(57)【要約】【課題】電波の到来方向を精度よく検出することを可能として測位精度を高めた自律移動ロボットを提供する。【解決手段】電波発信器１は絶対座標系における位置が既知であって電波を送信する。アンテナ２１は３個以上の電波発信器１からの電波を受信し、各電波発信器１からの電波の到来方向を到来方向推定部２３において検出する。推定処理部２４は、電波発信器１の位置と到来方向推定部２３で推定した電波の到来方向とを用いて自己位置を求める。運転制御部３３は、地図記憶部３４に格納した絶対座標系における地図情報と、測位処理部２４で求めた自己位置とを用いて走行装置３による移動を制御する。測位処理部２４はアンテナ２１の受信指向性を反映する受信出力を成分に持つ受信ベクトルを用いて生成した相関行列を評価する超分解法により電波の到来方向を推定する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶対座標系における位置が既知であって電波を送信する３個以上の電波発信器からの電波を各別に受信するとともに受信指向性を電子的に制御可能なアンテナと、アンテナを原点として設定されるアンテナ座標系における電波の到来方向をアンテナの出力から規定した期間毎に推定する到来方向推定部と、電波発信器の位置とアンテナにより受信した電波の到来方向とを用いて絶対座標系におけるアンテナの位置を求める測位処理部と、絶対座標系における地図情報を格納した地図記憶部と、少なくともアンテナを搭載し絶対座標系における任意の位置・方向に移動可能な走行装置と、測位処理部で求めたアンテナの位置が地図記憶部に格納した地図情報に含まれる既定の走行領域を移動するように走行装置を制御する運転制御部とを有し、測位処理部はアンテナの受信指向性を反映する受信出力を成分に持つ受信ベクトルを用いて生成した相関行列を評価する超分解法により電波の到来方向を推定することを特徴とする自律移動ロボット。
【請求項２】
前記走行装置は移動距離および移動方向を前記地図記憶部に格納した地図情報と照合することにより現在位置を検出する位置センサを搭載し、前記測位処理部は、求めた前記アンテナの位置の周囲に第１の誤差領域を設定するとともに、前記位置センサにより求めた現在位置の周囲に第２の誤差領域を設定し、第１の誤差領域と第２の誤差領域とが重複する領域内の代表点を自己位置として求めることを特徴とする請求項１記載の自律移動ロボット。
【請求項３】
前記地図記憶部の地図情報は前記電波発信器の設置場所ごとに既定した設置位置の誤差範囲の情報を含み、前記測位処理部は前記アンテナの位置を求める際に用いた電波発信器の位置を地図記憶部に照合し、電波発信器の設置位置の誤差範囲を加味してアンテナの位置の周囲に前記第１の誤差領域を設定することを特徴とする請求項２記載の自律移動ロボット。
【請求項４】
前記到来方向推定部でアンテナの出力を取得した時刻から前記測位処理部で測位結果がが得られた時刻までの間の走行装置による位置変位を前記位置センサにより検出し、測位処理部で求めた位置を位置センサで検出した位置変位で補正した結果をアンテナの現在位置とすることを特徴とする請求項２または請求項３記載の自律移動ロボット。
【請求項５】
前記到来方向推定部は異なる複数種類の推定方法で前記アンテナの出力から電波の到来方向を推定可能であって、前記地図記憶部は到来方向推定部での推定方法を地図情報に対応付けてあり、前記測位処理部で求めたアンテナの位置を到来方向の推定毎に地図情報に照合して得られる推定方法を次の推定に用いるように到来方向推定部に指示する選択処理部を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の自律移動ロボット。
【請求項６】
前記測位処理部は、前記到来方向推定部での到来方向の推定毎に求めた前記アンテナの位置の位置変位が、前記走行装置の性能から得られる位置変位を越えるときには得られた位置を異常値として破棄することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の自律移動ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置が既知である電波発信器から送信される電波の到来方向を推定することにより自己位置を求めて自律的に移動する自律移動ロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、介護カート、工場内の無人搬送車などにおいて、複数個の電波標識を定位置に設置しておき、電波標識からのシグナルをアンテナで受信するとともに、アンテナで受信する各電波標識からのシグナルの到来方向を用いて現在位置を探知し、探知した現在位
（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−４８８５５号公報（第００２０段落、第００２５−００２６段落）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１にはシグナルの到来方向を検出する技術について特段の説明はなく、たとえば到来方向を検出するために、一般的な指向性アンテナを用い最大感度が得られるアンテナの向きを到来方向に対応付けるとすれば角度分解能は低く、現在位置を探知する精度が低くなるという問題が生じる。到来方向を検出するこの種の技術は、海上のように電波標識との距離が十分に遠いときには目的の精度を得ることができるが、室内や工場内のように電波標識との距離が比較的近いときには目的の精度を得ることができない。
