JP2640446B2 - 地点追従方式による無人移動機械の誘導装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は地点追従方式によ
る無人移動機械の誘導装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の誘導方法としては、第６
図に示すように予定走行経路を地点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ
を教示することにより設定し、これらの各地点を結ぶ経
路上において、例えば経路ＡＢ上を走行する時には、地
磁気センサを用いて移動車の現在位置を算出したうえ
で、車輪の方向が常に地点Ｂに向くように制御するよう
にしたものがある（特開昭５３−２６０３２号）。

【０００３】また、この種の他の誘導方法としては、上
記と同様にして予定走行経路上の各地点を教示し、これ
らの与えれた地点を、ＣＡＤの分野で用いられているス
プライン曲線で近似し、２次元平面上の連続した曲線に
置き直したうえで、その曲線をなぞって走るように車体
を操舵するようにしたものがある（第２回日本ロボット
学会学術講演会「スプライン曲線を用いた軌道設
計」）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記前
者の従来技術によれば、移動車のステアリングは移動車
が目標地点に到達するまでの間は目標地点を向くように
制御され、目標地点に到達した後に次の目標地点を向く
ようにステアリング制御されるので、移動車は目標地点
において目標地点を通過した後車速に応じた旋回半径を
もって旋回して次の目標地点に進むというような動作を
する。これは所謂ハンドルの切り遅れによる脱輪であ
る。このように、上記前者の従来技術では、各目標地点
において、移動車はハンドルの切り遅れによって迂回走
行をすることになり、実用上使いものにならない。

【０００５】一方、後者の誘導方法は、計算式が複雑で
あるため、経済的に車載可能な安価なマイクロコンピュ
―タて計算を行なうと、１つの点と点の区間の追従の計
算行なうのに数秒間をする。なお、車体のステアリング
に切り遅れのないように制御するには、０．１秒以内に
新たな計算結果が必要である。

【０００６】したがって、この誘導方法は経済的に実用
可能なマイクロコンピュ―タで制御するには不十分な方
式であり、仮にそのマイクロコンピュ−タを車載したと
しても、著しいステアリングの切り遅れが生じて実用上
使いものにならない。

【０００７】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、複雑な曲線経路を含む地点追従方式によって与えれ
た予定経路を、ステアリングの切り遅れが生じることな
く走行することができる地点追従方式による無人移動機
械の誘導装置を提供すること目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明では、無人移動
機械の予定走行路上の複数の地点の座標位置およびこれ
ら各地点を走行すべき順番が教示設定される設定手段
と、無人移動機械の現在位置を逐次測定する現在位置測
定手段と、無人移動機械の進行方向を逐次測定する進行
方向測定手段と、前記各地点への走行の際、前記設定さ
れた座標位置、前記測定された無人移動機械の現在位置
および進行方向に基づき、無人移動機械が常に現在の目
標地点へ向いて最短距離で移動するよう操舵制御する操
舵制御手段と、前記教示された各地点のうち、現在の目
標地点と前記無人移動機械の現在位置との距離を逐次求
める距離測定手段と、無人移動機械の目標地点を現在の
目標地点から次の目標地点に切り換える時点を判定する
目標地点切替制御手段と、を具え、無人移動機械が前記
教示された各地点を順次追従するように該無人移動機械
を誘導する地点追従方式による無人移動機械の誘導装置
において、前記目標地点切替制御手段は、無人移動機械
の現在位置が、現在の目標位置を中心とする所定の面積
をもつ円の範囲内に入った時点で、目標地点を次の目標
地点に切り換えるようにしたことを特徴とする。

【０００９】かかる発明によれば、無人移動機械を常に
現在の目標地点へ向いて最短距離で移動するよう操舵制
御するとともに、無人移動機械の現在位置が、現在の目
標位置を中心とする所定の面積をもつ円の範囲内に入っ
た時点で、目標地点を次の目標地点に切り換えるように
している。すなわち、本発明では無人移動機械が現在の
目標地点に到達する前の段階で目標地点を次の目標地点
に切り換えることにより、コーナリングの際のステアリ
ングの切り遅れによる迂回走行を防止することにより、
効率のよい走行を行えるようにしている。また、本発明
によれば、無人移動機械が現在の目標地点に到達する前
の段階で目標地点を次の目標地点に切り換えるようにし
ているので、無人移動機械が外乱やステアリングの切り
遅れなどによって目標地点に正確に到達しなくても目標
地点は次の目標地点に切り換えられることになり、目標
地点を見失うような事態を好適に回避できるようにして
いる。なお、直線経路の領域では、目標地点が現在の目
標地点に到達する前の段階で次の目標地点に切り換えら
れたとしても、無人移動機械は結果的には現在の目標地
点上を走行することになる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施例を添付図面
に従って詳細に説明する。

