JP2579808B2 - 移動体の誘導方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、工場内のファクトリ・オートメーション
（FA）に使用される無人搬送車等の移動体の誘導方法及
びその装置に関する。

〔従来の技術〕

無人搬送車等の移動体を誘導走行させる方法としては
連続的な走行経路を誘導ケーブル，光学テープ等によっ
て予め設定し、この経路の沿って台車を走行させる方
法，移動体自身が走行経路の認識機能をもつ場合に走行
経路の周囲環境を電波，光等によって移動体に認識さ
せ、この情報に従って走行させる方法及び推測航法を応
用して台車を誘導する方法等がある。

誘導ケーブルにて走行経路を設定する方法は、経路設
定に多額の費用と時間とを要し、経路の変更が容易では
なく、また光学テープ等では長年の使用によるテープ表
面の汚れによって走行経路の検出精度が低下する。ま
た、電波，光等によって周囲環境を認識させる方法で
は、電波，光等が外部からの障害を受け易く検出精度が
低い。

このような欠点のない方法として、推測航法を応用し
て移動体自身に走行経路の情報を持たせ、この情報に従
って移動体を誘導する方法が本発明者等により提案され
ている。（特開昭63−20508号公報）。

この誘導方法においては、自律走行車は任意の地点か
ら出発し、一定時間毎に左右の車輪の回転数を左右夫々
に検知し、これらの回転数及び車輪仕様にて定まる係数
に基づいて自律走行車の位置・方位を推定し、推定した
位置・方位に基づき目標位置を設定し、その目標位置に
向かって走行しながら予め設定された走行経路に沿うよ
うに走行すると共に、走行経路の適宜の位置に配された
マークを検知する都度、自律走行車の位置・方位を補正
し、この補正時に位置・方位の偏差を検出し、検出した
偏差が位置又は方位のいずれの偏差であるかによって、
この偏差に関連のある係数を変更し、変更した係数を新
しい係数として適用して走行するのであり、これによ
り、誘導精度が向上し、自律走行車がマークから遠く離
れた位置に誘導されることがなくなった。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら従来の推測航法を用いた誘導方法におい
ては、走行経路を直線状にしか設定できず、走行経路の
設定の自由度が制約されているので、同一走行経路上を
対向して複数の台車が走行するときに生じる退避動作等
を行う場合、その誘導がスムーズに行えず、また、最短
経路を選択できないので、移動時間に制約がある場合
に、それに対処して移動時間を短くすることが困難であ
った。

この発明は斯かる事情に鑑みなされたものであり、こ
の発明の目的は曲線の走行経路を円弧の連なりと見做
し、その中心と、無人搬送車の現在位置とを結ぶ直線が
走行経路と交わる点の位置及びその点における接線方向
を目標姿勢とし、それとの比較により誘導誤差を求め、
曲線形状の走行経路であっても自由に誘導でき、移動時
間を減少すると共に、走行経路の設定の自由度の制約を
少なくするにある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る移動体の誘導方法は、平面上を走行す
る移動体の走行位置及び走行方向を求め、それに基づき
予め定められた走行経路上を走行すべく移動体を誘導す
る移動体の誘導方法において、曲線で形成された走行経
路を円弧の連なりと見做し、該円弧に倣うべく前記移動
体の現在位置と円弧の中心とを結ぶ線分が円弧と交差す
る点の位置及び前記点における前記円弧の接線方向を目
標姿勢とし、該目標姿勢と、移動体の現在位置及び走行
方向である現在姿勢とのずれである位置偏差及び方向偏
差を含む誘導誤差量を求め、この誘導誤差量から得た誘
導偏差と予測時間、予測距離及び誤差係数とを用いて瞬
時目標を定め、この瞬時目標に従う操向を繰り返して移
動体を誘導することを特徴とする。

