成したりすることができる。

パラサイト素子２１ｂは、図２（ｂ）のように、放射素子２１ａと同様に２端子を有しており、一方の端子をスイッチ素子２１ｃを介して開放するか接地するかを選択することにより、リアクタンスを２段階に変化させることができるようにしてある。放射素子２１ａとパラサイト素子２１ｂとの距離はたとえば使用波長の２分の１よりもやや短い程度に設定されており、スイッチ素子２１ｃによりパラサイト素子２１ｂを開放するか接地するかを切り替えることにより、放射素子２１ａの周囲の受信指向性を変化させることが可能になっている。したがって、アンテナ２１を使用するにあたっては、６個のパラサイト素子２１ｂのうちの１個だけが順次接地されるように、各パラサイト素子２１ｂに設けたスイッチ素子２１ｃをサイクリックに制御する。各パラサイト素子２１ｂに接続したスイッチ素子２１ｃを１回ずつ接地するのに要する時間（つまり、１回の切替周期）は、電波発信器１からの電波をアンテナ２１で受信する際の受信状態が切替周期内で変化しない程度の短い時間に設定される。

パラサイト負荷切替型アンテナを用いてアンテナ座標系における電波発信器１の三次元位置を求めるには、まず、パラサイト素子２１ｂを順次接地したときに放射素子２１ａにおいて得られた受信出力ｘ_ｉ（ｔ）（ｉ＝１，２，……，６）を成分に持つ数１に示す受信ベクトル［ｘ（ｔ）］を用いて数２に示す相関行列Ｒｘｘを生成する。ここに、各受信出力ｘ_ｉ（ｔ）は実部と虚部とを有している。また、［ｘ］はｘがベクトルであることを示す。なお、受信ベクトル［ｘ（ｔ）］の成分である受信出力ｘ_ｉ（ｔ）は同時刻に得られたものではないが、切替周期が短いから実質的に同時刻で得られたとみなしている。

ただし、Ｅ［［ｘ］］はアンサンブル平均を表す。相関行列Ｒｘｘを評価してアンテナ座標系における電波の到来方向を求める方法には、学習済みのニューラルネットワークを用いる方法と、インターフェロメータと称する評価関数を用いる方法とがある。

ニューラルネットワークを用いる場合には、図３に示すように、ニューラルネットワーク２３の前段に前置処理手段２２を設け、前置処理手段２２において受信ベクトルｘ（ｔ）から相関行列Ｒｘｘを求めた後、相関行列Ｒｘｘの成分のうち、数３に示す成分を持つベクトル［ｂ］を生成し、このベクトル［ｂ］を規格化する。ベクトル［ｂ］は、相関行列Ｒｘｘの主対角線に対する右側の成分について実部Ｒｅ（ｒ_ｉｊ）と虚部Ｉｍ（ｒ_ｉｊ）とを順に並べた成分を有している。

ニューラルネットワーク２３は、入力層と中間層と出力層とを備えるＲＢＦニューラルネットワークであって、ニューラルネットワーク２３の中間層のニューロンは、数４のように設定してある。

ニューラルネットワーク２３により求めようとする値は、図１に示した電波の到来方向φ，θであるから、たとえば、ニューラルネットワーク２３を２種類の出力値ｆ_１（［ｘ］），ｆ_２（［ｘ］）が得られるように構成し、ｆ_１（［ｘ］）＝φ、ｆ_２（［ｘ］）＝θとして、（φ，θ）が既知である複数箇所の教示点に無人搬送車を移動させたときに得られる受信ベクトル［ｘ（ｔ）］でニューラルネットワーク２３に教示付き学習を行わせる。教示付き学習により、数５におけるパラメータｘ_ｊ、σ_ｊ ^２、ω_ｍｊの学習が行われ、教示点以外の箇所での到来方向φ，θを求めることが可能になる。ニューラルネットワーク２３に学習させる際には、アンテナ２１において受信した電波が電波発信器１からの直接波か間接波かにかかわらず、学習したパラメータｘ_ｊ、σ_ｊ ^２、ω_ｍｊに電波の到来方向φ，θが折り込まれるから、間接波が存在している環境下においても間接波が定常的であって無人搬送車の走行する領域内で時間変化を伴わなければ到来方向φ，θを推定することができる。

