JPH05126930A - ロボツト移動体の位置決め方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 数百メートルから数kmスパンのフィールドに
おけるロボットの位置や座標を精密かつ連続的に測定す
る方法を提供する。 【構成】 フィールド内に相互距離が互いに既知の複数
個の電波灯台を設け、それらからの発射電波はすべて同
一周波数の共通搬送波を用い、走行するロボットの位置
決めにあたっては、複数個の電波灯台のなかから適切な
２つの電波灯台(P₁, Q₁)を選択し、それらとロボット間
との距離を前記共通搬送波の波数の積算で計測し、あら
かじめ求めた位相差計数源点で補正してから連続的にこ
の２つの距離の差を求め、この距離の差を使って前記２
つの電波灯台を２つの焦点とする双曲線(H₁₁) を求め、
さらに前記２つの電波灯台以外の対(Q₁, P₂)についても
別の双曲線 (H₁₂) を求め、この２つの双曲線の交点を
現在のロボット移動体の位置とする方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は土木建築や農業、スポ
ーツなど数百メートル〜数kmスパンのフィールドにおけ
るロボットの作業や運動における位置決めに係り、フィ
ールド内にあるロボットの任意の位置や座標を精密かつ
連続的に自動測定する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】距離Ｌが既知の２つの電波灯台Ｐ，Ｑか
ら数百メートル離れた任意の１点Ｒの位置決めをするに
あたり、Ｐ，Ｑを中心とする回転走査レーザの回転時間
と回転角の関係から、底角∠ＲＰＱと∠ＲＱＰを測定し
て三角形ＰＱＲを決定し、その頂点Ｒの座標を求める方
法は三角測量法と通称されているが、その自動化の例と
して例えば次の５つの方法がある。