その実施に用いる装置は、平面上を走行する移動体の
走行位置及び走行方向を演算する演算手段を備え、予め
定められた円弧を含む走行経路に倣い走行すべく移動体
を誘導する移動体の誘導装置であって、移動体の現在位
置と前記円弧の中心とを結ぶ線分が前記円弧と交差する
点の位置及び前記点における前記円弧の接線方向を目標
姿勢として算出する手段と、前記目標姿勢と移動体の現
在の位置及び走行方向を含む現在姿勢とのずれである位
置偏差及び方向偏差を含む誘導誤差量を算出する手段
と、前記位置偏差及び方向偏差である誘導偏差と予測時
間、予測距離及び誤差係数とに基づき、走行すべき瞬時
目標を設定する手段と、前記瞬時目標への前記現在姿勢
に接する円弧の回転半径を算出する手段と、前記回転半
径により、移動体の走行を制御する手段とを備えること
を特徴とする。

〔作用〕

第1,第２の発明にあっては、円弧を含む走行経路の中
心を求め、それと移動体の現在の位置とを結ぶ線分が前
記円弧と交差する点の位置及び前記点における前記円弧
の接線方向を目標姿勢と定め、該目標姿勢と現在姿勢と
のずれを誘導誤差量とし、その誘導誤差量から得た誘導
偏差と予測時間、予測距離及び誤差係数とを用いて瞬時
目標を定め、それに応じて移動体の操向を制御すること
により、走行経路が曲線であっても移動体を滑らかに誘
導できる。

〔実施例〕

以下この発明をその一実施例に示す図面に基づいて説
明する。

第１図は本発明に係る移動体の誘導方法を用いた装置
を搭載した無人搬送車の構造を示す模式図である。図に
おいて１は、左右一対の駆動輪1l,1r及び前後左右に配
されたキャスタ2fl,2fr,2bl,2brに支持された車体であ
り、駆動輪1l,1rはモータ21l,21rに直結し、各別に回転
可能となっており、各別の回転により車体１の操向を行
っている。各モータ21l,21rには夫々の回転数に応じた
パルスを発生するパルスジェネレータPGl,PGrが付設さ
れており、これにより無人搬送車の走行位置及び方向を
検出する。

また車体１の中央部下面には、磁気検出装置11がその
中心を車体１の中心と一致させて配設されており、床面
の走行経路上に所定間隔で埋設された円柱状の磁石Mj,M
iからなる位置補正用の定点M,M…と車体１との相対位置
を算出する。

また車体１には、その電源である４つのバッテリ5a,5
b…、車体１の走行経路の設定及び手動走行等の操作に
使用する操作パネル３、車体１と外部との通信を行うワ
イヤレス通信モジュール４、磁気検出装置11の出力を処
理する検出回路30、駆動輪1l,1rの制御を行い、車体１
を走行経路へ誘導する誘導制御回路20、検出回路を制御
するCPU35及び誘導制御回路20用のCPU23が設けられてい
る。

次にこの発明の要旨である無人搬送車を曲線で形成さ
れた走行経路に沿って誘導する方法の概略を第２図に示
すフローチャートに従い説明する。先ず前提とし車体１
の絶対位置の方向を算出する基準として床面にXY座標
（以下外界座標という）を設定し、そのｉ番目の位置及
び方向を^outCⁱと表す。尚、以後ベクトル表示で示す各
姿勢等は進行方向をｙ軸正方向とし、原点をそのベクト
ルの基点とする。そして車体１の誘導制御回路20には自
身の制御基準としてのXY座標（以下内界座標という）が
設定されており、そのｉ番目の位置及び方向をⁱⁿCⁱと表
す。この内界座標は制御の開始時には外界座標と一致さ
せられているものとする（ⁱⁿCⁱ＝^outCⁱ）。

なお、走行コースは外界座標に設定されていると共
に、内界座標にも設定されており、車体１は基本的には
この内界座標上に設定された走行経路に沿うべく位置を
推定しつつ誘導される。従って一定時間経過後には内界
座標の位置及び方向ⁱⁿCⁱと外界座標の位置及び方向^outC
ⁱとの間には推定誤差δCⁱ（^outCⁱ＝ⁱⁿCⁱ・δCⁱ）が生
じ、これを床面上の定点M,M…通過時に定点M,M…との相
対位置を検出することにより、補正し減少させる。

前述した如く、推測航法においては推定誤差δCⁱの増
大が問題となるが、誘導方法は内界座標上での位置及び
方向ⁱⁿCⁱを基準に考えることができるので、推定誤差δ
Cⁱと切り離して展開することができる。

