JP3336005B2 - 統合されたビークル位置特定及び航法システム、装置及び方法 - Google Patents

統合されたビークル位置特定及び航法システム、装置及び方法

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 1.発明の分野 本発明は位置特定システムに関し、より具体的には惑
星の地表上にある、または地表付近にある自律ビークル
の地上位置を決定するための位置特定装置及び方法に関
する。
2.関連技術 現在、アメリカ合衆国（U.S.）を含む若干の国の政府
が、包括的にグローバル位置特定システム（GPS）と呼
ばれる地上位置決定システムを開発中である。GPSでは
複数の衛星が惑星地球の周囲の軌道上に配置される。GP
S衛星は電磁信号を送信するように設計されている。こ
れらの電磁信号から地表の、または地表付近のどの受信
機も絶対地上位置（地球の中心に対する位置）を最終的
に決定することができる。
U.S.政府はそのGPSを“NAVSTAR"と命名した。U.S.政
府はNAVSTAR GPSの運用は1993年になるであろうと宣言
している。更にソビエト社会主義共和国連邦（U.S.S.
R.）政府は、実質的にNAVSTAR GPSと同一の“GLONASS"
を現在開発中である。
NAVSTAR GPSでは、任意の時点に、６つの各軌道内に
４個のGPS衛星が存在し、21個の周回GPS衛星を機能さ
せ、３個のGPS衛星を予備にするという構想である。３
つのGPS衛星軌道は、地球に対して相互に直交する面を
有している。GPS衛星軌道は、極軌道でも赤道軌道でも
ない。更に、GPS衛星は12時間で１回地球を周回する。
NAVSTAR GPSを使用すると、任意の地球上の受信機に
対する周回中のGPS衛星の相対位置を電磁信号から決定
することができる。この相対位置は一般に“擬似距離”
と呼ばれている。更に、この相対位置は２つの方法によ
って計算することができる。
１つの方法は、発射される電磁信号の送信と受信との
間の伝播時間遅延を測定することである。NAVSTAR GPS
では、電磁信号は、信号が、GPS衛星から送信される時
刻で連続的に符号化される。時間遅延を導出するために
受信時刻に注目し、符号化された送信時刻を減算するこ
とが可能であるのは説明の要はあるまい。計算された時
間遅延と、大気中の電磁波の走行速度の知識とから、擬
似距離を正確に導出することができる。上述の方法を使
用して計算された擬似距離を、本明細書では“実際の”
擬似距離と呼ぶ。
別の方法は、周回衛星から送信される電磁信号内に符
号化される衛星位置データを含む。NAVSTAR GPSの衛星
位置データに関する暦データは公的に入手できる。電磁
信号内に符号化されているデータに関してこの暦データ
を参照することによって擬似距離を正確に導出すること
ができる。上述の方法を使用して計算された擬似距離
を、本明細書では“推定”擬似距離と呼ぶ。
しかし、推定擬似距離を導出する従来方法において、
衛星位置データがGPS衛星において１時間に１回毎正時
だけにしか更新されないことに注意すべきである。従っ
て更新された衛星位置データを使用して新しい推定擬似
距離を計算する場合の推定擬似距離の精度は、次の正時
まで各正時からの時間と共に低下する。
更に、少なくとも３個の周回GPS衛星の装置位置を知
ることによって、任意の地球受信機の絶対地上位置（即
ち、経度、緯度、及び地球の中心に対する高度）を三角
法を含む簡単な幾何学理論によって計算することができ
る。地上位置推定の精度は、部分的に、サンプルされる
周回GPS衛星の数に依存する。より多くのGPS衛星を計算
に使用すれば、地上位置推定の精度を高めることができ
る。
普通は、地球受信機と種々のGPS衛星との間の回路時
計の差がもたらす誤差ゆえに、４個のGPS衛星をサンプ
ルして各地上位置推定を決定する。時計差は数ミリ秒で
あり得る。もし地球受信機の時計がGPS衛星の時計と同
期していれば、地球受信機の位置を正確に決定するため
には３個のGPS衛星をサンプルすれば十分であろう。
NAVSTAR GPSでは、電磁信号は全てのGPS衛星から単一
の搬送波周波数で連続的に送信される。しかし各GPS衛
星は異なる変調計画を有しており、それによって信号を
区別することができる。NAVSTAR GPSでは、搬送波周波
数は各GPS衛星に独特な擬似ランダム信号を使用して変
調される。従って、搬送波周波数を解号すればNAVSTAR
GPS内の周回GPS衛星を識別することができる。
更に、NAVSTAR GPSは、擬似ランダム数（PRN）信号を
使用する２つの搬送波変調モードを考えている。“粗／
収集”（C/A）モードと呼ばれる一方のモードでは、PRN
信号は1.023MHzのチップレートを有するゴールドコード
シーケンスである。ゴールドコードシーケンスは公知の
普通の擬似ランダムシーケンスである。チップはこの擬
似ランダムコードの１つの個々のパルスである。擬似ラ
ンダムシーケンスのチップレートはシーケンス内でチッ
プが生成されるレートである。従って、チップレートは
コード繰り返しレートをそのコード内のメンバーの数で
除したものに等しい。従って、NAVSTAR GPSの“粗／収
集”モードでは、各ゴールドコードシーケンス内には1,
023チップが存在し、シーケンスは１ミリ秒に１回繰り
返される。４個の周回GPS衛星からの1.023MHzのゴール
ドコードシーケンスを使用することによって、地球受信
機の地上位置をほぼ60乃至300メートルの精度で決定す
ることができる。
NAVSTAR GPSにおける第２の変調モードは一般に“精
密”または“保護”（Ｐ）モードと呼ばれるものであ
る。Ｐモードでは擬似ランダムコードは10.23MHzのチッ
プレートを有している。更にＰモードシーケンスは極め
て長く、シーケンスは267日に１回しか繰り返されな
い。その結果、任意の地球受信機の地上位置はほぼ16乃
至30メートルの精度で決定することができる。
しかしながらＰモードシーケンスは気密扱いされ、合
衆国政府から公式に入手することはできない。換言すれ
ば、Ｐモードは合衆国政府によって承認された地球受信
機だけが使用するようになっているのである。
異なる周回GPS衛星からの種々のC/A信号を地球受信機
が区別するために、地球受信機は通常、ゴールドコード
シーケンスを局部的に生成するための複数の異なるゴー
ルドコード源を含んでいる。最終的に導出されるゴール
ドコードシーケンスは、各GPS衛星からの独特なゴール
ドコードシーケンスに対応する。
局部的に導出された各ゴールドコードシーケンスと送
信されたゴールドコードシーケンスとは、１ミリ秒のゴ
ールドコードシーケンス周期にわたって互いに相互相関
される。局部的に導出されるゴールドコードシーケンス
の位相は、最大の相互相関関数が得られるまでチップ毎
に、次いでチップ内で変化する。1,023ビットの長さを
有する２つのゴールドコードシーケンスの相互相関は、
他の何れの組合わせのゴールドコードシーケンスの相互
相関関数よりも約16倍も大きいから、局部的に導出され
るゴールドコードシーケンスをGPS衛星の１つが送信し
た同一ゴールドコードシーケンスにロックさせることは
比較的容易である。
地球受信機の視野内の少なくとも４個のGPS衛星から
のゴールドコードシーケンスは、このようにして、局部
的に導出された各ゴールドコードシーケンスに順次に応
答する単一の信号チャネルを使用することによって、ま
たは代替として、異なるゴールドコードシーケンスに同
時に応答する並列チャネルを使用することによって分離
される。４つの局部的に導出されたゴールドコードシー
ケンスを地球受信機の視野内の４個のGPS衛星から受信
したゴールドコードシーケンスに同相にロックさせる
と、地球受信機の相対位置を約60乃至300メートルの精
度で決定できる。
上述のNAVSTAR GPSの近似推定は（１）地球受信機が
実際に応答している信号を送信中のGPS衛星の数、
（２）受信信号の可変振幅、及び（３）異なるGPS衛星
からの受信信号間の相互相関ピークの大きさによって影
響を受ける。
地球受信機は同時に複数のPRN信号を受信するから、
若干のコードが対立する共通時間間隔が存在する。換言
すれば、対立する受信信号間の相互相関のために受信し
た各PRNの到着時刻の測定をコードが劣化させるのであ
る。
各PRN毎の到着時刻の測定は、受信したPRN信号のゴー
ルドコードシーケンスと局部的に導出したPRN信号のゴ
ールドコードシーケンスとの間の相互相関のピーク振幅
の時刻の決定によって行われる。局部的に導出したPRN
信号が受信したPRN信号上に重畳されると、それによっ
てそれらの相互相関の平均時間が増加し、平均雑音寄与
が減少する。しかし、受信したPRN信号間の相互相関誤
差が周期的であるために、平均時間の増加は、誤差信号
及び受信したPRN間の相互相関値の両者に同様な増加を
もたらす。従って、PRN信号の到着時刻に関連する誤差
が相互相関によって減少することはない。
GPSに加えて、ビークルの位置推定を求めるために航
法システムに慣性システムを使用することが従来から知
られている。慣性参照ユニット（IRU）は、ジャイロス
コープまたはジャイロによって安定化された参照座標フ
レーム内の加速度計から比力測定を入手する。IRUは、
例えばレーザ、機械式、または光ファイバを含む幾つか
の型であることができる。IRUを使用する無支援航法シ
ステムでは加速度計によって測定された比力（地球の重
力の効果に対して補正されている）は航法数式内に統合
され、ビークルの位置及び速度が求められる。
IRUの計器測定は、プラットフォーム装置に依存し
て、参照座標フレームではなく異なる直角座標フレーム
内に指定することができる。近地球航法に最も一般的に
使用されている参照航法は局部水準フレーム（東・北・
垂直）である。幾つかのジンバル付きプラットフォーム
装置が上述の参照航法フレームと共に存在している。
ジンバル付き局部水準・北探索IRUでは、ジャイロス
コープ及び加速度計はプラットフォーム上に取り付けら
れ、このプラットフォームにはその水準及び北を指す方
位を維持するようなトルクが与えられている。このプラ
ットフォームが参照面である。これに対して、ジンバル
付き局部水準・方位漂動IRUではプラットフォームは水
平に保たれるが、垂直軸を中心とするトルクは与えられ
ない。
更に、ストラップダウンIRUでは、ジャイロスコープ
及び加速度計はビークル本体に直接取り付けられる。こ
れらは慣性空間に対するビークルの線形及び角度運動を
測定する。この運動はビークル座標で表される。従っ
て、ストラップダウンIRUでは、参照航法フレームに対
する高度を先ず計算する必要がある。次いで計算された
高度を使用して加速度計測定を参照フレームに変換す
る。ストラップダウンIRUの加速度計データを参照フレ
ームに補外した後の前述の航法式の解はジンバル付きIR
U及びストラップダウンIRUの両者において同一である。
ストラップダウンIRUでは、加速度計測定を分解する
ために要求される高度計算は通常高速で遂行される。こ
れらの計算は、コンピュータのバイトサイズ及び使用可
能な処理能力に限界があることから数値誤差を生じ易
い。これらの計算誤差はセンサループ、データ転送速
度、及びサンプリング時点におけるセンサ出力の分解能
及び大きさに依存する。
しかし、重要な便益はジンバル付きIRUを使用してで
はなく、ストラップダウンIRUを使用してもたらされ
る。ストラップダウンIRUはより安価である。更にスト
ラップダウンIRUは一般的に物理寸法が小さい。従ってI
RUは、その寸法及び価格の節約を実現する潜在能力か
ら、ストラップダウンIRUが軍用及び商用の両応用にと
って魅力的である。
IRUを使用する航法システムの性能は主として、IRU内
の種々の構成センサが関与する誤差によって制限され
る。ジャイロスコープは漂動する。加速度計は本質的に
バイアスされている。更に不適切な倍率及び不適切なIR
U整列角が誤差に関与する。典型的にはそれまでの誤差
が、ビークルの任務の進行につれて時間と共に累積され
るビークルの位置、速度、及び高度の推定に不正確さを
もたらす。誤差はある程度まではユーザダイナミックス
に依存する。
もしあるビークルが極めて正確な航法システムを要求
すれば、その要求を満足するために高精度ジャイロスコ
ープ及び加速度計を使用することは可能である。しか
し、このような高精度機器はビークルの複雑さと価格と
を増大させる。
自律ビークル航法も公知である。“自律”とは人手に
よらない、または機械制御されることを意味する。しか
しながら、従来の自律システムはよく見ても初歩的であ
る。
視覚検知に基づく位置特定に頼る自律システムが存在
している。例えば、視覚をベースとする位置特定がIEE
E,CH2555−1/88/0000/0912＄01.00,1988に所載のR.テリ
ー・ダンレーの論文“自律陸上ビークルのための障害物
回避認知処理”に記載のマーチンマリエッタ自律陸上ビ
ークル内に使用されている。
視覚をベースとする若干の位置特定システムは、点か
ら点へ航行するために例えば工場の床上の固定案内線ま
たはマークを使用する。他の位置特定システムは複雑な
ハードウエア及びソフトウエアによるパターン認識を含
む。“非天測位置推測法”と呼ばれる更に他のシステム
では、既知の出発点に対するビークルの位置を追尾する
ことによって蛇行する。この追尾は、ビークルが走行し
た距離を測定し、出発点からのビークルの方向を監視す
ることによって遂行される。従来の自律航法システムは
種々の欠点及び制限を受け易い。例えば、もしビークル
上の航法システムがそのビークルが何処に位置している
のかを認識し損なうか、またはビークルが辿った足跡を
見失うか、またはビークルの出発点を誤計算すれば、航
法システムはビークルをその最終行先へ到着させるよう
に正確に導くことができなくなる。
更に、従来の自律航法システムでは、ビークルの位置
推定の誤差が時間と共に累積される傾向を有しており、
航法システムは時間を費やす初期化を屡々行う必要があ
る。最後に、従来の航法システムはビークルの経路に沿
ってパターンまたはマーカーを配置する必要がある。こ
のパターンまたはマーカーの配置も時間を費やし、高価
であり、小さい制御された領域へのこれらの航法システ
ムの適用能力を制限する。
発明の概要 本発明はビークル位置特定システムであり、明細書全
体を通して使用されているシステムとは、装置、方法、
または装置及び方法の両者の組合せを意味している。本
発明は、従来のビークル位置決定の技術の多くの限界を
打破する。
本発明は、自律ビークルのための如何なる航法システ
ムをも支援するために使用可能である。自律ビークルは
静止していてもまたは移動していても差し支えない。更
に、自律ビークルは地表にあっても、または地表付近に
あっても差し支えない。換言すれば、本発明は如何なる
地上ビークルをも極めて正確且つ高速に追尾する。
本発明は、IRU及びGPSの従来の能力を、費用に対して
最も効率的に組合せて大幅に向上させ、地上ビークルの
極めて正確な位置推定を提供することを意図している。
そのようにするに当たって本発明は、優れた位置特定能
力を、従って柔軟な自律航法能力を考慮に入れた装置及
び方法を含む多くの新しく且つ創意に富むシステムを使
用する。
本発明は更に、地表の、または地表付近のビークルの
位置推定を決定するために３つの独立したサブシステム
の新しく且つ創意に富む組合せをも含む。１つのサブシ
ステムは、例えばNAVSTAR GPSのように、GPSを使用する
第１位置特定システムである。この第１位置特定システ
ムはビークルの第１位置推定を計算する。別のサブシス
テムは、IRU及びビークルの走行距離計を使用する第２
位置特定システムである。この第２位置特定システムは
第２位置推定を計算する。最後のサブシステムは、上記
２つのサブシステムからの第１及び第２位置推定に基づ
いてより正確なビークルの第３位置推定を計算する処理
システムである。
本発明は星座効果方法を含む。星座効果方法は、ビー
クルの視野内のGPSの大きい群から最適衛星星座を選択
し、GPSから導出する第１位置推定の精度を向上させ
る。
本発明は、GPS及びIRUの両者または何れか一方から得
た位置特定用データ内の雑音及び誤差を補償する作動修
正技術／方法を提供することによって、ビークル位置推
定の精度を高める。好ましい実施例では、参照点として
働くベースステーションが作動修正技術／方法を遂行す
ることができ、また得られたデータをビークルへ中継す
ることができる。ビークルはベースステーションから受
信したデータを使用してビークルの位置推定の精度を高
めることができる。
本発明は、GPS衛星から受信したGPSデータの精度を高
めるために、放物線バイアス技術を含む。放物線バイア
スは各GPS衛星毎に導出され、そのGPS衛星のための実際
の擬似距離を向上させる。放物線バイアス技術では、放
物線モデルが実際の擬似距離に関して作成され、この放
物線モデルから放物線バイアスが補外される。
本発明は、GPS衛星から受信したGPSデータの精度を高
めるために、ベース残留バイアス技術を含む。ベース残
留バイアスは、ビークル上のVPSからの第１位置推定を
変更するために導出される。ベース残留バイアスは、ベ
ースステーションの既知の位置とその推定された位置と
の実効的な差である空間的なバイアスである。
本発明は、新しい衛星位置予測方法を含む。この方法
によって、本発明はGPS衛星の将来位置を予測すること
ができる。その結果、位置特定システムの精度及び性能
が更に高められる。
本発明は、GPSから最終的に導出される第１位置推定
の精度を向上させるために重み付き経路履歴技術を含
む。重み付き経路履歴技術は、先行第１位置推定を使用
してビークル経路モデルを導出し、このモデルによって
将来の第１位置推定の有効性を試験する。重み付き経路
履歴技術を使用することによって第１位置推定の漂動が
減少し、偽の位置計算を行わない特性が向上する。
本発明は更に、GPSの任意のGPS衛星から受信したデー
タの反選択可用性をも提供する。反選択可用性技術は任
意のGPSから受信した偽の位置特定用データを検出し、
修正する。（１）U.S.およびU.S.S.R.のそれぞれの政府
によって故意に改悪されたり、または（２）技術的な誤
動作のために、NAVSTAR GPSまたはGLONASS GPSから偽の
データを受信することがあり得る。
当業者ならば添付図面を参照しての以下の詳細な説明
から、本発明のさらなる特色及び長所が明白になるであ
ろう。説明には何等かの付加的な特色及び長所も含まれ
ていよう。
図面の簡単な説明 請求の範囲に限定されている本発明は本文及び以下の
図面を参照すると理解し易いであろう。
図１は本発明の好ましい実施例の高水準ブロック線図
100を示し、 図1Aは６つの軌道面174−184内に配分された21個の機
能GPS衛星130−170と、３個の予備GPS衛星（図示してな
い）とからなるNABSTAR GPS内の機能GPS衛星の高水準ブ
ロック線図100Aであり、 図２はNABSTAR GPSの４個のGPS衛星に関する４つの連
立航法方程式を示す図であって、これらの方程式はGPS
衛星200−206とビークル102との間の時計バイアスCbを
含み、 図３は本発明を実現し、実施できる典型的な自律作業
現場の高水準ブロック線図300であり、 図４は本発明のナビゲータ406、ビークルVPSアーキテ
クチャ1000、及びビークル制御装置408の間の相互関係
の高水準ブロック線図400であり、 図５は本発明による自律制御システム内の種々の要素
の脈絡と、それらの相互関係とを示す高水準ブロック線
図500であり、 図６はビークル102の位置を正確に決定するために、G
PS衛星星座200、202、204及び206を含み、また擬似衛星
105及びベースステーション188と共に使用される多分NA
BSTAR GPSであるGPSの動作の高水準ブロック線図600で
あり、 図７は好ましい実施例のGPS処理システムの電気的ア
ーキテクチャ／ハードウエア700を示す低水準ブロック
線図であり、 図８は好ましい実施例の図７に示すようなGPS処理シ
ステム700におけるソフトウエアの機能を示す低水準流
れ図800であり、 図９は好ましい実施例では走行距離計902及び慣性参
照ユニット（IRU）904を含むMPSのアーキテクチャ／ハ
ードウエア900を示す中間水準ブロック線図であり、 図10は好ましい実施例におけるVPSのVPSアーキテクチ
ャ／ハードウエア1000を示す中間水準ブロック線図であ
り、 図11は図10のVPSアーキテクチャ1000の低水準ブロッ
ク線図1100であり、 図12は図10のVPS主（I/O）プロセッサ1002の中間水準
ブロック線図1200であって、VPSカルマンフィルタ1202
及び重み付きコンバイナ1200を示し、 図12Aは好ましい実施例のスーパーカルマンフィルタ1
200Aの高水準ブロック線図であり、 図13は本発明の好ましい実施例において第１位置推定
の精度を改善するための星座効果方法の流れ図1300であ
り、 図14は４つのGPS衛星（図示してない）のGPS衛星星座
に関する一組の計算された推定擬似距離1404、1406、14
08、及び1410を示す座標系1402上の極プロット1400であ
って、陰影領域1412は擬似距離1406及び1408を生じさせ
たGPS衛星を顧慮した時のビークルの考え得る位置推定
を示し、 図15は好ましい実施例の原形バイアス技術の流れ図15
00であり、 図16は好ましい実施例の放物線バイアス技術の流れ図
1600であり、 図17は好ましい実施例のベース残留バイアス技術の流
れ図1700であり、 図17Aは、好ましい実施例のベース相関器バイアス技
術の流れ図1700Aであり、 図18は将来衛星位置の予測のための好ましい実施例に
おける方法の流れ図1800であり、 図19は本発明の重み付き経路履歴技術の流れ図1900で
あり、 図20はビークル102の第１位置推定の高水準図形表示2
000であって図19に示す重み付き経路履歴方法は第１位
置推定2010がビークル経路と全く一致しないためにそれ
を排除するであろうことを示し、 図20Aは図19及び図20に示す重み付き経路履歴技術を
実現するための方法の高水準流れ図2000Aであり、 図21は本発明の反選択可用性技術の流れ図であり、 図22は本発明によるノード及びセグメントを使用する
ビークルルート限定の図2200であり、 図23はポスチュア及び関係付けられた円が如何にして
目標点から求められるかを図式的に示す図2300であり、 図24は最初のクロソイドセグメントの符号を如何にし
て決定するかを示す図2400であり、 図25は最後のクロソイドセグメントの符号を如何にし
て決定するかを示す図2500であり、 図26はクロソイド曲線を図式的に示す図2600であり、 図27は近似フレネル積分を計算するための数値的方法
の流れ図2700であり、 図28は経路の再計画を示す図2800であり、 図29は二次、三次、及び四次のＢスプライン曲線の図
2900であり、 図30は本発明のポスチュア・リングバッファの実施例
を示す図3000であり、 図31は本発明の好ましい実施例の経路追尾制御アーキ
テクチャ／ハードウエアの高水準ブロック線図3100であ
り、 図32は舵取り計画サイクルにおける関連ポスチュアを
示す図3200であり、 図33は曲率を含む誤差ベクトルを如何に計算するかを
示す図3400であり、 図34は曲率を含む誤差ベクトルを、包含されたビーク
ル経路を用いて如何に計算するかを示す図3400であり、 図35は本発明のナビゲータ406の脈絡図3500であり、 図36は本発明の経路追尾構造の脈絡図3600であり、 図37A−37Dはそれぞれナビゲータ406のデータ流概要3
700A−3700Dであり、 図38Aはビークル搭載スキャナ404の図3800Bであり、 図38Bは障害物4002に対する自律ビークル走査102を示
す図3800Bであり、 図39は本発明のレーザ走査システムにおける選択され
た走査線3904及び3906の図3900であり、 図40は障害物4002を回避する自律ビークル102を示す
図4000であり、 図41は本発明の好ましい実施例による障害物処理の図
4100であり、 図42は本発明の好ましい実施例における障害物検出に
使用されるレーザスキャナシステムの中間水準ブロック
線図4200であり、 図43は本発明の自律採鉱用ビークルのための制御シス
テムの中間水準ブロック線図4300であり、 図44は図43の制御システムの動作モード間の遷移を示
す状態図4400であり、 図45は好ましい実施例の遠視線遠隔制御システムの高
水準ブロック線図4500であり、 図46は好ましい実施例の速度制御4304の高水準ブロッ
ク線図4600であり、 図47は好ましい実施例の速度制御4304のサービスブレ
ーキ制御回路の高水準ブロック線図4700であり、 図48は好ましい実施例の速度制御4034のガバナ制御回
路の高水準ブロック線図4800であり、 図49は本発明の好ましい実施例の舵取り制御システム
の舵取り制御回路4306の高水準ブロック線図4900であ
り、 図50は本発明の速度制御4304の駐車ブレーキ制御回路
の高水準ブロック線図5000であり、 図51は本発明の航法システムを開発するために使用さ
れる三輪車舵取りモデルの高水準ブロック線図5100であ
り、 図52は本発明の遮断回路の実施例を示す中間水準ブロ
ック線図5200であり、 図53はナビゲータ406のタスクを示す低水準通信図530
0であり、 図54はナビゲータ406のナビゲータ共有メモリの実施
例を示す中間水準通信図5400であり、 図55は実行判断に関する高水準監視流れ図5500を示
し、 図56は図56A−56Dの実行流れ図5600A−5600Dの関係／
接続の中間水準流れ図5600であり、 図56A−56Dはそれぞれ、高水準流れ図5500の低水準実
行流れ図5600A−5600Dであり、 図57A−57Rはそれぞれ、各々が監視流れ図5600−5600
Dにおける“…に基づく動作”を示す低水準流れ図5700A
−5700Rであり、 図58は図58A−58Cの相互関係の高水準流れ図5800であ
り、そして、 図58A−58Cはそれぞれ、各実行流れ図5700A−5700Qに
おける“状態に基づく動作”を示す低水準流れ図5800A
−5800Cである。
好ましい実施例の詳細な説明 目次 I.定義 II.一般的な概要 A.ビークル位置特定システム（VPS） B.航法システム C.ベースステーション III.ビークル位置特定システム A.概要 B.GPS処理システム 1.NAVSTAR GPS 2.動作 C.移動***置特定システム（MPS） D.VPSアーキテクチャ E.ベースステーション F.衛星をベースとする精度改善 1.星座効果 2.差動修正技術 a.原形バイアス技術 b.放物線バイアス技術 c.ベース残留バイアス技術 d.ベース相関器バイアス技術 G.衛星位置予測装置 H.重み付き経路履歴 I.反選択可用性 J.探査 K.図形表現 IV.航法システム A.概要 B.ルート計画／経路生成 1.序 a.クロソイド経路セグメント b.ビークル経路モデル化 c.クロソイド曲線 d.ポスチュア連続経路の生成 （１）従来の方法 （２）点のシーケンスからの経路生成 （３）経路のクロソイド再計画 （４）概要 （５）Ｂスプライン 2.ルート作成及び記憶 a.序 b.ルート限定 c.ナビゲータルート用法 C.経路追尾 1.序 2.検討 a.グローバル位置フィードバック b.分離舵取り及び駆動制御 3.実施例 a.追尾制御構造 b.5次法 c.待ち時間及び低速システム d.ビークル・大地相互作用（VGI） e.検知及び作動タイミング f.予見 g.最適制御法 h.結論 D.障害物処理 1.序 2.障害物の検出 a.隙間検査 b.濾波及び縁検出 c.障害物抽出 （１）道路の発見 （２）道路高さのモデル化 （３）しきい値設定 （４）ブロッブ抽出 （５）応用 3.障害物の回避 4.経路への復帰 5.スキャナシステム a.序 b.レーザスキャナ c.スキャナシステムインタフェース d.スキャナシステムバッファ回路 E.ビークル制御システム 1.序 2.ビークル管理者（モード） a.作動可能モード b.テレモード c.手動モード d.自律モード 3.速度制御 4.舵取り制御 a.舵取りモデル b.経路表現 c.ポスチュア定義 d.位置情報 e.VPS短定義 f.舵取り法 5.モニタ／補助 6.安全システム a.序 b.遮断制御 7.バスアーキテクチャ F.機能記述／方法 1.ナビゲータ a.主 b.モニタVEHステータス c.スキャナ d.コンソール及びコンソールパーザ e.指令入手 f.ホストへのメッセージ g.VPS位置 h.VPSポスチュア i.トラッカ j.ナビゲータ共用（グローバル）メモリ k.流れ図 I.定義 以下のアルファベットの順の定義リストは、本発明を
理解し易くするためのものである。
（１）“絶対位置”（Absolute position）本明細書に
おいては、地球の中心に対する位置のことである。一般
的に絶対位置は、何れも地表または地表付近にあるビー
クルまたはベースステーションに関連していよう。本発
明の好ましい実施例においては、第１、第２、及び第３
位置推定は全て絶対位置である。
（２）“実際の擬似距離”（Actual pseudorange）と
は、（１）参照点と（２）地上位置決定システムの源と
の間の距離の近似を意味する。本明細書では実際の擬似
距離とは、通常、（１）地球受信機と（２）GPS衛星及
び擬似衛星の両方または何れか一方との間の距離のこと
を言う。実際の擬似距離は、GPS衛星及び擬似衛星の両
方または何れか一方から発せられる電磁信号の送信と受
信との間の伝播時間遅延を最初に測定することによって
近似される。実際の擬似距離は、計算された時間遅延に
光速、即ち2.9979245898 ＊ 108m/sを乗ずることによっ
て容易に計算できる。
（３）“反選択可用性”（Anti−selective availabili
ty）とは、変調の粗／収集（C/A）モードにおける改悪
されたGPSデータを検出し、補償するための方法／技術
／処理過程のことである。
（４）“自律”（Autonomous）は、本明細書において
は、その普通の意味で使用される。これは、完全に自動
的であるか、または実質的に自動的であるか、または動
作に殆ど人間が関与しないかの何れかであるような動作
を言う。一般に自律ビークルとは、運転に人手を要さな
いビークルか、または操縦士もしくは副操縦士を必要と
せずに動作するビークルを意味する。しかしながら、自
律ビークルは自動的に駆動または他の方法で作動せしめ
られてもよく、１人または複数の乗客を乗せていてもよ
い。
（５）“ベース相関器バイアス”（Base correlator bi
as）は、図17Aの流れ図1700Aに従って導出される空間バ
イアスを意味する。
（６）“ベース相関器バイアス技術”（Base correlato
r bias technique）は、ベース相関器バイアスを計算す
るための方法／処理過程を意味する。
（７）“ベース推定位置”（Base estimated positio
n）または“BEP"は、ビークルに対するベースステーシ
ョンの相対位置のことである。BEPは、本明細書のII.F.