【０００４】
したがって、工場内などで用いる自律移動ロボットでは電波標識で大まかな位置を探知し、レーザや超音波を送受波するレーダを補助に用いて測位精度を高めているのが現状である。
【０００５】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、電波の到来方向を精度よく検出することを可能として測位精度を高めた自律移動ロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、絶対座標系における位置が既知であって電波を送信する３個以上の電波発信器からの電波を各別に受信するとともに受信指向性を電子的に制御可能なアンテナと、アンテナを原点として設定されるアンテナ座標系における電波の到来方向をアンテナの出力から規定した期間毎に推定する到来方向推定部と、電波発信器の位置とアンテナにより受信した電波の到来方向とを用いて絶対座標系におけるアンテナの位置を求める測位処理部と、絶対座標系における地図情報を格納した地図記憶部と、少なくともアンテナを搭載し絶対座標系における任意の位置・方向に移動可能な走行装置と、測位処理部で求めたアンテナの位置が地図記憶部に格納した地図情報に含まれる既定の走行領域を移動するように走行装置を制御する運転制御部とを有し、測位処理部はアンテナの受信指向性を反映する受信出力を成分に持つ受信ベクトルを用いて生成した相関行列を評価する超分解法により電波の到来方向を推定することを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、受信指向性を電子的に制御可能なアンテナを用いるとともに、アンテナの受信指向性を反映する受信出力を成分に持った受信ベクトルから相関行列を生成し、この相関行列を評価する超分解法を用いて電波の到来方向を推定するから、電波の到来方向を、たとえば数度以下の精度で検出することが可能になり、測位精度を高めることができる。その結果、室内や工場内であっても他に位置を検出するための補助的な装置を用いることなく目的とする位置精度を確保することが可能になる。
【０００８】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記走行装置は移動距離および移動方向を前記地図記憶部に格納した地図情報と照合することにより現在位置を検出する位置センサを搭載し、前記測位処理部は、求めた前記アンテナの位置の周囲に第１の誤差領域を設定するとともに、前記位置センサにより求めた現在位置の周囲に第２の誤差領域を設定し、第１の誤差領域と第２の誤差領域とが重複する領域内の代表点を自己位置として求めることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、電波発信器からの電波の到来方向から現在位置を求めるだけではなく、移動距離および移動方向からも現在位置を求め、２種類の方法で求めた現在位置について設定した誤差領域が重なる部分から現在位置を抽出するから、単独の方法で求めた現在位置を用いる場合よりも求めた現在位置の信頼性を高めることができる。
【００１０】
請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記地図記憶部の地図情報は前記電波発信器の設置場所ごとに既定した設置位置の誤差範囲の情報を含み、前記測位処理部は前記アンテナの位置を求める際に用いた電波発信器の位置を地図記憶部に照合し、電波発信器の設置位置の誤差範囲を加味してアンテナの位置の周囲に前記第１の誤差領域を設定することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、第１の誤差領域を電波発信器の設置位置の誤差範囲を加味して設定するから、電波発信器の設置位置の誤差を考慮した測位が可能になる。
【００１２】
請求項４の発明では、請求項２または請求項３の発明において、  前記到来方向推定部でアンテナの出力を取得した時刻から前記測位処理部で測位結果がが得られた時刻までの間の走行装置による位置変位を前記位置センサにより検出し、測位処理部で求めた位置を位置センサで検出した位置変位で補正した結果をアンテナの現在位置とすることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、到来方向推定部や測位処理部での処理時間が比較的長い場合であって電波を受信してから測位結果が得られるまでにアンテナの位置が変位していたとしても、アンテナの位置変位を考慮した補正を行うことで、処理時間に関わりなく現在位置を精度よく求めることが可能になる。
【００１４】
