JP2010086035A - 誘導システム及び誘導方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移動体の誘導に要する設備負担を抑え、且つ、移動体を安定して誘導できる誘導システム及び誘導方法を提供することを目的とする。
【解決手段】搬送車両３Ａの周囲環境に関する観測形状データを取得するレーザースキャナ１３と、観測形状データと搬送車両３Ａの位置姿勢情報とを対応付ける３次元マップを記憶するマップ記憶部１５ａと、レーザースキャナ１３で取得された観測形状データを３次元マップに参照して搬送車両３Ａの位置姿勢情報を割り出す演算部１５ｂと、その位置姿勢情報に基づいて搬送車両３Ａを絶対誘導する絶対誘導制御手段１５ｃとを備える。この誘導システム１Ａによれば、誘導のためのガイド設備を設置しなくても搬送車両３Ａの誘導が可能であり、搬送車両３Ａの誘導に要する設備負担を抑え、且つ、搬送車両３Ａを安定して誘導できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、トンネルなどの構築時に坑道を走行する無人搬送車両などの移動体の誘導システム及び誘導方法に関する。

ＧＰＳ測位方式を利用して無人の搬送車両などを誘導するシステムや方法などが知られている。しかしながら、ＧＰＳ測位方式による誘導システムの場合には、ＧＰＳ衛星を捕捉可能な環境でなければ精度の高い測位は実現できず、例えば、トンネル内や特定の大型施設内などの外界から遮蔽された空間での誘導には不向きであった。

一方で、ガイド式と呼ばれる誘導方式が知られている（特許文献１参照）。ガイド式の場合、例えば、適宜間隔で磁石を埋設し、搬送車両は、その磁石からの磁場を検知して走行ルートの検知を行って搬送車両を誘導していた。また、走行ルートに沿って所定の誘導線などを敷設しておき、光学方式、磁気方式または電磁方式などのセンサで誘導線を検知しながら搬送車両を誘導する方法などもある。
特開平９−２６８２６号公報

しかしながら、ガイド式の誘導システムや誘導方法では、走行ルートに沿って磁石や誘導線を設置する必要があり、走行ルートが長くなる程、誘導のために設置すべき設備負担も大きくなり、また、誘導設備の設置や撤去に伴う手間が増大して作業負担も大きくなる。一方で、走行ルートに沿った磁石や誘導線の設置数を減らすなどを行うと搬送車両などの移動体の走行が不安定になってしまう。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、移動体の誘導に要する設備負担を抑え、且つ、移動体を安定して誘導できる誘導システム及び誘導方法を提供することを目的とする。

本発明は、移動体を所定の走行ルートに沿って誘導する誘導システムにおいて、移動体に搭載され、移動体の周囲環境に関する形状情報を取得する走査手段と、走行ルートに沿った形状情報を含む３次元マップを記憶するマップ記憶手段と、マップ記憶手段に記憶された３次元マップと、走査手段で取得された形状情報とに基づいて移動体の位置姿勢情報を割り出す演算手段と、演算手段で割り出された位置姿勢情報に基づく絶対誘導によって移動体を走行制御する絶対誘導制御手段と、を備えることを特徴とする。

この誘導システムでは、演算手段が３次元マップを参照して移動体の位置姿勢情報を割り出し、その位置姿勢情報に基づいて絶対誘導制御手段が移動体の走行を制御している。演算手段で参照される３次元マップは、走行ルートに沿った形状情報を含むものであり、既に存在している設備や物体などの配置を利用している。従って、実際に走査手段で取得された形状情報と３次元マップとに基づいて位置姿勢情報を割り出す本システムによれば、誘導のための新たなガイド設備を設置しなくても移動体の誘導が可能であり、また、走行ルートの全長に亘った３次元マップを用意するだけで精度の高い誘導が可能になる。その結果として、移動体の誘導に要する設備負担を抑え、且つ、移動体を安定して誘導できる。

さらに、演算手段は、マップ記憶手段に記憶された３次元マップと、走査手段で取得された形状情報とに基づいて、走行ルート上における移動体の存在確率を求め、存在確率が最も高い場所及び姿勢から移動体の位置姿勢情報を割り出すと好適である。この構成によれば、走行ルートに沿った空間自体を基準としており、より確からしい位置姿勢情報を割り出すことができるため、精度が高くなる。

走行ルートは、坑道を通過するように設定され、坑道には、走行ルートに沿った所定の位置に目標物が設置され、目標物の形状情報は坑道の他の形状情報に対して区別可能であり、３次元マップには、目標物の位置情報と形状情報とが対応付けられて移動体の周囲環境に関する形状情報に反映され、演算手段は、前記３次元マップと前記走査手段で取得された形状情報とに基づいて前記移動体の位置姿勢情報を割り出すと好適である。トンネルなどの坑道では形状変化の乏しい箇所も多く、走行ルート上の進行方向における移動体の位置を特定し難い場合もある。しかしながら、上記構成では、予め所定の位置に目標物が設置されており、その目標物は、他の設備、構造物及び壁面などとは区別可能な特徴的な形状を備えているため、その目標物に関しては捕捉し易くなって、より精度良く移動体の位置姿勢情報を割り出すことができる。

走行ルートに沿って配置された誘導用構造物と、走査手段で取得された形状情報に基づいて、誘導用構造物の有無を判定する捕捉判定手段と、誘導用構造物に沿って移動体を走行させる走行制御を行う相対誘導制御手段と、捕捉判定手段によって誘導用構造物有りと判定された場合に、絶対誘導制御手段による走行制御から相対誘導制御手段による走行制御に切り替える切替手段と、を更に備えること好適である。

