JPH0726853B2

JPH0726853B2 - 無人車の位置検出装置

Info

Publication number: JPH0726853B2
Application number: JP62323368A
Authority: JP
Inventors: 充孝堀; 潤一下村; 昌克野村
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1987-12-21
Filing date: 1987-12-21
Publication date: 1995-03-29
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPH01163610A

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野本発明は、無人車の位置検出装置に係り、特に無人車の
走行位置および走行速度を検出する無人車の位置検出装
置に関する。

B.発明の概要本発明は、無人車の車体に検出器を設け、該検出器の検
出信号をもとに種々の走行状態を検出する無人車の位置
検出装置において、前記検出器の一部として、コリメートレンズとシリンダ
ーレンズからなる光学系を用い、該検出器の検出信号を
１次元のフィルタ手段で処理し、その出力から車体の２
次元の位置，速度，進行方向を検出することにより、検出精度に高い無人車の位置検出装置を得るものであ
る。

C.従来の技術従来、無人搬送車などの無人走行車の自動運転にあたっ
て、走行路上に電磁誘導線や光学式反射テープを布設し
て走行ガイドを形成する方式や、車軸，計測輪にエンコ
ーダやタコジェネレータを取り付けて、車輪の回転に応
じたパルス又はアナログ電圧から無人車の速度，移動距
離を計測する方式がある。

D.発明が解決しようとする問題点従来の種々な位置検出装置においては、路面に誘導線や
反射テープ等を布設する走行路の加工を必要とし、その
加工作業が面倒であると共に、路面の凹凸，外力等によ
る車輪のスリップや車輪の摩粍により精度良い計測が出
来なかった。

E.問題点を解決するための手段本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、車体
の底面部に配設され走行路面のパターンを撮取する光学
系と、該光学系により撮取した映像パターンを所定の周
期でサンプリングして映像パターン信号を得る映像検出
部と、該映像検出部の映像パターン信号と予め設定され
た三角関数設定信号を乗算し、該乗算信号を積分演算し
て三角関数パターン信号を得るフィルタ手段と、該フィ
ルタ手段の三角関数パターン信号をもとに乗算加算処理
して前記車体の移動距離信号を算出する演算処理部によ
って無人車の位置，速度，方向を検出する。

F.実施例以下に本発明の実施例を図面によって説明する。第１図
は本発明の実施例に係る無人車の位置検出装置のブロッ
ク図であって、10は無人車の車体、12は走行車輪、20A
は車体10の底面部11において無人車の進行軸心（Ｘ軸）
に関して底面部11の一方の側端部（Ｙ軸上）に配設され
た第１の光学系、20Bは第１の光学系20Aから所定距離Ｄ
を置いて底面部11の他方の側端部（Ｙ軸上）に配設され
た第２の光学系である。30Aは第１の光学系20Aの映像信
号を入力とする第１の映像検出部、40Aは第１の映像検
出部30Aの映像検出信号を入力とする第１の空間フィル
タ、50Aは第１の演算処理部で、第１の空間フィルタ40A
のフィルタ出力信号をもとに演算処理して無人車の移動
距離，速度および現在位置を算出する。これらの第１の
光学系20A,第１の映像検出部30A,第１の空間フィルタ40
Aおよび第１の演算処理部50Aによって第１の検出処理部
60Aが構成される。同じく、20Bは第２の光学系、30Bは
第２の映像検出部、40Bは第２の空間フィルタ、50Bは第
２の演算処理部であって、これらにより第２の検出部処
理60Bが構成される。

第１の検出処理部60Aと第２の検出処理部60Bは、第２図
に示すように同じ構成要素によって構成されている。す
なわち、第２図に示すように、第1,第２の映像検出部30
A,30Bはラインセンサ31,読出回路32およびアナログ／デ
ィジタル変換器（A/D変換器）33によって構成されてい
る。第1,第２の空間フィルタ40A,40Bは掛算部41a,41b,
パターン設定部42a,42b,積分演算部43a,43bによって構
成されている。

