JPWO2020049809A1 - モーション制御装置、モーション制御方法、モーション制御プログラム、及びモーション制御システム - Google Patents

モーション制御装置、モーション制御方法、モーション制御プログラム、及びモーション制御システム Download PDF

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Abstract

制御対象物を目標軌道上を滑らかに追従移動させることができるモーション制御装置を提供する。制御対象物を目標軌道に追従制御させるモーション制御装置（１００）は、制御対象物の現在位置を取得する位置取得部（１０１）と、現在位置から制御対象物が到達する最終位置までの目標軌道を生成する目標軌道生成部（１０２）とを備える。装置（１００）は、制御対象物が目標軌道上のそれぞれの位置を移動する移動速度を決定する移動速度決定部（１０３）と、制御対象物が移動速度で目標軌道を追従するようフィードバック制御を行うために、現在位置における目標軌道の接線ベクトル上の進行方向に制御目標位置を設定する制御目標位置算出部（１０４）とを備える。制御入力算出部（１０５）は、制御目標位置を目標値とするフィードバック制御により制御対象物への制御入力を算出する。

Description

本開示は、駆動装置により動作する作業機械が目標軌道に対して追従制御するためのモーション制御装置、モーション制御方法、モーション制御プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体、及びモーション制御システムに関する。
近年、一般生活や産業上で利用される作業機械（移動体、ロボット等含む）の自動化が進んでいる。作業機械の自動化の実例としては、代表的な自動車だけでなく、土木現場における建設機械（例えば、バックホウ、ブルドーザー、及びダンプカー等）、工場や倉庫における作業用ロボットアーム、及び荷物運搬用ＡＧＶ（Automatic Guided Vehicle）が挙げられる。これらは、労働者不足の解消や作業効率の向上、コスト削減に貢献すると期待されている。
これらの作業機械は所定の動作や移動を行うことで、目的となる作業を達成する。例えば、バックホウの場合、作業用アームの伸縮やバケットの開閉、旋回等の動作を組み合わせて、土砂掘削、ダンプカーへの積込、又は土砂法面整形等の作業を行う。本来、建設機械は作業者が搭乗しレバーを手動操作することで動作する。このような緻密な作業は作業者が建設機械や周囲の状況を把握しながら細かなレバー操作を行うことで、高精度かつ高効率に実現される。また、ＡＧＶの場合、荷物の持ち上げや所定経路上の走行、方向転換等の動作を行う。その制御方法はリモコンによる手動操作、車体に組み込まれた制御ソフトウェアによる自動制御、及び遠隔制御装置による遠隔自動制御など様々な形態で実現される。
以上のような動作を自動制御により高精度かつ高効率に実現する場合、作業機械が所望の動作軌道（以下、目標軌道と呼ぶ）を描くように、作業機械の駆動部を適切に制御しなければならない。作業機械の駆動部としては、例えば、建設機械における油圧装置、又はＡＧＶにおける車輪のモータ等が挙げられる。
作業機械や移動体は空間上を連続的に動作するため、目標軌道は空間上の連続的な線軌道として定義される。しかし、一般的なサーボ系フィードバック制御においては、空間上の現在点からある一点に収束させる方法が主流となる。そのため、連続的な目標軌道に対する追従制御を行う場合、目標軌道をいくつかの中間目標点に分割し、目標軌道の始点から終点方向に逐次的に中間目標点を切り替えることで目標軌道への追従を近似的に実現する。また、フィードバック制御では現在位置と目標点の誤差に比例して制御入力量を決定するため、目標点までの残差が大きいほど加速度を上昇させ、高速に移動することが特徴となる。
移動動作を伴う作業機械を目標軌道に対して追従させる方法について検討されている。特許文献１に記載の制御装置は、始点から終点まで目標軌道を生成し、現在位置から終点までの残距離を推定し、現在の速度を終点に満たすべき目標速度まで変更した場合、移動距離が残距離と一致するように加速度を算出し、算出した加速度で速度を補正する。
国際公開第２０１２／０４９８６６号
特許文献１に記載の方法は、目標軌道上に中間目標点（制御目標位置）を設定し、現在位置から中間目標点までの残距離に応じて加速度を算出する。可動部が中間目標点を通過する際に、推定された残距離、つまり次の中間目標点までの距離によっては可動部の加速度が大幅に変動し、可動部が滑らかに移動できない恐れがある。
本発明の目的は、上記課題を鑑みてなされたものであり、制御対象物を目標軌道上を滑らかに移動させることができ、目標軌道に対して高精度に、かつ高速で追従制御するためのモーション制御装置、モーション制御方法、モーション制御プログラム、及びモーション制御システムを提供することにある。
本発明の第１の態様に係るモーション制御装置は、制御対象物を目標軌道に追従制御させるモーション制御装置であって、前記制御対象物の現在位置を取得する位置取得部と、前記現在位置から前記制御対象物が到達する最終位置までの目標軌道を生成する目標軌道生成部と、前記制御対象物が前記目標軌道上のそれぞれの位置を移動する移動速度を決定する移動速度決定部と、前記制御対象物が前記移動速度で前記目標軌道を追従するようフィードバック制御を行うために、前記現在位置における前記目標軌道の接線ベクトル上の進行方向に制御目標位置を設定する制御目標位置算出部と、前記制御目標位置を目標値とするフィードバック制御により前記制御対象物への制御入力を算出する制御入力算出部と、を備える。
