JP3982959B2

JP3982959B2 - 移動体の位置検出設備

Info

Publication number: JP3982959B2
Application number: JP25369399A
Authority: JP
Inventors: 和志平岡; 陽一郎中村; 洋敏下田; 茂樹植田; 浩一斎藤
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 1999-09-08
Filing date: 1999-09-08
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2019-09-08
Also published as: JP2001074458A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定エリア内を移動する移動体の位置検出設備、特に傾斜・凹凸のあるエリアを移動する荷役装置の位置検出に対応した位置検出設備に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、移動体の位置検出設備としては、下記の方式が知られている。
▲１▼．自律方式（デットレコニング誘導方式）
走行距離と進行方向を計測する手段を設け、進行方向と走行距離を積算することによって自分の位置を算出する。
【０００３】
▲２▼．被検出体による方式
移動体の移動経路に沿って、磁石や反射シートなどの被検出体を所定間隔に設置し、移動体にこれら被検出体を検出する、近接スイッチや光電スイッチなどからなる検出手段を設け、検出した被検出体の数をカウントすることにより移動経路に沿った位置を認識する。
【０００４】
▲３▼．ＧＰＳによる方式
移動体にＧＰＳを設置し、自分の位置を認識する。
▲４▼．レーザナビゲータ方式
水平回転レーザと外部固定点の座標と角度から移動体の位置を測定する方式であり、図９に基づいて説明する。
【０００５】
図９において、１は移動体２が移動するエリアであり、このエリアには３ヵ所（Ａ点、Ｂ点、Ｃ点）に再帰反射体３が設けられている。再帰反射体３は、たとえばコーナキューブ（コーナレフレクター）から形成される。コーナキューブは、立方体の１つの角を切り取ったように互いに直交する３つの平らな反射面で構成される三角錐形のプリズムであり、入射した光線を３つの面で反射させた後、正確に入射した方向に送り返す働きをする。
【０００６】
また移動体２は、回転しながら水平に全周に渡って水平にレーザ光線を照射し、少なくとも３カ所の再帰反射体３から再帰した光を検出したときの水平回転光線（レーザ光線）の照射回転角度Θを検出して記憶し、これら記憶した回転角度Θ、および既知の再帰反射体の座標データにより、移動体（水平回転光線照射位置）の平面座標を計測している。
【０００７】
図９において、（Ｘｍ，Ｙｍ）は移動体２の平面座標、ψは移動体２のＸ軸からの姿勢角度、（Ｘ1 ，Ｙ1 ）、（Ｘ2 ，Ｙ2 ）、（Ｘ3 ，Ｙ3 ）は３ヵ所（Ａ点、Ｂ点、Ｃ点）の再帰反射体３の座標（既知）である。またＬ12はＡ点−Ｂ点間の距離、Ｌ13はＡ点−Ｃ点間の距離、Θ1 はＡ点を検出したときの回転角度、Θ2 はＢ点を検出したときの回転角度、Θ3 はＣ点を検出したときの回転角度、ε1 はＡ点を原点としたＢ点のＸ軸からの角度、ε2 はＡ点を原点としたＢ点−Ｃ点間の角度である。
【０００８】
移動体２の平面座標（Ｘｍ，Ｙｍ）と移動体２の姿勢角度ψは次の式（１）〜（10）により求められる。（詳細は、「システムと制御」第29巻第８号（1985）ｐ．553 〜560 参照。）
【０００９】
【数１】

【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記移動体の位置検出設備には下記の課題があった。
▲１▼．デットレコニング誘導方式
累積誤差が生じるために、何らかの位置補正手段を設けなければならなかった。
【００１１】
▲２▼．被検出体による方式
被検出体の設置作業にコストと労力がかかり、また移動経路が固定されてしまい、ランダムに移動する移動体に対して対応できなかった。