この発明の誘導方法においては、最初に車体１の初期
の位置及び方向を含む初期の現在姿勢（これをいま内界
座標上での位置及び方向であるⁱⁿCⁱで示すものとする）
を指定する（ステップ１）。次に走行経路の旋回半径及
び目標旋回角等の基本命令を読取り（ステップ２）、旋
回中心の座標（a,b）を設定する（ステップ３）。初期
の現在姿勢ⁱⁿCⁱと旋回中心とを結ぶ直線が円弧状の走行
経路と交差する点の座標及び前記点における接線方向を
目標姿勢ⁱⁿRⁱと決定する（ステップ４）。目標姿勢ⁱⁿRⁱ
が決定されると、それと現在姿勢ⁱⁿCⁱとの誘導誤差量δ
Eⁱを下記（１）式で定義して算出し（ステップ５）、ⁱⁿ Cⁱ＝ⁱⁿRⁱ・δEⁱ ……（１） 誘導誤差量δEⁱに含まれる位置偏差δSⁱと方向偏差δ
θ^ｉとをベクトル化した誘導偏差δ^ｉ（＝〔δSⁱ,δθ
^ｉ〕）を算出する（ステップ６）。

次に誘導偏差δ^ｉと予測時間tp、予測距離ｌ、及び誤
差係数ベクトルＫとに基づいて、車の運転車の視点に相
当する瞬時目標ⁱⁿDⁱを求める（ステップ７）。

そして現在姿勢ⁱⁿCⁱ,瞬時目標ⁱⁿDⁱを通り、現在角度
θ_c ⁱ軸に対する円弧をｉ番目の制御周期における瞬時的
な目標コースとし、その旋回半径ρ^ｉを求める（ステッ
プ８）。そして求めた旋回半径ρ^ｉにより、左右駆動輪
1l,1rへの速度指令値V_L ^icmd,V_R ^icmdを求める（ステップ
９）。そしてステップ10で目標姿勢ⁱⁿRⁱの旋回角θ_r ⁱが
目標旋回角より大きいか否かを判定し、大きくなければ
ステップ４に戻り、ステップ４〜ステップ10を繰り返
し、大きければ旋回中心の異なる次区間の走行経路の誘
導へ移行する。

次に誘導方法の実際を演算式を用いて説明する。

第３図は演算式を説明するための図であり、内界座標
（x,y）の原点をＯとし、円弧の走行経路の旋回中心の
座標を内界座標の（a,b）で示す。旋回中心の座標（a,
b）が定まると、それらを用い現在姿勢ⁱⁿCⁱと座標（a,
b）を結ぶ線分が走行経路と交わる点の目標姿勢ⁱⁿRⁱの
原点の座標（x_r ⁱ,y_r ⁱ）を旋回角θ_r ⁱを用い求める。旋
回角θ_r ⁱは、現在姿勢ⁱⁿCⁱの原点の座標（x_c ⁱ,y_c ⁱ）に
より下記（２）式の如く表すことができる。

従って目標姿勢ⁱⁿRⁱの原点の座標（x_r ⁱ,y_r ⁱ）は下記
（３），（４）式で表せる。

x_r ⁱ＝ａ（１−cosθ_r ⁱ） ……（３） y_r ⁱ＝ｂ−a sinθ_r ⁱ ……（４） 尚、ここで角度は時計回りを負とする。

従って、現在姿勢ⁱⁿCⁱ及び目標姿勢ⁱⁿRⁱを同次変換形
式で示すと、下記（５），（６）式の如くになる。

この（５），（６）式により（１）式の関係を用い誘
導誤差量δEⁱを求める。なお、誘導誤差量δEⁱは目標姿
勢ⁱⁿRⁱを現在姿勢ⁱⁿCⁱに一致させるための目標姿勢ⁱⁿRⁱ
の平行及び回転移動量を示している。そして（１）式よ
り誘導誤差量δEⁱは下記（７）式で表され、 δEⁱ＝ⁱⁿCⁱ・（ⁱⁿRⁱ）^-1 ……（７） 目標姿勢の逆行列（ⁱⁿRⁱ）^-1は下記（８）式の如く表
されるので （５）式，（８）式を（７）式に代入することにより、
下記（９）式の如く誘導誤差量δEⁱが求まる。

