(57)【要約】【課題】実使用環境においてアレイ応答ベクトルをキャリブレーションすることにより、実使用環境での位置の検出精度を高めることができる自律移動装置を提供する。【解決手段】電波発信器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台以上の電波発信器からの電波を受信し、到来方位推定部２３においてアレイ応答ベクトルに相当するパラメータをパラメータ格納部２６に照合することにより電波の到来方位を推定する。測位処理部２５は電波発信器の既知の位置と電波の到来方位とを用いて自己位置を求める。キャリブレーション動作では、アンテナ２１が電波発信器に対して規定の位置関係である状態で、レーザレーダ５により実測した電波発信器の方位とアンテナ２１から出力されているアレイ応答ベクトルに相当するパラメータとを対応付けてパラメータ格納部に書き込む。【選択図】図１
2007200045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面内で規定した絶対座標系における座標位置を既知位置に配置された３台以上の電波発信器からの電波の到来方位を用いて検出する位置検出器と、位置検出器に設定したローカル座標系において電波発信器の存在する方位を電波を用いずに実測する測角装置と、位置検出器および測角装置を前記平面内で移動させる駆動装置とを備え、位置検出器は、電波発信器からの電波を受信しアレイ応答ベクトルを出力するアンテナと、アレイ応答ベクトルを用いてローカル座標系における電波の到来方位を推定する到来方位推定部と、絶対座標系における電波発信器の位置を記憶した発信器座標記憶部と、到来方位推定部で推定した電波の到来方位と発信器座標記憶部が記憶している電波発信器の座標位置とを用いて絶対座標系における座標位置を求める測位処理部と、アレイ応答ベクトルに相当するパラメータが電波の到来方位に対応付けて格納され到来方位推定部からアレイ応答ベクトルに相当するパラメータが与えられると電波の到来方位を返す書換可能なパラメータ格納部と、電波の到来方位から絶対座標系における座標位置を求める通常動作と電波の到来方位とパラメータとをパラメータ格納部に書き込むキャリブレーション動作とを選択する動作制御部と、動作制御部がキャリブレーション動作を選択しアンテナが電波発信器に対して規定の位置関係である状態で、測角装置により実測した電波発信器の方位とアンテナから出力されているアレイ応答ベクトルに相当するパラメータとを対応付けてパラメータ格納部に書き込むキャリブレーション部とを備えることを特徴とする自律移動装置。
【請求項２】
前記駆動装置は前記キャリブレーション動作において、前記電波発信器に対する位置が規定されている基準点に前記アンテナが位置している状態でアンテナが１回転するように位置検出器を移動させ、前記キャリブレーション部はアンテナが１回転する間に得られたアレイ応答ベクトルに相当するパラメータを、測角装置で実測した方位に対応付けてパラメータ格納部に書き込むことを特徴とする請求項１記載の自律移動装置。
【請求項３】
前記位置検知器が前記電波発信器からの電波を受信可能な距離範囲は、前記測角装置が前記電波発信器の存在する方位を検出する距離範囲よりも大きく設定されており、前記位置検出器は前記アンテナの出力の減衰率を調節するアッテネータを備え、前記動作制御部は前記キャリブレーション動作において前記アンテナの出力の減衰率を前記通常動作時よりも大きくするようにアッテネータを制御することを特徴とする請求項１または請求項２記載の自律移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象空間に設定した絶対座標系における位置が既知である電波発信器が発信した電波の到来方位を検出し、電波の到来方位と電波発信器の既知の位置とを用い、後方交会法により絶対座標系における自己位置を求め、求めた自己位置に応じて自律的に移動する自律移動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、移動体の位置を検出する技術として、移動体から電波を送信するとともに、定位置に設置された基地局において移動体からの電波の到来方位を検出し、３個以上の基地局において求めた電波の到来方位を用いて前方交会法により移動体の位置を検出する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、ロランのように位置が既知である３個以上の電波標識からの電波を移動体において受信し、電波標識からの電波の到来方位を用いて後方交会法により移動体の位置を検出する技術も知られている。
【０００４】
電波を用いて移動体の位置を検出する技術では、前方交会法を採用するか後方交会法を採用するかによらず、電波の到来方位を検出する必要がある。電波の到来方位を検出するために用いるアンテナとしては、特許文献１に記載されているように、多数個の素子アンテナをアレイ状に配列したアレイアンテナが知られている。また、素子アンテナを囲む形でリアクタンス素子を配列し、リアクタンス素子のリアクタンスを制御することによって指向性を変化させることができるＥＳＰＥＲアンテナと称するアンテナも用いることができる。
