JP7132866B2 - 軌道生成装置 - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、軌道生成装置に関する。

貨物を運ぶ無人牽引車が開発されている。特許文献１には、レールに沿って自動走行する牽引車を使って航空機への貨物の搭降載を行う空港貨物搬送システムが開示されている。

特開２００２－３２１６９９号公報

貨物の搭降載を行うためには、搭降載器材の近傍の貨物受け渡し位置まで被牽引車を牽引する必要がある。しかし、航空機は決まった位置および姿勢で停車するとは限らないため、貨物受け渡し位置も都度異なる。そのため、レールに沿って走行する牽引車では、貨物受け渡し位置の変化に対応できない。

本明細書に開示する軌道生成装置の一実施形態は、１台以上の被牽引車を牽引している牽引車の、始点位置から搭降載器材までの移動のための軌道を生成する軌道生成装置である。軌道生成装置は、環境センサの計測データに基づいて搭降載器材の位置および姿勢を表す搭降載器材座標系を取得する搭降載器材座標系取得部を備える。軌道生成装置は、牽引車の停車位置、および、停車位置における牽引車の姿勢である停車姿勢を表す停車位置座標系を、搭降載器材座標系に基づいて取得する停車位置座標系取得部を備える。軌道生成装置は、始点位置から停車位置まで移動する軌道の途中の位置である通過位置、および、通過位置における牽引車の姿勢である通過姿勢を表す通過位置座標系を、搭降載器材座標系に基づいて取得する通過位置座標系取得部を備える。軌道生成装置は、始点位置から通過位置を通過姿勢で通過して停車位置へ停車姿勢で停止可能な目標軌道を生成する軌道生成部を備える。停車姿勢は、牽引車の直後に位置している１台目の被牽引車の側面が搭降載器材の貨物受け入れ面と略平行になる姿勢である。停車位置は、１台目の被牽引車の側面の少なくとも一部が貨物受け入れ面と対向する位置である。

環境センサの計測データに基づいて、搭降載器材の位置および姿勢を表す搭降載器材座標系を取得することができる。そして、始点位置から通過位置を通過して停車位置へ貨物を搭降載可能な停車姿勢で停止可能な目標軌道を生成することができる。これにより、搭降載器材の位置および姿勢の変化する場合においても、貨物を搭降載可能な位置に非牽引車を牽引することが可能となる。

通過位置座標系は、停車位置座標系との拘束条件から求められてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

拘束条件は、１台目の被牽引車の側面および１台目の被牽引車に牽引される２台目の被牽引車の側面が、貨物受け入れ面と略平行になる条件であってもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

始点位置と通過位置とを結ぶ目標軌道の少なくとも一部が曲線であってもよい。通過位置と停車位置とを結ぶ目標軌道の全体が直線であってもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

環境センサはレーザセンサであってもよい。計測データはレーザセンサで計測された点群データであってもよい。

環境センサはカメラであってもよい。計測データは、搭降載器材に配置されている位置および姿勢を検出可能な視覚マーカをカメラで撮像した画像データであってもよい。

牽引車の構成を示すブロック図。 軌道生成の具体例を示す図。 目標軌道の生成方法を示すフローチャート。 搭降載器材の位置および姿勢の計測の様子を示す上面図。 搭降載器材の測定データ例。 停車位置座標系ＣＳ３の取得方法の具体例を示す図。 通過位置座標系ＣＳ２の取得方法の具体例を示す図。 目標軌道の生成方法の具体例を示す図。 目標軌道の生成方法の具体例を示す図。

（牽引車１０の構成）
以下、図面を参照して、本実施例の牽引車１０について説明する。図１に示す牽引車１０は、無人牽引車である。牽引車１０は、車体２０、演算装置３０、環境センサ４０を備えている。

車体２０は、操舵制御部２１および駆動制御部２２を備えている。操舵制御部２１および駆動制御部２２は、ＣＰＵ等を備えたマイクロプロセッサによって構成されている。操舵制御部２１は、不図示の操舵装置と通信可能に接続されており、牽引車１０の進行方向を制御する。駆動制御部２２は、不図示の駆動輪モータと通信可能に接続されており、牽引車１０の走行速度を制御する。