第1,第２の演算処理部50A,50Bはローパスフィルタ51a,5
1b,三角関数演算部52,位相演算部53,和算部54,掛算部5
5,微分演算部56および回転軌跡演算部（ｍ演算部）70に
よって構成されている。ｍ演算部70は、第３図に示しよ
うに、正弦波信号演算部71a,71b,掛算部72a,9b,前回値
保持部であるデータ保持部73a〜73c,和算部74a,74bによ
って構成されている。

第５図は第1,第２の光学系20A,20Bの具体的な構成例を
示すもので、第５図において、21は路面80からの反射光
を受光するシリンダーレンズ、22はコリメートレンズで
ある。光学系20A,20Bは、円筒レンズを用いることによ
り、ラインセンサ31と平行な車体10の進行方向に対して
は結像するように、進行方向と垂直な方向に対してはラ
インセンサ31が焦点距離になるように構成されている。
また、第６図は光学系の他の例を示すもので、路面80の
反射光をコリメートレンズ22でシリンダーレンズ23に集
束するものである。

すなわち、第５図は本発明の第１実施例による光学系の
構成を示し、車体10の底面部11に、路面80に対向するよ
うにシリンダーレンズ21を配置し、このシリンダーレン
ズ21と光軸を同一にしてコリメートレンズ22を配置して
光学系を構成する。第５図の光学系によれば、路面80か
らそのパターンに応じた反射光がシリンダーレンズ21に
入光する。シリンダーレンズ21は反射光をラインセンサ
31と平行な車体の進行方向に対してはコリメートレンズ
22を通してラインセンサ31上に結像させ、垂直な方向に
対してはコリメートレンズ22を通してラインセンサ31の
検出全面を照射させる。

第６図は本発明の第２実施例による光学系の構成を示す
もので、路面80に対向するようにコリメートレンズ22を
配置し、このコリメートレンズ22と同一の光軸上にシリ
ンダーレンズ24を配置して光学系を構成する。第６図の
光学系によれば、路面80のパターンに対応した反射光が
コリメートレンズ22に入光する。コリメートレンズ22は
シリンダーレンズ24に集光し、該シリンダーレンズ24が
ラインセンサ31と平行な進行方向に対してはラインセン
サ31上に結像させ、垂直な方向に対してはラインセンサ
31上に集束させる。

次に、上記構成の位置検出装置の動作について説明す
る。

光学系20A,20Bは第５図，第６図に示すように、シリン
ダーレンズ21,24によってラインセンサ31と平行な方向
については該ラインセンサ31上に結像し、垂直な方向に
対してはラインセンサ31が焦点になるようにレンズ系が
構成されている。すなわち、ラインセンサ31は、多数の
光電変換素子を車体進行方向に連続的に結合したもの
で、照射面の照射分布を各素子により検知し、各素子が
変換した電気的出力を第1,第２の映像検出部30A,30Bへ
送出する。まず照明によって路面上に光を照射して照射
面を形成する。照射面には、路面の凹凸によって照度の
不均一なムラ模様ができ、この照度分布がレンズを通し
てラインセンサ上に投影される。レンズは長さＰ、幅Ｗ
の光を集光するように構成されている。ラインセンサに
は、ムラ模様が投影されて、これを構成する各光電変換
素子が照度の強弱に応じた電気的出力を空間フィルタへ
送出する。以上の動作を一定の短時間ΔＴごとに断続し
て行うと、その時間の前後の照度分布の移動量ΔＰが求
められる。

光学系20A,20Bの映像信号はそれぞれ第1,第２の映像検
出部30A,30Bで検出され、第1,第２の空間フィルタ40A,4
0Bに入力される。空間フィルタ40A,40Bは路面の光学的
にランダムばパターンから特定の空間的な周波数成分を
検出し、その時間的な挙動を調べることにより路面との
相対的な車体の位置と速度を計測する。