追加設備、例えば、部分的または一時的な仮設の設備が配置されたような場合に、その都度、３次元マップに反映させるようにすると、そのための更新処理に伴う負担が非常に大きくなってしまう。一方で、追加設備が３次元マップに反映されていないと、追加設備が設置された場所での移動体の誘導は不安定になってしまう。そこで、追加設備の付近に誘導用構造物を配置し、捕捉判定手段が誘導用構造物を捕捉した場合には、絶対誘導制御手段による走行制御から相対誘導制御手段による走行制御に切り替えることで、３次元マップの更新処理に伴う負担を軽減しながら、追加設備の付近でも移動体を安定して誘導できる。なお、誘導用構造物は、部分的または一時的に設置できる程度のもので足りるため、設備負担も少なくて済む。

また、誘導用構造物は、走行ルートに沿った基準面を有し、相対誘導制御手段は、基準面からの距離が所定の距離になるように移動体を走行制御すると好適である。この相対誘導制御手段による制御により、移動体は走行ルートに沿って安定して走行する。

誘導用構造物は、走行ルートを跨ぐように囲む基準面を有し、相対誘導制御手段は、基準面からの距離が所定の距離になるように移動体を走行制御すると好適である。この構成によれば、基準面で囲まれた領域の略中央に沿って正しい姿勢を維持した状態で安定して走行する。

移動体を所定の走行ルートに沿って誘導する誘導方法において、移動体の周囲環境に関する形状情報を取得する走査ステップと、３次元マップに含まれる走行ルートに沿った形状情報と、走査ステップで取得された形状情報とに基づいて移動体の位置姿勢情報を割り出す演算ステップと、演算ステップで割り出された位置姿勢情報に基づく絶対誘導によって移動体を走行制御する絶対誘導制御ステップと、を備えることを特徴とする。この誘導方法によれば移動体の誘導に要する設備負担を抑え、且つ、移動体を安定して誘導できる。

本発明によれば、移動体の誘導に要する設備負担を抑え、且つ、移動体を安定して誘導できる。

以下、図面を参照して本発明に係る誘導システムの好適な実施の形態について説明する。

図１は、トンネルなどの坑道を走行する搬送車両を模式的に示す図である。また、図２は搬送車両の斜視図である。図１または図２に示されるように、トンネル工事に伴うセグメントＳｅなどの搬送や検査、その他の作業を迅速に行うために、坑道Ｔに規定された所定の走行ルートＲに沿って搬送車両３Ａを自動運転させる必要がある。本実施形態に係る誘導システム１Ａは、坑道Ｔ内の走行ルートＲに沿った絶対誘導によって搬送車両３Ａを誘導し、搬送車両３Ａの自律運転を実現するシステムである。搬送車両３Ａは、移動体に相当する。

図３または図４に示されるように、搬送車両３Ａは、転動する車輪５ａが設けられた車体部５と、車体部５の上部に設けられた荷台７と、車体部５の前部に設けられた障害物センサ・バンパースイッチ９と、操向側の車輪５ａの舵取り、車輪５ａの駆動及び停止を行う駆動装置１１（図４参照）と、バッテリ（図示せず）とを備えている。荷台７には、セグメントＳｅなどの積荷が積載され、駆動装置１１によって車輪５ａの回転や操舵角の変更が実行される。

また、搬送車両３Ａには、進行方向Ｄｍの前部に取り付けられたレーザースキャナ（走査手段）１３と、車輪５ａの回転数から移動距離を検出する内界センサ１４と、レーザースキャナ１３から入力されたデータに基づいて搬送車両３Ａの走行を制御する制御装置１５Ａとが搭載されている。なお、本実施形態に係る誘導システム１Ａは、レーザースキャナ１３，内界センサ１４及び制御装置１５Ａを備えて構成される。

レーザースキャナ１３は、搬送車両３Ａの進行方向Ｄｍの前方側に向けて円軌道を描くようにレーザービームを照射し、坑道Ｔの内壁Ｔａに反射して戻ってきたレーザービーム（以下、「反射光」という）を受信するセンサ部を有する。レーザースキャナ１３は、レーザービームを照射してから反射光を受信するまでの往復時間から測位対象物までの距離を計測し、さらに、その距離とレーザービームの照射方向とから測位対象物の座標データを取得して制御装置１５Ａに入力する。この座標データは、坑道Ｔを横断する断面形状としてのデータであり、搬送車両３Ａの周囲環境に関する形状情報に相当する。以下、この断面形状としてのデータを観測形状データという。

制御装置１５Ａは、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭなどが実装された制御基板、入出力装置及び外部記憶装置などを備えている。制御装置１５Ａは、ＣＰＵやＲＡＭなどのハードウェア上に所定のソフトウェアを読み込ませることにより、ＣＰＵの制御のもとで入出力装置などが動作して、所定の機能が実現される。制御装置１５Ａで実行される機能について説明する。

図４に示されるように、制御装置１５Ａは、マップ記憶部（マップ記憶手段）１５ａ、演算部（演算手段）１５ｂ、絶対誘導制御部（絶対誘導制御手段）１５ｃ、捕捉判定部（捕捉判定手段）１５ｄ、相対誘導制御部（相対誘導制御手段）１５ｅ及び切替部（切替手段）１５ｆとして機能する。

マップ記憶部１５ａは、走行ルートＲに沿った形状データ（形状情報）を含む３次元マップを記憶している。走行ルートＲに沿った形状データとは、搬送車両３Ａの周囲環境に関する形状データであり、より詳しくは、坑道Ｔを横断する断面形状としてのデータである。なお、マップ記憶部１５ａには、後述の手法フラグＦ１やエラーフラグＦｅなども記憶されている。

演算部１５ｂは、マップ記憶部１５ａに記憶された３次元マップを読み出し、この３次元マップとレーザースキャナ１３で取得された観測形状データとに基づいて搬送車両３Ａの位置姿勢情報を割り出す。本実施形態では、マルコフ位置推定手法を利用して搬送車両３Ａの位置姿勢情報を割り出す。以下、マルコフ位置推定手法について簡単に説明する。

