JPS6132690B2

JPS6132690B2 -

Info

Publication number: JPS6132690B2
Application number: JP52056083A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Nakamura
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1977-05-16
Filing date: 1977-05-16
Publication date: 1986-07-29
Also published as: JPS53141879A

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 発明の目的［産業上の利用分野］この発明は自動車その他の移動体であつて、床
面上を舵取りによつて進行方向を制御しながら走
行する移動体の移動方向の制御方法に関するもの
である。

［従来の技術］近来、自動車その他の移動体の舵取りを無人化
し、所望の軌道に沿つて自動的に走行させること
が望まれており、各種の技術が知られている。例
えば、自動車の目標軌道に沿つて誘導用ケーブル
を敷設しておき、ケーブルより発生する磁界を検
出して、コースずれを測定して移動方向を修正す
る技術が存在する。

［発明が解決しようとする問題点］しかし、これによれば目標軌道の変更がある場
合にはケーブルを敷設し直す必要があり、柔軟性
に欠けるという欠点がある。また、例えば三本の
周波数の異なる水銀灯を燈台として設置してお
き、移動体上で回転する受光素子によつて各々の
燈台の光を検出するとともに、周波数によつて識
別して、各々の燈台の光を検出したときの受光素
子の回転角から三角測量の原理で移動体の位置と
方向を求める技術もある。しかし、これによれ
ば、大掛かりな装置が必要であり、また燈台の位
置を容易に移動して変更することも困難である。
更に容易に考えられる方法として、数式モデルを
用い車輪の回転数から位置と方向を計算すること
が考えられる。しかし、これによれば、装置は簡
単であるが、誤差が大きく、また誤差が累積する
ことが短所である。

本発明は上記欠点を鑑みながら、比較的簡単な
装置によつて移動体の２次元走行を容易に制御し
得る方法を提供することを目的とするものであ
る。本発明において必要とする装置は、外部標
識、テレビカメラ、標識像検出回路及びコンピユ
ータに過ぎない。

(ロ) 発明の構成［問題を解決するための手段］以下、この発明を図面について説明する。

第１図において、１は移動体であつて目標軌道
４に従つて床面上を走行させようとするものであ
る。

移動体１にはテレビカメラ２が取つけられてお
り、また床面に標識３が配置されている。但し標
識３は白色で背景は黒とする。

本発明によつて移動体１の移動方向の制御をす
るためには、まず、移動体は定められた時刻に標
識３をテレビカメラ２によつて撮像し、標識像検
出回路及びコンピユータを用いて、移動体１の移
動方向５と標識３に向う方向とのなす角度θを測
定する。次にその角度に基づいて移動体の軌道の
推定計算を行ない、目標軌道４に従わせる方向制
御をする。

第４図には本発明の実施例のブロツク図であ
り、標識像検出回路３０並びにコンピユータ４０
を備えている。

標識像検出回路３０は同期信号取出回路１１、
カウンタ１４、アンドゲート１５、発振器１６、
輝点パルス取出回路１７、フリツプフロツプ１
８、カウンタ１９を備えている。

なお、コンピユータ４０は通常の市販のコンピ
ユータによつて実現できるので、説明を要しな
い。

［作用］この発明は原理的には、走行しながら角度θを
繰り返し測定し、その測定角度によつて、目標軌
道４からのずれを推定計算し、目標軌道４に戻る
ように操舵を行い、結果的に目標軌道４に従つて
走行させるものである。

この原理によつて移動体１を目標軌道４に従つ
て走行させることができるためには、移動体１の
走行距離と移動方向５の時々刻々のおよその値を
決定する数式モデルが存在することが前提とな
る。このような数式モデルを得る方法としては既
存技術の例として冒頭に述べたような、車輪の回
転数を用いる方法がある。

数式モデルが存在すれば、移動体１の出発点の
位置と方向が分つていれば、その後の位置と方向
は次式を用いて求めることができる。

ｘ＝∫cosαds＋x₀ ｙ＝∫sinαds＋y₀ ……(1) α＝∫ｄα＋α_０但し、床面上にＸ、Ｙ軸を設定し、移動体１の
座標をｘ、ｙ、移動距離をｓ、移動方向５とＸ軸
との間の角度をαとし、x₀、y₀、α_０は出発点に
おけるｘ、ｙ、αの値とする。

