JPH0827652B2 - 地点追従方式による無人移動機械の誘導方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は地点追従方式による無人移動機械の誘導方法
に関する。

〔従来の技術〕

従来のこの種の誘導方法としては、第６図に示すよう
に予定走行経路を地点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを教示するこ
とにより設定し、これらの各地点を結ぶ経路上におい
て、例えば経路▲▼上を走行する時には、地磁気セ
ンサを用いて移動車の現在位置を算出したうえで、車輪
の方向が常に地点Ｂ向くように制御するようにしたもの
がある（特開昭53−26032号公報）。

また、この種の他の誘導方法としては、上記と同様に
して予定走行経路上の各地点を教示し、これらの与えら
れた地点を、CADの分野で用いられているスプライン曲
線で近似し、２次元平面上の連続した曲線に置き直した
うえで、その曲線をなぞって走るように車体を操舵する
ようにしたものがある（第２回日本ロボット学会学術講
演会「スプライン曲線を用いた軌道設計」）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記前者の従来技術によれば、移動車
のステアリングは移動車が目標地点に到達するまでの間
は目標地点を向くように制御され、目標地点に到達した
後に次の目標地点を向くようにステアリング制御される
ので、移動車は目標地点において目標地点を通過した後
車速に応じた旋回半径をもって旋回して次の目標地点に
進むというような動作をする。これは所謂ハンドルの切
り遅れによる脱輪である。このように、上記前者の従来
技術では、各目標地点において、移動車はハンドルの切
り遅れによって迂回走行をすることになり、実用上使い
ものにならない。

一方、後者の誘導方法は、計算式が複雑であるため、
経済的に車載可能な安価なマイクロコンピュータで計算
を行なうと、１つの点と点の区間の追従の計算を行なう
のに数秒間を要する。なお、車体のステアリングに切り
遅れのないように制御するには、0.1秒以内に新たな計
算結果が必要である。

したがって、この誘導方法は経済的に実用可能なマイ
クロコンピュータで制御するには不十分な方式であり、
仮にそのマイクロコンピュータを車載したとしても、著
しいステアリングの切り遅れが生じて実用上使いものに
ならない。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、複雑な曲
線経路を含む地点追従方式によって与えられた予定経路
を、ステアリングの切り遅れが生じることなく走行する
ことができる地点追従方式による無人移動機械の誘導方
法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段および作用〕

本発明によれば、無人移動機械の予定走行経路をその
予定走行経路上における各地点の点列として教示し、前
記無人移動機械の現在位置を計測しながら該無人移動機
械が前記表示された各地点を目標地点としてこれら各地
点を順次追従するように該無人移動機械を誘導するとと
もに、無人移動機械の現在位置と現在の目標地点との距
離が所定の距離以下に近づいたときに当該目標地点の次
の点を新たな目標地点とする地点追従方式による無人移
動機械の誘導方法において、現在の目標地点と前記無人
移動機械の現在位置の距離を所定のサンプリング周期で
逐次算出し、現サンプリング周期で算出した前記距離が
前回サンプリング周期のときに算出した距離より長くな
ったときに、当該目標地点の次の点を新たな目標地点と
するようにしたことを特徴とする。

〔実施例〕

以下、本発明を添付図面を参照して詳細に説明する。

まず、無人移動機械として前輪操舵の四輪車を適用
し、その四輪車の現在位置を求める方法の一例について
説明する。

この四輪車には、車輪に取り付けたパルスエンコーダ
から出力されるパルスの数を計数することにより車両の
走行距離を計測する走行距離計と、車両の進行方向を計
測するための船舶用ジャイロコンパスとを搭載する。

上記走行距離計およびジャイロコンパスの出力に基づ
き、車両の現在位置は走行領域をxy座標で表現すると、
次式、 により求めることができる。ここで、△ｓは１サンプリ
ング時間当りの走行距離を示し、αはｘ軸に対する車体
の傾き（進行方向）を示し、（x₀,y₀）は車両の出発地
点の座標を示す。

なお、車両の進行方向を計測する手段としては、上記
ジャイロコンパスの他に、地磁気センサ、レートジャイ
ロ、２重種分ジャイロ、振動ジャイロ、レーザージャイ
ロ又は左右の車輪の回転数差で方向を知るもの等が考え
られる。また、車両の現在位置は電波測量法などで直接
計測してもよい。

