JP3735897B2

JP3735897B2 - 無人車誘導装置

Info

Publication number: JP3735897B2
Application number: JP21556295A
Authority: JP
Inventors: 宗訓大島
Original assignee: 神鋼電機株式会社
Priority date: 1995-08-24
Filing date: 1995-08-24
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2015-08-24
Also published as: JPH0962349A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，無人車誘導装置に係り，詳しくは走行経路中に間欠的に配置された位置表示体を辿って移動する無人車の誘導装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に無人車の誘導方法には，電磁誘導線又は磁気誘導線などを用いた誘導方法と，ジャイロを用いた推測航法による誘導方法とがある。
しかし，これらの方法には，次のような欠点がある。すなわち，誘導線による誘導方法では，
▲１▼無人車の経路全てに誘導線を敷設する必要がある。
▲２▼経路変更を行うときには，誘導線を敷設しなおす必要がある。
▲３▼誘導線が断線した場合，無人車の停止を余儀無くされる。
▲４▼地上工事費が価格の大半を占めて割高になる。
また，ジャイロを用いた推測航法による誘導方法では，
▲１▼ジャイロの誤差のため，長距離を走行することが困難である。
▲２▼ジャイロは，相対回転角を計測するために基準方向（絶対方向）を設ける必要がある。
そこで，これらの欠点を克服する方法として，断続マークを用いた誘導方法が開発された（特開平４−３１８６０９号公報参照）。
ここでは，誘導経路上に間欠的に配置された地上マーク（断続マーク）に方向性を付けておいて，無人車に進行方向の情報を渡している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような従来の断続マークによる無人車の誘導方法では，地上マークの敷設を精度よく行う必要があり，また，地上マーク間隔を狭くする必要もあるため，断続マークの利点である容易に敷設工事が行える点が十分に発揮できなかった。
また，上記従来方法では，姿勢を修正するときの姿勢角指令をそのまま無人車に与えると，無人車は急激な姿勢変化に応答しきれず，偏差が残る結果となったり，あるいは無人車が応答した場合でもタイヤがスリップしたりすることがあって，無人車の滑らかな移動を行うことが困難であった。
本発明は，上記事情に鑑みてなされたものであり，その第１の目的とするところは，容易に敷設工事が行えるという断続マークの利点を十分に生かすことのできる無人車誘導装置を提供することである。また，第２の目的とするところは，滑らかな移動を行い得る無人車誘導装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために第１の発明は，走行経路上に間欠的に配置された位置表示体を辿って移動する無人車の誘導装置において，少なくとも上記無人車が位置表示体の近傍を通過するごとに，その位置表示体からの最短距離偏差を検出する位置検出手段，上記無人車の姿勢を検出する姿勢検出手段，および，上記無人車が位置表示体の近傍を通過するごとに，上記位置検出手段により検出された位置表示体からの最短距離偏差をゼロとする方向と，その位置表示体に至るまでに既に検出された各位置表示体からの各最短距離偏差及び該各位置表示体間の距離に基づき求める各角度偏差の積分値とを加えた方向に上記姿勢検出手段により検出された無人車の姿勢を修正する姿勢修正手段を具備してなることを特徴とする無人車誘導装置として構成されている。
