JPS6212810A - 計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、無人搬送車などの位置・方位角計測を必要と
するものに係り、特に自律的に走行する走行ロボットな
どに好適な位置、方位角計測装置に関する。

〔発明の背景〕

従来の装置は、実開昭５８−１８３５１１号、特開゛昭
５８−１６６４０６号および特開昭５７−４８１１０号
の記載つように、無人走行車の位置・方位角の高精度の
計測手段については配慮されていなかっ　　　□た。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、平面内を自律的に走行する走行ロボッ
トの自己位置・方位角を計測するために角速度センサや
ヨー軸の角速度を出力するレートジャイロとロータリエ
ンコーダを搭載し、外乱の影響を除失し、精度良く位置
・方位角を計測する装置を提供することｆある。

〔発明の概要〕

以下、上記した装置の概要について述べる。

一般に平面内を自律的に走行する走行ロボットは、精度
良く目的地へ移動するとか操舵のため自己位置および方
位角を計測し認識する必要がある。そのためにレートジ
ャイロやロータリエンコーダを搭載し構成する。

自走ロボットの位置は、車輪軸に直接取付けたロータリ
エンコーダより車輪の回転パルスを計測し、車輪径とに
より左右の車輪の移動変化量より求める。

方位角は、レートジャイロの角速度信号を時間積分して
得る。

レートジャイロなどは、走行駆動用モータなどの機械振
動の影響を受は易い。又レートジャイロも、例えば振動
型の角速度センサは素子を振動させるため、電気振動成
分が出力信号に生じる。

したがって方位角を精度良く計測するにはこれらの振動
を除去する必要がある。そのためにローノ）スフイルタ
（以下ＬＰＦと略す）を設け、高周波成分をカットし、
機械的には防振装置を用いた。

又レートジャイロは、外気温の影響を受は易いため恒温
室内に設置した。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図を用いて説明する。第１図
は、本発明の自走ロボットのシステムブロック図で、第
２図は、上記ロボットの概略構造図である。第１図およ
び第２図において、１は中央制御装置でマイクロコンビ
ーータで構成している。２，１３は、走行駆動モータ用
ＶＯ回路で、３，１４がＤ／Ａ変換回路である。４．１
５が駆動モータ５，１６の回転を定速にするためのサー
ボ回路である。６，１７は、かさ歯車で％７゜１８が車
輪である。８，１９は車輪７，８の回転角を出力するロ
ータリエンコーダである。９．２０はロータリエンコー
ダの出力パルスをカウントスルパルスカウンタ回路であ
る。１０は自走ロボットの角速度を出力するレートジャ
イロである。

１１は、ＬＰＦ回路で、駆動モータからの振動やジャイ
ロ自身の振動を除去し、はぼ直流成分のみを通過させる
。１２はレートジャイロ１０の信号をデジタル−化する
〜の変換回路である。２１は車体で、２２．２３はキャ
スタである。２４．２５　ハモータ駆動回路で、Ｉ１０
回路とＤ／Ａ変換回路で構成している。２６はレートジ
ャイロ１０のインタフェース回路でＬＰＦ回路とＡ／Ｄ
変換回路で構成されている。２７は自走ロボットの電源
で、無線走行であれば電源は鉛蓄電池などを使用する。

以上が走行ロボットのシステム構成である。

次に自走ロボットの位置・方位角を求める方法について
簡単に述べる。第３図は・ロボットが移動した場合の座
標を示す。第３図においてＸ−Ｙ平面上を走行している
状−態である時刻から単位時間経過したときの座標と方
位角を示している。ある時刻の車輪間中心の座標な（Ｘ
ｌ−１ｍＹｉ−＋）、方位角をθｉ−１とし、単位時間
経過したときの座標な（Ｘｉ、　Ｙｉ　）、方位角θｉ
とする。また左車輪の単位時間の移動距離なΔｉ、ｅｉ
、右車輪の移動距離をＬｒｉ、左右の車輪間隔をＴとす
ると、単塩時間ｔにおけるロボットの変位角Δθｉ、お
よび移動距離ｌＬｉは、次式で表わされる。

移動距離　ルｉ、、　′Ｌｅｉ　＋　′Ｌｒｉ　　・・
・・・・・・・・・・（１）変位角　　Δθｉ＝Δω・
ｔ　　　　・・−・・・・・・・・（２）ここで角度θ
は、反時計方向を十とし、Δωは角速度である。

したがって単位時間経過した時の距離Ｌｉ、方、位負θ
ｉおよび座標（ｘｉ、Ｙｉ）は次式で表わされる。

距　　離　　Ｌｉ　　＝　Ｌｉ　　１　　＋ΔＬｉ　　
　　　・・・・・・・・・・・・（３）方位角　θｉ＝
θｉ−１＋ｊθｉ　　　・・・・・・・・・・・・（４
）よって上記の式において、左右の車輪の移動距離１Ｌ
ｅｉ、ΔＬｒｉは、ロータリエンコーダ８，１９の回転
パルス数と車輪径とにより求まり、角速度ｌωはレート
ジャイロより求まる。そして位置・方位角の精度を上げ
るには、それぞれのセンサの計測精度を向上させる必要
がある。

