JP5200980B2 - 追従制御装置及び追従制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、追従性を向上した追従制御を課題とする。
ここで、相対位置情報に含まれる誤差が小さくなる方向に連続的に移動させることで、確実に移動目標とする電波発信源に近づく。
次に、本発明の第1実施形態について図面を参照しつつ説明する。
ここで、本実施形態では、図1に示すように、移動体として2輪の駆動輪を有する車両1を例示して説明する。但し、移動体は、3輪若しくは4輪以上の車輪を有する車両であっても良い。また、移動体は車両1に限定せず、二足歩行のロボットや地面から浮揚して移動する浮揚体(ホーバーなど)等であっても良い。要は、目標に向けて追従移動するように駆動制御可能な構造を備えた移動体であれば良い。
まず構成について説明する。
図2は、本実施形態に係る追従制御装置を搭載した車両1を示す図である。
この図2に示すように、車両1には、駆動装置、複数の無線通信手段Q、及び移動制御コントローラ3を設ける。なお、移動制御コントローラ3は、車両1に搭載しなくても良い。本実施形態では、搭載する無線通信手段Qの数が3つ場合を例示する。
上記駆動装置は、左右の駆動輪を駆動するモータ5で構成する。このモータ5を、移動制御コントローラ3からの駆動指令に基づき駆動制御する。この結果、車両1は直進運動及び回転運動を行う。ここで、本実施形態の1は直進運動及び回転運動によって移動する構成である。このため、1の制御周期で車両が移動可能な領域Rは、図3に示すように、所定角度の回転と所定距離の前進とを組み合わせた領域となる。
ここで、各無線通信手段Qをアンテナだけで構成し、各アンテナが受信した電波を信号に変換する通信制御部を別途設ける構成としても良い。この場合には、3つのアンテナに対して通信制御部を一つとしても良い。
ここで、無線通信手段の個数に関しては、個数を増やすほど、車両に対するユーザの相対位置座標を正確に算出することが可能であり、結果として、ユーザに対する高精度な追従が可能となる。
また、上記移動制御コントローラ3は、各無線通信手段Qが受信した信号に基づき、電波発信源8との相対距離r1、r2、r3を判定し、さらに相対距離r1、r2、r3から、電波発信源8の相対位置情報である相対位置座標(xu、yu)を推定する。その推定結果に応じて、車両1の移動方向を決定する。そして、電波発信源8を有する移動目標物に追従するための駆動指令を各モータ5に出力する。
相対距離取得手段3Aは、電波の受信に基づき、各無線通信手段Qから電波発信源8までの各相対距離r1、r2、r3を取得する。
目標位置取得手段3Bは、取得した複数の相対距離r1、r2、r3から、車両1に対する電波発信源8の相対位置座標(xu、yu)を推定する。
上記移動方向決定手段3Cは、図2に示すように、測位誤差記憶テーブル3Ca、誤差推定値算出比較手段3Cbを備える。
そして、上記移動方向決定手段3Cは、誤差推定値算出比較手段3Cbの比較に基づき、現時点の位置での相対位置情報の誤差よりも誤差が一番小さくなる領域内の候補点を、次の移動目標として決定し、その決定した移動目標を、移動体の移動すべき方向として設定する。
上記移動指令値生成手段3Dは、直進運転指令生成手段3Da、回転運動指令生成手段3Db、及び指令値バランス調整手段3Dcを備える。
直進運転指令生成手段3Daは、車両1を直進運動をさせるための第1の移動指令値を生成する。第1の移動指令値としては、速度指令値と加速度指令値とが考えられる。
回転運動指令生成手段3Dbは、車両1の回転運動をさせるための第2の移動指令値を生成する。第2の移動指令値としては、角速度指令値と角加速度指令値とが考えられる。
上述の図3は、ユーザ7と車両1との位置関係、および、車両1上に設置した3つの無線通信手段Qとユーザ7との位置関係を示す図である。