但し、C_r＝cosθ_r ⁱ S_r＝sinθ_r ⁱ C_c-r＝cos（θ_c ⁱ−θ_r ⁱ） S_c-r＝sin（θ_c ⁱ−θ_r ⁱ） なお、誘導誤差量δEⁱの（2,4）要素はⁱⁿCⁱがⁱⁿRⁱの
ｘ軸にあるためｙ方向の偏差はなく常に零である。即ち S_r｛ａ（１−C_r）−x_c ⁱ｝＋C_r（−ｂ＋ａ・S_r＋y_c ⁱ）＝
０となる。

またδEⁱの（1,4）要素は現在姿勢ⁱⁿCⁱの原点及び目
標姿勢ⁱⁿRⁱの原点間の線分を示している。従って、目標
姿勢ⁱⁿRⁱと現在姿勢ⁱⁿCⁱとの位置偏差δSⁱはδEⁱの（1,
4）要素、即ち下記（10）式に示す如くになり、また方
向偏差δθ^ｉは下記（11）式に示す如くになる。

δSⁱ＝cosθ_r ⁱ｛−ａ（１−cosθ_r ⁱ）＋x_c ⁱ｝ ＋sinθ_r ⁱ（−ｂ＋ａ・sinθ_r ⁱ＋y_c ⁱ） ……（10） δθ^ｉ＝θ_c ⁱ−θ_r ⁱ ……（11） 上記２つの偏差を誘導偏差δ^ｉとしてベクトル形式で
下記（12）式に示す如く定義する。

δ^ｉ＝〔δSⁱ,δθ^ｉ〕 ……（12） 次に誘導偏差δ^ｉと予測時間tpに基づいて下記（13）
式より瞬時目標ⁱⁿDⁱを求める。ⁱⁿ Dⁱ＝ⁱⁿPⁱ・δE_d ⁱ ……（13） ここでⁱⁿPⁱはⁱⁿRⁱを円弧の走行経路上で車体の進行方
向にω・tp回転させ、更にl/aだけ先を見た点の位置及
び方向を含む姿勢を示す。

なお、ここに予測時間tpはⁱⁿRⁱからⁱⁿPⁱまでの回転角
度のうちの車体の角速度ωに比例する項の係数であり、
予測距離ｌはⁱⁿRⁱからⁱⁿPⁱまでの回転角度のうちのωに
対する定数項l/aを決定する係数である。

即ち、tpとｌは、ⁱⁿPⁱをⁱⁿRⁱのどれだけ先に置くかを
車体の角速度を考慮して設定する為のパラメータであ
り、本誘導装置の誘導特性（走行経路への接近形態）を
決定するものである。

ⁱⁿPⁱの原点の座標（x_p ⁱ,y_p ⁱ）は下記（14），（15）
式となる。

x_p ⁱ＝ａ（１−cosθ_p ⁱ） ……（14） y_p ⁱ＝ｂ−a sinθ_p ⁱ ……（15） 但し、θ_p ⁱ＝θ_r ⁱ＋ω・tp＋（l/a） ω＝vⁱ/a Vⁱ:中心速度 従って、姿勢ⁱⁿPⁱは下記（16）式の如くなる。

またδE_d ⁱは、ⁱⁿPⁱに対して位置偏差δSⁱと方向偏差
δθ^ｉを反映させた座標変換を行って瞬時目標ⁱⁿDⁱを得
るための同次変換行列であり、下記（17）式のように表
現される。

但し、Ｋ＝〔K₁,K₂〕：誤差係数ベクトル θ_d ⁱ:瞬時目標ⁱⁿDⁱにおける車体の方向 なお、θ_d ⁱは、後に幾何学的条件を用いて後述する
（23）式により算出される。