2.d.「ベース相関器バイアス技術」において使用され
る。
（８）“ベース既知位置”（Base known position）ま
たは“BKP"は、既知のベースステーション（参照点とし
て使用される）の絶対位置である。BKPは何等かの正確
な位置特定システムから導出されたそれ自身の推定であ
ることができる。BKPは、何等かの他の位置推定よりも
正確なベースステーションの絶対位置であると見做され
る。
（９）“ベース位置推定”（Base position estimate）
は、ホスト処理システム内のGPS処理システムから導出
されたベースステーションの絶対位置推定を意味する。
ベース位置推定はビークル上のGPS処理システムによっ
て導出された第１位置推定と実質的に同一である。ベー
ス位置推定は、本明細書のII.F.2.c.「ベース残留バイ
アス技術」において計算される。
（10）“ベース残留バイアス”（Base residuals bia
s）は、ベースステーションのベース既知位置（BKP）と
ホスト処理システムによって計算されるベースステーシ
ョンの位置推定との実効差である空間バイアスを意味す
る。
（11）“ベース残留バイアス技術”（Base residuals b
ias technique）はベース残留バイアスを導出する方法
を言う。
（12）“バイアス”（Bias）とは、２つの測定の差、通
常は位置推定の差（空間バイアス）、またはクロックレ
ートの差（時計バイアス）のことである。通常、一方の
測定の方が別の測定より正確であることが知られている
から、バイアスは“誤差”と呼ばれることが多い。
（13）“時計バイアス”（Clock bias）とは、（１）GP
S衛星及び擬似衛星の両者または何れか一方の送信回路
と（２）地球受信機の受信回路との間の時計時刻の差を
意味する。空間バイアスの計算において時計バイアスを
使用する場合、時計バイアスには光速、即ち2.998 ＊ 1
08m/sが乗ぜられる。従って、時計バイアスは長さの単
位に変換されるのである。
（14）“星座”（Constellation）は、地表の、または
地表付近の点の絶対位置推定を導出するために使用され
る信号を発するGPS衛星及び擬似衛星の両者または何れ
か一方からなる群のことである。後述する“最適星座”
を参照されたい。
（15）“星座効果法”（Constellation effect metho
d）は、ビークルの視野内のGPS衛星の大きい群からGPS
衛星の最適星座を選択する技術または処理過程を意味す
る。
（16）“データ無線”（Data radio）は、無線周波数
（RF）において通信するための送信機、受信機、送受信
機、またはそれらの任意組合せを言う。
（17）“地球受信機”（Earth receiver）は、GPS衛星
及び擬似衛星の両者または何れか一方から信号を受信
し、処理する何等かの装置またはデバイス、またはそれ
らの何等かの部分のことである。地球受信機は地表に、
または地表付近に位置決めすることができる。更に地球
受信機は、例えばビークルまたはベースステーションの
形状をとることができる。
（18）“推定擬似距離”（Estimated pseudorange）と
は、（１）参照点と（２）地上位置決定システムの源と
の間の距離の近似のことである。本明細書では実際の擬
似距離とは、通常（１）地球受信機と（２）GPS衛星及
び擬似衛星の両者または何れか一方との間の距離の近似
のことである。推定擬似距離は、GPS衛星及び擬似衛星
の両者または何れか一方から送信される電磁信号上に符
号化されているGPSデータから計算される。NAVSTAR GPS
のGPSデータから推定擬似距離を計算するための公式を
載せた暦を公的に入手することができる。
（19）“第１位置推定”（First position estimate）
または“FPE"または“FPE（ｉ）”は、どのような形状
であっても、GPSから出力される何れかのビークルの推
定絶対位置のことである。本発明では、第１位置推定及
び第２位置推定は独立的に導出される。爾後にこれらの
推定は組合わされ、濾波されて第３の位置推定が導出さ
れる。従って、第１位置推定の精度は第３位置推定の精
度に影響する。
（20）“GLONASS GPS"はU.S.S.R.によって設計され、現
在開発中のGPSである。
（21）“グローバル位置特定システム”（Global posit
ioning system）または“GPS"は、１つの型の地上位置
決定システムである。GPSでは、複数の衛星が惑星地球
を回る軌道内に配置される。GPS衛星は電磁信号を送信
するように設計されている。これらの電磁信号から、地
表上の、または地表付近の如何なる受信機もこの絶対地
上位置（地球の中心に対する位置）を最終的に決定する
ことができる。U.S.政府は、そのGPSを“NAVSTAR"と命
名した。U.S.R.政府は、そのGPSを“GLONASS"と命名し
ている。
（22）“GPSデータ”（GPS data）とは、GPSのGPS衛星
から送信される信号上に符号化されている全てのデータ
のことである。GPSデータは、例えば天体暦データ及び
時刻データを含む。
（23）“GPS処理システム”（GPS processing system）
は、地上位置決定システムから信号を受信し、受信した
信号からビークルの第１位置推定を導出するための本発
明のシステムである。好ましい実施例では、GPS処理シ
ステムはGPSのGPS衛星及び擬似衛星の両者または何れか
一方から電磁信号を受信する。
（24）“ホスト処理システム”（Host processing syst
em）は、ビークルの位置推定の精度を高める方法及び技
術を遂行するためにベースステーションにおいて作動す
るコンピュータシステムである。これらの方法及び技術
から導出したデータはビークルへ送信されるので、ビー
クルは第１、第２、及び第３位置推定を計算する際にこ
のデータを使用することができる。好ましい実施例で
は、ホスト処理システムのアーキテクチャ／ハードウエ
アはVPSのアーキテクチャ／ハードウエアと実質的に同
一である。
（25）“慣性参照ユニット”（Inertial reference uni
t）または“IRU"は通常はビークルに搭載され、ビーク
ルの第２位置推定の導出を支援するシステムである。IR
Uは、ジャイロスコープまたはジャイロによって安定化
されている参照座標フレーム内の加速度計から比力（sp
ecific−force）測定を入手する。IRUは、レーザ型ま５
たは機械型であって差し支えない。IRUを使用する無支
援航法システムでは、加速度計によって測定された比力
（地球重力の効果に関して補正済）は航法数式に統合さ
れてビークルの位置及び速度を発生する。好ましい実施
例では、IRUはMPSの部分である。
（26）“カルマンフィルタ”（Kalman filter）は、そ
の普通の意味で使用される。これは、データ内の雑音ま
たは誤りを濾波して排除するためのソフトウエアプログ
ラムのことである。好ましい実施例では、第１位置推定
の精度を高めるべく雑音または誤りを濾波して排除する
ためにGPS処理システムにおいてGPSカルマンフィルタが
使用されている。また第２位置推定の精度を高めるべく
雑音または誤りを濾波して排除するためにVPSにおいてV
PSカルマンフィルタが使用されている。
（27）“移動***置特定システム”（Motion positioni
ng system）または“MPS"は、少なくともIRUと、ビーク
ル走行距離計とを備えている。好ましい実施例では、MP
Sは地表の、または地表付近の如何なるビークルの第２
位置推定をも導出する。更に、ベースステーションは本
質的に静止しているから、ベースステーションにMPSは
必要ではない。
（28）“最適星座”（Optimal constellation）は空間
におけるGPS衛星の相対位置が、地表の、または地表付
近の点の最も正確な推定を導出する優れた三角測量を提
供するような衛星星座を意味する。
（29）“原形バイアス”（Original bias）は、実際の
擬似距離から、推定擬似距離と（長さの単位での）時計
バイアスとを減算することによって計算される空間バイ
アスを意味する。時計バイアスは、それらに光速、即ち
2.9979245898 ＊ 108m/sを乗ずることによって長さの単
位に変換されている。
（30）“原形バイアス技術”（Original bias techniqu
e）は、原形バイアスを計算する方法である。
（31）“NAVSTAR GPS"は、U.S.政府によって設計され、
現在開発中のGPSである。
（32）“航法システム”（Navigation system）は、地
表の、または地表付近の如何なるビークルをも案内する
何等かのシステム及び方法の両者または何れか一方を言
う。航法システムはビークルに搭載できる。本発明のVP
Sは、ビークルの航法システムに極めて正確な第３位置
推定を供給できるので、それによって航法システムはビ
ークルを精密に案内することができる。
（33）“放物線バイアス”（Parabolic bias）は、各観
測されたGPS衛星の実際の擬似距離に関する放物線モデ
ルを作成し、これらの放物線モデルから複数の値を補外
することによって計算される空間バイアスである。好ま
しい実施例では、放物線バイアスは、実際の擬似距離、
マイナス作成された放物線モデルから補外した値、マイ
ナス時計バイアス（光速を乗ずることによって長さの単
位）である。
（34）“放物線バイアス技術”（Parabolic bias techn
ique）は、使用される各GPS衛星に関して放物線バイア
スを計算するための方法である。
（35）“好ましい実施例”（Preferred embodiment）
は、本発明を実現する最良モードのことである。好まし
い実施例は単に例示に過ぎない。本発明は、好ましい実
施例によって限定されるものと解釈すべきではない。
（36）“擬似衛星”（Pseudolite）はGPS衛星に似せた
地表または地表付近の放射装置である。好ましい実施例
では、GPS衛星からの電磁信号に類似した電磁信号が陸
上基地擬似衛星から送信される。GPS衛星に似せるため
に１またはそれ以上の擬似衛星を使用して第１位置推定
の計算を向上させることができる。
（37）“擬似衛星データ”（Pseudolite data）は、擬
似衛星から受信する信号上に符号化されている全てのデ
ータを意味する。擬似衛星データは多くの点でGPSデー
タに類似し、同じような情報を含む。
（38）“擬似距離”（Pseudorange）は、地上位置決定
システムの源と地表または地表付近の点との間の距離で
ある。好ましい実施例では、これらの源はGPS衛星及び
擬似衛星の両者または何れか一方であることができる。
地上位置決定システムは、擬似衛星（もし使用すれば）
と共に使用されるGPSであることができる。更に、地表
または地表付近の点は、ベースステーション及びビーク
ルの両方または何れか一方であることができる。
（39）“衛星位置予測法”（Stellite position predic
tor）は、GPS衛星の将来位置を決定する方法である。こ
の方法によって早目に最適星座を選択することが可能に
なる。
（40）“第２位置推定”（Second position estimate）
または“SPE"は、どのような形状であっても、MPSから
出力される何れかのビークルの推定絶対位置のことであ
る。第２位置推定は、少なくともIRUからの位置情報を
含む。第２位置推定は、ビークル上に位置しているビー
クル走行距離計からの位置情報を含むことができる。
（41）“空間バイアス”（Spatial bias）は、二次元ま
たは三次元空間における位置の近似に関連するバイアス
のことである。空間バイアスは、位置推定の精度を高め
るために位置推定をオフセットさせるのに使用される。
空間バイアスは、本発明の複数の異なる方法で計算する
ことができる。これらの方法に含まれるのは、例えば、
原形バイアス技術1500（II.F.2.a.）、放物線バイアス
技術1600（II.F.2.b.）、ベース残留バイアス技術1700
（II.F.2.c.）、及びベース相関器バイアス技術1700A
（II.F.2.d.）である。
（42）“システム”（Sysem）は、装置、方法、または
装置と方法の両者の組合せを意味するために簡略化の目
的で使用される。更に、これはソフトウエア、ハードウ
エア、またはハードウエアとソフトウエアの両者の組合
せをも含むことができる。
（43）“位置決定システム”（Position determination
system）は、源と受信機との間の相対距離を推定する
ために信号の受信機が使用することができる信号を発す
る源を有する何等かのシステムを意味する。信号は、例
えば、電磁波、衝撃波、及び音響波の全てまたは何れか
の形状であることができる。
（44）“地上位置決定システム”（Terrestrial positi
on determination system）は、地球受信機の地上位置
を最終的に推定するために使用できる何等かの位置決定
システムを意味する。信号は、例えば、電磁波、衝撃
波、及び音響波の全てまたは何れかの形状であることが
できる。好ましい実施例では、地上位置決定システムは
NAVSTAR GPSである。
（45）“第３位置推定”（Third position estimate）
または“TPE"は、どのような形状においても、VPSから
出力される何れかのビークルの推定絶対位置のことであ
る。第３位置推定は、第１及び第２位置推定よりも正確
なビークル位置の位置推定である。第３位置は、VPS処
理システムによって第１及び第２位置推定から導出され
る。
（46）“ビークル”（Vehicle）とは、物理的な物を輸
送するための何等かの運搬装置のことである。ビークル
は、採鉱用トラック、建設用トラック、農業用トラク
タ、自動車、船、ボート、列車、気球、ミサイル、また
は航空機の形状をとることができる。好ましい実施例で
は、キャタピラ社の785オフハイウエイトラックが使用
されている。
（47）“ビークル位置特定システム”（Vehicle positi
oning system）または“VPS"は、何れかのビークルの位
置推定を導出するための本発明のシステムである。VPS
からの位置推定は極めて正確であり、ビークルを正確に
案内するために如何なるビークル上の航法システムも使
用することができる。好ましい実施例では、VPSからの
位置推定を第３位置推定と呼ぶ。
（48）“VPS処理システム”（VPS processing system）
は、VPSの処理システムを意味する。VPS処理システム
は、第１及び第２位置推定から第３位置推定を導出す
る。アーキテクチャは図10及び11に示されている。
（49）“重み付きコンバイナ”（Weighted combiner）
は、データを処理する特定のソフトウエアプログラムの
ことである。入力されたデータは、そのデータの推定精
度と、そのデータを集めるために使用された技術とに基
づいて所定の重み付け係数が割り当てられる。例えば、
好ましい実施例では、GPS信号716の第１位置推定は、IR
U信号910の第２位置推定よりも重い重み付けがなされる
（前者の方が本質的により正確であるから）。更に、IR
Uによって測定された速度はGPS処理システムによって測
定された速度よりも重い重み付けがなされる（前者の方
が本質的により正確であるから）。好ましい実施例で
は、GPS処理システムによって測定された速度は最後ま
で使用されないが、他の実施において使用することは可
能である。
（50）“重み付き経路履歴技術”（Weighted path hist
ory technique）はGPS処理システムから出力される第１
位置推定の精度を高めるための方法または処理過程であ
る。この技術は、将来の第１位置推定の有効性を試験す
るためのビークル経路モデルを導出するために、それま
での第１位置推定を使用する。重み付き経路履歴技術を
使用することにより、第１位置推定の漂動が減少し、偽
位置を計算しない免除特性が高められる。
II.一般的な概要 図１は、本発明の好ましい実施例の高水準ブロック線
図100を示す。地表の、または地表付近のビークル102の
正確な自律動作を得るために、本発明はビークル位置特
定システム（VPS）1000と、航法システム1022とを含
む。これらの両システムは装置、方法、及び技術を含
み、これらは一緒に統合すると人手によらないビークル
の高度に正確な制御を提供する。
A.ビークル位置特定システム（VPS） 規定された経路に沿って自律ビークル102を案内する
タスクは、特に、ある参照点に対するビークルの現位置
の正確な推定を必要とする。一旦現位置が知れれば、ビ
ークル102はその次の行先へ進むように命令される。
本発明のVPS1000を使用すると、ビークル102の位置推
定を極めて精密に決定することができる。VPS 1000は、
NASTAR GPSまたはGLONASS GPSのようなGPSのGPS衛星104
からGPSデータを受信する。
好ましい実施例では、NAVSTAR GPSを使用している。
図1AにNAVSTAR GPSを示す。GPS衛星130−168は６つの軌
道174−184内で地球172を周回している。
図１に戻って、VPS 1000は、１または複数の擬似衛星
105からの擬似衛星データをも受信できる。本明細書に
おいては、“擬似衛星”とは地表の、または地表付近の
GPS衛星に似せた放射装置を意味する。
GPSデータ及び擬似衛星データの両方または何れか一
方から、VPS 1000はビークル102の正確な位置の推定を
導出する。GPSデータ及び擬似衛星データの両方または
何れか一方は、ビークル位置推定の精度を向上させるた
めの本発明の種々の創意に富む技術及び方法によって、
大幅に改善される。
詳述すれば、好ましい実施例のVPS1000は、NAVSTAR G
PS 104からの、及び移動***置特定システム900からのG
PSデータを組入れた位置特定システムである。好ましい
実施例では、移動***置特定システム900は慣性参照ユ
ニット（IRU）904及びビークル走行距離計902の両方ま
たは何れか一方を備えている。IRU 904は、１またはそ
れ以上のレーザジャイロスコープ106と、１またはそれ
以上の加速度計108とを含み、これらは位置、速度、横
揺れ、縦揺れ及び偏揺れデータを発生させるために使用
できる。ビークル走行距離計902は、ビークル102が走行
した距離に関するデータを発生する。
ビークル102の第１位置推定は、GPS衛星140から受信
したGPSデータ及び１または複数の擬似衛星105から受信
した擬似衛星データから、GPS処理システム700によって
導出される。第１位置推定の精度を高めるために、本発
明は以下に説明する複数の方法を実現する。更に、IRU
904及びビークル走行距離902の両方または何れか一方を
備えた移動***置特定システム900のMPS相互通信プロセ
ッサ906によって第２位置推定を導出する。
矢印112及び114によってそれぞれ示してあるように、
第１位置推定及び第２位置推定は、VPS処理システム116
によって組合わされ、濾波される。出力矢印118によっ
て示される結果が、より正確な第３位置推定である。
B.航法システム 航法システム1022は、VPS 1000から第３位置推定を受
信する。航法システム1022はこの精密な第３位置推定を
使用してビークル102を正確に航行させる。航法システ
ム1022の主目的は、事前に確立された、または動的に生
成される経路に沿う点間でビークル102を案内すること
である。
好ましい実施例では、航法システム1022はビークル10
2自体上に位置決めされている。換言すれば、それは本
質的に“搭載”システムである。更に、航法システム10
22は、既存ビークル102に事後設置するように設計する
ことができる。
航法システム1022がビークル102を案内して事前に確
立された、または動的に生成される経路を辿らせること
を可能にするために、種々のモデル、即ち概念的表現が
生成され、使用される。例えば、線及び弧を使用して目
標点間にビークル経路を確立することができる。ビーク
ル102が航行する実際の経路をモデル化するために、数
学的Ｂスプラインまたはクロソイド（clothoid）曲線を
使用することができる。これらの数学的曲線に関しては
後に詳述する。
上記モデル化、即ち表現技術の使用が、データ通信、
記憶、及びビークル102の取り扱いを向上させる。更
に、これらの技術が制御及び通信の階層を提供するの
で、監視タスクを簡易化することができる。階層制御体
系に存在する制御のレベルが高いほど、タスクは簡易化
され、また命令はコンパクトになる。
航法システム1022は、ビークル102を移動させ、停止
させ、舵取りするために要求される必要物理動作を遂行
するために、ブレーキ、舵取り装置、及び機関及び伝動
装置のようなビークルの機械的システムの制御をも行
う。
また航法システム1022は、所望の位置に対するビーク
ル102の実際の位置を検査し、所望の位置に従ってビー
クル制御を修正する。航法システム1022は、この検査能
力を向上させるために、多重状態モデルを走らせること
ができる。更に航法システム1022は、システム自体及び
ビークル成分内の誤りまたは障害を検査する。もし誤り
または障害が検出されれば、航法システム1022はビーク
ル102を完全に停止せしめることによってフェールセー
フ運転停止を遂行することができる。
更に航法システム1022は、ビークル102を制御するた
めの異なるモードを提供する。これらには、（１）ビー
クル102の航行が航法システム1022によって自動的に処
理される完全自律モードと、（２）遠隔の操作員（図示
してない）がビークル102の方向及び運動等を制御でき
るテレモード、または遠隔制御モードと、（３）ビーク
ル102内に座している操作員がビークル102の制御を行
い、それを手動で駆動することができる手動モードとが
含まれる。
自律モードでは、もしビークル102が制御下になけれ
ば、障害物が特性に甚大な損傷をもたらし、生命に重大
な危害をを与えかねないので、障害物の検出は臨界的で
ある。航法システム1022は効率的に障害物を検出するこ
とができる。巨礫、動物、人々、樹木、または他の障害
物が突然ビークル102の経路内に侵入するかも知れな
い。航法システム102はこれらの障害物を検出すること
ができ、ビークル102を停止させるか、または障害物を
廻る経路を計画し、その経路が安全であると考えられる
とビークル102を元のルートに戻す。
所望のルートを正確に追尾することが航法システム10
22の別の機能である。航法システム1022の機能及びアー
キテクチャは、約30マイル／時（mph）までの速度でビ
ークル経路を実時間追尾するように設計されている。
C.ベースステーション 本発明は、ベースステーション188にホスト処理シス
テム186を備えることができる。ホスト処理システム186
は、VPS 1000及び航法システム1022の両方に関する機能
を遂行する。
VPS 1000に関してホスト処理システム186は、矢印190
及び192によってそれぞれ示してあるように、GPSデータ
及び擬似衛星データの両方または何れか一方を受信す
る。実際には、後述するようにビークル位置推定の精度
を改善するために、ベースステーション188と同様にホ
スト処理システム186は既知の参照点として働く。
ホスト処理システム186はビークル位置推定の精度を
向上させるための種々の方法を実現する。前述の衛星位
置予測法（II.G.参照）もホスト処理システム186によっ
て実現される。ホスト処理システム186は、ビークル102
によって観測される同一衛星星座を認識するであろう。
GPSデータ及び擬似衛星データの両方または何れか一
方に対して計算が遂行されてバイアスが導出される。本
明細書においては“バイアス”とは、２つの測定の間の
差のことであり、通常は位置推定間の差（空間バイア
ス）またはクロックレートの差（時計バイアス）であ
る。通常は一方の測定の方が別の測定よりも正確である
ことが知られているから、バイアスを“誤差”と呼ぶこ
とが多い。
空間バイアスを計算するために、ホスト処理システム
186は多くの方法を実現する。これらの方法には、例え
ば、原形バイアス技術1500（II.F.2.a.）、放物線バイ
アス技術1600（II.F.2.b.）、ベース残留バイアス技術
（II.F.2.c.）、及びベース相関器バイアス技術（II.F.
2.d.）が含まれる。
前述の作動修正技術はデータ誤差を補償する。換言す
れば、ホスト処理システム186において計算されたバイ
アスはデータ誤差を表す。矢印194によって示すよう
に、バイアスはビークル102のGPS処理システム700へ送
信される。GPS処理システム700はこれらのバイアスを使
用してビークル位置推定内の誤差を排除する。
ホスト処理システム186は、本発明の航法システム102
2に関する機能をも提供する。矢印196によって示してあ
るように、ホスト処理システム186は、航法システム102
2の最高水準の制御として働く。それは、人間の運行管
理係が達成するのと殆ど同一の結果をもたらすようにビ
ークル102のスケジューリング及び運行管理を処理す
る。従って、ホスト処理システム186は、ビークル102の
作業サイクルを決定することができる。
ホスト処理システム186は、ビークル102に指定された
経路を通って現位置から将来位置まで進行するように命
令するので、ビークル102はその作業目的を達成するこ
とができる。ホスト処理システム186は、普通に行われ
ているようにルートに沿う各点をリストするのではな
く、名前によってビークルルートを指定することができ
る。従って、ビークル搭載航法システム1022は名付けら
れたビークルルートを表引きし、名付けられたビークル
ルートを名付けられたビークルルートに沿うノード及び
セグメントの集合に翻訳する。
II.ビークル位置特定システム A.概要 以下に特に図７乃至21を参照してVPS1000に関して説
明する。図10及び11はVPS1000のアーキテクチャ／ハー
ドウエアを示す。VPS1000は地表の、または地表付近の
移動または静止ビークル102の極めて正確な位置決定シ
ステムである。
VPS 1000が、それぞれ図７及び９に示すGPS処理シス
テム700及びMPS900を含んでいることを思い出された
い。またMPS900が、共に図９に示されているIRU904とビ
ークル走行距離計902とを含んでいることも思い出され
たい。実際には、極めて効果的な位置決定システムを得
るために、これらのシステムは本発明によって向上せし
められている。
図７を参照する。GPS処理システム700は、GPS受信機7
06に接続されるアンテナ702を含んでいる。アンテナ702
の視野内のGPS衛星104が、図２及び３に示すように複数
のGPS衛星200−206からなっている場合には、GPS受信機
706はそれらの各GPSデータを、アンテナ702の視野内の
１またはそれ以上の何れかの擬似衛星105からの擬似衛
星データと共に読み取る。好ましい実施例では、GPS受
信機706はビークル102の第１位置推定をGPSデータ及び
擬似衛星データの両方または何れか一方から計算する責
を負っている。
第１位置方法の精度を高めるために、衛星位置予測方
法1800（II.G.参照）がGPS処理システム700のGPSプロセ
ッサ710によって実現される。衛星位置予測方法1800は
現時点における、または何れかの将来時点における如何
なるGPS衛星の位置をも予測する。
衛星位置情報を使用すれば、GPS処理システム700は最
適GPS衛星星座を決定でき、星座効果方法1300（II.F.参
照）を使用することによって認識することができる。好
ましい実施例では、星座効果方法1300もGPSプロセッサ7
10によって実現されている。星座効果方法1300に従え
ば、GPS衛星200−206及び１または複数の擬似衛星105か
らなるデータ源から最良の星座が選択される。
GPSプロセッサ706は、最良星座及び幾何学／三角法に
基づいてビークル102の第１位置推定を計算する。第１
位置推定の精度は、部分的に、計算に用いられるGPS衛
星の数に依存する。使用される付加的な各GPS衛星は第
１位置推定の精度を向上させることができる。計算の後
に、ビークル102の第１位置推定は図10のVPS主プロセッ
サ1002へ送信される。
図９を参照する。IRU 904は、位置、速度、横揺れ、
縦揺れ、偏揺れデータを発生するレーザジャイロスコー
プ及び加速度計を備えている。IRU 904は、この情報を
ビークル102の第２位置推定内へ組合わせる。ビークル1
02が走行した距離を測定するために走行距離計902を組
込むことができる。図10に示すように、IRU 904及び走
行距離計902からのデータもMPS相互通信プロセッサ906
を介してVPS主プロセッサ1002へ送信される。
VPS主プロセッサ1002は、MPS 900（IRU 904及び多分
走行距離計902）からの第２位置推定と、GPS処理システ
ム700からの第１位置推定とを組合わせて、より正確な
第３位置推定を生成する。
VPS 1000は、ビークルを“漂動”させる恐れのある誤
りの、または偽の第３位置推定を排除する方法をも実現
する。この方法は重み付き経路履歴方法（II.H.参照）
と呼ばれる。本質的に、ビークル102の経路履歴は、ビ
ークル102の位置の将来推定の精度を統計的に決定する
ために使用される。
図１及び３を参照する。ベースステーション188は、V
PS 1000のための地理的近似参照点を提供する。ベース
ステーション188は、ホスト処理システム186を含む。好
ましい実施例では、ホスト処理システム186はGPS処理シ
ステム700と類似のアーキテクチャを備え、同一機能を
遂行する。しかし、ホスト処理システム700は、第１位
置推定の精度を向上させるための付加的な機能を遂行す
る。
衛星位置予測方法1800（II.G.）は、上述のようにGPS
処理システム700に加えてホスト処理システム186によっ
て実現される。従ってホスト処理システム186は、ビー
クル102が観測したものと同一の、またはより大きい星
座内に同一GPS衛星を含むGPS衛星星座を認識する。
GPSデータ及び擬似衛星データの両方または何れか一
方に対して計算が遂行され、空間バイアス及び時計バイ
アスを含むバイアスが導出される。空間バイアスを計算
するために、ホスト処理システム186は種々の方法を実
現する。図15は原形バイアス技術1500（II.F.2.a.）を
示す。図16は放物線バイアス技術1600（II.F.2.b.）を
示す。図17はベース残留バイアス技術1700（II.F.2.
c.）を示す。図17Aはベース相関器バイアス技術1700A
（II.F.2.d.）を示す。
矢印194で示すように、空間バイアス及び時計バイア
スはビークル102のGPS処理システム700へ送信される。G
PS処理システム700はこれらのバイアスを使用してビー
クル位置推定内の誤差を排除する。
B.GPS処理システム GPS処理システム700は、地上位置決定システムからの
ビークル位置データを使用してビークル102の第１位置
推定を導出する。好ましい実施例では、地上位置決定シ
ステムは、現在U.S.政府が開発中のNAVSTAR GPS及び地
球をベースとする擬似衛星の両方または何れか一方から
なる。
1.NAVSTAR GPS 図1Aに示すように、NAVSTAR GPSは、現在では６つの
軌道174−184内に24個の人工電子GPS衛星132−170を企
図している。現在考えられているところでは、GPS衛星1
32−170は約14,000マイルの高度で、１日に２回地球172
を周回する。後述するように、NAVSTAR GPSのＣモード
を使用すると天候、時刻には関係なく、また地球172の
殆どの領域において15メートル以内で地上位置を決定す
ることが可能である。
本明細書を提出した日現在で、地球172を回る軌道内
には６個の実験用GPS衛星と、７個の動作中のGPS衛星と
が存在することが知られている。更に、幾つかの製造業
者が、図７のGPS受信機706のようなGPS受信機を設計ま
たは、製造中であることが知られている。GPS衛星は次
々に開発されて機能しており、位置追尾のために毎日使
用できる実験用GPS衛星が３個またはそれ以上である時
間は増加している。
更に、実験用GPS衛星は（及び他の全ては、一旦展開
すると）正確に予測可能である。ビークル102上のGPS受
信機に対するこれらのGPS衛星の相対位置、即ち“擬似
距離”は、電磁信号から２つの方法によって決定でき
る。
１つの方法は、発射される電磁信号の送信と受信との
間の伝播時間遅延を測定することである。NAVSTAR GPS
では、電磁信号は、それらの信号がGPS衛星から送信さ
れる時刻で連続的に符号化されている。受信時刻に注目
して、符号化された送信時刻を差し引くことによって時
間遅延を導出できることは言うまでもない。計算された
時間遅延と、大気中の電磁波の走行速度とから、擬似距
離を正確に導出することができる。上記方法を使用して
計算された擬似距離を、本明細書では“実際の”擬似距
離と呼ぶ。
別の方法は、周回するGPS衛星から送信される電磁信
号内に符号化されている衛星位置データを包含する。NA
VSTAR GPSのGPS衛星の位置データに関する暦データが公
的に入手できる。もし受信機位置が知られていれば、電
磁信号内に符号化されているデータに関するこの暦デー
タを参照することによって、擬似距離の正確な導出が可
能である。この方法を使用して計算された擬似距離を、
本明細書では“推定”擬似距離と呼ぶ。
しかしながら、推定擬似距離を導出する従来の方法に
おいては、衛星位置データがGPS衛星において毎正時に
１回だけしか更新されないことに注目すべきである。従
って、更新された衛星位置データを使用して新しい擬似
距離を計算する場合には、擬似距離の精度は次の正時ま
では各正時からの時間と共に低下する。
再び図1Aを参照する。この図には完全に機能している
NAVSTAR GPSの構成の概要が示されている。24個の各GPS
衛星132−170は電磁信号を送信し、これらの電磁信号は
ビークル102の絶対地上位置（即ち、地球172の中心に対
する緯度、経度、及び高度）を決定るために使用するこ
とができる。
具体的に言えば、少なくとも３個の周回GPS衛星132−
170の相対位置を知ることによって、三角法を含む簡単
な幾何学理論を使用してビークル102の絶対地上位置を
計算することができる。この地上位置推定の精度は、部
分的に、ビークル102がサンプルする周回GPS衛星132−1
70の数に依存する。より多くのGPS衛星132−170のサン
プリングを計算に入れれば、地上位置推定の精度は向上
する。ビークル102の回路と種々のGPS衛星132−170との
間の回路時計差が誤差をもたらすので、伝統的に、３個
ではなく４個のGPS衛星をサンプルして各地上位置推定
を決定している。
NAVSTAR GPSでは、電磁信号は全てのGPS衛星132−170
から単一の搬送波周波数で連続的に送信される。しか
し、各GPS衛星132−170は異なる変調計画を有し、それ
によって電磁信号を区別できるようになっている。NAVS
TAR GPSでは、搬送波周波数は、各GPS衛星に独特な擬似
２進コード信号（データビット流）を使用して変調され
ている。この擬似２進コード信号が搬送波周波数を２相
変調するために使用される。従って搬送波周波数を復調
すればNAVSTAR GPS内の周回GPS衛星を識別することがで
きる。
更にNAVSTAR GPSには、擬似ランダム数（PRN）信号を
使用する２つの搬送波変調モードが含まれる。“粗／収
集”（C/A）モードと呼ぶ一方のモードでは、PRN信号は
1.023MHzのチップレートを有するゴールドコードシーケ
ンスである。ゴールドコードシーケンスは当分野では周
知の、普通の擬似ランダムシーケンスである。擬似ラン
ダムコードシーケンスのチップレートは、シーケンス内
にチップが生成されるレートである。従って、チップレ
ートは、コード繰り返しレートをそのコード内のメンバ
ーの数で除した値に等しい。従って、NAVSTAR GPSの粗
／収集モードでは、各ゴールドコードシーケンス内に1,
023チップが存在し、シーケンスは１ミリ秒毎に繰り返
される。４個の周回GPS衛星からの1.023MHzのゴールド
コードシーケンスを使用すると、ビークル102の地上位
置を60乃至300メートル以内の近似精度で決定すること
ができる。
NAVSTAR GPSの第２の変調モードは、一般に“精密”
または“保護”（Ｐ）モードと呼ばれている。Ｐモード
では、擬似ランダムコードは10.23MHzのチップレートを
有している。更に、Ｐモードシーケンスは極めて長く、
シー10ケンスは267日に１回以上繰り返すことはない。
その結果、ビークル102の地上位置を16乃至30メートル
の近似精度で決定することができる。
しかしながら、Ｐモードシーケンスは機密扱いされて
おり、合衆国政府によって一般には利用できないように
なっている。換言すれば、Ｐモードは合衆国政府によっ
て承認されて地球受信機だけが使用するようになってい
るのである。
地球受信機が、異なる周回GPS衛星からの種々のC/A信
号を区別できるようにするために、通常は地球受信機は
局部的に生成されるゴールドコードシーケンスのための
複数の異なるゴールドコード源を含んでいる。局部的に
導出される各ゴールドコードシーケンスは、各GPS衛星
からの各独特なゴールドコードシーケンスに対応する。
局部的に導出されたゴールドコードシーケンスと、送
信されたゴールドコードシーケンスとは、１ミリ秒のゴ
ールドコードシーケンス周期にわたって互いに相互相関
される。局部的に導出されるゴールドコードシーケンス
の位相は、最大の相互相関関数が得られるまでチップ毎
に、次いでチップ内で変化する。1,023ビットの長さを
有する２つのゴールドコードシーケンスの相互相関は、
他の如何なるゴールドコードシーケンスの組合わせの相
互相関関数よりほぼ16倍は大きいから、局部的に導出さ
れたゴールドコードシーケンスをGPS衛星の１つから送
信された同一ゴールドコードシーケンスにロックするこ
とは比較的容易である。
地球受信機の視野内の少なくとも４個のGPS衛星から
のゴールドコードシーケンスは、このようにして、局部
的に導出された各ゴールドコードシーケンスに順次に応
答する単一のチャネルを使用するか、または代替とし
て、異なるゴールドコードシーケンスに同時に応答する
並列チャネルを使用することによって分離される。４つ
のゴールドコードシーケンスを地球受信機の視野内の４
個のGPS衛星から受信したゴールドコードシーケンスと
同相にロックした後は、地球受信機の相対位置は約60乃
至300メートルの精度で決定できる。
NAVSTAR GPSの上記近似精度は、（１）地球受信機が
実際に応答する信号を送信中のGPS衛星の数と、（２）
受信信号の可変振幅と、（３）異なるGPS衛星から受信
した信号間の相互相関ピークの大きさとによって影響を
受ける。
図７を参照する。GPS処理システム700はGPS衛星132−
170からのGPSデータ及び１または複数の擬似衛星105か
らの擬似衛星データを処理する。更に、GPS受信機706は
種々のGPS衛星132−170からのC/A信号を解号する。
図２に、NAVSTAR GPSの４個のGPS衛星200−206に関す
る航法方程式212を示す。４個のGPS衛星200、202、204
及び206はそれぞれ擬似距離R0、R2、R4、及びR6を有
し、ビークル102によって認識されたGPS衛星132−170の
現星座を構成している。
航法方程式212は、GPS衛星200−206とビークル102と
の間の時計バイアスCbを含む。航法方程式212は擬似距
離R0、R2、R4、及びR6を使用してビークル102の経度及
び緯度を計算するために使用される。
記述ブロック208内に示すように、各GPS衛星200、20
2、204及び206は、タイミングデータ（GPS時刻）と天体
暦データとを含むGPSデータを送信する。当分野では周
知の航法方程式212と、上記タイミングデータとを使用
すれば、GPS処理システム700は擬似距離R0、R2、R4、及
びR6（実際の擬似距離と呼ぶ）を推定することができ
る。更に、上記天体暦データと地球172上の暦データを
使用すれば、GPS処理システムは擬似距離R0、R2、R4、
及びR6（推定擬似距離と呼ぶ）を推定することができ
る。
2.動作 図６に、動作中の代表的なGPS星座を示す。４個のGPS
衛星200、202、204及び206はGPSデータを送信する。ビ
ークル102及びベースステーション188の両者は、これら
の各GPS衛星200、202、204及び206からのこれらの信号
を、それぞれGPSアンテナ312及び316で受信する。好ま
しい実施例では、C/Aコード及び搬送波周波数の両者がG
PSアンテナ312及び316で受信され、処理される。
図６には、４個のGPS衛星の他に、擬似衛星105が示さ
れている。図６に示すように、１または複数の擬似衛星
105はどのような鉱坑の境界の周囲に戦略的に配置する
こともでき、またGPS衛星200、202、204及び206に似せ
ることができる。この配列は、高い鉱坑壁のような地形
的な特色のために採鉱ビークルがGPS衛星200、202、204
及び206の１またはそれ以上の視界から消えるような鉱
坑、空洞等のような状況に極めて有用とすることができ
る。大地をベースとする１または複数の擬似衛星105は
付加的な測距信号を供給し、従って本発明における位置
決め能力の可用性（利用可能度）及び精度を改善するこ
とができる。
１または複数の擬似衛星105はGPS衛星200、202、204
及び206と同期されており、GPS衛星200、202、204及び2
06の信号構造とは異なってはいるが両立可能な信号構造
を有している。更に、ビークル102と１または複数の擬
似衛星105との間の距離（レンジ）は、ビークル102とGP
S衛星200、202、204及び206の１つとの間の距離と同様
に計算される。１または複数の擬似衛星105を使用すれ
ば、測距誤差は選択可用性も、電離層誤差も含まない。
しかし対流圏誤差、擬似衛星時計誤差、及び多重経路誤
差のような他の誤差を斟酌しなければならない。
深い露天堀り採鉱作業では、鉱坑内のビークル102か
らの空の視界は、鉱坑壁によって制限されることがあり
得る。そのためGPS処理システム700の視界内には、第１
位置推定を適切に導出するのに十分な数のGPS衛星は存
在しないかも知れない。このような場合、本発明では、
１またはそれ以上の擬似衛星105を二次的な源として働
かせることができる。１または複数の擬似衛星105を鉱
山の緑に、または他の場所に配置することができる。１
または複数の擬似衛星105は、正確な第１位置推定を得
るために何れかの可視GPS衛星と共に使用することがで
きる。
GPS衛星を支援するために、またはGPS衛星からGPSデ
ータを受信する必要を完全に排除するような他の形状の
二次的な源も実現可能である。更に、レーザ走査技術を
利用して二次的な参照源からビークル102までの局所化
された測距データを得ることができる。
通信チャネル618は、ベースステーション188とビーク
ル102との間の通信リンクを表す。好ましい実施例で
は、通信チャネル618は送受信機であるデータ無線機620
及び622によって確立された電磁リンクからなってい
る。通信チャネル618は、ベースステーション188とビー
クル102との間のデータ転送に使用される。他の形状の
通信媒体も使用できる。例えば、レーザ走査技術を利用
してベースステーション188からビークル102へ情報を輸
送することができる。
データ無線機620及び622は、それぞれベースステーシ
ョン188及びビークル102に配置されている。無線機620
及び622は、ベースステーション188とビークル102との
間のデータ交換の責を負う。データ交換の型に関しては
後述する。
好ましい実施例においてデータ無線機620及び622とし
て適切に機能する無線送受信機は、カナダ国モントリオ
ールのDataradio Ltd.からモデルDR−480OBZとして市販
されている。
図７に、GPS処理システム700の好ましい実施例を示
す。ビークル102上のGPS処理システム700はGPSアンテナ
702を含む。好ましい実施例では、GPSアンテナ702は電
磁放射の無線スペクトルを受け入れる。しかし、本発明
はGPS衛星132−170がデータを符号化することができる
如何なる信号をも受信することを企図するものである。
好ましい実施例では、GPSアンテナ702は、マサチュセッ
ツ州リトルトンのChu Associates Inc.からモデルCA322
4として市販されているアンテナである。
GPSアンテナ702は前置増幅器704に結合されているの
で、GPSアンテナ702が受信した信号は前置増幅器704へ
伝送することができる。本明細書では“結合”とは、通
信を確立するための何等かのシステム及び方法を意味し
ている。結合システム及び方法は、例えば電子、光学、
音響その他の技術の全てまたは何れかを含むが、詳細な
説明は省略する。好ましい実施例では、結合は一般に電
子式であり、数多くの工業標準の電子インタフェースの
何れか１つを考えている。
前置増幅器704はGPSアンテナ702から受信したGPSデー
タを増幅し、それを処理し解号できるように変換する。
本発明は、受信信号を増幅できる何等かの方法を企図し
ている。好ましい実施例では、前置増幅器704は、カリ
フォルニア州サンタクララのTelecommunications Inc.