【０００３】(1) 特開昭62-50616号「レーザを用いた測
量方法」明細書記載の方法は、この種技術の先駆的と考
えられるものであって、基準点Ｐ，Ｑを中心とする回転
走査レーザが基準線Ｐ−Ｑをよぎった時刻と、ロボット
Ｒがレーザーを受信した時刻との時間差を求め、この時
間差を２つの底角∠ＲＰＱおよび∠ＲＱＰに換算して三
角形ＰＱＲを算出し、その頂点の座標Ｒを求めている。 (2) また、特開昭62-127862 号「レーザを用いた平面位
置検出方法および装置」明細書記載の発明は従来例(1)
の改良型であって、距離が既知である基準点Ｐ，Ｑ２点
を中心として互いに完全に逆旋回する２本のレーザをＲ
点で受信し、２波の受信時刻の差から∠ＲＰＱおよび∠
ＲＱＰに換算しＲの座標を求めている。 (3) さらに、特開平２-59687号「移動位置検出装置」明
細書記載の発明では、距離が既知である基準点Ｐ，Ｑを
中心とする回転走査レーザが、基準線Ｐ−Ｑをよぎった
時刻と、Ｒ点で該レーザを受信した時刻との時間差を、
送信点ＰおよびＱの計時装置と同期した受信点Ｒの計時
装置により計測し、それを∠ＲＰＱ、∠ＲＱＰに換算し
てＲの座標を求めている。 (4) さらにまた、本願発明者らになる特願平１-230346
号「位置検出装置並びに該装置に用いる受光装置及び位
置検出装置を用いた走行ロボット誘導装置」明細書記載
の発明では、基準点Ｐ，Ｑを中心とする回転走査レーザ
の基準線Ｐ−Ｑからの回転角度をコード化して該レーザ
を変調し、Ｒ点ではレーザ受信と同時に∠ＲＰＱおよび
∠ＲＱＰの値を知ってＲの座標を求めている。 (5) また、本願発明者らになる特願平２-409650 号「ロ
ボット移動体の位置決め方法」明細書記載の発明では、
基準点Ｐ，Ｑおよび移動走行ロボットＲにおいて例えば
衛星放送テレビジョン電波ＢＳを受信し、受信テレビジ
ョン信号中の垂直、水平同期信号を基準として共通計時
をおこない、さらに基準点Ｐ，Ｑを中心として回転する
回転走査レーザの回転と位相の制御を行ない、回転走査
レーザが基準線Ｐ−Ｑをよぎる時刻とロボットＲで受信
される時刻との時間差を角度に変換してロボットの位置
決めをする。この時レーザの回転と位相の制御用補正信
号は簡単にコード化されて点Ｐ，Ｑより点Ｒに送信され
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上述べてきた従来例
はいずれも三角測量法をレーザを用いて自動化しようと
したものであるが、以下のような問題点がある。 (1) レーザは野外において大気状態の影響を受け易く測
定不能の場合が屡々生じる。 (2) 三角測量法は底角が10度以内の基準線近傍の領域に
なると、両底角から発する線が平行に近づくため両線の
交点を求め難くなり、正確な位置決めが困難となる。 (3) 位置決め精度は底角の分解能に比例し、仮に基準点
から 200ｍ離れた点で±30cmの精度を保証するには約(1
／116)度以上の角度分解能が必要であって、現状では測
定精度の点から測定フィールドを数百ｍ以上に拡張する
ことは困難である。 そこで本発明の目的は、前述の諸問題を解決し、数kmス
パンにも及ぶフィールドにおけるロボット移動体の位置
や座標を精密かつ連続的に自動測定のできるロボット移
動体の位置決め方法を提供せんとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明方法に係るロボット移動体の位置決め方法は、フ
ィールド内に相互距離が互いに既知の複数個の電波灯台
を設け、それらからの発射電波はすべて糎波または粍波
の同一周波数の搬送波をスペクトル拡散変調した電波を
用い、各前記電波灯台は発信局識別または有用情報のた
めの符号信号を前記スペクトル拡散変調波に乗せて連続
送信し、走行するロボット移動体の位置決めにあたって
は、それに先立ち、走行するロボット移動体の出発点の
位置を設定し、当該位置を設定された出発点と前記複数
個の電波灯台のなかから選択された２つの電波灯台との
それぞれの距離を前記搬送波の波数に換算して前記ロボ
ット移動体が有する２つの積算器にそれぞれ計数記憶さ
せ、当該記憶させた２つの積算器の波数の差を位相差計
数源点とし、以後ロボット移動体を移動させながら前記
２つの電波灯台からの電波の波数を積算し、この積算値
の差をとり、これを距離差に換算しその距離差を使って
前記２つの電波灯台を焦点とする双曲線を求め、前記２
つの電波灯台対以外の別の対についても別の双曲線を求
め、前記双曲線と前記別の双曲線との交点をロボット移
動体の現在の位置とするようにしたことを特徴とするも
のである。

【０００６】

【実施例】以下添附図面を参照し実施例により本発明を
詳細に説明する。図１は本発明位置決め方法の基本原理
を示すもので、電波灯台Ｐの特設発射電波を基準にし
て、複数個の電波灯台Ｐ₁, Ｐ₂, Ｐ₃----,Ｑ₁, Ｑ₂,
Ｑ₃---が電波位相コヒーレンシーを保つ同一周波数を
発生する場合には、灯台Ｐは他の灯台群のほぼ中央に配
置されるものとする。標準電波、テレビジョン電波また
はグローバル・ポジショニング・システム(Global Posi
tionig System, GPS) 電波を基準とする場合には灯台Ｐ
は省略して考えてよい。電波灯台Ｐを中心として数kmの
領域に他の電波灯台群を配置し、複数個のロボット移動
体Ｒがその領域内を移動できるように、電界強度設計と
ロボット側での電波発信局識別のためのＰＮ（疑似雑
音）コードの数を決めなければならない。