図５は、マルコフ位置推定手法の流れを説明するために、坑道Ｔ内に設置された３つの構造物と搬送車両との位置関係及び存在確率を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）は、時系列に並んでいる。図５（ａ）は、初期状態を示している。走行ルートＲには、搬送車両３Ａの進行方向に沿って左から順番に３つの構造物Ａｒが設置されており、各構造物Ａｒは同一の形状である。初期状態の搬送車両３Ａは、未だ構造物Ａｒを捕捉していない。図５（ｂ）は、搬送車両３Ａが最初の構造物Ａｒを捕捉した初期センシング時を示す図であり、（ｃ）は、搬送車両３Ａが最初の構造物Ａｒを通過した後の移動状態を示し、未だ次の構造物Ａｒを捕捉していない状態を示す図である。また、図５（ｄ）は、搬送車両３Ａが次の構造物Ａｒを捕捉して位置が特定された状態を示す図である。

図５（ａ）に示されるように、初期状態では、存在確率は走行ルートＲの全範囲に亘って一様である。搬送車両３Ａが移動を開始し、レーザースキャナ１３がいずれか一つの構造物Ａｒを捕捉したとする（図５（ｂ）参照）。走行ルートＲ上に並ぶ３つの構造物Ａｒは形状が同一であるため、３次元マップを参照しても搬送車両３Ａの位置情報を特定することはできない。そこで、演算部１５ｂは、レーザースキャナ１３で取得された観測形状データから推定される存在確率を各構造物Ａｒの近傍に割り振る。例えば、各構造物Ａｒの近傍での「存在予測値」をそれぞれ“１／３”に設定し、近傍以外での「存在予測値」を、１／３よりも低くなるように設定する。各地点での存在確率は、その地点の存在予測値を存在予測値の総和で割った値として与えられる。

搬送車両３Ａは、最初の構造物Ａｒを通過して移動を続ける（図５（ｃ）参照）。演算部１５ｂは、内界センサ１４の誤差を考慮した過去から現在までの第１の存在確率とレーザースキャナ１３から推定される第２の存在確率とを割り出し、さらに、第１の存在確率と第２の存在確率とを合成した第３の存在確率を割り出す。

図５（ｄ）に示されるように、搬送車両３Ａが次の構造物Ａｒを捕捉すると、演算部１５ｂは、新たに取得された観測形状データに基づいて第２の存在確率を割り出す。そして、演算部１５ｂは、第１の存在確率と第２の存在確率とを合成して第３の存在確率を割り出す。ここで、最初の構造物Ａｒの観測形状データのみでは、第３の存在確率において突出した部分（位置）を特定できなかったが、次の構造物Ａｒの観測形状データを捕捉できれば、第３の存在確率において突出した部分（位置）が生じる。演算部１５ｂは、第３の存在確率の最も高い位置を搬送車両３Ａの位置情報として特定する。同様にして、演算部１５ｂは、搬送車両３Ａの姿勢角情報も特定する。

図４に示されるように、絶対誘導制御部１５ｃは、演算部１５ｂで割り出された位置姿勢情報に基づく絶対誘導によって搬送車両３Ａを走行制御する。すなわち、絶対誘導制御部１５ｃは、位置姿勢情報に基づいて搬送車両３Ａを目的地まで誘導し、また、姿勢角がトンネル軸に平行になるように搬送車両３Ａの姿勢を変更したりして搬送車両３Ａを走行制御する。

絶対誘導は相対誘導に対比される概念である。相対誘導は、坑道Ｔの内壁Ｔａや他の構造物との相対的な位置関係から割り出された位置姿勢情報（相対位置や姿勢角）に基づいて誘導することを意図し、例えば、他の構造物から一定の距離を開けて進行するように搬送車両３Ａを誘導する。対して、絶対誘導は、坑道Ｔ内の絶対的な情報として割り出された位置情報や姿勢角情報に基づいて搬送車両３Ａを誘導することを意図する。

続いて、坑道Ｔ内の環境について説明した後に、捕捉判定部１５ｄ、相対誘導制御部１５ｅ及び切替部１５ｆについて説明する。トンネル工事の現場では、走行ルートＲ上の移動経路の途中においても作業が行われることが多く、走行ルートＲ上で、３次元マップに形状データが反映されていない作業用仮設備Ｍ（図６参照）、例えば、作業用足場や養生のための仮設備が設置される場合もある。作業用仮設備Ｍの設置の都度、３次元マップを更新するのでは更新に伴う処理負担が大きくなる場合もある。そこで、そのような場所では、絶対誘導による搬送車両３Ａの走行制御ではなく、相対誘導による搬送車両３Ａの走行制御を実現する。捕捉判定部１５ｄ、相対誘導制御部１５ｅ及び切替部１５ｆは、相対誘導による搬送車両３Ａの走行制御を行うために機能する。

図６は、走行ルートを跨ぐように設置された作業用仮設備及び作業用仮設備に進入した搬送車両の正面図である。図７〜図９は、誘導用構造物を示す斜視図である。

誘導用構造物１６Ａは、作業用仮設備Ｍが設置された区間内での相対誘導を可能にするために、作業用仮設備Ｍに隣接するように設置される。誘導用構造物１６Ａは、走行ルートＲに沿った基準面１６ａを有し、搬送車両３Ａは、基準面１６ａからの距離が所定の距離になるようにして誘導される。本実施形態に係る誘導用構造物１６Ａは、作業用仮設備Ｍの内側で、走行ルートＲを跨ぐように囲む断面コの字状の構造体（図７（ａ）参照）であり、その内側の壁面が基準面１６ａとなる。