ラインセンサ31からの出力は読出回路32を通過した後、
空間フィルタ40A（40B）に入力されることになる。空間
フィルタ40A（40B）は、光学的にランダムな周波数から
構成される反射光から、任意の周波数成分を抽出し、そ
の時系列的な変化から、位相空間において移動距離に対
応するベクトルを求めるものである。即ち、読出回路32
を通過した信号Ｐは、A/D変換器33でデジタル信号に変
換されるが、フーリエ級数に展開すると次の様になる。

但し、x₀は時刻ｔにおける車輌の位置、ｘは読出回路から読み出されるラインセンサ内の位置で
あり、x₀を基準とする、ｋ＝２π/L,i＝0,1,2…，Ｌはラインセンサの測定範囲である。

そして、フーリエ計数A_i(x₀)，B_i(x₀)は次式で示され
る。

このような信号Ｐにそれぞれ空間フィルタとして、下式
に示す特定周波数の余弦波，正弦波S₁，S₂を乗算し、所
定範囲で積分する。

S₁＝Ｆ・cos（ｎ・ｋ・ｘ） …（４） S₂＝Ｆ・sin（ｎ・ｋ・ｘ） …（５）ここで、ラインセンサからの出力Ｐは、路面や環境等の
条件が一定の反射光によるものであれば、あるｎ次の成
分については３角関数的に連続して変化するはずであ
り、例えば下式で示されることになる。

P_n（ΔＬ）＝Ｇ・sin（ｎ・ｋ・ΔＬ＋φ） …（８）従って、ｎ次のフーリエ係数A_n，B_nは次の様に求められ
る。

同様にして B_n(x₀)＝Ｇ・cos（nkx₀＋φ） …（10）（９）（10）式を上記（６）（７）式に代入して整理す
ると次式となる。

a(x₀)＝（FL/2）・Gcos（nkx₀＋φ） …（11） b(x₀)＝（FL/2）・Gsin（nkx₀＋φ） …（12）このようにして得られるa(x₀)，b(x₀)は、三角関数に振
動するものであり、その後移動距離演算部へ入力され
る。

ここで、移動距離演算部は、a(x₀)，b(x₀)を２次元の座
標とするベクトルＡの第４図を示す位相平面上での原点
を中心とする回転角ρを求める。即ち、第４図に示すよ
うにa(x₀)，b(x₀)を２次元の座標とするベクトルＡは、
移動距離x₀に比例した回転角nkx₀で回転する。次の関係
式が成り立つ。

nkx₀＋φ＝２πｍ＋ρ …（13）但し、ｍは原点を中心とした回転数、 ρ＝arctan（ｂ（x₀）/a（x₀））、（０≦ρ≦２π） φは初期値つまりρ_t=0である。

従って、（13）式を変形すれば、求めようとする移動距
離x₀が次式で示される。

x₀＝ｍ・ｐ＋（ρ−φ）p/2π …（14）概略的には、第２図に示すように、路面80のパターンを
光学系20A（20B）を介して映像検出部30A（30B）によっ
て検出し、その出力を空間フィルタ40A（40B）に入力す
る。空間フィルタにおいては入力値と、予め計算し、予
め設定して置いた設定パターンを用いて積和演算を行
う。ここでは、正弦波パターンを用いている。設定パタ
ーンは、映像検出部30A（30B）のラインセンサ31の素子
数とピッチで決まる周期分のデータを持っている。空間
フィルタの出力を演算処理部50A（50B）で演算処理して
車の移動距離を算出し、この移動距離を時間で微分して
速度を求める。