▲３▼．ＧＰＳによる方式
屋内など衛星の影に移動体の移動経路が入る場合に使用できず、すなわち、ＧＰＳの電波の受信状況が一定でなく、さらに高精度の位置計測のためには演算量が多く必要であり、応答に時間がかかった。
【００１２】
▲４▼．レーザナビゲータ方式
上記他の方式と比較して、有効な方式ではあるが、水平に照射するレーザ光線が障害物により遮光されることを避けるために、その照射位置を高い位置に設置する場合が多く、路面の傾斜・凹凸によりローリングが発生した場合、計測する位置（座標）に誤差が発生する。
【００１３】
そこで、本発明は、レーザナビゲータ方式において、路面の傾斜・凹凸による誤差を解消した位置検出設備を提供することを目的としたものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、所定エリア内を移動する移動体の位置検出設備であって、
前記エリアの複数箇所に、その平面座標が既知である再帰反射体と正反射体を対にして設け、
前記移動体に、回転しながら全周に渡って水平に光線を照射する水平回転光線照射手段と、前記水平回転光線照射手段の回転角度を検出する角度検出手段と、前記水平回転光線照射手段より照射され、前記再帰反射体から再帰した光を検出する第１受光手段と、前記水平回転光線照射手段より照射され、前記正反射体から反射した光を検出する第２受光手段と、前記第２受光手段により検出された正反射体からの反射光の上下方向の変位量により、移動体の傾きを検出する傾き検出手段と、第１受光手段により再帰した光を検出したとき、前記角度検出手段により検出される水平回転光線照射手段の回転角度を記憶し、これら記憶した回転角度、および再帰反射体の座標データにより、水平回転光線照射手段の現在位置の平面座標を計測し、この平面座標を、前記傾き検出手段により検出された移動体の傾きにより補正することを特徴とするものである。
【００１５】
上記構成により、水平回転光線照射手段より全周囲に光線が照射され、光線の照射範囲内にある、再帰反射体から再帰した光（再帰反射光）が検出され、そのときの回転角度が検出され、また正反射体から反射した光（正反射光）が検出され、この正反射光の上下方向の変位量により、移動体の傾きが検出される。そして、検出された回転角度、および再帰反射体の座標データにより、水平回転光線照射手段の現在位置の平面座標が計測され、この平面座標は、検出された移動体の傾きにより補正される。
【００１６】
また請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明であって、第１受光手段および第２受光手段を、１台の２次元受光センサにより形成したことを特徴とするものである。
上記構成により、２次元受光センサの中心位置に再帰反射光が入射し、移動体の傾きによって正反射光がその中心よりずれて入射する。この正反射光のずれ量により移動体の傾きが検出される。
【００１７】
また請求項３記載の発明は、上記請求項１記載の発明であって、第２受光手段を、水平回転光線照射手段の光線照射部の上下位置にそれぞれ設置したことを特徴とするものである。
上記２次元受光センサでは、センサの大きさにより正反射光のずれ量の検出に制限があることから、移動体の傾きの検出には制限がある。しかし、第２受光手段を光線照射部の上下位置にそれぞれ設置することにより、移動体の傾きが大きいときでも、正反射光を受光でき、移動体の傾きを検出できる。
【００１８】
また請求項４記載の発明は、上記請求項１記載の発明であって、第２受光手段を、移動体内部に設置した２次元受光センサと、水平回転光線照射手段の光線照射部の上下位置にそれぞれ設置した受光センサにより形成したことを特徴とするものである。
上記構成により、移動体の傾きが小さいときでも大きいときにでも、正反射光を受光でき、移動体の傾きを検出できる。
【００１９】
また請求項５記載の発明は、上記請求項１〜請求項４のいずれかに記載の発明であって、正反射体を透明な筒体とし、この内部に、円柱状に形成した再帰反射体を前記正反射体と同軸で配置したことを特徴とするものである。
上記構成により、再帰反射体と正反射体は１本の柱として構成でき、設置スペースを減少できる。