（STel）から市販されているモデル5300シリーズGPS RF
/IFである。前置増幅器704は、GPS受信機706に結合され
ている。GPS受信機706は、GPSアンテナ702の視界内のGP
S衛星200、202、204及び206から送られたGPSデータを処
理する。各GPS受信機706は、GPS衛星200、202、204及び
206毎の実際の擬似距離を計算する。本明細書では実際
の擬似距離は、GPS衛星からの電磁信号の送信と、GPS処
理システム700による電磁信号の受信との間の時間遅延
から導出された擬似距離の推定R0、R2、R4及びR6として
定義されている。更に好ましい実施例ではGPS受信機706
は、GPS衛星200、202、204及び206に関する実際の擬似
距離の全てを並列に処理できる。
本発明の好ましい実施例では、GPS受信機706は、４個
またはそれ以上のGPS衛星が見えている時にこのデータ
を生成する。本明細書のII.F.2.において説明する差動
修正技術を使用すれば、GPS処理システム700は、４個の
GPS衛星200、202、204及び206の最適星座が見える時に
は約25メートルの精度で第１位置推定を（GPSプロセッ
サ710において）計算することができる。視野内に５個
のGPS衛星の最適星座がある時には（図示してない）、
約15メートルの精度で第１位置推定を計算することがで
きる。“最適”星座とは、空間内のGPS衛星の相対位置
が周知の優れた三角測量能力を提供するような星座のこ
とである。
好ましい実施例では、GPS受信機706は実際の擬似距離
と、現在サンプル中のGPS衛星132−170の数とを出力す
る。一連の第１位置推定のために見えているGPS衛星132
−170の数が４個より少ない場合には、好ましい実施例
のVPS重み付きコンバイナ1204（図12及びその説明参
照）は、GPS処理システム700（具体的にはGPSプロセッ
サ710）から受信した第１位置推定を第３位置推定の計
算には使用しない。
好ましい実施例のGPS受信機706は、Stanford Telecom
munications Inc.製モデル5305−NSI受信機からなる。
しかし、実際の擬似距離と、サンプル中のGPS衛星の数
とを出力できる如何なる受信機を使用しても差し支えな
い。
好ましい実施例に使用されている受信機の型のため
に、GPS受信機706はGPS相互通信プロセッサ708に結合さ
れている。好ましい実施例では、相互通信プロセッサ70
8はU.S.A.イリノイ州ショームバーグのMotorola Inc.か
ら市販されている68000マイクロプロセッサである。以
下に説明する目的と同一の目的を遂行するために、如何
なるプロセッサも単独で、またはGPS受信機706と組合せ
て使用することができる。
GPS相互通信プロセッサ708は更に、GPSプロセッサ710
及びGPSコンソール１ 712に結合されている。GPS相互
通信プロセッサ708は、これら３つの装置間のデータ交
換を調製する。即ち、GPS相互通信プロセッサ708は、GP
S受信機706から受信した擬似距離データをGPSプロセッ
サ710へ渡す。擬似距離は、例えばGPS受信機706が計算
した実際の擬似距離と、GPS受信機706が現在見ているGP
S衛星200、202、204及び206の数と、各GPS衛星200、20
2、204及び206毎にGPSプロセッサ710が推定擬似距離を
計算するために必要な他のGPSデータとを含む。GPS相互
通信プロセッサ708は、GPS受信機706及びGPSプロセッサ
710に関するステータス情報もGPSコンソール１ 712へ
中継する。
GPS相互通信プロセッサ708は、上記情報をGPSプロセ
ッサ710へ伝送する。好ましい実施例では、GPSプロセッ
サ710はMotorola Inc.から市販されている68020マイク
ロプロセッサからなる。図８はGPSプロセッサ710内のソ
フトウエアの機能を示す低水準流れ図800である。
GPSプロセッサ710は受信したデータを処理するため
に、例えば図８に示すGPSカルマンフィルタ802を含む多
くのアルゴリズム及び方法を使用する。カルマンフィル
タ802は当分野では公知である。好ましい実施例では、G
PSカルマンフィルタ802はGPSプロセッサ710のソフトウ
エア内のモジュールである。
カルマンフィルタ802の機能は、部分的に、擬似距離
データに付随する雑音を濾波して排除することである。
この雑音には、例えば電離層、時計及び受信機の全てま
たは何れかの雑音が含まれる。ベースステーション188
に配置されているホスト処理システム186のGPSカルマン
フィルタ802は、第１位置推定の精度を向上させるため
に（本明細書のII.F.2.参照）ビークル102へ伝送される
空間バイアス及び時計バイアスを計算する。これに対し
てビークル102内のGPSカルマンフィルタ802は、ベース
ステーション188から受信する空間バイアス及び時計バ
イアスを斟酌する。
GPSカルマンフィルタ802は、半適応的に機能する。換
言すれば、GPSカルマンフィルタ802はビークル102の速
度に依存して、受け入れ可能なデータ動揺のしきい値を
自動的に変更する。本明細書では“動揺”とは、正規の
コースからのずれを意味する。GPSカルマンフィルタ802
の半適応的な機能が、本発明の応答及び精度を最適化す
る。
要約すれば、ビークル102がその速度を指定された量
だけ増加させると、GPSカルマンフィルタ802はその受け
入れ可能なデータ動揺のしきい値を上昇させる。同様
に、ビークル102がその速度を指定された量だけ減少さ
せると、GPSカルマンフィルタ802はその受け入れ可能な
データ動揺のしきい値を低下させる。本発明のこの自動
最適化技術は、移動及び静止の両状態の下で最高度の精
度を提供する。
本発明の最良モードでは、GPSカルマンフィルタ802の
しきい値は連続的に、または極めて微小な離散した間隔
で変化するのではない。そうではなく、これらの間隔は
より大きく離散した間隔であり、従って、連続的に変化
するフィルタより精度は低下する。しかし、本発明のカ
ルマンフィルタ802は連続的に変化するフィルタより実
現が容易であり、低価格であり、計算時間が少なくて済
む。しかしながら、連続的に変化するフィルタを使用す
ることは可能であり、またそのことも本発明に含まれて
いることを理解すべきである。
動作させるためには、システムの始動時にGPSカルマ
ンフィルタ802に初期値を与えなければならない。この
初期値とGPS受信機706が収集したGPSデータとから、GPS
カルマンフィルタ802が現在の状態（第１位置推定と、
北進、東進のためのビークル速度及び速度とを含む）を
補外する。GPSカルマンフィルタ802は循環的に動作す
る。換言すれば、補外された現在の状態が次の繰り返し
のための初期値であると見做されるのである。これは新
しいGPSデータ（更新）と組合わされ／濾波されて新し
い現在の状態が導出される。
GPSデータを使用する方法は、制御ファイル820と呼ば
れる演繹的に保管されたファイルに依存する。制御ファ
イル820は、（１）雑音しきい値、（２）応答の速さ、
（３）ビークル位置及び速度の初期状態、（４）GPSカ
ルマンフィルタ802のリセットが行われる前のずれの程
度、（５）許容される不良測定の数、及び（６）測定に
割り当てられた時間の全てまたは何れかを決定する。
次いでGPSプロセッサ710は上述の現在の状態と、時計
バイアス及び空間バイアスを含む何等かのバイアスとを
使用して、推定擬似距離と、第１位置推定と、ビークル
速度（ドップラ偏移）とを計算する。しかし、ビークル
速度を導出するために搬送波周波数ではなくC/Aコード
がGPS受信機706によって使用される場合には、GPSプロ
セッサ710は計算した速度データを破棄する。ビークル
速度を破棄する理由は、C/Aコードから導出した場合に
は十分な精度が得られないことが実験から分かっている
からである。
搬送波周波数から導出されるビークル速度（ドップラ
偏移）はC/Aコードから導出される速度よりも遥かに正
確である。好ましい実施例では、図10に示すように第１
推定位置（及び、もし搬送波周波数から導出されれば、
ビークル速度）はGPS信号716上に符号化され、VPS主プ
ロセッサ1002へ送られる。
前述のように、GPSプロセッサ710は搬送波周波数及び
C/Aコードの両方を解析する。C/Aコードから解号される
データとは異なり、データはGPS受信機706によって搬送
波周波数からほぼ50Hzで（C/Aコードを解号する場合の
約2Hzではなく）検索することができる。この増大した
速さによって、本発明は少ない誤差で、より精密な位置
及び速度を決定することができる。
図８には好ましい実施例におけるGPSプロセッサ710の
他の機能が示されている。しかし本発明は、GPSデータ
を処理して擬似距離を決定できる如何なる方法をも意図
するものである。流れ図ブロック816に示すように、コ
ンソール機能はGPSコンソール２の動作を制御する。好
ましい実施例のコンソール機能は、ユーザインタフェー
スをフィルタ内に設けることによってGPSカルマンフィ
ルタ802の動作を統制する。
VPS通信機能818はVPS1000へ導かれるGPSカルマンフィ
ルタ802の出力を制御する。流れ図ブロック806に示すよ
うに、GPSカルマンフィルタ802はGPS受信機706からのデ
ータを要求し、解号する。このデータは流れ図ブロック
804に示すようにIPROTO機能804を通して導かれる。
図示のように、IPROTO機能804はGPS相互通信プロセッ
サ708内に常駐し、GPS相互通信プロセッサ708に関連す
るタスクを実行する。好ましい実施例では、IPROTO機能
804はXycom Inc.から市販されているモデルXVME−081で
ある。
流れ図ブロック810に示すように、通信チャネル618を
通して伝達されたデータはIPROTO機能804へ供給され
る。このデータの大部分は、最終的にはGPSカルマンフ
ィルタ802を行先とする。流れ図ブロック808に示す通信
管理者機能は、IPROTO機能から到来するデータを調製す
る。通信管理者機能808は、流れずブロック812に示すIC
C機能から受信するデータも調整する。図示のようにICC
機能812は、データ無線機714（GPS相互通信プロセッサ7
20を介して）とGPSデータ収集装置718との間のデータ交
換を行う。
GPSコンソール712は当分野においては周知である。所
望の機能を提供する多くの型の装置が市販されている。
このような１つの装置は、マサチュセッツ州メイナード
のDigital Equipment CorporationからモデルVT220とし
て市販されているものである。GPSコンソール712は、GP
S相互通信プロセッサ708及びGPSプロセッサ710に関する
プロセッサ活動データを表示する。
GPSプロセッサ710は、GPSコンソール722とGPS通信イ
ンタフェースプロセッサ720とに結合されている。GPSコ
ンソール722は当分野においては周知である。所望の機
能を提供する多くの型の装置が市販されている。このよ
うな装置の１つは、マサチュセッツ州メイナードのDigi
tal Equipment CorporationからモデルVT220として市販
されているものである。GPSコンソール722はユーザイン
タフェースとして作動し、それを通してGPSプロセッサ7
10を作動させ、監視することができる。
GPS通信インタフェースプロセッサ720は、本質的には
I/Oボードである。これは、データ無線機714とGPSデー
タ収集装置718とに結合されている。GPS通信インタフェ
ースプロセッサ720は、GPSプロセッサ710と、データ無
線機714及びGPSデータ収集装置718の両者との間のデー
タ交換を調整する。好ましい実施例のGPSインタフェー
スプロセッサ720は、Motorola Inc.,U.S.A.から市販さ
れているモデルMVME331である。
データ無線機714は、ベースステーション188に搭載さ
れているデータ無線機714に類似したビークル102に搭載
されているデータ無線機（図６参照）を介してGPSプロ
セッサ710（GPS通信インタフェースプロセッサ720を介
して）間に通信リンクを確立する。好ましい実施例で
は、データ無線機714はRF周波数を使用して9600ボーで
同期して通信する。ベースステーション188に搭載され
ているデータ無線機714は、ビークル102に搭載のデータ
無線機714に対して各衛星毎の空間バイアス及び時計バ
イアスの量を2Hzのレート（毎秒２回）で周期的に更新
する手段を提供する。ベースステーション188による空
間バイアス及び時計バイアスの計算に関しては後述す
る。
GPSデータ収集装置718は、卓上型コンピュータのよう
な種々の一般的な電子処理及び記憶装置の何れかである
ことができる。U.S.A.フロリダ州ボカレイトンのIntern
ational Business Machines Corporation（IBM）製のど
のパーソナルコンピュータ（PC）ででも実現できる。
C.移動***置特定システム（MPS） 好ましい実施例のMPS900を図９に示す。MPS 900は、
ビークル102の第２位置推定を導出する。通常、この第
２位置推定は第１位置推定と組合わされ、濾波されてよ
り正確な第３位置推定が導出される。しかしながら、第
１位置推定が明らかに不正確であると考えられる若干の
場合には、この第２位置推定を第３位置推定として排他
的に使用できる。
MPS 900の場合、好ましい実施例は走行距離計902及び
IRU904を組合せる構想である。しかし、走行距離計902
を用いずに、IRU 904を使用することが可能である。走
行距離計及びIRU904はMPS相互通信プロセッサ906に結合
され、それによってMPS900が構成されている。IRU及び
走行距離計は周知であり、それぞれミネソタ州ミネアポ
リスのHoneywell Inc.からモデルHG1050−SR01、及びイ
リノイ州ペオリアのCaterpillar Inc.から部品番号7T63
37として市販されている。
IRU 904は、周知設計のリングレーザジャイロスコー
プ及び加速度計を具備する。好ましい実施例に使用され
ているIRU904は、航空機の位置を決定するためにボーイ
ング767機に使用されているシステムの複製であるが、7
67機に対してビークル102が呈する小さいダイナミック
ス（例えば、速度）を斟酌するためにIRU904には変更が
加えられている。
IRU904は、ビークル位置を5Hzで、速度を10Hzで、横
揺れを50Hzで、縦揺れを50Hzで、そして偏揺れデータを
50Hzで出力することができる。更に好ましい実施例で
は、ビークル走行距離計902は、ビークル102が走行した
距離を20Hzで出力することができる。
IRU 904のレーザジャイロスコープを適切に機能させ
るためには、初めにビークル102の高度の推定を与えな
ければならない。このデータを基線位置推定として使用
し、次いで所定の較正と地球172の回転に伴う力とを使
用してジャイロスコープはビークル102の現位置の推定
を決定する。
次いでIRU904は、この情報とIRU 904加速度計が取得
したデータとを組合せてビークルの現位置のより正確な
第２位置推定を生成する。IRU 904から第２位置推定及
びビークル走行距離計902からのデータは、図９の矢印9
10及び908によってそれぞれ示されているように、MPS相
互通信プロセッサ906へ伝送される。
構成部品の精密度の欠如のためにIRU904はビークル10
2の誤りの第２位置推定を供給する恐れがあることが実
験により判明している。詳述すれば、好ましい実施例で
は動作中のIRU904の方向出力が、方向北から反時計方向
に漂動することが観測された。この漂動はビークル102
が、従ってIRU904が走行する方向に依存する。
更にこの漂動はIRU漂動方程式によって定義すること
ができる。IRU漂動方程式は、重み付き経路履歴技術（I
I.H.）に関して説明する経路方程式の作成、または放物
線バイアス技術（II.F.2.b.）に関して説明する放物線
方程式の作成に類似して導出することができる。導出
後、IRU漂動方程式を使用してより正確な第２位置推定
を補外することができる。
好ましい実施例では、相互通信プロセッサ1002はMoto
rola Inc.から市販されている68000マイクロプロセッサ
からなっている。相互通信プロセッサ1002は、MPS 900
とVPS1000との間のデータの交換を調整する。上述した
ような機能と同一機能を有する如何なるプロセッサも使
用可能である。
D.ビークル位置特定システム（VPS） 図10に、VPS 1000のアーキテクチャの好ましい実施例
を示す。図11はGPS処理システム700とMPS900とに接続さ
れているVPS1000の詳細図である。
GPS処理システム700及びMPS900は、独立的にVPS主プ
ロセッサ1002に結合されている。この独立的な結合が、
本発明の重要な新規特色である。これらが独立している
ために、一方のシステムが障害を起こしても他方のシス
テムが作動不能になることはない。例えば、GPS処理シ
ステム700が作動しなくても、データはMPS900によっ
て、従ってVPS1000によって収集され、処理される。GPS
処理システム700及びMPS900は、図示にように信号716、
908、及び910をVPS主プロセッサ1002へ伝送する。これ
らの信号は、位置、速度、時刻、縦揺れ、横揺れ、偏揺
れ、及び距離を含む（図７及び９、並びにそれらの説明
を参照されたい）。
VPS主プロセッサ1002は、VPS I/Oプロセッサ1004に結
合されている。VPS主プロセッサ1002は、図示のように
信号1008をVPS I/Oプロセッサ1004へ伝送する。この信
号1008は第３位置推定からなる。第３位置推定は上記GP
S、IRU及び走行距離計から、具体的にはビークル102の
第１及び第２位置推定から導出されたものである。
本発明は、矢印716、908及び910によって示されてい
る信号を、VPS主プロセッサ1002がGPS処理システム700
及びMPS900から受信し、それらをVPS I/Oプロセッサ100
4へ転送できるような何等かのシステム及び方法を企図
している。VPS主プロセッサ1002はMotorola Inc.,U.S.
A.から市販されている68020マイクロプロセッサであ
る。
図12は、図10のVPS主プロセッサ1002の中間水準ブロ
ック線図1200であって、VPSカルマンフィルタ1202と重
み付きコンバイナ1204とを示す。図示のように、GPS信
号716及び走行距離計信号908は重み付きコンバイナ1200
へ直接伝送される。IRU信号910はVPSカルマンフィルタ1
202へ伝送される。好ましい実施例では、GPS信号716は2
Hzのレートで伝送される。走行距離計信号908は20Hzの
レートで伝送される。更に、第２位置推定を含むIRU信
号910は50Hzのレートで伝送される。
VPSカルマンフィルタ1202は、データからの外来雑音
を濾波し、処理済のデータ重み付きコンバイナ1204へ出
力する。更にVPSカルマンフィルタ1202は、矢印1208で
示すように、重み付きコンバイナ1204からの信号を受信
する。この信号はVPSカルマンフィルタ1202を新しい位
置情報でリセットするために使用される。
重み付きコンバイナ1204はこれらの信号を処理し、使
用されているデータ収集技術の推定される精度に基づい
て、各データに所定の重み付け係数を与える。即ち、好
ましい実施例では、GPS信号716の第１位置推定はIRU信
号910の第２位置推定よりも重い重みが付けられる。こ
のような重み付けをする理由は、第１位置推定はIRU904
からの第２位置推定よりも本質的に正確だからである。
しかしながら、速度はIRUによって決定されたものの
方がより正確であり得る。従ってIRU信号910の速度成分
は、GPS信号716の速度成分よりも大きい重み付けをする
ことができる。本発明の好ましい実施例では、GPS信号7
16の速度成分は排除して、IRU信号910の速度成分を使用
している。
重み付きコンバイナ1204は、20Hzで出力1206を生成す
る。出力1206は計算済の全てのデータを含み、２つの位
置、即ち矢印1208で示されているようにVPSカルマンフ
ィルタ1202と、矢印1008で示されているようにVPS I/O
プロセッサ1004とへ送られる。出力1206はGPS衛星に関
する時刻情報を含む。更に出力1206は、ビークルの位
置、速度、偏揺れ、縦揺れ、及び横揺れに関する情報を
も含む。最後に、VPS出力1206がビークル102の第３位置
推定を構成していることに注目されたい。
重み付きコンバイナ1204からの矢印1018で示す別の出
力は、ビークル102の速度に関するデータだけを含む。
速度データはVPS主プロセッサ1002からGPS処理システム
700へ送られる。この速度データは、後述するように第
１位置推定の精度を向上させるために使用される。
本発明は、信号716、908、及び910を上述の処理過程
の諸段階に従ってVPS主プロセッサ1002において処理で
きるような何等かのシステム及び方法を企図している。
好ましい実施例では、VPS主プロセッサ1002は、Motorol
a Inc.,U.S.A.から市販されている68020マイクロプロセ
ッサである。
図12Aに本発明のスーパーカルマンフィルタ1200Aを示
す。スーパーカルマンフィルタ1200Aは、ビークル102の
位置推定の精度を向上させるためにデータを処理するシ
ステム及び方法である。即ち、スーパーカルマンフィル
タは第１位置推定の精度を直接的に向上させる。従っ
て，第３位置推定の精度は間接的に向上される。好まし
い実施例では、スーパーカルマンフィルタ1200Aは、図
７のGPS処理システム700及び図10のVPS1000のアーキテ
クチャ内のソフトウエアを構成している。スーパーカル
マンフィルタ1200Aは、例えば集積回路、光学フィルタ
等内のハードウエア内に構築することも可能である。
矢印1210で示すように、GPSカルマンフィルタ802は地
上位置決定システムから、例えばGPSデータ及び擬似衛
星データの両方または何れか一方を含むことができる第
１データを受信する。GPSカルマンフィルタ802はこれら
のデータを操作して矢印1006で示すように第１位置推定
（FPE）を出力する。
矢印1010で示すように、VPSカルマンフィルタ1202
は、MPS 900からMPSデータを受信する。VPSカルマンフ
ィルタはMPSデータを操作して第２位置推定（SPE）を出
力する。
重み付きコンバイナ1204は、矢印1006及び1210で示す
ようにFPE及びSPEをそれぞれ受信する。重み付きコンバ
イナ1204は、ビークル102の速度1018をGPSカルマンフィ
ルタ802へ出力する。GPSカルマンフィルタ802は、ビー
クルのビークル速度1018に従って矢印1006のFPEの精度
を向上させるように適合させる。
GPSカルマンフィルタ802は、離散した時間間隔に適合
するように、または連続的に適合するように設計するこ
とができる。好ましい実施例では、GPSカルマンフィル
タ802は、価格と性能との兼ね合いから離散した時間間
隔に適合させてある。
正確な地上位置決定システムを得るためには、１つの
カルマンフィルタ（図示してない）だけを実現すればよ
いと考えられる。詳述すれば、第３位置推定を導出する
唯一のカルマンフィルタに接続されたGPS処理システム7
00及びMPS900（走行距離計902及びIRU904の両方または
何れか一方を有する）を有することが可能である。しか
しながら、このような構成は好ましい実施例としての全
ての好ましい特性を備えてはいないであろう。
図12及び12Aのスーパーカルマンフィルタは、単一の
カルマンフィルタ及び分離したカルマンフィルタの両方
の都合のよい特性を有している。図示にように構成され
たGPSカルマンフィルタ802及びVPSカルマンフィルタ120
2は連続的にデータを交換し、それによって第１及び第
２位置推定の制度を向上させる。従って第３位置推定の
精度が向上する。ある意味で、単一のカルマン濾波シス
テムは、第３位置推定の最終出力と入力中の位置データ
との間に常駐しているのである。
別の意味では、GPSカルマンフィルタ802及びVPSカル
マンフィルタ1202は完全に分離した独立フィルタとして
動作する。例えば、もしGPSデータまたはMPSデータの何
れかが劣化していれば、劣化していないデータの精度に
影響を与えることなく重み付きコンバイナ1204を介して
劣化したデータの全体または一部が無視される。単一カ
ルマンフィルタを使用するシステムでは、もしGPSデー
タまたはMPSデータの何れかが劣化していれば、最終出
力即ち第３位置推定は実質的に不正確になるであろう。
図10に戻って、VPS I/Oプロセッサ1004はVPS通信イン
タフェースプロセッサ1020に結合されている。通信イン
タフェースプロセッサ1020は、Motorola Inc.U.S.A.か
ら市販されているMVME331プロセッサである。以下に説
明する目的と同じ目的を達成する如何なるプロセッサも
使用可能である。
好ましい実施例では、VPS通信インタフェースプロセ
ッサ1020は３つの異なる装置、即ち（１）VPSコンソー
ル1012、（２）データ収集装置1014、及び（３）航法シ
ステム1022に結合されている。VPS通信インタフェース
プロセッサ1020は出力1016内に含まれている第３位置推
定を含むデータを上記３つの装置へ20Hzのレートで転送
する。
VPSコンソール1012は当分野では周知であり、ミネソ
タ州ミネアポリスのDigital Equipment Corporationか
らモデルVT220として市販されている。このVPSコンソー
ル1012はVPS I/Oプロセッサ1004の現ステータスを表示
するために使用される。
VPSデータ収集装置1014は、例えば卓上型PCのよう
な、数多く市販されている電子式処理及び記憶装置の何
れかであって差し支えない。カリフォルニア州クパーテ
ィノのApple Computerから市販されているどのMacIntos
h PCもこの目的のために使用することができる。
航法システム1022は、ビークル102の航行に関連付け
られた機能を備えている。VPS 1000は第３位置推定を航
法システム1022へ伝送するので、航法システム1022は自
律ビークル102を正確且つ安全に案内することができ
る。
E.ベースステーション 図７を参照する。ベースステーション188に配置され
ているホスト処理システム186は、図７のGPS処理システ
ム700を具備する。ベースステーション188に配置されて
いるホスト処理システム186の目的は、（１）ビークル1
02の動作の監視、（２）空間バイアス（II.F.2.の差動
バイアス技術参照）の生成を可能にする地上参照点の提
供、及び（３）必要に応じて他の情報を高速データ通信
チャネル618を通してビークル102へ供給することであ
る。
好ましい実施例では、ベースステーション188はビー
クル102に近接して、好ましくは20マイル以内に、配置
される。この地理的に近接した関係のためにベースステ
ーション188とビークル102との間に効果的な無線通信が
確立される。またこれは、ビークル102が受信した衛星
送信とベースステーション188が受信した衛星送信とを
比較するための正確な参照点をも提供する。
正確な空間バイアスを計算するためには、地理的に近
接した参照点が必要である。空間バイアス及び時計バイ
アスは、実質的に、NAVSTAR GPS及びGPS処理システム70
0に固有の共通モード雑音である。空間バイアス及び時
計バイアスは一旦ベースステーション188において計算
されると、図７に示すようにデータ無線機714を使用し
てビークル102へ送られる。空間バイアスは、後述する
種々の方法を使用して計算される。
本発明の好ましい実施例では、ベースステーション18
8のホスト処理システム186はビークル102の自律活動を
も調整し、またVPS1000と人間の監視者とをインタフェ
ースする。
F.衛星をベースとする精度改善 本発明は、複数の差動修正技術を介してビークル102
の位置推定の精度を改善する。これらの差動バイアス技
術は第１、第２、及び第３位置推定を向上させるために
使用される。
これらの差動修正技術の幾つかは、擬似距離R0、R2、
R4、及びR6（実際の擬似距離、及び推定擬似距離の両
方）の計算内の誤差（雑音または妨害）を直接除去する
ように設計されている。これらの誤差を除去すると精密
な第１位置推定が得られ、これはGPS処理システム700か
らVPS1000へ出力され、そして最終的にはより精密な第
３位置推定がVPS1000から航法システム1022へ出力され
る。
好ましい実施例では、ベースステーション188のホス
ト処理システム186が、これらの差動技術を実行し、結
果をビークル102へ転送する責を負っている。“差動”
なる語は、ベースステーション188及びビークル102が、
独立してはいるが仮想的には同一のGPS処理システム700
を使用するから使用しているのである。更に、ベースス
テーション188は静止し、その絶対位置が既知であるか
ら、電子的誤差（雑音または妨害）及び誤差を誘起する
他の現象を測定するための参照点として役立つ。
1.星座効果 図13は本発明の好ましい実施例における第１位置推定
の精度を改善するための星座効果方法の流れ図1300であ
る。この方法は、ビークル102に搭載されているGPS処理
システム700内に実現することができる。代替として、
この方法をベースステーション188のホスト処理システ
ム186内に実現しても差し支えない。後者の場合には、
この方法によって決定された情報を爾後にビークル102
へ伝送して第１位置推定を適切に向上せしめることにな
ろう。
流れ図1300は、GPSアンテナ702の視界内の最良衛星星
座を選択する方法を示す。ビークル102にとっては、GPS
衛星132−170の多くがGPSアンテナ702の視界内に存在し
ていよう。任意数（好ましい実施例では少なくとも４
個）の衛星が特定星座を形成するように、これらの衛星
の部分集合だけが選択される。
本質的に、地理学的な考察に基づいて“最良”または
“最適”星座が選択される。GPSアンテナ及びビークル
の企図された経路の視界内のGPS衛星132−170の空間内
の位置が後述するようにして斟酌される。
流れ図1300は流れ図ブロック1302から開始される。流
れ図1304において、視界内の、及びGPSアンテナ702に対
する各GPS衛星の推定擬似距離が計算される。本明細書
では、推定擬似距離は、暦データと衛星からの天体暦と
から導出された推定擬似距離として定義されている。暦
データとは、１日の特定時刻におけるGPS衛星132−170
の空間における位置を記憶している事前に記録されたデ
ータのことである。
NAVSTAR GPSの場合、暦データは複数の変数が有する
方程式の形状である。これらの暦方程式はU.S.政府から
公式に入手可能である。若干の変数はGPS衛星132−170
を識別する。さらなる必須入力には、推定擬似距離が決
定される時刻、及び地球上の関連点の既知位置とが含ま
れる。
各GPS衛星に関連する推定擬似距離を決定するため
に、以下の情報がこれらの暦方程式内に挿入される。即
ち、（１）GPS衛星を識別するパラメタ（これらはGPS衛
星からのGPSデータ内に符号化されている）と、（２）
現在の時刻と、そして（３）ベースステーション188の
既知の位置である。
次に、流れ図ブロック1306において、極座標を使用し
て推定擬似距離が作図される。図14は極座標系1402上の
作図1400であって、４個のGPS衛星（図示してない）のG
PS衛星星座に関係付けられた推定擬似距離円1404、140
6、1408、及び1410の集合を示している。指定擬似距離
円1404、1406、1408、及び1410は、極図1400の中心1412
において交差するように描かれている。図示のようにこ
の座標系1402は、方向北からの方位を反映している。
GPS衛星とGPSアンテナとの間の相対距離も、推定擬似
距離円1404、1406、1408、及び1410の寸法によって極図
1400内に表されている。即ち、例えば、指定擬似距離円
1406によって表されているGPS衛星は、推定擬似距離円1
408によって表されているGPS衛星より更に遠くにある。
図14を参照する。陰影を付けた長円領域1412は、推定
擬似距離円1406及び1408を生じさせたGPS衛星（図示し
てない）を考慮した時のビークル102の考え得る位置を
示している。長円表現内の重要なパラメタは、地理学的
アクセス係数比（GRAF）と呼ばれる長円の半長アクセス
と半短アクセスとの比である。GRAFは次の流れ図ブロッ
ク1308において計算する予定である。
流れ図ブロック1308を参照する。GRAFは長アクセスの
角度と共に重み付け係数を計算するために使用され、後
述するようにこの重み付け係数はGPS処理システム700が
より正確な第１位置推定を計算するのを最終的に援助す
る。
流れ図ブロック1312に示すように、ビークル102に搭
載のGPS処理システム700内のGPSカルマンフィルタ802
は、図14に示す推定長円の形状とビークル102の計算さ
れた北東向きの座標とを受け入れるために変更される。
更に、矢印1314で示すように、中心1412の推定位置を絶
えず向上させるように上述の手順が絶えず繰り返され
る。流れ図ブロック1316において、ビークルの所望経路
のための最適衛星星座が決定される。この最適星座は、
ビークルの所望経路に直角な方向において最小の誤差を
与えるような星座であろう。
流れ図ブロック1318に示すように、最適衛星星座はデ
ータ無線機714を介してビークル102へ送信される。ビー
クル102はこの最適衛星星座を使用して第１位置推定を
計算する。
2.差動修正技術 a.原形バイアス技術 図15を参照する。流れ図1500は当分野では周知の原形
バイアス技術を示す。原形バイアス技術は、第３位置推