環境センサ４０は、車体２０に設置されている。本実施例では、環境センサ４０は、２Ｄ－ＬｉＤＡＲである。２Ｄ－ＬｉＤＡＲは、水平方向にレーザ光を走査する測域センサである。環境センサ４０は、車体２０の前方に設定された設定空間内の物体と車体２０との距離を計測する。これにより、牽引車１０の前方の距離データを取得する。環境センサ４０の高さは、搭降載器材１５の側面が計測できる高さに設置する。環境センサ４０で取得された距離データは、演算装置３０の搭降載器材座標系算出部３１に入力される。

演算装置３０は、ＣＰＵ等を備えたマイクロプロセッサによって構成されている。演算装置３０は、搭降載器材座標系算出部３１、停車位置座標系算出部３２、通過位置座標系算出部３３、軌道生成部３４、速度パターン生成部３５、制御指令生成部３６、を備える。搭降載器材座標系算出部３１～制御指令生成部３６の内容については後述する。

（概略説明）
本明細書で説明する技術は、航空機１へコンテナ（貨物）を搭降載するためのガイドレス無人牽引車の軌道生成に関する技術である。具体例を図２に示す。牽引車１０は、ドリー（被牽引車）１１～１４を牽引している。ドリー１１～１４の各々には、コンテナＣ１～Ｃ４が載置されている。航空機１の貨物室ドアの近傍には、搭降載器材（ハイリフトローダー）１５が配置してある。搭降載器材１５は、コンテナを航空機１に搭降載する器材である。

牽引車１０は、始点位置Ｐ１から停車位置Ｐ３まで移動する。始点位置座標系ＣＳ１は、始点位置Ｐ１における牽引車１０の姿勢を表す。牽引車１０の姿勢は、進行方向ｘ１と、進行方向ｘ１に垂直な垂直方向ｙ１によって定められる。停車位置Ｐ３は、ドリー１１が搭降載器材１５のコンテナ受け入れ面１５ａに横付けされた状態になる位置である。具体的には、少なくともドリー１１および１２の側面１１ａおよび１２ａが、コンテナ受け入れ面１５ａと平行となる必要がある。このようにドリーを整列させた状態で停車位置Ｐ３に牽引車１０を停車させるためには、特定の通過位置Ｐ２を通過することを前提として、始点位置Ｐ１から停車位置Ｐ３へ至る目標軌道ＴＴ（図２点線）を設定しなければならない。すなわち、始点位置Ｐ１から、通過位置Ｐ２を通過して停車位置Ｐ３へ至る目標軌道ＴＴを設定しなければならない。しかし、航空機１は決まった位置および姿勢で停車するとは限らない。誤差が数十ｃｍ～１ｍ程度発生する。すなわち、停車位置Ｐ３は、コンテナの搭降載を開始するまで正確な位置および姿勢が分からない。そのため、目標軌道ＴＴは荷物の搭降載のたびに設定しなければならない。

なお、図中の始点位置Ｐ１まで牽引車１０を移動させる方法は、様々であってよい。例えば、手動走行、レールを使った無人走行、センサ情報と地図を組み合わせた自動走行、などでもよい。

（目標軌道の生成方法）
図３のフローチャートを用いて、目標軌道ＴＴの生成方法を説明する。図３のフローは、始点位置Ｐ１から停車位置Ｐ３まで牽引車１０を移動させる指示が入力されたときに、開始される。

ステップＳ１において、搭降載器材１５の位置および姿勢を、環境センサ４０（２Ｄ－ＬｉＤＡＲ）を用いて計測する。図４に、計測の様子を示す上面図を示す。図５に、測定データ例を示す。図５は、搭降載器材１５を側面から測定した結果である。分りやすさのため、図５には、搭降載器材１５の側面１５ｂを一点鎖線で記載している。図５に示すように、環境センサ４０の計測データは、点群データである。

ステップＳ２において、搭降載器材座標系算出部３１は、環境センサ４０（２Ｄ－ＬｉＤＡＲ）の計測データに基づいて、搭降載器材座標系ＣＳ４を取得する。搭降載器材座標系ＣＳ４は、基準位置Ｐ４を基準とした、搭降載器材１５の姿勢を表している。基準位置Ｐ４は任意の位置でよい。本実施例では、コンテナ受け入れ面１５ａの右隅部を基準位置Ｐ４としている。搭降載器材１５の姿勢は、コンテナ受け入れ面１５ａに平行な方向ｘ４と、方向ｘ４に垂直な方向ｙ４によって定められる。

