WO1996015483A1

WO1996015483A1 - Systeme de guidage pour vehicule

Info

Publication number: WO1996015483A1
Application number: PCT/JP1995/002297
Authority: WO
Inventors: Yukio Okawa
Original assignee: Komatsu Ltd.
Priority date: 1994-11-10
Filing date: 1995-11-10
Publication date: 1996-05-23
Also published as: US5781870A; JP3266747B2; CA2204857A1; AU3856095A; GB2309556A; AU687270B2; JPH08137549A; GB9709154D0

Description

明細書車両の誘導走行制御装置技術分野

本発明は、予定走行コースの位置データを記憶し、この位置データに基づいて車両の操舵角を制御して車両を予定走行コースに沿つて誘導走行させる車両の誘導走行制御装置に関する- 背景技術

従来より、車両を予定走行コースに沿って誘導走行させる装置が種々開発され、特許出願等されている：

特公平 5— 2 2 9 2 5号ないし 2 2 9 2 6号公報には、走行コースを複数の直線の結合で近似して、これら直線上に沿って車両を誘導走行させる技術が開示されている：

これら公報記載の技術によれば、直進させるだけでよいので、車両の操舵角の演算等は簡易に行うことができるという利点はあるものの、走行コースが曲線であつたとしても、その経路を直線で近似してしまうため、車両は予定走行コースに沿って正確に走行することができないという欠点がある

また、上記公報記載の技術によれば、車両の操舵角は、車両の現在の速度とは無関係に設定される。

このため、車両の速度が高いときは、操舵角が大きくなりすぎ、オーバーステァを招き、曲線の走行コースから外れることがある同様に、車両の速度が低いときは、操舵角が小さくなりすぎ、アンダーステアを招き、曲線の走行コースから外れることがある- また、上記公報記載の技術によれば、操舵角の演算処理上、直線のコースをずれなく走行している場合、操舵角は零に設定される：

しかし、ダンプトラック等の車両の場合、積荷や荷姿によって車両の四輪のァライメントが変化する r このようにァライメントが変化すると、操舵角を零のままで走行を続けた場合には、車両は直線コースから外れていくことがあり、実用上大きな問題となる。

また、特公平 5— 5 0 3 7 7 5号公報には、現在位置から走行コース上に滑らかにつながる 5次の多項式で表される経路を求めて、この経路に沿って車両が走行されるように操舵角が演算される：

この公報記載の技術によれば、曲線の走行コースに沿って走行させるための考慮がなされているものの、その演算は煩雑であり、時間を要するという欠点がある。

また、上記公報記載の技術によれば、やはり、前記特公平 5— 2 2 9 2 5号ないし 2 2 9 2 6号公報の技術と同様に、車両の操舵角は、車両の現在の速度とは無関係に設定される。このため、曲線の走行コースから外れるという問題が招来する- また、前記特公平 5— 2 2 9 2 5号ないし 2 2 9 2 6号公報の技術と同様に、直線走行コースをずれなく走行している場合には、操舵角は零に設定されるので、車両の前後輪のァライメント調整が完璧でないと、直線コース上をずれなく走行することがきわめて困難となる

以上のように、従来技術によれば、曲線走行コース上を簡易な処理によって正確に走行することができないという問題がある：

また、車両の速度いかんによって曲線走行コースから外れてしまうという問題がある- また、車両のァライメントの変化によって、たとえ直線走行コースであっても、予定コースから外れてしまうという問題がある- 発明の開示

本発明は、これらの問題点を解決することができる装置を提供することを目的とするものである。

そこで、この発明の第 1発明は、曲線走行コース上を簡易な処理によって車両を正確に走行させるとともに、車両の速度いかんにかかわらず曲線走行コースから車両が外れないようにすることを目的とするものである ₍ この目的は、予定走行コースの位置データを記憶し、この位置データに基づいて車両の操舵角を制御して車両を前記予定走行コースに沿って誘導走行させる車両の誘導走行制御装置において、

前記予定走行コース上の各点ごとに、当該点の座標位置と前記車両が進行すベき方向を示すデータを記憶した記憶手段と、

前記車両の現在の座標位置を検出する位置検出手段と、

前記車両の現在の走行速度を検出する速度検出手段と、

前記位置検出手段で検出された現在の座標位置に最も近い、予定走行コース上の点の座標位置データおよび当該最も近い点の進行方向データを前記記憶手段の記憶内容から選択する選択手段と、