定を限定するに当たって最終的に関与する第１位置推定
の精度を向上させるために、空間バイアスを計算するた
めの方法である。以下に説明する原形バイアス技術は、
空間バイアス（原形バイアス）を決定するための参照点
としてベースステーション188の既知の位置を使用す
る。
原形バイアス技術は、ビークル102に搭載のGPS処理シ
ステム700内に実現することができる。更に原形バイア
ス技術は、ベースステーション188に搭載のホスト処理
システム186内に実現することもできる。後者の方式に
おいては、好ましい実施例方法によって決定された情報
が爾後にビークル102へ通信されて第１位置推定を適切
に向上させることになろう。更に、好ましい実施例は後
者の方式を採用し、ベースステーション188に搭載のホ
スト処理システム186内に実現している。
図15に示すように原形バイアス技術は、流れ図ブロッ
ク1502から開始される。流れ図ブロック1504に示すよう
に、GPSアンテナ702の視界内の各GPS衛星の実際の擬似
距離（ベース実際の擬似距離）及び推定擬似距離（ベー
ス推定擬似距離）はベースステーション188に搭載のホ
スト処理システム186内で計算される。ベース実際の擬
似距離はベース推定擬似距離とは独立的に計算される。
ベース実際の擬似距離は、ホスト処理システム186内のG
PS受信機706によって計算される。更に、ベース推定擬
似距離はGPSプロセッサ710によって計算される。
ベース実際の擬似距離は、GPS衛星（または擬似衛
星）からの電磁信号の送信と、ベースステーション188
に搭載のホスト処理システム186における受信との間の
伝播時間経過を測定することによって計算される。電磁
信号は送信時刻を符号化している。更に、GPS受信機706
は受信時刻に記録する。これらの電磁信号が光速、即ち
2.9979245898 ＊ 108m/sで走行すものとすれば、各衛星
の実際の擬似距離は、伝播時間経過に光速（適切な単位
の）を乗ずることによって決定することができる。
ベース推定擬似距離は、（１）暦データ（NAVSTAR GP
Sでは、歴方程式）と、（２）GPS衛星からの電磁信号の
送信時刻と、（３）ベースステーション188の既知の位
置（ベース既知位置）とから計算される。送信時刻と、
ベース既知位置（BKP）とが暦方程式内に代入されて、
ある衛星のための推定擬似距離が導出される。
流れ図ブロック1604に示すようにホスト処理システム
186の回路時計と、認識されたGPS衛星の回路時計との間
の時計バイアス（ベース時計バイアス）も計算される。
好ましい実施例では、全ての衛星に関して１つのベース
時計バイアスが計算される。ベース時計バイアスは、所
定の時間にわたって衛星及びホスト処理システム188の
クロックパルスを計数することによって計算される。次
いでこれらのパルス比較され、差が求められる。次にこ
の差に光速、即ち2.998 ＊ 108m/sが乗ぜられ、時計バ
イアスが長さの単位に変換される。しかし、本発明には
ベース時計バイアスを計算し、表現する如何なる方法も
組入れることが可能であることを理解すべきである。
流れ図ブロック1508に示すように空間バイアス（原形
バイアス）は、ベース実際の擬似距離から、ベース推定
擬似距離とベース時計バイアス（長さの単位）とを差し
引くことによって計算される。原形バイアスは、大気状
態、受信機誤差等のような多くの異なる効果によっても
たらされる。ビークル102の実際の位置は未知であるか
ら、ビークル102を参照点として使用して原形バイアス
の計算を遂行することはできないことに注目すべきであ
る。しかし、原形バイアスの計算をビークル102におい
て遂行することはできる。
流れ図ブロック1510に示すように、ホスト処理システ
ム188内のGPSカルマンフルタ802は原形バイアスを用い
て更新される。更に矢印1512で示すように、原形バイア
スを計算する処理過程は連続的に遂行され、導出された
原形バイアスはGPSカルマンフルタ802の繰り返し更新に
使用される。
ビークル102はベースステーション188に近接している
から、擬似距離計算における誤差は同一と見做される。
従って、流れ図ブロック1508に示すようにして決定され
た原形バイアスも、ビークル102のGPS処理システム700
によって生成された実際の擬似距離を変更するために使
用される。従って、流れ図ブロック1514に示すように、
原形バイアスはデータ無線機620及び622を使用してベー
スステーション188からビークル102へ送信される。
原形バイアスはビークル102内のGPSカルマンフルタ80
2を更新するために使用される。GPSカルマンフルタ802
を更新することにより、より正確な第１位置推定が得ら
れる。
b.放物線バイアス技術 GPS衛星132−170が空に昇り、沈むにつれて各GPS衛星
132−170が形成する経路を地表または地表付近において
擬似距離で追尾すると放物線を辿る。従って、天空中の
各GSP衛星の経路を表す放物線関数を導出することがで
きる。これは、好ましい実施例におけるベースステーシ
ョン188に搭載のホスト処理システム186において遂行さ
れる放物線バイアス技術の要諦を説明している。しかし
放物線バイアス技術はビークル102において遂行するこ
とができることに注目すべきである。
図16の流れ図1600は放物線バイアス技術を示す。放物
線関数（モデル）は、ベースステーション188においてG
PSアンテナ702の視界内の各GPS衛星毎に計算される。
流れ図1600は流れ図ブロック1602から開始される。流
れ図ブロック1604に示すように、時刻ｔ（ｎ）に、前述
のようにGPS受信機706を使用してGPSアンテナ702の視界
内の各GPS衛星毎に実際の擬似距離がベースステーショ
ン188において決定される。流れ図ブロック1606に示す
ように、これらの（各GPS衛星毎の）実際の擬似距離は
各GPS衛星毎の放物線最良適合モデル内に組入れられ
る。即ち、流れ図ブロック1606において、各GPS衛星毎
の放物線モデルに１つの点が付加される。
流れ図ブロック1608に示すように、各GPS衛星毎の放
物線関数を推定するために十分な点が放物線モデル上で
決定されたか否かの試験が行われる。収集された点の数
は特定の統計R2値を決定する。好ましい実施例では、R2
値は次のようにして計算される。
R2＝和２（推定擬似距離（ｔ）−推定擬似距離の平均） ／和２（実際の擬似距離（ｔ） −実際の擬似距離の平均） 上記標準統計方程式は当分野では公知である。この方
程式に関するさらなる考察はDraper,Applied Regressio
n Analysis,1966 editionを参照されたい。Ｎを計算さ
れた推定及び実際の両擬似距離の数を定義することによ
って、及び方程式を数学的に展開することによって、よ
り使用可能な形状の以下の方程式を容易に導出すること
ができる。
R2＝N ＊和（全推定擬似距離の自乗）−2 ＊和 （推定擬似距離）＊和（実際の擬似距離）＋和 （実際の擬似距離）2/N ＊和 （全実際の擬似距離の自乗）−和（実際の擬似距離） 流れ図ブロック1608に示すように、好ましい実施例で
は、もしこのR2値が0.98よりも大きければ、この放物線
モデルはGPS衛星の将来経路を推定するのに十分に正確
であるものと見做される。もしR2値が0.98よりも小さい
かまたは等しければ、放物線モデル上のさらなる点を計
算しなければならない。これらの点は、GPS受信機706に
よって連続的に計算されている擬似距離データを組入れ
ることによって計算される。
流れ図ブロック1610に示すようにＮ値がインクリメン
トされ、流れ図ブロック1604に示す擬似距離を計算する
時刻が増加したことを示す。GPS受信機706は各GPS衛星
毎の実際の擬似距離を2Hzで（１秒間に２回）出力する
から、各Ｎインクリメントはほぼ0.5秒を表しているべ
きである。
R2値を0.98よりも大きくするような十分なデータが収
集されていれば、流れ図ブロック1612に示すように、こ
の放物線モデルは各衛星軌道経路を表すのに十分に正確
であると見做される。流れ図ブロック1614に示すよう
に、これで放物線モデルは完璧であり、モデル上の将来
点を補外することができる。
流れ図ブロック1614に示すように、時刻Ｔ（ｎ＋１）
における各放物線モデル上の軌跡点が計算される。軌跡
点とは、時刻Ｔ（ｎ＋１）におけるGPS衛星の予測され
る実際の擬似距離のことである。一旦この軌跡点が計算
されれば、流れ図ブロック1616に示すように、その軌跡
点に関する距離（GPSアンテナ702とGPS衛星との間の距
離）が計算される。
流れ図ブロック1618において、好ましい実施例では現
時刻である時刻ｔ（ｎ＋１）における実際の擬似距離が
計算される。これらの実際の擬似距離は前述のようにGP
S受信機706によって計算される。時刻Ｔ（ｎ＋１）にお
けるこれらの実際の擬似距離は、流れ図ブロック1600の
次の繰り返しにおいて放物線最良適合モデル内に組入れ
られる。
流れ図ブロック1620に示すように、時刻Ｔ（ｎ＋１）
に計算された各衛星毎の実際の擬似距離及びベース時計
バイアス（長さの単位）が、軌跡点距離から差し引かれ
て各衛星毎の放物線バイアスが生成される。
次いで流れ図ブロック1624に示すように、これらの放
物線バイアスはデータ無線機714を介してビークル102の
GPS処理システム700へ転送される。ビークル102のGPS処
理システム700はこれらの放物線バイアスを使用して実
際の擬似距離（ビークル実際の擬似距離）の精度を向上
させ、それによって第１位置推定の精度を向上させる。
c.ベース残留バイアス技術 図17にベース残留バイアス技術を実現するための流れ
図1700を示す。好ましい実施例では、ベース残留バイア
ス技術はベースステーション188に搭載されているホス
ト処理システム186において遂行される。ベース残留バ
イアスは、ベースステーション188において計算された
後にビークル102のGPS処理システム700へ転送される。
ビークル102のGPS処理システム700はこのベース残留バ
イアスを使用して第１位置推定の精度を向上させる。
本明細書ではベース残留バイアスとは、ベースステー
ション188のベース既知位置とベースステーション188の
位置推定（もしビークル102によって計算されれば、第
１位置推定）との差であり、これはベースステーション
188のホスト処理システム186によって計算される。これ
が如何に機能するかを説明するために、ベースステーシ
ョン188がメープル通りとエルム通りの角に位置してい
るものとする。またベースステーション188のGPS処理シ
ステム700は、ベースステーション188がベース既知位置
（エルム通りとメープル通りとの角）の真南４マイルの
処にあると推定しているものとする。ベース残留バイア
スが、真南の方向４マイルに等しい距離であることは明
白である。
ビークル102のGPS処理システム700はベースステーシ
ョン188のGPS処理システム700と同一であるから、計算
内のこの４マイル誤差はビークル102及びベースステー
ション188において発生するものと考えることができ
る。そこでビークル102はこの情報をそのGPSプロセッサ
710において使用することができる。実際に、ビークル1
02のGPSプロセッサはデータ内の４マイル真南の誤差を
斟酌してその第１位置推定を変更する。
以下に図17を参照してベース残留バイアス技術の原理
体系の詳細を説明する。流れ図ブロック1704において、
ベースステーション188の正確な極座標x0、y0、z0がベ
ース既知位置から得られる。
流れ図ブロック1706において、ベース実際の擬似距
離、ベース推定擬似距離、及びベース時計バイアスがベ
ースステーション188のホスト処理システム186によって
計算される。もしビークル102のGPS受信機706がGPS衛星
の特定星座（図示してない）からのデータを読取るよう
に構成されていれば、ベースステーション188のGPS受信
機706は同一衛星星座を使用することになろう。
流れ図ブロック1708に示すように、ベースステーショ
ン188の位置推定（ベース位置推定）が計算される。好
ましい実施例では、このベース位置推定はビークル102
における第１位置推定と同一の方法で計算される。
次に流れ図ブロック1710において、ベース位置推定が
ベース既知位置と比較される。ベース位置推定とベース
既知位置（エルム通りとメープル通りとの角）との差
（例えば上例では４マイル）を（もしあれば）、本明細
書ではベース残留バイアスと呼ぶ。
流れ図ブロック1712に示すように、ベース残留バイア
スはデータ無線機714によってビークル102へ送信され
る。ベース残留バイアスは、ビークル102のGPSプロセッ
サ710において処理されて第１位置推定の精度が向上さ
れる。
d.ベース相関器バイアス技術 図17Aは、ビークル102の第１位置推定の精度を改善す
るために本発明に使用されるベース相関器技術の高水準
流れ図1700Aである。要約すれば、本技術は参照点の既
知の位置を精度向上の方策として使用する。好ましい実
施例では、ベースステーション188を参照点として働か
せる。以下に図６を参照して流れ図1700Aの原理を説明
する。
ベース相関器技術では、流れ図ブロック1705に示すよ
うに、先ず空間バイアス（ベース空間バイアス）及び時
計バイアス（ベース時計バイアス）が図６のベースステ
ーション188のホスト処理システム186によって計算され
る。ベース空間バイアスは、上述の原形バイアス及び放
物線バイアスを含む、しかしこれらに限定されない何等
かの空間誤差計算であることができる。
即ち原形バイアスは、実際の擬似距離（ベース実際の
擬似距離）から推定擬似距離（ベース推定擬似距離）及
びベース時計バイアスを差し引くことによって計算され
ることを思い出されたい。ベース推定擬似距離は、
（１）暦データと、（２）衛星信号の送信の時刻と、
（３）ベースステーション188の既知位置（ベース既知
位置）とから決定される。ベース時計バイアスは、GPS
衛星及び擬似衛星の両方または何れか一方の送信回路
と、ベースステーション188の受信回路との時計時刻の
差である。ベース時計バイアスは、それらに光速を乗ず
ることによって長さの単位で表される。ベース実際の擬
似距離は、GPS衛星及び擬似衛星の両方または何れか一
方からベースステーション188へ送られる電磁信号の送
信と受信との間の伝播時間遅延から決定される。
更に、放物線バイアスは、観測された各GPS衛星のベ
ース実際の擬似距離のための放物線モデルを形成し、こ
れらの放物線モデルから値を補外することによって計算
される。好ましい実施例では放物線バイアスは、ベース
実際の擬似距離、マイナス作成された放物線モデルから
補外された値、マイナスベース時計バイアス（長さの単
位）である。
流れ図ブロック1709に示すように、ベースステーショ
ン188は通信チャネル618を通してビークル102へ、ベー
ス実際の擬似距離と、ベース推定擬似距離と、ベース空
間バイアスと、ベース時計バイアスと、ベースステーシ
ョン188のベース既知位置とを転送する。推定自体を極
めて正確にするために、ベース既知位置は、本発明の新
規なシステム及び方法、または何等かの普通のシステム
及び方法を含む、しかしこれらに限定されることがない
適切な手段によって決定することができる。ビークル10
2が上記情報をベースステーション188から受信した後
に、ビークル102のGPSプロセッサ710はこの情報を、そ
れ自身の空間バイアス（ビークル空間バイアス）の計算
に使用する。
ビークル102が流れ図ブロック1713においてビークル
空間バイアスを導出するための計算を遂行する前にその
GPS受信機706は、それ自身の実際の擬似距離（ビークル
実際の擬似距離）と、それ自身の推定擬似距離（ビーク
ル推定擬似距離）と、それ自身の時計バイアス（ビーク
ル時計バイアス）とを計算する。ビークルGPSプロセッ
サ710はビークル実際の擬似距離から、ビークル推定擬
似距離と、ビークル時計バイアスと、流れ図ブロック17
09においてベースステーション188から送られたベース
空間バイアスとを差し引く。その結果がビークル102に
おけるビークル空間バイアスのより正確な計算である。
次いで流れ図ブロック1717に示すように、ビークル空
間バイアスを使用してビークル102の第１位置推定（FP
E）をより正確に変更する。FPEがビークル102の絶対位
置（地球172の中心に対する）の推定であることに注意
すべきである。
流れ図ブロック1721から始めて、ビークル102のFPEを
改善するために繰り返し方法が設けられている。この方
法は、ベースステーションを一種の相関器として使用す
ることを企図している。好ましい実施例では、この方法
をGPSカルマンフィルタ802によって実現している。
流れ図ブロック1721において、ビークル102に対する
ベースステーション188の推定相対位置（HBE）が決定さ
れる。FPEの初期状態は、ｉを繰り返しに対応する正の
整数値として、FPE（ｉ）の現在の値を取る。従って、
この方法が流れ図ブロック1717からブロック1721へ進む
と、FPE（ｉ）の現在の値はFPE（０）になる。
更に流れ図ブロック1725において、ビークル102は次
に、ベースステーション188からビークル102に転送され
たベース実際の擬似距離と、ベース指定擬似距離と、ベ
ース空間バイアスと、ベース時計バイアスとを使用し
て、ベースステーション188の推定位置（ベース推定位
置;BEP）を計算する。このBEPが絶対位置（地球172の中
心に対する）であることに注意すべきである。FPEからB
EPを差し引くことによって、ビークル102に対するベー
スステーション188の推定相対位置（HBE）が決定され
る。
流れ図ブロック1725に示すように、HBAが決定され
る。HBAはビークル102に対するベースステーション188
の別の推定相対位置である。しかしHBEとは異なり、HBA
はFPEからベース既知位置（BKP）を差し引くことによっ
て計算される。従ってHBEとHBAとは、前者がGPSデータ
及び擬似衛星データの両方または何れか一方を使用して
計算されるのに対して、後者は既知データを使用して計
算される点が異なる。
次に流れ図ブロック1729において、HBEからHBAを減算
することによってオフセットが計算される。好ましい実
施例では、このオフセットは、二次元直交座標系内のベ
クトルである。ビークル102とベースステーション188と
の高度差を斟酌する場合には三次元ベクトルを実現でき
ることも考えられる。
流れ図ブロック1733において、古いFPEからオフセッ
トを差し引くことによって新しいFPE（ｉ）が計算され
る。換言すれば、オフセットはバイアスとして使用さ
れ、FPE（ｉ）の精度を向上させるためにFPE（ｉ）から
差し引かれる。
流れ図ブロック1737において、オフセットが所定のし
きい値と比較される。好ましい実施例では、各ベクトル
成分は対応するしきい値を有している。もし全ての成分
がそれらの対応する所定のしきい値よりも小さくなけれ
ば、戻り矢印1739で示すように流れ図1700Aは再び流れ
図ブロック1721を開始する。この場合正の整数ｉが１だ
け増加され、その繰り返しが別の繰り返しであり、異な
るFPE（ｉ）であることを指示する。本発明の所定のし
きい値に達するか、またはそれを超えるまで循環的に、
またはループ状に動作する。
オフセットが最終的に所定のしきい値に達すると、流
れ図ブロック1743に示すようにFPEはFPE（ｉ）の現状態
を取る。以上のように、ベース相関器バイアス技術は高
精度のFPEをもたらす。
G.衛星位置予測装置 本発明は、ベースステーション188及びビークル102の
両方または何れか一方の既知の絶対位置に対するGPS衛
星132−170の将来位置を予測することができる。将来位
置は、ホスト処理システム188及びVPS1000の両方または
何れか一方のGPSプロセッサ710によって計算された推定
擬似距離に基づく。更に、この計算はベースステーショ
ン188及びビークル102の両方または何れか一方において
遂行し、必要ならば、何処へでも転送することができ
る。
GPS衛星132−170の将来位置を予測することによっ
て、十分事前にビークル102のための最適衛星星座を決
定することができる。従って本発明は、衛星の可用性及
び非可用性を体系的に予備することができる。また本発
明によればビークル102の動作、サービス、及び保守に
関する将来計画が可能になる。
図18の流れ図1800は本発明の星座位置予測方法を示
す。流れ図ブロック1804において、特定のGPS衛星に関
して、今までには示さなかった多くの理由の何れかのた
めに、将来データ及び時刻が入手または選択される。
流れ図ブロック1806に示すように、将来データ及び時
刻を取得した後に、ベースステーション188及びビーク
ル102の両方または何れか一方の位置が決定される。好
ましい実施例では、ベースステーション188を参照点と
して使用する。ベースステーション188の位置はベース
既知位置またはベース位置推定（両者共ベース残留技術
に関して説明済）であってよい。好ましい実施例ではベ
ース既知位置を使用し、以下の説明はこれに基づく。
次に流れ図ブロック1808に示すように、暦データを参
照する。本明細書の初めの部分で説明したように、NAVS
TAR GPSの暦データは暦方程式の形状である。衛星の識
別と、将来データ及び時刻と、ベース既知位置とを暦方
程式内に入力することによって、どの衛星の将来位置も
決定することができる。
暦方程式を使用してベースステーション188に対する
衛星の将来位置を決定する場合の将来位置は、流れ図ブ
ロック1808に示すように直交XYZ座標である。最後に、
好ましい実施例では流れ図ブロック1810において、XYZ
座標とベースステーション188の位置とから衛星の緯
度、経度、高度及び方法が計算される。
衛星の将来位置の計算から、最適衛星星座を決定する
ことができる。ベースステーション188を参照点として
使用して決定された最適衛星星座は、もしビークル102
がベースステーション188に近接していれば、ビークル1
02へ転送することができる。
H.重み付き経路履歴 本発明の重み付き経路履歴技術は、GPS処理システム7
00から導出するビークル102の第１位置推定の精度を改
善する。重み付き経路履歴技術は、VPS 1000によって導
出する第３位置推定の精度を改善するために以下に記述
するのと同じようにして実現することができる。重み付
き経路履歴技術を図19及び20に示す。
本質的に重み付き経路履歴技術は、将来の第１位置推
定の有効性を試験するために、先行第１位置推定を使用
してビークル経路モデルを導出する。重み付き経路履歴
技術を使用することによって、第１位置推定の漂動が減
少し、偽の位置計算を行わない免除特性が向上する。本
明細書で使用する“漂動”とは、GPS処理システム700
が、ビークル102の実験の経路からずれた誤りのビーク
ル位置を推定する傾向のことである。
図19を参照する。重み付き経路履歴流れ図は流れ図ブ
ロック1902から開始される。流れ図ブロック1904に示す
ように、ビークル102の第１位置推定がGPS処理システム
700によって計算され、記録される。第１位置推定は時
刻に関連して記録される。図20に示すように、ビークル
102の第１位置推定2002、2004、2006、2008、2010、及
び2012は図200に作図され、最終的にビークル経路2022
を導出する。
流れ図ブロック1906においては、第１位置推定を使用
してビークル102の経路に最良適合する経路方程式が処
理／導出される。換言すれば、第１位置推定が時間に関
して累積され、正確な“経路方程式”が導出されるので
ある。好ましい実施例では、経路方程式は二次（放物
線）方程式である。しかし、曲折するビークル経路及び
ビークル転回に関して、三次（数学的変曲を有する）方
程式も含まれることを理解すべきである。更に、本発明
の実施例は、無限数の異なるビークル経路を写図するた
めに、どのような型の方程式の組合わせをも使用するこ
とができる。
流れ図ブロック1908において、経路方程式及び第１位
置推定に関する統計R2値が計算され、数値的しきい値と
比較される。好ましい実施例では、このしきい値は0.98
に設定されている。統計R2値に関して本明細書において
既に説明済である。図19の重み付き経路履歴技術に関し
ては、R2値は、これまでに求められた第１位置推定の数
を反映し、従って経路方程式からの将来予測の統計的精
度を表す。
もしR2値が0.98より大きいか、または等しければ、流
れ図ブロック1910において新経路方程式を導出すべきか
否かを決定する試験が遂行される。換言すれば、現在収
集されている第１位置推定並びに経路方程式が不正確で
あり、従って頼るべきではないか否かの決定が行われる
のである。
好ましい実施例では、第１位置推定の数が計算され、
しきい値20と比較される。どのようなしきい値数を事前
選択しても差し支えない。もし20より多くの第１位置推
定を計数すれば、流れ図はブロック1914へ移動する。流
れ図ブロック1914は、流れ図1900の次の繰り返し中に、
新しい経路方程式を流れ図ブロック1906から開始させる
ことを指示する。
もし20より少ないか、または等しい第１位置推定が計
算され、収集されていれば、流れ図ブロック1906の現経
路方程式はそのまま使用され、流れ図1900の次の繰り返
し中に再び検討される。更に、流れ図ブロック1912に示
すように第１位置推定がGPS処理システム700によって出
力される。
図20に検討中のシナリオを図式的に示す。ビークル10
2の第１位置推定2010は、経路方程式の最良適合予測200
6とは極端に異なっている。従って経路方程式のR2値が
所定のしきい値より大きいか、または等しい限り、及び
十分な位置推定がサンプルされている限り、第１位置推
定2010は最良適合予測2006によって置換される。
線2014及び2016は、第１位置推定の許容範囲を示す。
これらの線2014及び2016は、R2値の物理的表示を示す。
従って、GPS処理システム700は、線2016の広がりの外側
の第１位置推定2010の代わりに、最良適合予測2006を航
法システム1022へ出力する。
図20Aは、図19及び20で説明した重み付き経路履歴技
術を実現する方法の高水準流れ図2000Aである。図示の
ようにこの方法は、鋭い角、交差、及び何等かの極端な
非線形経路の全てまたは何れかを有するビークル走行経
路を受け入れる。この方法は、GPS処理システム700が出
力するビークル102の第１位置推定（FPE）の精度を向上
させる。
好ましい実施例は、ソフトウエアによって図20Aの新
規な原理体系を実現する。このソフトウエアは、ビーク
ル102及びベースステーション188の両方または何れか一
方のGPS処理システム700のGPSプロセッサ710内に位置さ
せることができる。
流れ図1600Aは、流れ図ブロック2001から開始され、
流れ図ブロック2019で終る。流れ図ブロック2005に示す
ように、図７及び８で説明したGPS処理システム700は、
本明細書で説明済のバイアス技術の何れかを使用して第
１位置推定を計算する。好ましい実施例では、図20Aの
方法に採用されるバイアス技術は、例えば図15の原形バ
イアス技術及び図16の放物線バイアス技術を含む。
流れ図ブロック2009において、ビークル102が鋭い
角、交差、または不規則な経路に接近中か、またはその
中にあるか否かの決定が行われる。この質問に答えるた
めに必要な情報は、図４のナビゲータ406からGPSプロセ
ッサ710に供給することができる。もしこの質問に対す
る答えが否であれば、流れ図2000Aは矢印2013で示すよ
うに進められる。そうでなければ、即ちもしこの質問へ
の答えが肯定ならば、流れ図2000Aは矢印2021で示すよ
うに進む。これらの両進路に関して以下に説明する。
ビークル102が極端な非線形経路に接近中でも、その
中に位置してもいなければ、流れ図2000Aは流れ図ブロ
ック2015を開始する。流れ図ブロック2015においてGPS
プロセッサ710は、１またはそれ以上のバイアス技術を
使用して導出した第１位置推定をVPS1000へ出力する。
図10及び11において説明済のVPS1000が、GPS処理システ
ム700から送られた第１位置推定を部分的に使用してビ
ークル102の第３位置推定を計算することを思い出され
たい。
ビークル102が極端な非線形経路に接近中である場合
には、流れ図2000Aは流れ図ブロック2023を開始する。
流れ図ブロック2023では、最終的により線形な経路が後
続するまで、バイアス技術は一時的に放棄される。流れ
図ブロック2027に示すように、GPSプロセッサ710はバイ
アス技術に無関係にビークル102の第１位置推定を計算
する。
次に流れ図は流れ図ブロック2031へ進む。ビークル10
2が比較的線形の経路に接近中か、またはその中にある
か否かの決定が行われる。もし肯定であれば、流れ図20
00Aは戻り矢印2033によって示されているように流れ図
ブロック2005へ戻される。流れ図ブロック2005において
は、先に終了させられた何れかのバイアス技術が再び使
用される。
図16の放物線バイアス技術の場合には、観測される各
GPS衛星毎に新しい最良適合放物線モデルが作成され
る。観測される各GPS衛星毎に実際の疑似距離がある時
間周期に対して決定され、各GPS衛星毎の放物線モデル
が作成されることを思い出されたい。放物線モデルの精
度があるしきい値より大きくなるまでは、これらのモデ
ルは使用されない。本発明では、統計R2値が0.99より大
きくなるまでは放物線モデルは使用されない。
一方、もしビークル102が比較的線形の経路に接近中
でもなく、またその中に位置してもいなければ、流れ図
2000Aは前述の流れ図ブロック2015へ移動する。しかし
この点でVPS1000へ送信される第１位置推定が如何なる
バイアス技術も使用されずに導出されたものであること
に注目すべきである。
I.反選択可用性 U.S.政府（NAVSTAR GPSの運用者）が、時々、時計パ
ラメタ及び天体暦パラメタの両方または何れか一方を変
更することによって、GPS衛星132170から送信されるGPS
データ内に誤差を導入させるものと信じられる。換言す
れば、U.S.政府はGPSデータの可用性を選択的に変更で
きるのである。例えば、このような操作は国家非常時に
行われるであろう。それでもU.S.政府はNAVSTAR GPSを
使用できるのである。何故ならば、U.S.政府はＰモード
と呼ばれる他の異質の型の擬似ランダムコードを使用す
るからである。従って、U.S.政府はC/Aモードを弱体化
することができる。このような弱体化によって、GPS受
信機706は不正確な実際の、及び推定擬似距離を、従っ
て不正確な第１位置推定を計算してしまうようになる。
本発明の反選択可用性技術は、GPSデータの何等かの誤
導入を検出し、補償する方策である。
図21に、反選択可用性技術の流れ図2100を示す。好ま
しい実施例では、反選択可用性技術はホスト処理システ
ム186のGPSプロセッサ710内で遂行されている。しかし
この技術は、ビークル102のGPSプロセッサ710内で実現
することが可能である。流れ図2100は、流れ図ブロック
2102で開始され、流れ図ブロック2118で終了する。
流れ図ブロック2104において、GPSアンテナ702の視界
内のGPS衛星の推定擬似距離（予測推定擬似距離;Oij）
が、古い暦データを使用することによって予測される。
古い暦データとは、先にGPS受信機706によって記録さ
れ、またGPSプロセッサ710が現在受信したGPSデータに
は関わりなく予測推定擬似距離を計算するのを可能にす
るGPSデータ、またはその一部のことである。ある意味
では、この古い暦データは現在受信したGPSデータの完
全性を調べるのに使用されるのである。好ましい実施例
では、この古い暦データはGPS受信機706によって受信さ
れた先行天体暦である。
更に流れ図ブロック2104において、GPS衛星によって
送信中の現天体暦データ（GPSデータの部分集合）と、
ベースステーション188のベース既知位置とを使用し
て、GPS衛星の現推定擬似距離（“Nij"）が通常のよう
に計算される。
流れ図ブロック2106において、予測推定擬似距離（暦
を使用）と、現推定擬似距離（最新天体暦を使用）とが
比較される。流れ図ブロック2106に示すように、予測推
定擬似距離と現推定擬似距離のユークリッドノルムが計
算され、所定のしきい値と比較される。
もしユークリッドノルムが所定のしきい値よりも大き
ければ、流れ図ブロック2108に示すように天体暦データ
は信頼できないものとされる。従って、流れ図ブロック
2108に示すように、ベースステーション188の位置推定
を計算する代わりに最新の有効暦データが使用される。
次いで流れ図2100は流れ図ブロック2110へ進められる。
もしユークリッドノルムが所定のしきい値よりも小さ
ければ、その天体暦データは適切であるものとされ、流
れ図2100は流れ図ブロック2110へ進められる。
次に流れ図ブロック2110に示すように、現時刻と、現
在受信したGPSデータか、または古い暦データの何れか
（流れ図ブロック2106において決定）とを使用してベー
スステーション188のベース位置推定が計算される。
流れ図ブロック2112においてこのベース位置推定が予
測値と比較される。換言すれば、ベースステーション18
8の所在（ベース既知位置）は既知であるから、反選択
可用性技術を使用したベース位置推定の精度は、所定の
しきい値に対して容易に調べることができるのである。
もし精度が所定のしきい値内にあれば、流れ図ブロッ
ク2116に示すようにそのGPSデータが適切であるという
指示がビークル102へ送られる。その結果ベースステー
ション188は第１位置推定を計算するのに必要な情報を
ビークル102へ転送する。転送される情報は、例えばベ
ース時計バイアス、空間バイアス（原形バイアス、放物
線バイアス、ベース残留バイアス）、ベース推定擬似距
離、及びベース実際の擬似距離の全てまたは何れかを含
