JP2008082833A - 位置同定システム - Google Patents

Abstract

【課題】位置の情報が書き込まれたタグ等のランドマークを走行路の床面に設けなくても移動体の位置を把握することができる位置同定システムを提供することを課題とする。
【解決手段】送信器１により外部に超音波が送信され、この超音波の周波数は時間に比例して上昇される。送信器１から送信された超音波は周辺の障害物により反射されて受信器２で受信され、混合器３はこの反射波とそのときの送信器１の超音波とを互いに混合してビートを発生させる。混合器３の出力は、ローパスフィルタ４及びＡ／Ｄ変換器５を介して高速フーリエ変換部６で周波数スペクトルに変換され、相関値算出部７は、記憶部９に予め記憶されている基準の周波数スペクトルと、高速フーリエ変換部６から入力された現在の周波数スペクトルとの相関値を算出し、位置判定部８はその相関値に基づいて移動体Ｍの位置の判定を行う。
【選択図】図２

Description

この発明は、位置同定システムに係り、特に超音波を利用して移動体の位置を同定するシステムに関する。

近年、フォークリフト等の移動体の位置を知るための様々なシステムが考案されている。
例えば、ＧＰＳ衛星からの電波を受信することにより移動体の位置を把握するシステムが知られているが、屋内ではＧＰＳ衛星からの電波を受信することが困難であるため、屋内で作業を行う移動体にこのシステムを適用することはできないという問題があった。

そこで、移動体が屋内にいてもその位置を把握することが可能なシステムとして、例えば特許文献１には、倉庫等の走行路の床面にＲＦＩＤ等からなる複数のタグを間隔をあけて配置し、それぞれのタグに予め書き込まれている位置の情報を荷役車両に搭載されたリーダで読み取ることにより荷役車両の現在の位置を把握するシステムが開示されている。

特開平２−１６３２９９号公報

しかしながら、特許文献１のシステムでは、それぞれ対応する位置の情報が書き込まれた複数のタグを走行路の床面に設ける必要があるため、複雑な構成になるだけでなく、設置に手間がかかると共にコストが嵩むという問題があった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、位置の情報が書き込まれたタグ等のランドマークを走行路の床面に設けなくても移動体の位置を把握することができる位置同定システムを提供することを目的とする。

この発明に係る位置同定システムは、移動体に取り付けられた送信器から周波数が時間に比例して変化する超音波を外部に送信し、移動体に取り付けられた受信器で送信器から送信された超音波の移動体周辺の障害物による反射波を受信し、受信器で受信された反射波と送信器から送信される現在の超音波とを混合器で混合してこれら２つの波のビートを発生させ、混合器で発生されたビートを変換部で周波数スペクトルに変換し、予め所定の位置で変換部により得られた周波数スペクトルが記憶部に記憶されており、変換部で得られた現在の周波数スペクトルと記憶部に予め記憶されている周波数スペクトルとの相関値を相関値算出部により算出し、算出された相関値に基づいて位置判定部により移動体の現在の位置が所定の位置であるか否かを判定するものである。

位置判定部は、所定のしきい値を有し、相関値算出部により算出される相関値がしきい値を超えると移動体の現在の位置が所定の位置であると判定することが好ましい。
また、このとき、複数の所定の位置にそれぞれ対応する複数の周波数スペクトルを予め記憶部に記憶しておき、相関値算出部は、記憶部の複数の周波数スペクトルと変換部で得られた現在の周波数スペクトルとの相関値をそれぞれ算出し、位置判定部は、相関値算出部で算出された複数の相関値のうち最も大きな値を有するものを求め、この相関値の算出に用いられた記憶部の周波数スペクトルに対応する所定の位置を移動体の現在の位置であると判定するように構成することもできる。

この発明によれば、位置情報が書き込まれたタグ等のランドマークを走行路の床面に設けなくても、屋内を走行する移動体の位置を把握することができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に、この発明の実施の形態に係る位置同定システムが適用された移動体Ｍを示す。この移動体Ｍは、例えば倉庫等で荷を搬送するフォークリフト等からなり、送信器１及び受信器２を有している。送信器１によりその外部に実線で示されるような超音波が送信されると共に、この送信された超音波が移動体Ｍの周辺に存在する障害物Ｋ１，Ｋ２により反射されて破線で示されるような反射波が生じ、その反射波が受信器２に戻ってこの受信器２で受信されるように構成されている。また、送信器１は、図示しない可変周波数発信器を有しており、この可変周波数発信器により、送信器１から外部に送信される超音波の周波数は時間と共に上昇するように制御されている。