なお、無線通信手段Qの個数Nに関しては、個数を増やすほど、車両1に対するユーザ7の相対位置座標(xu、yu)を正確に算出することが可能であり、結果として、ユーザ7に対する高精度な追従が可能となる。また、上述のように、各無線通信手段Qにおける電波の受信特性(受信エリア)として、電波が指向性なく伝播する無指向性アンテナを用いている。その3個以上の無線通信手段Qによって取得した相対距離r1、r2、r3の情報を用いることによって、車両1に対する移動目標物の相対位置座標(xu、yu)を算出することができる。
この相対座標系において、電波発信源8が(xu、yu)に存在し、(xi、yi)に設置した各無線通信手段Q(i=1、2、3)と電波発信源8との相対距離を、それぞれr1、r2、r3とする。この場合、各無線通信手段Qと電波発信源8との関係は、以下のような連立方程式で示すことができる。
(xu−x1)2+(yu−y1)2 = r12
(xu−x2)2+(yu−y2)2 = r22
(xu−x3)2+(yu−y3)2 = r32
そして、図5に示す誤差分布に基づき、誤差の分布情報を測位誤差記憶テーブル3Caに設定する。誤差の分布情報は、図5に示す誤差分布そのものでなくても良い。たとえば車両1の前進方向を長軸とした楕円形状の等高線で近似させて記憶しておいても良い。
次に、上記移動制御コントローラ3の処理を、図6を参照しつつ説明する。
ここで、説明を分かり易くするたに、電磁キーなどからなる電波発信源8を有する移動目標物としてユーザ7(人間)を想定する。また、制御する左右2輪の駆動輪を持つ車両1としてショッピングカート(従動輪を別途備えてても構わない。)を想定する。そして、ショッピングセンター内において、ショッピングカートがユーザ7に追従移動するシーンを想定する。
まず、ステップS10にて、各無線通信手段Qからの信号に基づき、ユーザ7が有する電波発信源8から発信された電波が、3つの無線通信手段Qに到達したか否かを確認する。そして、全ての無線通信手段Qに対して、ユーザ7が有する電波発信源8から発信された電波が到達している場合には、ステップS20に移行する。
ここで、電波発信源8は一定間隔等の予め設定した周期で電波を発信している。従って、電波の受信によって、無線通信手段Qから電波発信源8までの距離を取得することは可能である。
ステップS30では、変数iに1を代入してステップS40に移行する。この変数iの値は、各無線通信手段Qの番号に対応する。なお、図6の処理では、無線通信手段Qの個数が3つに限定せず、無線通信手段Qの数をNとして、汎用性を持たせ場合で説明している。
ステップS60では、変数iがNより大きくなったか否かを判定する。変数iがN以下の場合にはステップS40に戻る。一方、変数iがNより大きくなった場合には、ステップS70に移行する。
すなわち、上記ステップS40〜S60の処理を無線通信手段Qの個数分、すなわち、本実施形態では3回繰り返してステップS70に移行する。
ステップS70では、車両1に対する電波発信源8の相対位置座標(xu、yu)を算出する。その後、ステップS80に移行する。
ここで、本実施形態で例示する車両1は、直進と回転、および、その組み合わせで移動する車両1の例である。このため、車両1は、側方に位置する電波発信源8に向けて、真横への移動が出来ない。
このため、車両1の動きとして1の制御周期で移動可能な範囲(直進と回転、および、その組み合わせ)で、相対位置座標に含まれる現在の誤差よりも小さくなり、かつ、電波発信源8と車両1との位置関係が近くなるような候補点を選択し、選択した候補点を、次の移動目標に設定する。
ステップS100では、車両1と電波発信源8との相対位置関係(相対距離、相対角度)から、直進運動及び回転運動に関する制御の制御ゲインを決定する。すなわち、指令値バランス調整手段3Dcが、車両1に対する電波発信源8の相対位置関係(特に相対角度)に応じて、現時点における誤差の推定値よりも誤差の推定値が小さくなるような候補点に移動するように、上記直進運動及び回転運動に関する制御の制御ゲインを調整する。例えば、上記指令値バランス調整手段3Dcは、図8に示すように、車両1の進行方向に対する電波発信源8の角度差Δθが大きいほど、相対的に直進運動よりも回転運動が優先するように制御ゲインを変更する。図8中、符号Sは、次の移動目標を表す。
