JP2022523713A - 共通システムの複数の可動モジュールの位置及び配向を状態推定するための方法 - Google Patents

共通システムの複数の可動モジュールの位置及び配向を状態推定するための方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、共通システムの関節(J1,J2)を介して相互に可動な複数のモジュールの位置及び配向をモジュール上に配置された複数の慣性センサ(S1,S2)を用いて状態推定するための方法に関する。ここでは、関節(J1,J2)の少なくとも1つと、当該関節(J1,J2)に接続された2つのモジュールとの運動学的関係を表す少なくとも1つのベクトル対(Sinmess,i,Wnref,i又はSiomess,i,Woref,i)が求められ(100,101,110,111)、当該少なくとも1つのベクトル対が状態推定に導入される。

Description

本発明は、共通システムの関節を介して相互に可動な複数のモジュールの位置及び配向を状態推定するための方法に関し、ここでは、可動モジュール及び関節の運動学的関係が状態推定に導入される。さらに、本発明は、計算機上において実行されるときに方法の各ステップを実施するためのコンピュータプログラム、及び、当該コンピュータプログラムが記憶されている機械可読記憶媒体に関する。最後に、本発明は、本発明に係る方法を実施するように構成された電子制御装置に関する。
従来技術
今日、作業機械の分野における自動化は、急速に進展している。作業機械及びその工具を自動化するためには、状態推定によって作業機械及びその工具の位置及び配向を認識する必要がある。関節を介して相互に接続され相互に可動な複数のモジュールの位置及び配向は、モジュール上に配置された複数の慣性センサを用いて求められる。
図1には、作業機械の例として、下部構造体Uと上部車体L1とを備えた掘削機1が示されており、ここで、上部車体L1は、第1の関節J1を介して下部車体Uに対して水平方向において回転可能である。上部構造体L1には、第1のセンサユニットS1が配置されており、当該第1のセンサユニットS1は、位置固定された基準座標系に対する上部構造体の線形加速度及び/又はヨーレートを測定する慣性センサ、並びに、当該箇所における地磁気を測定する磁力計を有している。掘削機1は、さらなるリンクブームL2、調整ブームL3及びステムL4並びにバケット3又はL5を有する掘削機アーム2を備える。ブームL2は、第2の関節J2を介して掘削機1の上部車体L1に接続され、調整ブームL3は、第3の関節J3を介してブームL2に接続され、ステムL4は、第4の関節を介して調整ブームL3に接続され、バケットL5は、第5の関節J5を介してステムL4に接続されている。各リンクL1,L2,L3,L4,L5には、それぞれ、慣性センサ及び磁力計を有するセンサユニットS1,S2,S3,S4,S5が配置されている。慣性センサは、位置固定された基準座標系に対する各センサの線形加速度及びヨーレートを測定する加速度センサ及びヨーレートセンサである。さらに、センサユニットS1,S2,S3,S4,S5は、それぞれ各関節J1,J2,J3,J4,J5の関節角度を測定する関節角度センサを有し得る。掘削機1が存在しているグローバル座標系は、符号Wによって表されている。
上部車体L1及びブームL2について状態推定するためのそれ自体公知の方法は、図2に示され、この図に基づき、以下において簡単に説明される。
下部車体Uについて、変換行列Twuとそこから導出可能な単位四元数qwuとが提供され(10)、これらは、グローバル座標系Wにおける下部車体Uの位置及び配向を示す。同時に又は相前後して、センサユニットS1,S2(図2においては示されていないが、さらなるセンサS3,S4,S5も)、より正確には慣性センサ及び磁力計は、測定信号を受け取る(20,30)。測定信号として、符号ωにより示される角速度、符号aにより示される加速度、及び、符号mにより示される磁場が受け取られる。図2において、左側のインデックスは、それぞれの測定値がどの基準座標系において受け取られたかを示す。上部車体L1について、測定された角速度S1ωmess、測定された加速度S1mess、及び、測定された磁場S1messは、フィルタ21を通過し、これにより、特に、グローバル座標系Wに対する上部車体L1の旋回を表す四元数qW,L1及び上部車体L1の推定角速度L1ωestが求められる。第1の関節J1について、ここでは、上部車体L1の四元数qW,L1と下部車体Uの単位四元数とを用いて、第1の関節角度θが求められ(40)、次いで、そこから引き続き、下部車体Uと上部車体L1との間の遷移についての変換行列TU,L1が求められる(41)。最後に、グローバル座標系Wと上部車体L1との間の遷移についての変換行列TW,L1を得るために、下部車体Uについての変換行列TW,Uと、下部車体Uと上部車体L1との間の遷移についての変換行列TU,L1との行列乗算42が行われる。