本発明は、レートジャイロの計測精度を向上させたもの
である。

前Ｋｇ単に述べたが、レートジャイロ１０は、走行用駆
動モータ５，１６などの外部の振動の影響を受は易い。

したがって振動を電気的に除去するため第１図に示した
ようｖｒＬＰＦ回路を設けた。

またＬＰＦ回路の具体的回路の一例を第４図に示した。

第４図は、オペアンプ２８を用いたアクティブローパス
フィルタ回路で、Ｒ，、ＦＬ！、　Ｒ１゜は固定抵抗、
１（４レフゲイン調整用半固定抵抗で、Ｃ，、Ｃ，はコ
ンデンサである。これらの値を選択することにより、第
５図に示す特性を得る。

すなわちカットオフ周波数を１０ｈ以下忙し、はぼ直流
成分のみを通す。自走ロボットの走行中の角速度信号は
、はぼ直流信号とみなせるためカットオフ周波数を低く
しても問題は生じない。

以上は、電気的に振動を除去した場合であるが振動のレ
ベルが大きいと電気的フィルタのみでは完全圧除去する
のは困難である。したがって機械的に振動を除去すれば
、すなわちレートジャイロを防振装置に取り付ければ振
動による影響は更になくなる。

防振装置としては、センサの一面だけに防振ゴムや緩衝
材を用い、設置固定する方法があるが、この方法は一軸
方向の振動の影響は軽減できるが、他の２油方向の振動
は軽減できない。

したがって３軸方向に防振効果のある装置が必要となる
。第６図に本発明の防振装置の一実施例の断面図を示す
。第６図の構成について、２９はレートジャイロ１０を
設置固定する金属の箱体で、３０は箱体２９より各寸法
がわずか大きい金属の箱体である。内側の箱体２９と外
側の箱体３０の周囲には間隙を設け、緩衝材３１を入れ
る。

レートジャイロ１０の電源および信号線３２は、防振ゴ
ム３４を用いた支持板３３を介して電源とＬＰＦ回路に
接続する。

レートジャイロ１０を固定した内側の箱体２９の重量は
大きくする。これは、ＦＣ力）＝ｍ（質量）×α（加速
度）の式で、αを振動の加速度とすると力Ｆが一定の時
質量ｍを大きくした方が振動の加速度αは小さくなるた
めである。

また緩衝材１５の代わりにバネで３軸方向から支持する
構造も同じでその時はバネ定数を小さくした方が振動絶
縁効果は大きい。

第６図の防振効果について述べる。

第７図は、レートジャイロ１０の出力信号の波形で、（
ａ）　５５は、レートジャイロを防振装置を用いないで
走行ロボットの車体２１に直かに取り付け、自走ロボッ
トを動作させない時の信号で、（ｂ）５６は、レートジ
ャイロ１０を車体２１に直かに取り付は自走ロボントの
角度変化の影響をなくすため車体２１を浮かし、走行用
駆動モータ５，１６を動作させた時の出力信号である。

又（ｃ１５７は、第６図の防振装置を搭載し、上記（ｂ
）と同じ動作させたときの出力信号である。

第７図において横軸は時間軸で、縦軸は電圧である。第
７図のレートジャイロの信号出力をみると、（ａ）５５
がｏ、１ｏＶ　　　、　（ｂ）３６がｔ　１ｓ　Ｖｐ−
ｐ　、　（Ｃ）−ｐ ３７が０．１８Ｖｐ　ｐであった。したがって第１５図
の防振装置の効果は約１６ｄＢ　であり、大幅な振動防
止効果を得た。

したがって上述したように、電気的および機械的に振動
を除去し、その影響をなくした。

またレートジャイロ１０は、振動のみでなく外気温の影
響も受ける。レートジャイロのひとつである振動形のレ
ートジャイロの温度特性を第８図に示した。第８図で横
軸は温度で、縦軸は角速度である。特性面８！３８は、
時計方向にレートジャイロ１０を回転させた場合で、特
性面［５９は反時計方向に１８０°回転させた場合で、
回転角度とレートジャイロ１０による角度の差を示して
いる。レートジャイロ１０は、温度２０°Ｃで回転角が
１８０°になるように調整している。

第８図の特性をみると、温度による影響がかなり大きい
ことが判る。したがってレートジャイロ１０は、周囲温
度が一定である装置内に設置する必要がある。

第９図にレートジャイロ１０を恒温室内に設置した一実
施例の構成図を示した。第６図に示した防振装置も恒温
室内に入れる。第９図において、４０は恒温室壁で、４
１は仕切板である。仕切板４１の上部に冷却部と加熱部
を設ける。４２は加熱部でヒータなどで構成する。４３
は冷却部で、ペルチェ効果を利用した熱電素子などを用
いる。

仕切板４１　Ｋは室内の空気を攪乱し、室温を安定させ
るためファン４４を設ける。また仕切板４１に１７１ン
４４の点対称の位置に空気孔４５を設け、室内の空気が
循環するようにした。恒温室内には、サーミスタなどの
温度センサ４６を設け、室温を計測する。４７は冷却駆
動装置で４８は加熱駆動装置である。　４９はファン駆
動装置で５０は温度計測装置で、５１はマイクロコンビ
シータなどで構成された中央制御装置で第１図の中央制
御装置１と兼ねても別の装置でもよい。