これによって、相対的に、角度差Δθが大きいほど、速度ゲインKvよりも角速度ゲインKγが大きくなる。すなわち、電波発信源8が車両1の進行方向以外に検出された場合には直進運動よりも回転運動が優先するように制御ゲインを変更することとなる。
ここで、通常、車両1と電波発信源8との相対位置関係を目標値に収束させる制御を行う。そして、電波発信源8に対して車両1が1mまで接近する位置であって、且つ車両1の進行方向に電波発信源8が位置する位置を、最終的な目標位置とする。
v = −Kv・(dr* −dr)
γ = −Kγ・(dθ* −dθ)
ここで、
dr:現在の相対距離
dr*:目標相対距離
dθ:現在の相対角度
dθ*:目標相対角度
である。
そして、ステップS120で、上記制御指令値を駆動部に出力する。
車両1の移動に関する制御ブロックを図11に示す。
ここで、速度と角速度で移動の制御をする場合を例示しているが、適宜、加速度や角加速度も制御する。
車両1に設置した各無線通信手段Qが、移動目標物が有する電波発信源8から発信された電波を受信し、ユーザ7と各無線通信手段Qとの相対距離r1、r2、r3を取得する。そして、車両1に対する移動目標物の相対位置座標(xu、yu)を算出する。
車両1の可能な移動のうち、その相対位置座標に含まれる誤差が小さくなる候補点を選択して、その候補点を移動目標に向けて車両1を移動させる。これを繰り返すことで、車両1は電波発信源8を有するユーザに追随して移動する。
また、車両1側方に電波発信源8が位置する場合など、角度誤差が大きい場合には、車両1の移動制御として、回転移動を優先して実施するように、速度制御に関する制御ゲインである速度ゲインKvを小さくすることで、回転移動を優先的に行うような所望の動作を行わせる。
ここで、車両1は移動体を構成する。相対位置座標は相対位置情報を構成する。
ステップS30〜S60は、相対距離取得手段3Aを構成する。ステップS70及びステップS80は、目標位置取得手段3Bを構成する。ステップS90は、移動方向決定手段を構成する。ステップS100〜S120は、移動指令値生成手段3Dを構成する。ステップS90は、誤差推定値算出比較手段3Cbを構成する。
(1)相対距離取得手段は、電波の受信に基づき、各無線通信手段から電波発信源8までの各相対距離を取得する。目標位置取得手段は、取得した複数の相対距離から、移動体に対する電波発信源8の相対位置情報を推定する。移動方向決定手段3Cは、目標位置取得手段が推定した相対位置情報に基づき、目標位置取得手段が推定した相対位置情報に含まれる誤差が小さくなる領域に、移動体の移動すべき方向を設定する。移動指令値生成手段3Dは、上記設定した移動方向への移動のための移動指令値を生成する。
すなわち、推定した相対位置に含まれる誤差を抑制するように、移動方向を決定する。これによって、追従すべき方向の誤差を抑えつつ、目標とする電波発信源8に追従移動することが可能となる。この結果、確からしさの高い相対位置に向けて追従制御を行うことが出来ることで、追従性を向上した追従制御が可能となる。
車両周囲における測位誤差分布を記憶した測位誤差記憶テーブル3Caを有しているので、あらかじめ、推定された相対位置座標に含まれる誤差の度合いを知ることができる。これによって、誤差が小さくなる方向を選択可能となる。
少なくとも角度誤差に関する測位誤差記憶テーブル3Caを有しているので、特に方向間違いを起こりうる角度誤差に対応可能となる。
現時点における誤差と、次の移動目標の候補点における誤差を算出して比較する。これによって、誤差が小さくなるような位置を次の移動目標点として決定することができる。
これによって、移動体の前方で誤差が小さくなる位置となる。この結果、誤差が小さくなる方向に移動体を移動制御することで、電波発信源8を車両前方に位置させやすくなる。
車両1と電波発信源8との相対位置関係に応じて、現時点における誤差よりも誤差が小さくなるような候補点に移動する移動ルートとなるように、制御ゲインを変更する。この結果、誤差を抑制しつつ、滑らかな追従移動を行うことができる。