搭降載器材座標系ＣＳ４の取得方法の具体例を説明する。ステップＳ１で取得した測定データにおいて、一定距離内に存在する計測点群を同一物体としてクラスタリングする。図５の測定データ例では、領域Ｒ１内の点群がクラスタリングされる。クラスタリングされた点群を用いて、搭降載器材座標系ＣＳ４の原点である基準位置Ｐ４、および、搭降載器材座標系ＣＳ４の姿勢を示す方向ｘ４および方向ｙ４を設定する。基準位置Ｐ４は、クラスタリングされた点群の牽引車１０側（図５の左側）の端点とすることができる。方向ｘ４およびｙ４の設定方法を説明する。まず、クラスタリングされた点群にフィッティングする直線ＳＬを求める。直線ＳＬを求める方法の一例としては、RANＳAC（Random Ｓample Consensus）法が挙げられる。そして、直線ＳＬの法線方向を方向ｘ４に設定し、直線ＳＬの延びる方向を方向ｙ４に設定する。直線ＳＬの法線方向は、例えば図４に示すように、搭降載器材１５の側面１５ｂの計測点群Ｇ１にフィッティングする直線と、コンテナ受け入れ面１５ａの計測点群Ｇ２にフィッティングする直線とに基づいて求めることができる。

ステップＳ３において、停車位置座標系算出部３２は、牽引車１０の停車位置Ｐ３および停車位置座標系ＣＳ３（図２参照）を、搭降載器材座標系ＣＳ４に基づいて取得する。停車位置座標系ＣＳ３は、停車位置Ｐ３における牽引車１０の姿勢を表している。牽引車１０の姿勢は、進行方向ｘ３と、進行方向ｘ３に垂直な垂直方向ｙ３によって定められる。停車位置Ｐ３は、１台目のドリー１１の側面１１ａの少なくとも一部がコンテナ受け入れ面１５ａと対向するように定められる。停車姿勢は、１台目のドリー１１の側面１１ａが、搭降載器材座標系ＣＳ４の方向ｘ４と略平行になる（すなわち、側面１１ａが搭降載器材のコンテナ受け入れ面１５ａと略平行になる）ように定められる。

具体例を説明する。図６に示すように、搭降載器材座標系ＣＳ４からみた停車位置座標系ＣＳ３の原点（停車位置Ｐ３）のｘ方向位置Ｐ３ｘおよびｙ方向位置Ｐ３ｙは、下式（１）および（２）によって求めることができる。なお、停車位置座標系ＣＳ３の進行方向ｘ３は、搭降載器材座標系ＣＳ４の方向ｘ４と平行であるとする。
Ｐ３ｘ＝ｌ_ｔｔ＋ｄ_ｔｄ＋Ｄ_ｄ＋Ｗ_ｈ ・・・（１）
Ｐ３ｙ＝ｗ_ｄｈ＋Ｄ_ｄ ・・・（２）
ここでｌ_ｔｔは、停車位置Ｐ３から牽引車１０の後端までの距離である。ｄ_ｔｄは、牽引車１０の後端からコンテナＣ１先端までの距離である。Ｄ_ｄは、コンテナＣ１の先端から中心位置ＣＰ１までの距離である。Ｗ_ｈは、コンテナＣ１が中心位置ＣＰ１を中心として９０度回転した場合における、コンテナＣ１の中心線ＣＬ１から基準位置Ｐ４までの距離である。またｗ_ｄｈは、コンテナＣ１が中心位置ＣＰ１を中心として９０度回転した場合における、コンテナＣ１の先端からコンテナ受け入れ面１５ａまでの距離である。

ステップＳ４において、通過位置座標系算出部３３は、通過位置Ｐ２および通過位置座標系ＣＳ２（図２参照）を、搭降載器材座標系ＣＳ４に基づいて取得する。通過位置座標系ＣＳ２は、通過位置Ｐ２における牽引車１０の通過姿勢を表している。通過姿勢は、進行方向ｘ２と、進行方向ｘ１に垂直な垂直方向ｙ２によって定められる。