【０００７】上記の条件が決まれば、図１図示のように
灯台Ｐ₁ とＱ₁ とを焦点とする双曲線Ｈ₁₁と、灯台Ｑ₁
とＰ₂ とを焦点とする双曲線Ｈ₁₂との交点Ｒ₁ よりロボ
ットの現在位置が求まり、また、灯台Ｑ₁ とＰ₂ とを焦
点とする双曲線Ｈ₂₁と、灯台Ｑ₂ とＰ₃ とを焦点とする
双曲線Ｈ₂₂との交点より別のロボットの現在位置Ｒ₂が
求まる。

【０００８】次に図２，図３には電波発射灯台およびロ
ボット移動体が具える電子回路部の構成例をそれぞれ示
している。図２に示す前記複数個の電波灯台が有する共
通の電子回路では、前記電波灯台Ｐまたは他の基準用電
波を発射する発射源１からの電波の送信を受信２し、こ
れから基準用周波数復調３を行なう。この復調された基
準用周波数は送信源１が送信する基準用周波数で例えば
数 GHzから数十GHz 程度の周波数である。この基準用周
波数からフィールド内の複数個の電波灯台とロボット間
で使用される共通搬送波が合成４され、その周波数は例
えば数 GHzから数十GHz 程度であり、この程度の周波数
ではこの搬送波の波長λはcm〜mmのオーダとなり、複数
個の各電波灯台では管理情報５、変調６、ＰＮ符号７、
ＳＳ変調８のブロックを使用して、送信に必要な発信局
識別や他の有用情報を乗せてこれを送信10する。ロボッ
ト側で計数する波数はあくまでこの共通搬送波10でこの
搬送波は10^-7程度以上の周波数安定度を有する基準用周
波数から作られたものであるから安定な共通搬送波とい
うことになる。

【０００９】一方ロボット側は各灯台からの距離が既知
の点、例えば灯台Ｐ₁ からはＬ₁ 、灯台Ｑ₁ からはＬ₂
の固定点Ｓを出発点とし、出発に先立ち（L₂−L₁) ／λ
＝Ｎを位相差計数源点とするため、灯台Ｐ₁ からの電波
の位相計数器を０、灯台Ｑ₂ からの電波の位相計数器を
Ｎにセットし、以後ロボットは移動しながら２つの電波
の波数（波数の整数値のみならず位置決め要求精度に応
じ位相の数度の桁まで）の積算を継続し、適宜の時間間
隔、例えばロボットの速度が１ｍ／ｓで位置決め要求精
度が３cm程度であれば、1/30秒位の間隔で積算値の差を
とり、これに前記共通搬送波の波長λを乗じて長さｄを
求め、灯台Ｐ₁ とＱ₁ とを焦点としそれから距離差がｄ
である双曲線Ｈ₁₁を求め、別の灯台対Ｑ₁ とＰ₂ につい
ても同様な手順で双曲線Ｈ₁₂を求め、双曲線Ｈ₁₁とＨ₁₂
の交点Ｒ₁ を計算してロボットの現在位置とする。

【００１０】なお、各灯台からの電波の受信に用いられ
る局部発信器13, 23の周波数は、再生された搬送波から
合成された同相、同期のものであって、局部発信周波数
のゆらぎによる影響を防止したものである。

【００１１】ロボットはすべての灯台と出発点の距離関
係を記したマップを搭載計算機に記憶し、定められた領
域内を予め与えられたコースに従って位置誤差を矯正す
るようカジ切りをしつつ自動走行する。位置決めをする
のに最適の灯台対を選択するように領域別の切替えソフ
トウエアを準備し、またサイクルスリップに対して補償
動作ができるように位置決めに必要な２対の電波灯台の
ほかに常時他の１台または数台の電波灯台からの電波を
受けてスタンバイさせる。