ニューラルネットワーク２３から到来方向φ，θの２種類の出力値を出力するのではなく、到来方向φ，θについてそれぞれ正弦および余弦を出力するように４種類ｆ_１（［ｘ］），ｆ_２（［ｘ］），ｆ_３（［ｘ］），ｆ_４（［ｘ］）の出力値を出力する構成とし、ｆ_１（［ｘ］）＝ｃｏｓφ，ｆ_２（［ｘ］）＝ｓｉｎφ，ｆ_３（［ｘ］）＝ｃｏｓθ，ｆ_４（［ｘ］）＝ｓｉｎθとしてもよい。この場合には、たとえば、数６における各パラメータｘ_ｊ、σ_ｊ ^２、ω_ｍｊを教示点で学習させればよい。

ニューラルネットワーク２３から到来方向φ，θについてそれぞれ正弦および余弦を出力する構成を採用すれば、到来方向φ，θは、次式で求めることができ、２種類の出力値のみを用いる場合に比較すると、多くの情報を用いていることにより、到来方向を求める精度が高くなる。次式におけるｉは虚数単位である。
φ＝ａｒｇ｛ｆ_１（［ｘ］）＋ｉｆ_２（［ｘ］）｝
θ＝ａｒｇ｛ｆ_３（［ｘ］）＋ｉｆ_４（［ｘ］）｝
上述した説明から明らかなように、ニューラルネットワーク２３から４種類の出力値ｃｏｓφ，ｓｉｎφ，ｃｏｓθ，ｓｉｎθを出力する場合には、到来方向φ，θを求める演算をニューラルネットワーク２３とは別に行う必要があるから、ニューラルネットワーク２３の後段に設けた位置演算手段２４を用いて上式の演算を行い到来方向φ，θを算出する。

一方、インタフェロメータと称する評価関数を用いて到来方向φ，θを求める場合には、図４に示すように、図３に示したニューラルネットワーク２３に代えて評価関数を求める評価演算手段２５と、電波の到来方向φ，θにアンテナ２１の出力から求めたステアリングベクトルと称するベクトル値を対応付けたテーブル２６とを用いる。

ステアリングベクトルは、実測値または理論値に基づいて求められるものであり、受信アンテナ２１に対して信号ベクトル［ｓ（ｔ）］が到来方向（φ，θ）から到来したときの受信出力ｘ（ｔ）を、次式で表したときに得られる［ａ（φ，θ）］を意味する。
ｘ（ｔ）＝［（Ｕ＋ＹＺ）^−１［ｙ_ｏ］］^Ｔ［ａ（φ，θ）］［ｓ（ｔ）］
ただし、Ｕは単位行列、Ｙは相互アドミタンス行列、Ｚはインピーダンス行列、［ｙ_０］は相互アドミタンス行列Ｙの第１列ベクトルである。上式は受信出力ｘ（ｔ）を、放射素子２１ａと各パラサイト素子２１ｂとのそれぞれの組からなる各アンテナの出力の合成とみなしており、ステアリングベクトル［ａ（φ，θ）］は、放射素子２１ａと各パラサイト素子２１ｂとのそれぞれの組からなる各アンテナの出力を成分に持つベクトルと言える。

図４に示す構成では、図３に示したニューラルネットワーク２３を用いる場合と同様に、前置処理手段２２において受信ベクトル［ｘ（ｔ）］から相関行列Ｒｘｘを求めており、相関行列Ｒｘｘが評価演算手段２５への入力になる。評価演算手段２５は、既知の到来方向（φ，θ）についてあらかじめ求めてテーブル２６に格納してある複数点のステアリングベクトル［ａ（φ，θ）］を用いて数７に示す評価関数Ｐ_ｉｎｔｒ（φ，θ）を求める。この評価関数Ｐ_ｉｎｔｒ（φ，θ）の分母は、相関行列Ｒｘｘの各成分とテーブル２６に格納したステアリングベクトル［ａ（φ，θ）］との距離に相当しており、評価関数Ｐ_ｉｎｔｒ（φ，θ）は電波発信器１からの電波の到来方向φ，θについてたとえば図５のように分布する。ここで、評価関数Ｐ_ｉｎｔｒ（φ，θ）が最大になるステアリングベクトル［ａ（φ，θ）］に対応する到来方向（φ，θ）は、電波発信器１からの電波の到来方向φ，θとみなすことができる。