第９図において冷却部４３は、熱電素子を用いた場合を
示した。熱電素子を使用するメリットは、直流電源で動
作する点と、圧縮器などを有していないため振動雑音を
発生しない点である。

また熱１！素子を使用しないで、室内に冷却器を設け、
室外に放熱器と圧縮器を設け、冷媒を循環すること虻よ
り室内を冷却する装置も問題はない。

次にこの恒温装置の動作について述べる。レートジャイ
ロ１０は、Ｉ！８図の温度特性から判るようにある温度
例えば２０°Ｃで調整し、周囲温度を２０°Ｃに保持し
ておれば計測誤差は小さくなる。

したがって調整した温度を予めマイクロコンビシータ５
１に記録しておき、装置の電源を投入した時先ず恒温室
内の温度を温度センサ４６で計測し、んの変換を行ない
マイクロコンピュータ５１に温度データを読み込む。そ
して調整温度と比較して、その調整温度を越えていたら
冷却駆動装置４７を動作させ、越えていなければ加熱駆
動装置４日を動作させる。また冷却および加熱駆動装置
を動作させる時は、ファン駆動装置も動作させ、ファン
４４を回転させる。

恒温室内の温度変化幅は、調整温度を２０℃とした時±
１℃以内であれば、レートジャイロ１０には影響しない
ことが判った。

またレートジャイロ１０のデータの読み込みは、恒温室
内の温度が安定してからすなわち調整温度±１℃以内に
達した時から開始する。

第９図は、防振装置を恒温室内に設置したものであるが
、第１０図および第１１図に示したように第６図の緩衝
材５１を断熱材として使用し、レートジャイロ１０を取
り付けた内箱体２９の内部を恒温室とする。

第１０図は、レートジャイロ１０を取付けた金属の内箱
体内部に加熱素子４２と温度センサ４６を設け、内箱体
上部に冷却素子４３を設ける。加熱素子４２は１／４Ｗ
の抵抗などで良い。冷却素子４２は熱電素子を用い、内
箱体内に吸熱部を、外部が放熱部となるように固定する
。また加熱素子４２は、箱体内の下部に設置し、自然対
流により熱が移動するよう忙する。

レートジャイロ１０を取付けた内箱体２９は、金属例え
ばアルミニウムで構成しているため熱伝導が良い。した
がって内箱体２９に加熱素子および冷却素子を設け、恒
温室を構成したのが第１１図である。第１１図忙おいて
、冷却素子４３は、内箱体２９の上部の端面に吸熱面を
密着させ、加熱素子４２は内箱体２９の下部の外周を抵
抗線で巻いた。温度センサ４６は、金属の内箱体内の壁
面に密着させ温度を計測する。

第１０図および第１１図のように緩衝材２９を断熱材と
して用いると、保温効果が優れているため設定温度の変
化幅が小さくなる。°又第８図の構造と比較して全体装
置が小さくできる。

また第１０図および第１１図の滲度制御は前述した通り
である。

上記したような恒温装置にレートジャイロ１０を設定す
ることにより、外気温の影響を除去し、精度良く角速度
を計測することができた。

〔発明の効果〕

以上、述べたように本発明の位置・方位角計測装置を用
いると、外部の振ａ雑音および外気温の影響を除去し、
自走ロボットなどの自己位置・方位角を精度良く計測す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ぽ、本発明の一実施例の自走ロボットのシステム
ブロック図、第２図は自走ロボットの構成図、第３図は
自走ロボットの位置および方位角を求める原理図、第４
図はＬＰＦ回路図第５図はＬＰＦ回路の周波！！ｉ特性
図、第６図は本発明の防振装置の断面図、第７図は第６
図の防振装置の効果を示すレートジャイロの出力信号表
示図、第８図は振動形のレートジャイロの温度特性図、
第９図はレートジャイロを取付けた防振装置を恒温室内
に設置した構成図、第１０図および第１１図は本発明の
防振装置と恒温室を一体化した装置の構成図である。 １・・・中央制御装置、　　　５，１６・・・駆動モー
タ、７．１８・・・駆動車輪、１０・・・レートジャイ
ロ、１１・・・ＬＰＦ回路、　　　３０・・・保持用箱
体、３１・・・緩衝材、　　　　　４０・・・恒温室、
４２・・・加熱器、　　　　　４３・・・冷却器、４４
・・・ファン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、二次元平面内を自律して走行する自走ロボットの自
   己位置と方位角を計測するため、上記ロボットの車輪に
   ロータリエンコーダを、および上記ロボット本体にレー
   トジャイロを具備した装置において、上記ロボットの走
   行駆動用モータ等の振動雑音を除去するため、ローパス
   フィルタを設け、上記レートジャイロは、外部からの振
   動を絶縁する防振装置に取り付け、かつ外気温の影響を
   なくすため恒温室内に設置したことを特徴とする計測装
   置。