【００２０】
また請求項６記載の発明は、上記請求項１〜請求項４のいずれかに記載の発明であって、再帰反射体および正反射体を、シリンドリカルレンズと円筒内面鏡を組み合わせて形成したことを特徴とするものである。
上記構成により、入射した光は、水平方向は再帰反射、鉛直方向は正反射が実現され、強度の強い正反射光を受光できる。
【００２１】
また請求項７記載の発明は、上記請求項１〜請求項４のいずれかに記載の発明であって、正反射体を、円筒外面鏡により形成したことを特徴とするものである。
上記構成により、正反射体に入射した光は、鉛直方向には正反射、水平方向には散乱する。
【００２２】
また請求項８記載の発明は、上記請求項１〜請求項４のいずれかに記載の発明であって、正反射体を、円筒外面鏡と円筒内面鏡を組み合わせて形成したことを特徴とするものである。
上記構成により、正反射体に入射した光は、鉛直方向には正反射、水平方向には再帰反射する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態における移動体の位置検出設備を設けたエリアの平面図である。
図１において、11は移動体（たとえば、フォークリフトや無人搬送車など）12が移動するエリア（たとえば、倉庫や工場や港湾など）である。このエリア11の外周に、図２に示すように、円柱状の再帰反射体（再帰型の光反射体）13と、この再帰反射体13の外周に同軸に配置された透明な円筒状の正反射体14からなる柱15が、複数、その中心軸を鉛直に設置されている。またこれら柱15は、予め平面座標が設定されている。
【００２４】
上記移動体12の構成を図３を参照しながら説明する。
移動体12には、レーザ光線を発生し、このレーザ光線を回転しながら全周に渡って水平に照射する水平回転光線照射手段と、前記水平回転光線照射手段の回転角度を検出する角度検出手段と、前記水平回転光線照射手段より照射され、再帰反射体13から再帰した光を検出する第１受光手段と、前記水平回転光線照射手段より照射され、正反射体14から反射した光を検出する第２受光手段と、前記第２受光手段により検出された正反射体14からの反射光の上下方向の変位量により、移動体12の傾きを検出する傾き検出手段と、第１受光手段により再帰した光を検出したとき、前記角度検出手段により検出される水平回転光線照射手段の回転角度を記憶し、これら記憶した回転角度、および再帰反射体の座標データにより、水平回転光線照射手段の現在位置の平面座標を計測し、この平面座標を、前記傾き検出手段により検出された移動体の傾きにより補正する位置計測手段が設けられている。
【００２５】
上記水平回転光線照射手段は、レーザ光線を水平に照射する半導体レーザ装置31と、半導体レーザ装置31から照射されたレーザ光線を上方へ垂直に導くハーフミラー32と、レーザ光線および再帰反射体13と正反射体14の反射光の通路となる垂直な筒状の導管33と、この導管33が中心下方に接続され、リング状の軸受34上に載置された筒体35と、この筒体35内に配置された、導管33から導かれたレーザ光線を水平方向に反射させ、筒体35の側面に設けた窓部35Ａへ導く反射ミラー36と、前記導管33を中心に嵌合して導管33を回転する第１ギア37と、ＤＣモータ38と、ＤＣモータ38の回転軸に直結され、前記第１ギア37と噛み合う第２ギア39から構成されている。
【００２６】
この構成により、半導体レーザ装置31から水平に照射されたレーザ光線はハーフレンズ32により上方へ導かれる。ＤＣモータ38が駆動されると、ＤＣモータ38の回転力は第２ギア39、第１ギア37を介して導管33へ伝達され、導管33が回転し、よって筒体35とともに反射ミラー36が回転し、導管33内に導かれたレーザ光線は、反射ミラー36の回転により、導管33（筒体35）の中心位置を中心として移動体12の全周に照射される。
【００２７】
上記角度検出手段は、導管33に連結され、導管33の回転によりパルスを発生するエンコーダ41と、このエンコーダ41から出力されるパルス信号を加算して進行方向を０°とする反射ミラー36の回転角度（レーザ光線の照射角度）Θを計測し、後述するアナログ信号処理回路より受光信号を入力したときの回転角度Θを出力するミラー回転角度検出器42から構成されている。