数式モデルは実際の走行の近似軌道を与えるの
で、走行距離に従い誤差が累積する。本発明の方
法では、標識３を繰り返し観測して誤差の修正を
行うものである。

移動体１の位置と方向を（ｘ、ｙ、α）で表す
ものとする。また標識３の座標を（ｘ_r、ｙ_r）と
すれば、（ｘ、ｙ、α）と角度θとは次の関係式
で表すことができる。

（ｙ_r−ｙ）／（ｘ_r−ｘ）＝tan（α−θ） ……(2) 標識の座標（ｘ_r、ｙ_r）は予めコンピユータ４
０に記憶させておく。また角度θは後述のテレビ
走査線上の標識像の水平位置から測定する。

時刻t₁において移動体は（x₁、y₁、α_１）にあ
り、角度θの測定角度をθ_１であるとすれば、
（x₁、y₁、α_１）とθ_１との間に(2)式の関係式が
成立する。時刻t₁の後、時刻t₂における移動体１
の位置と方向を（x₂、y₂、α_２）とし、角度θの
測定角度をθ_２とすれば、（x₂、y₂、α_２）とθ
_２との間に(2)式の関係式が成立する。更に時刻t₂
の後、時刻t₃における移動体１の位置と方向を
（x₃、y₃、α_３）とし、角度θの測定角度をθ_３
とすれば、（x₃、y₃、α_３）とθ_３との間に(2)式
の関係式が成立する。そこで数式モデルによつて
（x₁、y₁、α_１）と（x₂、y₂、α_２）との間に(1)
式の関係式が成立し、また（x₂、y₂、α_２）と
（x₃、y₃、α_３）との間にも(1)式の関係式が成立
する。結局のところ未知の変数はx₁、x₂、x₃、
y₁、y₂、y₃、α_１、α_２、α_３の合計９個であ
り、上記に示したように関係式もまた９個であ
り、解くことができる。数式モデルの性質上、t₁
からt₃までの走行距離が短い場合には誤差の少な
い関係式が得られる。

このようにして角度θの測定により移動体の実
際の軌道の推定計算がなされる。

次にこのようにして時刻t₂における位置と方向
（x₃、y₃、α_３）が定まると、計算により目標軌
道４からのずれに従つて操舵角が決定される。な
お操舵角の決定方法としては従来のケーブルを用
いた誘導技術を適用することができるので説明を
省く。こうして移動体の方向制御ができる。

この発明の方法では、走行しながら前記９個の
関係式を解くこととなる。９個の関係式は複雑で
あるため、より簡便な方法としては、移動体１は
目標軌道４近くを走行していることを前提とし
て、９個の関係式を線形化する方法をとることが
できる。

つまり、目標軌道４の時刻t₁，t₂，t₃における
目標位置と目標方向を（ｘ_1G、ｙ_1G、α_1G）、（ｘ₂
_Ｇ、ｙ_2G、α_2G）、（ｘ_3G、ｙ_3G、α_3G）とし、また
これらを(2)式に代入して得られる角度θの値を目
標角度θ_1G，θ_2G，θ_3Gとする。ｉ＝１、２、３
（ｉは時刻の順位である）に対して、（ｘ_iG、ｙ_i
_Ｇ、α_iGは（ｘ_i、ｙ_i、α_i）に近い値をとると仮
定すれば、(1)式のテーラー展開により次の近似が
得られる。ｊ＝１、２（ｊは時刻の順位である）
に対して、ｘ_j+1−ｘ_j+1G ＝ａ_j＋ｂ_j・（α_j−α_jG）＋（ｘ_j−ｘ_jG）ｙ_j+1−ｙ_j+1G ＝Ｃ_j＋ｄ_j・（α_j−α_jG）＋（ｙ_j−ｙ_jG） α_j+1−α_j+1G ＝ｅ_j＋（α_j−α_jG） ……(3) また(2)式は次の近似式となる。