請求項５の発明では、請求項１ないし請求項４の発明において、前記到来方向推定部は異なる複数種類の推定方法で前記アンテナの出力から電波の到来方向を推定可能であって、前記地図記憶部は到来方向推定部での推定方法を地図情報に対応付けてあり、前記測位処理部で求めたアンテナの位置を到来方向の推定毎に地図情報に照合して得られる推定方法を次の推定に用いるように到来方向推定部に指示する選択処理部を備えることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、アンテナでの電波の受信環境に応じて当該受信環境に適した推定方法を用いて電波の到来方向を推定するから、当該受信環境に応じて誤差の少ない推定方法を選択することで、現在位置を精度よく求めることが可能になる。
【００１６】
請求項６の発明では、請求項１ないし請求項５の発明において、前記測位処理部は、前記到来方向推定部での到来方向の推定毎に求めた前記アンテナの位置の位置変位が、前記走行装置の性能から得られる位置変位を越えるときには得られた位置を異常値として破棄することを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、既定の時間毎に求めた現在位置の位置変位が異常値であるときには現在位置として採用しないから、電波を受信する上での特異点である場合やマルチパスの影響で現在位置を求めることができないような場所で発生する異常値が測位結果に混入するのを防止でき、測位結果の信頼性が高くなる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の構成によれば、受信指向性を電子的に制御可能なアンテナを用いるとともに、アンテナの受信指向性を反映する受信出力を成分に持った受信ベクトルから相関行列を生成し、この相関行列を評価する超分解法を用いて電波の到来方向を推定するから、電波の到来方向を、たとえば数度以下の精度で検出することが可能になり、測位精度を高めることができるという利点がある。すなわち、室内や工場内であっても他に位置を検出するための補助的な装置を用いることなく目的とする位置精度を確保することが可能になるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に説明する自律移動ロボットは、無人搬送車、無人清掃車、ショッピングカートなどを想定しているが、本発明の技術思想の範囲内において他の装置に用いることを妨げるものではない。
【００２０】
本実施形態は、図１に示すように、モータやエンジンのような駆動源３１の駆動力で走行する走行装置３を備え、この走行装置３に現在の自己位置（以下、「現在位置」という）を検出するための構成を搭載したものである。現在位置は２種類の技術を用いて検出する。すなわち、定位置に配置した電波標識となる電波発信器１からの電波を受信し、電波発信器１の既知の位置と電波の到来方向とから現在位置を求める技術と、走行装置３で走行したときの移動距離および移動方向を検出して現在位置を求める技術とを併用している。
【００２１】
電波発信器１からの電波は走行装置３に搭載されたアンテナ２１により受信され、アンテナ２１の出力は受信信号処理部２２において不要成分が除去されるとともにデジタル信号に変換される。受信信号処理部２２の出力はＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）を含む到来方向推定部２３に入力され電波の到来方向が推定される。また、電波発信器１の位置は位置記憶部２５にあらかじめ格納されており、位置記憶部２５に格納された位置と到来方向推定部２３で推定された電波の到来方向とにより測位処理部２４で現在位置が求められる。測位処理部２４で求めた現在位置は運転制御部３３に入力され、運転制御部３３は、地図記憶部３４に格納された地図情報を参照し、測位処理部２４で求めた現在位置が、地図記憶部３４に記憶した地図情報に含まれる既定の走行領域内を移動するように駆動源３１を制御する。たとえば、走行領域を走行経路として設定すれば、走行装置３は走行経路に沿って移動する。あるいはまた、走行領域を移動が許容された範囲として設定し、当該範囲の境界における振る舞いをルール（たとえば、「境界に達すると境界に沿って移動する」、「境界にＸ度で侵入するとＸ＋α度で方向転換する」など）として設定しておけば、走行領域内を縦横に動き回らせることが可能になる。なお、位置記憶部２５および地図記憶部３４には書換可能な不揮発性の半導体メモリを用いるのが望ましい。
【００２２】
一方、走行装置３で走行したときの移動距離を求めるための速度センサ３２ａと、走行装置３で走行したときの移動方向を求めるためのジャイロセンサ３２ｂとを備える位置センサ３２も走行装置３に搭載されている。速度センサ３２ａの出力は積分されることにより距離に換算され、ジャイロセンサ３２ｂで検出された移動方向の変化に対応付けられる。位置センサ３２には地図記憶部３４に格納した地図情報と照合する機能もあり、移動距離および移動方向を地図情報に照合することによって位置センサ３２の出力から現在位置を求めることが可能になっている。ただし、位置センサ３２は始点位置に対する相対位置しか検出することができないから、地図記憶部３４に記憶した地図情報に始点位置を設定しておくことが必要である。また、走行距離が長くなれば測定した位置の誤差が大きくなるから、適宜位置で始点位置を再設定することが必要である。たとえば既知位置に設けたマークを通過したときに、始点位置の再設定が行われるようにしておけばよい。なお、走行装置３が左右の車輪を持つ構成であるときには、位置センサ３２にジャイロセンサ３２ｂを設ける代わりに左右の車輪の回転数差を用いて移動方向を検出してもよい。