これによって、電波発信源8が車両1の進行方向に検出された場合には、車両進行方向の距離を接近させて角度方向の距離誤差を抑制する。電波発信源8が車両1の進行方向以外に検出された場合には、電波発信源8に対して車両1の進行方向を一致させるべく、回転運動を優先して車両1を移動させる。この結果、相対位置座標の誤差を抑制しつつ、違和感のない追従移動を行うことができる。
(1)上記移動方向決定手段3Cは、移動体周囲における測位誤差分布に基づき、移動体の移動可能な範囲内で現時点の位置から電波発信源8の位置に向けて、現時点の位置での相対位置情報の誤差よりも誤差が小さく且つ電波発信源8に近づくにつれて当該誤差が小さくなる移動目標の候補点の並びを設定し、その設定した移動目標の候補点の並びに基づき、今後の移動体の移動すべき方向を設定するようにしても良い。
現時点における誤差よりも誤差が連続的に小さくなるような候補点の列を、今後の移動目標として決定する。これによって、測位結果に含まれる誤差成分を抑制して、追従移動の精度を向上することができる。
第1の移動方向決定方法では、図12に示すように、回転(旋回)移動に重点を置きつつ、ユーザ(電波発信源8)に接近する。
なお、図12及び図13において、□は、静止しているユーザ(電波発信源8)を表す。また、実際には車両1(移動体)が移動するが、分かりやすくするため、車両1(移動体)の位置を固定して図示している。
具体的には、測位誤差が前回の制御周期よりも大きくならない範囲で、回転しながら直進することで、測位誤差を抑制した移動を可能にする。
すなわち、第1の移動方向決定方法では、各制御周期において、それぞれ移動可能な範囲で誤差が小さくなる領域を選択して車両1を移動させることになる。このため、車両側方に電波発信源8が位置する場合には、回転運動が優先しつつも直進運動も行う事となる。
複数の場所にアンテナと無線機能とコントローラを有する無線通信手段Qを設置しなくても、複数の場所にアンテナを設置し、それを統括する形で無線機能とコントローラを設置する形態を取れる。この結果、システムの簡素化とコスト削減を図ることができる。
次に、本発明の第2実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、上記第1実施形態と同様な装置等については同一の符号を付して説明する。
本実施形態の基本構成は、上記第1実施形態と同様である。
本実施形態の移動指令値生成手段3Dは、図14に示すように、目標値変更手段3Ddを備える。その他は、上記第1実施形態と同様である。
本実施形態は、第1実施形態で示したユーザの相対位置座標に含まれる誤差を小さくして、かつ、ユーザと車両1との位置関係を接近させるような車両1の移動方向に対して、動的に制御目標値を変更しながら、車両1を移動させる制御する例である。ここで、制御目標値とは、追従移動の目標値と、車両1との相対位置関係をどの程度にしたいかの指標である。
第1実施形態とは、ステップS90とステップS100との間にステップS210〜ステップS230の処理を設けた点が異なる。
このSステップS210〜ステップS230の処理は、車両1の移動に関して、制御目標値に収束している場合、もしくは、制御目標値への収束が遅い場合に、制御目標値を変更する処理を行う。
先ず、ステップS10〜S90での処理によって車両1の移動目標を決定した後に、ステップS210に移行する。
ステップS210では、車両1の移動に関して、制御目標値に収束していないかを判定する。制御目標値に収束している場合にはステップS230に移行する。一方、制御目標値に収束していない場合にはステップS220に移行する。
まず、相対距離に関する制御目標値は、ユーザに対して、どの程度の間隔を維持したいかを意味している。ユーザの歩きやすさ(ユーザとショッピングカートが干渉しないこと)を考慮すると、1[m]程度の間隔を設けておくことが得策である。ただし、一旦でも停止した後に再移動した場合には、車両1が急に移動するため、追従性が悪化する問題も考えられる。