通過位置座標系ＣＳ２は、停車位置座標系ＣＳ３との間の拘束条件から求めることができる。本実施例における拘束条件は、１台目のドリー１１の側面１１ａおよび２台目のドリー１２の側面１２ａが、コンテナ受け入れ面１５ａと略平行になる条件である。図７の具体例を用いて説明する。図７は、ドリー１１～１４のうち前の２台が直線に並んでいる例である。通過位置Ｐ２と停車位置Ｐ３とを結ぶ直線ＬＬ１が、搭降載器材座標系ＣＳ４の方向ｘ４と平行になるように設定する。通過位置Ｐ２と停車位置Ｐ３との間のｘ方向距離Ｄ２３は、ドリー１１および１２が２台一列に並んだ時の長さＤＬ以上になるように設定する。前２台のドリーがまっすぐに整列することにより、２台目のドリー１２から１台目のドリー１１へコンテナを移動させることが可能となる。

ステップＳ５において、軌道生成部３４は、目標軌道ＴＴを生成する。図２に示すように、目標軌道ＴＴは、始点位置Ｐ１を始点位置座標系ＣＳ１で示す姿勢で出発し、通過位置Ｐ２を通過位置座標系ＣＳ２で示す通過姿勢で通過して、停車位置Ｐ３へ停車位置座標系ＣＳ３で示す停車姿勢で停止可能な軌道である。始点位置Ｐ１と通過位置Ｐ２とを結ぶ目標軌道ＴＴの少なくとも一部は、曲線である。通過位置Ｐ２と停車位置Ｐ３とを結ぶ目標軌道ＴＴの全体は、直線である。これにより、上述した拘束条件を満たすことができる。

ステップＳ６において、速度パターン生成部３５は、目標軌道に基づいて速度パターンの設計を行う。ステップＳ７において、制御指令生成部３６は、目標軌道と速度パターンに基づいて、停車位置Ｐ３まで牽引車１０を移動するための制御指令値を算出する。生成された制御指令値は、操舵制御部２１および駆動制御部２２に入力され、牽引車１０を停車位置Ｐ３に向かって移動させる。

（目標軌道の生成方法）
ステップＳ５において、軌道生成部３４が目標軌道を生成する方法は様々である。以下に一例を説明する。第１に、図８に示すように、始点位置Ｐ１、通過位置Ｐ２、停車位置Ｐ３の絶対座標系における位置を設定する。また始点位置座標系ＣＳ１の進行方向ｘ１、通過位置座標系ＣＳ２の進行方向ｘ２、停車位置座標系ＣＳ３の進行方向ｘ３を設定する。なお、図８に示す始点位置Ｐ１、通過位置Ｐ２、停車位置Ｐ３の位置や方向は、一例であり、図２のものとは異なっている。

第２に、操舵角および操舵角速度の、正負および零の切り替え計画を行う。具体的には、始点位置Ｐ１および通過位置Ｐ２の中点ＭＰと始点位置Ｐ１とを結んだ底辺を備える二等辺三角形ＩＴ１を作成する。また、中点ＭＰと通過位置Ｐ２を結んだ底辺を備える二等辺三角形ＩＴ２を作成する。このとき、二等辺三角形ＩＴ１の等辺ＥＳ１と二等辺三角形ＩＴ２の等辺ＥＳ２とが、互いに長さが等しく、かつ一直線となるようにする。

第３に、曲線長と曲率の関係が線形に近い曲線軌道を生成する。具体例では下式のパラメトリック曲線を用いるが、これに限定されるものではない。パラメトリック曲線は、曲率傾きが０から始まって、漸増していく曲線であれば、いずれの曲線であってもよい。

ここで、倍率ｍは相似変換のスケーリングの定数であり、ｔはパラメータである。

第４に、二等辺三角形ＩＴ１およびＩＴ２へ曲線軌道を当てはめる。具体的には、図９に示すように、上式で求めた２本の曲線軌道ＣＴ１およびＣＴ２を線対称となるようにはめ込む。第５に、通過位置Ｐ２から停車位置Ｐ３までを結ぶ直線軌道ＳＴを生成する。これにより、目標軌道が完成する。