前記選択手段で選択された座標位置データおよび進行方向データと前記位置検出手段で検出された現在座標位置とに基づいて、車両進行方向に垂直な方向の車両位置の現在のずれ量を演算するずれ量演算手段と、

前記ずれ量演算手段で演算されたずれ量と前記速度検出手段で検出された現在の走行速度とに基づいて、前記ずれ量が零となるように、前記検出走行速度が大きい程小さく車両操舵角を演算する操舵角演算手段と、

前記操舵角演算手段で演算された車両操舵角に基づいて前記車両の操舵角を制御する制御手段と

を具えることによって達成される- また、この発明の第 2発明は、上記第 1発明の目的に加えて、車両のァライメントの変化を吸収、相殺して車両を予定走行コースに沿って正確に誘導走行させることを目的とする- この目的は、上記第 1発明の構成に加えて、

•前記ずれ量演算手段で演算されたずれ量を積分演算する積分演算手段を具えるとともに、操舵角演算手段を、

前記ずれ量演算手段で演算されたずれ量と前記積分演算手段で演算された積分値と前記速度検出手段で検出された現在の走行速度とに基づいて、前記ずれ量が零となるように、前記検出走行速度が大きい程小さく車両操舵角を演算するよう構成することで、達成される。また、この発明の第 3発明は、上記第 1発明の目的に加えて、曲率半径が複雑に変化するコースに沿って車両を正確に誘導走行させることを目的とする- この目的は、上記第 1の発明の構成に加えて、

前記ずれ量演算手段で演算されたずれ量を積分演算する積分演算手段を具えるとともに、操舵角演算手段の代わりに、

前記ずれ量演算手段で演算されたずれ量と前記積分演算手段で演算された積分値と前記速度検出手段で検出された現在の走行速度とに基づいて、前記ずれ量が零となるように、前記検出走行速度が大きい程小さく第 1の車両操舵角を演算する第 1の操舵角演算手段を具え、さらに、

前記最も近い点における前記予定走行コースの曲率半径に基づいて第 2の車両操舵角を演算する第 2の操鉈角演算手段と、

前記第 1の操舵角演算手段で演算された第 1の車両操舵角と前記第 2の操舵角演算手段で演算された第 2の車両操舵角とに基づいて、第 3の車両操舵角を演算する第 3の操舵角演算手段と

を具え、制御手段を、

前記第 3の操舵角演算手段で演算された第 3の車両操舵角に基づいて前記車両の操舵角を制御する制御手段

と構成することで、達成される

上記第 1発明の構成によれば、選択手段で選択された座標位置データおよび進行方向データと位置検出手段で検出された現在座標位置とに基づいて、車両進行方向に垂直な方向の車両位置の現在のずれ量が演算されるつまり、曲線走行コ —スからのずれ量が簡易に演算される- そして、ずれ量演算手段で演算されたずれ量と速度検出手段で検出された現在の走行速度とに基づいて、ずれ量が零となるように、検出走行速度が大きい程小さく車両操舵角が簡易に演算されるつまり、車両の現在の速度に応じた車両操舵角が簡易かつ正確に演算される：

そして、操舵角演算手段で演算された車両操舵角に基づいて車両の操舵角が制御されて、車両は予定走行コース上を精度よく誘導走行される

また、上記第 2発明の構成によれば、ずれ量演算手段で演算されたずれ量が積分演算される。そして、ずれ量演算手段で演算されたずれ量と積分演算手段で演算された積分値と速度検出手段で検出された現在の走行速度とに基づいて、ずれ躉が零となるように、検出走行速度が大きい程小さく車両操舵角が演算される：つまり、ずれ量の積分値が考慮されて、操舵角が演算されるので、車両のァライメントの変化を吸収、相殺できる車両操舵角が正確に求められ、車両は予定走行コース上を精度よく誘導走行される

また、上記第 3発明の構成によれば、車両の現在位置に最も近い点における予定走行コースの曲率半径に基づき第 2の車両操舵角が演算される：そして、上記ずれ量に基づく第 1の車両操舵角と第 2の車両操舵角とに基づいて第 3の車両操舵角が演算され、この第 3の車両操舵角に基づき車両の操舵角が制御される，この結果、コースの曲率に基づく第 2の操舵角をすばやく保つことで、概略コースに沿って車両を誘導することができるとともに、ずれ量に基づく第 1の操舵角によってコースからのずれが補正され、曲率半径が複雑に変化するコースに沿って車両が精度よく誘導走行される。図面の簡単な説明

