JPS6020161A - 移動物体の走行軌跡検出装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発ｆＪＡは移動物体の現在位置ならびに現在の進行方
向を検出する装置に係シ、とくに、波動のドツプラ効果
を応用して検出する装置に関するものである。

〔発明の背景〕

平面上を障害物を検知しつつ自分の意思で自由に走行す
る自走装置（以下、移動物体と称す）においては現時点
の位置と進行方向を知ることは極めてＭ要なことである
。

従来、これらを知る方法としては移動物体の車輪の回転
数からめる方法と、基準点と移動物体の双方に設けられ
た無線の送受信機によシ、信号（例えば電波、光、超音
波など）をやシとシして決定する方法とがあった。

しかしながら、前者は車輪にすベシや空転があると大き
な誤差が発生した。また後者はコスト高になるばかシで
はなく、基準点と移動物体間に障害物が有った場合は信
号のやシと９ができなくなって、いわば盲目状態となっ
てしまう欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上記した従来技術の欠点をなくし、高精
度で比較的低コスト、かつ、信頼性の高い、移動物体の
走行軌跡検出装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は上記目的を達成するため、移動物体にドツプラ
レーダを２個設置して、床面と移＃Ｉ物体間の相対速度
によって得られるドツプラ周波数を検出して現在位置と
進行方向を把握する。なお。

好適には、一対のドツプラーレーダーは、移動物体の走
行軌跡の接線方向に対して、直交する線上に配置する。

〔発明の実施例〕

以下９本発明を実施例を用いて詳述する。

第１図は本発明の一実施例である。

１け移動物体で、床５の上を図の矢印の方向に速度Ｖで
移動するものとする。また、Ｓ動物体１は１２！ｉｔ輪
車で走行するようになっておシ、前輪の２つか−・ンド
ル輪２　、２’（２’は図では見えな−）、後輪の２つ
が駆動輪３および３′である。駆動８５゜３′の車＠乙
の延長上で、かつ駆動輪６，３′の外側にドツプラレー
ダ４．４′が設置されている。ただし、ドツプラレーダ
４，４′は駆動輪の回転には関係なく固定されていて、
床５との角度θで床面に向けて波動（電波または超音波
）を放射し、同時に床面からの反射を受信している。こ
のような構造にすれば以下の説明によシ、移動物体１の
現在位置と進行方向を知ることができる。

第１図による本発明の走行軌跡検出法を説明するまえに
、まずドツプラレーダによる走行距離計測の方法につｂ
て説明する。ドツプラレーダは本来、速度計として用い
られるが、ここで説明する方法によって容易に走行距離
の計測を行なうことができる。

第２図のごとく、ドツプラレーダ４が床５に対してθの
傾きを持って矢印の方向（床５に平行な方向）に速度Ｖ
”’Ｃ移動しつつ、放射波７を放射し。

同時に床５からの反射波８を受信するとドツプラ周波数
（放射波と反射波の差の周波数）Δｆは次式で示される
ことは周知のとう夛である。

２ｖｃｏｓθ ｉｆｆ　＝　−ｆｏ、　（１） ただし、ｆ−放射波の周波（り Ｃ＝波動の伝ばん速度 （１）式を書きなおすと ２ｆｏＣｎＳθ　９ −°“＝λ８（２） ただし　λ　−ｃ（３） ２ｆｏｃｏｓθ となる。（２）式の意味するところは伝ばん速度Ｖ。

周波数Δｆ、波長λ８の波動を表わす式である。そして
この波動は周波数や伝にん速度には関係なく波長が常に
一定と込う特殊な波動である。通常。

波動は伝ばん速度が一定（ただし伝ばん媒質一定）で＋
　Ｉｊ、」波数が変ると、それに従って波長が変化する
。

このことから２周波数Ｉｆの波数を計測すれば第２図の
ドツプラレーダ４の移動距離を測定することができる。

すなはち走行距離計測が可能となる。

具体的には例えば第３図のような構成にすることによシ
容易に走行距Ｒｆｅ　ｉ′Ｉ−測ができる。４＃′ｉ先
に述べたドツプラレーダで、放射波７と反射波８によシ
ドップラ信号を出力する。９はパルス発生回路で、ドツ
プラ信号のゼロクロスにＦＩ期してパルスを発生する回
路である。１０はそのパルスを蓄積する積分回路であシ
、１１は測定開始時に積分回路をリセットするリセット
回路である。寸た。