本発明の第２の態様に係るモーション制御方法は、モーション制御装置が制御対象物を目標軌道に追従制御させるモーション制御方法であって、前記モーション制御装置は、前記制御対象物の現在位置を取得し、前記制御対象物の前記現在位置から最終位置までの目標軌道を生成し、前記制御対象物が前記目標軌道上のそれぞれの位置を移動する移動速度を決定し、前記制御対象物が前記移動速度で前記目標軌道を追従するようフィードバック制御を行うために、前記現在位置における前記目標軌道の接線ベクトル上の進行方向に制御目標位置を設定し、前記制御目標位置を目標値とするフィードバック制御により前記制御対象物への制御入力を算出する。
本発明の第３の態様に係るモーション制御プログラムは、制御対象物を目標軌道に追従制御させるモーション制御プログラムであって、前記制御対象物の現在位置を取得する処理と、前記制御対象物の前記現在位置から最終位置までの目標軌道を生成する処理と、前記制御対象物が前記目標軌道上のそれぞれの位置を移動する移動速度を決定する処理と、前記制御対象物が前記移動速度で前記目標軌道を追従するようフィードバック制御を行うために、前記現在位置における前記目標軌道の接線ベクトル上の進行方向に制御目標位置を設定する処理と、前記制御目標位置を目標値とするフィードバック制御により前記制御対象物への制御入力を算出する処理と、をコンピュータに実行させる。
本発明の第４の態様に係るモーション制御システムは、制御対象物と、前記制御対象物と通信ネットワークを介して接続されるモーション制御装置と、を備えるモーション制御システムであって、前記モーション制御装置は、前記制御対象物の現在位置を取得する位置取得部と、前記現在位置から前記制御対象物が到達する最終位置までの目標軌道を生成する目標軌道生成部と、前記制御対象物が前記目標軌道上のそれぞれの位置を移動する移動速度を決定する移動速度決定部と、前記現在位置における前記目標軌道の接線ベクトル上の進行方向に制御目標位置を設定する制御目標位置算出部と、前記制御目標位置を目標値とするフィードバック制御により前記制御対象物への制御入力を算出する制御入力算出部と、を備える。
本発明によれば、制御対象物を目標軌道上に沿って滑らかに移動でき、目標軌道に対して高精度、かつ高速で追従制御させることができるモーション制御装置、モーション制御方法、モーション制御プログラム、及びモーション制御システムを提供することができる。
本発明に係るモーション制御装置の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るモーション制御システムＳの一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るモーション制御システムＳの一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るモーション制御装置の制御部のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る作業機械の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る制御目標位置の算出方法の一例を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る制御目標位置の更新方法の一例を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る目標軌道及び制御目標位置の算出の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るモーション制御方法におけるモーション制御装置の処理を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係るモーション制御方法におけるモーション制御装置の処理を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係るモーション制御方法における作業機械の処理を説明するフローチャートである。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るモーション制御装置１００の一例を示すブロック図である。図１に示すように、制御対象物を目標軌道に追従制御させるモーション制御装置１００は、位置取得部１０１、目標軌道生成部１０２、移動速度決定部１０３、制御目標位置算出部１０４、及び制御入力算出部１０５を備える。
位置取得部１０１は、制御対象物の現在位置を取得する。目標軌道生成部１０２は、現在位置から制御対象物が到達する最終位置までの目標軌道を生成する。移動速度決定部１０３は制御対象物が目標軌道上のそれぞれの位置を移動する移動速度を決定する。制御目標位置算出部１０４は、制御対象物が移動速度で目標軌道を追従するようフィードバック制御を行うために、現在位置における目標軌道の接線ベクトル上の進行方向に制御目標位置を設定する。制御入力算出部１０５は、制御目標位置を目標値とするフィードバック制御により制御対象物への制御入力を算出する。
これにより、本発明に係るモーション制御装置は、フィードバック制御により制御対象物を目標軌道上に沿って滑らかに移動させることができる。
実施の形態１
図２は、本発明に係るモーション制御システムＳの一例を示すブロック図である。本例では、図１と異なり、モーション制御装置１００は、通信ネットワークＮを介して制御対象物である作業機械１０６と通信可能に接続されている。モーション制御システムＳは、モーション制御装置１００と、通信ネットワークＮと、作業機械１０６と、を含む。モーション制御装置１００から制御入力が通信ネットワークを介して作業機械１０６へ送信されることで作業機械１０６を制御する。