図 1は本発明に係る車両の誘導走行制御装置の実施例の構成を示すプロック図である- 図 2は、ティ一チングによって予定走行コースのデータを取得するための処理を説明するプロック図である。

図 3は、車両の操舵角を演算する処理を説明するために用いた幾何学的関係図である- 図 4は、車両の自動誘導走行の処理手順を示すフローチヤ—トである発明を実施するための最良の態様

以下、図面を参照して本発明に係る車両の誘導走行制御装置の実施例について説明する：

図 1は、実施例の誘導走行制御装置を示すブロック図であり、図 2は、実際の誘導走行に先だって行われるティーチングの内容を説明するプロック図である '予定走行コースのティ一チング

この実施例では、走行すべき車両として、図 2に示される無人運転のダンプトラック（以下「車両」という） 14を想定している。

車両 14は、例えば、予定走行コース S上を無人走行するものであり、この予定走行コース Sを示すデータが、ティ一チング、つまり走行すべきコース上を人間の運転で 1周走行して教える作業によって、車両 14に設けられたメモリ 5に設定、記憶される。

車両 14には、進行方向を検出するジャイロ 1と、走行距離を検出する距離ェンコーダ 2と、これらジャイロ 1、距離エンコーダ 2を制御する位置計測コントローラ 3とが配設されている- ティ一チング走行中は、逐次の車両 14の座標位置が、また逐次の車両 14の進行方向が、また逐次の車両 14の速度が、ジャイロ 1、距離エンコーダ 2から出力される検出信号に基づいて、位置計測コントローラ 3によって演算され、これらが全コースデータ 4として出力される：

ただし、全コースデータ 4は 1秒間に数回〜数十回出力され、データサイズが大きいので、メモリ 5の記憶容量に適したサイズになるように、所定の時間間隔 τでサンプリングされる: サンプリングの間隔 τは、粗にすぎず、密にすぎずの最適な間隔とされる。

こうしてサンプリングされた、逐次の車両 14の座標位置 PI (XI, Y1) 、 Ρ 2 (Χ2、 Υ2) -Pi (Xi、 Yi) …、そして逐次の車両 14の進行方向（方位角） K 02···0ΐ· ·, そして逐次の車両 14の速度 VI、 V2 ' Vi…が、メモリ 5にコースデータ 6として記憶される。

このようにメモリ 5には、予定走行コース S上の各点 Pl、 P2、一Pi…ごとに、車両 14が位置すべき座標位置（Xi、 Xj) 、車両 14が進むべき進行方向 0i、車両 14が出すべき速度 Viが記憶、格納される。

なお、この実施例では、コースデータ 6をティーチング作業によって求めるようにしているが、求める方法は任意であり、測量等によって求めるようにしてもよい。

- 自動誘導走行つぎに、図 4のフローチヤ一トを参照して車両 14を自動誘導走行させるための処理手順について説明する- ティーチング走行後、自動誘導走行（プレイバック）が開始されると、ジャィ口 1、距離エンコーダ 2から検出信号が出力され、車両 14の逐次の現在の位置 Q (X、 Y) が、位置計測コントローラ 3によって演算され、これが誘導コントローラ 7に入力される（ステップ 101)

以下、誘導コントローラ 7では、後述するよう目標操舵角 ζが演算され、操舵コントローラ 8を介して油圧サ一ボ系 1 1によって、車両 14の図示せぬステアリングが駆動され、上記目標操舵角 ζが得られるように車両 14の向きが変化される（ステップ 102〜： I 06)

また、誘導コントローラ 7では、後述するよう車両 14の目標速度が演算され、アクセルコントローラ 9、ブレーキコントローラ 10を介して機械サ一ボ系 12、空圧サーボ系 13によって、車両 14の図示せぬアクセルおよびブレーキが駆動され、上記目標速度が得られるように車両 14の速度が変化される =

ここで、上記目標操舵角の演算についてより詳しく説明する

すなわち、車両 14の進行方向前方にあって、車両 14の現在位置 Q (Χ、 Υ) に最も近い走行コース S上の点 Piが選択される（ステップ 102 ；図 3参照）そこで、この選択された点 Piに対応する位置座標データ（Xu Yi) 、方位角データ <jiがメモリ 5から読み出される：