なお、本実施形態では、断面コの字状の誘導用構造物１６Ａを例に説明するが、例えば、図７（ｂ）に示されるように、屋根の部分が湾曲したアーチ状の誘導用構造物１６Ｂであってもよい。また、図８（ａ）に示されるように、走行ルートＲの片側に沿って配置された壁状の誘導用構造物１６Ｃであったり、同図（ｂ）に示されるように、走行ルートＲの両側に沿って配置された壁状の誘導用構造物１６Ｄであったりしてもよい。また、図９（ａ）に示されるように、断面コの字状の構造体の入口側と出口側との上部にプレート状の遮蔽部材を設けた誘導用構造物１６Ｅであったり、同図（ｂ）に示されるように、アーチ状の構造体の入口側と出口側との上部にプレート状の遮蔽部材を設けた誘導用構造物１６Ｆであったりしてもよい。なお、各誘導用構造物１６Ａ〜１６Ｆは、それぞれ基準面１６ａを有している。

捕捉判定部１５ｄは、レーザースキャナ１３で取得された観測形状データに基づいて誘導用構造物１６Ａの有無を判定する。捕捉判定部１５ｄは、観測形状データを３次元マップに照らし、一致度が所定の割合未満、例えば５０％未満の場合には３次元マップに反映されていない誘導用構造物１６Ａが有りと判定する。この場所は、誘導用構造物設置区間の始まりである。その後も、レーザースキャナ１３は継続して観測形状データの取得を行い、捕捉判定部１５ｄは、その都度、誘導用構造物１６Ａの有無を判定する。そして、捕捉判定部１５ｄは、観測形状データを３次元マップに照らし、一致度が所定の割合以上、例えば５０％以上になると、誘導用構造物１６Ａが無いと判定する。この場所が、誘導用構造物設置区間の終わりである。なお、誘導用構造物設置区間の始まりや終わりは、無線通信などによって所定の信号を受信し、その信号に基づいて誘導用構造物設置区間の始まりや終わりを捕捉判定部１５ｄが判定するようにしてもよい。

捕捉判定部１５ｄによって誘導用構造物１６Ａが有ると判定された場合には、切替部１５ｆは、絶対誘導から相対誘導にモードを切り替える。マップ記憶部１５ａには手法フラグＦ１が記憶されており、切替部１５ｆは、誘導用構造物１６が有ると判定されると、相対誘導のモードを示すデータ“０”を手法フラグＦ１にセットし、誘導用構造物が無いと判定された場合には、絶対誘導のモードを示す“１”を手法フラグＦ１にセットする。

相対誘導制御部１５ｅは、切替部１５ｆによって手法フラグＦ１にデータ“０”がセットされると、誘導用構造物１６Ａに沿った相対誘導によって搬送車両３Ａを走行制御する。相対誘導制御部１５ｅは、例えば、レーザースキャナ１３から照射されたレーザー光が基準面１６ａで反射して戻ってくるまでの時間を割り出し、割り出した時間から基準面１６ａまでの距離を取得し、その距離が一定になるように搬送車両３Ａを誘導する。なお、基準面１６ａからの距離は、必ずしも相対誘導する区間内で一定でなくてもよく、場所によって適宜に変化するようにしてもよい。相対誘導制御部１５ｅは、基準面１６ａからの距離が所定の距離になるように搬送車両３Ａを走行制御するので、搬送車両３Ａは、走行ルートＲに沿って安定して走行する。特に、誘導用構造物１６Ａは、走行ルートＲを跨ぐように囲む基準面１６ａを有し、相対誘導制御部１５ｅは、基準面１６ａからの距離が所定の距離になるように搬送車両３Ａを走行制御するため、基準面１６ａで囲まれた領域の略中央に沿って正しい姿勢を維持した状態で安定して走行する。

なお、上記の相対誘導では誘導用構造物１６Ａからの距離が所定の距離となるようにして走行制御するが、坑道Ｔを横断する基準断面形状を予め規定しておき、演算部１５ｂがレーザースキャナ１３で取得された観測形状データから割り出される観測断面形状と基準断面形状との幾何学的関係から、走行ルートＲに直交する断面上での搬送車両３Ａの姿勢角（姿勢）及び相対位置（位置）を推定値として求め、相対誘導制御部１５ｅが、その推定値に基づいて搬送車両３Ａの相対誘導を実現するようにしてもよい。

次に、上記の誘導システム１Ａを利用した誘導方法について、図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は、本実施形態に係る誘導方法のメイン処理の動作手順を示すフローチャートであり、図１１は、誘導制御処理の動作手順を示すフローチャートである。

図１０に示されるように、搬送車両３Ａの誘導を開始すると、制御装置１５Ａの切替部１５ｆは、手法フラグＦ１に絶対誘導を示すデータ“１”をセットし、エラーフラグＦｅにエラー無しを示すデータ“０”をセットする（ステップＳ１）。次に、演算部１５ｂは、搬送車両３Ａの位置がスタート位置にあることを示す初期設定を行い、駆動装置１１は搬送車両３Ａの移動を開始する（ステップＳ２）。次に、制御装置１５Ａは、絶対誘導または相対誘導による誘導制御処理（ステップＳ３）を行いながら搬送車両３Ａの自律運転を続け、停止位置まで到達すると、誘導制御処理を終了し、搬送車両３Ａの移動を停止（ステップＳ４）させて搬送車両３Ａの誘導を終了する。

上述の誘導制御処理（ステップＳ３）の動作手順について、図１１を参照して詳しく説明する。誘導システム１Ａでは、坑道Ｔ内での絶対誘導を基本として搬送車両３Ａの走行制御を実行している。従って、誘導モードを示す手法フラグＦ１には、通常状態として絶対誘導を示すデータ“１”がセットされている。しかしながら、作業用仮設備Ｍなど、３次元マップに形状データが反映されていない設備が設置されている箇所では絶対誘導が不安定になる可能性があるため、その区間では誘導用構造物１６Ａを利用した相対誘導によって搬送車両３Ａの走行制御を実行する。以下、詳細に説明する。

誘導制御処理を開始すると、レーザースキャナ１３は走査処理を行って観測形状データを取得する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１は、走査ステップに相当する。次に、演算部１５ｂは、手法フラグＦ１にセットされているデータが“１”か否かを判定し（ステップＳ１２）、手法フラグＦ１に“１”がセットされている場合には、絶対誘導に基づく位置姿勢情報を割り出し、“１”がセットされていない場合には、相対誘導に基づく位置姿勢情報を割り出す。