同様の方法により、掘削機アーム2のブームL2について、測定された角速度S2ωmess、測定された加速度S2mess、及び、測定された磁場S2messが、第2のセンサS2から受け取られ(30)、フィルタ31を通過し、これによって、特に、グローバル座標系Wに対するブームL2の旋回を表す四元数qW,L2及びブームL2の推定角速度L2ωestが求められる。第2の関節J2について、ここでは、ブームL2の四元数qW,L2と上部車体L1の四元数qW,L1とを用いて、第2の関節角度θが求められる(50)。そこから引き続き、ロボットアームのいわゆる順運動学と同様に、関節アームの、例えばDenavit-Hartenbergパラメータのように既知であると想定される運動パラメータを使用して、上部車体L1とブームL2との間の遷移についての変換行列TL1,L2が求められる(51)。最後に、グローバル座標系WとブームL2との間の遷移についての変換行列TW,L2を得るために、グローバル座標系Wと上部車体L1との間の遷移についての変換行列TW,L1と、上部車体L1とブームL2との間の遷移についての変換行列TL1,L2との行列乗算52が行われる。
さらなるリンクについても、この方法は、同様にさらに続けることができる。
静止した機械についての関節角度から順運動学を計算するための方法の詳細な説明については、例えば、Spong、Mark W.、Seth Hutchinson及びMathukumalli Vidyasagarによる論文「Robot modeling and control, Vol.3. New York:Wiley,2006」が挙げられ、その限りにおいては、これが参照される。
論文「Robot modeling and control, Vol.3. New York:Wiley,2006」、Spong、Mark W.、Seth Hutchinson及びMathukumalli Vidyasagar著
本発明の開示
典型的には、質量の大きい金属を有する作業機械の場合、磁力計の測定値は、質量の大きい金属と、それにより発生する磁場とによって、これらの測定値が往々にして使いものにならなくなり又は少なくとも信頼性が低くなる程度に変化する。なお、個々の磁力計の測定値が異なる影響を受ける可能性もあり、そのため、それぞれのモジュール又はリンクの状態推定値が相互にばらばらになり、これによって、状態推定において運動学的には不可能なモジュール又はリンクの配向及び/又は位置の構成が発生する。例として、1つの関節を介して接続された2つのモジュールについての状態推定は、運動学的には除外されるべきであるにもかかわらず、それぞれ異なるヨー角を示す。本発明の枠内においては、モジュールとは、リンクを意味するものと理解することができる。
基準ベクトルと「測定された」ベクトルとからなる少なくとも1つの対を求めることが提案され、この少なくとも1つの対は、関節の少なくとも1つと、関節に接続された2つのモジュールとの運動学的関係を表す。ここではせいぜい間接的にしか測定を実施することができず、それどころか前述のベクトルを求めることは、むしろいわゆる仮想測定とみなすことができるので、少なくとも1つのベクトルは、仮想ベクトルとも称される。従って、このベクトル対は、モジュールの状態推定に導入される。運動学的関係は、特に、構成要素の限界を表す運動学的制約条件(英語;kinematic constraints)であるものとしてもよい。そのため、関節は、典型的には最大角度までしか回転することができず、固定モジュールは、重ねることができない。
特に好適には、運動学的関係を表すベクトル対が求められる。第1のベクトル対は、ここでは、関節が当該関節に接続された2つのモジュールの各観点から同一の関節軸を有しているという運動学的関係を表す。「~の観点から」という表現は、どの座標系を観察に用いるかを示す。換言すれば、関節又は関節軸の位置及び配向は、それがどちらのモジュールから求められるかには依存せず、そのため、両モジュールにとって同一である。従って、第1のベクトルによっても、関節が2つのモジュールの各観点から同一の関節軸を有しているという運動学的関係が表される。