【０００５】
アレイアンテナを用いる場合には、各素子アンテナの受信強度の分布から電波の到来方位を推定し、またＥＳＰＥＲアンテナを用いる場合には、指向性を変化させて得られた素子アンテナでの受信強度の分布から電波の到来方位を推定する。したがって、アレイアンテナを用いる場合とＥＳＰＥＲアンテナを用いる場合とのどちらの場合も、電波の受信により得られたベクトル（アレイ応答ベクトルと呼ぶ）と電波の到来方位とが対応付けられている。
【特許文献１】特開平９−１１９９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、電波の到来方位とアレイ応答ベクトルとの対応付けは、一般に、外来ノイズの影響を受けない電波暗室内での実測により行われる。このように、電波暗室において実測によりアレイ応答ベクトルを決定するのは、素子アンテナのアンテナ開口のばらつき、素子アンテナ同士あるいは素子アンテナとリアクタンス素子あるいはリアクタンス素子同士の結合によるばらつき、アンテナ出力を処理する回路特性のばらつき、アンテナに接続されたケーブルの長さや形状による伝送特性のばらつきなどが電波の到来方位の検出精度に影響するからである。
【０００７】
しかしながら、実使用時の環境では遮蔽物や反射物が多く存在するから、電波暗室で求めたアレイ応答ベクトルを適用して電波の到来方位を検出しようとすると、推定結果に大きなずれを生じることがある。
【０００８】
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、実使用環境においてアレイ応答ベクトルのキャリブレーションを行うことにより、実使用環境において高精度に位置を検出することができる自律移動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明は、平面内で規定した絶対座標系における座標位置を既知位置に配置された３台以上の電波発信器からの電波の到来方位を用いて検出する位置検出器と、位置検出器に設定したローカル座標系において電波発信器の存在する方位を電波を用いずに実測する測角装置と、位置検出器および測角装置を前記平面内で移動させる駆動装置とを備え、位置検出器は、電波発信器からの電波を受信しアレイ応答ベクトルを出力するアンテナと、アレイ応答ベクトルを用いてローカル座標系における電波の到来方位を推定する到来方位推定部と、絶対座標系における電波発信器の位置を記憶した発信器座標記憶部と、到来方位推定部で推定した電波の到来方位と発信器座標記憶部が記憶している電波発信器の座標位置とを用いて絶対座標系における座標位置を求める測位処理部と、アレイ応答ベクトルに相当するパラメータが電波の到来方位に対応付けて格納され到来方位推定部からアレイ応答ベクトルに相当するパラメータが与えられると電波の到来方位を返す書換可能なパラメータ格納部と、電波の到来方位から絶対座標系における座標位置を求める通常動作と電波の到来方位とパラメータとをパラメータ格納部に書き込むキャリブレーション動作とを選択する動作制御部と、動作制御部がキャリブレーション動作を選択しアンテナが電波発信器に対して規定の位置関係である状態で、測角装置により実測した電波発信器の方位とアンテナから出力されているアレイ応答ベクトルに相当するパラメータとを対応付けてパラメータ格納部に書き込むキャリブレーション部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項１の発明の構成によれば、パラメータ格納部に設定されるアレイ応答ベクトルに相当するパラメータを測角装置で実測した電波発信器の方位と対応付けるから、実使用環境において電波発信器からの電波がアンテナに到達する経路に反射や遮断が生じていても、アンテナでの電波の受信条件に合致するパラメータを生成することができ、実使用環境における電波の到来方位の検出精度を高めることができ、ひいては位置検出器による座標位置の検出精度が高くなる。
【００１１】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記駆動装置は前記キャリブレーション動作において、前記電波発信器に対する位置が規定されている基準点に前記アンテナが位置している状態でアンテナが１回転するように位置検出器を移動させ、前記キャリブレーション部はアンテナが１回転する間に得られたアレイ応答ベクトルに相当するパラメータを、測角装置で実測した方位に対応付けてパラメータ格納部に書き込むことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明の構成によれば、パラメータ格納部に設定するすべてのデータを実使用環境において設定することができるから、パラメータ格納部の設定にあたって電波暗室などを用いる必要がなく、設備が軽減されるとともに実使用環境での座標位置の検出精度が高くなる。
【００１３】