【００２３】
以下では、電波発信器１からの電波を受信して現在位置を検出する技術について説明する。現在位置を検出するためにアンテナ２１では３個以上の電波発信器１からの電波を受信し、各電波発信器１からの電波の到来方向を検出することが必要になる。つまり、図２に示すように、適宜に設定した絶対座標系Ｏ−ＸＹＺにおける既知位置に電波発信器１を固定し、各電波発信器１からの電波の到来方向をそれぞれアンテナ２１で検出することにより、絶対座標系Ｏ−ＸＹＺにおけるアンテナ２１の位置を求めるのである。電波発信器１の位置は三次元で表してもよいが、高さ（Ｚ）については考慮せず電波発信器１の位置を地面に沿った二次元平面（ＸＹ平面）内の位置で表すものとする。したがって、アンテナ２１の位置も高さは考慮せず地面に沿った二次元平面内の位置で表す。また、アンテナ２１にはアンテナ座標系ｏ−ｘｙｚを設定する。上述のように、高さ（Ｚ）（ｚ）は無視しているから、絶対座標系Ｏ−ＸＹＺに対するアンテナ座標系ｏ−ｘｙｚの自由度は、ＸＹ平面内での位置とｚ軸回りの回転との３自由度になる。
【００２４】
アンテナ２１としては、電波の到来方向を高分解能で検出するために、受信指向性を電子的に制御可能な電子制御式のアレイアンテナ（電子走査アンテナ）を用いる。この種のアレイアンテナとしては、モノポールであるアンテナ素子２１ａを複数個（図示例では４個）配列したアクティブアレイアンテナのほか、モノポールである励振素子（アンテナ素子）の周囲に複数本の非励振素子（パラサイト素子）を等角度間隔で配置したパラサイト負荷切替型アンテナ（いわゆるＥＳＰＥＲアンテナ）も知られている。ただし、本実施形態ではパラサイト負荷切替型アンテナは用いない。これは、パラサイト負荷切替型アンテナを用いて電波の到来方向を求めるには、各パラサイト素子のインピーダンスを切り換えて受信条件を変化させる必要があるのに対して、アンテナ２１の位置が走行装置３により時々刻々移動しており、パラサイト負荷切替型アンテナを用いると現在位置の測定誤差が大きくなるからである。
【００２５】
アクティブアレイアンテナは、図２に示すように、アンテナ素子２１ａを円周上に配列した構成を有し、各アンテナ素子２１ａで受信した電波の周波数および受信相関とを用いて電波の到来方向を推測する。この構成のアンテナ２１を用いると、受信条件を変化させることなく電波の到来方向を推測することができるから、電波の到来方向を短時間で求めることができる。つまり、電波発信器１とアンテナ２１との相対位置が比較的短時間で変動する場合でも電波の到来方向を正確に求めることができる。
【００２６】
各電波発信器１からの電波は識別可能な情報を含み、受信信号処理部２２において、どの電波発信器１からの電波であるかを識別できるようになっている。このような識別の技術は種々知られているが、本実施形態では、電波発信器１ごとに出力周波数を異ならせる方法を採用する。ただし、多数台の電波発信器１で出力周波数を互いに異ならせると、占有する周波数帯域が広くなって不都合であるから、時分割多重化方式（ＴＤＤ）を用いて各電波発信器１ごとに識別符号を含む信号列を間欠的に送信する方式を採用してもよい。また、周波数と時間とを併用した多重化方式（ＦＤＤ／ＴＤＤ）を採用してもよい。いずれにせよ、受信信号処理部２２において各電波発信器１からの信号を識別し、電波発信器１ごとに信号を分離して到来方向推定部２３に引き渡す。到来方向推定部２３では、後述する方法により各電波発信器１ごとに電波の到来方向を推定する。
【００２７】
ところで、測位処理部２４では以下の方法によりアンテナ２１の位置を求める。図２に示すように、アンテナ座標系ｏ−ｘｙｚはアンテナ２１に原点（ｏ）を設定してあり、測位処理部２４では絶対座標系Ｏ−ＸＹＺのＸＹ平面内での原点（ｏ）の位置の座標（Ｘ，Ｙ）を求める。原点（ｏ）の座標（Ｘ，Ｙ）を求めるために用いることができる情報は、３個以上の電波発信器１の絶対座標系Ｏ−ＸＹＺでの位置と電波発信器１からの電波の到来方向である。ただし、アンテナ座標系ｏ−ｘｙｚのｚ軸回りでの回転、つまりＸ軸とｘ軸とがなす角度は不明であるから、電波到来方向について絶対座標系Ｏ−ＸＹＺにおける方位は求めることができない。絶対座標系Ｏ−ＸＹＺに関して求めることができる角度の情報は、２個の電波発信器１からの電波の到来方向の角度差になる。一方、絶対座標系Ｏ−ＸＹＺでの電波発信器１の位置は位置記憶部２５に格納されているから、２個の電波発信器１からの電波の到来方向の角度差がわかると、２個の電波発信器１を結ぶ線分を弦とし、２個の電波発信器１からの電波の到来方向の角度差を前記弦に張る円周角とする１個の円周を設定することができる。この円周は、２個の電波発信器１とアンテナ２１の原点（ｏ）とを通る円周になる。
【００２８】