一方、車両1の移動に関して、制御目標値に収束していない場合には、これまで通りの移動制御を行うことになる。ただし、ステップS220にて、制御目標値への収束の早さを判定する。収束が早い場合にはステップS100に移行する。
このように、適宜、制御目標値を変更する。その後、S110〜S112似て、第1実施形態と同様に、制御ゲインを変更して、車両1を移動させる。これによって、ユーザの相対位置座標に含まれる誤差を小さくしつつ、ユーザに対して追従移動するような車両1の移動を実現することができる。
車両1に対する電波発信源8の位置が、制御目標値に収束している場合(車両1の進行方向に電波発信源8が位置する場合)には、これ以上、車両1が移動する必要がない状態ではある。ただし、上記にも示したように、例えば、電波発信源8と車両1との相対距離を小さくしておく方が、電波発信源8の相対位置座標に含まれる誤差を小さくできるといったメリットがある。
また、車両1の移動に関して、制御目標値に収束していない場合であって、収束が遅いような場合にも、制御目標値の変更を行う。この場合、ユーザの動きと車両1の動きが一致していないような場合であり、具体的には、ユーザが停止している状態から突然走り出した場合や、誤差の影響により、ユーザの存在位置が定まらない場合などが考えられる。前者であれば、相対距離に関する制御目標値を小さくして、より近い距離で追従させるようにするとともに、結果として、その速度も向上することで、追従性を向上する。また、後者であれば、相対角度に関する制御目標値を大きくして、追従移動に関する角度の許容範囲を広くして、誤差に対して寛容にするといった制御が可能になる。
また、ユーザが停止している状態においては、車両1とユーザとの相対距離を小さくすることで、ユーザに対する車両1の追従性を向上することができる。
さらに、ユーザの突然の挙動変化により、制御目標値への収束が悪い場合にも、収束の悪さを改善して、ユーザに対する車両1の追従性を向上して、ユーザの相対位置座標に含まれる誤差の大きさを小さくすることができる。
(1)車両1と電波発信源8との相対位置関係に応じて、現時点における誤差の推定値よりも誤差の推定値が小さくなるような候補点に移動するように、制御目標値を変更する。
これによって、相対位置情報に含まれる誤差を抑制しつつ、利用シーンにあった追従移動を行うことができる。
(2)電波発信源8が車両1の進行方向に検出された場合には、車両1進行方向の距離を接近させて角度方向の距離誤差を抑制するとともに、電波発信源8が車両1の進行方向以外に検出された場合には、電波発信源8に対して車両1の進行方向を一致させるべく、車両1を回転させる。
これによって、相対位置情報に含まれる誤差を抑制しつつ、利用シーンにあった違和感のない追従移動を行うことができる。
3 移動制御コントローラ
3A 相対距離取得手段
3B 目標位置取得手段
3C 移動方向決定手段
3Ca 測位誤差記憶テーブル
3Cb 誤差推定値算出比較手段
3D 移動指令値生成手段
3Da 直進運転指令生成手段
3Db 回転運動指令生成手段
3Dc 指令値バランス調整手段
7 ユーザ
8 電波発信源
Kv 速度ゲイン
Kγ 角速度ゲイン
Q 無線通信手段
R 移動可能な領域
Δθ 角度差
Claims (9)
- 移動体に対する電波発信源の位置を推定する目標位置推定手段と、その目標位置推定手段が推定した電波発信源の位置に基づき当該電波発進源に追従するように移動体の移動を制御する移動制御手段と、を備える追従制御装置であって、
上記目標位置推定手段は、
上記移動体に対し平面視で互いに重ならない位置に設定され、それぞれ上記電波発信源からの電波を受信可能な複数の無線通信手段と、
電波の受信に基づき、各無線通信手段から電波発信源までの各相対距離を取得する相対距離取得手段と、
取得した複数の相対距離から、移動体に対する電波発信源の相対位置情報を推定する目標位置取得手段と、
を備え、
上記移動制御手段は、目標位置取得手段が推定した相対位置情報に基づき、目標位置取得手段が推定した相対位置情報に含まれる誤差が小さくなる領域に、移動体の移動すべき方向を設定する移動方向決定手段と、