１２は積分回路の出力端子を示している。つぎに。

第４図によシこの回路構成の動作について説明する。

移動速度Ｖが時間ｔに対して図のように変化したとする
と、ドツプラ信号はそれにともなって周波数が変化する
。したがって、パルス発生回路９のパルス出力も図のよ
うに異ったｒ明醜のパルスとなる。１＝０でリセット回
路１１を動作させると積分回路１０の出力は順次増加し
て、ｔ＝ＴでＶとなり、この値が７秒間にイ矛動した距
ｍに相当することとなる、たとえば、ドツプラレーダ４
がｆ、　＝　４０　ＫＨｚの超音波を使用したものとす
ると。

超音波の空中における伝はん速度Ｖｉ５４４ｍ／　ｓｅ
ｃであるからθ＝６４．５３°にセットすれば、（３）
式よりλ＝１０ｍｍとなる。そして、パルス発生回路９
ｉ半波長で１個のパルスを出すので５ｍｍ／１パルスの
分解能で走行距離計測を行なうことができる。

また同様に、ドラグラレーダ４が、２０ＧＨｚの電波を
使用したものとすると、電波の伝ばん速度け５　ｘ　１
０８ｍ／ｓｅｃであるから、θ＝４１．４１°にセ、ソ
トすれば同じ（５ｍｍ／１パルスの分解能で走行距離計
測が可断となる。この場合、駆動輪３，６′にすべ）や
空転が生じてもなんら計測誤差は発生しない。

さて１次に第１図のドラグラレーダ４および４′に、上
に説明したような走行距離計測の回路構成を夫々内蔵さ
せることによシ、移動物体１の現在位置と、進行方向を
知ることができることを第５図により説明する。

第５図で、Ａ、Ｂは夫々ドラグラレーダ４と４′の出発
点の位置である。２ｒはＡ−Ｂ間の距離とする。Ｃは車
軸乙の中間点を示してお、６．ｘ−ｙ座標の原点に位置
している。移動物体１が移動したとき、０点の移動軌跡
が把握できれば、移動物体１の軌跡を把握したこととな
る。

いま、０点がＣ−Ｃ’−Ｃ“の経路をたどったと仮定す
ると、Ａ点とＢ点は夫々Ａ−Ａ’−Ａ“、Ｂ−Ｂ’−Ｂ
“をたどる。１＝０で第３図で述べたリセット回路を動
作させて、同時刻に移動し始め、ｔ＝ＴでＣ′点に到達
したとすれば、その時のドラグラレーダ４（Ａ側）の出
力は距ｍ烏を示めし、ドラグラレーダ４′（Ｂ側）の出
力は距離λ、を示めす。この２つのデータｆｌ、、ｆ１
２からただちにを計算によってめることができる。ただ
し＋　Ｒ１はＡ、Ｂ点を通る直線とＡ’　、　Ｂ’点を
通る直線の交点Ｇ、の０点からの距離であり、ＧｌとＣ
′間の距離に等しいものと見なすことができる。また、
φ１は両直線のなす角度である。

したがって、Ｃ−Ｃ’間の弧の長さλ。はまた、ｃ−ｃ
’間の直線距離り、ｌ−１：となるから、Ｃ′の位置（
ＸＩ　＋　ｙ、　）は次式で示めされる。

ただし、β、はり、がＸ軸となす角で である。また、この時点での進行方向はＹ軸に対して、
　Φ、＝φ、（９） である。

ｔ＝Ｔで上に述べた計測を行なうと同時に再びリセット
回路１１を動作させて積分回路をリセットする。移動物
体１は継続して走行しているものとして、ｔ＝２Ｔの時
点でＣ“点に到達したとする。