次に、予定走行経路をその予定走行経路上における各
地点の点列として教示する場合の各地点間の間隔等につ
いて考察する。

ある車両において、車速1m/secでは車体が横すべりし
ない最小旋回半径は4.1mであったが、車速が大きくなけ
ればなるほど、上記最小旋回半径も大きくなる。

上記各地間の最適な間隔を定めるのに際し、上記最小
旋回半径を基準にして、その最小旋回半径の1/50〜４倍
の間隔とする。これは、最小旋回半径の４倍の16m以上
にすると、コーナリングの旋回で実用上使いものになら
ないステアリングの切り遅れが生じ、逆に1/50倍の80mm
以下にすると現在位置の計算に時間がかかりすぎて、ス
テアリングの切り遅れが生じることから決定した範囲で
ある。

また、上記のようにして決定される所定間隔の各地点
の点列は、その点列中の隣接する３つの地点によって定
まる円の曲率半径が少なくとも上記最小旋回半径よりも
大きくなるように決定することが好ましい。なお、車体
が横すべりせずに旋回できる最小旋回半径は車速が大き
くなればなるほど大きくなるので、高速運転時の各地点
間の間隔は低速運転時に比べて長くとる必要があり、同
様に高速運転時の隣接する３つの地点によって定まる円
の曲率半径も低速運転時に比べて大きくとる必要があ
る。

以上のようにして車両の現在位置および進行方向が実
時間で計測できるものとし、車両の予定走行経路が目標
点列として教示されると、地点追従方式はその与えられ
た点列に追従するように舵角指令を与えて操舵制御す
る。

ここで、四輪車を等価二輪車で代表するという一般に
広く利用される表現方法で記述し（第１図）、上記舵角
指令について説明する。

いま、車両の操舵輪の座標がＴ（x_t,y_t）、目標地点
の座標がＰ（x_p,y_p）とすると、ｘ軸と線分▲▼と
のなす角αは次式のようになる。

したがって、車両の進行方行を_ｔとすると、舵角指令
Θは、次式、 で表わすことができる。

よって、車両の現在位置（x_t,y_t）と進行方向_ｔを
観測し、上記第（３）式によって目標地点Ｐ（x_p,y_p）
に追従するに必要な舵角指令Θを求めることができる。

ところが、実際にはステアリングの特性、外乱などに
より、目標地点に到達できなかったり、到達したとして
も蛇行したりする。そこで、これを解決するために、次
の２つの方法を用いる。

まず、第１に、目標地点に一定の範囲を与えて、この
範囲内に車両が入ると、目標地点に到達したものとみな
し、次の地点を新たな目標地点とする。具体的には、第
２図に示すように目標地点Ｐを中心に半径Ｒの円内を目
標地点の範囲とし、目標地点Ｐと車両の現在位置Ｔとの
距離ａを計算し、この距離ａが半径Ｒよりも小さいなら
ば目標地点に到達したものとみなす。

第２に、車両が上記目標地点に到達したものとみなす
範囲に到達できずに通過してしまう場合には、その目標
地点通過時点から次の地点を新たな目標地点とする。こ
こで、目標地点通過時点の判断は次のようにする。

第３図に示すように車両の現在位置をTt、単位時間前
の位置をTt_-1として各車両の位置毎における目標地点Ｐ
までの距離a_t,a_t-1を計算し、次式の条件、 a_t＜a_t-1 …（４） の成立時点を目標地点を通過した時点として判断する。

上記第１、第２の方法を用いて新たな目標地点を決定
することにより、例えば路面の凹凸によりハンドルが取
られたり、障害物のために所定経路を迂回して走行した
後も、予定走行経路に復帰することが可能である。

次に、上記方法を第４図に示すフローチャートを用い
て説明する。

まず、車両の現在位置Ttを測定し（ステップ10）、こ
の測定した現在位置Ttと目標地点Ｐとの距離a_tを計算す
る（ステップ11）。

次に、上記算出した距離a_tが予め設定した所定の半径
Ｒよりも小さいか否かを判別する（ステップ12）。a_t＜
Ｒのときには目標地点Ｐに到達したものとみなしてステ
ップ13に移行し、ステップ13では予定走行経路として与
えられた点列の次の地点を新たな目標地点にしてステッ
プ10に戻す。a_t≧Ｒのときには目標地点Ｐに到達してい
ないので、ステップ14に移行する。