第2のベクトル対は、測定された関節角度が、関節に接続された一方のモジュールの観点から当該関節に接続された他方のモジュールの少なくとも1つの軸を予め設定するという運動学的関係を表す。換言すれば、関節角度が測定され、一方のモジュールの配向が既知であるならば、他方のモジュールの軸の配向も既知となる。関節角度は、例えば関節角度センサによって測定することができる。
好適には、少なくとも1つのベクトル対は、各モジュールに割り当てられた慣性センサのセンサデータの融合において導入される。好適には、上記の2つのベクトル対は、慣性センサごとに求められ、当該センサのセンサデータの関連するフィルタリングにおいて導入される。特に好適には、融合は、フィルタリングによって行われる。ただし、他のセンサ融合方法、例えば、グラフの評価に基づく方法も使用することができる。
これらのモジュールは、典型的には、運動学的連鎖機構に沿って配置されており、即ち、モジュールの運動は、その前に配置されたモジュールの運動に依存する。好適には、1つのモジュールについてベクトルを求めることは、特にグローバル座標系において、固定された基準に接続されている第1のモジュールから開始する順番により順次実施される。
コンピュータプログラムは、特に、それが計算機上又は制御装置上において実行されるときに、本方法の各ステップを実施するために構成されている。なお、ここでは、構造的な変更の実施を要することなく、従来の電子制御装置への本方法の実装が可能になる。この目的のために、本コンピュータプログラムは、機械可読記憶媒体上に記憶されている。
本コンピュータプログラムを従来の電子制御装置に読み込ませることによって、運動学的な関係を状態推定において導入するように構成された電子制御装置が得られる。
本方法は、多肢関節アームを有する作業機械に使用される。そのような作業機械の例として、バケットアームを有する掘削機がある。この場合、モジュールは、アームのリンクに対応しているが、掘削機のさらなる部分に、例えば上部構造体などに対応することもできる。
本発明の実施例は、図面に示され、以下の明細書において、より詳細に説明される。
本発明に係る方法を実施することができる、従来技術による掘削機の形態の作業機械を示した図である。 従来技術による状態推定のための方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態による状態推定のための方法のフローチャートである。
発明の実施例
以下においては、図1の掘削機1の可動モジュールの位置及び配向を状態推定するための本発明に係る方法の一実施形態を説明する。下部車体Uに対して回転可能な上部車体L1、ブームL2、調整ブームL3、ステムL4及びバケットL5は、可動なモジュールとみなされる。これらの可動なモジュールは、運動学的連鎖機構に沿って関節J1,J2,J3,J4,J5を介して相互に接続されており、それぞれ、慣性センサと磁気計とを含むセンサユニットS1,S2,S3,S4,S5を有している。詳細な説明は、上記の「従来技術」の欄において行われている。図3は、本発明に係る方法の実施形態のフローチャートを示している。図2に示されている従来技術による方法と同一のステップは、同一の参照符号により表され、それらの新たな説明は省略される。
表記においては、右側のインデックスは、どのモジュール又は座標系間において運動が行われたかを示し、左側のインデックスは、どの座標系から運動が観察されるかを示す点に留意されたい(「~の観点から」という表現は、どの座標系を観察に用いるかを示す。)。
センサS1,S2,S3,S4,S5ごとに、それぞれ、ベクトル対Simess,iref,iを求めるステップ100,110、及び、第2のベクトル対Simess,iref,iを求めるステップ101,111が行われ(インデックスiは、ここでは、関連するセンサを有する任意のモジュールを表す)、これらは、以下において詳細に説明する。これらの2つのベクトル対o及びnは、従来技術により測定された磁場ベクトルmessを置き換え又は補足するものである(図2参照)。式1によれば、ベクトルSimess,iref,i及びSimess,iref,iは、仮想測定値と期待される基準変数ref,i及びref,iとの間の偏差又は誤差を最小化するためにフィルタリング21,31において導入される。
Simess,i-(RW,Siref,i
(式1) Simess,i-(RW,Siref,i
ここで、Simess,i及びSimess,iは、センサ座標系において測定された(又は仮想的に測定された)ベクトルであり、RW,Siは、グローバル座標系Wに対するセンサSiの配向を示し、ref,i及びref,iは、グローバル座標系Wの観点からの基準としてのベクトルである。