このときのドラグラレーダ４，４′の出力は夫々距ｍ−
Ｊ　＃Ｉ１２’を示している。この２つのデータから（
４）式と同様に を計算によってめることができる。ただし、Ｒ２はＡ’
、Ｂ’点を通る直線とＡ“、Ｂ”点を通る直線の交点Ｇ
２のＣ′点からの距離であシ、Ｇ２とＣ“間の距離に等
しいものとみなす。

よって、ｃ’−ｃ”間の弧の長さβ。′は（５）式と同
様に。

また、Ｃ’−Ｃ“間の直ｉ距離Ｌ２は（６）式と同様と
なるから、結局Ｃ“の位置（Ｘ２　＋　ｙ２）はＹ２＝
　Ｙｌ　＋Ｌ２　ｓｉｎβ２ で表わされる。ただし、β２はＬ２がＸ軸となす角で。

である。さらに、この時点での進行方向はＹ＠に対して Φ２＝Φ、十φ２＝φ、十φ２０Ｑ となる。

以上述べた計測をＴ秒毎にｎ回くり返えすことによｔ）
ｎＴＴ秒後移動物体の位Ｒ（Ｘｎ、Ｙ、、）とその時点
での進行方向Φ。は ”　”　Ｘｎ−１＋Ｌｎ”　ＱＯＢβ。

＝Ｌ１ｃｏｓβ１＋Ｌ２ｃｏｓβ２＋Ｌ３ｃｏｓβ、十
−−−−十り、ｃｏｓ／ｎＭ Ｙｎ＝　Ｙｎ−１＋Ｌｎｓｉｎβ。

＝Ｌ、ｓｉｎβ１＋Ｌ２ｓｉｎβ２＋Ｌｇｓｉｎ７へ十
−一一一一Φ。＝φ、＋φ２＋φ３＋−−−φｎ（Ｈ）
とめることができる。

また、移動物体１の実質舟行距離Ｉｔｎは（５）。

０９式よシ。

ｊ２ｎ＝ｉ、＋ｚ。′十Ｇ＋−−−−１４゜”’＝　′
／２（’＋　、ｘ、／　＋ｉ、’十−−−＋ＩＬＨ”１
＋Ｉ１２＋ｆ１２’　＋Ｉ１２　＋−−−＋Ｉｔ２”）
）となる。

以上１本発明にょシ移動物体の現在位置と進行方向の計
測原理を述べたが、計測の時間間隔Ｔは辺かすぎると第
４図で述べた分乃了能との関係で誤差が大きくなる。贅
た。長すぎると第５図のＪ２゜や℃。′が円弧とみなせ
なくなるためにやｆｌ）誤差が大となる。ＴＶｉ移動物
体１の速度Ｖと分解能とを考慮して適当な値を選ばなけ
ればならない。

以上、詳述した計算は、移動物体に設置されたマイクロ
コンピュータなどを用いて実行される。

−例トシて、マイクロコンピュータを用すた１合の７０
−チャートを第６図に示す。なおマイクロコンピュータ
への入力信号は、第３図に示した走行距離計測装置の出
力をアナログ・ディジタル変換したものである。もちろ
ん、走行距離計測装置ハ、ドツプラーレーダ４，４′に
それぞれ別個に接続されている。なお、第３図における
リセット回路１１は省略可能であシ、マイクロコンピュ
ータからの出力で直接精分回路１０をリセットすれば良
い。

第６図において、説明の都合上、ドラグラレーダ４．４
′のｎ回目の計測値を２１□、β２ｎ　ｌその間の移動
成分り、、ｃｏｓβ。とり、、ｓｉｎβ。を夫々ΔＸｎ
、Δｙｎ　とおく。また、０点が画くｎ番目の弧の長さ
をｌ。ｎ。

そのときまでの実質舟行距離をり。ｎとする。

そして、移動物体１を初期の位置（ＸＯ２”Ｏ）に方向
Φ。に向けてセットし、目的地（Ｘｐ　ｒ　”ｐ　）に
向かって走行せしめる場合について説明する。ただし、
走行経路や方向指示等に関する方法と手段につｂてはふ
れない。