また上記第２の目的を達成するために第２の発明は，上記姿勢修正手段が，上記修正された無人車の姿勢をキュービックスパイラルを用いてさらに修正する無人車誘導装置として構成されている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
及び
【実施例】
以下添付図面を参照して，本発明の実施の形態及び実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は第１の発明の実施の形態及び実施例に係る無人車誘導装置Ａ１の概略構成を示すブロック図，図２は地上マークの敷設状態を示す模式図，図３は無人車誘導装置Ａ１の動作原理を示す説明図，図４は無人車誘導装置Ａ１の動作手順を示すフロー図，図５は第２の発明の実施の形態及び実施例に係る無人車誘導装置Ａ２の概略構成を示すブロック図，図６は無人車誘導装置Ａ２の動作原理を示す説明図，図７は無人車誘導装置Ａ２の動作手順を示すフロー図である。
【０００６】
第１の発明の実施の形態及び実施例（第１の実施例）に係る無人車誘導装置Ａ１は，図２に示すように，走行経路上に間欠的に配置された地上マーク（位置表示体に相当）を辿って移動する移動体（無人車に相当）の誘導を行う点で従来例と同様である。しかし，本第１の実施例では，図１に示すように，少なくとも上記移動体が地上マークの近傍を通過するごとに，その地上マークからの最短距離偏差を検出する地上マーク検出装置１（位置検出手段に相当），上記移動体の姿勢を検出する移動体姿勢検出装置２（姿勢検出手段に相当），及び，上記地上マーク検出装置１により検出された地上マークからの最短距離偏差をゼロとする方向と，その地上マークに至るまでに既に検出された各地上マークからの各最短距離偏差に基づく各角度偏差の積分値とを加えた方向に上記移動体姿勢検出装置２により検出された移動体の姿勢を修正する演算器３及び移動体姿勢制御装置４（３，４が姿勢修正手段に相当）を具備している点で従来例と異なる。
尚，上記検出された最短距離偏差等は一旦メモリ５に記憶され，必要に応じて演算等に供される。
【０００７】
以下，本第１の実施例の基本原理について詳述する。
基本原理（１）
ここでは移動体姿勢検出装置２としてジャイロを，地上マーク検出装置１として磁気センサを，地上マークとして磁気マークを用い，磁気マークを走行経路上に等間隔に敷設しているものとする。そして，図３（ａ）に示すように，地上マーク間の距離をＬ，移動体の角度偏差をα，ｉ個目の地上マークを検出したときの姿勢角指令をθｉ（ｉ＝１，２，…），ｉ個目の地上マークを検出したときの移動体から地上マークまでの最短距離偏差（以下距離偏差と略す）をｄｉ（ｉ＝１，２，…）とする。ただし，Ｌ＞＞ｄｉとし，α及びθｉは非常に小さいものとする。
まず，１個目の地上マークを検出したときの姿勢角指令は，距離偏差ｄ１を次の地上マーク検出時に０とする方向θ１とする。
ｔａｎθ１＝ｄ１／Ｌ …（１．１）
２個目の地上マークを検出したときの姿勢角指令は，距離偏差ｄ２を次の地上マーク検出時に０とする方向と，移動体の角度偏差を進行方向（地上マークが一直線上におかれた方向）に補正する角度とを合わせたものとする。
【０００８】
すると２個目の地上マーク検出時の距離偏差ｄ２から次式が成り立つ。
ｔａｎ（α＋θ１）＝（ｄ１＋ｄ２）／Ｌ …（１．２）
ここで，Ｌ＞＞ｄｉであり，またα及びθｉは非常に小さいので，上記（１．１），（１．２）式は次のようになる。
θ１＝ｄ１／Ｌ …（１．３）
α＋θ１＝（ｄ１＋ｄ２）／Ｌ …（１．４）
上記（１．３），（１．４）式から
α＝ｄ２／Ｌ …（１．５）
となり，２個目の地上マークを検出したときに移動体の角度偏差を算出することができる。
【０００９】