また、誤差係数ベクトルＫは前述の予測時間tpと予測
距離ｌとともに誘導特性を決定するパラメータである。

従って、（16），（17）式より瞬時目標ⁱⁿDⁱは下記
（18）式となる。

但し、C_d＝cosθ_d ⁱ S_d＝sinθ_d ⁱ C_p＝cosθ_p ⁱ S_p＝sinθ_p ⁱ 従って、瞬時目標ⁱⁿDⁱの原点の座標（x_d ⁱ,y_d ⁱ）は、
それの（1,4）要素及び（2,4）要素を参照すればよく、
下記（19），（20）式となる。

x_d ⁱ＝Ｋ・δ cosθ_p ⁱ−|K・δ|sinθ_p ⁱ ＋ａ（１−cosθ_p ⁱ） ……（19） y_d ⁱ＝|K・δ|cosθ_p ⁱ＋Ｋ・δ sinθ_p ⁱ ＋ｂ−a sinθ_p ⁱ ……（20） なおここでＫ・δ＝K₁・δSⁱ＋k₂・δθ^ｉのスカラ量
となる。

次に現在姿勢ⁱⁿCⁱ,瞬時目標ⁱⁿDⁱを通り、現在姿勢ⁱⁿC
ⁱのｙ軸（車体１の進行方向）に接する円弧lⁱをｉ番目
の制御周期における瞬時的な目標コースとし、その旋回
半径ρ^ｉを以下の如く求める。即ち、現在姿勢ⁱⁿCⁱ及び
瞬時目標ⁱⁿDⁱの夫々のx,y軸正方向の単位ベクトルcxⁱ,c
yⁱ及びdxⁱ,dyⁱとⁱⁿCⁱ及びⁱⁿDⁱの原点を結ぶベクトルp_cd
ⁱとの間には幾何学的に下記（21），（22）式に示す関
係があり、 p_cd ⁱ・cyⁱ＝p_cd ⁱ・dyⁱ ……（21） p_cd ⁱ＝ρ^ｉ・（cxⁱ−dxⁱ） ……（22） （21）式より θ_d ⁱ＝２θ_cd ⁱ−θ_c ⁱ ……（23） が成立し、（22）式より旋回半径ρ^ｉは ρ^ｉ＝（x_d ⁱ−x_c ⁱ）／（cosθ_c ⁱ−cosθ_d ⁱ）……（24） 又は ρ^ｉ＝（y_d ⁱ−y_c ⁱ）／（sinθ_c ⁱ−sinθ_d ⁱ）……（25） となる。

上記（24），（25）式においてx_d ⁱ,y_d ⁱは（19），（2
0）式で求められ、θ_d ⁱは、θ_cd ⁱが下記（26）式で表わ
されるので、 これを（23）式に代入して求めることができ、これら
により旋回半径ρ^ｉを求めることができる。なお、（2
4），（25）式のいずれを用いるかは、θ_c ⁱの角度によ
って定める。即ちθ_c ⁱが０に近いときはsinを用いた（2
5）式の方が分母が大きくなり、θ_c ⁱが90゜に近いとき
はcosを用いた（24）式の方が分母が大きくなるので旋
回半径ρ^ｉがより正確となる。従って ０≦｜θ_c ⁱ|≦π/4の時は（25）式を用い、π/4＜｜
θ_c ⁱ|＜（3/4）πの時は（24）式を用いることとする。
また旋回半径ρ^ｉが正のときは右回り旋回となる。

そして求められた旋回半径ρ^ｉより下記（27），（2
8）式により左右駆動輪1l,1rへの速度指令値V_L ^icmd,V_R
^icmdが求まる。

V_L ^icmd＝（ρ^ｉ＋T/2）vⁱ/ρ^ｉ ……（27） V_R ^icmd＝（ρ^ｉ−T/2）vⁱ/ρ^ｉ ……（28） 但し、Vⁱ:中心速度 T:左右駆動輪1l,1rのトレッド 以上の演算を誘導制御回路20にて行い、これを所定時
間毎に繰り返し、左右駆動輪1l,1r用のモータ21l,21rを
制御することにより車体１は旋回半径ρ^ｉの異なる微少
な円滑が滑らかにつながった目標コースlⁱ上を走行経路
である円弧に収束するように誘導される。

次に、この発明方法によるシミュレーション結果につ
いて第４図に示す図に基づき説明する。図において太線
は円弧にて形成された走行経路を示し、破線e,細線f,二
点鎖線g,一点鎖線ｈは下記に示す条件の如く、位置偏差
及び速度を設定した場合の車体１の軌跡を示す。また車
体１の慣性等を無視し、（27），（28）式で求められた
速度指令値V_L ^icmd,V_R ^icmdに基づき正確に操舵されると
仮定した。