すなわち、３個の電波発信器１からの電波についてアンテナ座標系ｏ−ｘｙｚでの到来方向を検出すれば、通常は２個の円周を設定することができ、両円周の交点にアンテナ２１の原点が位置すると推定することができる。ただし、２個の円周の交点は２個存在するが、一方の交点はアンテナ２１の位置ではなく、２個の円周の設定に共用した電波発信器１の位置になる。言い換えると、２個の円周の２個の交点のうち電波発信器１の位置ではないほうがアンテナ２１の位置になる。測位演算部２４は、上述の原理によって絶対座標系Ｏ−ＸＹＺにおけるアンテナ２１の原点（ｏ）の位置の座標（Ｘ，Ｙ）を求める演算を行う。この演算は、カッシーニの解法として知られている。カッシーニの解法については既知であるから、演算式のみを示す。
【００２９】
いま、３個の電波発信器１の設置位置の座標が既知であるとする。また、アンテナ座標系ｏ−ｘｙｚにおける各電波発信器１からの電波の到来方向も既知であるとする。図３に従って３個の電波発信器１の位置をそれぞれ点Ｐ１〜Ｐ３で表し、ＸＹ平面における点Ｐ１〜Ｐ３の座標を、それぞれ（Ｘ１，Ｙ１）（Ｘ２，Ｙ２）（Ｘ３，Ｙ３）とする。また、点Ｐ１，Ｐ２の位置の電波発信器１から受信した電波の到来方向の角度差（円周角）をＡ、点Ｐ２，Ｐ３の位置の電波発信器１から受信した電波の到来方向の角度差（円周角）をＢとする。
【００３０】
線分Ｐ１Ｐ２を弦としこの弦に張る円周角Ａの円周と、線分Ｐ２Ｐ３を弦としこの弦に張る円周角Ｂの円周とを設定すると、両円周の交点Ｐ，Ｐ２のうち点Ｐ２ではないほうがアンテナ２１の位置になる。つまり、座標（Ｘ１，Ｙ１）（Ｘ２，Ｙ２）（Ｘ３，Ｙ３）と角度差Ａ，Ｂとから、座標（Ｘ，Ｙ）を求める。交点Ｐの座標（Ｘ，Ｙ）を求めるには、線分Ｐ２Ｐに直交し点Ｐを通る補助線を設定する。この補助線と各円周との交点をＰｃ，Ｐｄとするとき、線分Ｐ２Ｐｃ，Ｐ２Ｐｄはそれぞれ各円の直径になる。ここで、点Ｐｃ，Ｐｄの座標をそれぞれ（Ｘｃ，Ｙｃ）（Ｘｄ，Ｙｄ）とする。以上の関係を用いることによって、座標（Ｘ，Ｙ）は数１のように表すことができる。
【００３１】
【数１】
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【００３２】
また、求めた座標（Ｘ，Ｙ）を用いることにより、１つの電波発信器１に関して、アンテナ座標系ｏ−ｘｙｚにおける電波の到来方向φ１と、絶対座標系Ｏ−ＸＹＺにおける電波発信器１の位置の座標（Ｘ１，Ｙ１）とから、次式によりアンテナ座標系ｏ−ｘｙｚの絶対座標系Ｏ−ＸＹＺに対するＺ軸回りの回転角度θ（図２参照）、言い換えるとアンテナ２１の絶対座標系Ｏ−ＸＹＺにおける方位を求めることができる。
θ＝ｔａｎ−１｛（Ｙ１−Ｙ）／（Ｘ１−Ｘ）｝−φ１
以上のように、３個の電波発信器１からの電波の到来方向と各電波発信器１の座標（Ｘ１，Ｙ１）（Ｘ２，Ｙ２）（Ｘ３，Ｙ３）とを用いることにより、アンテナ２１の位置の座標（Ｘ，Ｙ）とアンテナ２１の方位とを知ることができる。
【００３３】
ところで、測位処理部２４においてアンテナ２１の位置を算出するには、アンテナ２１の出力を用い到来方向推定部２３において各電波発信器１からの電波の到来方向を推定する必要がある。以下では、アンテナ２１の出力から到来方向推定部２３において電波発信器１からの電波の到来方向を推定するまでの動作について説明する。
【００３４】
本実施形態で用いるアンテナ２１は、アクティブアレイアンテナであるから、各アンテナ素子２１ａでの受信時刻の差を求める必要がある。受信時刻の差はアンテナ座標系ｏ−ｘｙｚにおける電波の到来方向に対応するから、アクティブアレイアンテナにおいてアンテナ素子２１ａでの受信時刻の差を求めることは受信指向性を制御することと等価になる。受信信号処理部２２は、アンテナ素子２１ａごとに増幅器２２ａ、周波数変換器２２ｂ、Ａ／Ｄ変換器２２ｃを備える。たとえば、アンテナ素子２１ａが４個あれば、増幅器２２ａ、周波数変換器２２ｂ、Ａ／Ｄ変換器２２ｃも４系統が必要になる。周波数変換器２２ｂは、局発周波数が可変であり、局発周波数を変化させることにより受信周波数を変化させる。Ａ／Ｄ変換の際には、各アンテナ素子２１ａでの受信時刻の差を検出できる程度のサンプリング期間を設定する。また、サンプリング期間は、各電波発信器１の周波数ごとに設ける。
【００３５】
本実施形態では、最大で４台の電波発信器１からの電波を用いてアンテナ２１の位置を求めることを想定しており、受信信号処理部２２でのサンプリング期間は４回設けてある。要するに、到来方向の１回の演算において受信周波数を４回切り換え、４個の電波発信器１からの電波を抽出する。ここに、電波発信器１が５台以上設けられている場合には、受信周波数を５段階以上切り換えることになるが、あらかじめ受信電界強度の範囲を定めておき、当該範囲内で電波を受信することができた電波発信器１を受信順で４台用いるようにすれば、４個の電波発信器１からの電波を抽出することができる。
【００３６】
１回のサンプリング期間には１００点程度のサンプリングを行い量子化後に到来方向推定部２３に引き渡す。到来方向推定部２３では、各周波数ごとに時刻ｔにおける４種類の受信出力ｘｉ（ｔ）（ｉ＝１，２，３，４）が得られるから、受信出力ｘｉ（ｔ）を成分に持つ数２のような受信ベクトル［ｘ（ｔ）］を用いて数３に示す相関行列Ｒｘｘを生成する。ここに、各受信出力ｘｉ（ｔ）は実部と虚部とを有している。また、［ｘ］はｘがベクトルであることを示す。