ｙ_i−ｙ_iG ＝ｆ_i・（ｘ_i−ｘ_iG）＋ｇ_i・｛（α_i−α_iG） −（θ_i−θ_iG）｝ ……(4) ただし、ａ_j、ｂ_j、ｃ_j、ｄ_j、ｅ_j、ｆ_i、ｇ_iは
テーラー展開における係数で目標位置と目標方向
及び数式モデルによつて定まる。

(3)及び(4)式は、ｘ_i、ｙ_i、α_iに対して１次方程
式であり容易に解くことができる。この場合には
１次方程式の係数と目標角度θ_Gを予め計算して
コンピユータ４０に記憶しておき、簡単な計算に
よつて目標軌道４からのずれを求めることができ
る。

なお、このような目標軌道４からのずれの推定
計算は、自動車などの走行する移動体においては
実例がない。しかし、ロケツトの誘導において
は、類似は推定計算を行つており、ロケツトの推
定計算方法を、本発明で示した原理に従つて導入
することも可能である。

次に以上述べた原理を実現するための第４図に
ついて動作を説明する。

角度θの測定はテレビカメラ２からのビデオ信
号を用いて、水平同期信号から標識像が現れるま
での時間の計測して、第２図に示すモニタテレビ
７上の標識像８の走査線９における水平位置Ｈに
比例する量を測定することができる。テレビカメ
ラ２が常に移動方向５に向いているとすれば、角
度θはＨと次の逆正接関係にあるので、求めるこ
とができる。

θ＝ｍ tan^-1（Ｈ／Ｌ） ……(5) 但し、Ｌ及びｍは光学系によつて定まる定数で
ある。またテレビカメラ２の照準を標識３に合わ
せるためにテレビカメラ２を回転可能とする必要
性が生じる場合もある。

このときにはテレビカメラ２の回転角φをエン
コーダ等により測定し、角度θは(5)式に代る次式
を用いて求める。

θ＝ｍ tan^-1（Ｈ／Ｌ）＋φ ……(6) 角度θの測定においてはテレビカメラ２と標識
３との距との距離に応じてテレビカメラ２の焦点
合わせをすることも必要となる。更に、テレビカ
メラ２によつて得る標式像８は移動体の走行によ
つてぼけを生じることも考えられ、場合によつて
は、テレビカメラ２にシヤツター機構を取付ける
か、テレビカメラ２を回転可能として、標識像８
がモニタテレビ７上で静止するような速度でテレ
ビカメラ２を回転させることも必要となる。

これまでは第１図に示すスタンド型の標識３に
ついて説明してきたが、第３図のような床面上の
白線を標識３′としてもよい。この場合は本発明
の特殊形態であり、数式モデルを必要とせず単に
角度θが雰となるように制御しさえすればよい。
この形態では、テレビウメラ２は移動体１の一定
距離の前方向を観測するように下向きに取付ける
こととなる。このように、本発明はテレビカメラ
の取付方法、標識３の形態を工夫することによ
り、極めて広範囲の応用に利用できるものであ
る。

次に第４図及び第５図にを参照して説明すれ
ば、標識像検出回路３０は、テレビカメラ２のビ
デオ信号を入力とする。標識像検出回路３０にお
ける同期信号取出回路１１は垂直同期信号１２と
水平同期信号１３を出力する。垂直同期信号１２
はカウンタ１４をリセツトする。水平同期信号１
３はカウンタ１４に入力され、カウンタ１４は走
査線の本数を計数する。カウンタ１４は予め指定
した走査線９に達すると、内蔵する判定回路によ
り論理１を出力するとともにカウンタ１４の計数
を停止する。カウンタ１４の出力はアンドゲート
１５に入力される。またカウンタ１４の前記論理
１の出力の立上りでカウンタ１９をリセツトする
とともに、フリツプフロツプ１８をセツトする。

カウンタ１９は標識像８のモニタテレビ７上で
の水平位置Ｈ（第２図）を測定するもので、アン
ドゲート１５がフリツプフロツプ１８の出力及び
カウンタ１４の出力によつて既に開かれているの
で、発振器１６のクロツク信号がカウンタ１９に
入力され、クロツク数を計数する。輝点パルス取
出回路１７は走行線９において標識像８が映し出
されるとき映像信号が閾値を超えて論理１を出し
フリツプフロツプ１８をリセツトする。このと
き、カウンタ１９の計数は停止し、カウンタ１９
の内容は水平位置Ｈに対応する値となりコンピユ
ータ４０に出力される。