【００１１】まず、無人移動機械として前輪操舵の四輪
車を適用し、その四輪車の現在位置を求める方法の一例
について説明する。

【００１２】この四輪車には、車輪に取り付けたパルス
エンコ―ダから出力されるパルスの数を計数することに
より車両の走行距離を計測する走行距離計と、車両の進
行方向を計測するための船舶用ジャイロコンパスとを搭
載する。

【００１３】上記走行距離計およびジャイロコンパスの
出力に基づき、車両の現在位置は走行領域をｘｙ座標で
表現すると、次式、 ｘ＝Σｃｏｓα・Δｓ＋ｘ0 ｙ＝Σｓｉｎα・Δｓ＋ｙ0 …（１） により求めることができる。ここで、Δｓは１サンプリ
ング時間当りの走行距離を示し、αはｘ軸に対する車体
の傾き（進行方向）を示し、（ｘ0，ｙ0）は車両の出発
地点の座標を示す。

【００１４】なお、車両の進行方向を計測する手段とし
ては、上記ジャイロコンパスの他に、地磁気センサ、レ
―トジャイロ、２重積分ジャイロ、振動ジャイロ、レ―
ザ―ジャイロ又は左右の車輪の回転数差で方向を知るも
の等が考えられる。また、車両の現在位置は電波測量法
などで直接計測してもよい。

【００１５】次に、予定走行経路をその予定走行経路上
における各地点の点列として教示する場合の各地点間の
間隔等について考察する。

【００１６】ある車両において、車速１ｍ／ｓｅｃでは
車体が横すべりしない最小旋回半径は４．１ｍであった
が、車速が大きくなればなるほど、上記最小旋回半径も
大きくなる。

【００１７】上記各地間の最適な間隔を定めるのに際
し、上記最小旋回半径を基準にして、その最小旋回半径
の１／５０〜４倍の間隔とする。これは、最小旋回半径
の４倍の１６ｍ以上にすると、コ―ナリングの旋回で実
用上使いものにならないステアリングの切り遅れ（車両
のコース外れ）が生じ、逆に１／５０倍の８０ｍｍ以下
にすると現在位置の計算ルーチンに多くの時間を取られ
てステアリング制御の為の時間が少なくなってステアリ
ングの切り遅れが生じることから決定した範囲である。

【００１８】また、上記のようにして決定される所定間
隔の各地点の点列は、その点列中の隣接する３つの地点
によって定まる円の曲率半径が少なくとも上記最小旋回
半径よりも大きくなるように決定する。なお、車体が横
すべりせずに旋回できる最小旋回半径は車速が大きくな
ればなるほど大きくなるので、高速運転時の各地点間の
間隔は低速運転時に比べて長くとるようにする。同様に
高速運転時の隣接する３つの地点によって定まる円の曲
率半径も低速運転時に比べて大きくとるようにしてい
る。

【００１９】以上のようにして車両の現在位置および進
行方向が実時間で計測できるものとし、車両の予定走行
経路が目標点列として教示されると、地点追従方式はそ
の与えられた点列に追従するように舵角指令を与えて操
舵制御する。

【００２０】ここで、四輪車を等価二輪車で代表すると
いう一般に広く利用れる表現方法で記述し（第１図）、
上記舵角指令について説明する。

【００２１】いま、車両の操舵輪の座標が（Ｔ（ｘt，
ｙt）、目標地点の座標がＰ（ｘp，ｙp）とすると、ｘ
軸と線分ＰＴとのなす角αは次式のようになる。

【００２２】 α＝ａｒｃｔａｎ（(ｙp−ｙt)／(ｘp−ｘt)） ……（２） したがって、車両の進行方向をφtとすると、舵角指令
Θは、次式、 Θ＝α−φt ＝ａｒｃｔａｎ（(ｙp−ｙt)／(ｘp−ｘt)）−φt ……（３） で表わすことができる。