演算部１５ｂは、ステップＳ１２において、手法フラグＦ１に“１”がセットされていると判定する場合には、マルコフ位置推定手法による位置・姿勢推定計算を実行する（ステップＳ１３）。次に、捕捉判定部１５ｄは、位置・姿勢推定計算によって割り出された位置姿勢情報（位置情報及び姿勢角情報）の存在確率が所定の下限値以上か否かを判定する（ステップＳ１４）。次に、捕捉判定部１５ｄによって位置姿勢情報（位置情報及び姿勢角情報の両方共）が下限値以上と判定された場合には、絶対誘導制御部１５ｃは、３次元マップに基づく絶対誘導によって搬送車両３Ａの走行制御を行う（ステップＳ１６）。ここで、搬送車両３Ａが走行ルートＲからずれていると、絶対誘導制御部１５ｃによる軌道修正が行われる。次に、切替部１５ｆは手法フラグＦ１を確認し、絶対誘導を継続して実施するために手法フラグＦ１に“１”をセットする。ステップＳ１３は、演算ステップに相当する。また、ステップＳ１６は、絶対誘導制御ステップに相当する。

また、演算部１５ｂは、ステップ１２において、手法フラグＦ１に“１”がセットされていないと判定する場合には、誘導用構造物１６Ａによる位置・姿勢推定計算を実行する（ステップＳ２４）。さらに、捕捉判定部１５ｄは、位置・姿勢推定計算によって割り出された位置姿勢情報の信頼度が所定の下限値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２５）。捕捉判定部によって、位置姿勢情報（位置情報及び姿勢角情報の両方共）が下限値以上と判定された場合には、誘導用構造物１６Ａを利用した相対誘導によって搬送車両３Ａの走行制御を行う（ステップＳ２６）。ここで、搬送車両３Ａと誘導用構造物１６Ａとが所定の距離を維持するように相対誘導による軌道修正が行われる。次に、切替部１５ｆは手法フラグＦ１を確認し、相対誘導を継続して実施するために手法フラグＦ１に“０”をセットする（ステップＳ２７）。ステップＳ２６は、相対誘導制御ステップに相当する。

絶対誘導による軌道修正または相対誘導による軌道修正が無事に終わり、手法フラグＦ１にそれぞれ“１”または“０”のデータがセットされると、絶対誘導制御部１５ｃまたは相対誘導制御部１５ｅは、エラー無しを示すデータ“０”をエラーフラグＦｅにセットする（ステップＳ１７）。続いて、絶対誘導制御部１５ｃまたは相対誘導制御部１５ｅは、停止位置か否かを判定し（ステップ１８）、停止位置では無いとと判定された場合には、レーザースキャナ１３によって取得された観測形状データに基づいて上述の処理が繰り返される（ステップＳ１１）。

次に、絶対誘導または相対誘導のために取得された位置姿勢情報の信頼度が低かった場合の処理について説明する。ステップＳ１４において、マルコフ位置推定手法による位置・姿勢推定計算によって割り出された位置姿勢情報が所定の下限値よりも小さいと判定される場合（ステップＳ１４）については、少なくとも二通りの可能性がある。一つは、誘導用構造物１６Ａをレーザースキャナ１３で捕捉した場合であり、もう一つは、予期せぬ事態が生じ、障害物などが搬送車両３Ａの近傍に出現した場合である。誘導用構造物１６Ａが捕捉された場合には、相対誘導に切り替えられ、予期せぬ事態が生じた場合には非常停止される。

捕捉判定部１５ｄによって絶対誘導中に信頼度の低下が確認されると（ステップＳ１４）、絶対誘導制御部１５ｃは、まず、エラーフラグＦｅを確認し（ステップＳ１９）、エラー無しを示す“０”がセットされていないのであれば非常停止し、エラー無しを示す“０”がセットされている場合には、エラーが生じたことを示す“１”を便宜的にセットし、相対誘導のための処理に移行する。

相対誘導のための処理に移行すると、演算部１５ｂは、誘導用構造物１６Ａを利用した位置・姿勢計算を行い、相対誘導のための位置姿勢情報を割り出す（ステップＳ２４）。次に、捕捉判定部１５ｄは、相対誘導のために割り出された位置姿勢情報の信頼度が所定の下限値以上か否かを判定する（ステップＳ２５）。相対誘導のために割り出された位置姿勢情報が所定の下限値未満と判定される場合とは、例えば、検出されたデータから基準面となる直線部が定まらない場合や、直線部の長さが下限値以下の場合である。また、レーザースキャナ１３によって捕捉される測位対象物と搬送車両３Ａとの距離が、誘導用構造物１６Ａの基準面１６ａと搬送車両３Ａとの間の基準距離範囲を超えて遠過ぎたり、逆に近過ぎたりした場合なども考えられる。

相対誘導制御部１５ｅは、ステップＳ２５において信頼度が所定の下限値未満であると判定した場合には、エラーフラグＦｅを確認する（ステップＳ２２）。エラーフラグＦｅには、既に、エラー有りを示すデータ“１”が便宜的にセットされている（ステップＳ２０）ので、相対誘導制御部１５ｅは、エラー有りと判定して非常停止を行う（ステップＳ２１）。なお、エラーフラグＦｅの確認（ステップＳ２２）の結果、エラー無しを示す“０”がセットされている場合には、相対誘導制御部１５ｅは、エラー有りを示す“１”をセットし、今度は、絶対誘導に伴う処理に移行する（ステップＳ２４）。そして、前述のように、絶対誘導においても信頼度が低いと判定され、絶対誘導制御部１５ｃがエラーフラグＦｅに“１”がセットされていることを確認すると、非常停止が行われる（ステップＳ２１）。