【００１２】また本発明のロボットでは、そのロボット
の移動状態や作業状態またはサイクルスリップなどの異
状の有無を、逆にロボット側から、各ロボット用の共通
搬送波を用い、各ロボット個体識別のためのＰＮ符号、
および前記複数個の電波灯台やこのシステム全体の管理
者宛のコード通信信号を、ＳＳ変調を使って常時返信す
るようにしている。

【００１３】図３は正に上記ロボットＲでの位置決めに
係るハードウエアの構成図を示すもので、一方の双曲線
Ｈ₁₁を算出する方のハードウエア構成は詳細に示してあ
るが、２つの双曲線の交差点の計算32の右側から入力さ
れる双曲線Ｈ₁₂のデータ算出部分は左側入力のハードウ
エアの双曲線決定構成と全く同じであるから、最終のブ
ロック双曲線決定31のみを記載して他は省略した。

【００１４】灯台Ｐ₁ からの電波を受信11する系と灯台
Ｑ₁ からの電波を受信21する系との構成に係る図３図示
の詳細については特に説明する必要はないと思われる
が、ＩＦ増幅器14, 24では局部発振器13, 23で一度中間
周波数におとした方が扱い易いということでこの方式を
取っており、その後それぞれ搬送波再生器17, 27で電波
灯台から送信される共通搬送波を再生している。また逆
拡散15, 25は送信されてきたＳＳ変調波を復調する回路
で、復調の過程で各電波灯台識別のためのＰＮ符号16,
26が確定し、現時点の位置決めにはどの電波灯台からの
電波が入力されているかのデータが入力され、波数積算
器18, 28や演算制御回路29を制御するデータともなる。

【００１５】また先に説明したロボット側から返信され
る管理情報は、ブロック33, 34, 35, 36, 37が使用され
て例えばこのシステム全体の管理者に常時通信される。
また前述のすべての灯台とロボットの出発点との距離関
係を記したマップを搭載するとか、１つの領域で最適の
灯台対を選択するとか、領域別の切替えソフトウエアを
備える搭載計算機はここには図示していないが、それぞ
れに適合するものをこのロボットが搭載しているものと
する。

【００１６】また本発明方法では共通搬送波を数 GHzか
ら数十GHz程度のオーダとすれば、ＰＮ符号はその周波
数帯域がMHz のオーダー、管理情報は音声周波数程度で
あることを付記しておく。以上本発明方法について図面
を参照し実施例により詳細に説明してきたが、本発明は
記載の実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に
記載した発明の要旨内で各種の変形、変更の可能なこと
は自明であろう。

【００１７】

【発明の効果】この発明では糎波、粍波を用いているの
で、大雨を除いて大気の変動の影響を受けることなく野
外ロボットの精密な位置決めが可能である。傘下にある
電波灯台やロボット群の電波はすべてスペクトラム拡散
変調法を用い、一つの共通周波数を利用し、かつ各灯台
から出される電波の位相は相互にコヒーレンシーを保つ
ようにしているので、ロボットは任意の２ペアーの灯台
を選択し、全フィールド内でデットゾーンを生じること
なく、双曲線交差方式を実施することが可能である。ま
た同一周波数を使用しているので、不時の電波受信断
（サイクルスリップと呼ぶ）を予防するために２ペアー
以外の余分の灯台からの電波を、常時受信することもさ
ほどの負担ではない。また個々の送信電力とシステム全
体の総合的電波帯域は節約され、かつ同一周波数を完全
同相同期して使っているので、ロボットに搭載する受信
機や位相差測定装置は簡易化される。

【００１８】同相同期化技術と電波位相測定技術は益々
高度化しつつあるので、これらに専ら依存することの多
い本発明方法は、技術の進歩とともに更に遠距離の位置
決めが可能となる。指向性を自由に設計できる電波を採
用し、レーザーと違い多少の凹凸のある野外でも到達可
能な方式となしうるので、単に平面だけでなく傾斜地に
も応用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明位置決め方法の基本原理を説明するため
の図