まず、初期の位置と方向（ＸＯ＋　”Ｏ＋Φ。）および
目的地（Ｘｐ　＊　Ｙｐ　）を設定する。ｎは１がら実
行されるものとするとｎ＝１．ｎ：＝０　における値を
設定しておく。走行開始と同時に積分回路がリセットさ
れてβ１ｎ、Ｊ２２ｎの計測を開始する。同時に、一つ
前の計測値’Ｉｎ−１＋　”２ｎ−＋がらＸ、−１、Ｙ
ｎ−、、Φｎ−１およびり。ｎ−＋を計算してストアす
る。Ｘｎ−１とＹｎ−１が目的地に一致したら走行を停
止して終了する。

一致しなければ’＋、ｌ（！：　ｉ！、２ｎの計測を続
行する。計測時間は先に述べた７秒間であるからＴ秒後
に計測を終了し＋　Ｉ’ｊｎｐβ２ｎを読みとってメモ
リに入れる。

再び積分回路とリセットして同様の演算を行ない、目的
地に達した時点で終了する。

なお、現在の位置を知りたい場合は、メモリにストアし
た位置（Ｘｎ−１１Ｙｎ　−１）を出力すれは良ｂ０又
、現在の方向を知りたい場合は、メモリにストアした方
向（Φ。−４）を出力すれば良い。

また１以上の説明において、第２図で説明したドラグラ
信号Ｉｆの正負についてはふれなかった。

すなはち、（２）式からＶが正（前進）ならば＋Δｆ。

負（後退）ならば−Ｉｆである、しかし１通辞のドラグ
ラレーダは発振周波数（放射波７の周波数）を局部発振
信号として反射波を混合検波する構成となっているため
この正負の判別ができｆｚ　ｕ　０移動物体１は当然後
退もあり得るからこのままでは計測不能である。しかし
ながら、先に本願発明者が提案した手段（特願昭５７−
１０２８７号参照。

「超音波による移動物体検知装置」）を用いれば正負（
前進後退）の判別は容易である。この手段を追加しても
、従来技術の説明で述べた。基準点と移動物体の双方に
無線送受信機を設けて信号をやシとシする方法よ）も格
段に低コストで構成することができる。

なお、第１図の実施例ではドラグラレーダ４゜４′を駆
動輪の軸上でかつ外側に取付ける構造としたが、この位
置に限るものてはない。第１図のような構造の移動物体
では、この位置は移動軌跡の接続方向に対して両ドッグ
ラレーダを結ぶ線（第５図のＡ−ＢＩＪ）が常に直交し
ているために計測が最も容易であるのでこの位置に選ん
だものである。仮にハンドル輪２，２′の位置に収付け
るとこの関係が成シ立たなりので、計測には補正が必要
となシ誤差の原因ともなる。また、左右の車輪の中央よ
シ左右等間隔の位置に取付けるのが最適であることも言
うまでもな込。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく１本発明によれば、従来技術の欠点
をなくシ、高精度で低コスト、かつ信頼性の高す、移動
物体の走行軌跡検出装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す正面及び側面図、第２
図はドツプラレ−４゛の概念図、第３図は走行距離計測
装置の構成図、第４図は第２図の動作説明のためのタイ
ムブーヤードを示す図、第５図は第１図の実施例による
計測法の説明図、第６図は第５図を用いて説明した計測
法のフローチャートを示す図である。 １・・・移動物体、２・・・ノンドル輪、３．３’・・
・駆動輪。 ４．４′・・・ドラグラレーダ、５・・・床、６・・・
車軸、７・・・放射波、８・・・反射波、９・・・ノく
ルス発生回路、１０・・・精分回路、１１・・・リセッ
ト回路、１２・・・出力端子 才１図 才ど図 才３図 第４図 千５　圀

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　平面上を自在に走行する移動物体に、該平面と信
   号を送受信する一対のドラグラレーダを設け、上記平面
   と移動物体との相対速度によって得られる一対のドツプ
   ラ信号を用すて、上記移動物体の現在位置ならびに進行
   方向を計測することを特徴とする移動物体の走行軌跡検
   出装置。 ２　上記一対のドラグラレーダを上記移動物体の走行軌
   跡の接線方向に対して直交する線上に配置したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の移動物体の走行軌
   跡検出装置。