JPS60225003A - 移動体の位置および姿勢測定装置 - Google Patents

移動体の位置および姿勢測定装置

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JPS60225003A
JPS60225003A JP8156784A JP8156784A JPS60225003A JP S60225003 A JPS60225003 A JP S60225003A JP 8156784 A JP8156784 A JP 8156784A JP 8156784 A JP8156784 A JP 8156784A JP S60225003 A JPS60225003 A JP S60225003A
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JP
Japan
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projector
light beam
light
moving body
time
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Pending
Application number
JP8156784A
Other languages
English (en)
Inventor
Shigenori Torihata
鳥畑 成典
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Komatsu Ltd
Original Assignee
Komatsu Ltd
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Publication date
Application filed by Komatsu Ltd filed Critical Komatsu Ltd
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Publication of JPS60225003A publication Critical patent/JPS60225003A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

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】 本発明は移動体(特に無人車両等)の位置および姿勢を
測定する移動体の位置および姿勢測定装置に関する。
近年、無人車両が頻繁に使用されるようKなったが、こ
れらの車両を制御するためKは、車両の位置(x、y、
z)および姿勢(方位角、ローリング角、ピッチング角
)の測定が必要である。
しかしながら、これら全ての測定を同一の測定手段で行
なうことができるシステムはなく、したがってこれらを
個々に測定するために多数のセンサを必要とし、また個
々に測定しているため信号処理が煩雑となっていた。
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、上記位置お
よび姿勢の測定を同時に行なうことができる移動体の位
置および姿勢測定装置を提供することを目的とする。
この発明によれば、回転ヘッドを一定の回転速度で回転
させその回転角情報とともに光ビームを発生して光の基
準面を作る投光器と、移動体に対して縦置罠搭載される
円筒形の光位置検出装置であって、その側面を横切る前
記投光器からの光ビームの位置をリアルタイムに連続的
に検出する光位置検出装置とを設け、前記光位置検出装
置からの出力および光ビーム入射時の前記投光器からの
回転角情報とに基づいて、前記投光器に対する移動体の
位Itおよび姿勢を測定するようKしている。
以下、本発明を添付図面を参照して詳細に説明する。
第1図は本発明に係る移動体の位置および姿勢測定装置
の全体構成図である。この装置は、投光器1、移動体(
無人車両)2に搭載される光位置検出装置3、および光
位置検出装置3の検出出力等に基づいて無人車両2の位
置および姿勢を演算する演算装置(図示せず)から構成
されている。
投光器工は、一定の回転速度で回転する回転へラド1a
を有し、この回転へラド1aから光ビームを発生すると
ともに1回転へラド1aの回転角を検出し、無線等によ
って回転角情報も発生している。この投光器IVCよっ
て第1図に示すようKX−Y平面と一致する光の基準面
Pが形成される。
光位置検出装置3は、例えば第2図に示すように1アモ
ルファスシリコンを利用して光位置検出素子を円筒形に
成形したもので、電極x1 r x2の出力から入射す
る光ビームの光点の円周方向の位#Xを、電極Yl+Y
tの出力から光点の高さ方向の位置yを検出出力する2
次元光位置検出装置である。この光位置検出装置3は無
人車両2の前部に縦置に設置され、投光器1からの光ビ
ームを3600全方向から受光し得るよう罠なっており
、その側面検出部を横切る光ビームの位置をリアルタイ
ムに連続的に検出することができる。
演算装置は光位置検出装置3からの光ビームの受光位置
情報、投光器1からの光ビームの回転角情報に基づいて
、投光器IK対する無人車両2の位置(x、y、z)お
よび無人車両2の方位角ψ、ローリング角ψ、ピッチン
グ角θを後述する演算よりめる。なお、方位角ψは車両
の向き(東西南北)を示す角度で、第3図に示すように