図２に示されるように、送信器１及び受信器２はそれぞれ、送信器１からの送信波と受信器２での受信波とのビートを発生させるための混合器３に接続されている。混合器３は、ローパスフィルタ４及びＡ／Ｄ変換器５を介して、高速フーリエ変換によりビートの周波数スペクトルを求める高速フーリエ変換部６に接続されている。この高速フーリエ変換部６は、ビートの周波数スペクトルと基準の周波数スペクトルとの相関値を算出する相関値算出部７に接続され、さらに、相関値算出部７は、相関値に基づいて移動体Ｍの位置の判定を行う位置判定部８に接続されている。また、相関値算出部７には記憶部９が接続されており、この記憶部９には、予め所定の位置でこの位置同定システムを用いてその高速フーリエ変換部６で求められるビートの周波数スペクトルが基準の周波数スペクトルとして記憶されている。
なお、位置判定部８は、所定のしきい値を有している。

以上のような構成を有する位置同定システムの動作を説明する。送信器１により移動体Ｍの周辺に超音波が送信される。このとき、送信器１の可変周波数発信器は、例えば図３に示されるように、送信器１から外部に送信される超音波の周波数を時間に比例して上昇させると共に、送信器１から外部に送信される現在の超音波を表す信号を混合器３に逐次入力する。
送信器１から外部に送信された超音波は、例えば柱や壁、棚等のように、移動体Ｍの周辺に存在する障害物Ｋ１，Ｋ２により反射され、その反射波が受信器２により受信されることとなる。受信器２で受信された反射波は、信号に変換されると共に図示しない増幅器により増幅されて混合器３に入力される。

受信器２から混合器３に反射波の信号が入力されると、混合器３は、この反射波の信号と、そのとき送信器１から送信される現在の超音波の信号とを互いに混合することにより、これら２つの信号の周波数差に相当するビートを発生させ、この混合器３の出力信号がローパスフィルタ４に入力される。
ローパスフィルタ４は、混合器３から入力された信号のうち、ビートの信号だけを取り出してＡ／Ｄ変換器５に入力する。さらに、Ａ／Ｄ変換器５は、ローパスフィルタ４から入力された信号をディジタル信号に変換して高速フーリエ変換部６に入力する。

高速フーリエ変換部６は、Ａ／Ｄ変換器５から入力された信号を高速フーリエ変換することにより、例えば図４に実線で示されるような周波数スペクトルＳを求め、この周波数スペクトルＳを相関値算出部７に入力する。ここで、記憶部９には、例えば図４に破線で示されるような周波数スペクトルＴ、すなわち、予め所定の位置でこの位置同定システムを用いてその高速フーリエ変換部６で得られるビートの周波数スペクトルが、基準の周波数スペクトルとして記憶されている。相関値算出部７は、この記憶部９に記憶されている基準の周波数スペクトルＴと、高速フーリエ変換部６から入力された現在の周波数スペクトルＳとの相関値を算出し、その相関値を位置判定部８に入力する。この相関値は、双方の周波数スペクトルＳ及びＴの類似の度合いを示すものである。
位置判定部８は、相関値算出部７から入力された相関値がしきい値を超えているときに、移動体Ｍの現在の位置が所定の位置であると判定すると共に、この相関値が所定のしきい値以下であるときに、移動体Ｍの現在の位置が所定の位置ではないと判定する。
このようにして、移動体Ｍの位置の同定を行うことができる。

したがって、従来のように位置の情報が書き込まれたタグ等のランドマークを走行路の床面に設けなくても、移動体Ｍの位置を把握することが可能である。その結果、ランドマークを設置するために必要な手間やコスト等を省略することができる。

また、受信器２で受信された反射波とそのとき送信器１から送信される現在の超音波との周波数差に相当するビートは、移動体Ｍとこの移動体Ｍの周辺に存在する障害物Ｋ１，Ｋ２との距離に比例することとなる。したがって、このビートを混合器３で発生させ、高速フーリエ変換部６でビートの周波数スペクトルを求めることにより、移動体Ｍと、例えば柱や壁、棚のような移動体Ｍの周辺に存在する障害物との距離関係を一度に把握することができ、これにより高い信頼性を有する位置同定システムを実現することができる。