【図２】本発明に係る電波灯台が有する共通の電子回路
構成図

【図３】本発明に係るすべてのロボットが有する共通の
電子回路構成図 １ 基準用電波送信 ２，11，21 受信 ３ 基準用周波数復調 ４ 共通搬送波合成 ５，33 管理情報 ６ 変調 ７，16，26, 34 ＰＮ符号 ８，35 ＳＳ変調 ９，36 搬送波 10，37 送信 12，22 増幅器 13，23 局部発信器 14，24 ＩＦ増幅器 15，25 逆拡散 17，27 搬送波再生器 18，28 波数積算器 29 演算制御回路 30 波数差引算器 31 双曲線決定 32 ２つの双曲線の交差点の計算 38 管理者 39 電波灯台 40 共通搬送波合成器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フィールド内に相互距離が互いに既知の
   複数個の電波灯台を設け、それらからの発射電波はすべ
   て糎波または粍波の同一周波数の搬送波をスペクトル拡
   散変調した電波を用い、各前記電波灯台は発信局識別ま
   たは有用情報のための符号信号を前記スペクトル拡散変
   調波に乗せて連続送信し、走行するロボット移動体の位
   置決めにあたっては、それに先立ち、走行するロボット
   移動体の出発点の位置を設定し、当該位置を設定された
   出発点と前記複数個の電波灯台のなかから選択された２
   つの電波灯台とのそれぞれの距離を前記搬送波の波数に
   換算して前記ロボット移動体が有する２つの積算器にそ
   れぞれ計数記憶させ、当該記憶させた２つの積算器の波
   数の差を位相差計数源点とし、以後ロボット移動体を移
   動させながら前記２つの電波灯台からの電波の波数を積
   算し、この積算値の差をとり、これを距離差に換算しそ
   の距離差を使って前記２つの電波灯台を焦点とする双曲
   線を求め、前記２つの電波灯台対以外の別の対について
   も別の双曲線を求め、前記双曲線と前記別の双曲線との
   交点をロボット移動体の現在の位置とするようにしたこ
   とを特徴とするロボット移動体の位置決め方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の方法において、前記同一
   周波数の搬送波を標準電波、テレビジョン電波またはグ
   ローバル・ボジショニング・システム電波の搬送波に同
   期させ、もしくは前記複数個の電波灯台のうちの１つま
   たは特にそのために設けた電波灯台から発射する電波の
   搬送波に他の電波灯台の電波の搬送波を同期させ、前記
   同一周波数の供給安定度を高めるようにしたことを特徴
   とするロボット移動体の位置決め方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の方法におい
   て、ロボット移動体が、前記複数個の電波灯台のすべて
   の位置、予め設定された走行するロボット移動体の前記
   出発点の位置および過去に通過した数個の点の軌跡を記
   憶し、現在の領域に応じて位置計算に最も適した電波灯
   台対を選択して前記双曲線を作成し、領域の変遷と共に
   次に用意した電波灯台対に順次切替えながらロボット移
   動体の位置を決めていくようにしたことを特徴とするロ
   ボット移動体の位置決め方法。
4. 【請求項４】 請求項３記載の方法において、前記過去
   に通過した数個の点に基づき次の位置領域を予測し、２
   つの前記双曲線の交点から求めるロボット移動体の次の
   位置が前記予測した領域から大幅に逸脱した時は、電波
   灯台からの電波の波数の積算およびロボット移動体の走
   行を一時中断するようにしたことを特徴とするロボット
   移動体の位置決め方法。
5. 【請求項５】 請求項１から４いずれかに記載の方法に
   おいて、前記ロボット移動体の移動状態を示す管理情報
   を符号信号とし、前記複数個の電波灯台の発射電波と同
   様のスペクトル拡散変調信号としてロボット側から送信
   し、ロボット移動体の移動の管理用情報とするようにし
   たことを特徴とするロボット移動体の位置決め方法。