位置取得部１０１は、作業機械１０６の現在時刻における位置情報（例えば、空間上の車体位置や姿勢等）を取得する。
目標軌道生成部１０２は、作業機械が現在位置から最終位置まで移動する目標軌道を生成する。目標軌道の定義の詳細については後述する。
移動速度決定部１０３は、作業機械１０６が目標軌道上を移動する上で、目標軌道上の各地点における移動速度を指定するためのパラメータを決定する。移動速度指定パラメータについては後述する。
制御目標位置算出部１０４は、作業機械１０６をフィードバック制御により目標軌道に追従させるための制御目標位置を、目標軌道上の位置ごとに決定する。制御目標位置は、目標軌道を外れた進行方向の位置であって、目標軌道上の現在位置に対する接線ベクトル上に決定される。好ましくは、制御目標位置は目標軌道上の現在位置に対する接線ベクトル上であって、移動速度決定部１０３により決定される移動速度指定パラメータに比例して決定される。制御目標位置の算出方法の詳細については後述する。
制御入力算出部１０５は、制御目標位置を作業機械１０６の現在位置に応じて設定し、制御目標位置に対して収束するような制御入力を算出する。
上述の本発明に係るモーション制御装置１００を備えたモーション制御システムＳは、位置取得部１０１によって取得された作業機械１０６の現在位置に基づき、目標軌道生成部１０２により作業機械１０６が現在位置から最終位置まで移動する目標軌道を生成する。移動速度決定部１０３が目標軌道の経由地点に応じて移動速度をパラメータで指定し、制御目標位置算出部１０４が移動速度指定パラメータに応じて目標軌道から外れた進行方向であって、現在位置に対する接線ベクトル上に制御目標位置を算出する。制御入力算出部１０５が制御目標位置に対して収束するような制御入力を算出し、作業機械１０６に通信ネットワークＮを介して入力する。これにより、作業機械１０６を目標軌道に沿って滑らかに移動させることができる。また、作業機械１０６を目標軌道に対して指定した移動速度で高精度に追従させることができる。つまり、作業機械１０６を目標軌道に対して高精度かつ高速で追従させることができる。
本発明の実施の形態１に係るモーション制御装置１００について説明する。図３は、実施の形態１に係るモーション制御システムＳの一例を示すブロック図である。実施の形態１に係るモーション制御装置１００は、例えば、土木工事現場にある建設機械等の作業機械１０６をコンピュータにより自動制御するための通信制御装置である。
図３に示すように、モーション制御装置１００は、制御部２０１と、記憶部２０２と、通信部２０３と、を備える。また、制御部２０１は、位置取得部１０１と、目標軌道生成部１０２と、移動速度決定部１０３と、制御目標位置算出部１０４と、制御入力算出部１０５と、を備える。また、モーション制御装置１００は、通信ネットワークＮと接続されている。また、モーション制御装置１００は、通信ネットワークＮを介して作業機械１０６と通信可能に接続されている。そして、モーション制御装置１００は、作業機械１０６を目標軌道に追従させるように制御する。
通信ネットワークＮは、例えば、特定小電力無線や無線ＬＡＮ（Ｗｉ−Ｆｉ）等の局所通信方式、４Ｇ・５Ｇ等のキャリア回線、インターネットを経由したＩＰ通信（Internet Protocol）等である。なお、本実施形態において、通信ネットワークＮの構成方法は問わず、モーション制御装置１００が通信部２０３を介して作業機械１０６とデータ通信可能であれば良い。
図４は、本発明の実施の形態１に係るモーション制御装置の制御部のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。制御部２０１は、図４に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１Ａと、主記憶装置２０１Ｂと、補助記憶装置２０１Ｃと、外部インタフェース２０１Ｄと、を備える。ＣＰＵ２０１Ａがモーション制御プログラムを実行することにより、モーション制御装置１００の各部の処理が実行される。また、モーション制御プログラムは、例えば、補助記憶装置２０１Ｃに記憶されている。ＣＰＵ２０１Ａは、プログラムを補助記憶装置２０１Ｃから読み出して主記憶装置２０１Ｂに展開し、当該プログラムに従って処理を実行する。ＣＰＵ２０１Ａがモーション制御プログラムを実行することにより、制御部２０１は、位置取得部１０１、目標軌道生成部１０２、移動速度決定部１０３、制御目標位置算出部１０４、制御入力算出部１０５として機能する。なお、位置取得部１０１、目標軌道生成部１０２、移動速度決定部１０３、制御目標位置算出部１０４、及び制御入力算出部１０５は別々のハードウェアによって実現されてもよい。
補助記憶装置２０１Ｃは、非一時的コンピュータ可読有形媒体の例である。非一時的コンピュータ可読媒体の他の例として、外部インタフェース２０１Ｄを介して接続される磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk Read Only Memory）、ＤＶＤ−ＲＯＭ（Digital Versatile Disk Read Only Memory）及び半導体メモリ等が挙げられる。また、このプログラムが通信回線によって制御部２０１に配信される場合、配信を受けた制御部２０１がそのプログラムを主記憶装置２０１Ｂに展開し、上記の処理を実行してもよい。
また、プログラムは、モーション制御装置１００における処理の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、プログラムは、補助記憶装置２０１Ｃに既に記憶されている他のプログラムと組み合わせることによってモーション制御装置１００における処理を実現する差分プログラムであってもよい。