上記設定した移動方向への移動のための移動指令値を生成する移動指令値生成手段と、
を備えることを特徴とする追従制御装置。 - 上記移動方向決定手段は、
平面視における移動体周囲の測位誤差の分布情報を記憶する測位誤差記憶テーブルを有し、その測位誤差記憶テーブルを参照することで、推定した相対位置情報に含まれる誤差が小さくなる領域を特定することを特徴とする請求項1に記載した追従制御装置。 - 上記測位誤差記憶テーブルは、
移動体に対する電波発信源の実際の相対距離と推定される相対距離の差分である距離誤差、若しくは、移動体に対する電波発信源の実際の相対角度と推定される相対角度の差分である角度誤差のうち、少なくとも角度誤差についての分布情報を記憶していることを特徴とする請求項2に記載した追従制御装置。 - 上記移動方向決定手段は、
移動体周囲の測位誤差分布に基づき、現時点の位置での相対位置情報の誤差と、次の制御周期で移動体が移動可能な領域内に設定した候補点での相対位置情報の誤差とを比較する誤差推定値算出比較手段を備え、
誤差推定値算出比較手段の比較に基づき、現時点の位置での相対位置情報の誤差よりも誤差が小さくなる候補点を、次の移動目標として決定し、その決定した移動目標を、移動体の移動すべき方向として設定することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載した追従制御装置。 - 上記移動方向決定手段は、
移動体周囲における測位誤差分布に基づき、移動体の移動可能な範囲内で現時点の位置から電波発信源の位置に向けて、現時点の位置での相対位置情報の誤差よりも誤差が小さく且つ電波発信源に近づくにつれて当該誤差が小さくなる移動目標の候補点の並びを設定し、その設定した移動目標の候補点の並びに基づき、今後の移動体の移動すべき方向を設定することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載した追従制御装置。 - 上記複数の無線通信手段を、移動体周囲の測位誤差の分布が、移動体側方に対し移動体前方の測位誤差が小さくなる配置とすることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載した追従制御装置。
- 上記移動指令値生成手段は、
移動体を直進運動をさせるための第1の移動指令値を生成する直進運動指令生成手段と、
移動体の回転運動をさせるための第2の移動指令値を生成する回転運動指令生成手段と、
移動体に対する電波発信源の相対位置関係に応じて、現時点における誤差の推定値よりも誤差の推定値が小さくなるような候補点に移動するように、上記直進運動及び回転運動に関する制御の制御ゲインを調整する指令値バランス調整手段と、
を備えることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載した追従制御装置。 - 上記複数の無線通信手段を、移動体周囲の測位誤差の分布が、移動体側方に対し移動体前方の測位誤差が小さくなる配置とし、
上記指令値バランス調整手段は、移動体の進行方向に対する電波発信源の相対角度が大きいほど、相対的に、直進運動に関する制御の制御ゲインよりも回転運動に関する制御の制御ゲインを大きくすることを特徴とする請求項請求項7に記載した追従制御装置。 - 移動体に対する移動目標としての電波発信源の位置を推定し、推定した電波発信源の位置に向かうように移動体の移動を制御する追従制御方法であって、
上記移動体に対し平面視で互いに重ならない位置に複数の無線通信手段を設定し、上記電波発信源からの電波の受信に基づき、各無線通信手段から電波発信源までの各相対距離を取得し、取得した複数の相対距離から、移動体に対する電波発信源の相対位置情報を推定し、
推定した相対位置情報に含まれる誤差が小さくなる方向に、移動体の移動すべき方向を設定することを特徴とする追従制御方法。
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