むことができる。
もし計算されたベースステーション188が所定のしき
い値内になければ、流れ図ブロック2114に示すように、
推定ベース位置が所定のしきい値内に入るようにベース
時計バイアス及びベース空間バイアスの両方または何れ
か一方が操作される。そこで、流れ図ブロック2116に示
すようにベース推定位置を受け入れ可能なしきい値内に
移動させるのに必要なベース時計バイアスがビークル10
2へ送られるのである。
J.探査 ビークル102の位置推定及び航路の決定に加えて、本
発明は地球172の表面の探査を実時間で達成する別の実
施例に使用することができる。即ち、本発明の技術及び
方法を使用して地球172上の如何なる点の位置も計算す
ることができる。
K.図形表面 本発明は、ホスト処理システム188のユーザインタフ
ェース（図示してない）上に図形画像を生成させる。図
形画像によって、ベースステーション188に搭乗するユ
ーザは、ビークル102、及び本発明を使用して航行中の
任意の他のビークルの経路を視ることができる。好まし
い実施例では、もし望むならば、図形画像を市販のビデ
オ表示装置上に表示させ、画面を普通のプリンタによっ
て印刷させることができる。
IV.航法システム A.概要 自律航法システムの実現を検討する際に、点Ａから点
Ｂまでの航行を成功させるためには、自律システムが答
えることができなければならない若干の基本的な質問が
存在する。最初の質問は、“今我々（ビークル）は何処
にいるのか?"である。この最初の質問には、区分II.に
おいて説明した本発明の位置特定システム部分が答え
る。
次の、第２の質問は、“我々は何処へ行くのか、そし
てどのようにしてそこへ行くのか?"である。この第２の
質問は、本区分（III.）において説明する本発明の航法
システム部分の領域に入る。
さらなる（第３の）質問は、“どのようにして我々は
ビークルを実際に物理的に運動させるのか、そのように
するためには例えばどのアクチュエータが含まれるのか
（舵取り、速度、制動、等々）?"である。これも以下に
説明する航法システムのビークル制御サブシステムの領
域である。
上述のように、例えば採鉱用ビークルの自律航行は、
従来の航行よりも優れた若干の長所を提供する。就中、
優れた生産性を提供するのはビークルの終日、即ち24時
間運転である。危険な作業環境、または低視程の作業環
境が提示する諸問題は、自律システムが解決するのに特
に適した問題である。
例えば、低視程のために年間200日は作業不可能な採
鉱現場が存在する。産業公害または核公害によって汚染
されているために人の生命にとって危険であるかも知れ
ない他の領域も存在する。ある領域は、人間がそこで働
くには極めて苛酷であるか、または実行不能な程遠方、
または荒廃しているかも知れない。本発明の応用は、地
球外動作、例えば必要GPS衛星が月の軌道内に配置され
ていることを条件に、月における採鉱を予見的に含むこ
とができる。
図３に示すように、本発明の典型的な応用は採鉱現場
における採鉱車の航行に関し、この現場には基本的な３
つの作業領域、即ち積荷現場、輸送路、及びダンプ現場
が存在する。積荷現場では、運搬車は種々の方法の何れ
かで、例えば直接制御または遠隔制御の何れかによって
制御される手動ショベル、または自律ショベルによって
鉱石を積荷することができる。次いで運搬車は輸送路と
呼ばれる領域を走行しなければならない。輸送路は数百
メートル程度しかない場合も、数キロメートルに達する
場合もある。輸送路の終りがダンプ現場であり、鉱石は
例えば粉砕、またはその他に精製するために運搬車から
ダンプされる。本発明は、運搬車を輸送路に沿って制御
するために自律位置特定及び航法を使用する。自律航行
する燃料補給ビークル及び保守ビークルも考えられる。
図４及び５を参照する。AMT（自律採鉱トラック）の
航行は、幾つかのシステム、装置及び機能の全てまたは
何れかを包含する。上記総合AMTシステムのサブシステ
ムVPS1000は、例えばビークルが北及び東位置を含む何
処に位置しているかを指示する位置データを出力する。
図４及び５を参照する。VPSからのデータ出力はナビ
ゲータ406によって受信される。ナビゲータは、ビーク
ルが何処へ行きたいのか（ルートデータから）、及びど
のようにしてそこへ到達するかを決定し、舵取り及び速
度命令からなるデータをビークル制御機能ブロック408
へ出力してビークルを運動させる。
次いでビークル制御ブロックは低水準命令を、ガバ
ナ、ブレーキ、及び伝導装置のような種々のビークル10
2システムへ出力する。ビークルが行先へ向かって運動
すると、ビークル制御ブロック及びVPSは、例えばビー
クルのシステムの障害状態、現速度等々を表すフィード
バック情報をビークルから受信する。
航法は予期せざる障害物に対処する障害物処理（検出
及び回避）能力をも含んでいなければならない。走査シ
ステム404は、ビークルの予定の道筋内の障害物、及び
側から接近するかも知れない障害物を検出して、これら
のナビゲータに通知する。
次いでナビゲータは、障害物を回避するための動作が
必要か否かを決定することを要求されるかも知れない。
もし動作が要求されれば、ナビゲータはどのようにして
障害物を回避するかを決定する。またナビゲータは、障
害物を回避した後に、どのようにしてビークルをその行
先に向かう経路に戻すかを決定する。
脈絡図と名付けた図35、及び図37A−37Dを参照する。
数字入りの円で示されている定義を以下に示す。
502. ホスト命令＆照会： ホストによってビークル管理者に与えられる命令。これ
らの命令は幾つかの型であり得る。
開始／終了； 供給パラメタ； 緊急時動作；及び 指令。
照会はナビゲータの種々の部分のステータスに関して問
合わせる。
504. ホストへの返答： これらは、ホストによってなされた照会に対する応答で
ある。
432. 位置データ： これは、VPSによって供給されるストリーム化された情
報である。
416. 距離データ： これは、線レーザスキャナからの距離データである。
432. VPS制御： これらは、VPSの始動、停止、及びモード間の切り換え
を行うために与えられる命令である。
416. スキャナ制御： これらは、レーザスキャナに運動を開始させ、速度パタ
ーンを追随させるように設定するために送られる命令で
ある。
420. 舵取り＆速度命令： これらは、舵取り及び速度を制御するためにビークルに
与えられる命令である。これらの命令は、２−5Hzのレ
ートで供給される。
図５を参照する。前述のように本発明の好ましい実施
例では、VPS及びナビゲータは共にビークル上に配置さ
れ、以下に説明するようにベースステーション188と通
信してホスト処理システム186から高水準GPS位置情報及
び指令を受信する。システムはベースステーション及び
ビークル上においてGPS衛星200−206からのGPS位置情報
を収集するので、共通モード誤差は除去され、位置決め
精度を向上させることができる。
本発明の代替実施例では、VPS及びナビゲータの部分
をベースステーションに配置することができる。
ベースステーションに配置されているホストは、例え
ば点Ａから点Ｂへ行くことをナビゲータに通知すること
ができ、使用する固定ルートの集合の中の１つを指示す
ることができる。またホストは、効率の最大化、衝突回
避、誤り状態の検出等々を達成するためのビークル及び
機器の調整のような他の典型的なタスク指名及びスケジ
ューリングをも処理する。またホストは、人間の管理者
のための操作インタフェースを有している。
通信の隘路と、それによりもたらされる性能及び応答
性の劣化を回避するためには、ホストをベースステーシ
ョンに配置し、ナビゲータをビークルに配置することが
望ましいことが分かった。ホストは比較的高水準の命令
及び簡易化されたデータをナビゲータへ送るから、比較
的狭い通信帯域幅で済む。しかしながら、本発明のため
に広帯域通信が使用可能である場合には、これが要因に
はならないかも知れない。
本発明のシステムの諸要素の特定位置を決定する別の
要因は、自律航法の時間臨界度である。あるルートを辿
る際に容認できない程の不正確さを回避するために、航
法システムはその絶対位置と相対位置とを絶えず検査し
ていなければならない。位置検査に必要な周波数はビー
クルの速度と共に増加し、ビークル速度が比較的中庸で
あってさえも通信速度が制限要因になり始める。
しかし、ビークルの最大速度が主たる考察要因ではな
く、高度のルート追随精度が臨界的ではない両方または
何れか一方の応用においては、この通信要因は重要では
ないかも知れない。例えば、広々と開けた平坦な土地を
比較的直線の経路に沿って急いで横切るような場合に
は、曲がりくねった山道に沿って走行する場合のように
走行中に屡々位置を検査する必要はあるまい。
概念的には、本発明の航法の面は、任意に以下の主要
機能に分割することができる。
ルート計画／経路生成； 経路追尾；及び 障害物処理。
本発明の機能を以下に説明する。
B.ルート計画／経路生成 1.序 本発明による自律ビークル航法は、概念的には、別個
に解決される２つの副問題、即ち経路生成と、経路追尾
とからなる。
経路生成は高水準プランナからの中間目標を使用し
て、ビークル102が辿る詳しい経路を生成する。これら
の計画の表現の簡易さと、それらを実行できる容易さと
の間には明白なトレードオフが存在する。例えば簡単な
計画は、経路を直線と円曲線に分解することである。し
かしながら、セグメントの遷移点における曲率が不連続
であり瞬時加速を必要とするために、簡単にこれらの経
路を精密に追尾することはできない。
経路生成に続いて、経路追尾は入力として生成された
詳細な経路を入手し、可能な限り精密にその経路を辿る
ようにビークル102を制御する。所望の舵取り運動を正
確に達成することに失敗すると、安定なオフセット誤差
を生じてしまうので、単に事前に作成された舵取り命令
のリストに従うだけでは不十分である。誤差は長期運転
中に累積する。グローバル位置フィードバック432は、
理想的アクチュエータに対する不足分を補償するために
使用することができる。従来のビークル制御計画とは異
なり、位置の時間履歴（軌跡）をビークル102に対して
指定された計画の中に暗示するような方法が本発明のた
めに開発された。
これらの方法は、舵取り運動が時間から切り離されて
いること、即ち舵取り運動を指定された経路の幾何学的
性質に直接関係付け、ビークル102の速度を独立パラメ
タとしていることから、“経路”追尾と適切に命名され
ている。
さて、図３を参照する。自律ビークル102は、ホスト
処理システム186の指令の下に、ダンプ現場322まで輸送
セグメント320を走行し、その積荷をダンプした後に、
別の輸送セグメントをサービスショップ324まで走行す
ることを要求されるかも知れない。ホスト処理システム
186はビークル102の行先を決定するが、これは“サイク
ル計画”と呼ばれる。どのルートを通って所望の行先へ
行くかの決定は、“ルート計画”によって達成されなけ
ればならない。
“ルート計画”とは、どの経路セグメントを通って所
望の行先へ行くかを決定することである。一般に、ルー
トは２つの限定された位置間の点の集合の高水準抽象、
または表現と考えることができる。誰かが運転手に対し
て“メイン州ロブスターから国道95号線を南にとりフロ
リダ州マイアミまで行け”と指令したものとすれば、運
転手がその指令を一連の操作（これらの操作は、車即ち
ビークル102を始動させ、ブレーキ4406をゆるめ、伝動
装置4610を係合させ、公示された制限速度まで加速し、
舵取りハンドル4910を回し、障害物を避ける等々を含む
であろう）に変換するであろうが、それと全く同じこと
を本発明の自律航法システムは遂行するのである。本発
明のシステムにおいて使用する“ルート”とは、走行の
始まりと終りとの間の連続“セグメント”のシーケンス
のことである。
自律ビークル102はシーケンスのどの位置からでも始
めることができ、またルートを何れの方向にも走行する
ことができる。“セグメント”は、“ノード”間の経路
である。“ノード”はある経路上で決定を必要とする
“ポスチュア”（posture）である。ノードの例は、積
荷現場3318、ダンプ現場322、及び交差点326である。
セグメントには種々の型がある。例えば、線形セグメ
ントと円形セグメントとがある。線形セグメント（線）
は、２つのノードによって限定される。円形セグメント
（弧）は、３つのノードによって限定される。
“ポスチュア”は、例えばルート、経路、及びノード
の部分をモデル化するために使用される。ポスチュア
は、位置、ヘッディング（進行方位）、曲率、最大速
度、及び経路上の投与の点に関する情報からなることが
できる。
“経路”は、連続するポスチュアのシーケンスであ
る。
従ってあるセグメントはノード間の連続するポスチュ
アのシーケンスである。全てのセグメントはそれらに関
連するある速度を有しており、この速度はビークル102
がそのセグメントを走行する時の最大速度を指定する。
他の要求を満たすために、もし必要ならば、ナビゲータ
406はより遅い速度を命令することができる。
経路セグメントを限定するにはどのポスチュアが必要
であるかを解析的、実験的、または両者の組合せによっ
て決定することを、本発明では“経路計画”と呼ぶ。説
明の全範囲にわたって上述の連続するルートのシーケン
スを“サイクル”と呼び、ビークル102の作業目標はそ
の“サイクル”を決定する。
従ってルートを限定するためには、先ずノードとセグ
メントとを限定しなければならない。次にノードとセグ
メントとを順序付けなければならない。最後に、ルート
の順序付けられた集合の何処から始めるのか、及び順序
付けられた集合をどの方向に進むのかを指定することに
よって、ルートを限定しなければならない（本発明のこ
れらの概念を示す図22を参照されたい）。
ルートを限定する上述の方法は、本発明ではメモリ効
率のために開発された。またこれは、ノード及びセグメ
ントの指定された集合で多くのルートを限定するための
便利な方策でもある。
本発明の実際の例では、多くの交差する道路326が存
在するような現場が想像される。ルートプログラマは、
交差点にノードを限定し、交差点間の道路を限定するた
めにセグメントを限定するであろう。従って、ルートは
道路及び交差点によって決定されるであろう。しかしな
がら、交差点及び道路の固定された集合を用いて、点Ａ
から点Ｂまで行くには多くの道（多くのルート）が存在
しよう。
本発明の経路追尾方法（以下に説明する）はビークル
を舵取りするためにルート曲率を使用する。線と弧を使
用するルート限定方法は、連続する曲率を与えない。ク
ロソイド（clothoid）曲線はルートを限定するための別
の方法である。
本発明者によって開発された別のルート限定方法は、
駆動されたデータにＢスプラインを適合させる。Ｂスプ
ラインは連続的な曲率を与え、従って追尾性能を向上さ
せる。更に、Ｂスプラインは自由形状の湾曲であるか
ら、ルートは単一のＢスプライン曲線によって限定する
ことができる。自由形状の湾曲を使用することによっ
て、ルートを、ルート上でビークルを駆動することによ
って収集されるデータに適合させるためのより確固たる
方法（半自動）が本発明によって得られる。
図４及び22を参照する。動作中に、ベースステーショ
ン188のホスト処理システム186は、識別されたビークル
102に対してその現位置からルートＮを取るように命令
する。ナビゲータ406は“ルート1"を、各々が“公示さ
れた”または関係付けられた最大速度限界を有すること
ができる一連のセグメントに翻訳することによって経路
を生成する（これらのセグメントが一緒になってビーク
ルに辿らせるための生成された経路を形成する）ように
機能する。。ルートを指定し、この方向の高水準命令を
有する自律ビークル102に命令することによって、本発
明では方向を与える場合に要求される莫大なデータ及び
非効率を回避している。
ナビゲータ406は、ルートを一連の個々の点の集合と
してではなく、経路セグメントのリンクされたリストと
して記憶する。これらのセグメントは、限定された位置
即ちノード間の点の集合の抽象でもある。
次いでリンカは柔軟性及び効率を斟酌しながら所与の
経路セグメントを取り、制御点のリンクされたリストを
生成する。図22に示すように、経路セグメントは異なる
ルートによって共用される。
経路セグメントは、弧、線及びポスチュアの集合とし
て、TARGA 5302と呼ぶメモリ内に記憶される。例えば、
本発明の１実施例では、解析的生成プログラム機能がこ
れらの弧、線及びポスチュアを使用して経路を生成す
る。本発明の別の実施例では、上述のように、ルートの
数学的表現としてＢスプラインを使用する。
本発明の別の実施例では、経路セグメントを生成する
ために“クロソイド”曲線を使用する。これらに関して
以下に説明する。
a.クロソイド経路セグメント 上述したように、本発明が関与し解決しようとする航
法問題の部分は、実際には２つの副問題、即ち経路計画
及び経路生成である。本発明はこれらを別々に解決す
る。
経路計画はある経路最適化機能を使用して副目標の集
合から開始され、ビークル102が取得しなければならな
い“目的”点の順序付けられたシーケンスを生成する。
経路生成の難題は（経路計画の）目的点から、自律ビ
ークル102が容易に辿るのに十分に滑らかな連続した、
衝突を生じない経路3312を生成することである。例え
ば、簡単な計画は経路3312を直線と円形曲線とに分解す
ることである。次いで経路3312はビークル102を所望の
経路上に保つためにビークルのアクチュエータに供給さ
れる明示指令のシーケンスに変換される。これらの計画
の表現の簡易さと、それらが実行できる容易さとの間に
は明確なトレードオフが存在することに注目すべきであ
る。
自律ビークル102が指定された経路3312を追尾する能
力は、経路の特性に依存する。生成される経路3312の曲
率が連続していること、及び曲率の変化率（鋭さ）は、
これらのパラメタがビークル102を所望の経路3312上に
留まらせるために必要な舵取り運動を指令するものであ
るから特に重要である。曲率が不連続であると、それら
は無限の加速を要求するので追随することは不可能にな
る。経路の線形の鋭さはほぼ一定速度の舵取りに等しい
から、若干の自律ビークル形態の場合には、経路の鋭さ
が線形である範囲が舵取り運動によってビークルを所望
の経路3312上に留める見込みがある範囲である。
本発明が使用する１方法は、直線及び円弧のシーケン
スとして経路を組立てることである。この方法は、弧が
接し合う所で曲率に不連続をもたらす欠点がある。本発
明の別の方法は、目的点間に経路を当てはめる多項式ス
プラインを使用することである。スプラインは曲率の連
続性は保証するが、鋭さの線形性は保証しない。
必須曲率が追尾することができなければ、所望の経路
3312から安定したオフセット誤差がもたらされる。これ
らの誤差は、位置3314上のフィードバックループを閉じ
ることによって補償することができる。これは、アクチ
ュエータの応答が十分に高速であって追尾誤差が無視で
き、また工場の床のように位置検知が正確であることを
保証するようなシナリオにおいては十分である。しか
し、もし経路が本質的に追尾が容易であれば、経路追尾
はより簡単である。
本発明の方法は、目的点のシーケンスを通過している
明示経路を生成する。本発明の導関数法は、追尾誤差が
大きくなるか、または所望経路が変化する場合には経路
の部分を動的に再計画する。
b.ビークル経路モデル化 どのような経路も、位置座標（ｘ（ｓ）,y（ｓ））33
04によって経路長（ｓ）の関数としてパラメタ化するこ
とができる。即ち、位置座標ｘ及びｙは経路長ｓの明示
関数として書くことができる。ヘッディング（ｏ
（ｓ））3318及び曲率（ｃ（ｓ））3316は以下のように
導出することができる。
ｏ（ｓ）＝dy（ｓ）/dx（ｓ） （式１） ｃ（ｓ）＝do（ｓ）/ds （式２） これらのパラメタの４部分、ｐ＝（x,y,o,c）は任意
点における自律ビークル102の状態を時刻で記述するポ
スチュア3314である。
c.クロソイド曲線 本発明の１実施例にはクロソイド曲線が使用されてい
る。これらはポスチュア連続である曲線の群であり、そ
れらの曲率が曲線の長さと共に線形に変化することが特
徴である。
ｃ（ｓ）＝ks＋ci （式３） ここにｋは曲線の曲率の変化率（鋭さ）であり、下添え
字ｉは初期状態を表す。クロソイド曲線セグメント2002
を図26に示す。
初期ポスチュア、クロソイドセグメントの鋭さ及びそ
のセグメントに沿う距離を与えれば、任意点における位
置、配向、及び曲率は以下のように計算することができ
る。
d.ポスチュア連続経路の生成 実際の航行における諸問題は、単一のクロソイドセグ
メントでは満足させることができないような距離及び複
雑さを有する複合経路を必要とすることである。殆どの
経路は、複数の目的点を通過する多重セグメントを必要
とする。
（１）従来の方法 Proceedings IECON.1985,MIT Press,1985に所載のホ
ンゴウらの論文“自己制御ビークルの自動案内システム
・命令システム及び制御アルゴリズム”は、目的点のシ
ーケンスから接続された直線及び円弧からなる連続経路
を生成する方法を提唱している。弧及び直線のみからな
る経路は計算は容易であるが、上述したようにこのよう
な計画はセグメントの遷移において不連続を残す。
Rbobotics Research:The third International Sympo
sium,ISIR,Gouvieux,France,1986に所載のカナヤマらの
論文“移動ロボットのための軌跡生成”は、ポスチュア
間にクロソイド曲線と直線の遷移とを対にして使用して
いる。直線遷移の制約は、閉じた形状の解を有していな
い式（７）及び（８）内の積分によるものである。カナ
ヤマはこの問題を、ci＝０を要求することによって簡易
化している。また参照フレームを初期配向の量、oi＝０
だけ回転させることによって、簡単な近似 が残る。
カナヤマの方法は、若干の点においてより鋭く、必要
以上にコンパクトな経路をもたらし、制御に不都合な結
果となる。更に、再計画されるセグメントが非曲線区分
を含むことが保証されていないので、直線遷移に対して
は経路の局部的再計画を予め除外することが要求され
る。
2.点のシーケンスからの経路生成 点のシーケンスから独特なポスチュア連続経路を生成
するための本発明の２段階方法を以下に説明する。
図23、24、及び25を参照する。第１段階は、目的点か
ら独特なポスチュア2302、2304、2306、2308、2310のシ
ーケンスを導出することである。第２段階は、これらの
ポスチュアをクロソイドセグメントで補間することであ
る。開始位置2402及び終り位置2404においてヘッディン
グ及び曲率を仮定する。開始ポスチュア2402及び終りポ
スチュア2404を、それぞれPi及びPfとする。
４つの式、式２、式４、式５及び式６を１つのクロソ
イド曲線の２つのパラメタ（鋭さｋ及び長さｓ）だけで
同時に満足させることはできないから、２つのポスチュ
アを１つのクロソイド曲線セグメントで継続できるとは
限らない。
４つの式、式２、式４、式５及び式６を満足させるた
めには、少なくとも２つのクロソイド曲線セグメントを
必要とする。しかし、もしki及びkfが同一符号を有して
いれば、２つのクロソイドセグメントでは一般的な問題
は解くことはできず、殆どの場合それらの間に第３のセ
グメントが必要になる。１対の隣接する関連ポスチュア
を接続する一組の十分なクロソイドは、３つのクロソイ
ドセグメント（k,si）、（−k,s2）、（k,s3）の集合で
ある。下添え字は、Piからのクロソイドセグメントの順
位である。この組合せは、以下の理由から妥当であると
考えられる。
1.最初と最後のクロソイドセグメントのためのｋの符号
が同一であること。
2.第２のクロソイドセグメントのためのｋの大きさが等
しく、符号が最初と最後のクロソイドセグメントの符号
とは反対であること。これにより、最初と最後のクロソ
イドセグメントの符号が曲線位置要求を満足していると
しても、s1、s2、s3を変化させることによって開始及び
終り曲率間の曲率変化を３つのクロソイドセグメントの
曲線で満足させることができる。
3.組合せ内には４つの変数、ｋ、s1、s2、s3が存在する
こと。開始及び終りポスチュア間の数学的関係を記述す
る以下の４つの式を満足させる独特な解を見出すことが
可能である。
図27に示す方法を参照する。上記式９及び10は閉じた
形状の解が存在しないフレネル積分を含むから、ｋ、
s1、s2及びs3の値が計算される。
この方法から得られる経路は、他の方法に比して以下
のような長所を有している。
§ この方法は、点の任意のシーケンスから進められ
る。普通は目標を点を発展させた列として配置してある
探査計画ではポスチュアの生成は不可欠である。この方
法によって生成された経路が全ての目的点を通過するの
に対して、カナヤマの方法及び弧法は、これらの方法が
ポスチュアのシーケンスから出発しているために、多く
の点に近接しているに過ぎない。
§ この方法は、経路に沿う位置、ヘッディング及び曲
率の連続性を保証する。更に、鋭さは区分的に一定であ
る。
§ この方法によって生成される経路は、道筋の諸点を
直線で接続することによって形成される鋭角の外側を常
に通る。得られた経路は、一般にこれらの角度の内側に
存在する障害物の周囲を補間するのに特に有用である。
これに対して、カナヤマの経路は常に角の内側にある。
3.経路のクロソイド再計画 クロソイド再計画は、始めに経路を取得するか、または
本発明による正常航行を通してビークル102を所望経路3
312へ戻るように案内するかの何れかのために行われ
る。
予め指定された経路を追尾する際に、大きい修正を行
おうとして突然に加速するのを回避するために、本発明
は現位置から所望経路3312へ滑らかに収束する新経路を
生成する経路プランナを使用する。再計画は２つの副問
題に分解される。
1.企図した経路3308への収束点の決定。
2.現位置3302から収束点3308までの経路の計画。
本発明による経路再計画を図式的に示す図28を参照す
る。予め指定された経路は、ポスチュア（k,s）ｍ（ｍ
＝1,...,n）2804−2810と、ポスチュアPm（セグメント
（k,s）ｍの終りに位置する）との間の補間2804からな
る。ビークル102が、PmとPm+1との間の経路からずれて
いるものとすれば、再計画された経路2816が収束するポ
スチュア334としてPm+2が選択される。Pm+2までの距離
は可変である。
２つの曲線からなる曲線がポスチュア（現ポスチュア
及び収束ポスチュアとして選択されたポスチュア）に適
合され、４つの支配的ポスチュア式、式７、式８、式
９、式10を満足する再計画された経路2816が得られる。
もし、経路を再計画するのか否かを決定するしきい値が
各クロソイド曲線セグメント（k,s）ｍの長さよりも遥
かに小さければ、既知（（kk+1,sk+1）、（kk+2,
sk+2））からの小さい動揺を使用して新しいポスチュア
連続経路（（ｋ＊ k+1,sk+1）、（ｋ＊ k+2,s＊ k+2））を
見出すことができる。再計画された経路2816は元の経路
3312から極めて遠いとは考えられないから、２つのクロ
ソイドセグメントを使用することができる。
4.概要 本発明による自律ビークル102のための連続経路の生
成は、得られる経路がポスチュア連続であるだけではな
く、曲線に沿う線形曲率が経路に沿ってほぼ線形に変化
する舵取り角をもたらし、経路追尾を容易ならしめるの
で、経路生成にクロソイドセグメントを使用することが
できるのである。
本発明の方策は以下のようである。先ず、目的点を使
用してポスチュアのシーケンスを求める。次いで、各隣
接ポスチュアを３つのクロソイド曲線セグメントを使用
して接続する。
本方法は、弧及び０曲率クロソイドを使用する場合の
ように目的点の事前処理を必要としないという付加的な
長所が得られる。更に、生成された経路のジオメトリ
は、道筋の諸点を直線で接続することによって形成され
る鋭角の外側を常に通る。これらは、普通は角の内側に
存在する障害物の周囲を保管するのに特に有用である。
記憶した弧、線及びポスチュアの集合、クロソイド曲
線、Ｂスプライン等から、VPSポスチュアブロックを用
いてある経路に沿う諸点が生成される。
以上のような本発明のルート処理の長所は、ホストと
ビークルとの間に要求される帯域幅が減少することに加
えて、記憶するデータを減少させるためにに要求される
データ圧縮が行われること、及び経路を滑らかにするよ
うに機能することである。
5.Bスプライン Ｂスプラインは、多項式の係数を指定することによっ
て一連の点の形状を記述する手段として数学的に、及び
コンピュータグラフィックスの分野では周知である（ニ
ューヨーク州ニューヨークのマグロウヒル・ブック・カ
ンパニから刊行されているDavid F.Rogers及びJ.Alan A
dams著“コンピュータグラフィックスのための数学的要
素"144−155頁を参照されたい）。この曲線近似関数は
Ｎ次の多項式である（Ｎはユーザが指定し、曲線の所望
の形状に依存する）。Ｂスプライン曲線は如何なる次数
であってもよく、曲線近似関数マイナス１の次数に連続
する。
Ｂスプラインは本発明の実施例に使用されている。Ｂ
スプラインは、少数の係数によって任意長の経路を記述
でき、記憶するデータ量を減少させるので、本発明にお
ける経路生成には十分に役立つのである。曲線近似関数
の次数が十分に高い（３またはそれよりも大きい）もの
とすれば生成される経路は曲率が滑らかであり、本発明
の上述の実施例が本質的に容易に追尾できる経路が得ら
れる。
図29にＢスプライン曲線の例を示す。
2.ルート作成及び記憶 a.序 本発明の１実施例においては、現場300のためのルー
トを作成するために、人がビークル102を作業現場300の
道路系上を駆動している間に、先ずVPS1000からデータ
を収集して記憶する。次いでノード及びセグメントを記
憶された駆動されたデータに当てはめ、上述の手順毎の
ルートに編成する。
ルートデータを記憶されて駆動されたデータに図式的
に当てはめ、更にルート（即ち、速度、シーケンス、出
発点、走行方向）を限定するために、APOLLOコンピュー
タ（現カリフォルニア州パロアルトのHEWLETT−PACKAR
D）ワークステーション上での応用が開発された。このA
POLLOと同等などのようなグラフィックスワークステー
ションも使用可能である。
現場のためのルートが限定されると、そのルートデー
タは永久記憶装置へ書き込まれる。本発明の１実施例で
使用した記憶装置は、付属読み取り装置／書き込み装置
を有するバブルメモリカートリッジである。バブルメモ
リ装置5302は恒久性であり、電力が切り離された時にデ
ータを保持する。APOLLO応用はカートリッジ5302へデー
タを書き込むことができ、カートリッジ5302からデータ
を読み取ることができる。
先に暗に示したように、本発明においてはルートは予
め限定することも、または動的に生成することも可能で
ある。
採鉱応用では、一般的に、現場300が探査され、道路
は予め計画され、注意深く設計され、そして建設され
る。次いで航法システムによって使用されるルートが、
手動で作成された（その航法システムによって使用され
るように特別に作成された）コンピュータデータベース
から、または代替として、上述のようにビークルを現場
の実際のルート上で物理的に駆動してルートを学習させ
るの何れかによって入手される。学習方法では、所与の
ルートを数回走行させることができる。次いでデータの
変動（例えば運転手のハンドルの切り方による）が平均
化され、滑らかな最良適合が開発される。
b.ルート限定 本発明の１実施例では、ルートを限定するために以下の
方法を使用している。
ルートを構築するノード及びセグメントを限定。ノー
ド及びセグメントデータを“ルートデータ”アレイと呼
ぶアレイ内に配置する。アレイ内の各記録は以下の情報
を含む。
1.項目の型（即ち、ノード、線形セグメント、円形セグ
メント、ルートマーカの終り） 2.もしノード項目であれば、そのノードの北及び東座標
を限定 そうではなく、もし線形セグメントであれば、そのセ
グメントに沿う速度を限定 そうではなく、もし円形セグメント項目であれば、中
心の北及び東座標、半径、円が走る方向（即ち、時計方
向または反時計方向）、及びそのセグメントに沿う速度
を限定 そうではなく、もしルートマーカであれば、他の情報
は存在しない。
2.ノード及びセグメントデータを一緒にしてシーケンス
にリンクする。これらのシーケンスは、単なるルートデ
ータアレイ内への索引のアレイである。各シーケンスは
ルートマーカの終りで始まり、ノードが後続し、次いで
シーケンスの残余は、そのシーケンスが別のルートマー
カの終りによって終了させられるまで、セグメントとノ
ードとの間を交番しなければならない。シーケンスの例
は以下のようであろう。
１、６、３、４、７、９、10、23、78、１ 但し、これらの整数はルートデータへの索引である。
3.最後に、シーケンスアレイへの索引と、シーケンスを
通して正方向に索引付けるか負正方向に索引付けるかを
指定することによってルートを限定。索引及び索引方向
を“ルートスペック”アレイと呼ぶアレイ内に配置す
る。ルートスペックアレイ内の項目は以下のようであり
得る。
６、１ この仕様は、ノード６で始まり、正方向に索引
付けられたルートを限定する。
78、−１ この仕様は、ノード78で始まり、負方向に索
引付けられたルートを限定する。
ユーザは、単にビークルに、ルートスペックアレイ内
のどの項目をルートとして使用するかを通知するだけで
ある。
4.上記データを、段階１−３において限定した順番に記
憶装置内に記憶。
c.ナビゲータルート用法 以下の説明は、本発明の上記方法から限定されたルー
トをナビゲータ406がどのように使用するかに関する。
ナビゲータ406は給電されると、ルート情報を記憶装
置5302から読み取り、それを既存する構文内のRAMに記
憶する。
次に、操作員はビークル102が辿るルートを指定す