請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記位置検知器が前記電波発信器からの電波を受信可能な距離範囲は、前記測角装置が前記電波発信器の存在する方位を検出する距離範囲よりも大きく設定されており、前記位置検出器は前記アンテナの出力の減衰率を調節するアッテネータを備え、前記動作制御部は前記キャリブレーション動作において前記アンテナの出力の減衰率を前記通常動作時よりも大きくするようにアッテネータを制御することを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明の構成によれば、キャリブレーション動作の際に、測角装置により電波発信器の方位を実測することができるように位置検出器と電波発信器との距離を小さくしても、アッテネータの減衰率を大きくすることによって位置検出器における内部回路の飽和を防止することができる。また、通常動作の際には電波発信器からの電波を遠方でも適正な強度で受信することができるから、電波発信器の台数の増加を抑制できる。つまり、位置検出器における電波の受信に関するダイナミックレンジを実質的に大きくしたことになる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の構成によれば、パラメータ格納部に設定されるデータの少なくとも一部として実使用環境において実測したデータを用いるから、実使用環境における電波の到来方位の検出精度を高めることができるという利点があり、結果的に位置検出器による座標位置の検出精度が高くなるという利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に説明する自律移動装置は、無人搬送車、無人清掃車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。自律移動装置３の位置は、図４に示すように、自律移動装置３が移動する対象空間（対象平面）について規定した絶対座標系Ｏ−ＸＹの座標位置として検出される。具体的には、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける座標位置が既知である３台以上の電波発信器１から自律移動装置３に電波が到来する方位をそれぞれ検出し、各電波発信器１からの電波の到来方位と電波発信器１の座標位置とに基づいて、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける自律移動装置３の座標位置を検出する。また、自律移動装置３は、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける電波の到来方位を特定することはできないから、自律移動装置３について設定したローカル座標系ｏ−ｘｙにおいて電波の到来方位を検出する。ローカル座標系ｏ−ｘｙのｘｙ平面は絶対座標系Ｏ−ＸＹのＸＹ平面と一致しているか平行であるものとする。したがって、ローカル座標系ｏ−ｘｙにおいて検出した各電波発信器１からの電波の到来方位の間の相対角度は、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおいても保存される。
【００１７】
本実施形態の自律移動装置３は、図１に示すように、電波発信器１からの電波の到来方位を検出して絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける座標位置を検出する装置として位置検出器２を搭載し、また自律移動装置３を移動させるための駆動装置３１を備える。駆動装置３１の駆動源は、モータやエンジンのような回転型のものに限らず伸縮型のアクチュエータなどどのようなものを用いてもよいが、駆動装置３１は自律移動装置３の移動方位を変えることができるように構成される。自律移動装置３は、位置検出器２により検出した自律移動装置３の座標位置を参照して、駆動装置３１による自律移動装置３の移動方位を決定する運転制御装置３２を備える。運転制御装置３２は、自律移動装置３が移動する対象空間の地図情報を保持した地図情報格納部３３を備えており、位置検出器２で検出した座標位置を地図情報格納部３３に保持された地図情報と照合することにより、地図情報で示された障害物と自律移動装置３との衝突を回避したり、地図情報に含まれる目標物に自律移動装置３を到達させるように、駆動装置３１による自律移動装置３の移動を制御する。
【００１８】
以下では、位置検出器２の構成および位置検出器２による絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける座標位置の検出方法について説明する。
【００１９】
電波発信器１は、図３に示すように、地上に立設された支柱１１の上端部に取り付けられているものとする。また、この支柱１１には電波発信器１の下方においてリフレクタ１２が固定される。各電波発信器１は異なる周波数の電波を送信しており、周波数の相違によって電波発信器１が識別される。リフレクタ１２は光を反射するものであれば、どのような構成でもよいが、回帰反射（プリズムのような光学要素を用い入射した光を同方位に出射させる反射）を生じるように構成したものが望ましい。リフレクタ１２の機能については後述する。