以下においては、第1のセンサユニットS1についてのベクトル対を求めるステップ100,101を説明する。この第1のセンサユニットS1は、上部車体L1上に配置され、慣性センサ及び関節角度センサを有する。上部車体L1は、運動学的連鎖機構に沿って第1の関節J1を介して下部車体Uに接続されている。なお、第1のベクトル対S1mess,1ref,1を求めるステップ100は、以下のとおりである。
順次連続するモジュールの上部構造体L1と下部構造体Uとを接続する第1の関節J1の関節軸は、モジュールの両座標系に対して直接指定することができる。上部車体L1上に配置された第1のセンサS1についての第1のベクトル対のベクトルS1mess,1を、一方では、センサ1と上部車体L1との間の既知と想定される配向を使用して指定し、他方では、先行リンクL1の配向推定値を使用してベクトルref,iを指定すると、そのように求められた2つのベクトルは、それらが共通の座標系に変換されると直ちに運動学的関係に基づいて同一又は平行になるはずである。
Spongらの論文「Robot modeling and control」(上述参照)からのDenavit-Hartenberg表記に応じて、関節軸は、先行するモジュールのz軸に対応している。先行するモジュールとは、ここでは、動作のないモジュールを起点とした運動学的連鎖機構に沿って現在のモジュールの前に配置され、これと直接接続されているモジュールとみなすことができる。この場合、先行するモジュールとは、即ち、下部車体Uである。
(式2) n=e
なお、上部車体L1上に配置された第1のセンサS1の座標系における第1のベクトルの仮想測定は、式3に従って実施することができる。
(式3) S1mess,1=(RL1,S1(RU,L1
ここで、RL1,S1は、上部車体L1に対する第1のセンサS1の配向を表し、既知であると想定することができる一定の適用パラメータを示す。RU,L1は、上部車体L1と下部車体Uとの間の変換行列TU,L1の回転成分(図2参照)、即ち、Denavit-Hartenberg表記のいわゆるA行列を表す。冒頭に述べたSpongらの論文「Robot modeling and control」(式3,10)においては、これは以下のように定義される。
Figure 2022523713000002
ここで、θは、可変関節角度を表し、d、α及びaは、一定の運動学的関節パラメータである。
それゆえ、回転成分については、以下のとおりである。
Figure 2022523713000003
ここで、RL1,Uは、RU,L1の逆回転行列又は転置回転行列を表す。
z軸に平行なベクトルは、z軸を中心とする回転に対して不変であるため、式3をさらに簡略化することができ、そのため、上部構造体L1に関する第1のセンサSの配向RL1,S1又はパラメータaにより表される関節の運動学に係る一定のパラメータにのみ依存する。
Figure 2022523713000004
同時に、第1のベクトルrefは、先行するリンク、即ち、下部車体Uの配向の状態推定値を介して、式7に従ってグローバル座標系Wの観点からの基準として指定することができる。
(式7) ref,1=RW,U
なお、第1のセンサS1についての仮想測定値の第1のベクトルS1messの記述についても、グローバル座標系Wの観点からの基準としての第1のベクトルref,1の記述についても、観察されるリンク、即ち、上部車体L1についての状態推定値又は第1のセンサS1についての状態推定値は使用されていないことに留意すべきである。それゆえ、式8により表される関係(第1のセンサS1についての上記の式1に対応)は、仮想測定値と期待される基準値ref,1との間の差分ベクトルを最小化するために、第1のセンサS1の配向RW,S1の状態推定のためのフィルタリング21において導入することができる。
(式8) S1mess-(RW,S1ref,1
第2のベクトル対S1mess,1ref,1を求めるステップ101は(さらに第1のセンサS1についても)、以下のとおりである。
なお、上部車体L1上に配置された第1のセンサS1の座標系における第2のベクトルの仮想測定は、式9に従って実施することができる。
(式9) S1mess,1=(RS1,L1)e
ここで、RS1,L1は、RL1,S1の逆回転行列又は転置回転行列を示し、従って、同様に、上部車体L1に対する第1のセンサS1の配向を表し、既知であると想定することができる一定の適用パラメータである。
同時に、第2のベクトルref,1は、先行するリンク、即ち、下部車体Uの配向の状態推定値を介して、式10に従ってグローバル座標系Wの観点からの基準として指定することができ、さらに、上部車体L1と下部車体Uとの間の変換行列TU,L1の回転成分RU,L1を指定することができる。