る。この場合も、ルートはルートスペックアレイ内への
索引である。
ナビゲータ406は、全てのシステムが自動動作の準備
が整ったことを決定すると、メッセージをvpsポスチュ
アタスク5324へ送って係合することを通知する。
vpsポスチュアタスク5324は、ビークル102の現位置28
12に最も近いルートに沿う位置を決定する。ルートに最
も近い位置284の探索は以下のように進められる。
1.ポインタを、そのルート内の最初のセグメントにセッ
トする。
2.ビークル位置からそのセグメントまでの垂直距離を決
定する。
3.ポインタを、そのルート内の次のセグメントに移動さ
せる。
4.ビークル位置から次のセグメントまでの垂直距離を決
定する。
5.ルートマーカ2218の終りに達するまで段階３及び４を
繰り返す。
6.ビークル位置からそのルートの端点2218までの距離を
決定する。
7.ポインタを、最も近い距離であったルートセグメント
にセットし、その最も近い距離の座標を記憶する。
次いでvpsポスチュアタスク5324は、ルートのこの記
述（線、弧及び速度）を使用して、１メートル間隔でポ
スチュアを生成する。タスク5324は、ポスチュアの予め
限定された距離プラス安全余裕度を生成し、ポスチュア
をバッファ3000内に配置する。所与のポスチュアから１
メートルであるポスチュアを生成するために、vpsポス
チュアタスク5324は以下の手順を使用する。
1.所与のポスチュアを生成したセグメントの型を決定す
る。
2.セグメントの型に関する適切な公式を使用してセグメ
ント長のメートル当たりの北及び東の変化を決定する。
3.メートル当たりの北及び東の変化を最後の所与のポス
チュアに付加する。
4.もし生成したポスチュアが現セグメントの端から離れ
ていれば、ポインタを次のセグメントにセットし、段階
２及び３を繰り返す。そうでなければ、生成したポスチ
ュアを戻す。
次いでvpsポスチュアタスク5324は、追尾の準備が整
ったことをエグゼクティブ5316へ通知する。
自律ビークル102がバッファ3000内のポスチュアに沿
って移動するにつれて、安全余裕度3006が枯渇してく
る。安全余裕度が指定された量以下になると、vpsポス
チュアタスク5324はポスチュアの別の安全余裕度306を
生成し、それらを現バッファ3000へ通過する。vpsポス
チュアタスク5324は、ビークル102の現位置2812を監視
しバッファ3000内のポインタ3002を最寄りのポスチュア
へ移動させることによってポスチュアバッファ3000を枯
渇させる。ポスチュアバッファ3000は時計方向に進行す
るリングとして構成されている（図30のポスチュア・リ
ングバッファ参照）。即ち、ポスチュアは、ビークルの
走行方向がポスチュア・リングバッファ3000の時計方向
進行に対応するようにリング内に配置されるのである。
従って、ビークル102が運動するにつれて、バッファ300
0内の最寄りのポスチュアを指すポインタ3002は時計方
向に移動して行く。ポインタ3002が時計方向に移動する
と、ポスチュアの背後（ポインタの反時計方向）のリン
グ内のメモリは自由に重ね書きされるようになる。
段階７（上述の探索ルーチンの）はルートマーカ2218
の終りがリセットされるまで登録され、その時点になる
とvpsポスチュアタスク5324はポスチュアの生成を終ら
せ、ルートの終りに達したことをエグゼクティブ5316へ
通知する。
前述のように、経路は連続“ポスチュア”のシリー
ズ、またはシーケンスである。ポスチュアはトラック上
に載っているのに必要な速度と舵取り角を含む。ポスチ
ュアは、経度、緯度、ヘッディング、曲率（1/転回半
径）、最大速度、及び次のポスチュア情報までの距離を
含むことができる。
3.ポスチュア生成 本発明の追尾方法は、追尾するルートに関するある情
報を必要とする。この情報は、“ポスチュア"3314と呼
ばれるパケット内に含まれている。単一のポスチュア33
14は、ルート上の指定された位置（location）に関する
位置（即ち、北及び東座標）、ヘッディング、及び曲率
を含むことができる。従って、本発明によればルート仕
様からポスチュアデータを発生する方策が必要である。
ナビゲータタスク（以下に説明）の中には、ルート情
報を読み取り、追尾方法が使用するルートに沿う間隔
（例えば１メートル）でポスチュアを発生するタスクが
ある。本発明の１実施例では、各ポスチュアはメモリの
36バイトを必要とし、これは、ルートの１キロメートル
毎に約36kになる。メモリに対する要求を低減させるた
めに、ナビゲータはポスチュアデータを緩衝する。
ポスチュアを発生するタスクは、ビークル102の現位
置を読み取り、ルート上で現位置に最も近い点を見出
し、次いでビークル102の前方に指定された数のポスチ
ュアを生成する。生成するポスチュアの数は、ビークル
102の最大停止距離に依存する。即ちバッファ3000内に
は、ビークル102を停止点まで案内するために十分なポ
スチュアが常に存在すべきなのである。
しかし本発明によるルート限定のためのＢスプライン
方法では、追尾方法がＢスプライン曲線からポスチュア
情報を直接発生することができるので、ポスチュアバッ
ファは必要としない。
c.経路追尾 1.序 経路追尾または追随は、本発明によるビークル航行の
重要な面である。本発明の技術は、正確な自律ビークル
経路3312を追随させるために位置をベースとする航行
（普通の航行システムに使用されている視覚をベースと
する航行ではない）を使用する。また本発明は、舵取り
角3116とビークル速度3118とを別々に制御することが新
機軸である。図36に本発明の経路追尾システム3600を図
式的に示す。
指定された経路を本発明による自律ビークル102に追
尾させるためには、ビークルサーボ制御装置のための参
照された入力を生成する必要がある。即ち、経路追尾
は、現在のずれが位置から前方の参照された経路へ戻る
ために、次の時間間隔のための参照された舵取り角と参
照速度とを求める問題と考えることができる。
一般的に言えば、経路追尾は、所与の経路を辿るのに
必要な自律ビークル命令（速度、舵取り角）を決定する
ことである。予め指定された舵取り角、駆動輸速度値及
び誤差成分が与えられれば、命令舵取り及び駆動入力は
本発明により計算される。
2.検討 a.グローバル位置フィードバック 追尾すべき経路は直交座標で指定される。もし制御計
画が参照舵取り命令に対するサーボ制御だけからなって
いれば、ビークル位置及びヘッディング誤差は累積す
る。位置及びヘッディングは舵取り及び駆動の全履歴を
積分とすることによって得られる。従って、ビークル位
置3304及びヘッディング3318は直交空間でフィードバッ
クする必要がある。
従って、サーボ制御装置への参照された入力は、位置
付けされたフィードバック3114（図31に示すように）に
基づいて実時間で生成される。
b.分離舵取り及び駆動制御 舵取り及び駆動参照入力は、本発明ではそれぞれ所与
の経路及びビークル速度から計算される。これは経路追
尾と、例えば衝突回避のような本発明の他のモジュール
との統合を容易ならしめる。
3.実施例 a.追尾制御構造 （図31及び図33） ビークル自律の難題の１つは、指定された経路を追尾
するために要求される舵取り入力を決定することであ
る。普通に舵取りされるビークルの場合、本発明では所
望の経路及びその経路に沿う所望の速度は別々に追尾す
ることができ、舵取りの制御の１つに対する問題が減少
する。（この説明では、位置の時間履歴である軌跡に対
して、経路とは時間には無関係な幾何学的曲線のことを
言う。） 舵取り角は所望の経路3312及び検知されたビークル位
置から計画される。これらの角は舵取り制御装置3104を
介してビークルに命令される。
図31の機能ブロック線図は、本発明による追尾制御構
造を示す。
運動学的舵取り計画では、位置、ヘッディング及び曲
率の誤差は、アクチュエータ飽和、コンプライアンス、
何等かの摩擦または質量項を考慮することなく、誤差の
ジオメトリに基づいて低減される。良好な性能を得るた
めに、経路上の予見距離及び曲率の選択のような調整を
要する値が経験的な施行及びシミュレーションを通して
選択される。
手動駆動ビークルでは、予見距離は、駆動中に運転手
が見るビークルの前方の距離3310である。本発明におけ
る予見距離は、それまでに位置、ヘッディング及び曲率
の誤差を０に低下させようとする距離である。この距離
は普通の、または自律ビークルの速度と共に変化する。
予見距離を変化させると、コースの変化を遂行するた
めに舵取り調整を行わなければならない程度が変化す
る。予見距離に関しては後に詳述する。
しかし、実際のビークルは運動学的に理想化されたも
のとは異なり、それらの制御応答も相応に異なる。ビー
クルの速度、質量及び経路状態が変化すると、実際のビ
ークル応答は運動学的理想からより一層異なってくる。
従って、一般的に運動学的理想は一定の状態を有する低
速度においてのみ有効である。
本発明の実施例は、こわさ、質量及び滑り角に関する
考えを含むモデルを使用する。制御問題は線形二次最適
追尾問題として定型化され、位置、ヘッディング及び曲
率の誤差はビークル制御モデルに基づいて最小化され
る。
最適経路及び制御は、現誤差を最適制御問題への初期
条件として使用して所望の経路及び現在検知されている
ビークル位置から計算される。最適経路の初期部分に沿
う幾つかの計算された舵取り角が、次の検知時間間隔の
ための低レベル舵取り制御装置への参照として使用され
る。
この予告最適舵取り計画は、所与の性能指標に対して
安定性と最適性とを保証する長所を有している。本発明
のこの指摘予告制御方法が、自律ビークルの舵取り計画
の中枢である。
再度図31を参照する。舵取り制御3104の内側ループ31
16は10ミリ秒程度で実行され、一方外側ループ3114は0.
25−0.5秒のレートで閉じられる。
ループを位置で閉じるために以下の手順が使用され
る。現位置（Ｐa,k）3210を検知すると、現時間間隔の
終り（Ｐa,k＋１）3216におけるポスチュアが予測され
る。
次いで次の時間間隔の終り（Ｐd,k＋２）3218におけ
る所望のポスチュアが計算され、（Ｐa,k,＋１）3216と
（Ｐd,k＋２）3218との間の参照された舵取り角が決定
される。
重要なのは、上述のように、本発明のこれらのビーク
ル及び経路技術が舵取り制御をビークルにおける速度制
御から切り離していることである。
b.5次法 詳細は後述する図53のナビゲータタスク図には、トラ
ッカ5306と呼ぶ機能ブロックが示されている。トラッカ
5306は所望の、または正確な経路に戻す滑らかな経路を
構成するように動作する。本発明の１実施例では、前述
のように、５次法（quintic method）が使用される。こ
れは舵取り命令のための誤差空間内に５次曲線を含む。
本発明の５次多項式法は、ある予見距離3310内で所望
経路に収束する単純な連続経路を再計画し、次の時間間
隔に辿るべき再計画された経路2816の部分に対応する舵
取り角を計算する。
もし所望経路を位置の連続関数として考え、またビー
クルが現在Pa3302にあるものとすれば誤差ベクトルを計
算することができる（図33）、この誤差ベクトルは、Po
に対する経路までの横方向距離の誤差（e0）3320と、ヘ
ッディングの誤差（Bo）3322と、曲率の誤差（yo）3404
とを表す。もしビークルを距離L3310（参照経路に沿っ
て測定）以内で指定された経路に戻すのであれば、初期
誤差及びPLにおける０誤差に対応する６つの境界条件を
示すことができる。
ε（Po）＝εo;ε（PL）＝０ β（Po）＝εo;β（PL）＝０ γ（Po）＝εo;γ（PL）＝０ （式11） ５次多項式は、再計画された経路（誤差空間におけ
る）を以下のように記述するように構成することができ
る。
ε（ｓ）＝a0＋a1s＋a2s2＋a3s3＋a4s4＋a5s5 （式12） ここに、ｓは［0,L］の集合内にある。
ｅ（ｓ）のための式は、Po3304からPL3308までの再計
画された経路2816に沿う誤差を与える。２次導関数は経
路曲率を記述し、曲率自体は所望経路3312へ戻すように
ビークルを案内する舵取り命令を計算するために使用さ
れる。再計画された経路2816からの舵取り角（または誤
差空間）の変動は誤差関数ｅ（ｓ）の２次導関数から計
算される。次いで、新経路に沿う曲率を次のように計算
することができる。
Cnew＝Cold（ｓ）＋d2ε（ｓ）/ds2 （式13） 新経路を沿う参照舵取り角3112は曲率から変換するこ
とができる。この手順は計画間隔毎に実行されるから、
参照経路3112へ戻る新経路は全て不要である。次の時間
間隔のための舵取り角だけが新経路上の点の曲率から計
算され、これは次の時間間隔中に達成できる。
予見距離L3310は、如何に早くビークルを舵取りして
所望経路へ収束させるかを調整するのに使用できるパラ
メタである。更に、もしL3310をビークル速度に比例し
て選択すれば、より良好な性能が得られる。何故なら
ば、L3310が小さい値の場合にはビークルは経路3312を
中心として振動し、またL3310が大きい値の場合には５
次多項式によって導入される変化が十分に小さくなって
追尾性能を貧弱にするからである。
６つの境界条件、即ちep0−現位置における位置の誤
差（距離）及び（予見）と、eh0−ヘッディングの誤差
及びeh1（予見）と、ec0−曲率の誤差及びec1（予見）
とを使用しているから、５次曲線が必要なのである。こ
れは舵取り角3112を生成するために使用される。
経路追尾計画は、一般に、指定された経路が本質的に
追尾が容易である場合により良好な追尾を遂行すること
を思い出されたい。これは、舵取りアクチュエータがビ
ークルの速度に比して緩速である場合に特に言えること
である。
舵取り応答、舵取りバックラッシュ、ビークル速度、
サンプリング、及び計画時間間隔のような他のビークル
特性が、ビークル性能に重大な影響を与える。予測され
るように、もし検知及び計画時間間隔を一定に保つので
あれば、ビークルの速度が大きいほどより高速でより正
確なアクチュエータが必要である。
一般的に言えば、５次多項式方法の長所は、それが簡
単であり、且つ参照舵取り角を極めて容易に計算できる
ことである。しかしながら、制御計画にビークル特性
（質量、慣性、時間遅延、ビークルと大地間の相互作用
等々）を考慮に入れていないので、安定度及び収束は保
証されない。
パラメタL3310（予見距離）はビークルの応答を変更
するように調整可能であり、またL3310の値は、試行錯
誤に基づいて選択することができる。この計画により、
本明細書の作成時には、約28Km/時までの速度において
良好な結果を得ている。
本発明のトラッカによって使用される方法は以下の通
りである。
（１）位置の状態を平均化または評価の何れかによって
次の位置を推定し、 （２）上記何れかの推定方法を使用して遅延を補償し、 （３）異なる速度において動的予見−５次法の係数；予
見距離を変更する。
c.待ち時間及び低速システム応答 本発明の別の経路追尾実施例は、ビークル応答特性を
改善するために種々の補償技術を使用している。これ
は、改善された追尾性能を実現するために５次多項式方
法と共に使用される。
若干のビークル応答特性は、ビークル制御命令の待ち
時間と、遅いシステム応答と、ビークル・大地相互作用
（VGI）（滑り角及びアンダ／オーバステア）を含むビ
ークル動的特性とを含む。
本発明の１実施例においては、時間遅延を減少させる
ようにビークル制御ハードウエアを変更し、現存する遅
延を補償するように制御命令を十分に早めにセットする
方法を使用することによって、ビークル制御命令の待ち
時間を補償している。
ビークルの位置を検知する時刻と、命令を発行する時
刻との間の時間遅れを短縮させると予測誤差が減少する
が、この現象は舵取り角を計画するために要求されるこ
とであり、より良好な追尾性能がもたらされる。
速度と共に予見距離を変化させることも、定予見距離
に比して追尾性能を改善する。
追尾方法は、直立リンクを通してビークル制御システ
ムへ舵取り及び速度命令を出力する。ビークル制御シス
テムは、タスク間通信に関してメールボックス待ち行列
を頼りにするマルチプロセッサ、多重タスキングシステ
ムである。
このメールボックス待ち行列は２つの型の待ち行列、
即ち高性能待ち行列と、オーバフロー待ち行列とからな
る。追尾タスクからの高データ流レート中、高性能待ち
行列はオーバフロー待ち行列内へこぼれ、タスク間通信
の性能を劣化させる。これは追尾タスクと、実際の舵取
りアクチュエータ命令との間の合計待ち時間を秒のオー
ダーにする可能性がある。
舵取りダイナミックスは１次遅れシステムとしてモデ
ル化することができる。これは、所望の最終値の約63％
に達するまでの１次遅れ応答に対する１時定数に等価な
期間を要する。大きい時定数を有する低速システムの場
合には、応答時間が重大となり得ることは明白であろ
う。
待ち時間及び応答時間を解消するために、ハードウエ
アを、ビークルの舵取りを制御するための追尾方法と、
純時間遅延及び貧弱な応答を補償するために考案された
新しい制御計画とに密接に関係付けて使用するように調
整することができる。
残余の遅延（追尾方法の処理時間及び追尾システム内
のタスク間通信に起因する遅延）を補償するために、本
発明では何等かの遅延に反作用するように早めに速度及
び舵取り命令を送る方法を使用する。この方法は以下の
ように実行することができる。
現位置Pactualを検知 （初期化:Pactual＝Ｐ［０］＝Ｐ［１］＝....＝Ｐ
［d_index＋１］） 予測位置と検知位置との間の誤差を計算： ｉ＝０の場合d_index、Pe＝Pactual−Ｐ［０］、 Ｐ［ｉ］＝Ｐ［ｉ＋１］＋Pe 時間間隔の始めの位置に対応する経路上の位置を計
算:Ponを入手 （Ｐ［d_index］,Pon） 初期条件を入手：誤差（０）＝Ｐ［d_index］−Pon 誤差空間［１］における５次多項式曲線を計算 計画時間間隔の終りにおける位置を予測； despos（Pon,ds,P＋d_index＋１） Ｐ［d_index＋１］＋＝誤差（ds）を入手 例えば、２計画間隔程度の（250mSecのオーダーの）
時間遅延を有するシステムを補償するためには、変数d_
indexを2.0にセットする。
追尾性能は、補償指標（d_index）がシステムに固有
の遅延に整合するように増加するにつれて改善される。
d.ビークル・大地相互作用（VGI）： 舵取り角及びビークル速度に関する参照命令は、変化
する角速度とビークル車輪の加速をもたらす。
VGIは、舵取りされた車輪角及び車輪角速度を与える
とビークルがどのように運動するかを記述する。主たる
VGI現象は滑り角及びアンダ／オーバステア特性であっ
て、これらはタイヤ／道路接触領域ジオメトリに基づ
き、タイヤの弾性変形によって影響を受ける。これらの
現象は、運動学的に計算されたものに比してより大きい
舵取り角を要求する。
e.検知及び作動タイミング 本発明においては実際の経路追尾はディジタルプロセ
ッサによって制御されるから、離散した時間間隔が使用
される。これは舵取り計画に必要な計算時間（16mSecの
オーダーであり得る）よりも遥かに長い位置検知時間間
隔（0.25Secのオーダーであり得る）によって支配され
る。
時には、特に離散した時間間隔が長い場合には、ビー
クル位置の予測が貧弱となって追尾方法の性能が劣化す
ることが起こり得る。
本発明の補償方法は、離散した時間間隔を短縮するこ
とによって次のビークル位置の予測の誤差を減少させる
のに役立つ。この方法では、ビークル位置は、計画間隔
（250mSec）の終りにではなく、計算間隔（16mSec）の
終りに対して予測される。この方法は以下のように実行
される。
現位置Pactualを検知 （初期化:Pactual＝Ｐ［０］＝Ｐ［１］＝....＝Ｐ
［d_index＋１］）＝Pactual,k＋１ 予測位置と検知位置との間の誤差を計算： ｉ＝0,d_indexの場合、Pe＝Pactual−Pactual,k＋１ Ｐ［ｉ］＝Ｐ［ｉ＋１］＋Pe 時間間隔の始めの位置に対応する経路上の位置を計
算： Pon（Ｐ［d_index］,Pon）を入手 初期条件を入手：誤差（０）＝Ｐ［d_index］−Pon 誤差空間における５次多項式曲線を計算 誤差空間［１］における５次多項式曲線を計算 計画時間間隔の終りにおける位置を予測 despos（Pon,ds,P＋d_index＋１） Ｐ［d_index＋１］＋＝誤差（ds）を入手 次の検知時刻における位置を予測： Pactual,k＋１＝Ｐ［０］＋（Ｐ［１］−Ｐ［０］）
＊（dt計画−dt計算/dt計画） f.予見 人の運転手が駆動する場合には、異なる予見距離3310
を使用する。低速時には運転手はビークルに比較的近い
道路上の点を見ているのが普通であり、この点は一般に
ビークルより前方である。速度が大きくなるにつれて参
照点は更に前方になり、その結果舵取り修正はより小さ
くなる。
従って、自律応用において予見距離を速度と共に変化
させることは追尾性能を改善するのを理論的に援助す
る。
所望の舵取り角は、参照経路3312からの舵取り角と、
追尾誤差を修正するために５次法を用いて計算された舵
取り角3112とからなることができる。これらの舵取り角
は加算されて以下の式（１）に示すようなビークル舵取
り命令が求められる。
Φ＝Φref＋Φerror たとえ手動駆動における予見が参照及び誤差補償舵取
り角の両方に影響を及ぼすとしても、自律計画における
予見はΦerrorだけにしか影響を与えないことに注目さ
れたい。予見値を短くすれば大きい舵取り修正がもたら
されるから、予見距離は誤差フィードバックシステムに
おける利得と解釈することができる。
予見距離（Ｌ）を速度（Ｖ）に伴って変化させる任意
モデルは以下の式（２）に示すように３つのパラメタ、
Vref、Lref、及び勾配を用いて表される。
Ｌ＝勾配＊（Ｖ−Vref）＋Lref ここに、Ｖはビークルの速度であり、ＬはLmin＝10乃至
Lmax＝30とすべきである。追尾性能は本発明の変化する
予見距離3310によって改善される。
g.最適制御法 前述のように、本発明の実施例は、こわさ、質量及び
滑り角に関する考えを含むモデルを使用する。
制御問題は、位置、ヘッディング、及び曲率の誤差が
ビークル制御モデルに基づいて最小化される線形２次最
適追尾問題として処理される。最適経路及び制御は、現
在の誤差を最適制御問題に対する初期条件として用いて
所望経路3312及び現検知ビークル位置3304から計算され
る。
最適経路の初期部分に沿う幾つかの計算された舵取り
角が、次の検知時間間隔のための低レベル舵取りコント
ローラへの参照として使用される。この予測最適舵取り
制御は、所与の性能指標に対する安定性及び最適性を保
証する長所を有している。本発明による最適予測制御方
法は自律ビークル102の舵取り計画に適用可能である。
モデルは標準の時間短縮された、または自転車モデル
（図示してない）、またはビークルの近似から導出され
る。ビークル運動を記述する方程式は、前述したVGIを
表す項を含む。これらの方程式は状態変数を使用する。
Ｘ＝［x,y,θ，］ ここにｘ及びｙはビークルのグローバル位置を表し、θ
はビークルのヘッディング3318であり、はヘッディン
グの変化のレートである。
これらの変数を使用する方程式は以下に通りである。
１＝−x3sin（x4）＋Vncos（x4） ２＝x3cos（x4）＋Vnsin（x4） ３＝−｛（ＣαＦ＋ＣαＲ）/mVn｝x3 ＋〔（bCαＲ＋aCαＦ）/Vn｝−Vn〕x5 ４＝x5 ５＝−｛（bCαＲ＋aCαＦ）/IVn｝x3−〔｛（ a2CαＦ＋b2CαＲ）｝/IVn〕x5＋｛（aCαＦ/I）｝u1 u1＝δ Ｃ＝〔mL/t〕 但し、 Ｖξ：横方向速度 Vn ：一定前進速度 δ ：舵取り角 αF:滑り角 VF ：前輪の速度 FF ：前輪と大地との間の横方向力 FR ：後輪と大地との間の横方向力 ｍ ：ビークル質量 Ｉ ：ビークル慣性モーメント θ ：ビークルヘッディング ＣαＦ,CαＲ：前及び後タイヤコーナリングこわさ 最適制御理論の分野では、システム内の選択されたパ
ラメタを最小化するために使用される費用関数を選択し
なければならないことは周知である。この問題に使用さ
れる費用関数は以下のようにして選択された。
状態方程式（14）及び費用関数（15）を用いて最適制
御問題を解くには若干の問題が存在する。
1.システムは非線形である。通常、非線形がもたらす２
点境界値問題は解析的解を持たない。一方、数値的解の
計算には長時間を要する。
2.得られる最適制御問題は自由最終時間問題である。一
般に、固定最終時間問題を解く方が、自由最終時間問題
を解くよりも簡単である。
3.積分（上記費用関数内の）内の第１項は制御入力の時
間導関数であり、通常は最適制御問題の２次費用関数内
には存在ない。しかし、舵取りの時間レート変化は、そ
れが遠心力（ビークルの横方向加速に起因する）の変化
の時間レートに直接関係付けられていることから、滑ら
かな経路追尾にとって極めて重要である。
舵取り角が、図51に示すように経路の曲率に依存する
ことに注目されたい。
上記３つの問題を解消し、得られる最適制御問題を処
理し易くするために以下の方策が適用される。
1.（14）の第１及び第２式内の正弦関数がシステムを非
線形にしているから、現ビークル位置に対する経路の対
応点の正接方法に平行な軸を有する新しい座標系を使用
する。費用関数では、偏差は横方向においてのみ考慮さ
れる。これら２つの近似は、システム方程式内の非線形
を排除するだけではなく、処理する式の数を減少させ、
（14）の第１式は不要になる。（“座標系”参照）。
2.自由最終時間tfを有するこの問題は、前方距離に対す
る運動の式内へ微分を書き込むことによって、独立変数
の固定最終値を有する問題に変換することができる。こ
の目的のために、非次元独立変数ｓを次のように定義す
る。
＝s/sf・ｄ /dt＝ /s＝Vn 2V2/sf sf＝accel 3.上述した第３の問題を解くために、新しい状態ベクト
ル及び制御入力を以下のように定義する。
Xnew＝〔Xold,Uold〕T,Unew＝old ここに、Xnewは以下を満足する： ここに、Aold及びBoldは古いシステムマトリクス及び古
い入力マトリクスを表す。
次いで、状態変数及び制御入力は次の用に定義され
る。
Ｚ＝〔ξ,vξ，θ，，δ〕T,u＝ （式16） これは、以下のようにシステム方程式を満足する。
ｄξ/ds＝Z1'＝（Z2＋vnZ3）σ dVξ/ds＝Z2'＝〔−｛（cF＋cR）/mVn｝Z2 ＋｛（bcR＋acF）/Vn−Vn｝Z4 ＋（cF/m）Z5〕σ ｄθ/d ＝Z3'＝Z4σ ｄ/d ＝Z3'＝〔｛（bcαＲ−αｃαＦ）/IVn｝Z2 −｛（a2cαＦ＋b2cαＲ）/IVn｝Z4（acF/I）Z5〕σ ｄδ/ds＝Z5'＝ｕσ （式17） 新しい費用関数は次にようになる。
上述の得られたシステム方程式（17）及び費用関数
（18）を用いた舵取り計画は、以下のようにして線形２
次追尾問題として解くことができる。システム方程式及
び費用関数を以下のように記述するものとする。
＝AX＋BU,t＞t0 （式19） は全て対称に選択される。従って得られた方程式は以下
の通りである。
−Ｐ＝AT＋PA−PBR-1BTP＋Q,P（tf）＝Qf （式21） ｋ（ｔ）＝R-1BTP（ｔ） （式22） −＝（Ａ−BK）Tv＋QXd,V（tf）＝Xd（tf） （式23） Ｕ＝−KX＋R-1BTv （式24） 従って、riccati方程式（21）を先ず解き、riccati方
程式の結果から利得を計算し、そして所望の経路によっ
て駆動される強制関数を式（23）を解くことによって計
算する。次いで、式（19）及び（24）を解くことによっ
て制御及び状態を求める。
Riccati方程式を解くために、マックファーレン・ポ
ッタ積分法を試みた。この方法は時間不変問題の安定状
態解に対して極めて効果的であることが知られている。
予測距離はかなり長く、解の初期部分を使用するから、
この方法は計算時間を短縮するのに良いものと考えられ
る。
従って、予測距離が長く、解の初期部分だけを使用す
るので、式（23）を以下の式（25）に変形してそれを解
く。
（Ａ−BK）Tv＋QXd＝０ （式25） h.結論 追尾性能は、本発明によりビークル及び制御システム
ダイナミクスを研究し、理解することによって、及びこ
の理解の下に補償方法を設計することによって改善され
た。
追尾方法の性能の劣化には、ビークル制御命令の待ち
時間、遅いシステム応答、及びビークルの動的特性が関
与しているのである。これらの各効果に反作用させるこ
とが可能である。
有力な効果であるビークル命令の待ち時間は、ビーク
ル制御ハードウエアを変更することによって、及び制御
命令を十分に前広にセットして遅延を補償する方法を使
用することによって成功裏に補償することができる。ビ
ークル位置を検知する時点と、命令を発行する時点との
間の時間遅れを減少させると、予測誤差が減少する。こ
れは舵取り角を計画するために必要なことであり、これ
によって良好な追尾性能がもたらされる。
速度に伴って予見距離を変化させることも、予見距離
を一定にする場合に比して追尾性能を改善する。
一般的に言えば経路追尾はコースに留まることの関数
である。上述したように本発明の経路追尾において検討
した若干の要因は、距離、ヘッディング及び曲率の誤差
と、処理遅延、アクチュエータへのビークル応答の遅延
等を含むシステム内の遅延と、動的な予見距離と、重み
付き経路履歴と、補外とである。
D.障害物処理 1.序 障害物処理は、少なくとも３つの主要機能、即ち障害
物4002の検出と、障害物4002の回避と、経路3312への復
帰とを含む。経路への復帰機能は上述の経路生成及び追
尾に類似する。
ビークル102の航行を成功させるためには、経路追尾
（追随）の他に、ビークル102がその経路内の障害物400
2を検出し、衝突が発生する前に障害物を回避するため
にビークルが停止するか、または他の回避動作を起こす
ことができるようにすることが要求される。
本発明の１実施例では、単一線赤外レーザスキャナ40
4（図38参照）を、走査が水平（図示してない）に行わ
れるような形態で使用している。走査線3810は大地と接
しないから、距離データの何等かの不連続が環境内の物
体4002を表すしていることになる。
参照経路3312が使用可能であり、この参照経路に対す
るビークルの位置は既知であるから、危険物体4002に関
しては距離データ及び参照経路3312を画している領域だ
けが処理される。この領域、または境界ゾーンの外側の
物体は無視される。境界ゾーンの幅（図示してない）
は、ビークル幅プラスある選択された安全緩衝に等しく
して追尾及び位置特定誤差のための余裕を見込んでい
る。この方法はその有用性に限界があり、“隙間検査”
と呼ぶ。
2.障害物の検出 a.隙間検査 本発明の最も簡単な例ではレーザ404を単一線走査で
使用し、視野を規則的な角度間隔でレーザ走査して連続
距離測定に成功している。これもまた簡易化のために、
これらの走査を規則的な時間間隔で開始することができ
る。“隙間検査”なる語はこの方法を記述するために使
用しているのである。本発明はこのバージョンにおける
この方法は、二次元データのみを処理することに制限さ
れる。
この型の障害物検出方法は、視野全体をスキャナ404
が走査するに当たって連続距離測定を規則正しい角度間
隔で行う単一線走査モードを使用して経路3312が支障が
あるか否かを見る検査に制限される。何等かの障害物40
02の存在を特定するか、またはもし経路に支障があれば
その周囲に経路を作成するような如何なる方法も含まな
い。この型の方法は、工場の床のような極めて厳密に制
御された環境を除いて、特に有用な障害物検出方法であ
るとは考えられない。
b.濾波及び縁検出計画 本発明の第２の障害物検出は、走査3810がビークル10
2の前方のある距離で大地に接するような多重線スキャ
ナ3804（図38参照）を使用する。走査線が大地と接する
ので、距離データの不連続は最早危険物体4002を表して
はいない。例えば、丘及び急傾斜した道路または路頂の
ような自然物の輪郭が距離データに不連続をもたらし得
る。本発明はこの技術は、危険物体4002及び自然物体
（図示してない）からの距離データを識別することがで
きる。
本発明のこの実施例では、処理されるデータの量を減
少させるため濾波計画がに使用され、また使用されるス
キャナ構成とは無関係である。境界ゾーンの縁は距離デ
ータを、各距離値が行番号3908及び列番号3910（マトリ
クス表現）によって検索される画像面表現3900（図39参
照）に転送することによって見出される。
距離画像表現3900内で使用可能な比較液少数の走査線
を選択することによって処理される負荷は最小化され
る。これらの走査線はビークル速度によって選択され、
ビークルの停止距離及びそれを越える点に集中される。
連続するデータフレームから選択される走査線は重複す
ることができる。
この方法では、もしビークル102が高速で運動してい
れば、選択される走査線3906はビークルの前方（距離画
像表現3900の上方）へ離れる。これに対してビークルが
ゆっくり走行している場合には、選択走査線3906はビー
クルに近づく（距離画像表現3900の下方に接近する）。
各走査線はデータの多くの絵素からなる。各絵素はそ
れに関連する２つのパラメタを有している。第１に、絵
素の実際の値はスキャナ3804から戻される距離値であ
る。第２に、走査線上の絵素の位置は、その距離が記録
された時のビークル中心線に対する角度の指示を与え
る。これは円筒座標フレーム（Ｒ、シータ、Ｚ）記述に
対応する。
円筒記述及びビークル102に対する既知のスキャナ位
置を与えれば、距離値は直交座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）系に変
換することができる。その結果が道路輪郭記述であり、
これはビークル経路3812内に危険な物体4002が存在する
か否かを決定し、一方で典型的な道路内の自然の丘及び
谷に起因する効果を無視する新しい濾波計画に使用する
ことができる。