【００２０】
位置検出器２は、電波発信器１からの電波を受信するアンテナ２１と、アンテナ２１の出力から電波の到来方位を検出するための成分を取り出すとともに抽出した成分を以後の処理のためにデジタル信号に変換する機能を有した信号処理回路部２２と、信号処理回路部２２の出力を用いてローカル座標系ｏ−ｘｙにおける電波の到来方位を推定する到来方位推定部２３とを備える。また、位置検出器２では、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける座標位置を求めるために、電波発信器１の座標位置を知る必要があるから、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける電波発信器１の座標をあらかじめ登録した発信器座標記憶部２４が設けられ、さらに、到来方位推定部２３で推定された到来方位と発信器座標記憶部２４に登録された電波発信器１の座標位置とを用いて自律移動装置３の座標位置を求める測位処理部２５が設けられる。
【００２１】
自律移動装置３の座標位置は、自律移動装置３の代表点の座標位置であって、以下の説明では位置検出器２に設けたアンテナ２１を基準として設定したローカル座標系ｏ−ｘｙの原点の座標位置を、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける自律移動装置３の座標位置に用いるものとする。アンテナ２１は、電波の到来方位を検出することができるように構成されたものを用い、本実施形態では、複数本（図示例では４本）の素子アンテナ２１ａを基台２１ｂに立設した形状のアレイアンテナをアンテナ２１として用いる。各素子アンテナ２１ａはモノポールであって、基台２１ｂの一面に仮想的に設定した正方形の頂点に各素子アンテナ２１ａが位置するように配置される。ローカル座標系ｏ−ｘｙの原点は、素子アンテナ２１ａに囲まれた部位の中心、すなわち仮想的に設定した正方形の中心とする。
【００２２】
アンテナ２１の出力は信号処理回路部２２に入力される。信号処理回路部２２は、図２に示すように、各素子アンテナ２１ａごとのゲインを切り換えるアッテネータ２２ａと、素子アンテナ２１ａで受信した信号を一定周波数に周波数変換する混合回路２２ｂと、混合回路２２ｂに局発信号を与える局部発振回路２２ｃとを備え、さらに、混合回路２２ｂの出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換部２２ｄを備える。
【００２３】
アッテネータ２２ａおよび混合回路２２ｂは素子アンテナ２１ａと同数個設けられる。混合回路２２ｂはＩＱ分離（実数成分と虚数成分の分離）の機能も備える。混合回路２２ｂではダウンコンバートを行っており、局部発振回路２２ｃから出力する局発信号の周波数（局発周波数）を変化させることによって、混合回路２２ｂでは一定周波数への周波数変換を行う。したがって、混合回路２２ｂの出力に所定周波数を通過させる帯域フィルタを設けておくことにより、素子アンテナ２１ａで受信した信号のうち局発周波数に対応する成分のみが混合回路２２ｂから出力されることになる。つまり、局発周波数を変化させることによって、各電波発信器１からの電波に対応した成分を混合回路２２ｂから取り出すことができる。なお、混合回路２２ｂの出力周波数は、ＡＤ変換部２２ｄにおけるサンプリングに適した周波数（サンプリング周波数の２分の１以下の周波数）に設定される。
【００２４】
ＡＤ変換部２２ｄは、混合回路２２ｂから出力された実数成分と虚数成分とをそれぞれデジタル値に変換する。ＡＤ変換部２２ｄについて、サンプリング周波数、サンプリング点数、出力ビット数は、たとえば１０ＭＨｚ、１０００点、１２ビットとする。電波発信器１はそれぞれ異なる周波数の電波を送信しているから、ＡＤ変換部２２ｄでは各周波数ごとにサンプリング点数分のサンプリングを行う。本実施形態では、４台の電波発信器１からの電波を受信するものとして、受信周波数を４回切り換える（図５参照）。なお、受信周波数は、自律移動装置３の現在位置に応じて、近距離に存在する電波発信器１からの電波を受信するように選択される。
【００２５】
図５における期間Ｔｒは１台の電波発信器１からの電波を受信している期間であり、この期間Ｔｒには受信周波数が一定に保たれる。また、図５の期間Ｔｓは受信周波数を切り換える間の期間である。ＡＤ変換部２２ｄの出力は、到来方位推定部２３の機能を実現するＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）２０ａに入力される。ＤＳＰ２０ａは、素子アンテナ２１ａで受信した電波の実数成分と虚数成分とを用いて電波の到来方位を推定する。一方、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける位置検出器２の座標位置を登録した発信器座標記憶部２４は、ＤＳＰ２０ａに付設された内部メモリ２０ｂにより実現される。発信器座標記憶部２４には、電波発信器１の座標位置のほか電波発信器１からの送信信号の周波数も記憶されており、自律移動装置３から近距離に存在する電波発信器１を４台選択し、当該電波発信器１の周波数に応じて局部発振回路２２ｃの局発周波数を選択できる。