また、モーション制御装置１００の各構成要素の一部または全部は、汎用または専用の回路（circuitry）、プロセッサ等やこれらの組み合わせによって実現されてもよい。これらは、単一のチップによって構成されてもよいし、バスを介して接続される複数のチップによって構成されてもよい。各構成要素の一部または全部は、上述した回路等とプログラムとの組み合わせによって実現されてもよい。
図３に示すように、記憶部２０２は、ＣＰＵ２０１Ａの処理結果を記憶する。また、記憶部２０２は、後述する通信部２０３を介して受信した作業機械１０６の位置情報、目標軌道生成部１０２によって生成された目標軌道情報、移動速度決定部１０３によって決定された移動速度調整パラメータ、制御目標位置算出部１０４によって算出された制御目標位置情報、及び制御入力算出部１０５によって算出された制御入力情報を記憶する。
通信部２０３は、通信ネットワークＮと接続されている作業機械１０６と所定のデータを送受信する。作業機械１０６との通信では、制御入力算出部１０５より算出され、記憶部２０２に保存された制御入力信号の送信、作業機械１０６においてセンシングされた位置情報の受信を行う。なお、通信部２０３が扱う通信データの種類は自動制御の形態や使用する通信機器によって決定され、特に限定されない。
位置取得部１０１は、作業機械１０６から通信部２０３を介して受信し、記憶部２０２に保存された作業機械１０６の現在時刻における位置情報を取得する。位置情報の例として、作業機械１０６の２次元平面座標上における位置座標、又は作業機械の作業点（例えば、バックホウにおけるバケット刃先位置等）が挙げられる。なお、位置情報の内容は作業機械１０６の種類や制御目的によって決定され得るものであり、これらに限定されない。
目標軌道生成部１０２は、位置取得部１０１が取得した作業機械１０６の現在位置情報を基に、最終位置までの目標軌道を生成する。目標軌道は空間座標上の現在位置から最終位置までの連続的な軌道であり、時間ｔを媒介変数とする関数で定義される。つまり、Ｎ次元空間における目標軌道は、次の式（１）のようなＮ次元座標上のベクトルとして定義される。
Figure 2020049809
移動速度決定部１０３は、作業機械１０６が目標軌道を追従する際の移動速度を指定する移動速度値を決定する。移動速度は目標軌道上の各位置ｘ（ｔ）に対して決定するため、目標軌道と同様に時間ｔを媒介変数とする移動速度関数ｖ（ｔ）として定義される。なお、移動速度ｖ（ｔ）は後述する制御目標位置算出部１０４が制御目標位置を算出する際に使用される。
制御目標位置算出部１０４は、作業機械１０６が目標軌道に追従するように、フィードバック制御における制御目標値に対応する制御目標位置を算出する。制御目標位置は作業機械１０６の現在位置によって異なり、作業機械１０６の移動に応じて更新することで目標軌道への追従を実現する。よって、制御目標位置は目標軌道と同様に時間ｔを媒介変数とする関数ｒ（ｔ）として定義される。なお、制御目標位置の算出方法の詳細については後述する。
制御入力算出部１０５は、制御目標位置算出部１０４により算出された制御目標位置ｒ（ｔ）を制御目標値とするフィードバック制御により、作業機械１０６が前記制御目標位置方向に移動するような制御入力を算出する。ここで、制御入力は、例えば、建設機械における操作レバーの傾斜角度や、油圧制御弁を制御するモータの指示回転速度等とすることができる。フィードバック制御では作業機械１０６を現在位置から制御目標位置方向へ移動させるような制御入力を算出する。制御入力の算出方法の一例として、作業機械１０６の時刻ｔにおける位置ｘ（ｔ）と制御目標位置ｒ（ｔ）との誤差ｅ（ｔ）＝ｒ（ｔ）−ｘ（ｔ）に対し、制御入力ｕ（ｔ）＝Ｋｅ（ｔ）と算出すればよい。なお、係数Ｋはゲインパラメータであり、極配置法や最適レギュレータ法等の作業機械１０６の動特性を加味したモデルベース制御手法で設計すればよい。なお、このような制御入力の算出方法は一例であり、これらに限定されない。
図５は、本発明の実施の形態１に係る作業機械の一例を示すブロック図である。作業機械１０６は、例えば、バックホウ、ブルドーザー、及びダンプカー等の建設機械である。具体的には、作業機械１０６は、図５に示すように、通信部４０１、変換部４０２、駆動部４０３、及び測定部４０４を備える。また、作業機械１０６は、通信ネットワークＮを介して、モーション制御装置１００（図１〜図３）と通信可能に接続されている。なお、作業機械１０６は、ＣＰＵ（図示せず）、及び記憶部（図示せず）等を備え、ＣＰＵが記憶部に格納されたプログラムを実行することにより、作業機械１０６における全ての処理が実現してもよい。この場合、作業機械１０６のそれぞれの記憶部に格納されるプログラムは、ＣＰＵに実行されることにより、作業機械１０６の構成要素のそれぞれにおける処理を実現するためのコードを含む。
通信部４０１は、通信ネットワークＮを介して接続されているモーション制御装置１００と所定のデータを送受信する。具体的には、通信部４０１は、モーション制御装置１００の通信部２０３から送信される作業機械１０６の制御入力に関する情報を受信し、測定部４０４が観測した作業機械１０６の位置情報を送信する。
変換部４０２は、通信部４０１が受信した作業機械１０６の制御入力に関する情報を駆動信号に変換する。駆動信号は作業機械１０６を制御する駆動装置に応じて異なるが、操縦席外付け型レバー制御装置のシリンダーや作業機械１０６の内部の油圧制御弁を制御するモータの電流値等が該当する。