スキャナデータが直交座標に変換された後、データ
は、走査のどの部分が実際に道路3312上にあり、走査線
のどの部分がビークル経路の外側にある（従って、安全
に無視できる）かを決定するために処理される。ビーク
ル位置及び境界の幅（ビークル幅プラスある安全余裕度
に等しい）を与えることによって、ビークル経路の何れ
の側の境界の座標をも決定することができる。境界の座
標は、現走査線上の各絵素の座標と比較することができ
る。境界の外側の座標を有する絵素は無視される。
濾波計画は、先に検知された道路輪郭から道路輪郭の
予測を構築する。この予測は、典型的な舗装された道路
を十分に記述することが見出された３つのパラメータに
基づいている。
§ 路頂 ：道路断面（道路の中心線に垂直な）の曲
率。
§ 道路傾斜：道路輪郭（道路の中心線に垂直な）の
‘傾き’。
§ 道路高さ：ビークル102の４つのタイヤの位置によ
って記述される参照面上の道路中心線の高さ。
路頂及び道路傾斜の予測値は、先に検知したスキャナ
データに対して標準の最小自乗カルマン濾波技術を遂行
することによって決定される。カルマンフィルタは、基
本的には、先行データから決定された値に基づいてこれ
ら２つのパラメタのランニング平均の型を保つ。
本発明によれば、特定走査に対する道路高さは２つの
類似した方法の一方によって決定することができる。
第１は、現走査線内の各絵素における道路高さを平均
して当該走査線の特性高さを決定する方法である。
第２の方法は、路頂及び傾斜予測を決定する時に使用
したものと類似の標準カルマンフィルタを使用して道路
高さを濾波することである。
これら３つのパラメタを使用して、予測される道路輪
郭を記述する２次方程式を決定することができる。この
予測輪郭は実際の道路輪郭と比較される。両者間に所定
のしきい値を超える何等かの偏差があれば、それらは危
険をもたらす物体であるものと見做される。
本発明のこの計画は、検出される物体4002が道路の幅
に比して小さいものと仮定すれば実行可能である。これ
らを平均化する、または最小自乗法を使用すれば、物体
に起因する効果は自然の道路データに比して無視でき
る。
この濾波計画は、選択された距離データを簡単な７点
重み付け関数を用いて畳み込む極めて簡単な縁検出法を
も含む。
c.障害物抽出 本発明の付加的な技術は、多重線スキャナ3804からの
物体に関する距離画像表現3900全体を処理する。本発明
のこの方法は３つの目標を達成する。
1.何も存在しない場合には障害物4002は検出しない。
2.障害物が存在する場合には障害物4002を検出する。
3.障害物が存在する場合には正しい障害物4002を検出す
る。
障害物抽出は、ブロッブ（blob）抽出を使用する障害
物検出である。ブロッブ抽出は、コンピュータグラフィ
ックスの分野では周知である。障害物は類似絵素をブロ
ッブと呼ぶ群にクラスタ化することによって見出され
る。障害物抽出の目標は、障害物を個々の絵素としてで
はなくユニットとして記憶し、処理することである。
本発明の障害物抽出は、画像面3901内で以下の諸段階
を遂行することによって行われる。
1.ビークル経路を画像面3901内へ投影する。
2.距離データを高さデータに変換する。
3.道路の中心の高さ（これは各行における予測された道
路高さを表す）に曲線を当てはめる。
4.実際の道路高さと高さ予測とを比較する。
5.障害物（実際の道路高さと予測された道路高さとの差
がしきい値を超えたことによって指示される）を抽出す
る。
（１）道路の発見 使用可能な全てのデータを処理するために、画像はス
キャナ3804のフレームレートで処理しなければならな
い。この理由から、障害物検出法における殆どの計算は
画像面3901内において行われる。経路を画像内に投影す
ることによって画像の大部分は無視することができ、多
くの不要計算が回避される。
ビークル経路3812が規則的な間隔で指定されているも
のとすれば、現ビークル位置を使用してスキャナの前方
の経路セグメント線3902を探知することができる。この
経路3812は、道路または境界縁3902に対応する点を画像
面3901（図39参照）内へ投影することによって、実際の
座標から画像座標へ変換される。
間隙の間を補間するために３次スプラインが使用され
る。即ち、行3902の中心及び縁が画像面3901内の各行39
08毎に見出される。道路縁3902間で孤立している絵素は
距離から高さデータへ（円筒座標から直交座標へ）変換
される。域外の絵素は破棄され、それ以上処理されるこ
とはない。
（２）道路高さのモデル化 画像面3901内の全ての行3908の道路の中心が分かる
と、これらの各点毎の高さを決定することができる。３
次最小自乗曲線がこれらのデータに当てはめられる。
これは、道路の一般的な傾向（上り、下がり坂）をモ
デル化し、また道路の中心に横たわる雑音及び小さい物
体の効果を濾波して除去する効果を有する。
（３）しきい値設定 障害物は、高さしきい値を使用することによって探知
することができる。周囲の地形が平坦であるとは限らな
いから、直線的な高さしきい値は無意味である。従って
このしきい値は、所与の絵素の行番号3908における３次
適合によって予測される予測高さに対して参照される。
このようにすると、丘は高さ予測と実際の高さとが極
めて精密に整合するから障害物とは見做されない。一方
障害物4002は予測道路高さを殆ど反映せず（最小自乗適
合のために）、従ってしきい値設定によって容易に見出
だされる。
このしきい値設定の結果は、“ブロッブ抽出”に適す
る２値画像（図示してない）である。２値画像は、如何
に物体があるのかを、または物体が画像内には存在しな
いことだけを指示する。
（４）ブロッブ抽出 ブロッブ抽出は、セットされた隣接絵素（障害物4002
が存在することを指示）を一緒にクラスタ化し、それら
をユニットとして処理することによって作業する。２つ
の絵素は、もしそれらが 1.同一列3910内にあり、連続行番号3908を有しでいる 2.同一行3908内にあり、連続列番号3910を有しでいる の何れかである場合に隣接していると言う。
絵素を一緒にブロッブ内にグループ化することによっ
て、障害物4002を全ユニットとして処理することがで
き、さらなる処理に適するものとなる。
（５）応用 抽出されたブロッブを使用する１つの方策は、それら
を別のプログラムへの入力として転送することである。
例えば、物体4002は座標内へパーズし、グローバル目的
写図4004（図40参照）を累積するために使用することが
できる。この写図4002は別のプログラムへ渡され、衝突
回避または経路計画を行うために使用される。
（６）障害物の回避 本発明がビークル102の経路内に障害物4002を検出す
ると（図40参照）、その物体との衝突を回避しなければ
ならない。障害物回避問題に関して若干の仮定を行う。
1.障害物環境は、凸多角形または凸線によって表すこと
ができる障害物4002が散在している。
2.航行方法は、未処理レーザ距離データから、またはブ
ロッブ抽出を通して処理済のデータから入手できるビー
クル102の位置から見ることができる障害物の全ての面
を表すローカル写図の形状のローカル環境情報へのアク
セスだけを有している。
3.ビークル102は普通に舵取りされる型であり、その速
度及び加速度に対する制約と、その舵取り角及び舵取り
角の変化のレートに対する制約とを有している。
障害物回避問題を処理するために、本発明はそれを２
つの副問題に分割する。
第１は、何等かの障害物が途上に存在するか否かを決
定し、もし存在すれば、ビークルはどちら側を通り抜け
るべきかを決定することである。次にビークル102を障
害物4002を廻って導く副目標4006を選択し、所望の経路
に戻す高いレベルの目標4008に向けて導く。
第２は、副目標4006を選択した後に、障害物4002を避
けるように舵取りしながらビークル102を副目標4006に
向けて駆動する舵取り決定を行うことである。本発明の
副目標選択方法及び舵取り決定方法がこれら２つの副問
題を解決する。
上に列挙した仮定は以下の処理過程において管理され
る。
障害物探知はレーザ距離スキャナ3804または404から
得られる。スキャナ3804または404が生成した距離デー
タは、ビークル位置から見ることができる障害物の部分
をモデル化する多角面のリストを作成するために処理さ
れる。新しい距離データが使用可能になる度に、副目標
選択方法が実行されて副目標4006を生成し、舵取り決定
方法のための安全航行の領域（自由空間4010）を決定す
る。副目標選択方法を実行することができる頻度は、ス
キャナ3804または404がデータを収集できるレートに依
存する。達成可能なビークル速度自体は、この実効頻度
に依存する。
舵取り決定方法に関しては、滑らかな経路を生成する
ためにより高いサンプリングレートが望ましい。従っ
て、舵取り決定方法は副目標方法よりも屡々実行され
る。
副目標方法の基本的流れは以下の通りである。
１ 最後の初期副目標、副目標、及び自由空間を保管せ
よ、目標遮蔽フラグを真にセットせよ ２ もし最終目標が可視であれば 直接目標を生成せよ もし直接目標が可視であれば 目標遮蔽フラグを偽にセットせよ ３ そうでなければ 初期副目標を生成せよ 副目標を初期副目標にセットせよ 最新副目標が可視になるまで副目標を繰り返し生成せ
よ。もし副目標が実行可能でなければ、中止せよ ４ もし目標遮蔽フラグが真であれば 古い初期副目標、副目標、及び自由空間を復元せよ ５ そうでなければ 自由空間を生成せよ もし自由空間が安全でなければ 古い初期副目標、副目標、及び自由空間を復元せよ 副目標方法：先ず（上記段階１）、先行繰り返しから
生成された初期副目標、副目標、及び自由空間を保管す
る。これは、新たに生成された副目標が安全ではない場
合に、古い副目標を追求し続けることを可能ならしめ
る。
次に（上記段階２）最終目標が可視である場合には、
どの障害物4002にも関連がない直接目標を生成すること
を試みる。最終目標がローカル写図内で可視ではあって
も、スキャナ範囲（距離的に、及び角度的に）の外側の
障害物はローカル写図内には表されていないから、必ず
しもこれが障害物が最終目標を遮っていないことを意味
するものではない。従って直接目標を生成する場合に
は、ローカル写図内には存在していない障害物4002上
に、またはその背後に副目標を配置することがないよう
に、スキャナ3804または404によってカバーされる円錐
領域内に位置定めするようにする。
次の段階（上記段階３）は、ローカル写図内において
最終目標が障害物4002によって遮られているような状況
を処理する。この場合、最終目標への視線を遮っている
障害物4002が先ず決定される。
流れ図を遮っている障害物が与えられると、それを廻
って進む２つの道が考えられる。もし障害物の両緑がス
キャナ3804または404の範囲内にあれば、ビークル102か
ら緑までと、緑から最終距離までの距離の合計が最小に
なる方の緑を廻って進むように選択することができる。
もし障害物4002の一方の緑だけが範囲内にあれば、その
緑を廻って進むことが選択される。もし緑が見えなけれ
ば、常に左緑を廻って進むことが独断的に選択される。
廻って進む緑が決定されると、ビークルの大きさに比例
する距離だけ縁から離して初期副目標が配置される。
この変位のために、得られた副目標が他の障害物4002
によって遮られるかも知れない。これは、今生成された
副目標への視線を遮っている障害物上に副目標を繰り返
して生成することを要求する。この繰り返し処理は、ビ
ークル102が見ることができる副目標が生成されるまで
続行される。このようにして生成された各副目標は実行
可能性が検査される。実行可能性とは、ビークルが通過
するには小さ過ぎる２つの障害物4002間の間隙に向かっ
て副目標がビークル102を導かないことを意味する。こ
のような状態が検出されると、ビークル102は停止する
ことになろう。
第２段階（上記段階２）において生成された直接目標
が、ビークル102からは不明瞭である可能性がある。も
しこれが事実であれば、先行繰り返しから古い副目標が
復元され、次（上記段階４）において使用される。
最終段階（上記段階５）では、可視副目標のための自
由空間4010（これは障害物を含まない三角形領域であ
る）が生成される。この自由空間4010が生成されると、
副目標及び自由空間4010の安全性を決定することができ
る。新しい副目標及び自由空間4010が安全でない場合に
は、古い副目標及び自由空間が再び復元される。そうで
ない場合には、新しい副目標及び自由空間が使用され
る。
本発明の舵取り決定方法は、２つの主要成分、即ち状
態制約から制御制約への移行と、所望制御ベクトルの決
定とからなる。
制御制約及び所望制御ベクトルが計算されると、当分
野では周知の最適化技術を使用して制御ベクトルを決定
することができる。
4.経路への復帰 本発明は、図40に図式的に示すように、物体4002を回
避した後のビークル102が参照経路を再取得するように
検出した物体4002を廻る安全な経路をプロットし、航行
させる方法を含む。
5.スキャナシステム a.序 図38及び42を参照する。本発明はレーザスキャナシス
テム404をも含む。スキャナ404は、前述のようにビーク
ル102経路内にランダムに突然出現する障害物4002（図4
0参照）を見出すために使用される。
これらの障害物4002の源は変化するものであり、特定
の作業現場に大きく依存する。これらは、落下した木及
び枝、巨礫、移動中のまたは駐止中のビークル、及び人
々を含むであろう。
スキャナ404は、自律ビークル102に必須条件として外
部世界を検出し、処理する能力を与える。
b.レーザスキャナ レーザスキャナシステム404の主要成分を図42に示
す。
レーザ距離ファインダ3804は、距離ファインダユニッ
ト3804と、最寄りの物体4002との間の距離を測定するた
めに赤外ビーム3819を使用する。短いパルスがユニット
3804から送信され、ビーム3810が物体4002から反射して
戻るのに要する時間が距離を与える。
距離ファインダ404からのビーム3810は回転鏡4222に
よって反射され、距離ファインダ404に360゜世界の視野
を与える。鏡の回転は電動機4206によって達成される。
電動機速度は、標準のRS232C直列リング4224を通して電
動機増幅器／制御装置4220と通信する端末4210によって
制御される。レーザ発射と鏡の角位置との同期はエンコ
ーダを用いて行われる。
レーザ距離ファインダ404からの線4226上の距離デー
タはインタフェース回路4228によって受けられ、差動的
にバッファ回路4214へ伝送される。データの個々の片々
は、鏡4222が完全１回転するまでバッファ回路4214によ
って収集される。このデータ集合が１走査を構成する。
ある走査が完了するとバッファ回路4214はプロセッサ42
12に通知し、その走査全体のデータはプロセッサ4212へ
転送されて処理される。
c.スキャナシステムインタフェース インタフェース回路4228は３つの機能を有している。
第１に、それは安全モニタとして動作する。電動機42
06と鏡4222との間の駆動ベルト4230が切断した等によっ
て、鏡4222が回転を停止する状況が発生するかも知れな
い。この状態の下でもレーザ4204は発射し続けるが、鏡
4222が静止しているのでそれは単一の点に発射すること
になる（レーザビームを直接見ることは誰にとっても危
険である）。しかし、インタフェース回路4228は、鏡42
22の角速度が毎秒回転数の半分以下に低下したことを検
知し、もしこのような状態が発生すればレーザ4204を作
動不能にする。
第２の機能は、360゜走査領域の一部分にわたってレ
ーザ4204の発射を不能にすることである。典型的には、
レーザスキャナユニット404はビークル102の前部に取り
付けられており、関心のある視野はビークルの前方180
゜の範囲であろう。ビークル自体も360゜走査領域の後
方部分を遮るであろう。この場合回路4228はレーザ4204
がビークル内に発射することを阻止し、ビークルの前方
領域の距離データを受信する間のレーザダイオードの寿
命を伸ばす。レーザ距離ファインダ4204の動作の可能化
及び不能化は、鏡ハウジング4222付近に取り付けられて
いる２つのセンサ（図示してない）を介して行われる。
試験の目的に対しては、または360゜走査が望まれる応
用に対しては、不能化機能はDIPスイッチによって遮断
することができる。
回路4228の第３の機能は、信号をシングルエンデッド
と差動形状との間で変換することである。レーザユニッ
ト4204からのTTL信号は差動的にバッファ回路4214へ伝
送され、バッファ回路4214から作動伝送された信号はTT
Lレベルに変換される。これは、２つの回路を接続して
いるケーブル4226における雑音劣化を防ぐ。
d.スキャナシステムバッファ回路 バッファ回路4214の機能は、レーザ404の発射と鏡422
2の角位置とを同期させて完全１回転にわたってデータ
を収集し、走査をコンピュータ4214へ伝送して処理させ
ることである。
鏡4222の角位置はエンコーダ4208から送られる信号に
よって決定することができる。バッファ回路4214はエン
コーダ4208からの２つの信号、即ちＺ及びＡチャネルを
使用する。
Ｚチャネルはエンコーダ標識であって、エンコーダ42
08の各回転毎に１回表明され、走査領域の始まりを信号
するために使用される。
Ａチャネルはエンコーダ4208の２線直交出力の一方の
線であり、エンコーダの各回転毎に1000パルスを発生す
る。このチャネルはレーザの発射をトリガするために使
用される。
走査フィールドをエンコーダ信号に完全に同期させる
ためには、１つの別の信号が必要である。エンコーダ／
電動機4206と鏡4222との間には2:1の歯車比が存在す
る。エンコーダ4208が２回転すると鏡4222は１回転す
る。
これは、鏡4222が１回転する毎に2Zチャネルパルス
と、2000Aチャネルパルスとに変換するが、走査の第１
の半分の始まりと第２の半分の始まりとを区別すること
はできない。
走査フィールドを完全に同期させるためにインタフェ
ース回路4222が生成するDB（不感体）信号を使用する。
走査の後半におけるレーザ4204の発射を不能にするため
に使用されるDB信号によって、走査の前半と後半とを区
別することができる。Ｚ及びDB信号は一緒になって走査
領域の始まりを信号する。
完全１走査中のデータを収集するバッファ回路4214の
第２のタスクは、エンコーダ4208のＡチャネルを通して
達成される。チャネルの2000パルスは回路基盤4228上の
DIPスイッチ（図示してない）によって選択された２、
４、８または16までに分割することができる。これによ
り走査当たりのデータ点の数を1000、500、250及び125
の間で変化させることができる。分割された信号は適切
な角度間隔でレーザ距離ファインダ4204をトリガし、ま
た得られた距離データをメモリ4214内に記憶させるため
に使用される。
事象のシーケンスは以下の通りである。分割されたＡ
信号野立ち上がり緑で１クロックサイクルのＷ（書き込
み）が表明される。この時点には先行Ｔ（レーザトリ
ガ）からのデータが使用可能であり、メモリ4214内に記
憶されている。Ｔは次のクロックサイクルに表明され、
レーザをトリガし、得られた距離データをメモリ入力バ
ス4226上に配置する。このデータは次のＷパルスで書き
込まれ、サイクルを繰り返す。
バッファ回路4214の最終タスクは、走査データをコン
ピュータ4212へ伝送して処理させることである。完了し
た走査はＺ及びDB信号によって信号される（ある走査の
始まりは先行走査の終りでもある）。走査が完了すると
割り込み要求線が表明され、鏡4222が半回転を行ってし
まうか、またはプロセッサ4212が割り込みを承認するま
で表明され続ける。第１の場合には鏡4222の半回転は次
のＺパルスによって信号され、タイムアウト状態を指示
する。プロセッサ4212は承認に失敗し、データは失われ
る。
通常の場合には割り込みは承認される。承認を受信す
ると、STR（データストローブ）が表明され、IBF（入力
バッファ一杯）を受信するまで保持される。この時間
中、データはデータバス4230上に供給され、コンピュー
タ4212による準備が整う。データはIBFが表明されるま
でバス4230上で有効であり、IBFが表明されるとSTRの表
明は取り消され、データはバス4230から除去される。プ
ロセッサ4212がSTRの表明取り消しを検出すると、IBFの
表面を取り消す。これによりデータの次の片の間STRを
表明させ、サイクルを繰り返す。
走査データは収集され、２つのメモリバンク4214内に
記憶される。これは共用メモリ、及び走査記憶と走査伝
送との間の同期問題を回避する。新しい走査のデータは
一方のバンク内に記憶され、走行走査は他方のバンクか
ら伝送される。
バッファ回路4214は、プロセッサ4212がレーザ発見と
鏡位置とを同期させる責任、及びデータの個々の片々を
収集する責任から解放する。プロセッサ4212はデータを
走査サイズの塊として受信するので、CPU時間をより効
率的に使用できる。プロセッサ4212はその時間をデータ
の処理に費やし、データの収集に費やすことはない。
E.ビークル制御システム 1.序 図43を参照する。ビークル制御は、４つの低水準機能
ブロックからなる。
第１は“ビークル管理者”（4302）と呼ばれる。第２
は“速度制御”（4304）と呼ばれる。第３は“舵取り制
御”（4306）と呼ばれる。第４は“モニタ／補助制御”
（２つの分離したブロック4310及び4308として示す）と
呼ばれる。これらに関して以下に説明する。
これらは全て高速直列データバス4314に結ばれてい
る。バス4314は、データ衝突検出・パケットパッシング
システムである。
これらの各機能ブロックは、個別にマイクロプロセッ
サ（例えばMotorola 68000 16ビットシリーズ）を有し
ている。これらの各マイクロプロセッサはバス4314を通
して他のマイクロプロセッサに話しかけ、他のマイクロ
プロセッサを聴く。
各機能ブロックはある程度特定の機能を有し、ビーク
ル管理者4302は通信ハブとして機能する。ビークル管理
者4302それビークル管理者4302は、RS−422,9600ボー直
列リンク4316を介してナビゲータ406へメセッセージを
送り、それからメッセージを受信する。またビークル管
理者4302はFM無線通信リンク4318を介して遠隔制御、ま
たは“テレ”パネル410を聴取して送信する。
2.ビークル管理者（モード） 前述のように、ビークル管理者4302は、遠隔制御パネ
ル410及びナビゲータ406から命令を受信する。次いでビ
ークル管理者4302は、ビークル102を“A"（自律）、
“M"（手動）、“T"（テレ）、または“R"（作動可能）
のどのモードにすべきかを決定する。
a.作動可能モード 状態（モード）、及びビークル102をどのようにして
状態間で変化させるかを示す図44を参照する。ナビゲー
タ406はそれ自身のモードを設定することはできない。
ビークル102が、例えばテレから自律へ変化することが
できないことに注目されたい。この場合には、先ず作動
可能モード4404を通過しなければならない。
作動可能モード4404は、ビークル102を既知状態に停
止せしめる。これは、例えばビークル102が移動してい
る間に自律モード4408からテレモード4406へ滑らかに移
行させることは困難であるからである。テレ制御パネル
操縦かん4502、4504は、制御が切り換えられた時に正面
位置になければならない。
テレモード4406から自律モード4408へ進む場合、ナビ
ゲータ406を初期化しなければならないという配慮が存
在する。例えば、ある有限の時間を要する制御を行う前
にルートに対して何処にいるのかを決定しなければなら
ない。さもなければ、この時間の間ビークル102は制御
されずに駆動されることになりかねない。
b.テレモード テレ操作モード、遠隔制御モード、または無線制御モ
ードとも呼ばれるテレ制御モードは、ビークル102を視
界内に保ちつつ遠隔位置からビークル102を制御する方
策を提供する。
ショップ職員はテレ操作モード4406を使用して、ビー
クル102を例えばヤードへ移動させよう。有利なことに
は、ショベルまたはローダー操作員がこのモードを使用
してビークルを積荷または荷降ろし位置へ操縦し、自律
モード4408が制御を再開する位置までビークルを移動さ
せるためにも使用される。
テレ操作モード4406においては、自律作業現場300の
各ビークル102は無線制御パネル410上で選択されたそれ
自身の独特な識別コードを有しており、正しいビークル
だけとの通信及び制御が行われるようになっている。ビ
ークル102は、その独特な識別コードが送信された時だ
けテレ操作命令4318に応答する。手動モード4402とテレ
モード4406との間のようなモード間の何等かの対立は、
明白な安全上の理由から手動モード4402を選択すること
によって解消されよう。
ビークル102はテレモード4406によって既知ルートか
ら外れて操縦できるとしても、ナビゲータ406はテレモ
ード4406で操作中のビークル102が何処にいるかを記憶
している。
c.手動モード 手動制御モード4402は、ビークル102が例えば修理シ
ョップ、設備ヤード等の地域に極めて接近して操縦され
ている場合、または修理または保守のために制御サブシ
ステムを解除する必要がある場合に要求されよう。
この制御モードは操作員が手動制御器の何れかを動作
させると呼び出されるように実現することができる。例
えば、ブレーキ4708を踏む、シフトレバーをある所定の
自律モード位置から移動させる、または操舵ハンドル49
10を握るのような簡単な動作が、手動制御モード4402を
希望していることとして直ちに制御システムに伝えら
れ、システムは直ちに手動モードへ移る。
手動モード中、自律システムはビークルの運動を絶え
ず監視し、ビークル位置の更新された記録を維持するの
で、自律モードを望む場合、及び自律モードが望まれれ
ば、より迅速に且つより効率的に移行することができ
る。
自律モード4408を再度望む場合には、操作員は例えば
スイッチまたはレバーを自律制御モードへ物理的に移動
させることによって自律モード4408に係合させるような
確実な動作を起こす。もし望むならば、ビークル102を
そのままの状態にする機会を操作員に与えるために、時
間遅延を組み入れることが好ましい。時間遅延の終り
に、システムは点灯、警笛等のような幾つかの水準の警
告を与えて、ビークル102の自律モードへの移行が迫っ
ていることを指示する。
d.自律モード 自律モード4408は作動可能モード4404から入る。自律
モード4408では、ビークル102は自律航行システムの制
御下に入る。
このモードでは、ビークル制御システムは上述のよう
にビークル管理者4302を通してナビゲータ406からメッ
セージを受信する。上述のようにビークル管理者4302
は、基本的には、残余の制御のための通信及び命令ハブ
である。
ビークル管理者4302、及び他の機能制御ブロックは全
て遮断回路4312と通信する。遮断回路4312に関しては後
述する。
3.速度制御 速度制御サブシステム4600は、速度制御解析器と、機
関4614のための閉じたループ制御4618と、伝導装置4610
及びブレーキ4606と、速度制御システムの実時間シミュ
レーションモデルと、独立したビークル遮断システム43
12に結ばれているモニタ4310とを含むように編成されて
いる。これはビークル102上の生産システムと並列に配
置されるように設計されている。
速度制御機能ブロック4304は、３つの基本的機能を処
理する。速度制御機能ブロック4304は、機関4614のガバ
ナを制御する。速度制御機能ブロック4304は、ブレーキ
システム4606を制御する。また速度制御機能ブロック43
04は、生産伝導装置制御ブロック4616を介して伝導装置
4610を制御する。
生産伝導装置制御ブロック4616は、図48に示す生産シ
ステム上への自律システムの並列後設機能として速度制
御ブロック4304によってインタフェースされる。生産伝
導装置制御ブロック4616は、マイクロプロセッサをベー
スとするシステムであって、主として速度及びそれに相
応する歯車入れ換えを監視する。
自律システム速度制御ブロック4304は、所望する最大
歯車比を伝導装置制御ブロック4616へ送り込む。例え
ば、もしビークル102を15mphで進行させるのであれば、
最大歯車比は第３歯車比（サード）であろう。生産伝導
装置制御ブロック4616は、その歯車比を適切に得るため
に必要な入れ換えの全てを制御する。
ガバナ4626（図46）は機関4616に送給される燃料の量
を制御する。従ってガバナ4626は機関速度を制御する。
自律システムは、伝導装置システムに関して説明したよ
うに、生産ガバナ制御システムと並列に後設することが
できる。
ブレーキシステムを図47及び図50に示す。この場合も
自律システムを生産ブレーキシステムに後設することが
できる。
以下に図46、48、47、50及び49に示すビークルシステ
ムを説明する。これらのシステムはビークル駆動列及び
舵取り4900システムに関する。
図46を参照する。ガバナ4626は機関速度4222を制御
し、機関はビークル速度4624を制御する。機関動力は駆
動列を通して駆動輪へ伝達される。駆動列は以下のもの
からなる。
トルクコンバータ4612 伝導装置4610 最終駆動装置4608 ブレーキシステム4606 車輪4604 これらのシステムの機能は当分野では周知である。
自律制御を遂行するために、幾つかのキーシステムが
本発明により変更された。主システムは速度制御システ
ム（機関速度、伝導装置、ビークル速度、及びブレー
キ）及び舵取りシステムであった。各キーシステムは安
全尺度として手動無効化能力を有するように設計されて
いる。如何なる場合でも、もしビークルが自律的に操作
されており、操作員がビークル機能の何れか１つの制御
を取り上げるものとすれば、制御は自動的に操作員に戻
される。
システムには、作動させると全ての電子的に制御され
ているシステムを作動不能にしてビークル102を手動制
御4402に戻す非常時無効化ボタン（図示してない、‘パ
ニック’ボタンとも呼ぶ）をも備えている。
システムは、若干のキーシステムを作動させるための
キー部分である空気圧をも検知する。もしこの圧力があ
る所定のしきい値を下回れば、それは問題が存在するも
のと見做され、ビークル制御システムは手動制御4402へ
復帰し、そしてビークル102は停止する。
図48は機関速度を制御するために使用されるシステム
を示す。このシステムは、機関速度4622の電子制御を無
効にするために手動操作できるペダル4806と並列に、空
気圧を調整する電子制御弁4808及び4812を使用してい
る。圧力センサ4802及び機関速度センサ4622は電子速度
制御システム4304のための必要フィードバックを供給す
る。
またビークル速度を制御するためには伝導装置制御46
16も必要である。基本的制御システムは、この目的のた
めに使用される特定ビークル上で容易に使用可能であ
る。
ビークル速度を調整する手段として機関速度4622を制
御するのに加えて、ビークルサービスブレーキ4606を制
御することも必要である。このシステムは図47に示され
ており、ビークル102の正常停止または低速化を遂行す
るために必要である。このシステムは、制動力を調整す
るために手動操作ペダル4708及びレターダレバー4710の
両方または何れか一方と並列に、電子制御空気弁4712及
び4716を使用している。これらの２つの手動入力を作動
させると、電子制御システムが無効になる。圧力センサ
4702及びビークル速度センサ4624は、制動力を調整する
ための必要フィードバックを供給する。
ビークルを自律的に操作するためにはビークル舵取り
の制御も必要である。この機能を遂行するシステムを図
49に示す。このシステムは、ビークル舵取りリンケージ
に取り付けられている流体圧シリンダ4914及び4916に流
れを供給するように電子的に作動可能なRexroth比例流
体圧弁4912を備えている。システムは、電子制御システ
ムに並列な手動操作可能なハンドメータリングユニッ
ト、即ちHMUをも備えている。手動システムは、安全の
ためにもし必要であれば、電子システムを無効にするこ
とができる。またシステムはHMU上にスイッチ4920を設
けてあり、手動舵取りハンドル4910が中心位置とは異な
ることを検出する。ハンドル4910が中心にない場合には
システムは、システムが手動で（4402）操作されつつあ
るものと見做してビークル102の自律制御を作動不能に
する。
ビークル駐車ブレーキの電子制御も付加的な安全機能
として含まれてる。このシステムを図50に示す。自律制
御下で適切に操作させるために、駐車ブレーキは手動で
‘オン’位置に配置される。ビークルがステータスモー
ド（手動4402、作動可能4404、及び自律4408）によって
進行中は、駐車ブレーキは空気圧弁5008を電子的に制御
することによって自動的に解放される。このシス20テム
は、ブレーキレバー解放弁5016及び非常時ブレーキレバ
ー5014からなる手動システムと並列である。
問題に遭遇すると、ビークル102は自動的に手動制御
下に入る。駐車ブレーキの手動設定は通常は‘オン’で
あるから、これが駐車ブレーキを作動させ、可能な限り
迅速にビークル102を停止させる。
4.舵取り制御 再び図43を参照する。舵取り制御機能ブロック4306
は、ビークルの車輪の舵取り角を制御する責を負ってい
る。舵取り制御機能ブロック4306は弁4912へ命令を送っ
て舵取り角を制御し、タイロッドシステム上に取り付け
られているレゾルバ（図示してない）から情報を受けて
いるので、実際の車輪の角度がどれ程であるかを知って
いる。
舵取り角は0.5゜程度の精度で制御することができ、
レゾルバの精度はそれよりやや高く、1/8゜程度であ
る。
ビークル102の有効寿命のある時期にレゾルバの調整
が狂うかも知れない。もしこのようなことになれば、ビ