ここで、相関値の求め方の一例を以下に説明する。
送信器１の可変周波数発信器により、送信器１からその外部に送信される周波数は時間と共に上昇される。そこで、例えば、ある時刻に送信器１から外部に送信される超音波の信号をＡｓｉｎ（ω_０・ｔ）とすると共に、それと同じ時刻に受信器２で受信される反射波の信号をＢｓｉｎ（ω_１・ｔ）とする。ただし、この反射波の信号は、移動体Ｍの周辺に存在する１つの障害物からのものとする。
このとき、混合器３の出力信号は、
Ａｓｉｎ（ω_０・ｔ）×Ｂｓｉｎ（ω_１・ｔ）
＝（ＡＢ／２）・［ｃｏｓ｛（ω_０−ω_１）・ｔ｝−ｃｏｓ｛（ω_０＋ω_１）・ｔ｝］
と表される。

この信号のうち、ローパスフィルタ４では、
（ＡＢ／２）・ｃｏｓ｛（ω_０−ω_１）・ｔ｝
と表されるビート成分の信号のみが取り出される。
ここで、係数を無視して、ω_０−ω_１＝ωとすれば、ローパスフィルタ４により取り出される信号は、ｃｏｓ（ω・ｔ）と表される。なお、角周波数ωは、ある時刻に送信器３から外部に送信される超音波の角周波数ω_０と、それと同じ時刻に受信器２で受信される反射波の角周波数ω_１との差であるため、この角周波数ωは、移動体Ｍとこの移動体Ｍの周辺に存在する１つの障害物との距離に比例していることがわかる。

実際には、移動体Ｍの周辺に例えば柱や壁、棚等の複数の障害物が存在することが多く、その場合、複数の障害物でそれぞれ反射された複数の波が重なって１つの反射波として受信器２で受信されるため、受信器２で受信される反射波は、移動体Ｍとこれら複数の障害物との距離にそれぞれ対応する複数の周波数を含むこととなる。そこで、上述の実施の形態のように、この反射波とそのとき送信器１から送信される現在の超音波とを混合器３で混合してビートを発生させ、この混合器３の出力信号をローパスフィルタ４及びＡ／Ｄ変換器５を介して高速フーリエ変換部６に通すと、複数の周波数にそれぞれ対応した信号強度を表すベクトルν＝［ｐ０，ｐ１，・・・・・，ｐｎ−１］が得られる。
同様に、予め所定の位置においても、この位置同定システムを用いてその高速フーリエ変換部６によりベクトルν０＝［ｑ０，ｑ１，・・・・・，ｑｎ−１］が求められ、このベクトルν０が記憶部９に記憶されている。

相関値算出部７は、記憶部９に記憶されているベクトルν０と、高速フーリエ変換部６により得られる現在のベクトルνとの相関値φを、例えば次の式により求める。
なお、ここで、ν０とνのそれぞれの平均値をν０ｍｅａｎ、νｍｅａｎとする。

位置判定部８は、上記の式により求められる相関値φが所定のしきい値を超えているときに、移動体Ｍの現在の位置が所定の位置であると判定すると共に、この相関値φが所定のしきい値以下であるときに、移動体Ｍの現在の位置が所定の位置ではないと判定する。
このように、移動体Ｍの位置の同定を行うことができる。

なお、上述の実施の形態において、予め複数の所定の位置でそれぞれこの位置同定システムを用いてその高速フーリエ変換部６により各所定の位置に固有なビートの周波数スペクトルを求め、求めた複数の周波数スペクトルをそれぞれ基準の周波数スペクトルとして記憶部９に記憶してもよい。この場合に、相関値算出部７は、記憶部９に記憶されている複数の基準の周波数スペクトルのそれぞれと、高速フーリエ変換部６から入力される現在の周波数スペクトルとの相関値を算出し、位置判定部８は、相関値算出部７で算出された複数の相関値のうち最も高い値を有するものを求め、この相関値の算出に用いられた基準の周波数スペクトルに対応する所定の位置を移動体Ｍの現在の位置と判定するように構成することができる。これにより、複数の所定の位置に対してそれぞれ移動体Ｍの位置の同定を行うことができる。

なお、このとき、上述の実施の形態のように、位置判定部８が所定のしきい値を有し、相関値算出部７で算出された複数の相関値のうち最も高い値を有し且つ所定のしきい値を超えるものを求め、この相関値の算出に用いられた基準の周波数スペクトルに対応する所定の位置を移動体Ｍの現在の位置と判定するように構成すれば、高い精度で移動体Ｍの位置の同定を行うことが可能である。