駆動部４０３は、作業機械１０６に備えられるシリンダーや油圧制御弁を制御するモータ等の駆動装置である。駆動部４０３は、変換部４０２から入力される駆動信号（電流値等）に従って動作することにより、作業機械１０６の各駆動機構（バックホウにおけるバケット、アーム、ブーム及び旋回機構等）をモーション制御装置１００から受信した制御入力に従って制御する。
測定部４０４は、作業機械１０６の位置等の情報を一定時間間隔ごとにセンサで測定する。測定する情報としては、例えば、バックホウにおけるアームの角度や旋回角度が挙げられる。また、測定する情報の形態は使用するセンサに依存し得るものであり、その形態は限定されない。例えば、その測定情報の形態は電流値・電圧値等のアナログデータであってもよいし、符号化されたディジタルデータであってもよい。
続いて、図６を参照して制御目標位置算出部１０４による制御目標位置の算出方法について説明する。前述の通り、制御入力算出部１０５は作業機械１０６が制御目標位置の方向に移動するような制御入力を算出し、通信部２０３を介して作業機械１０６に制御入力を送信することで、作業機械１０６を制御する。つまり、作業機械１０６を目標軌道に追従させる場合、制御目標位置を常に現在位置から目標軌道の進行方向に設定する。そして、移動に応じて制御目標位置を制御周期ごとに更新することで、作業機械１０６を目標軌道に追従させることができる。よって、目標軌道への追従を実現するためには、制御目標位置算出部１０４は図６のように制御目標位置を目標軌道の現在位置に対する接線ベクトル上の移動方向に設定すればよい。なお、本明細書でいう「接線ベクトル上」とは、厳密に接線上を意味するものでなく、本発明の効果を奏する限り、当該接線から一定幅を有する範囲内を意味するものである。
時刻ｔにおける作業機械１０６の現在位置ｘ（ｔ）と制御目標位置ｒ（ｔ）との距離をｄ（ｔ）とする。距離ｄ（ｔ）は前述の誤差ｅ（ｔ）に相当するため、距離ｄ（ｔ）に比例して制御入力ｕ（ｔ）の値の大きさが増大する。つまり、距離ｄ（ｔ）を増大させると作業機械１０６の移動速度が上昇する。一方で、距離ｄ（ｔ）を減少させると、作業機械１０６の移動速度は減少する。よって、距離ｄ（ｔ）の値の大きさは作業機械１０６の移動速度と比例関係にあるため、距離ｄ（ｔ）の値は、移動速度決定部１０３が決定した移動速度ｖ（ｔ）の比例値ｄ（ｔ）＝αｖ（ｔ）（α＞０） として算出することができる。なお、距離ｄ（ｔ）は移動速度ｖ（ｔ）と比例関係にあることにより、以降の説明では距離ｄ（ｔ）も移動速度関数と称することもある。
制御目標位置算出部１０４が制御目標位置ｒ（ｔ）を算出する式は次の式（２）及び式（３）で定義される。
Figure 2020049809
Figure 2020049809
式（２）によると、作業機械１０６の現在位置ｘ（ｔ）に対し、目標軌道の接線ベクトルにノルムｗ（ｔ）を乗算した相対位置項を加算することで、制御目標位置ｒ（ｔ）を算出する。ノルムｗ（ｔ）については、式（３）によると、距離ｄ（ｔ）を接線ベクトルのユークリッドノルムで除算して算出する。
また、制御目標位置算出部１０４は、作業機械１０６を目標軌道へ追従させるために、作業機械１０６の移動に伴って制御目標位置を制御周期（時間Δｔ）ごとに逐次更新する。図７のように、ある時間ｔから時間Δｔ経過後、作業機械１０６が現在位置ｘ（ｔ）からｘ（ｔ＋Δｔ）へ移動する間は、制御目標位置ｒ（ｔ）を用いてフィードバック制御が行われる。作業機械１０６がｘ（ｔ＋Δｔ）に達した場合、移動後の作業機械１０６の位置ｘ（ｔ＋Δｔ）と新たな距離ｄ（ｔ＋Δｔ）を用いて、式（２）及び式（３）に従い、新たな制御目標位置ｒ（ｔ＋Δｔ）を算出する。
図８に、ある目標軌道に対して制御目標位置を算出する一例を示す。図８は、Ｘ軸とＹ軸からなる２次元平面上での作業機械１０６の移動を例示する。作業機械１０６の現在位置を地点Ａとしたとき、目標軌道生成部１０２は最終位置である地点Ｂまで移動する目標軌道（Ｔａｒｇｅｔ Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ）を生成する。本例では、図８に示すように、目標軌道はすべて曲線からなるが、これに限定されず、少なくとも部分的に曲線を含んでいればよい。また、移動速度決定部１０３は、作業機械１０６がこの目標軌道上の各位置を移動する速度ｖ（ｔ）をそれぞれ決定する。図８の例においては、地点Ａにおける速度ｖ（ｔ）は０であり、地点Ｂ方向に進行するにつれて速度ｖ（ｔ）を増加させる（つまり、加速する）。また、地点Ｂに接近するにつれて速度ｖ（ｔ）を減少させ、地点Ｂに到達すると速度ｖ（ｔ）は０にする（つまり、減速し、地点Ｂで停止する）。
このとき、制御目標位置（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）は、上記式（２）及び（３）に示すように移動速度関数ｄ（ｔ）を用い、目標軌道上の各位置に対する接線ベクトル上で、かつ作業機械の進行方向（図８中の矢印）に生成される。また、生成された制御目標位置と現在位置との距離は、ｄ（ｔ）＝αｖ（ｔ）であるので、移動速度決定部１０３により決定された移動速度ｖ（ｔ）に比例して算出される。つまり、地点Ａにおける制御目標位置と現在位置との距離ｄは０であり、地点Ｂ方向に進行するにつれて速度ｖ（ｔ）を増加するので、制御目標位置と現在位置との距離ｄも増加する。また、地点Ｂに接近するにつれて速度ｖ（ｔ）は減少するので、制御目標位置と現在位置との距離ｄも減少し、地点Ｂに到達すると速度ｖ（ｔ）は０にする（つまり、減速し、地点Ｂで停止する）。