上述した技術では、電波の到来方向として図１に示す２つの角度φ，θを求めているが、図１に示す距離Ｌｈのみを求める場合には角度φのみを求めればよいから、上述の説明から角度θに関する構成を省略すればよい。距離Ｌｈの算出は、ニューラルネットワーク２３あるいは評価演算手段２５の後段に設けた位置演算手段２４が行う。ここに、アンテナ座標系のｚ軸方向におけるアンテナ２１と電波発信器１との距離Ｌｖは、ｚ軸に直交する床面のような基準面からアンテナ２１までの距離ｈ１と、同じ基準面から電波発信器１までの既知の距離ｈ２との差分｜ｈ２−ｈ１｜を用いる。つまり、基準面からアンテナ２１までの距離ｈ１がわかればよいから、基準面からアンテナ２１までの距離ｈ１を一定に保つか、測距センサを用いて基準面とアンテナ２１との距離を計測する。

測距センサには、周知のものを用いることができ、たとえば超音波を床面に向かって間欠的に発信し、超音波の発信から受信までの時間を距離に換算する構成の測距センサ、レーザのような光ビームを床面に照射し、ＰＳＤのような位置センサによる受光位置の変化を三角測量法により距離に換算する構成の測距センサ、床面に照射する光を強度変調しておき、照射した光と受光した光との強度変調の位相差を距離に換算する構成の測距センサなどを用いることができる。すなわち、測距センサはアンテナ座標系の１つの基準軸であるｚ軸方向における電波発信器１とアンテナ２１との距離を計測しているから、位置演算手段２４に与える既知情報を求める計測手段２７として機能する。

上述の例では、基準面として床面を例示しているが、ｚ軸に直交する天井面に電波発信器１が取り付けられている場合には、電波発信器１を取り付けた天井面を基準面し、測距センサによりアンテナ２１から天井面までの距離を求め、この距離を距離Ｌｖとして用いることが可能である。

図１に示す２つの角度φ，θを用いる場合には、距離Ｌｖと合わせて用いることにより、アンテナ座標系における電波発信器１の三次元位置を求めることができる。したがって、アンテナ座標系から絶対座標系に座標変換すれば、既知である絶対座標系における電波発信器１の座標位置を用いて絶対座標系におけるアンテナ２１の位置を知ることができる。絶対座標系における電波発信器１の座標位置は、電波発信器１にあらかじめ与えておいてアンテナ装置２に転送するか、あるいはアンテナ装置２において電波発信器１の設置位置を地図情報として保有しておく。以下では、絶対座標系におけるアンテナ２１の位置を求める技術について説明する。

上述したように、アンテナ座標系のｚ軸と絶対座標系のＺ軸とが平行であるときには、絶対座標系に対するアンテナ座標系のヨーを求めればよいから、絶対座標系のＸＹ平面において設定した基準方位を検出する方位検出手段２８としての方位センサを設け、方位センサで得られる基準方位に対するアンテナ２１の向きを検出すればよい。たとえば、基準方位は、たとえば地磁気により求めた北とすることができる。いま、絶対座標系におけるＸ軸の正の向きを基準方位とし、角度は原点の周りで左周りにとるものとして、方位センサではアンテナ座標系のｘ軸が絶対座標系のＸ軸に対してなす角度θ′を求めることができるから、アンテナ２１の出力から求めた電波の到来方向θを用いることにより、絶対座標系での電波発信器１の方位は、θ＋θ′になる。すなわち、方位検出手段２８は計測手段２７とともに位置演算手段２４に既知情報を与える。

もっとも、この関係が成立するには、ｘ軸とＺ軸とが平行であるという条件が満たされていなければならず、通常は無人搬送車の走行に伴って絶対座標系のＸＹ平面に対してアンテナ２１が傾くのであって、アンテナ２１が傾くと受信条件が変化し、上述したニューラルネットワーク２３や評価演算手段２５を用いても電波の到来方向φ，θを正確に求めることができなくなる。したがって、絶対座標系に対するアンテナ２１の傾斜角度を傾きセンサにより検出するとともに、絶対座標系のＸＹ平面に対するアンテナ２１の傾斜角度を調節可能な駆動装置を設け、傾斜角度（つまり、ピッチとロール）が０に保たれるようにフィードバック制御を行うのが望ましい。傾きセンサとしては、ジャイロセンサを用いることが可能であり、駆動装置としてはピエゾ効果を利用する電歪素子を用いれば高速な応答が期待できる。ただし、傾きが比較的小さい場合には、傾斜角度に応じて電波の到来方向の補正演算が可能であるから、補正演算手段を設け傾きセンサの出力を用いて電波の到来方向の補正演算を行うようにしてもよい。