ステップ14はa_tが単位時間前のa_t-1よりも大きいか否
かを判別する。a_t＞a_t-1のときには車両が目標地点Ｐか
ら通ざかるのでこの時点を目標地点Ｐを通過した時点と
して判断してステップ13に移行する。a_t≦a_t-1のときに
は車両は目標地点Ｐに近づきつつあるのでステップ15に
移行する。なお、新たな目標地点を設定した後、最初に
距離a_tを計算したときには単位時間前のa_t-1が存在しな
いのでこのステップ14は飛ばすようにする。

ステップ15は前記第（３）式に基づいて舵角指令Θを
計算し、ステップ16は舵角指令を操舵装置に出力する。

そして、a_tをa_t-1に書き換え（ステップ17）、単位時
間△ｔの経過後、再びステップ10に移行する。

第５図はこの制御方法を四輪車に適用し、実際に走行
させた結果を示すグラフである。同図において、実線で
示した実際の走行経路は、左右前輪を結ぶ線分の中心点
の軌跡を表わしたものである。また、予定走行経路は直
線と半径6mの円弧で設定し、目標地点間隔は50cmとし
た。なお、図面を見やすくするために、目標地点を2m間
隔で表示している。

車両は前輪操舵、後輪駆動の四輪電気自動車で、ホイ
ルベースが2.13mである。また、車両の方向検出にはジ
ャイロコンパスを用い、車両の現在位置は車輪に取り付
けたパルスエンコーダから得られる走行距離と、車両の
進行方向とから得ている。また、操舵輪の最大切り角は
30゜である。走行実験はアスファルト路面で行ない、車
速は4km/hとした。

サンプリングタイムはステアリング系の応答に合わせ
て130msecごとに制御したが、図示のように十分な誘導
制度を得ることができた。演算時間はアセンブラで10m
secで実現できる。従って、残りの120m secは他の制御
動作、例えば障害物センサの制御や、自己診断機能、あ
るいはマンマシンインタフェース機能に使用する余裕が
ある。

なお、本発明方法は四輪車に限らず、例えば三輪車、
両輪独立車、クローラ車、全方向移動車、六輪車、二足
歩行機械、多足歩行機、その他、無人移動機械であれば
いかなるものでも適用できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、予定走行経路が
点列として教示された場合に、その点列中の或る地点か
ら次の地点への目標地点の更新が極めて円滑に行なわ
れ、目標地点を見失うことがない。逆に、無人誘導機械
がステアリングの切り遅れや外乱などによって正確に目
標地点に到達しなくても目標地点が確実に更新されるた
め、目標地点の与え方の自由度が大きくなる。例えば、
曲線経路などを含む予定走行経路上を正確に辿る場合、
目標地点間の間隔は演算処理できる範囲内においてでき
るだけ短い方が好ましいが、この間隔が短すぎて無人移
動機械がそのステアリングの遅れなどによって目標地点
に到達できないような場合でも、目標地点を見失うこと
がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は地点追従方式における舵角指令の求め方を説明
するために用いた図、第２図および第３図はそれぞれ本
発明方法を説明するために用いた図、第４図は本発明方
法の処理手順の一例を示すフローチャート、第５図は本
発明方法による実験内容を示すグラフ、第６図は従来の
地点追従方式を説明するために用いた図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】無人移動機械の予定走行経路をその予定走
   行経路上における各地点の点列として教示し、前記無人
   移動機械の現在位置を計測しながら該無人移動機械が前
   記教示された各地点を目標地点としてこれら各地点を順
   次追従するように該無人移動機械を誘導するとともに、
   無人移動機械の現在位置と現在の目標地点との距離が所
   定の距離以下に近づいたときに当該目標地点の次の点を
   新たな目標地点とする地点追従方式による無人移動機械
   の誘導方法において、 現在の目標地点と前記無人移動機械の現在位置の距離を
   所定のサンプリング周期で逐次算出し、現サンプリング
   周期で算出した前記距離が前回サンプリング周期のとき
   に算出した距離より長くなったときに、当該目標地点の
   次の点を新たな目標地点とするようにしたことを特徴と
   する地点追従方式による無人移動機械の誘導方法。
2. 【請求項２】前記各地点の間隔は、前記無人移動機械が
   前記予定走行経路上の各地点を走行するときの最小旋回
   半径の1/50〜４倍の長さとする特許請求の範囲第（１）
   項記載の地点追従方式による無人移動機械の誘導方法。