図８で説明したように、作業機械１０６の移動に伴って制御目標位置を制御周期ごとに逐次更新することで、高精度かつ高速で作業機械１０６を目標軌道へ追従させることができる。また、作業機械１０６を滑らかに移動させることができる。なお、作業機械が目標軌道を逸脱せずに追従するために、理想的には、制御周期はできる限り短く（すなわち、限りなく０に近く）設定することが望ましい。好ましくは、制御周期は、作業機械が一制御周期に制御目標位置方向へ進行する距離が、作業機械が追従すべき目標軌道との一定の許容誤差より短くなるように設定されている。
以上のように、モーション制御装置１００は制御部２０１の構成機能である、位置取得部１０１、目標軌道生成部１０２、移動速度決定部１０３、制御目標位置算出部１０４、及び制御入力算出部１０５の処理を周期的に繰り返すことで目標軌道への追従を実現する。
次に、本実施形態の処理経過について説明する。図９及び図１０は第１の実施形態のモーション制御装置１００の処理経過の例を示すフローチャートである。
まず、通信部２０３は、通信ネットワークＮを介して作業機械１０６の現在時間における位置情報を受信する（ステップＳ９０１）。また、通信部２０３は受信した位置情報を記憶部２０２に保存する（ステップＳ９０２）。
次に、制御部２０１における各構成機能の処理過程について説明する。位置取得部１０１はステップＳ９０２で記憶部２０２に保存された現在時刻における作業機械の位置情報を取得する（ステップＳ９０３）。
目標軌道生成部１０２はステップＳ９０３で取得した作業機械の現在位置からから最終位置まで、将来の目標移動経路である目標軌道を生成する（ステップＳ９０４）。
制御部２０１はステップＳ９０３において位置取得部１０１により取得された作業機械１０６の現在位置と、ステップＳ９０４において目標軌道生成部１０２により生成された目標軌道の最終位置を比較する。制御部２０１は、これらの比較結果が一致しない場合は処理Ａに移行し、これらが一致する場合は制御部２０１の処理を終了する（ステップＳ９０５）。
移動速度決定部１０３はステップＳ９０４において目標軌道生成部１０２により生成された目標軌道上を作業機械１０６が移動する際の移動速度を指定する移動速度関数ｖ（ｔ）を決定する（ステップＳ９０６）。
制御目標位置算出部１０４はステップＳ９０４において生成される目標軌道と、ステップＳ９０６において決定される移動速度関数ｖ（ｔ）を使用し、式（２）と式（３）に基づいて作業機械１０６の現在位置に対する制御目標位置ｒ（ｔ）を算出する（ステップＳ９０７）。
制御入力算出部１０５は作業機械１０６をステップＳ９０７で算出された制御目標位置方向へ、ステップＳ９０６で決定された移動速度で移動させる制御入力を算出する（ステップＳ９０８）。さらに、制御入力算出部はステップＳ９０８で算出した制御入力を記憶部２０２に保存する（ステップＳ９０９）。
通信部２０３はステップＳ９０９において記憶部２０２に保存された最新の制御入力を取得し、作業機械１０６へ通信ネットワークＮを介して送信する（ステップＳ９１０）。
上記のモーション制御装置１００の一連の処理ステップは、一定の制御周期ごとに継続的にコンピュータ上で実行されるものである。つまり、ステップＳ９１０の処理が完了後、ステップＳ９０１の処理に戻り、以降の処理を繰り返す。モーション制御装置１００の処理の終了判定処理は前述したステップＳ９０５の通りである。
続いて、第１の実施形態の作業機械１０６の処理経過の例について、図１１のフローチャートを参照しながら説明する。
測定部４０４は、作業機械１０６の現在時間における位置情報を測定する（ステップＳ１１１）。位置情報には作業機械１０６の絶対位置や各駆動機構の姿勢等、複数の情報が含まれており、それらは同時に測定される。
次に、作業機械１０６の通信部４０１は、ステップＳ１１１において測定部４０４により測定された作業機械１０６の現在位置情報を、通信ネットワークＮを介してモーション制御装置１００に送信する（ステップＳ１１２）。さらに、通信部４０１は通信ネットワークＮを介し、作業機械１０６を目標軌道に追従させる制御入力情報をモーション制御装置１００から受信する（ステップＳ１１３）。
変換部４０２は、ステップＳ１１３で取得した作業機械１０６の制御入力情報を駆動信号に変換する（ステップＳ１１４）。駆動信号は作業機械１０６を制御する駆動装置の種類に応じて異なり、例えば、操縦席外付け型レバー制御装置のシリンダー、油圧制御弁を制御するモータの電流値等が該当する。また、駆動信号は作業機械１０６の機体内の電子回路等を通じて駆動部４０３に入力される。
駆動部４０３は、変換部４０２から入力される駆動信号（例えば、電流値等）に従って動作することにより、作業機械１０６の各駆動機構を動作させる（ステップＳ１１５）。駆動部４０３によって制御される作業機械１０６の駆動機構の例としては、バックホウにおけるバケット、アーム、ブーム、及び旋回機構等が挙げられる。このように、作業機械１０６の駆動機構は複数存在し、各駆動機構に対して異なる駆動信号が伝達され、それぞれ独立に制御されてもよい。
上記の作業機械１０６における一連の処理ステップは、所定時間毎に継続的に実行される。すなわち、モーション制御装置１００による目標軌道への追従制御処理が完了しなければ、再びステップＳ１１１に戻る。一方で、モーション制御装置１００が目標軌道への追従制御処理を完了し、停止処理（例えば、エンジンの電源オフ等）を行うことにより作業機械１０６の処理ステップが終了する。