【００２８】
この構成により、アナログ信号処理回路より受光信号を入力したときの反射ミラー36の回転角度（レーザ光線の照射角度）Θがミラー回転角度検出器42により検出される。
また上記第１受光手段と第２受光手段は、反射ミラー36および導管33、さらにハーフミラー32を介して導かれた再帰反射体13の再帰反射光と正反射体14の正反射光が入射される２次元受光センサ45と、この２次元受光センサ45の光電流信号により、再帰反射体13と正反射体14からの反射光を検出し、受光信号をミラー回転角度検出器42へ出力するとともに、正反射光（スポット）の２次元受光センサ45の中心位置からの受光位置（座標）を検出するアナログ信号処理回路46と、このアナログ信号処理回路46により検出された受光位置をディジタルに変換するＡＤコンバータ47から構成されている。
【００２９】
上記構成により、導管33の回転によって反射ミラー36が回転し、反射ミラー36を介して導かれた再帰反射体13の再帰反射光と正反射体14の正反射光は、導管33とハーフミラー32を介して２次元受光位置センサ45へ入射され、この２次元受光位置センサ45の光電流信号によりアナログ信号処理回路46により再帰反射体13の再帰反射光と正反射体14の正反射光が検出され、受光信号がミラー回転角度検出器42へ出力され、また図４に示すように、正反射光の２次元受光センサ45の中心位置からの受光位置（Δｘ，Δｙ）が検出され、ＡＤコンバータ47によりディジタルに変換され、出力される。すなわち、レーザ光線を照射する反射ミラー36が、再帰反射体13と正反射体14に対向したとき、２次元受光位置センサ45が光を検出し、アナログ信号処理回路46により、再帰反射体13の再帰反射光と正反射体14の正反射光が検出される。このとき、再帰反射体13の再帰反射光は、２次元受光センサ45の中心位置に戻ってくるが、移動体12が位置する路面に傾斜・凹凸があると、図３に示すように、正反射体14の正反射光は再帰反射体13からの反射光と角度差（反射光の上下方向の変位量）が生じ、２次元受光センサ45の中心位置からずれ、その受光位置（Δｘ，Δｙ）が検出される。前記角度差は、その方向への傾斜角の２倍となっている。
【００３０】
上記傾き検出手段と位置計測手段はコンピュータからなるコントローラ49から構成されている。コントローラ49には、ミラー回転角度検出器42より回転角度Θが入力され、ＡＤコンバータ47より正反射光の受光位置（Δｘ，Δｙ）が入力されている。
まず、コントローラ49による移動体12の傾きの検出方法について説明する。
【００３１】
ＡＤコンバータ47より入力した受光位置（Δｘ，Δｙ）より、この正反射体14におけるレーザ光線の照射位置の照射高さ変位Δｈは、式（11）により求まる。
Δｈ＝√（Δｘ²＋Δｙ²）／２ …（11）
コントローラ49は、この式（11）により、図５に示す柱15が設置された３ヵ所（Ａ点、Ｂ点、Ｃ点）の照射高さ変位Δｈ１，Δｈ２，Δｈ３を、それぞれの正反射体14｛受光位置（Δｘ，Δｙ）｝から求め、記憶する。
【００３２】
次に、移動体12が傾斜した状態における水平回転光線照射手段（筒体35の中心位置）の現在位置の平面座標を求める。この演算は従来の技術の項で説明したように、３ヵ所（Ａ点、Ｂ点、Ｃ点）の再帰反射体13の検出角度Θ1 ，Θ2 ，Θ3、および再帰反射体13の既知の座標（Ｘ1 ，Ｙ1 ）、（Ｘ2 ，Ｙ2 ）、（Ｘ3 ，Ｙ3 ）とによって、上記式（１）〜（10）により求められる。
【００３３】
図５において、（Ｘｍ，Ｙｍ）は移動体12が傾斜した状態における水平回転光線照射手段の現在位置の平面座標である。
次に、求められた水平回転光線照射手段の座標（Ｘｍ，Ｙｍ）を３ヵ所（Ａ点、Ｂ点、Ｃ点）の照射高さ変位Δｈ１，Δｈ２，Δｈ３により補正し、路面傾斜補正後の座標（Ｘｖ，Ｙｖ）を次の式（12）〜（19）により求める。ｚ０は、筒体35のレーザ光線の照射高さである。
【００３４】
【数２】