コンピユータ４０では次のステツプで処理をす
る。

（ステツプ１）水平位置Ｈに基づいて(5)式また
は(6)式に従い角度θを求める。

（ステツプ２）現時刻をt₃とおき、測定角度θ
をθ_３とおく。測定角度をθ_３と目標角度θ_3Gと
の差の計算し、(4)式に代入する。θ_１，θ_２は既
に測定済みであるので、その値を用いて(3)及び(4)
式を解き（x₃、y₃、α_３）を求める。

（ステツプ３）（x₃、y₃、α_３）に基づいて目
標軌道４に復帰するような操舵角を定める。

（ステツプ４）次の角度θの測定までの時間を
利用して、(3)(4)式の係数の計算をする。測定時刻
が来たらステツプ１に戻る。

コンピユータ４０によつて決定された操舵角は
増幅器２０を通して舵取り機構２１を駆動する。
更に、舵取り機構２１による移動体１の位置変位
はテレビカメラ２にフイードバツクされる。

標識像検出回路３０を正常に動作させるために
条件の最も激しい部分は輝点パルス取出回路１７
である。標識像８の輝度は入射光の具合、移動体
１と標識３との距離、標識の向きによつて微妙に
変化するため、論理１を出力するための輝度の閾
値の選定は慎重にすべきである。正常に動作させ
るための簡便な方法には標識として光源を用いる
方法がある。

また、コンピユータ４０による推定計算では
（ステツプ４）における係数の計算の負担が大で
あるコンピユータの処理速度の関係から実時間計
算が困難な場合には、目標軌道４に沿つて目標点
を多数設けておき、各点における(4)式のｆ_i、ｇ_i
を予め計算しておくことにより計算量を軽減する
こともできる。ａ_j、ｂ_j、ｃ_j、ｄ_j、ｅ_jは数式モ
デルにも依存するので、操舵角、アクセルの状態
に対する移動軌跡を実験により定めておけば、走
行時の計算量を軽減することができる。

このように推定計算法を工夫することにより小
規模なコンピユータによつても本発明を実行する
ことができる。

(ハ) 発明の効果このように、この発明の移動方向制御方法にお
いては、角度θに相当する一次元情報を得るだけ
で移動体の現在位置等を高精度かつ高速に測定若
しくは推定し、単純なフイードバツクによつて二
次元移動を自動的に制御することができる。必要
な機器はテレビカメラ、並びに標識像検出回路、
コンピユータだけであつて、大掛かりな装置も必
要としない。

また、移動体の目標軌道の変更がある場合も、
コンピユータに記憶してある目標値を変更するだ
けでよく、ケーブルの敷設のし直しを必要としな
い。また、本発明では定められた時刻にテレビカ
メラによつて標識を撮像し、目標軌道とのずれを
時々刻々修正するので、誤差が累積することもな
く、正確な移動方向の制御をすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は移動体と標識の位置関係を示す説明
図、第２図はモニタテレビ上の標識の映像を示す
説明図、第３図は標識の他の形態を示す説明図、
第４図はこの発明の方法の実施例を示すブロツク
図、及び第５図は第４図に示す回路のタイムチヤ
ートである。１……移動体、２……テレビカメラ、３，３′
……標識、７……モニタテレビ、２１……舵取り
機構、３０……標識像検出回路、４０……コンピ
ユータ。

Claims

【特許請求の範囲】

１床面上を走行する移動体にテレビカメラを取
付け、前記床面に設置した標識を前記テレビカメ
ラで撮像して得るビデオ信号から標識像検出回路
により前記標識像のテレビ走査線における水平位
置を得て、前記水平位置からコンピユータにより
前記移動体の移動方向と前記移動体から前記標識
に向う方向と間の角度を導出し、前記角度から、
前記移動体の数式モデルを用いて実際の軌道を推
定計算し、前記目標軌道に従つて前記移動体が走
行するように移動方向を制御することを特徴とす
る移動体の移動方向制御方法。