このように求めた移動体の角度偏差αと，３個目の地上マークを検出した時の距離偏差が０となる方向とを合わせた角度を２個目の地上マークを検出したときの姿勢角指令θ２とすれば，次式が成り立つ。
θ２＝α＋（ｄ２／Ｌ） …（１．６）
このようにすれば移動体の角度偏差を補正しつつ，地上マークに沿って移動体を誘導することができる。
以後，姿勢角指令として次式が成立する。
θｉ＝（ｄｉ／Ｌ）＋Σ（ｄｉ／Ｌ） …（１．７）
ここに，上記（１．７）式の右辺第１項目は，距離偏差０の方向を示す。
【００１０】
また，次のように考えることもできる。
基本原理（２）
即ち，図３（ｂ）に示すように，地上マーク間の距離をＬ，移動体の角度偏差をα，ｉ個目の地上マークを検出したときの姿勢角指令をθｉ（ｉ＝２，…），ｉ個目の地上マークを検出したときの移動体から地上マークまでの最短距離偏差（以下距離偏差と略す）をｄｉ（ｉ＝１，２，…）とする。
１個目の地上マークを検出した時点で地上マークまでの距離偏差をメモリ５に記憶しておき，２個目の地上マークを検出するまで移動体は初期の角度を保ったまま走行する。２個目の地上マークを検出した時点で角度偏差αは次のように算出できる。
α＝ｔａｎ^-1（（ｄ１−ｄ２）／Ｌ） …（２．１）
【００１１】
また，２個目の地上マークを検出した時点での距離偏差を０にする方向は，次のように算出できる。
ｔａｎ^-1（ｄ２／Ｌ）
以上より，２個目に地上マークを検出した時点での姿勢角指令θ２は，次のようになる。
θ２＝α＋ｔａｎ^-1 （ｄ２／Ｌ）
このように，移動体の角度偏差を補正しつつ，地上マークに沿って移動体を誘導することができる。
以後，姿勢角指令として次式を与えることができる。
θｉ＝（ｄｉ／Ｌ）＋Σ（ｄｉ／Ｌ） …（２．２）
ここに，上記（２．２）式の右辺第１項は距離偏差０方向を示す。
【００１２】
このように，いずれの基本原理においても，結果として求められる姿勢角指令は同様のものとなることが分る。
次に，本第１の実施例装置Ａ１の動作手順について，図４を参照しつつ，ステップＳ１，Ｓ２，…の順に説明する。
まず，地上マーク検出毎に地上マークから移動体までの距離偏差を検出する（Ｓ１）。検出された距離偏差から角度偏差を求める（Ｓ２）。移動体が目標方向に対して平行であるとして，次の地上マークを検出するまでに距離偏差を０に修正する角度を求める（Ｓ３）。求めた角度偏差と次の地上マークを検出するまでに距離偏差を０に修正する角度を合わせた角度を姿勢角指令として移動体姿勢制御装置４に送る（Ｓ４）。移動体姿勢制御装置４は，姿勢角指令に従って移動体を次の地上マークまで誘導する（Ｓ５〜Ｓ７）。このようにして，角度偏差と移動体の地上マークからの距離偏差とを修正しながら，目標位置まで地上マークに沿って移動体を走行させることができる。
【００１３】
この場合，地上マークは単なる位置情報のみを提供するものであるため，その敷設精度や敷設間隔において，従来例のごとき問題はない。このため，断続マークの利点である容易に敷設工事が行えるという点を十分に発揮することができる。
ところで，上記第１の実施の形態及び実施例では，姿勢角指令として角度偏差補正用と距離偏差補正用のそれぞれの角度を算出して合わせたものとしていたが，この姿勢角指令をそのまま移動体に与えると，移動体は急激な姿勢変化に応答しきれず，偏差が残る結果となったり，移動体が応答した場合でもタイヤがスリップしたりすることがあり，従来の誘導方法と同様に移動体の滑らかな移動を行うことが困難である。
【００１４】
第２の発明は係る点に着目してなされたものであり，以下に詳述する。
図５に示す如く，第２の発明の実施の形態及び実施例（第２の実施例）に係る無人誘導装置Ａ２は，上記第１の実施例における演算器３及び移動体姿勢制御装置４が，前記修正された移動体（無人車に相当）の姿勢をキュービックパイラルを用いてさらに修正するものであり，このために修正演算器６と旋回開始点からの移動体の走行距離を検出する移動距離検出装置７とが設けられている（３，４及び６が姿勢修正手段に相当）。