【００２６】
ＤＳＰ２０ａは、測位処理部２５としての機能も備えており、ＡＤ変換部２２ｄから出力された実数成分および虚数成分により求めた電波の到来方位と、内部メモリ２０ｂに登録された電波発信器１の座標位置とを用いて、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける自律移動装置３の座標位置を演算により求める。この演算のために、図５に示す期間Ｔｔにおいて、ＤＳＰ２０ａでは、ＡＤ変換部２２ｄに設けたバッファからＡＤ変換部２２ｄの出力を読み込み、期間Ｔｕにおいて、電波の到来方位を推定する演算を行った後、電波発信器１の座標位置を用いて自律移動装置３の座標位置を求める演算を行う。演算結果は運転制御装置３２に転送され、駆動装置３１の制御に用いられる。図５では演算結果を運転制御装置３２に転送する時間Ｔｖも示してある。ＤＳＰ２０ａからは、座標位置のほか、電波の到来方位と各素子アンテナ２１ａでの受信電力も出力される。
【００２７】
電波発信器１からの電波をアンテナ２１で受信してからＤＳＰ２０ａでの演算結果を運転制御装置３２に転送するまでの時間は、たとえば２５０ｍｓであって、アンテナ２１を用いて電波発信器１からの電波を受信する期間は、この期間の一部であるから、４台の電波発信器１からの電波を順に受信しても、その期間には自律移動装置３の座標位置には実質的に変化がないとみなすことができる。つまり、実質的に同時刻に受信した４台の電波発信器１からの電波を用いて自律移動装置３の座標位置を求めていることになる。
【００２８】
また、位置検出器２では、電波発信器１ごとに局発周波数を変化させる必要があるが、１台の電波発信器１からの電波の到来方位を検出する間にはアンテナ２１の受信条件を変化させる必要がないから、１台ずつの電波発信器１については電波の到来方位を短時間で推定することができる。つまり、自律移動装置３では、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が、各電波発信器１からの電波の到来方位を推定するのに必要なデータを収集する時間は短いから、電波の到来方位を正確に求めることができる。
【００２９】
以下では、図６を用いて、測位処理部２５においてアンテナ２１の座標位置を求める技術についてさらに詳しく説明する。上述のように、ローカル座標系ｏ−ｘｙはアンテナ２１の中心に原点（ｏ）を設定してあり、測位処理部２５では絶対座標系Ｏ−ＸＹのＸＹ平面内での原点（ｏ）の座標位置（Ｘ，Ｙ）を求める。原点（ｏ）の座標位置（Ｘ，Ｙ）を求めるために用いることができる情報は、３台以上の電波発信器１の絶対座標系Ｏ−ＸＹでの座標位置と電波発信器１からの電波の到来方位である。ただし、ローカル座標系ｏ−ｘｙの原点（ｏ）の周りでの回転、つまりＸ軸とｘ軸とがなす角度は不明であるから、電波到来方位について絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける方位は求めることができない。絶対座標系Ｏ−ＸＹ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位の角度差になる。一方、絶対座標系Ｏ−ＸＹでの電波発信器１の位置は発信器座標記憶部２４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位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位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。
【００３０】
すなわち、３個の電波発信器１からの電波についてローカル座標系ｏ−ｘｙでの到来方位を検出すれば、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（ｏ）が位置すると推定することができる。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。測位処理部２５は、上述の原理によって絶対座標系Ｏ−ＸＹ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。
【００３１】
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、ローカル座標系ｏ−ｘｙにおける各電波発信器１からの電波の到来方位も既知であるとする。図６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位の角度差（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位の角度差（円周角）をＢとする。
【００３２】
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。
【００３３】
【数１】