Figure 2022523713000005
このベクトルは、基準座標系W及び測定された関節角度θに関する下部車体Uの配向のみに依存する。より一般的には、このベクトルは、先行するモジュールの配向推定値及び2つのモジュール間の関節角度のみに依存する。
なお、ここでも、第1のセンサS1についての第2のベクトルS1mess,1の記述についても、グローバル座標系Wの観点からの基準としての第2のベクトルref,1の記述についても、観察されるモジュール、即ち、上部車体L1についての状態推定値又は第1のセンサS1についての状態推定値は使用されていないことに留意すべきである。それゆえ、式11により表される関係(第1のセンサS1についての下記の式11に対応)は、仮想測定値と期待される基準値ref,1との間の差分ベクトルを最小化するために、第1のセンサのためのフィルタリング21において導入することができる。
(式11) S1mess-(RW,S1ref,1
図3に示す第1のベクトル対S2mess,2ref,2を求めるステップ110、及び、第2のセンサS2についての第2のベクトル対S2mess,2ref,2を求めるステップ111は、同様の方法により実施することができる。このことは、他のセンサS3,S4,S5についてのベクトルを求めるステップにも当てはまるが、これらは明確化の理由から図3には示されていない。

Claims (9)

  1. 共通システムの関節(J1,J2,J3,J4,J5)を介して相互に可動な複数のモジュール(L1,L2,L3,L4,L5)の位置及び配向を前記モジュール(L1,L2,L3,L4,L5)上に配置された複数の慣性センサ(S1,S2,S3,S4,S5)を用いて状態推定するための方法において、
    前記関節(J1,J2,J3,J4,J5)の少なくとも1つと、当該関節(J1,J2,J3,J4,J5)に接続された2つのモジュール(L1,L2,L3,L4,L5)との運動学的関係を表す少なくとも1つのベクトル対(Simess,iref,i又はSimess,iref,i)が求められ(100,101,110,111)、
    前記少なくとも1つのベクトル対(Simess,iref,i又はSimess,i,Wref,i)が前記状態推定に導入される、
    ことを特徴とする方法。
  2. 第1のベクトル対(Simess,iref,i)は、前記関節(J1,J2,J3,J4,J5)が当該関節に接続された2つのモジュール(L1,L2,L3,L4,L5)の各観点から同一の関節軸を有しているという運動学的関係を表す、
    請求項1に記載の方法。
  3. 第2のベクトル対(Simess,iref,i)は、測定された関節角度(θ)が前記関節(J1,J2,J3,J4,J5)に接続された一方のリンク(L1,L2,L3,L4,L5)の観点から当該関節(J1,J2,J3,J4,J5)に接続された他方のリンク(L1,L2,L3,L4,L5)の少なくとも1つの軸(e)を予め設定するという運動学的関係を表す、
    請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記少なくとも1つのベクトル対(Simess,iref,i又はSimess,iref,i)は、前記モジュール(L1,L2,L3,L4,L5)に割り当てられた前記慣性センサ(S1,S2,S3,S4,S5)のセンサデータの融合において導入される、
    請求項1乃至3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記センサデータの融合は、フィルタリング(21,31)によって行われる、
    請求項4に記載の方法。
  6. 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の方法の各ステップを実施するために構成されたコンピュータプログラム。
  7. 請求項6に記載のコンピュータプログラムが記憶されている機械可読記憶媒体。
  8. 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の方法を用いて、相互に可動な複数のモジュールの位置及び配向の推定を実施するように構成された電子制御装置。
  9. 多肢関節アーム(2)を有し、複数のモジュール(L2,L3,L4,L5)が前記アーム(2)のリンクに対応している作業機械(1)への請求項1乃至5のいずれか一項に記載の方法の使用。
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