、X軸に対する車両中心線のなす角をいう。また、ロー
リング角ψおよびピッチング角θは、第1図に示すよう
罠、それぞれ車両の左右方向の傾きを示す角度および前
後方向の傾きを示す角度をいう。
さて、光位置検出装置3と光基準面Pとの関係の一例を
第4図(a) K示す。第4図(b)は第4図(a)の
光位置検出装置2の側面展開図である。光ビームは一定
の回転速度で回転していることから、光ビームの光点は
、時刻1.−+1.→t、の順に連続的に変化する。こ
こで、時刻1.は光位置検出装置2に最初に光ビームが
入射した時刻であり、時刻t、は最後に光ビームが入射
した時刻であり、時刻t!は中間(t+ +tm )/
2の時刻である。
また、各時刻における検出位置を(xl ? y、 )
 rCx*5Yt)およびCx5vys )とする。
まず、無人車両2(正確には無人車両2に投載された光
位置検出装置3)の位置(x、y、z)の算出方法につ
いて説明する。
投光器1から光位置検出装置3までの距離rは、光ビー
ムが光位置検出装置3を横切る時間(’s−1、)K対
応する。なお、正確には、投光器IK対する光位置検出
装置3の傾斜を考慮する必要があり、この場合、距離r
は、次式、 K対応する。ここで、Rは、光位置検出装置3の円筒半
径である。なお、上記第α)式の右辺をΔtとすると、
第(1)式は、 と書くことができる。ここで、ωは投光W%]の回転へ
ラド1aの角速度である。
一方、光位置検出装置3が(xt+Ytr”りの光ビー
ムを受光したときの投光器1からの回転へラド1aの回
転角ξ(第3図参照)を示す情報を受信し、前記距離r
とこの回転角ξとKより、位置(x、y)を次式、 X= r cosξ ・(3) Y=rsinξ −(41 により算出する。また、Zは、第4図からも明らかなよ
うに1 によって算出する。
次に1無人車両2の方位角ψ、ローリング角ψおよびピ
ッチング角θの算出方法について説明する。
方位角ψをめるためKは、まず投光器IK対する光位置
検出装置3の相対的な方位角ηをめる。この方位角ηは
、例えば第3図に示すよう罠、投光器1と光位置検出装
置3の正面が対峙したとき(位置(I)の場合)、η=
0°とし、投光器1と光位置検出装置3の左側面が対峙
したとき(位置<1)の場合)、η=90°とし、投光
器1と光位置検出装置3の背面が対峙したとき(位置偵
)の場合)、η=180°とし、投光器1と光位置検出
装置3の右側面が対峙したとき(位置(IV)の場合)
、η=270°とする。この相対的な方位角ηは、第3
図からも明らかなように、x!の位置に対応する。
ηヵX、 ・・・ (6) したがって、方位角ψは、上記相対的な方位角ηと回転
へラド1aの回転角ξとから、次式、ψ=ξ−ダ ・・
・ (7) Kよってめることができる(第3図参照)。
次に1第5図および第6図を参照しながらローリング角
ψおよびピッチング角θの算出方法について説明する。
第5図は、η=0@で、車両がローリング(車両が左右
方向に傾斜)した場合のみに関して示している。この場
合のローリング角ψは第5図(示す幾可的関係より、次
式、 によって算出できる。
また、第6図は、η=θ°で、車両がピッチング(車両
が前後方向に傾斜)した場合のみに関して示している。
この場合のピッチング角θは、第6図に示す幾可的関係
より、次式、 罠よって算出できる。
なお、上記第(8)式および第(9)式は特定の条件の
場合のみ成立し、光位置検出装置3の相対的な方位角η
およびローリングとピッチングとの複合運動によって光
位置検出装置3の検出出力は変化するため、これを補正
すべくオイラー角の計算を行なった結果、ローリング角
ψおよびピッチング角θの一般式は、それぞれ次式、 ・・・ (lO) ・・・ (11) で表わすことができる。
第7図は無人車両2の位置および姿勢を上述の弐に基づ
いて演算する演算装置の一例を示すブロック図である。
光位置検出装置3が検出した入射する光ビームの時々刻
々のデータ(”*Yrt)および投光器1からの回転角
情報ξは、一時メモリIOK記憶される。
データ取出回路11は、上記メモリ10から必要なデー
タの取り出しを行ない、そのデータを適宜の回路に出力
するもので、いま、光位置検出装置3に最初に入射した
光ビームの位置および時刻を(xs+)’+、tt)、
最後に入射シタ光ビームノ位置および時刻を(x3+Y
3+’j)、その中間に入射した光ビームの位置および
時刻を(xl + Yt +t、)(なお、xt=(X
、+xs)/2)とすると、データ取出回路11は、メ
モリ10から”t v )’I v Yt rYsrt
r+tsr および(xt+Yt l it) K対応
して記憶されているξを示すデータを読み出し、)’I
 + Ya l t、 y ’mを示すデータを演算回
路12K。
)’s + ’/sを示すデータを演算回路15に、−
を示すデータを変換回路13Vc1)’+ + Yt 
y Ysを示すデータを演算回路17に、およびξを示
すデータを演算回路14 、16 、17 Kそれぞれ
出力する。
演算回路12は、予め光位置検出装置3の円筒半径Rお
よび投光器10回転角速度ωを示すデータを有しており
、これらのデータおよびデータ取出回路11から入力す
るY+rYs+tI*’s を示すデータに基づき、前
述した第α)式、第■)式の演算を実行して投光器1と
車両との距離rをめ、この距離「を示すデータを演算回
路14に出力する。
演算回路14はこのrを示すデータおよびデータ取出回