【００１５】
以下，本第２の実施例の基本原理について述べる。
従来，移動体の走行は直線部分は軌道線を設けてこれに沿って走行させ，方向変換は円弧からなる軌道を設けてそれに沿って走行させる制御方法が採用されることが多い。この円弧を用いた方法は，幾何学的に単純で誘導線敷設工事が容易である。また，クロソイド曲線を用いて方向変換を行わせる方法も知られている。これは旋回角速度を連続にした方法である。さらに，キュービックスパイラルと呼ばれる曲線を用いた旋回方法も知られてている。これは旋回角速度の２乗の軌道に沿う線積分を最小化する方法である。図６は１８０度の方向転換をする場合の上記３曲線の軌跡と曲率の変化とを示した図である。図６（ａ）において，曲線Ｃ１は，半径５０の円弧で，曲線Ｃ２はキュービックスパイラル曲線，曲線Ｃ３はクロソイド曲線である。また，図６（ｂ）において，Ｒ１は円弧の曲率で一定値である。Ｒ２はキュービックスパイラル曲線の曲率で，その値が連続的に滑らかに変化している。さらにＲ３はクロソイド曲線の曲率でその値が旋回角９０°で急に変化している。
【００１６】
これらの曲率の変化からわかるように，キュービックスパイラル曲線が最も望ましいことがわかる。しかしながら，キュービックスパイラル曲線を用いた方法では，軌道角度又は軌道角速度を求めるために複雑な計算が必要であり，実時間制御が困難であるという問題がある。そこで，予め数値解析を行った数値データを関数テーブルとして用意したり，あるいは近似初等関数で近似演算した値を出力する関する演算器を用いたりする方法が提案されている（特開平７−１２９２４３号公報参照）。本第２の実施例装置Ａ２は，この関数テーブル又は近似演算器の機能を修正演算器６に持たせたものである。
【００１７】
ここで，前記第１の実施例における基本原理（１）（２）別に本第２の実施例の適用を考える。
基本原理（１）
まず，移動体姿勢検出装置２としてジャイロを，移動距離検出装置７としてエンコーダを用いる。移動体は，地上マークを検出すると，地上マークから移動体までの最短距離偏差（以下距離偏差と略す）を求め，前記基本原理（１）で述べたごとく移動体の角度偏差を求め，この地上マークを検出するまでに求めた角度偏差を加える。この値を角度の目標値とする。
この角度の目標値とジャイロの出力する角度との差をとり，この値に対し，キュービックスパイラル（エンコーダ値に対する修正演算６の出力値（以下同様））を用いて，移動体の角度偏差の修正，即ちジャイロ０値と進行方向とのオフセットの修正を行う。
この修正を行った後，修正によって増減した分を考慮して距離偏差を新たに求め，次の地上マークを検出するまでに距離偏差が０になるようにキュービックスパイラルを用いて修正を行う。以降距離偏差が生じる毎に修正を行いながら移動体は目標位置まで走行する。
【００１８】
基本原理（２）
ここでも移動体姿勢検出装置２としてジャイロを，移動距離検出装置７としてエンコーダを用いる。移動体は，１つ目の地上マークを検出すると，その距離偏差をメモリ５に記録しておき，２つ目の地上マークを検出すると前記角度偏差を求め，これを角度目標値とする。この角度目標値とジャイロ出力値との差に対して，キュービックスパイラルを用いて修正を行う。
この修正を行った後，修正によって増減した分を考慮して距離偏差を新たに求め，次の地上マークを検出するまでに距離偏差が０になるようにキュービックスパイラルを用いて修正を行う。
以降，距離偏差が生じる毎に角度偏差を求め，これまでに算出した角度偏差を加えてこれを角度の目標値とする。
この角度の目標値とジャイロの出力値との差に対して，修正を行い，この修正によって生じた距離分を考慮した距離偏差が０になるようにキュービックスパイラルを用いて修正しながら，移動体は目標位置まで走行する。