以上の誘導システム１Ａ及び誘導方法によれば、演算部１５ｂが３次元マップを参照して搬送車両３Ａの位置姿勢情報を割り出し、その位置姿勢情報に基づいて絶対誘導制御部１５ｃが搬送車両３Ａの走行を制御している。演算部１５ｂで参照される３次元マップは、レーザースキャナ１３で取得され得る観測形状データと搬送車両３Ａの位置姿勢情報とを対応付けるものであり、既に存在している設備や物体などの配置を利用している。従って、実際にレーザースキャナ１３で取得された観測形状データと３次元マップとに基づいて位置姿勢情報を割り出す本システムによれば、誘導のための新たなガイド設備を設置しなくても搬送車両３Ａの誘導が可能であり、また、走行ルートＲの全長に亘った３次元マップを用意するだけで精度の高い誘導が可能になる。その結果として、搬送車両３Ａの誘導に要する設備負担を抑え、且つ、搬送車両３Ａを安定して誘導できる。

さらに、演算部１５ｂは、マップ記憶部１５ａに記憶された３次元マップと、レーザースキャナ１３で取得された観測形状データとに基づいて、走行ルートＲ上における搬送車両３Ａの存在確率を求め、存在確率が最も高い場所及び姿勢から搬送車両３Ａの位置姿勢情報を割り出している。つまり、走行ルートＲに沿った空間自体を基準としており、より確からしい位置姿勢情報を割り出すことができるため、精度が高くなる。

また、作業用仮設備Ｍが設置されたような場合に、その都度、３次元マップに反映させるようにすると、そのための更新処理に伴う負担が非常に大きくなってしまう。一方で、作業用仮設備Ｍが３次元マップに反映されていないと、作業用仮設備Ｍが設置された場所での搬送車両３Ａの誘導は不安定になり易い。そこで、作業用仮設備Ｍの付近に誘導用構造物１６Ａを配置し、捕捉判定部１５ｄが誘導用構造物１６Ａを捕捉した場合には、絶対誘導制御部１５ｃによる走行制御から相対誘導制御部１５ｅによる走行制御に切り替えることで、３次元マップの更新処理に伴う負担を軽減しながら、作業用仮設備Ｍの付近でも搬送車両３Ａを安定して誘導できる。なお、誘導用構造物１６Ａは、部分的または一時的に設置すれば足りるため、設備負担も少なくて済む。
（第２実施形態）
次に、図１２〜図１５を参照して本発明の第２実施形態に係る誘導システムを説明する。図１２は、本実施形態に係る誘導システムのブロック図である。図１３は、本実施形態に係る搬送車両が走行する坑道を模式的に示す図であり、図１４は、その坑道の一部を破断して示す斜視図である。また、図１５は、標識構造物の一例を示す斜視図である。なお、本実施形態に係る誘導システム１Ｂについて、第１実施形態に係る誘導システム１Ａと同様の要素については、第１実施形態と同一の符号を付して詳細説明を省略する。

図１２及び図１３に示されるように、誘導システム１Ｂは、坑道Ｔでの搬送車両３Ｂの自律運転のために搬送車両３Ｂを走行ルートＲに沿って誘導するシステムである。誘導システム１Ｂは、搬送車両３Ｂに搭載されたレーザースキャナ（走査手段）１３、内界センサ１４及び制御装置１５Ｂを備えている。制御装置１５Ｂは、第１実施形態に係る制御装置１５Ａと同様に、マップ記憶部（マップ記憶手段）１５ａ、演算部（演算手段）１５ｂ、絶対誘導制御部（絶対誘導制御手段）１５ｃ、捕捉判定部（捕捉判定手段）１５ｄ、相対誘導制御部（相対誘導制御手段）１５ｅ及び切替部（切替手段）１５ｆを備え、さらに、標識データ記憶部（標識データ記憶部）１５ｇ及びと標識検出部（標識検出手段）１５ｈを備えている。

図１３及び図１４に示されるように、坑道Ｔには、走行ルートＲに沿って複数の標識構造物（目標物）Ｔｓ１〜Ｔｓ８が配置されている。各標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８は、制御装置１５Ｂの演算部１５ｂが周囲環境、例えば壁面などとは区別可能で、且つ、それぞれを識別可能となるように特徴付けられたユニークな形状をしている。標識構造物Ｔｓ４は、図１５に示されるように、例えば、トンネル工事において設置する必要がある電話設備その他の付帯設備であると望ましいが、トンネル工事とは関係無く特別に準備した設備などであってもよい。

マップ記憶部１５ａは、走行ルートＲに沿った形状データ（形状情報）と搬送車両３Ａの位置姿勢情報とを対応付ける３次元マップを記憶している。特に、本実施形態に係る３次元マップには、標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８の位置情報と形状情報とが対応付けられて搬送車両３Ａの周囲環境に関する形状情報に反映されている。

坑道Ｔは特徴的な形状の少ない空間になり易く、例えば、走行ルートＲに沿った周囲環境に関する形状に変化が少なくなってしまう場合もある。この場合、マルコフ位置推定手法では走行ルートＲに沿った搬送車両３Ｂの推定位置を割り出し難くなるため、内界センサ１４である車輪ａのエンコーダ（回転角）の計算によって割り出すしかなくなる。エンコーダ（回転角）の計算で推定位置を求める方法では、エンコーダの誤差が避けられないため、どうしても精度低下につながり易い。そこで、本実施形態では、この誤差が十分大きくならない間隔で標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８を設置し、第１実施形態と同様に、マルコフ位置推定手法での搬送車両３Ｂの推定位置の割り出しを可能にして精度低下を避けるようにしている。つまり、本実施形態に係る演算部１５ｂも、第１実施形態と同様にマップ記憶部１５ａに記憶された３次元マップを読み出し、この３次元マップとレーザースキャナ１３で取得された観測形状データ（標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８の形状情報を含む）とに基づいて搬送車両３Ｂの位置姿勢情報を割り出している。