【００２３】よって、車両の現在位置（ｘt，ｙt）と進
行方向φtを観測し、上記第（３）式によって目標地点
Ｐ（ｘp，ｙp）に追従するに必要な舵角指令Θを求める
ことができる。

【００２４】ところが、実際にはステアリングの特性、
外乱などにより、目標地点に到達できなかったり、到達
したとしても舵行したりする。そこで、これを解決する
ために、次の２つの方法を用いる。

【００２５】まず、第１に、目標地点に一定の範囲を与
えて、この範囲内に車両が入ると、目標地点に到達した
ものとみなし、次の地点を新たな目標地点とする。具体
的には、第２図に示すように目標地点Ｐを中心に半径Ｒ
の円内を目標地点の範囲とし、目標地点Ｐと車両の現在
位置Ｔとの距離ａを計算し、この距離ａが半径Ｒよりも
小さいならば目標地点に到達したものとみなす。

【００２６】第２に、車両が上記目標地点に到達したも
のとみなす範囲に到達できずに通過してしまう場合に
は、その目標地点通過時点から次の地点を新たな目標地
点とする。ここで、目標地点通過時点の判断は次のよう
する。

【００２７】第３図に示すように車両の現在位置をＴ
t、単位時間前の位置Ｔt-1として各車両の位置毎におけ
る目標地点Ｐまでの距離ａt、ａt-1を計算し、次式の条
件、 ａt＞ａt-1 …（４） の成立時点を目標地点を通過した時点として判断する。

【００２８】上記第１、第２の方法を用いて新たな目標
地点を決定することにより、例えば路面の凹凸によりハ
ンドルが取られたり、障害物のために所定経路を迂回し
て走行した後も、予定走行経路に復帰することが可能で
ある。

【００２９】次に、上記方法を第４図に示すフロ―チャ
−トを用いて説明する。

【００３０】まず、車両の現在位置Ｔt測定し（ステッ
プ１０）、この測定した現在位置Ｔtと目標地点Ｐとの
距離ａtを計算する（ステップ１１）。

【００３１】次に上記算出した距離ａtが予め設定した
所定の半径Ｒよりも小さいか否か判別する（ステップ１
２）。ａt＜Ｒのときには目標地点Ｐに到達したものと
みなしてステップ１３に移行し、ステップ１３では予定
走行経路として与えれた点列の次の地点を新たな目標地
点にしてステップ１０に戻す。ａt≧Ｒのときには目標
地点Ｐに到達していないので、ステップ１４に移行す
る。

【００３２】ステップ１４はａtが単位時間前のａt-1よ
りも大きいか否か判別する。ａt＞ａt-1のときには車両
が目標地点Ｐから遠ざかるのでこの時点を目標地点Ｐを
通過した時点として判断してステップ１３に移行する、
ａt≦ａt-1のときには車両は目標地点Ｐに近づきつつあ
るのでステップ１５に移行する。なお、新たな目標地点
を設定した後、最初に距離ａtを計算したときには単位
時間前のａt-1が存在しないのでこのステップ１４は飛
ばすようにする。

【００３３】ステップ１５は前記第（３）式に基づいて
舵角指令Θを計算し、ステップ１６は舵角指令を操舵装
置に出力する。

【００３４】そして、ａtをａt-1に書き換え（ステップ
１７）、単位時間Δｔの経過後、再びステップ１０に移
行する。

【００３５】第５図はこの制御方法を四輪車に適用し、
実際に走行させた結果を示すグラフである。同図におい
て、実線で示した実際の走行経路は、左右前輪を結ぶ線
分の中心点の軌跡を表わしたものである。また、予定走
行径路は直線と半径６ｍの円弧で設定し、目標地点間隔
は５０ｃｍとした。なお、図面を見やすくするために、
目標地点を２ｍ間隔で表示している。

【００３６】車両は前輪操舵、後輪駆動の四輪電気自動
車で、ホイルベ―スが２．１３ｍである。また、車両の
方向検出にはジャイロコンパスを用い、車両の現在位置
は車輪に取り付けたパルスコ―ダから得られる走行距離
と、車両の進行方向とから得ている。また、操舵輪の最
大切り角は３０゜である。走行実験はアスファルト路面
で行ない、車速は４ｋｍ／ｈとした。