【００３７】
【数２】
2006236132.tif 000004
【００３８】
【数３】
2006236132.tif 000005
【００３９】
ただし、Ｅ［［ｘ］］はアンサンブル平均を表す。
【００４０】
相関行列Ｒｘｘを評価してアンテナ座標系ｏ−ｘｙｚにおける電波の到来方向を求める方法には、「超分解法」が知られており、「超分解法」を採用すれば、アンテナ２１の指向性を変化させて電界強度のもっとも大きくなる方向を探し出す方法（誤差が数十度）に比較して電波の到来方向を検出する精度が大幅に高くなる（誤差が１〜２度）。「超分解法」には、インターフェロメータと称する評価関数を用いるインターフェロメータ法と、ＭＵＳＩＣ法と、学習済みのニューラルネットワークを用いるニューラルネットワーク方法とが知られている。各方法にはそれぞれ長所と短所とがある。まず、各方法について簡単に説明する。
【００４１】
インターフェロメータ法は、インターフェロメータと称する評価関数を用いて到来方向を求める。インターフェロメータ法では、電波の到来方向にアンテナ２１の出力から求めたステアリングベクトルと称するベクトル値を対応付けたテーブルを用いて評価関数を求める。ステアリングベクトルは、実測値または理論値に基づいて求められるものであり、受信アンテナ２１に対して信号ベクトル［ｓ（ｔ）］が到来方向φから到来したときの受信出力ｘ（ｔ）を、次式で表したときに得られる［ａ（φ）］を意味する。
ｘ（ｔ）＝［（Ｕ＋ＹＺ）−１［ｙｏ］］Ｔ［ａ（φ）］［ｓ（ｔ）］
ただし、Ｕは単位行列、Ｙは相互アドミタンス行列、Ｚはインピーダンス行列、［ｙ０］は相互アドミタンス行列Ｙの第１列ベクトルである。
【００４２】
しかして、受信ベクトル［ｘ（ｔ）］から求めた上述の相関行列Ｒｘｘを用い、既知の到来方向（φ）についてあらかじめ求めてテーブルに格納してある複数点のステアリングベクトル［ａ（φ）］を用いて数４に示す評価関数Ｐｉｎｔｒ（φ）を求める。この評価関数Ｐｉｎｔｒ（φ）の分母は、相関行列Ｒｘｘの各成分とテーブルに格納したステアリングベクトル［ａ（φ）］との距離に相当しており、評価関数Ｐｉｎｔｒ（φ）は電波発信器１からの電波の到来方向φについて分布を持っている。この分布では、評価関数Ｐｉｎｔｒ（φ）が最大になるステアリングベクトル［ａ（φ）］に対応する到来方向φを、電波発信器１からの電波の到来方向φとみなすことができる。
【００４３】
【数４】
2006236132.tif 000006
【００４４】
ＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法は、相関行列Ｒｘｘの固有値および固有ベクトルを用いる方法であって、周知技術であるから詳述しないが、到来方向をパラメータとするＭＵＳＩＣスペクトラムという値を相関行列Ｒｘｘから求め、ＭＵＳＩＣスペクトラムが極大になる到来方向について受信電界強度を評価することにより、電波発信器１からの電波の到来方向を求める方法である。
【００４５】
また、ニューラルネットワーク法は、受信ベクトルｘ（ｔ）から求めた相関行列Ｒｘｘの成分のうち、数５に示す成分を持つベクトル［ｂ］を生成し、このベクトル［ｂ］を規格化する。ベクトル［ｂ］は、相関行列Ｒｘｘの主対角線に対する右側の成分について実部Ｒｅ（ｒｉｊ）と虚部Ｉｍ（ｒｉｊ）とを順に並べた成分を有している。
【００４６】
【数５】
2006236132.tif 000007
【００４７】
ニューラルネットワークは、入力層と中間層と出力層とを備えるＲＢＦニューラルネットワークであって、ニューラルネットワークの中間層のニューロンは、数６のように設定してある。
【００４８】
【数６】
2006236132.tif 000008
【００４９】
ニューラルネットワークにより求めようとする値は、図２に示した電波の到来方向φであるから、たとえば、ニューラルネットワークを１種類の出力値ｆ（［ｘ］）が得られるように構成し、ｆ（［ｘ］）＝φとして、到来方向φが既知である複数箇所の教示点にアンテナ２１を位置させたときに得られる受信ベクトル［ｘ（ｔ）］でニューラルネットワークに教示付き学習を行わせる。教示付き学習により、数７におけるパラメータｘｊ、σｊ２、ωｊ（σｊ２は分散、ωｉは重み係数）の学習が行われ、教示点以外の箇所での到来方向φを求めることが可能になる。ニューラルネットワークに学習させる際には、アンテナ２１において受信した電波が電波発信器１からの直接波か間接波かにかかわらず、学習したパラメータｘｊ、σｊ２、ωｊに電波の到来方向φが折り込まれるから、間接波が存在している環境下においても間接波が定常的であって無人搬送車の走行する領域内で時間変化を伴わなければ到来方向φを推定することができる。
【００５０】
【数７】
2006236132.tif 000009
【００５１】