標識データ記憶部１５ｇには、標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８の形状情報と所定の走行命令情報とが対応付けられたテーブルが記憶されている。また、標識検出部１５ｈは、レーザースキャナ１３で取得された観測形状データに基づいて標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８を捕捉する。以下、標識データ記憶部１５ｇに記憶されているテーブルと実際の走行制御との関係について説明する。

図１６は、標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８の形状情報と所定の走行命令情報とが対応付けられたテーブルを例示し、（ａ）は第１の例を示す図であり、（ｂ）は第２の例を示す図であり、（ｃ）は第３の例を示す図である。第１の例に係るテーブルでは、例えば、標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８の形状情報に対応して構造物ＩＤが規定されており、各構造物ＩＤに対応付けて「通常走行速度」または「徐行」の走行命令情報が記憶されている。この例では、標識検出部１５ｈで捕捉された標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８のＩＤに応じて、絶対誘導制御部１５ｃが「通常走行速度」または「徐行」にて搬送車両３Ｂの走行制御を行う。なお、この例は、標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８がそれぞれ特徴的な形状の場合を想定するが、すべての標識構造物の形状が同一で、坑道Ｔの横断面による設置位置の違い、例えば、或る標識構造物は右側に設置し、他の標識構造物は左側に設置するなどの違いによって識別できるようにしてもよい。

また、第２の例に係るテーブル（図１６（ｂ）参照）では、例えば、標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８の形状情報に対応して構造物の種類に係る情報（構造物種類）が規定されており、構造物種類に対応付けて「通常走行速度」または「徐行」の走行命令情報が記憶されている。この例では、例えば、標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８が二種類（Ａ，Ｂ）の場合に、標識検出部１５ｈで捕捉された標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８の種類が「Ａ」の場合には絶対誘導制御部１５ｃが「通常走行速度」にて搬送車両３Ｂの走行制御を行い、「Ｂ」の場合には絶対誘導制御部１５ｃが「徐行」にて搬送車両３Ｂの走行制御を行う。なお、このテーブルにおいて、標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８の並び（配置）に対応付けて走行命令情報が記憶されるようにしてもよく、例えば、「Ａ，Ａ」の並びでは「通常走行速度」とし、「Ｂ，Ｂ」の並びでは「徐行」としてもよい。なお、この例においても、すべての標識構造物の形状が同一で、坑道Ｔの横断面による設置位置の違い、例えば、或る標識構造物は右側に設置し、他の標識構造物は左側に設置するなどの違いによって種類を識別できるようにしてもよい。

また、第３の例に係るテーブル（図１６（ｃ）参照）では、スタート位置から順番にカウントした場合の標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８の数に対応付けて「通常走行速度」または「徐行」の走行命令情報が記憶されている。この例では、例えば、標識検出部１５ｈで捕捉された標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８のカウント数が「１」の場合には、絶対誘導制御部１５ｃが「通常走行速度」にて搬送車両３Ｂの走行制御を行い、カウント数が「３」になると、絶対誘導制御部１５ｃが「徐行」にて搬送車両３Ｂの走行制御を行う。

本実施形態に係る誘導システム１Ｂにおいても絶対誘導や相対誘導が可能であり、誘導のモードを相互に切り替えながら上述同様の誘導方法を行うことができる。そして、本実施形態に係る誘導システム１Ｂ及び誘導システムを利用した誘導方法によれば、第１実施形態と同様に、誘導のための新たなガイド設備を設置しなくても搬送車両３Ｂの誘導が可能であり、また、走行ルートＲの全長に亘った３次元マップを用意するだけで精度の高い誘導が可能になる。その結果として、搬送車両３Ｂの誘導に要する設備負担を抑え、且つ、搬送車両３Ｂを安定して誘導できる。

また、トンネルなどの坑道Ｔでは形状変化の乏しい箇所も多く、走行ルートＲ上の進行方向における搬送車両３Ｂの位置を特定し難い場合もある。しかしながら、本実施形態では、予め所定の位置に標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８が設置されており、その標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８は、坑道Ｔの他の設備や構造物などとは区別可能な特徴的な形状を備えている。坑道Ｔでは形状変化の乏しい箇所も多く、走行ルートＲ上の進行方向における搬送車両３Ｂの位置を特定し難い場合もある。しかしながら、本実施形態に係る誘導システム１Ｄでは、予め所定の位置に標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８が設置されており、その標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８は、坑道Ｔの他の設備、構造物及び壁面などとは区別可能な特徴的な形状を備えているため、その標識構造物Ｔｓ１〜Ｔｓ８に関しては捕捉し易くなって、より精度良く搬送車両３Ｂの位置姿勢情報を割り出すことができる。
（第３実施形態）
次に、図１７を参照して本発明の第３実施形態に係る誘導システムを説明する。図１７は、本実施形態に係る搬送車両３Ｃ及び誘導システムを示す斜視図である。なお、本実施形態に係る誘導システム１Ｃについて、第１実施形態に係る誘導システム１Ａと同様の要素については、第１実施形態と同一の符号を付して詳細説明を省略する。

誘導システム１Ｃは、上述の各実施形態に係る誘導システム１Ｂ，１Ｃと同様に、坑道Ｔでの搬送車両３Ｃの自律運転のために搬送車両３Ｃを走行ルートＲに沿って誘導するシステムである。誘導システム１Ｃは、搬送車両３Ｃの前部と後部との二カ所にレーザースキャナ２３，２４が搭載されている。二台のレーザースキャナ２３，２４では、それぞれ独立して観測形状データが取得される。また、マップ記憶部１５ａには、各レーザースキャナ２３，２４に対応した二種類の３次元マップが記憶されている。本実施形態に係る誘導システム１Ｃでは、二台のレーザースキャナ２３，２４それぞれで取得された観測形状データと３次元マップとに基づき、マルコフ位置推定手法を利用した位置姿勢情報の割り出しが行われる。その結果、高い精度の位置姿勢情報を割り出すことができる。また、一方のレーザースキャナ２３が壊れてしまった場合であっても、他方のレーザースキャナ２４で取得された観測形状データに基づいて絶対誘導や相対誘導による搬送車両３Ｃの走行制御を行うことができる。