ＸＹ平面に対するアンテナ２１の傾斜を防止するためには、傾きセンサの検出結果で駆動装置を制御する構成のほか、アンテナ２１に所要の慣性質量を付与しておき、無人搬送車の本体に対してばねのような弾性体で支持する構成を採用してもよい。このような構成であれば、無人搬送車が段差を乗り越えるときのように加速度が作用する場合であってもアンテナ２１に作用する加速度を緩和して、アンテナ２１の傾斜を抑制することができる。要するに、絶対座標系のＸＹ平面に対してアンテナ２１が傾斜しないようにする傾斜防止手段を設けるか、傾斜角度に対する補正演算を行う。

上述した電波発信器１は無人搬送車が走行する領域内でアンテナ２１により受信可能な電波を送信しているものであれば、どのようなものでも利用することができるから、工場内において既設である無線ＬＡＮのアクセスポイントのようにデータ通信用に設けた固定局からの電波を利用することが可能である。この場合に、アンテナ２１を電波発信器１の位置検出に用いるだけではなく、データ通信のためのアンテナとしても兼用するのが望ましい。アンテナ２１を位置検出とデータ通信とに兼用する場合には、位置検出の期間とデータ通信の期間とを短い周期で交互に繰り返す動作を行えばよい。アンテナ２１にはパラサイト負荷切替型アンテナを用いているから、受信指向性が制御可能であって、位置検出期間に検出した電波発信器１の位置に基づいて、データ通信期間には電波発信器１の存在する方向に受信指向性を持たせるようにパラサイト素子のリアクタンスを制御すれば、データ通信の際に不要方向から到来するノイズを抑制することができ、データ通信における通信エラーの発生を低減することができる。

データ通信の内容としては、無人搬送車への制御指示や無人搬送車からの動作状態の報告のほか、絶対座標系における電波発信器１の座標位置を伝送すれば、無人搬送車では、保有している地図情報を用いて走行している正確な位置を把握することが可能になる。すなわち、床面に走行経路を案内するテープなどを貼らなくとも、無人搬送車は地図情報を用いて自律的に走行することが可能になる。

上述した例では、１台の電波発信器１のみを対象にして説明したが、無人搬送車を走行させる区間では、実際には複数台の電波発信器１が配置されることが多い。つまり、アンテナ装置２では複数台の電波発信器１からの電波を同時に受信することになる。また、近年では無線ＬＡＮのようなデータ通信に用いる周波数帯に他の種々の目的に用いる電波も含まれるから、電波発信器１以外からの電波もアンテナ装置２において受信することになる。

そこで、電波発信器１にはそれぞれ固有のＩＤ（識別子）を付与してあり、電波発信器１からはそれぞれのＩＤを付与したパケットを送信するようにしてある。アンテナ装置２では、データ通信の際だけではなく、位置検出の際にもパケットに含まれるＩＤを認識し、ＩＤごとに電波発信器１の位置を検出するようにしてある。このように、電波発信器１のＩＤを利用することにより、不要電波による位置検出の誤差を抑制することができる。また、複数台の電波発信器１からの電波を同時に受信可能な場合には、各電波発信器１からの電波に基づいて求めたアンテナ２１の位置について、重心位置を求めたり、重み付け演算（たとえば、受信強度に比例した重みを付けた荷重平均）によって位置を求めることにより、１台の電波発信器１のみを対象として位置を決定する場合よりも、位置の検出精度を高めることが可能になる。

アンテナ２１での不要な電波の受信を軽減する技術としては、電波発信器１からの送信する電波に指向性を付与することも考えられる。一般に、無人搬送車が走行する経路は分岐点や交差点を除けば一本線であるから、電波発信器１を無人搬送車の走行経路の上方に配置し、電波発信器１から電波を送信する際に走行経路に沿う方向に指向性を付与しておけば、間接波が発生する確率を大幅に低減することができ、アンテナ装置２において直接波を主成分とした位置検出を行わせることができ、電波発信器１からの電波に指向性を付与していない場合に比較して位置検出の精度を高めることができる。

上述のように、絶対座標系における無人搬送車の位置を検出する位置検出手段としてアンテナ装置２を設ける場合に、無人搬送車に他の位置検出手段（走行距離を検出するエンコーダや物体との距離を計測するレーザレーダなど）も併せて搭載しておき、互いに補完するように用いるのが望ましい。つまり、いずれかの位置検出手段では位置を正確に検出できない状況でも、他の位置検出手段で位置を検出することが可能になる。たとえば、アンテナ装置２で電波発信器１からの電波を受信することにより求めた位置の変化率が規定の閾値以上である場合（つまり、所定の短時間内で位置が規定値以上に変動した場合）や、アンテナ装置２での電波の受信強度の変化率が急変した場合などには、電波発信器１とアンテナ２１との間に障害物が存在すると推定し、アンテナ装置２により検出した位置を採用せず、他の位置検出手段で検出した位置を用いる。あるいはまた、複数の位置検出手段で求めた位置に対してファジー論理などを適用することで位置検出の精度を高めることも可能である。