以上に説明した実施の形態１に係るモーション制御装置１００によれば、目標軌道生成部１０２により作業機械１０６が移動する目標軌道を生成し、移動速度決定部１０３により作業機械１０６の移動速度を決定する。また、モーション制御装置１００は、制御目標位置算出部により、作業機械１０６が移動速度で目標軌道を追従するようフィードバック制御を行うために、現在位置における目標軌道の接線ベクトル上の進行方向に制御目標位置を設定する。さらに、モーション制御装置１００は、目標軌道の進行方向に対して移動速度で移動するような制御入力を算出する。そのため、モーション制御装置１００は、作業機械１０６を所望の目標軌道上を正確に、かつ所望の移動速度で移動させることができる。これにより、作業機械１０６を目標軌道に対して高精度に、かつ高速で追従させることができるモーション制御装置１００、モーション制御方法、モーション制御プログラム、及びモーション制御システムＳを提供することができる。
その他の発明の実施の形態
上述の例では、モーション制御装置がネットワークを介して作業機械を制御する例を説明したが、これに限らず、モーション制御装置と作業機械を一体に構成してもよい。
上述の例において、プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標） Ｄｉｓｃ）、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ ＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記１）
制御対象物を目標軌道に追従制御させるモーション制御装置であって、
前記制御対象物の現在位置を取得する位置取得部と、
前記現在位置から前記制御対象物が到達する最終位置までの目標軌道を生成する目標軌道生成部と、
前記制御対象物が前記目標軌道上のそれぞれの位置を移動する移動速度を決定する移動速度決定部と、
前記制御対象物が前記移動速度で前記目標軌道を追従するようフィードバック制御を行うために、前記現在位置における前記目標軌道の接線ベクトル上の進行方向に制御目標位置を設定する制御目標位置算出部と、
前記制御目標位置を目標値とするフィードバック制御により前記制御対象物への制御入力を算出する制御入力算出部と、
を備えるモーション制御装置。
（付記２）
前記制御目標位置算出部により設定された前記制御目標位置と前記現在位置との距離は、前記移動速度決定部により決定された前記移動速度に比例して算出される、
付記１に記載のモーション制御装置。
（付記３）
前記目標軌道は、少なくとも部分的に曲線を含む、付記１又は２に記載のモーション制御装置。
（付記４）
前記制御目標位置算出部は、前記制御対象物の移動に応じて制御周期ごとに前記制御目標位置を更新する、
付記１〜３のいずれか一項に記載のモーション制御装置。
（付記５）
前記制御周期は、前記制御対象物が一制御周期の間に前記制御目標位置の方向へ進行する距離が、前記制御対象物が追従する前記目標軌道との一定の許容誤差より短くなるように設定されている、付記４に記載のモーション制御装置。
（付記６）
モーション制御装置が制御対象物を目標軌道に追従制御させるモーション制御方法であって、
前記モーション制御装置は、
前記制御対象物の現在位置を取得し、
前記制御対象物の前記現在位置から最終位置までの目標軌道を生成し、
前記制御対象物が前記目標軌道上のそれぞれの位置を移動する移動速度を決定し、
前記制御対象物が前記移動速度で前記目標軌道を追従するようフィードバック制御を行うために、前記現在位置における前記目標軌道の接線ベクトル上の進行方向に制御目標位置を設定し、
前記制御目標位置を目標値とするフィードバック制御により前記制御対象物への制御入力を算出する、
モーション制御方法。
（付記７）
制御対象物を目標軌道に追従制御させるモーション制御プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
前記制御対象物の現在位置を取得する処理と、
前記制御対象物の前記現在位置から最終位置までの目標軌道を生成する処理と、
前記制御対象物が前記目標軌道上のそれぞれの位置を移動する移動速度を決定する処理と、
前記制御対象物が前記移動速度で前記目標軌道を追従するようフィードバック制御を行うために、前記現在位置における前記目標軌道の接線ベクトル上の進行方向に制御目標位置を設定する処理と、
前記制御目標位置を目標値とするフィードバック制御により前記制御対象物への制御入力を算出する処理と、
をコンピュータに実行させるモーション制御プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体。
（付記８）
制御対象物と、前記制御対象物と通信ネットワークを介して接続されるモーション制御装置と、を備えるモーション制御システムであって、
前記モーション制御装置は、
前記制御対象物の現在位置を取得する位置取得部と、
前記現在位置から前記制御対象物が到達する最終位置までの目標軌道を生成する目標軌道生成部と、
前記制御対象物が前記目標軌道上のそれぞれの位置を移動する移動速度を決定する移動速度決定部と、
前記現在位置における前記目標軌道の接線ベクトル上の進行方向に制御目標位置を設定する制御目標位置算出部と、
前記制御目標位置を目標値とするフィードバック制御により前記制御対象物への制御入力を算出する制御入力算出部と、
を備えるモーション制御システム。
（付記９）
前記モーション制御装置は、
前記通信ネットワークを介して前記制御入力を前記制御対象物に送信し、
前記制御対象物は、
現在時間における前記制御対象物の位置情報を測定して前記モーション制御装置に前記通信ネットワークを介して送信し、
前記モーション制御装置から前記制御入力を受信し、前記制御対象物の駆動部を駆動するための駆動信号に変換し、
前記駆動部が前記駆動信号に基づいた速度で前記制御対象物の駆動機構を動作させる、
付記８に記載のモーション制御システム。