また、上記最も近い点 Piにおける走行コース Sの曲率半径に対応する基本操舵角 ζρが後述するよう演算される（ステップ 103)

そして、こうして得られたコース上位置座標（Xi、 Yi) 、方位角 Φί、基本操舵角 ζρと車両現在位置 Q (Χ、 Υ) とに基づいて下記（1) 、（2) 、（3) 式の演算が実行され、車両 14の目標操舵角 ζが演算される，

yi =— (X-Xi) s i n0i+ (Y-Yi) c o s0i … (1)

as=- (K4+K5 - K6) y i-K4 - K6 y idt-K5dyi/dt … (2) ζ = t an-1 (asL/V2) +Kp - ζ … (3)

ここで、 Κ4、 Κ5、 Κ6、 Κρは制御定数、 Lは車両 14のホイ一ルベース（前後車軸間距離）である- Vは、車両 14の現在速度であり、位置計測コントローラ 3を介して誘導コントローラ 7に入力されるものである：

上記（1) 〜（3) 式について説明すると、まず（3) 式に示される基本操舵角 ζρは、下記（4) ~ (7) から求められる _c

すなわち、予定走行コース S上の点 Piとつぎの点 Pi+1とを結ぶコース上の円弧の長さ Gは、車両 14の現在の速度を V、サンプリング時間を τとすれば、

G = V · τ … (4)

と求められる。また、点 Piとつぎの点 Pi+1との間の円弧の曲率半径を Riとすれば、円弧の長さ Gは、

G = Ri · (0i+l-0i) … (5)

と求められる- これら（4) 、 (5) 式から曲率半径 Riを下記（6) 式によって求めることができる。

よって、こうして求めた曲率半径 Riとホイールベース Lを用いて、基本操舵角 ζρを下記（7) 式のごとく得る- Cp=arctan (L/Ri) ■·· (7)

さて、上記（1) 式では、 X— Y固定座標系における車両 14の Y軸方向座標位置 Y (現在位置）が、ローカル座標系 xi— yi上の yiに座標変換される— すなわち、図 3に示されるように、予定走行コース S上の点 Piを原点とし、点 Piにおいて車両 14が出すべき速度 Vi (ベクトル）の方向、つまり進行方向 iを xi軸とし、さらにコース Sの法線方向に yi軸をとつたときの xi— yi座標系がロー力ル座標系として設定される：したがつて座標変換された座標位置 y iは、予定走行コース Sの法線方向（進行方向に垂直な方向）における車両 14のずれ量を意味する- そして、この法線方向ずれ量 yiを零にするための目標操舵角 ζが (3) 式において求められることになる：

因みに、 X— Υ固定座標系における車両 14の X軸方向座標位置 X (現在位置）は、ローカル座標系 xi— yi上の xiに、下記（8) 式のごとく座標変換される： xi= (X— Xi) c 0 s i+ (Y— Yi) s i n0i ·■■ (8)

上記（1) 式で求められた法線方向ずれ量 yiは上記（2) 式に代入され、車両 14の横（法線）方向加速度 asが求められ、この横方向加速度 asを上記（3) 式に代入することで、目標操鉈角 ζが演算される。

ここで、横方向加速度 asには、法線方向ずれ量 yiの積分値一 Κ4· K6 y id tが含まれており、この積分値が目標操舵角 ζに加味される

したがって、この目標操舵角 ζが零となるよう車両 14のステアリングを制御すれば、たとえ車両 14のァライメントが狂っていたとしても、上記積分値によつてその狂いが吸、相殺され、車両 14は、直線コース上をずれなく走行することが可能となる。

また、上記（3) 式で求められる目標操舵角 ζは、 1ZV2に比例している：このため、車両 14の現在速度 Vが高いほど、操舵角は小さくなり、速度 Vが低いほど、操舵角は大きくなるつこの結果、速度に応じた適切な角度だけステアリングを切りことができ、車両 14がコース S上から外れることを防止することがでさる。

また、以上の演算は、複雑な多項式を求めるというような複雑な演算ではなく、簡易な演算である。よって、煩雑な演算を要することなく簡易な処理によって車両 14を曲線コース上に沿って正確に誘導走行させることができる（ステップ 1 03、 104、 105) ：