ところで、電波の到来方向を検出する際に、アンテナ２１が電波発信器１からの直接波のみを受信し雑音がない場合には、上述した３種類の方法のうちのどの方法を用いても到来方向を正確に求めることが可能である。しかしながら、屋内での使用時や屋外であっても周囲に多くの建物が存在する環境などでは、電波発信器１からアンテナ２１への経路にマルチパスが生じやすくなる。マルチパスが生じるとインターフェロメータ法では到来方向の推定が難しくなる。ＭＵＳＩＣ法では波数推定法を併用しＭＵＳＩＣスペクトラムの極大値から電波の到来方向を推定するから、マルチパスが生じていても移動平均により直接波を受信できる環境であれば、電波発信器１からの電波の到来方向を求めることができる。ただし、ＭＵＳＩＣ法を用いても直接波を受信することができずマルチパスによる電波しか受信できなければ電波発信器１からの電波の到来方向を推定することはできない。これに対してニューラルネットワーク法では、電波の到来方向（電波発信器１とアンテナ２１とを結ぶ直線の方向）と環境とを対応付けてをあらかじめ教示しているから、直接波を受信することができない場合でも電波の到来方向を特定することができる。
【００５２】
もっともニューラルネットワーク法を用いると、教示点以外の箇所では求めた到来方向の誤差が大きくなるから、到来方向を求める精度を高めるには教示点の個数を増やさなければならない。つまり、ニューラルネットワーク法によって到来方向を検出しようとすれば、実際に稼働させるまでに時間がかかる。これに対してインターフェロメータ法やＭＵＳＩＣ法は演算のみであるから教示する必要がなく、実稼働までに要する時間は短い。また、計算時間については、ニューラルネットワーク法がもっとも短く、インターフェロメータ法、ＭＵＳＩＣ法の順で計算時間が長くなる。
【００５３】
到来方向推定部２３では、到来方向を推定する推定方法としてこれらの３種類が用意されており、選択処理部２６からの指示により推定方法が選択される。推定方法はアンテナ２１の現在位置に応じて選択される。すなわち、地図記憶部３４に格納されている場所ごとに、３個以上の電波発信器１からの直接波の受信可能性、障害物による電波の遮断や反射物によるマルチパスの発生、電波発信器１を停止させた状態でのノイズの存在などの周囲の環境条件から測位の誤差が最小になる推定方法を選択する。一般的には、ニューラルネットワーク法を採用すれば、測位の誤差は最小になるのであるが、上述のように教示が必要であるから、走行装置３の移動する領域が複雑な形状であったり広い範囲であったりすると、ニューラルネットワーク法を採用するのが難しい場合がある。そこで、電波発信器１に対して遠距離の場合はインターフェロメータ法を採用し、近距離の場合はＭＵＳＩＣ法を採用し、両者では誤差が大きくなるような領域ではニューラルネットワーク法を採用するというように場合分けを行う。
【００５４】
実際には、地図記憶部３４には地図情報として各位置と推定方法とをあらかじめ対応付けてあり、選択処理部２６では測位処理部２４で求めた現在位置を地図記憶部３４の地図情報に照合し、地図記憶部３４から推定方法を抽出して到来方向推定部２３に指示する。たとえば、地図記憶部３４に図４のような地図情報が格納されている場合には、エリアＡ〜Ｃごとにそれぞれ推定方法を対応付けておき、測位処理部２４で求めた現在位置がどのエリアＡ〜Ｃに属するかに応じて推定方法を選択する。また、測位結果により推定方法を選択するから、選択した推定方法は次の測位に用いられる。
【００５５】
ところで、上述したように、到来方向推定部２３で推定した電波の到来方向には、測定限界による誤差のほか、周囲の環境条件の影響による誤差が含まれる。また、推定方法によって誤差が変動する。そこで、測位処理部２４では、求めた現在位置の周囲に既定範囲の誤差領域（第１の誤差領域）を設定し、また位置センサ３２で求めた現在位置の周囲にも既定範囲の誤差領域（第２の誤差領域）を設定する。ここに、誤差領域は測位した位置の座標（Ｘ，Ｙ）に対して（Ｘ±ΔＸ、Ｙ±ΔＹ）として設定するとともに、アンテナ座標系ｏ−ｘｙｚの向きθについてもθ±Δθとして誤差領域を設定する。なお、上述の例ではＸＹ平面上において矩形状の誤差領域が設定されるが、半径Δｒの誤差領域を設定してもよい。誤差の程度は現在位置および推定方法によって変化するから、誤差領域の範囲は推定方法に応じて変化させてもよい。
【００５６】
このようにして異なる方法で求めた現在位置にそれぞれ誤差領域を設定すれば、誤差領域の重なる範囲が現在位置である可能性が高くなるから、両誤差領域の重複する領域内において、適宜の代表点を現在位置として選択すれば測位結果の信頼性が高くなる。代表点としては、たとえば重心を用いることができるが、各誤差領域に重み付けを行って両誤差領域のいずれかの中心寄りの代表点が得られるようにしてもよい。
【００５７】
測位処理部２４で求める現在位置に含まれる誤差は、環境条件と推定方法とによるものだけではなく、電波発信器１を設置した位置の誤差も含まれる。そこで、地図記憶部５の地図情報には電波発信器１の設置場所ごとに誤差範囲の情報を含むようにするのが望まし。この場合、測位処理部２４で求めた現在位置の周囲に設定する誤差領域に電波発信器１の設置位置の誤差を含めるようにすればよい。
【００５８】