（効果）
環境センサ４０の計測データに基づいて、搭降載器材１５の位置および姿勢を表す搭降載器材座標系ＣＳ４を取得することができる（ステップＳ２）。そして、始点位置Ｐ１から通過位置Ｐ２を通過して停車位置Ｐ３へ至る目標軌道ＴＴを生成することができる。これにより、搭降載器材１５の位置および姿勢が変化する場合においても、ドリーを搭降載器材１５に横付けすることができ、コンテナを搭降載することが可能となる。

以上、本明細書が開示する技術の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

（変形例）
本実施例では、環境センサ４０として２Ｄ－ＬｉＤＡＲを用いたが、各種のセンサを用いてもよい。環境センサ４０はカメラであってもよい。この場合、位置および姿勢を検出可能な視覚マーカ（例えばＡＲマーカ）を、搭降載器材１５に配置すればよい。カメラで視覚マーカを撮像することにより、視覚マーカの位置および姿勢を求め、搭降載器材座標系ＣＳ４を求めることができる。また例えば、環境センサ４０は２Ｄ－ＬｉＤＡＲや距離画像センサであってもよい。

本実施例では、牽引車１０が空港での貨物運搬システムで用いられる場合を説明したが、この形態に限られない。本明細書に記載の技術は、荷物を牽引し所定の場所へ貨物を搭降載するシステムであれば、何れのシステムにも適用できる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：牽引車 １５：搭降載器材 ３１：搭降載器材座標系算出部 ３２：停車位置座標系算出部 ３３：通過位置座標系算出部 ３４：軌道生成部 ３５：速度パターン生成部 ３６：制御指令生成部 ４０：環境センサ ＣＳ１：始点位置座標系 ＣＳ２：通過位置座標系 ＣＳ３：停車位置座標系 ＣＳ４：搭降載器材座標系 ＴＴ：目標軌道 Ｐ１：始点位置 Ｐ２：通過位置 Ｐ３：停車位置 Ｐ４：基準位置

Claims (7)

1. １台以上の被牽引車を牽引している牽引車の、始点位置から搭降載器材までの移動のための軌道を生成する軌道生成装置であって、
   環境センサの計測データに基づいて前記搭降載器材の位置および姿勢を表す搭降載器材座標系を取得する搭降載器材座標系取得部と、
   前記牽引車の停車位置、および、前記停車位置における前記牽引車の姿勢である停車姿勢を表す停車位置座標系を、前記搭降載器材座標系に基づいて取得する停車位置座標系取得部と、
   前記始点位置から前記停車位置まで移動する軌道の途中の位置である通過位置、および、前記通過位置における前記牽引車の姿勢である通過姿勢を表す通過位置座標系を、前記搭降載器材座標系に基づいて取得する通過位置座標系取得部と、
   前記始点位置から前記通過位置を前記通過姿勢で通過して前記停車位置へ前記停車姿勢で停止可能な目標軌道を生成する軌道生成部と、
   を備え、
   前記停車姿勢は、前記牽引車の直後に位置している１台目の被牽引車の側面が前記搭降載器材の貨物受け入れ面と略平行になる姿勢であり、
   前記停車位置は、前記１台目の被牽引車の側面の少なくとも一部が前記貨物受け入れ面と対向する位置である、軌道生成装置。
2. 前記通過位置座標系は、前記停車位置座標系との拘束条件から求められる、請求項１に記載の軌道生成装置。
3. 前記拘束条件は、前記１台目の被牽引車の側面および前記１台目の被牽引車に牽引される２台目の被牽引車の側面が、前記貨物受け入れ面と略平行になる条件である、請求項２に記載の軌道生成装置。
4. 前記始点位置と前記通過位置とを結ぶ前記目標軌道の少なくとも一部が曲線であり、
   前記通過位置と前記停車位置とを結ぶ前記目標軌道の全体が直線である、請求項１～３の何れか１項に記載の軌道生成装置。
5. 前記環境センサはレーザセンサであり、
   前記計測データは前記レーザセンサで計測された点群データである、請求項１～４の何れか１項に記載の軌道生成装置。
6. 前記環境センサはカメラであり、
   前記計測データは、前記搭降載器材に配置されている位置および姿勢を検出可能な視覚マーカを前記カメラで撮像した画像データである、請求項１～４の何れか１項に記載の軌道生成装置。
7. 請求項１～６の何れか１項に記載の軌道生成装置を備えた牽引車。

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