ところで、位置計測コントローラ 3では、車両 14の現在の方位角 0が演算され、これが誘導コントローラ 7に入力されるそしてこの現在方位角 0と現在速度 Vと、点 Piに対応する方位角 φίとに基づいて、車両 14の目標速度 Vxi、 V yiが下記（9) 、（10) 、 (1 1) 式によって演算される：

θϊ=θ-φΐ … (9)

Vxi = V c o s Θ i " (10)

Vyi = Vs i n 0 i ·■· (11)

ただし、上記（9) 式において 0と iは同じであると近似してもよいので、 Θ iは零となり、横（法線）方向速度 Vyiは零となる結局、（10) 式に示される縦（接線）方向速度 Vxiだけを制御すればよいので、これが目標速度としてァクセルコントローラ 9、ブレーキコントローラ 10に出力され、アクセル、ブレーキが制御されることになる。以上説明したように、本発明によれば、車両の操舵角が簡易な演算によって求められるので、車両を曲線の走行コース上を簡易な処理によつて簡易に誘導走行させることができる。

また、走行速度が大きい程小さく操舵角が演算されるので、曲線の走行コース上をずれなく精度よく誘導走行させることができる

また、走行コースの法線方向のずれ量の積分値が考慮されて、操舵角が演算されるので、車両のァライメントが狂っていたとしても、車両を予定走行コースに沿って精度よく誘導走行させることができる

また、走行コースの曲率に基づく基本操舵角によって予め必要な操舵角が与えられ、さらにずれ量に基づく操舵角が加味されてコースからのずれが修正されるので、曲率半径が複雑に変化する曲線コースに対しても、追従の遅れがなく、精度よく誘導走行させることができる産業上の利用可能性

本発明は、無人車両、有人車両を問わず適用可能である：また、本発明は、屋外を走行するダンプトラック等の車両のみならず、屋内を走行する無人搬送車等の車両にも適用可能である-

Claims

請求の範囲

1 . 予定走行コースの位置データを記憶し、この位置データに基づいて車両の操舵角を制御して車両を前記予定走行コースに沿つて誘導走行させる車両の誘導走行制御装置において、

前記車両の現在の座標位置を検出する位置検出手段と、

前記車両の現在の走行速度を検出する速度検出手段と、

を具えた車両の誘導走行制御装置。

2 . 予定走行コースの位置データを記憶し、この位置データに基づいて車両の操舵角を制御して車両を前記予定走行コースに沿って誘導走行させる車両の誘導走行制御装置において、

前記車両の現在の座標位置を検出する位置検出手段と、

前記車両の現在の走行速度を検出する速度検出手段と、

前記位置検出手段で検出された現在の座標位置に最も近い、予定走行コース上の点の座標位置データおよび当該最も近い点の進行方向データを前記記憶手段の記億内容から選択する選択手段と、

前記ずれ量演算手段で演算されたずれ量を積分演算する積分演算手段と、前記ずれ量演算手段で演算されたずれ量と前記積分演算手段で演算された積分値と前記速度検出手段で検出された現在の走行速度とに基づいて、前記ずれ量が零となるように、前記検出走行速度が大き、程小さく車両操舵角を演算する操舵角演算手段と、

を具えた車両の誘導走行制御装置：

3 . 予定走行コースの位置データを記憶し、この位置データに基づいて車両の操舵角を制御して車両を前記予定走行コースに沿って誘導走行させる車両の誘導走行制御装置において、

前記車両の現在の座標位置を検出する位置検出手段と、

前記車両の現在の走行速度を検出する速度検出手段と、

前記ずれ量演算手段で演算されたずれ量を積分演算する積分演算手段と、前記ずれ量演算手段で演算されたずれ量と前記積分演算手段で演算された積分値と前記速度検出手段で検出された現在の走行速度とに基づいて、前記ずれ量が零となるように、前記検出走行速度が大き、程小さく第 1の車両操舵角を演算する第 1の操舵角演算手段と、

前記最も近い点における前記予定走行コースの曲率半径に基づいて第 2の車両操舵角を演算する第 2の操舵角演算手段と、

前記第 1の操舵角演算手段で演算された第 1の車両操舵角と前記第 2の操舵角演算手段で演算された第 2の車両操舵角とに基づいて、第 3の車両操舵角を演算する第 3の操舵角演算手段と、

前記第 3の操舵角演算手段で演算された第 3の車両操舵角に基づいて前記車両の操舵角を制御する制御手段と

を具えた車両の誘導走行制御装置。