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１８年９月５日に出願された日本出願特願２０１８−１６５７１１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１００ モーション制御装置
１０１ 位置取得部
１０２ 目標軌道生成部
１０３ 移動速度決定部
１０４ 制御目標位置算出部
１０５ 制御入力算出部
１０６ 作業機械
２０１ 制御部
２０１Ａ ＣＰＵ
２０１Ｂ 主記憶装置
２０１Ｃ 補助記憶装置
２０１Ｄ 外部インタフェース
２０２ 記憶部
２０３ 通信部
４０１ 通信部
４０２ 変換部
４０３ 駆動部
４０４ 測定部
Ｎ 通信ネットワーク
Ｓ モーション制御システム

Claims (9)

  1. 制御対象物を目標軌道に追従制御させるモーション制御装置であって、
    前記制御対象物の現在位置を取得する位置取得手段と、
    前記現在位置から前記制御対象物が到達する最終位置までの目標軌道を生成する目標軌道生成手段と、
    前記制御対象物が前記目標軌道上のそれぞれの位置を移動する移動速度を決定する移動速度決定手段と、
    前記制御対象物が前記移動速度で前記目標軌道を追従するようフィードバック制御を行うために、前記現在位置における前記目標軌道の接線ベクトル上の進行方向に制御目標位置を設定する制御目標位置算出手段と、
    前記制御目標位置を目標値とするフィードバック制御により前記制御対象物への制御入力を算出する制御入力算出手段と、
    を備えるモーション制御装置。
  2. 前記制御目標位置算出手段により設定された前記制御目標位置と前記現在位置との距離は、前記移動速度決定手段により決定された前記移動速度に比例して算出される、
    請求項１に記載のモーション制御装置。
  3. 前記目標軌道は、少なくとも部分的に曲線を含む、請求項１又は２に記載のモーション制御装置。
  4. 前記制御目標位置算出手段は、前記制御対象物の移動に応じて制御周期ごとに前記制御目標位置を更新する、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載のモーション制御装置。
  5. 前記制御周期は、前記制御対象物が一制御周期の間に前記制御目標位置の方向へ進行する距離が、前記制御対象物が追従する前記目標軌道との一定の許容誤差より短くなるように設定されている、請求項４に記載のモーション制御装置。
  6. モーション制御装置が制御対象物を目標軌道に追従制御させるモーション制御方法であって、
    前記モーション制御装置は、
    前記制御対象物の現在位置を取得し、
    前記制御対象物の前記現在位置から最終位置までの目標軌道を生成し、
    前記制御対象物が前記目標軌道上のそれぞれの位置を移動する移動速度を決定し、
    前記制御対象物が前記移動速度で前記目標軌道を追従するようフィードバック制御を行うために、前記現在位置における前記目標軌道の接線ベクトル上の進行方向に制御目標位置を設定し、
    前記制御目標位置を目標値とするフィードバック制御により前記制御対象物への制御入力を算出する、
    モーション制御方法。
  7. 制御対象物を目標軌道に追従制御させるモーション制御プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
    前記制御対象物の現在位置を取得する処理と、
    前記制御対象物の前記現在位置から最終位置までの目標軌道を生成する処理と、
    前記制御対象物が前記目標軌道上のそれぞれの位置を移動する移動速度を決定する処理と、
    前記制御対象物が前記移動速度で前記目標軌道を追従するようフィードバック制御を行うために、前記現在位置における前記目標軌道の接線ベクトル上の進行方向に制御目標位置を設定する処理と、
    前記制御目標位置を目標値とするフィードバック制御により前記制御対象物への制御入力を算出する処理と、
    をコンピュータに実行させるモーション制御プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体。
  8. 制御対象物と、前記制御対象物と通信ネットワークを介して接続されるモーション制御装置と、を備えるモーション制御システムであって、
    前記モーション制御装置は、
    前記制御対象物の現在位置を取得する位置取得手段と、
    前記現在位置から前記制御対象物が到達する最終位置までの目標軌道を生成する目標軌道生成手段と、
    前記制御対象物が前記目標軌道上のそれぞれの位置を移動する移動速度を決定する移動速度決定手段と、
    前記現在位置における前記目標軌道の接線ベクトル上の進行方向に制御目標位置を設定する制御目標位置算出手段と、
    前記制御目標位置を目標値とするフィードバック制御により前記制御対象物への制御入力を算出する制御入力算出手段と、
    を備えるモーション制御システム。
  9. 前記モーション制御装置は、
    前記通信ネットワークを介して前記制御入力を前記制御対象物に送信し、
    前記制御対象物は、
    現在時間における前記制御対象物の位置情報を測定して前記モーション制御装置に前記通信ネットワークを介して送信し、
    前記モーション制御装置から前記制御入力を受信し、前記制御対象物の駆動部を駆動するための駆動信号に変換し、
    前記駆動部が前記駆動信号に基づいた速度で前記制御対象物の駆動機構を動作させる、
    請求項８に記載のモーション制御システム。
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