路11から入力するξを示すデータに基づき、前述した
第43)式および第(4)式の演算を実行して車両の位
置(x、y)を算出する。才だ、演算回路15は、デー
タ取出回路11から入力するy+ t YSを示すデー
タに基づき、前述した第6)式の演算を実行して車両の
位置(Z)を算出する。
変換回路13はデータ取出回路11から入力するX。
を示すデータを投光器IK対する光位置検出装置3の相
対的な方位角ηを示すデータに変換する。
なお、Xを示すデータは、光位置検出装置30円周方向
の位置を示すデータのため、光位置検出装置3のある基
準方向に対する角度を示すデータに変換できる。この変
換回路13によって変換された方位角ηを示すデータは
、それぞれ演算回路16および17に加えられる。
演算回路16はこのηを示すデータおよびデータ取出回
路11から入力するξを示すデータに基づき、前述した
第(7)式の演算を実行して車両の方位角ψを算出する
演算回路17は前記ηを示すデータおよびデータ取出回
Ellから入力する)’1t Yt r Ysを示すデ
ータ忙基づき、前述した第(10)式および第(11)
式の演算を実行して車両のローリング角ψおよびピッチ
ング角θを算出する。
なお、光ビームの入射時刻tは、最初に入射した時点を
0とし、これから最後に入射するまでの間の時間として
取り扱うようKしてもよい。また、入射時刻tを絶対的
な時間として検出するならば、あるいは投光器1の回転
速度に同期した時間として検出するならば、投光器10
回転ヘッド1aは一定の速度で回転しているため、その
入射時間から回転ヘッド1aの回転角ξを検知すること
ができ、投光器1から別途回転角情報を無線で送出する
必要がなくなる。また、投光器1から発生する光ビーム
K、回転角に応じた変調をかけるようにしてもよい。
また、上述のようKして算出した車両の位置および姿勢
から車両の速度、加速度、角速度等もめることができる
以上説明したように本発明によれば、1台の光の基準面
を作る投光器と、移動体に搭載される1つの円筒形の光
位置検出装置を設けること罠より、移動体の位置(x、
y、z)および姿勢(方位角、ローリング角、ピッチン
グ角)の全てを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る移動体の位置および姿勢測定装置
の全体構成図、第2図は本発明に係る光位置検出装置の
一例を示す斜視図、第3図は本発明に利用する各種角度
を駅間するために用いた図、第4図(a)は光ビームの
基準面と光位置検出装置との関係の一例を示す図、第4
図(b)は第4図(a)の光位置検出装置の側面展開図
、第5図および第6図はそれぞれローリング角およびピ
ッチング角の算出方法を説明するために用いた図、第7
図は本発明に係る演算装置の一例を示すブロック図であ
る。 1・・・投光器、1a・・・回転ヘッド、2・・・移動
体(無人車両)、3・・・光位置検出装置、10・・・
メモリ、11・・・データ取出回路、12 、14 、
15 、 lb 、 17・・・演算回路、13・・・
変換回路、P・・・光の基準面。 第2図 第3図 第5図 第6図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 0)回転ヘッドを一定の回転速度で回転させその回転角
    情報ととも罠光ビームを発生して光の基準面を作る投光
    器と、移動体に対して縦置に搭載される円筒形の光位置
    検出装置であって、その側面を横切る前記投光器からの
    光ビームの位置をリアルタイムに連続的に検出する光位
    置検出装置と、前記光位置検出装置からの出力および光
    ビーム入射時の前記投光器からの回転角情報とに基づい
    て、前記投光器に対する前記移動体の3次元位置および
    移動体の方位角、ローリング角、ピッチング角の全て又
    はその一部を算出する演算装置とを具えた移動体の位置
    および姿勢測定装置。 (2)前記光位置検出装置は、アモルファスシリコンを
    利用して光位置検出素子を円筒形に成形したもので、入
    射する光ビームの円周方向の位置Xと高さ方向の位置y
    とその入射時刻tを検出する特許請求の範囲第α)項記
    載の移動体の位置および姿勢測定装置。 G3) 前記光位置検出装置を横断する光ビームのうち
    、最初に入射する光ビームの位置及び時刻を(x++Y
    + y ’I )、最後に入射する光ビームの位置及び
    時刻を(xs+Ym+’s)、(x++xi ) /2
    [1ける光ビームの位置及び時刻を(xt + )’t
     +’t)とし、また、時刻t、に前記投光器から加わ
    る光ビームの回転角情報をξ、前記光位置検出装置の円
    筒半径をRとすると、前記演算装置は、前記投光器に対
    する前記移動体の位置(x、y、z)を、次式、 X=rcosξ Y=rsinξ Zエ YI+Ys より算出し、前記移動体の方位角ψ、ローリング角ψ、
    ピッチング角θを、次式、 ψ=ξ−ダ ただし、η力X。 より算出する特許請求の範囲第(1)項記載の移動体の
    位置および姿勢測定装置。
JP8156784A 1984-04-23 1984-04-23 移動体の位置および姿勢測定装置 Pending JPS60225003A (ja)

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