ここに、電波発信器１を設置する位置の誤差は、電波発信器１を設置する場所によっては生じる方向が限られていることがある。たとえば、壁面に電波発信器１を設置している場合には、壁面に沿った面内では電波発信器１の位置誤差が生じるが、壁面に直交する方向には位置誤差は生じないから、壁面に沿った面内での位置誤差を考慮すればよいといえる。また、直線状の部材（たとえば、パイプやレール）に電波発信器１を設置している場合には、当該部材の長手方向における位置誤差のみを考慮すればよい。誤差を生じる方向が限られている場合には、これを考慮して測位処理部２４で求めた現在位置の周囲に誤差領域を設定する。このように、種々の誤差を考慮して誤差領域を設定し、現在位置の推定に用いることで、求めた現在位置の信頼性を高めることができる。
【００５９】
ところで、電波発信器１からアンテナ２１で受信した電波を用いて現在位置を求める技術は複雑な演算が必要であるから、電波を受信してから測位結果が得られるまでに時間遅れを生じる。したがって、電波を受信してから測位結果が得られるまでの時間遅れの間に位置変位を生じることがあり、電波を受信した時刻での自己位置と測位結果が得られた時刻での自己位置とにずれを生じることがある。
【００６０】
そこで、到来方向推定部２３でアンテナ２１の出力を取得した時刻から測位処理部２４で測位結果が得られた時刻までの時間の位置変位を位置センサ３２により検出する。位置センサ３２は、位置変位を実質的に実時間で検出しているから、測位処理部２４において、位置センサ３２で検出した位置変位を測位結果に加えて補正すれば、現在位置を正確に求めることができる。
【００６１】
ところで、図１に示す構成例では、到来方向推定部２３および測位処理部２４を構成するプロセッサ（ＤＳＰ）と、運転制御部３３を構成するプロセッサとをとくに区別していないが、位置センサ３２を含む走行装置３の制御系と、電波の受信による測位系とで個別のプロセッサを用いる場合には、制御系のプロセッサから測位系のプロセッサに対して適宜の期間ごとに測位要求を行い、測位処理部２４で求めた測位結果を返送させる構成を採用することができる。この場合には、測位要求の際に識別子を渡し、測位結果とともに識別子を返させれば、識別子を渡してから返されるまでの時間を、到来方向推定部２３でアンテナ２１の出力を取得した時刻から測位処理部２４で測位結果が得られた時刻までの時間と等価に扱うことができる。識別子には制御系が保有する時計機能で発生させたタイムスタンプを用いてもよい。この構成では、測位系から時刻を通知する必要がなく、制御系から受け取ったタイムスタンプを制御系に返すだけで、時間差を容易に計算することができ、測位系には時計機能を持たせる必要がなく、測位系の構成の簡略化につながる。
【００６２】
また、上述の構成例では位置センサ３２の出力を用いて測位処理部２４の測位結果を補正しているが、測位処理部２４で得た測位結果の時系列を用いて現在位置を線形予測することも可能である。もっとも簡単な方法としては、制御系からの測位要求の時点での測位処理部２４の第１の測位結果と、制御系からの測位要求に対して求めた測位処理部２４での第２の測位結果との差分を第２の測位結果に加算し、現在位置に代えて用いるようにしてもよい。
【００６３】
ところで、測位処理部２４から得られる測位結果は、電波の受信状態によって瞬間的に大きく変動する可能性がある。つまり、周囲環境によっては、マルチパスの影響で電波の到来方向を誤認したり、特異点で電波の到来方向が不明になったりする場合があり、このような場所では測位処理部２４で得られる現在位置が異常値を示すことがある。そこで、走行装置３の性能を考慮し、測位処理部２４での測位結果が得られるたびに測位結果の差分を求め、求めた差分が、走行装置３の最大速度や最大回転速度から予測される範囲を逸脱する場合には、得られた測位結果を異常値と判断して破棄する。この場合には、位置センサ３２で求めた現在位置を優先的に用いる。また、測位処理部２４での測位結果の履歴を所定期間分だけ記憶し、移動平均値との差分が既定の閾値を越える測位結果については破棄し、位置センサ３２で検出した現在位置を用いるようにしてもよい。このように、異常値を破棄することにより、求めた現在位置の信頼性を高めることができる。
【００６４】
なお、上述の構成例では位置センサ３２を設けているが、位置センサ３２は必ずしも必要ではなく、また速度センサ３２ａやジャイロセンサ３２ｂからなる位置センサ３２に代えて赤外線や超音波を利用して測位する構成を採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施形態を示すブロック図である。
【図２】同上の原理説明図である。
【図３】同上において位置の求め方を示す原理説明図である。
【図４】同上で用いる地図情報の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  電波発信器
３  走行装置
２１  アンテナ
２３  到来方向推定部
２４  測位処理部
２６  選択処理部
３３  運転制御部
３４  地図記憶部
３２  位置センサ
【図１】
2006236132.tif 000010
【図２】
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【図３】
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【図４】
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