実際に無人搬送車を自律的に走行させる際には、初期状態においてアンテナ装置２では電波発信器１からの直接波を受信していることが必要であるから、立ち上げ時には直接波を受信できる位置においてキャリブレーションを行う必要がある。また、キャリブレーションの後には、絶対座標系のＸＹ平面に対してアンテナ２１が傾かないように保持した状態でアンテナ２１（無人搬送車）を教示点に移動させ、直接波を受信している状態（間接波が存在していてもよいが直接波が受信できる状態）でニューラルネットワーク２３の学習を行ったり、テーブル２６を設定したりする。

ところで、上述した構成例は、電波発信器１を定位置に固定し、アンテナ装置２を無人搬送車に設けている場合について説明したが、アンテナ装置２を定位置に固定し電波発信器１を無人搬送車に搭載する構成を採用しても、絶対座標系における無人搬送車の位置検出が可能である。この場合、アンテナ２１は定位置に固定されているから、絶対座標系に設定した基準方位（たとえば、Ｘ軸方向の正の向き）にアンテナ座標系の１つの座標軸を一致させることができ、方位センサを用いることなく絶対座標系での無人搬送車の位置検出が可能になる。また、上述のような間接波の影響を許容するのであれば、電波発信器１は無指向性でよく、無人搬送車のピッチやロールの傾きは位置検出にほとんど影響しないから無人搬送車の傾きに対してアンテナ２１の傾きを防止する装置や傾きに対する補正演算は不要になる。

ただし、無人搬送車の位置はアンテナ装置２で検出しているから、電波発信器１を搭載している無人搬送車に対してアンテナ装置２で検出した位置をデータ通信により通知する必要がある。したがって、電波発信器１とアンテナ装置２との間でのデータ通信の通信速度は無人搬送車の走行速度との兼ね合いで決定され、比較的高速であることが要求される。

上述した各構成例は、電波発信器１とアンテナ装置２との一方が定位置に固定され、絶対座標系での無人搬送車の位置を検出するものであったが、複数台の無人搬送車を設け、いずれか１台の無人搬送車に対して他の無人搬送車が追従して走行する構成とする場合には、先導する無人搬送車に電波発信器１を設け、追従する無人搬送車にアンテナ装置２を設ければよい。ここでは、説明を簡単にするために２台の無人搬送車が存在し、一方に電波発信器１が搭載され、他方にアンテナ装置２が搭載されているものとする。

この場合、アンテナ装置２を備える無人搬送車には、アンテナ装置２で得られるアンテナ座標系での電波発信器１の位置に基づいて、電波発信器１を備える無人搬送車に対して規定した距離間隔および規定した角度で追従して走行するようにプログラムを設定したマイクロコンピュータからなる走行制御手段を設けておく。電波発信器１を備える無人搬送車を何らかの情報に基づいて走行させれば、アンテナ装置２を備える無人搬送車は電波発信器１を搭載した無人搬送車に追従して走行する。

上述のように、電波発信器１を設けた無人搬送車とアンテナ装置２を設けた無人搬送車とを各別に設けてもよいが、この組み合わせでは主従の関係が常に一定である。そこで、アンテナ２１を送信と受信とに兼用し、送信用の回路と受信用の回路とをアンテナ切替器を介してアンテナ２１に接続すれば、アンテナ切替器での切替によて無人搬送車の主従の関係を入れ替えることができる。

このような構成を採用すれば、複数台の無人搬送車が互いに他の無人搬送車の相対位置を知ることが可能になる。また、いずれかの無人搬送車について絶対座標系での位置がわかれば、互いに他の無人搬送車の絶対位置を知ることが可能になる。その結果、複数台の無人搬送車が互いに他の無人搬送車の位置情報を用いて協調するように動作することが可能になり、複数台の無人搬送車を連携動作させることが可能になる。ただし、協調の内容については別途に定義することが必要である。