【００１９】
次に，本第２の実施例装置Ａ２の動作手順について図７を参照しつつ，ステップＳ１１，１２，…の順に述べる。
即ち，先ず，演算器３内部において，地上マークを検出すると，移動体の角度偏差を求める（Ｓ１１〜Ｓ１４）。次に，キュービックスパイラルを用いて，先ず角度偏差の修正を行う（Ｓ１５）。この修正を行うとき，移動体の旋回角速度があまり大きくならない範囲で移動距離がなるべく短くなるような経路を選択する。そして，角度偏差の修正ができたら，次に距離偏差を修正を行う（Ｓ１６）。このとき，角度偏差を修正したために増えた分或いは減った分を考慮して距離偏差の修正を行う。距離偏差の修正は，次の地上マークを検出するまでに行っておく。移行距離偏差又はジャイロ等移動体姿勢検出装置２に誤差が生じた場合，このように移動体の姿勢を修正しながら目標位置まで誘導する（Ｓ１７）。
【００２０】
このようにして，角度偏差及び距離偏差の修正にキュービックスパイラルを用いて，急激な姿勢の変化を無くし，スムーズな移動体の誘導を行うことができる。
尚，上記第１の実施例装置Ａ１では地上マークが等間隔に設置される場合を想定しているが，実際の軌道のとり方によっては必ずしも等間隔設置が守れないこともある。その場合には，地上マーク間の距離を検出してその値Ｌｉ（ｉ＝１，２，…）を前記（１．７）式又は（２．２）式のＬにおき換えればよい。また地上マーク間の距離検出には，上記第２の実施例装置Ａ２におけるエンコーダ等の移動距離検出装置７を共同可能である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明に係る無人車誘導装置は，上記したように構成されているため，断続マークの利点である容易に敷設工事が行えるという点を十分に発揮することができる。さらに，角度偏差及び距離偏差の修正にキュービックスパイラルを用いれば，急激な姿勢の変化を無くし，スムーズな移動体の誘導を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明の実施の形態及び実施例に係る無人車誘導装置Ａ１の概略構成を示すブロック図。
【図２】地上マークの敷設状態を示す模式図。
【図３】無人車誘導装置Ａ１の動作原理を示す説明図。
【図４】無人車誘導装置Ａ１の動作手順を示すフロー図。
【図５】第２の発明の実施の形態及び実施例に係る無人車誘導装置Ａ２の概略構成を示すブロック図。
【図６】無人車誘導装置Ａ２の動作原理を示す説明図。
【図７】無人車誘導装置Ａ２の動作手順を示すフロー図。
【符号の説明】
Ａ１，Ａ２…無人車誘導装置
１…地上マーク検出装置（位置検出手段に相当）
２…移動体姿勢検出装置（姿勢検出手段に相当）
３…演算器（姿勢修正手段に相当）
４…移動体姿勢制御装置（姿勢修正手段に相当）
５…メモリ
６…修正演算器（姿勢修正手段に相当）
７…移動距離検出装置

Claims

走行経路上に間欠的に配置された位置表示体を辿って移動する無人車の誘導装置において，
少なくとも上記無人車が位置表示体の近傍を通過するごとに，その位置表示体からの最短距離偏差を検出する位置検出手段，
上記無人車の姿勢を検出する姿勢検出手段，および，
上記無人車が位置表示体の近傍を通過するごとに，上記位置検出手段により検出された位置表示体からの最短距離偏差をゼロとする方向と，その位置表示体に至るまでに既に検出された各位置表示体からの各最短距離偏差及び該各位置表示体間の距離に基づき求める各角度偏差の積分値とを加えた方向に上記姿勢検出手段により検出された無人車の姿勢を修正する姿勢修正手段を具備してなることを特徴とする無人車誘導装置。
上記姿勢修正手段が，上記修正された無人車の姿勢をキュービックスパイラルを用いてさらに修正する請求項１記載の無人車誘導装置。