上記コントローラ49の構成およびその演算により、ＡＤコンバータ47より入力した受光位置（Δｘ，Δｙ）より、この正反射体14におけるレーザ光線の照射位置の照射高さ変位Δｈが求められ、続いて移動体12が傾斜した状態における水平回転光線照射手段の座標（Ｘｍ，Ｙｍ）が求められ、この座標（Ｘｍ，Ｙｍ）が照射高さ変位Δｈにより補正され、水平面上の水平回転光線照射手段の座標（Ｘｖ，Ｙｖ）が求められる。この求められた座標（Ｘｖ，Ｙｖ）は、操舵コントローラ50へ出力され、予め設定された経路にしたがって移動体12は誘導される。
【００３５】
上記設備の構成によれば、エリア11の複数箇所に、その平面座標が既知の再帰反射体13と正反射体14からなる柱15を設け、移動体12より回転しながら全周に渡って水平に光線を照射し、正反射体14の正反射光を検出し、検出された正反射体14の正反射光の上下方向の変位量（Δｘ，Δｙ）により、照射高さ変位Δｈ（移動体12の傾き）を検出し、また再帰反射体13の再帰反射光を検出したときの光線の回転角度Θ、および既知の再帰反射体13の座標データにより、エリア11の路面の傾斜・凹凸により移動体12が傾斜した状態における水平回転光線照射手段の平面座標（Ｘｍ，Ｙｍ）を計測し、この平面座標（Ｘｍ，Ｙｍ）を、検出された照射高さ変位Δｈにより補正することにより、水平面上の水平回転光線照射手段の座標（Ｘｖ，Ｙｖ）が求められる。
【００３６】
このように、水平面上の水平回転光線照射手段の座標（Ｘｖ，Ｙｖ）を求めることができ、よって、路面の傾斜・凹凸の影響を受けずに移動体12の正確な位置計測ができ、路面の傾斜・凹凸の影響を受けない安定した走行が可能となる。
また移動体12の正確な位置計測により精度の良い誘導が可能となるため、荷役位置精度がよくなり、安定した荷役作業を行うことができ、さらに設置した機械などとの接触を防止することができ、安全を確保することができる。
【００３７】
なお、上記実施の形態では、２次元受光位置センサ45を移動体12の内部に設けているが、正反射体14からの反射光のみを受光する受光位置センサを、図６に示すように、移動体12の外部で、筒体35の側面に設けた窓部35Ａの上下の外周に設けるようにしてもよい。なお、再帰反射光は、フォトセンサで検出できる。２次元受光センサ45では、センサの大きさにより正反射光のずれ量の検出に制限があることから、移動体12の傾きの検出には制限がある。しかし、第２受光手段である受光位置センサ51を、筒体35の側面に設けた窓部35Ａの上下位置にそれぞれ設置することにより、移動体12の傾きが大きいときでも、正反射光を受光でき、移動体12の傾きを検出できる。照射高さの変位Δｈは式（20）により求められる。
【００３８】
Δｈ＝Δｚ／２ …（20）
またこの受光位置センサ51を上記外部に設け、かつ移動体12の内部に２次元受光位置センサ45を設けるようにすることもできる。これにより、移動体12の傾きが小さい場合でも大きい場合にでも、移動体12の傾きを検出できる。
また上記実施の形態では、レーザ光線を使用しているが、レーザ光線に限らず、直進性のある光線であればよい。また図１では柱15をエリア11の外周に配置しているが、必ずしも外周に配置する必要はなく、エリア11内に設置することも可能である。
【００３９】
また再帰反射体13と正反射体14を１本の柱15により形成しているが、図７に示すように、それぞれ円柱状に形成した再帰反射体13と正反射体14を隣接して配置するようにしてもよい。また正反射体14は、鉛直方向には正反射、水平方向には再帰反射または散乱することが好ましい。この機能を有する正反射体14の例を図８に示す。図８（ａ）では、再帰反射体13および正反射体14を、シリンドリカルレンズ11と円筒内面鏡12を組み合わせて形成しており、図８（ｂ）では、正反射体14を円筒外面層鏡13と円筒内面鏡14を組み合わせて形成しており、図８（ｃ）では、正反射体14を円筒外面鏡15から形成している。
【００４０】