ークルは経路3312を正しく追尾することはできなくな
る。
しかし、ナビゲータ406は、ビークル102が所望経路33
12からどれ程離れたかを決定するために絶えずビークル
102を監視している（ビークル102は常に所望経路3812か
らある程度外れており、システムは絶えず修正してい
る）。もしビークル102が、例えば数メートルのように
ある距離以上に所望経路3312から離れれば、ナビゲータ
406は安全上の予防措置としてビークルを停止させる。
舵取り制御システム4306自体も、レゾルバが正確であ
ることを保証するためと、受信した舵取り命令420が雑
音または他の誤差源によって劣化していなかったことと
を常に検査している。システムの付加的な検査として舵
取りシミュレーションモデルも実現することができる。
自律舵取りシステム4900は、手動舵取りシステムと並
列に実現するように設計することができ、また速度制御
システムと同様な技法でビークル102に後から設置する
こともできる。
図49に示すように、既存の、または生産手動舵取りシ
ステムは、ハンドメータリングユニットHMU4918を回転
させる手動舵取りハンドル4910を有している。HMU4918
は、車輪（図示してない）を回転させる舵取りシリンダ
4914、4916への流体圧用流体の流れを制御する弁4912を
制御する。
HMU4918上のスイッチ4920は、舵取りハンドル4910の
位置が中心から離れたことを、舵取りが手動制御に変化
したことの指示として検出する。キャブに搭乗している
操作員は単に舵取りハンドル4910を回転させるたけで自
律舵取り制御4408を作動不能にすることができる。
自律舵取り制御4408の下では、自律舵取り制御が車輪
をどの位置まで回転させようともキャブ内の手動舵取り
ハンドル4910は中心に位置している。舵取りハンドル49
10と車輪自体との間には機械的リンケージは存在しな
い。
勿論ビークル102は、望むならばビークル上に何等の
手動舵取りシステムも設けずに製造することができる。
ビークルを手動で駆動するためにはテレパネル5410を使
用することができ、または例えばある種のテレパネルを
ビークル102の側内に装着し、近接した仕事場内で無線
リンクを使用することなく制御することもできる。この
ような状況では操作員のために折り畳み式の補助席が設
けられよう。
開発された舵取りモデルを説明しておくことは本発明
の理解を容易にするであろう。
a.舵取りモデル 舵取りプランナのための基準は、図5. 1に示す三輪車
舵取りモデルである。このモデルによればビークルの速
度には無関係に所要舵角を計算することができる。
Φ＝tan-1LC経路 このモデルを使用するためには、所望の経路3312は、
追随すべき経路の曲率を含んでいなければならない。曲
率は曲線のその点における瞬時曲率半径の逆数である。
ｆ（ｓ）|p:位置曲線 f'（ｓ）|p:曲線またはヘッドに対する正接 f"（ｓ）|p:その点における曲率 これは、その点における２次経路導関数にも等しい。
b.経路表現 図22−34を参照する。経路3312を追尾中の自律ビーク
ル102の応答は、部分的に、経路3312の特性に依存す
る。具体的には、経路3312の曲率の連続性及び曲率の変
化のレート（鋭さ）が特に重要である。何故ならば、ビ
ークル102を所望の経路3312上に保つ上で、理想化され
た舵取り運動がこれらのパラメタによって支配されるか
らである。経路が弧及び線のシーケンスとして指定され
ている場合には、異なる半径の２つの弧が接続される点
において曲率が不連続になる。曲率の不連続は舵取りハ
ンドルを無限に加速する必要があるから、厄介な問題で
ある。非０速度で、このような遷移点を通って走行する
ビークルは、所望経路3312に沿ってオフセット誤差をも
たらす。
一般に、そして図33に示すように、もしポスチュア33
14が４つのパラメタ、即ち位置3320、ヘッディング331
8、及び曲率3316（ｘ、ｙ、θ、ｃ）として望まれるの
であれば、経路3812はポスチュア連続であることが要求
される。更に、ビークル102を所望経路3312上に保持し
そうな舵取り運動の程度は、経路の鋭さの直線性に相関
する（何故ならば、経路に沿う線形曲率とは、経路に沿
って運動中の線形舵取り速度を意味するからである）。
若干のスプライン曲線はポスチュア連続性を保証す
る。しかしながら、これらのスプライン曲線は曲線に沿
う曲率の線形勾配を保証しない。クロソイド曲線はそれ
らの曲率が曲線に沿う距離と共に線形に変化する“良好
な”特性を有している。（ａ）弧及び直線、または
（ｂ）クロソイドセグメントからなる経路が開発されて
いる。
曲率に不連続を有する経路はより大きい安定した状態
の追尾誤差をもたらす。これは特に、アクチュエータが
低速の場合に生じ易い。
経路表現は、所望経路3312を駆動するために必要な舵
角3112（図31参照）を計算するための十分な情報を含ん
でいなければならない。即ち、少なくとも位置、ヘッデ
ィング、曲率及び速度を含んでいなければならない。所
望経路3312上の位置はポスチュア3314として定義されて
おり、本発明ではポスチュアの構造は次のように与えら
れる。
c.ポスチュア定義 北 ：所望の北座標 東 ：所望の東座標 ヘッディング：所望のヘッディング 曲率 ：所望の曲率 速度 ：所望の対地速度 距離 ：源ポスチュアと先行ポスチュアとの間
の距離 d.位置情報 位置情報3322はVPS1000から入手され、例えば71バイ
トのデータである。所望経路3312を追尾するために使用
される情報の構造は71バイトVPS出力の部分集合であ
り、以下に示すVPS短定義によって与えられる。
e.VPS短定義 時刻 :gps時刻 北 :wgs84偏北距離 東 :wgs84偏東距離 ヘッディング：ビークルが運動している羅針盤方向 曲率 ：他の変数から計算される Ｎ速度 ：北速度 Ｅ速度 ：東速度 偏揺れ速度 ：ヘッディングの変化のレート Ｇ速度 ：対地速度 走行した距離 f.舵取り法 舵取りプランナは所望経路3312を追尾するために必要
な舵角を計算する。もしビークル102が所望経路3312上
にあれば、舵角は 経路上 Φ舵＝ｆ（Ｃ＜所望＞）＝tan-1LC である。
もしビークル102が所望経路3312から外れていれば、
舵角は 経路外 Φ舵＝ｆ（Ｃ＜所望＞＋Ｃ＜誤差＞） である。
Ｃ＜誤差＞を計算するために使用される本発明の方法
は、５次法である。５次法は、所望経路3312に戻す滑ら
かな経路を限定する誤差空間内の５次多項式である。多
項式の次数は必要データ、即ちＣ＜誤差＞及び既知の端
制約によって限定される。
誤差空間内の５次多項式： ｓ＝０において： 誤差（０）位置＝現所望位置−現実際の位置 誤差’（０）ヘッディング＝現所望ヘッディング−現
実際のヘッディング 誤差”（０）曲率＝現所望曲率位置曲率−現実際の曲
率 ｓ＝Ｌ（Ｌ＝予見距離）において： 誤差（Ｌ）位置＝０ 誤差（Ｌ）ヘッディング＝０ 誤差（Ｌ）曲率＝０ 多項式誤差の係数はＬ、即ち誤差が０になる距離の関
数である。
誤差（０）＝a0 誤差’（０）＝a1 誤差”（０）＝2a2 誤差（Ｌ）＝a0＋a1L＋a2L2＋a3L3＋a4L4＋a5L5 誤差’（Ｌ）＝a1L＋2a2L＋3a3L2＋4a4L3＋5a5L4 誤差”（Ｌ）＝2a2＋6a3L＋12a4L2＋20a5L3 これら５つの方程式は係数a0、a1...a5について記号
的に解かれる。次いで各係数は、境界条件のどの合理的
集合についても容易に決定することができる。
多項式の係数が決定されると、誤差”（ｓ）をあるピ
ックド（picked）ｓについて評価することができる。こ
のピックドｓはｓ＝０から所望経路に沿う距離に対応
し、現在次のように定義されている。
ｓ＜ピックド＞＝対地速度＊計画間隔 補正項を得るために： Ｃ＜誤差＞＝誤差”＜（ｓピックド）曲率＞ 新しい舵角を得るために： Φ舵＝tan-1〔（Ｃ＜所望＞＋Ｃ＜＜誤差＞＠ピック
ド＞）Ｌ〕 この計算は、現在は0.25秒である各計画間隔（dt計
画）に遂行される。
5.モニタ／補助 図43を参照する。モニタ／補助機能ブロック4308及び
4310は、ビークル制御システムの他のブロックが遂行し
ない若干の雑機能を処理する。例えば機関4616の始動及
び停止、警笛の吹鳴、ベッドの昇降、駐車ブレーキオン
またはオフの設定等がその機能である。
またモニタブロック4310は、バス4314上の他の機能ブ
ロックが送受する命令を検査して、それらが有効か否か
を調べる。もし誤差が検出されれば、モニタブロック43
10はそれを遮断回路ブロック4312へ通知し、システムは
後述するように遮断されることになる。
6.安全システム a.序 遮断回路4312を含む安全システム（図43及び52参照）
は、種々の誤差状態が検出されると駐車ブレーキをオン
に設定することによってビークル102を停止させるよう
に動作する。これによりビークル102は、可能な最短距
離で安全停止するようになる。
駐車ブレーキは、通常は“セット”または“オン”で
あるように設計され、電子回路がそれを解放するように
動作するから、電子制御システムが故障するとアクチュ
エータ5006への電源5216が遮断され、弁を作動させる電
力が供給されなくなるので駐車ブレーキは“セット”と
呼ばれるその通常位置へ戻される 幾つかの誤った命令を受信した時、または速度及び舵
取りの両方または何れか一方のシミュレーションモデル
とビークルセンサ出力4622及び4624とが受け入れ難い許
容差を呈した時が、システムを遮断せしめる状態の例で
ある。遮断システム4312は他の自律制御サブシステムか
ら独立し、分離したサブシステムである（図43及び52参
照）。
b.遮断制御 他のビークル制御システム機能ブロックの出力に接続
されている安全システム遮断回路4312（図43）の詳細を
図52に示す。
これはフェールセーフ型の設計である。これはマイク
ロプロセッサを全く含んでいない。これは全てハードワ
イヤード離散論理である。
ビークル制御システム4312設計の特色は、全ての機能
ブロックが直列バス4314上の他の機能ブロックの出力内
の誤りを検出できることである。従ってもしこれらの機
能ブロックの１つが、別の機能ブロックが正しく機能し
ていないことを検知すれば、それは遮断回路4312へ信号
を送ってシステムを遮断させることができる。
例えば、速度及び舵取りブロックは各々受信した命令
（ビークル管理者4302から受信）を調べて、命令が有効
であることを確認している。また告げられたこと、即ち
命令が要求していることが実行されているか否かを確認
することも所定の機能である。もし否であれば、これら
はシステムを遮断させる。
安全システムは、パニック停止5208、ブレーキペダル
5202及び舵取りハンドル5206のスイッチを含む無効化用
手動スイッチを含んでいる。
7.バスアーキテクチャ ビークル制御システム機能ユニット4302、4304、430
6、4308、及び4310を相互接続しているバス4314は、デ
ータパケット衝突検出計画を使用するリング構造で実現
された直列データ型である。
F.機能記述／方法 1.以下は、「タスク図」と名付けられた図53に示すナビ
ゲータ406の説明である。各タスク図を以下に説明す
る。
a.主（エグゼクティブ） 図53の中心は“主”（エグゼクティブ）5316と名付け
たタスクである。このタスク5316はタスク間通信を調整
し、またナビゲータ406のために行われる高水準決定を
遂行する。タスク5316が行う主な決定の１つは、システ
ム内の他のタスクから受信したメッセージに基づいて、
トラッカ5306を何時（非）係合させるかというものであ
る。
b.モニタVEHステータス このタスク5308は、“主”タスク5316の右上に示され
ている。これはビークルポート5326を読み取り、ビーク
ルモード変化及びナビゲータ・ビークル通信状態をエグ
ゼクティブ待ち行列5328を介して“主"5316へ報告す
る。更にビークル102のステータスはグローバルメモリ
構造5400（図54参照）に書き込まれる。
c.スキャナ 図53のタスク図の右下角には、障害物検出システム40
4からのデータを“主"5316へ通信するために設けられた
スキャナタスク53n10が示されている。
d.コンソール及びコンソールパーザ コンソール5312及びコンソールパーザ5314は、図53の
タスク図には“主”タスク5316の真下に示されている。
これらのタスクはシステムの開発中にデバッグ用ツール
として開発されたものである。これらは、端末5302から
のユーザ入力に従ってナビゲータ406状態を表示し、処
理する。コンソールパーザタスク5314は、トラッカパラ
メタをセットするためにも使用される。
e.指令入手 このタスク5320は、図53のタスク図の左上角に示され
ている。これは、ホストナビゲータインタフェース5330
の一部である。ホスト処理システム186からのメッセー
ジはこのタスク5320によって受信され、解号される。次
いで、メッセージに依存して、メッセージは“主”タス
ク5316か、または別のタスクの何れかへ通信される。次
いでこの別のタスクは適切な応答をナビゲータ406から
ホスト処理システム186へ送る。
f.ホストへのメッセージ “主”タスク5316の左上に示されているこのタスク53
18は、ナビゲータ406からのメッセージを定型化し、そ
れらをホスト処理システム186へ通信する。
g.VPS位置 このタスク5322は、図53のタスク図の左側に示されて
いる。VPS位置タスク5322はVPS1000からの（20Hz）出力
を読み取る。このデータは正しさ（例えば“検査合計”
について）を検査し、もし正しければそれをグローバル
メモリ構造5400、位置バッファ（VPS位置待ち行列）532
2内へ配置する。このタスクは、位置障害が発生すると
メッセージを“主"5316へ送る。
h.VPSポスチュア このタスク5324は、図53のタスク図の左下角に示され
ている。ビークルが追尾中は、このタスクはポスチュア
バッファ（VPS_ポスチュア＿待ち行列）5334を維持す
る。このタスク（5324）はビークルの位置を監視し、走
行方向における現ビークル位置からほぼ50ポスチュア
を、ポスチュアバッファ（3000）内に維持する。
g.トラッカ 図53のタスク図の右上角に示されているこのタスク53
06は、現位置5332及びポスチュアバッファ5334を読み取
る。読み取った情報に基づき、タスク5306は舵取り及び
速度修正420を計算する。このタスク5306はそれらをビ
ークル102へ送り、それによってビークルのコースを制
御する。
j.ナビゲータ共用（グローバル）メモリ ナビゲータタスク5300に関して説明したように、ナビ
ゲータ406は、種々のタスクが読み書きするグローバル
メモリ構造5400を有している。このメモリ構造5400を図
54に示す。
図54では、タスクは、中に特定タスクを書き入れた長
円で示されている。メモリ5400は図54の中央部に箱の積
み重ねとして示されている。非保護メモリは箱の積み重
ね内に単一の箱として示されている。セマフォー保護さ
れたメモリは積み重ねられた箱内の箱として示されてい
る。
矢印はタスクとメモリとの間のデータ転送方向を指し
示している。従って、タスクからメモリへの書き込み
は、そのタスクから当該メモリを指し示す矢印を有する
線で示される。同様に、タスクによるメモリからの読み
出しは、メモリから当該タスクを指し示す矢印を有する
線で示される。タスクとメモリとの間に双方向データ転
送が存在する場合には、先の両端に矢印が付けられてい
る。
k.主（エグゼクティブ）流れ図 図55及び56A−56Dはナビゲータ主またはエグゼクティ
ブタスク5316の流れ図である。
先ず図55を参照する。これは主またはエグゼクティブ
タスク流の一般的な構造を示す図である。以下にナビゲ
ータエグゼクティブタスク5316に関連する幾つかの流れ
図を説明する。
図55はエグゼクティブ流れ図であって５つのブロッ
ク、即ち開始ブロックであるブロック5502と、ナビゲー
タを初期化するブロック5504と、未処理エグゼクティブ
決定であるブロック5506と、状態に基づく動作であるブ
ロック5510とを示している。
図55は、ナビゲータ406に電力が投入された（電源ス
イッチをオンにした）時に、エグゼクティブタスク5316
がその機能をどのように実行するかを記述している。電
力が投入されると、エグゼクティブタスク5316（または
エグゼクティブ）は開始ブロック5502から開始され、直
ち5504に進んでナビゲータを初期化し、エグゼクティブ
5316はナビゲータ406を既知の初期状態にする。ついで
エグゼクティブは未処理エグゼクティブ待ち行列5506へ
進み、複数の原始からそのメッセージ待ち行列5328へメ
ッセージが到着するのを待機する。例えば、典型的なメ
ッセージはホスト処理システム186からの情報に関する
問い合わせであり得る。
エグゼクティブ待ち行列5328にメッセージを受信する
と、エグゼクティブ5316はエグゼクティブ決定ブロック
5508へ進む。このブロックではエグゼクティブ5316は既
知の技法によって一連のステータスフラグをセットす
る。これらのフラグはナビゲータ406を既知の状態、具
体的にはメッセージ受信済にする。
ステータスフラグが適切にセットされると、エグゼク
ティブ5316は状態に基づく動作5510へ進み、受信した指
令の型に従って必要動作が遂行される。
今度は図56−56Dを参照する。これらの図は、図55の
一般的構造図に示した“エグゼクティブ決定ブロック55
08の流れを示す。
エグゼクティブタスク5316が開始できる種々の応答の
詳細を以下に説明する。エグゼクティブ待ち行列5328内
に予測される既知のメッセージの集合が存在する。これ
らのメッセージの詳細を図56A−56Dに示す。
図56Aは、図56A−56Dの編成図である。図56A−56D
は、エグゼクティブ5316が種々のメッセージに対して応
答するために使用される手順の詳細を記述している。
図56Aを参照して、特定のメッセージに対するエグゼ
クティブ5316の動作を説明する。エグゼクティブ待ち行
列5328へのメッセージを受信すると、プログラムはブロ
ック5506を去ってブロック5602へ進み、エグゼクティブ
5316はそのメッセージが、‘新ルート指令’か否かを決
定する。もしそのメッセージが‘新ルート指令’であれ
ば、エグゼクティブ5316は‘新ルート指令’に基づく動
作ブロック5604へ進む。‘新ルート指令’メッセージに
特定の動作が成功裏に完了すると、エグゼクティブ5316
は状態ブロックに基づく動作5510へ進む。この動作が完
了すると、エグゼクティブ5316は未処理エグゼクティブ
待ち行列ブロック5506へ戻り、別のメッセージを待機す
る。もしブロック5602内の初期メッセージが‘新ルート
指令’でなければ、エグゼクティブ5316はブロック5606
へ進んでメッセージが‘速度変更指令’であるか否かを
決定する。
‘速度変更指令’、‘VEH応答’、‘VEH無応答’及び
‘VEH検査合計誤り’のようなメッセージに対する応答
は、‘新ルート指令’に関して記述した手順と類似手順
を辿る。しかしながら、‘...'に基づく動作10 5604乃
至5620において遂行される動作は異なる考え得るメッセ
ージごとに異なる。有効メッセージの種々の型、及びそ
の要約記述は以下の通りである。
「新ルート指令」：ビークルが追随するルート番号を
セットせよ。
「速度変更指令」：ルートの特定部分をビークルが走
行することができる最大可能な速度を命令せよ。
「VEH応答」：ビークルは適切に命令に応答しつつあ
り、ナビゲータステータスフラグを「健全」にセットせ
よ。
「VEH無応答」：ビークルは命令に応答しておらず、
ビークルを停止させよ。
「VEH検査合計誤り」：ビークルはデータを正しく送
信／受信しておらず、ビークルを停止させよ。
「テレ」、「手動」、「作動可能」、または「自
律」：ビークルのモードを「正しい順序で」にセットせ
よ。
「VPSタイムアウト」:VPSはデータを送信しておら
ず、ビークルを停止させよ。
「VPS検査合計誤り」:VPSは誤転送されたデータを送
信しており、ビークルを停止させよ。
「VPSポスチュア作動可能」：経路ポスチュアの生成
作動可能。
「VPS位置作動可能」:VPSデータは使用可能。
「VPS位置整列」:VPSは初期化中、ビークルを運動さ
せるな。
「ルートの終り」：ビークルは現ルートの終りに接近
しつつあり、到達したならばホスト処理システムに通知
せよ。
「走査作動可能」：走査システムは経路内の物体の探
査作動可能。
「走査無妨害」：ビークル経路上に物体は検出され
ず、正常に続行せよ。
「走査障害物」：ビークル経路上に物体を検出、ビー
クルを停止させよ。
「トラッカコース外」：ビークルは所望経路を許容差
以内で追随しておらず、ビークルを停止させよ。
「トラッカルートの終り」：トラッカは経路の終りに
到達した、ビークルを停止させよ。
「トラッカ停止」：追尾タスクがビークルを停止させ
たことをナビゲータに通知せよ。
‘テレ’、‘手動’、‘作動可能’、及び‘自律’に
対する応答は、これらのメッセージが互いに関係付けら
れていて、特定の順序に基づいて動作しなければならな
いからやゝ異なっている。これは既に説明済である。こ
れらのメッセージのためのプログラム流を図56A及び56B
に示し、ブロック5622−5630について説明する。
爾後に見込まれるメッセージに対する応答は、は図56
B乃至56Dのブロック5632乃至5678に示されている。これ
らの応答はメッセージ‘新ルート指令’に関して説明し
たものと類似している。
もし受信したメッセージが予測したメッセージの１つ
ではないか、またはそのメッセージが誤転送されたもの
であれば、エグゼクティブ5316はブロック5680に導か
れ、そこでホスト処理システム186は問題を知らされ
る。次いでエグゼクティブ5316はエグゼクティブ待ち行
列5506へ戻り、待ち行列内の次のメッセージに応答す
る。
図57A乃至57Rは、エグゼクティブ5316が特定のメッセ
ージに応答するために使用する特定手順を示す。例え
ば、図57Aはエグゼクティブ5316が‘新ルート指令’メ
ッセージに如何に応答するかの詳細を示す。このメッセ
ージがエグゼクティブ待ち行列5328内に到着すると、エ
グゼクティブ5316は流れ図ブロック5702へ進んでメッセ
ージが何であるか（この場合には‘新ルート指令’）を
決定する。もしメッセージが‘新ルート指令’であれ
ば、エグゼクティブ5316は流れ図ブロック5705へ進み、
メッセージに応答する。そうでなければ、流れ図ブロッ
ク5704へ進んでそれが有効（他の考え得るメッセージの
１つ）であるのか、または無効であるのかを決定する。
メッセージが‘新ルート指令’であることが分かる
と、エグゼクティブ5316は図57Aに示されている処理過
程を辿ってそのメッセージに応答する。この処理過程は
ブロック5706乃至5714によって示されている。この手順
では（そして他の指令に対する応答では）、エグゼクテ
ィブ5316はナビゲータ406内の異なるタスクの状態を検
査し、これらの状態に対して既知の、所定技法で応答す
る。
この応答の効果は、一連のステータスフラグをセット
することであり、これによってエグゼクティブ5316が状
態に基づく動作5510に到達した時にナビゲータ406内の
他のタスクによる爾後の応答が遂行される。ブロック55
10内に実現されている実際の手順を図58に示す。
他の有効メッセージに対するエグゼクティブ5316の応
答は、‘新ルート指令’において説明した手順に類似し
ている。指令に対する各応答の効果は、先ずフラグの集
合を変化させ、それによってナビゲータ406の状態に影
響を与えることである。特定のフラグ集合は、特定の指
令に依存する。ナビゲータ406は、エグゼクティブ5316
が「状態に基づく動作」ブロック5510まで移動した時
に、これらのフラグの変化に応答する。
図58A−58Cは、‘状態に基づく動作’ブロック5510の
流れを示す。
状態に基づく動作ブロック5510を図58A−58Cに示す。
図58は図58A−58Cの相互関係を示し、これらの３つの各
図は状態に基づく動作ブロック5510の部分を示す。
エグゼクティブタスク5316が特定のエグゼクティブメ
ッセージに応答して適切なフラグをセットすると、エグ
ゼクティブ5316は適切なタスクまたはエンティティに対
してメッセージを送るようになる。これらのタスクまた
はエンティティはエグゼクティブメッセージの結果とし
てナビゲータ406システムに対する変化を知らされなけ
ればならない。
例えば、エグゼクティブタスク5316がエグゼクティブ
決定5508を去ると先ず状態に基づく動作ブロック5510に
入り、ビークルが自律モードに対して作動可能である
（例えば、VPSが作動可能であり、ビークルが適切に通
信し、適切なルートが命令されており、そしてビークル
が自律モードで作動可能である）というようなステータ
スがセットされているか否かを検査する。ブロック5802
を参照されたい。もしこれらの条件の１またはそれ以上
が満足されなければ、エグゼクティブは別の有効メッセ
ージを待機するように戻る。もしこれらの全ての条件が
満たされれば、エグゼクティブ5316は、経路生成器5804
が作動中であるか否かを検査する。もし作動中であれ
ば、エグゼクティブ5316は自律動作のために必要な他の
システムを開始させる。
もし経路生成システムが作動中ではなければ、エグゼ
クティブ5316タスクは経路生成器を始動させるためにメ
ッセージ‘VPSポスチュア係合’をVpsポスチュア待ち行
列5334へ送る。次いでエグゼクティブタスクは未処理エ
グゼクティブ待ち行列5506へ戻り、ビークル102の適切
な動作を保証するために別の指令を待機する。
フロントページの続き (72)発明者 クリステンセン ダナ エイ アメリカ合衆国 イリノイ州 61526 エーデルスタイン ウェスト ストラッ トフォード 809 (72)発明者 フリードリック ダグラス ダブリュー アメリカ合衆国 イリノイ州 61554 ペキン エディソン コート 1007 (72)発明者 スタッフォード ダーレル イー アメリカ合衆国 イリノイ州 61525 ダンラップ ヒッコリー グローヴ ロ ード 12151 (72)発明者 センノット ジェームズ ダブリュー アメリカ合衆国 イリノイ州 61701 ブルーミングトン ノース リンデン ストリート 418 (56)参考文献 特開 昭63−65512（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−298717（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−108285（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−70615（ＪＰ，Ａ) 曽根悟（外５名），慣性を考慮した物 体の滑らかな曲線追跡，電気学会論文誌 Ｃ，95巻１号，論文番号50−Ｃ１ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G05D 1/02

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】所定の経路に沿ってビークルを自律走行さ
    せるためのコンピュータベースの自律航行システムであ
    って、 （１）（ａ）衛星ベースの位置決め手段からの信号を参
    照してビークルの第１推定位置を求める第１位置決め手
    段と、 （ｂ）ビークルの第２推定位置を与える運動位置決め手
    段と、 （ｃ）前記第１推定位置と前記第２推定位置からビーク
    ルの第３推定位置を計算する処理手段と、 を備える、ビークルの位置を求めるための位置決め手段
    と、 （２）予め定めた基準経路の曲率と許容できる最大速度
    と所望のヘッディングと所望のビークル位置座標とを含
    む所定のポスチュアを求め、前記最大速度以下の命令速
    度を定めてビークルの速度を制御し、前記基準経路の曲
    率から基準操舵角を求め、該所定のポスチュアと前記第
    ３推定位置とに基づいてポスチュア誤差を求め、前記基
    準操舵角と前記ポスチュア誤差とから所望の操舵角を求
    めてビークルの操舵を行い、前記所定の経路にビークル
    を追従させる航法手段と、 （３）前記所定の経路の追従に際して前記ビークルに対
    する障害物を検出し、ビークルが該障害物を避けること
    ができるようにする検出手段と、 を備えることを特徴とするビークルの自律航行システ
    ム。
  2. 【請求項２】所定の経路に沿ってビークルを自律走行さ
    せるためのコンピュータベースの自律航行システムであ
    って、 （１）（ａ）衛星ベースの位置決め手段からの信号に基
    づいてビークルの第１推定位置を求める第１位置決め手
    段と、 （ｂ）慣性基準ユニットとビークル走行距離計に基づい
    てビークルの第２推定位置を与える運動位置決め手段
    と、 （ｃ）前記第１推定位置と前記第２推定位置からビーク
    ルの第３推定位置を計算する処理手段と、 を備える、ビークルの位置を求めるための位置決め手段
    と、 （２）予め定めた基準経路の曲率と許容できる最大速度
    と所望のヘッディングと所望のビークル位置座標とを含
    む所定のポスチュアを求め、前記最大速度以下の命令速
    度を定めてビークルの速度を制御し、前記基準経路の曲
    率から基準操舵角を求め、該所定のポスチュアと前記第
    ３推定位置とに基づいてポスチュア誤差を求め、前記基
    準操舵角と前記ポスチュア誤差とから所望の操舵角を求
    めてビークルの操舵を行い、前記所定の経路にビークル
    を追従させる航法手段と、 （３）前記所定の経路の追従に際して前記ビークルに対
    する障害物を検出し、ビークルが該障害物を避けること
    ができるようにする検出手段と、 を備えていることを特徴とするビークルの自律航行シス
    テム。
  3. 【請求項３】所定の経路に沿ってビークルを自律走行さ
    せるためのコンピュータベースの方法であって、 （１）（ａ）衛星ベースの位置決め手段からの信号に基
    づいてビークルの第１推定位置を求め、 （ｂ）運動位置決め手段からビークルの第２推定位置を
    受け、 （ｃ）前記第１推定位置と前記第２推定位置からビーク
    ルの第３推定位置を計算し、 （２）（ａ）予め定めた基準経路の曲率と許容できる最
    大速度と所望のヘッディングと前記所定経路内の所望の
    ビークル位置座標とを含む所定のポスチュアをテーブル
    から求め、 （ｂ）前記基準経路の曲率から基準操舵角を求め、 （ｃ）該所定のポスチュアと前記第３推定位置とに基づ
    いてポスチュア誤差を求め、 （ｄ）前記基準操舵角と前記ポスチュア誤差とから所望
    の操舵角を求め、 （ｅ）前記所望の操舵角を使用して前記所定の経路にビ
    ークルを向かせ、 （ｆ）前記最大速度以下の命令速度を定め、 （ｇ）前記命令速度を使用してビークルの速度を制御す
    る、 ことによりビークルを前記所定の経路に追従させ、 （３）前記所定の経路の追従に際して前記ビークルに対
    する障害物を検出し、ビークルに該障害物を避けさせる
    こと、 からなるビークルの自律航行方法。
  4. 【請求項４】所定の経路に沿ってビークルを自律走行さ
    せるためのコンピュータベースの方法であって、 （１）（ａ）衛星ベースの位置決め手段からの信号に基
    づいてビークルの第１推定位置を求め、 （ｂ）ビークルに搭載された慣性基準ユニットとビーク
    ル走行距離計からの信号に基づく運動位置決め手段から
    ビークルの第２推定位置を受け、 （ｃ）前記第１推定位置と前記第２推定位置からビーク
    ルの第３推定位置を計算し、 （２）（ａ）予め定めた基準経路の曲率と許容できる最
    大速度と所望のヘディングと前記所定経路内の所望のビ
    ークル位置座標とを含む所定のポスチュアをテーブルか
    ら求め、 （ｂ）前記基準経路の曲率から基準操舵角を求め、 （ｃ）該所定のポスチュアと前記第３推定位置とに基づ
    いてポスチュア誤差を求め、 （ｄ）前記基準操舵角と前記ポスチュア誤差とから所望
    の操舵角を求め、 （ｅ）前記所望の操舵角を使用して前記所定の経路にビ
    ークルを向かせ、 （ｆ）前記最大速度以下の命令速度を定め、 （ｇ）前記命令速度を使用してビークルの速度を制御す
    る、 ことによりビークルを前記所定の経路に追従させ、 （３）前記所定の経路の追従に際して前記ビークルに対
    する障害物を検出し、ビークルに該陣害物を避けさせる
    こと、 からなるビークルの自律航行方法。
  5. 【請求項５】請求の範囲第１項に記載したビークルの自
    律航行システムであって、前記第１位置決め手段はGPS
    受信機であることを特徴とするシステム。
  6. 【請求項６】請求の範囲第２項に記載したビークルの自
    律航行システムであって、前記第１位置決め手段はGPS
    受信機であることを特徴とするシステム。
  7. 【請求項７】請求の範囲第５項に記載したビークルの自
    律航行システムであって、前記運動位置決め手段は慣性
    基準ユニットとビークル走行距離計からなることを特徴
    とするシステム。
  8. 【請求項８】請求の範囲第１項又は第２項のいずれかに
    記載したビークルの自律航行システムであって、前記航
    法手段は、制御要因の一つとして横方向の加速度を用い
    て旋回中に車両の操舵を制御する手段を含むことを特徴
    とするシステム。
  9. 【請求項９】請求の範囲第３項又は第４項のいずれか１
    項に記載したビークルの自律航行方法であって、前記
    （２）の段階は、（ｈ）制御要因の一つとして横方向の
    加速度を用いて旋回中に車両の操舵を制御することを含
    む方法。
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