【００３７】サンプリングタイムはステアリング系の応
答に合わせて１３０ｍｓｅｃごとに制御したが、図示の
ように十分な誘導精度を得ることができた。演算時間は
アセンプラで１０ｍｓｅｃで実現できる。従って、残り
の１２０ｍｓｅｃは他の制御動作、例えば障害物センサ
の制御や、自己診断機能、あるいはマンマシンインタフ
ェ―ス機能に使用する余裕がある。

【００３８】なお、本発明は四輪車に限らず、例えば三
輪車、両輪独立車、クロ―ラ車、全方向移動車、六輪
車、二足歩行機械、多足歩行機、その他、無人移動機械
であればいかなるものでも適用できる。

【００３９】以上説明したようにこの発明によれば、無
人移動機械が現在の目標地点に到達する前の段階で目標
地点を次の目標地点に切り換えるようにしているので、
コーナリングの際のステアリングの切り遅れによる迂回
走行が防止され、効率のよい走行をなし得る。また、本
発明によれば、無人移動機械が現在の目標地点に到達す
る前の段階で目標地点を次の目標地点に切り換えるよう
にしているので、無人移動機械が外乱やステアリングの
切り遅れなどによって目標地点に正確に到達しなくても
目標地点は次の目標地点に切り換えられることになり、
目標地点を見失うような事態を好適に回避できるととも
に、目標地点の与え方の自由度が大きくなる。例えば、
曲線経路などを含む予定走行経路上を正確に辿る場合、
目標地点間の間隔は演算処理できる範囲内においてでき
るだけ短い方が好ましいが、この間隔が短すぎて無人移
動機械がそのステアリングの遅れなどによって目標地点
に到達できないような場合でも、目標地点を見失うこと
がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】地点追従方式の舵角指令の求め方を説明するた
めに用いた図。

【図２】目標地点切替えのための第１手法の説明図。

【図３】目標地点切替えのための第２手法の説明図。

【図４】本発明の処理手順の一例を示すフロ―チヤ−
ト。

【図５】本発明による実験内容をわ示すグラフ。

【図６】従来の地点追従方式を説明するために用いた
図。

【符号の説明】

Ｔ…車両の現在位置 Ｐ…車両の目標地点

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】無人移動機械の予定走行路上の複数の地点
   の座標位置およびこれら各地点を走行すべき順番が教示
   設定される設定手段と、 無人移動機械の現在位置を逐次測定する現在位置測定手
   段と、 無人移動機械の進行方向を逐次測定する進行方向測定手
   段と、 前記各地点への走行の際、前記設定された座標位置、前
   記測定された無人移動機械の現在位置および進行方向に
   基づき、無人移動機械が常に現在の目標地点へ向いて最
   短距離で移動するよう操舵制御する操舵制御手段と、 前記教示された各地点のうち、現在の目標地点と前記無
   人移動機械の現在位置との距離を逐次求める距離測定手
   段と、 無人移動機械の目標地点を現在の目標地点から次の目標
   地点に切り換える時点を判定する目標地点切替制御手段
   と、 を具え、無人移動機械が前記教示された各地点を順次追
   従するように該無人移動機械を誘導する地点追従方式に
   よる無人移動機械の誘導装置において、 前記目標地点切替制御手段は、無人移動機械の現在位置
   が、現在の目標位置を中心とする所定の面積をもつ円の
   範囲内に入った時点で、目標地点を次の目標地点に切り
   換えるようにしたことを特徴とする地点追従方式による
   無人移動機械の誘導装置。
2. 【請求項２】前記予定走行路上のコーナー部分の各点列
   の間隔は、前記無人移動機械が前記予定走行経路上の各
   地点を走行するときの最小旋回半径の１／５０〜４倍の
   長さとすることを特徴とする請求項１記載の地点追従方
   式による無人移動機械の誘導装置。
3. 【請求項３】前記各地点の点列は、その点列中の隣接す
   る３つの地点によって定まる円の半径が、該地点を前記
   無人移動機械が走行するときの最小旋回半径よりも大き
   くなるように教示する請求項１記載の地点追従方式によ
   る無人移動機械の誘導装置。
4. 【請求項４】前記予定走行路上のコーナー部分の各点列
   の間隔は、高速運転時の間隔が低速運転時の間隔にくら
   べ長くする請求項１記載の地点追従方式による無人移動
   機械の誘導装置。