以上、本発明を各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されない。例えば、走査手段としてのレーザースキャナを三台以上設置することもできる。

坑道を走行する搬送車両を模式的に示す図である。 本実施形態に係る搬送車両の斜視図である。 本実施形態に係る搬送車両の側面図である。 本実施形態に係る誘導システムのブロック図である。 マルコフ位置推定手法の流れを説明するために、坑道内に設置された３つの構造物と搬送車両との位置関係及び存在確率を示す図である。 走行ルートを跨ぐように設置された作業用仮設備及び作業用仮設備に進入した搬送車両の正面図である。 誘導用構造物を示し、（ａ）は本実施形態に係る誘導用構造物の斜視図であり、（ｂ）は第１の変形例に係る誘導用構造物の斜視図である。 誘導用構造物の変形例を示し、（ａ）は第２の変形例に係る誘導用構造物の斜視図であり、（ｂ）は第３の変形例に係る誘導用構造物の斜視図である。 誘導用構造物の変形例を示し、（ａ）は第４の変形例に係る誘導用構造物の斜視図であり、（ｂ）は第５の変形例に係る誘導用構造物の斜視図である。 本実施形態に係る誘導システムを利用して実行される誘導方法の動作手順を示すフローチャートである。 誘導制御処理の動作手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る搬送車両のブロック図である。 本実施形態に係る搬送車両が走行する坑道を模式的に示す図である。 本実施形態に係る搬送車両が走行する坑道の一部を破断して示す斜視図である。 標識構造物の一例を示す斜視図である。 標識構造物の形状情報と所定の走行命令情報とが対応付けられたテーブルを示し、（ａ）は第１の例に係るテーブルを示す図であり、（ｂ）は第２の例に係るテーブルを示す図であり、（ｃ）は第３の例に係るテーブルを示す図である。 本発明の第２実施形態に係る搬送車両の側面図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…誘導システム、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…搬送車両（移動体）、１３，２４…レーザースキャナ（走査手段）、１５ａ…マップ記憶部（マップ記憶手段）、１５ｂ…演算部（演算手段）、１５ｃ…絶対誘導制御部（絶対誘導制御手段）、１５ｄ…捕捉判定部（捕捉判定手段）、１５ｅ…相対誘導制御部（相対誘導制御手段）、１５ｆ…切替部（切替手段）、１５ｇ…標識データ記憶部（目標物記憶手段）、１６Ａ〜１６Ｆ…誘導用構造物、１６ａ…基準面、Ｒ…走行ルート、Ｔｓ１〜Ｔｓ８…標識構造物（目標物）。

Claims (7)

1. 移動体を所定の走行ルートに沿って誘導する誘導システムにおいて、
   前記移動体に搭載され、前記移動体の周囲環境に関する形状情報を取得する走査手段と、
   前記走行ルートに沿った形状情報を含む３次元マップを記憶するマップ記憶手段と、
   前記マップ記憶手段に記憶された前記３次元マップと、前記走査手段で取得された形状情報とに基づいて前記移動体の位置姿勢情報を割り出す演算手段と、
   前記演算手段で割り出された位置姿勢情報に基づく絶対誘導によって前記移動体を走行制御する絶対誘導制御手段と、
   を備えることを特徴とする誘導システム。
2. 前記演算手段は、前記マップ記憶手段に記憶された前記３次元マップと、前記走査手段で取得された形状情報とに基づいて、前記走行ルート上における前記移動体の存在確率を求め、前記存在確率が最も高い場所及び姿勢から前記移動体の位置姿勢情報を割り出すことを特徴とする請求項１記載の誘導システム。
3. 前記走行ルートは、坑道を通過するように設定され、
   前記坑道には、前記走行ルートに沿った所定の位置に目標物が設置され、
   前記目標物の形状情報は前記坑道の他の形状情報に対して区別可能であり、
   前記３次元マップには、前記目標物の位置情報と形状情報とが対応付けられて前記移動体の周囲環境に関する形状情報に反映され、
   前記演算手段は、前記３次元マップと前記走査手段で取得された形状情報とに基づいて前記移動体の位置姿勢情報を割り出すことを特徴とする請求項１または２記載の誘導システム。
4. 前記走行ルートに沿って配置された誘導用構造物と、
   前記走査手段で取得された形状情報に基づいて、前記誘導用構造物の有無を判定する捕捉判定手段と、
   前記誘導用構造物に沿って前記移動体を走行させる走行制御を行う相対誘導制御手段と、
   前記捕捉判定手段によって前記誘導用構造物有りと判定された場合に、前記絶対誘導制御手段による走行制御から前記相対誘導制御手段による走行制御に切り替える切替手段と、を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の誘導システム。
5. 前記誘導用構造物は、前記走行ルートに沿った基準面を有し、
   前記相対誘導制御手段は、前記基準面からの距離が所定の距離になるように前記移動体を走行制御することを特徴とする請求項４記載の誘導システム。
6. 前記誘導用構造物は、前記走行ルートを跨ぐように囲む基準面を有し、
   前記相対誘導制御手段は、前記基準面からの距離が所定の距離になるように前記移動体を走行制御することを特徴とする請求項４記載の誘導システム。
7. 移動体を所定の走行ルートに沿って誘導する誘導方法において、
   前記移動体の周囲環境に関する形状情報を取得する走査ステップと、
   ３次元マップに含まれる走行ルートに沿った形状情報と、前記走査ステップで取得された形状情報とに基づいて前記移動体の位置姿勢情報を割り出す演算ステップと、
   前記演算ステップで割り出された位置姿勢情報に基づく絶対誘導によって前記移動体を走行制御する絶対誘導制御ステップと、
   を備えることを特徴とする誘導方法。

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