このように、予め複数の所定の位置にそれぞれ固有な複数の周波数スペクトルが求められて記憶部９に記憶されている場合、所定の時間毎に、あるいは連続的に移動体Ｍの位置の同定を行って移動体Ｍの位置を把握することができる。したがって、その結果から、移動体Ｍの稼働状況の把握や走行経路の分析等を行うことにより作業の効率化を図ることが可能である。
ただし、連続的に移動体Ｍの位置の同定を行う場合には、図５に示されるように、送信器１から外部に送信される超音波の周波数は、所定時間毎に初期値に戻るように制御されることが好ましい。なお、この所定時間は、送信器１から送信された超音波が移動体Ｍ周辺の障害物で反射されて受信器２に戻るよりも長い時間に設定することができる。

また、例えば、移動体Ｍとして、荷を搬送するフォークリフト等の搬送装置が用いられるときに、荷の移載動作を行うための各所定の位置に固有なビートの周波数スペクトルを予め求めて記憶部９に記憶しておき、各所定の位置で作業者がスイッチ等を操作して移動体Ｍの位置の同定を行うようにすれば、移動体Ｍの移載位置の確認等を行うこともできる。

なお、上述の実施の形態では、送信器１から送信される超音波の周波数を時間と共に上昇させていたが、その代わりに、送信器１の可変周波数発信器により、送信器１からその外部に送信される超音波の周波数が時間と共に減少するように制御することもできる。

なお、上述の実施の形態のように、移動体Ｍの前方または側方等の柱や壁、棚等による反射波を利用する代わりに、移動体Ｍからその直上または斜め前方等の天井に向けて超音波を発し、その反射波を利用して移動体Ｍの位置の同定を行うこともできる。このとき、天井に位置を特定するような障害物が存在しない場合には、天井に任意の物体を垂下させるなどしてこれを障害物とすることができる。
また、上述の実施の形態のように、図２に示した送信器１、受信器２、混合器３、ローパスフィルタ４、Ａ／Ｄ変換器５、高速フーリエ変換部６、相関値算出部７、位置判定部８及び記憶部９のすべてが移動体Ｍに搭載される必要はなく、送信器１及び受信器２のみが移動体Ｍに搭載されると共に残りは管理コンピュータ等に収容され、送信器１及び受信器２の信号が無線等を介して管理コンピュータ内の混合器に逐次送信されることにより移動体Ｍの位置の同定を行うように構成することもできる。

なお、この位置同定システムは、フォークリフトに限らず、自走台車や牽引車等の各種の移動体Ｍに適用することができる。

この発明の実施の形態に係る位置同定システムが適用された移動体を示す模式図である。 この発明の実施の形態に係る位置同定システムの構成を示すブロック図である。 実施の形態における送信器の送信周波数の時間に対する関係を示すグラフである。 周波数スペクトルを示すグラフである。 実施の形態の変形例における送信器の送信周波数の時間に対する関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 送信器、２ 受信器、３ 混合器、４ ローパスフィルタ、５ Ａ／Ｄ変換器、６ 高速フーリエ変換部、７ 相関値算出部、８ 位置判定部、９ 記憶部、Ｍ 移動体、Ｋ１，Ｋ２ 障害物。

Claims (3)

1. 移動体に取り付けられると共に周波数が時間に比例して変化される超音波を外部に送信する送信器と、
   移動体に取り付けられると共に前記送信器から送信された超音波の移動体周辺の障害物による反射波を受信する受信器と、
   前記受信器で受信された反射波と前記送信器から送信される現在の超音波とを混合してこれら２つの波のビートを発生させるための混合器と、
   前記混合器により発生されたビートを周波数スペクトルに変換する変換部と、
   予め所定の位置で前記変換部により得られた周波数スペクトルが記憶されている記憶部と、
   前記変換部で得られた現在の周波数スペクトルと前記記憶部に予め記憶されている周波数スペクトルとの相関値を算出する相関値算出部と、
   前記相関値算出部により算出される相関値に基づいて移動体の現在の位置が前記所定の位置であるか否かを判定する位置判定部と
   を備えることを特徴とする位置同定システム。
2. 前記位置判定部は、所定のしきい値を有し、前記相関値算出部により算出される相関値が前記しきい値を超えると、移動体の現在の位置が前記所定の位置であると判定する請求項１に記載の位置同定システム。
3. 前記記憶部には、複数の所定の位置にそれぞれ対応する複数の周波数スペクトルが予め記憶されていると共に、前記相関値算出部は、前記記憶部の複数の周波数スペクトルと前記変換部で得られた現在の周波数スペクトルとの相関値をそれぞれ算出し、前記位置判定部は、前記相関値算出部で算出された複数の相関値のうち最も大きな値を有するものを求め、この相関値の算出に用いられた前記記憶部の周波数スペクトルに対応する前記所定の位置を移動体の現在の位置であると判定する請求項１または２に記載の位置同定システム。

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