図８（ａ）に示すように、再帰反射体13および正反射体14を、シリンドリカルレンズ11と円筒内面鏡12を組み合わせて形成すると、水平方向は再帰反射、鉛直方向は正反射が実現され、強度の強い正反射光を受光できる。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、路面の傾斜・凹凸による移動体の傾きを検出することができ、この傾きにより、水平回転光線照射手段の現在位置の平面座標を補正することにより、正確な平面座標を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における移動体の位置検出設備を備えたエリアの平面図である。
【図２】同移動体の位置検出設備の移動体における光反射体の説明図である。
【図３】同移動体の位置検出設備の構成図である。
【図４】同移動体の位置検出設備の２次元受光センサにおける再帰反射光と正反射光の受光位置を示す図である。
【図５】同移動体の位置検出設備の移動体における位置演算方法の説明図である。
【図６】本発明の他の実施の形態における移動体の第２受光手段（受光位置センサ）の配置図である。
【図７】本発明の他の実施の形態における光反射体の説明図である。
【図８】本発明の他の実施の形態における光反射体の説明図である。
【図９】従来の移動体の位置検出設備の移動体における位置演算方法の説明図である。
【符号の説明】
11 エリア
12 移動体
13 再帰反射体
14 正反射体
15 柱
31 半導体レーザ装置
32 ハーフミラー
33 導管
35 筒体
36 反射ミラー
37，39 ギア
38 ＤＣモータ
41 エンコーダ
42 ミラー回転角度検出器
45 ２次元受光センサ
46 アナログ信号処理装置
47 ＡＤコンバータ
49 コントローラ
51 受光位置センサ
Ａ，Ｂ，Ｃ再帰射体の位置

Claims

所定エリア内を移動する移動体の位置検出設備であって、
前記エリアの複数箇所に、その平面座標が既知である再帰反射体と正反射体を対にして設け、
前記移動体に、
回転しながら全周に渡って水平に光線を照射する水平回転光線照射手段と、
前記水平回転光線照射手段の回転角度を検出する角度検出手段と、
前記水平回転光線照射手段より照射され、前記再帰反射体から再帰した光を検出する第１受光手段と、
前記水平回転光線照射手段より照射され、前記正反射体から反射した光を検出する第２受光手段と、
前記第２受光手段により検出された正反射体からの反射光の上下方向の変位量により、移動体の傾きを検出する傾き検出手段と、
第１受光手段により再帰した光を検出したとき、前記角度検出手段により検出される水平回転光線照射手段の回転角度を記憶し、これら記憶した回転角度、および再帰反射体の座標データにより、水平回転光線照射手段の現在位置の平面座標を計測し、この平面座標を、前記傾き検出手段により検出された移動体の傾きにより補正すること
を特徴とする移動体の位置検出設備。
第１受光手段および第２受光手段を、１台の２次元受光センサにより形成したこと
を特徴とする請求項１記載の移動体の位置検出設備。
第２受光手段を、水平回転光線照射手段の光線照射部の上下位置にそれぞれ設置したこと
を特徴とする請求項１に記載の移動体の位置検出設備。
第２受光手段を、移動体内部に設置した２次元受光センサと水平回転光線照射手段の光線照射部の上下位置にそれぞれ設置した受光センサにより形成したこと
を特徴とする請求項１記載の移動体の位置検出設備。
正反射体を透明な筒体とし、この内部に、円柱状に形成した再帰反射体を前記正反射体と同軸に配置したこと
を特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の移動体の位置検出設備。
再帰反射体および正反射体を、シリンドリカルレンズと円筒内面鏡を組み合わせて形成したこと
を特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の移動体の位置検出設備。
正反射体を、円筒外面鏡により形成したこと
を特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の移動体の位置検出設備。
正反射体を、円筒外面鏡と円筒内面鏡を組み合わせて形成したこと
を特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の移動体の位置検出設備。