さらに詳しくは、第２図に示すように、路面80の映像信
号を光学系20A（20B）を介して映像検出部30A（30B）に
入力する。映像検出部30A（（30B）においてはラインセ
ンサ31がその映像を検出し、その映像検出信号を読出回
路32が読み出し、その映像検出信号をA/D変換して空間
フィルタ40A（40B）に入力する。空間フィルタ40A（40
B）においては、掛算部41aで映像検出部30A（30B）から
の映像検出信号とパターン設定部42aの正弦波パターン
設定信号を掛け合わせると共に、掛算部41bで映像検出
信号とパターン設定部42bの余弦波パターン設定信号を
掛け合わせる。さらに第１の掛算部41aの掛算信号を積
分演算部43aで積分しその積分信号ａを出力すると共
に、掛算部41bの掛算信号を第２の積分演算部43bで積分
し、その積分信号ｂを出力する。

演算処理部50A（50B）においては、積分信号をローパス
フィルタ51aに通して信号Saを得ると共に、積分信号S2
をローパスフィルタ51bに通して信号Sbを得る。信号Sa
とSbはそれぞれ三角関数演算部52と回転軌跡演算部（ｍ
演算部）70に入力される。三角関数演算部52は信号Saと
Sbをもとに演算し、出力ρ＝arctan（Sb/Sa）を算出す
る。位相演算部53は入力ρと初期位相φをもとに（ρ−
φ）/2πを算出する。

ｍ演算部70では、第３図に示す如く、信号Saが正弦波信
号演算部71aを通して掛算部72aとデータ保持部73aに導
かれ、信号Sbは正弦波信号演算部71bを通して和算部74b
とデータ保持部73bに導かれる。掛算部72bはデータ保持
部73aからの前回のサンプリング値と現在のサンプリン
グ値を乗算する。和算部74bは現在のサンプリング値と
データ保持部73bの前回のサンプリング値を和算する。
掛算部72bは掛算部72aの乗算値と和算部74bの和算値と
を乗算し、和算部74aは掛算部72bの現在の乗算値とデー
タ保持部73cによる前回値を加算してｍ信号を出力す
る。

さらに演算処理部50A（50B）においては、第２図に示す
如く、和算部54がｍ演算部70のｍ信号と位相演算部53の
位相信号を和算し、この和算部54の加算値と空間フィル
タのピッチ（周期）Ｐを掛け算して移動距離を算出する
と共に、この移動距離信号を微分演算部56に入力して速
度を算出する。

第１図に示すように、車体10の底面部11の中心点をＡ
（x,y）とし、車が矢印方向に走行しているとき、車が
Ｘ−Ｙ平面上でＸ軸に対しθの角度で移動しているとす
る。ここで、１サンプリングによる第1,第２の検出処理
部60A,60Bの出力がΔr,Δｌ（位置）変化したとする
と、車体10の進行方向変化Δθは、サンプリング周期が
短いとして、 Δθ≒（ｌ−ｒ）/D ……（15）となり、車体10の現在の角度θｎは θｎ＝θ_n+1＋Δθ ……（16）となる。ここでθ_n+1は前回のサンプリング時の角度で
ある。この間、平均的にで移動したものとして、次式（17），（18）からＡ点の
位置で（x_n，y_n）を求めることができる。

ここで、ｎが今回,n−１は前回座標である。従って、
（15）〜（18）式を演算して車の位置（x,y）と向きθ
を求める。

空間フィルタの２出力は、第４図に示すように、位相平
面上を車の動きに従って回転する。それ故、走行距離は
次式によって演出される。

X₀＝（２πｍ＋ρ−P/nK＝ｍ×Ｐ＋（ρ−φ）/2πＰ…
（19）但し、ｍは原点を中心にした軌跡の回転数（反時計方向
を正とする）、X₀は移動距離、Ｐは空間フィルタのピッ
チ（周期），ρ＝arctan（Sb/Sa）,0≦ρ＜２π,P＝ρ_t
＝０（初期値）である。