（条件） 経路半径 ａ 100mm 初期位置偏差 δS¹ −200mm（e,f） 200mm（g,h） 初期方位偏差 δθ^１ 0rad 予測時間 tp 1.0sec. 予測距離 ｌ 0mm 誤差係数ベクトル Ｋ＝〔0.5, 50〕 中心速度 vⁱ 8m/min（f,g） 16m/min（e,f） 第４図から明らかな如く、中心速度vⁱにより走行経路
への接近形態は異なるが、いずれも滑らかに走行経路に
収束するように操舵されている。そして種々の評価関数
によりシミュレーション結果を判定し、最適条件を求め
ることにより、移動時間を短縮することができる。

なお、この実施例では、この発明を左右駆動輪を各別
に制御するスピンターン型の無人搬送車に適用した場合
を説明したが、この発明はこれに限るものではなく、操
舵と移動とを各別に行う搬送車にも適用できることは言
うまでもない。

また、この実施例では円弧の走行経路にこの発明を適
用した場合を説明したが、如何なる曲線で形成された走
行経路であっても、それを円弧にて近似することによ
り、この発明を適用できると共に、直線で形成された走
行経路であっても、経路半径が∞であると見做すことに
より適用できることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり、この発明によれば、移動体の現
在位置，移動方向からなる現在姿勢と、走行経路の円弧
の中心と移動体の現在位置とを結ぶ線分が円弧と交差す
る点の位置及び前記点の接線方向である目標姿勢とのず
れである誘導誤差量を求め、この誘導誤差量から得た誘
導偏差と予測時間、予測距離及び誤差係数とを用いて瞬
時目標を定め、この瞬時目標に従って操舵することによ
り、曲線で形成された走行経路に沿って移動体を滑らか
に倣い操向させることができ、移動時間を短縮できると
共に、走行経路の制約を少なくできる等優れた効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る移動体の誘導方法を用いて装置を
搭載した無人搬送車の構造を示す模式図、第２図は誘導
方法の概略を示すフローチャート、第３図は誘導方法を
説明する図、第４図はシミュレーション結果を説明する
図である。 １……車体、1l,1r……左右駆動輪、20……誘導制御回
路、21l,21r……モータ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平面上を走行する移動体の走行位置及び走
   行方向を求め、それに基づき予め定められた走行経路上
   を走行すべく移動体を誘導する移動体の誘導方法におい
   て、 曲線で形成された走行経路を円弧の連なりと見做し、該
   円弧に倣うべく前記移動体の現在位置と円弧の中心とを
   結ぶ線分が円弧と交差する点の位置及び前記点における
   前記円弧の接線方向を目標姿勢とし、該目標姿勢と、移
   動体の現在位置及び走行方向である現在姿勢とのずれで
   ある位置偏差及び方向偏差を含む誘導誤差量を求め、こ
   の誘導誤差量から得た誘導偏差と予測時間、予測距離及
   び誤差係数とを用いて瞬時目標を定め、この瞬時目標に
   従う操向を繰り返して移動体を誘導することを特徴とす
   る移動体の誘導方法。
2. 【請求項２】平面上を走行する移動体の走行位置及び走
   行方向を演算する演算手段を備え、予め定められた円弧
   を含む走行経路に倣い走行すべく移動体を誘導する移動
   体の誘導装置であって、 移動体の現在位置と前記円弧の中心とを結ぶ線分が前記
   円弧と交差する点の位置及び前記点における前記円弧の
   接線方向を目標姿勢として算出する手段と、 前記目標姿勢と移動体の現在の位置及び走行方向を含む
   現在姿勢とのずれである位置偏差及び方向偏差を含む誘
   導誤差量を算出する手段と、 前記位置偏差及び方向偏差である誘導偏差と予測時間、
   予測距離及び誤差係数とに基づき、走行すべき瞬時目標
   を設定する手段と、 前記瞬時目標への前記現在姿勢に接する円弧の回転半径
   を算出する手段と、 前記回転半径により、移動体の走行を制御する手段と を備えることを特徴とする移動体の誘導装置。