なお、アンテナ２１としては、上述したパラサイト負荷切替型アンテナ以外に、他のアレイアンテナを用いることも可能である。また、無人搬送車を自律的に走行させる場合を例としたが、他の移動体でも上述した技術思想は適用可能である。上述した前置処理手段２２、位置演算手段２４、評価演算手段２５、テーブル２６はマイクロコンピュータにより容易に実現することができる。ニューラルネットワーク２３については、マイクロコンピュータを用いてソフトウェアシミュレーションにより構成してもよいが、専用のハードウェアで構成するのが望ましい。

本発明の実施形態の原理説明図である。同上に用いるアンテナの一例を示し、（ａ）は概略構成図、（ｂ）はパラサイト素子の原理説明図である。同上に用いるアンテナ装置の一例を示すブロック図である。同上に用いるアンテナ装置の他例を示すブロック図である。図４に示したアンテナ装置の動作例を示す図である。

符号の説明

１電波発信器
２アンテナ装置
２１アンテナ
２１ａ放射素子
２１ｂパラサイト素子
２３ニューラルネットワーク
２４位置演算手段
２５評価演算手段
２６テーブル
２７計測手段
２８方位検出手段

Claims

電波を送信する電波発信器と、電波発信器からの電波を受信するアンテナを備えアンテナを原点として設定されるアンテナ座標系における電波の到来方向を検出するアンテナ装置と、アンテナ座標系の１つの基準軸と電波発信器とを含む平面内において前記基準軸の軸方向におけるアンテナと電波発信器との距離を既知情報に用いて前記到来方向からアンテナ座標系における電波発信器とアンテナとの相対位置を算出する位置演算手段とを備えることを特徴とする測位装置。
前記アンテナ座標系は三次元の極座標であって、前記アンテナ装置は、アンテナ座標系の原点と前記電波発信器とを結ぶ直線が前記基準軸に対してなす第１の角度と、前記基準軸と電波発信器とを含む平面がアンテナ座標系の他の基準軸に対してなす第２の角度とを前記到来方向として同時に計測することを特徴とする請求項１記載の測位装置。
前記アンテナは複数個のパラサイト素子を備えパラサイト素子の負荷状態を切り替えることにより受信指向性を変化させる電子走査アンテナであって、アンテナ装置は、電子走査アンテナの負荷状態を時間変化させたときの負荷状態ごとの受信強度から求めた相関行列の成分からなるベクトルを入力とし、前記第１の角度と前記第２の角度とにそれぞれ対応した出力値を出力するニューラルネットワークを備えることを特徴とする請求項２記載の測位装置。
前記ニューラルネットワークの出力は、前記第１の角度および前記第２の角度の正弦および余弦の４つの出力値であることを特徴とする請求項３記載の測位装置。
前記アンテナは複数個のパラサイト素子を備えパラサイト素子の負荷状態を切り替えることにより受信指向性を変化させる電子走査アンテナであって、アンテナ装置は、前記第１の角度および第２の角度の組と各パラサイト素子に対応するアンテナ出力を成分に持つステアリングベクトルとを対応付けたテーブルと、電子走査アンテナの負荷状態を時間変化させたときの負荷状態ごとの受信強度から求めた相関行列の成分からなるベクトルを入力とし、当該ベクトルとテーブルに格納したステアリングベクトルとの距離が小さいほど値が大きくなるように設定した評価関数の演算を行い、評価関数が最大になるステアリングベクトルをテーブルから求め当該ステアリングベクトルに対応する第１の角度および第２の角度との組を出力する評価演算手段とを備えることを特徴とする請求項２記載の測位装置。
前記アンテナ装置は、前記基準軸の軸方向におけるアンテナと電波発信器との距離を計測する計測手段を備えることを特徴とする請求項１記載の測位装置。
前記電波発信器と前記アンテナ装置とを含む空間に固定的に設定されアンテナ座標系の前記基準軸が平行になる基準軸を備えた絶対座標系における他の基準軸の方位を検出する方位検出手段を備え、前記位置演算手段は、別途求めた電波発信器の絶対座標系における座標位置と方位検出手段で求めた方向に基づいて前記アンテナ座標系から絶対座標系に座標変換することにより、電波発信器に対するアンテナの位置を絶対座標系において求めることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の測位装置。
絶対座標系の１つの基準軸に対してアンテナ座標系の前記基準軸を平行に保つ傾斜防止手段を設けたことを特徴とする請求項７記載の測位装置。
絶対座標系の１つの基準軸に対するアンテナ座標系の前記基準軸の傾斜角度を検出する傾きセンサと、傾きセンサにより検出された傾斜角度に応じて前記電波発信器からの電波の到来方向の補正演算を行う補正演算手段とを備えることを特徴とする請求項７記載の測位装置。