第７図，第８図は上述の動作フローを示すもので、第７
図は空間フィルタ40A（40B）の演算フロー、第８図は演
算処理部50A（50B）の演算フローである。

第７図に示すように、ステップS1でラインセンサ（CC
D）の出力をA/D変換して空間フィルタに入力する。空間
フィルタにおいては、ステップS2に示す如く、窓関数デ
ータ１として正弦波（sin）パターンを読み込み、この
正弦波パターンとCCD出力の積和演算を実行する（ステ
ップS3）。次に、ステップS4に示すように、窓関数デー
タ２として余弦波（cos）パターンを読み込み、この余
弦波パターンとCCD出力の積和演算を行う（ステップS
5）。そして、ステップS6に示すように、ステップS1〜S
5の動作をCCDの素子数例えば2048回繰り返す。

第８図に示すように、演算処理部においては空間フィル
タの出力信号ａとｂをそれぞれ１次元のローパスフィル
タに通し（ステップS7,S8）、ステップS9に示す如く、
位相平面上軌跡が第一象現と第四象現の間を移る回数
を、第四象現から第一象現に移る方向を正として、数え
てｍ演算を実行する。次に、ステップS10に示すよう
に、ρ＝arctan（Sb/Sa）を０≦ρ＜２πの範囲で計算
して位相演算を実行し、ステップS11に示すように、ｍ
・Ｐ＋（ρ−Ｐ）/2π・Ｐを算出して距離演算を実行す
ると共に、ステップS12に示すように距離を微分して速
度演算を実行する。

第９図は本発明の他の実施例を示し、演算処理部として
マイクロコンピュータ90を用いたものである。マイクロ
コンピュータ90は中央処理部（CPU）91,ランダムアクセ
スメモリ92およびリードオンリメモリ（ROM）93によっ
て構成されている。前述のように路面のパターンを光学
系を介してCCDによって検出し、その出力をA/D変換器を
通してマイクロコンピュータ90に入力し、その値と、予
め計算してROM93に格納しておいた設定パターンをもと
に、前述の如き演算処理を実行する。

G.発明の効果本発明は、以上の如く、車体に光学系センサを設け、該
光学系センサの検出信号を１次元のフィルタ手段で処理
し、その出力から車体の２次元の位置，速度，進行方向
を検出すると共に、コリメートレンズとシリンダーレン
ズを用いたレンズ系を通して走行路面のパターンを検出
するようにしたから、誘導線，反射テープ等の走行路の
加工が不要にして、非接触で計測することができ、路面
の凹凸や外力等によるスリップや車輪の摩粍の影響を受
けず精度良い位置，速度の計測が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による位置検出装置のブロック線図、第
２図は本発明の実施例による検出処理部の詳細を示すブ
ロック図、第３図は回転軌跡演算部のブロック図、第４
図は回転軌跡演算部の回転軌跡図、第５図および第６図
はそれぞれ光学系の構成図、第７図は空間フィルタの演
算フロー図、第８図は演算処理部の演算フロー図、第９
図は検出処理部の他の実施例を示すブロック図である。 10…車体、11…車体の底面部、20A…第１の光学系、20B
…第２の光学系、30A…第１の映像検出部、30B…第２の
映像検出部、40A…第１の空間フィルタ、40B…第２の空
間フィルタ、50A…第１の演算処理部、50B…第２の演算
処理部、60A…第１の検出処理部、60B…第２の検出処理
部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】車体の底面部に配設され走行路面のパター
ンを撮取する光学系と、該光学系により撮取した検出す
る検出素子を備えこのセンサにより検出した映像パター
ンを所定の周期でサンプリングして映像パターン信号を
得る映像検出部と、該映像検出部の映像パターン信号と
予め設定された三角関数設定信号を乗算し、該乗算信号
を積分演算して三角関数パターン信号を得るフィルタ手
段と、該フィルタ手段の三角関数パターン信号をもとに
乗算加算処理して前記車体の移動距離信号を算出する演
算処理部とによって検出処理部を形成し、前記光学系
を、前記路面のパターンに対応する反射光を車体の進行
方向に対しては前記映像検出部の検出素子上に結象さ
せ、前記進行と垂直な方向に対しては該検出素子の検出
面上が焦点距離になるように配置してなる光学系によっ
て構成したことを特徴とする無人車の位置検出装置。