2007200045.tif 000003
【００３４】
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、ローカル座標系ｏ−ｘｙにおける電波の到来方位φと、絶対座標系Ｏ−ＸＹ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ＸＹ平面内でのローカル座標系ｏ−ｘｙの回転角度θ（図４参照）、言い換えるとアンテナ２１の絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける方位を求めることができる。
θ＝ｔａｎ−１｛（Ｙ１−Ｙ）／（Ｘ１−Ｘ）｝−φ
以上のように、３個の電波発信器１からの電波の到来方位と各電波発信器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。
【００３５】
ところで、本実施形態の到来方位推定部２３では、アンテナ２１の出力を用いて各電波発信器１からの電波の到来方位を推定するために、以下に説明する相関行列Ｒｘｘを生成する。すなわち、到来方位推定部２３では、電波発信器１から送信される電波の各周波数ごとに時刻ｔ（実質的に同時刻とみなす）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のようなアレイ応答ベクトル［ｘ（ｔ）］を用いて数３に示す相関行列Ｒｘｘを生成することができる。ここに、各受信出力ｘｉ（ｔ）は実数成分と虚数成分とを有している。また、［ｘ］はｘがベクトルであることを示す。なお、本実施形態のアンテナ２１はアレイアンテナであるから、受信出力ｘｉ（ｔ）は、各素子アンテナ２１ａで同時刻に受信した出力の組合せであり、受信する位置が異なる複数個の出力を組み合わせたアレイ応答ベクトルで表される。
【００３６】
【数２】
2007200045.tif 000004
【００３７】
【数３】
2007200045.tif 000005
【００３８】
ただし、Ｅ［［ｘ］］はアンサンブル平均（期待値）を表す。また、Ｔは転置を表す。
【００３９】
相関行列Ｒｘｘを評価してローカル座標系ｏ−ｘｙにおける電波の到来方位を求める方法には、さまざまな方法が知られているが、本実施形態ではＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法を採用している。ＭＵＳＩＣ法では、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位を探し出す方法（誤差が数十度）に比較すると、電波の到来方位を検出する精度が大幅に高くなる（誤差が１〜２度）。
【００４０】
ＭＵＳＩＣ法では、相関行列Ｒｘｘの固有値の数から到来する電波の波数Ｌを推定する。また、相関行列Ｒｘｘの固有ベクトルにより到来方位φをパラメータとするＭＵＳＩＣスペクトラムＰＭＵ（φ）という数４で表される評価関数を求め、ＭＵＳＩＣスペクトラムＰＭＵ（φ）が極大になる到来方位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位を求める。数４は熱雑音電力に等しい固有値に対応する固有ベクトル｛ｅＬ＋１，…，ｅＫ｝を用いており、ＭＵＳＩＣスペクトラムＰＭＵ（φ）によりφに関するスペクトラムのＬ個のピークを探し｛φ１，…，φＬ｝を求める。数４においてＥＮは固有ベクトル行列であり、ａ（φ）はアンテナ２１のアレイマニホールド、Ｈは共役転置を表す。
【００４１】
【数４】
2007200045.tif 000006
【００４２】
ただし、電波の到来方位は上述のような演算式による演算を行うのではなく、アンテナ２１への電波の入射方位に対する各素子アンテナ２１ａの出力の組合せであるアレイ応答ベクトル［ｘ（ｔ）］（ＡＤ変換部２２ｄからＤＳＰ２０ａに入力される信号値の組）を規格化したパラメータと、電波の到来方位とを対応付けて格納したデータテーブルａ（φ）（アレイ応答ベクトルに相当するデータの集合であるから、アレイマニホールドと呼ぶ）であるパラメータ格納部２６を設けておき、到来方位推定部２３では、ＡＤ変換部２２ｄからアレイ応答ベクトル［ｘ（ｔ）］が入力されると、パラメータ格納部２６のアレイマニホールドａ（φ）に照合することによって、電波の到来方位を推定する。
【００４３】
アンテナ２１を構成する個々の素子アンテナ２１ａの出力は、電波発信器１からの電波の到来方位だけではなく、電波発信器１との距離によっても変化するから、４個の素子アンテナ２１ａのうちの１個の素子アンテナ２１ａの出力を基準値とし、他の３個の素子アンテナ２１ａの出力を基準値で除算した値を規格化したパラメータとして用いる。したがって、パラメータ格納部２６では、１方位について６個（実数成分と虚数成分とが各３個）のパラメータを持つ。たとえば１度刻みで０〜３６０度の範囲のパラメータを対応付ける。パラメータ格納部２６におけるパラメータの設定方法については後述する。
【００４４】
上述のようにして電波発信器１からの電波を受信することによって自律移動装置３の絶対座標を求めることができるが、電波の多重反射やノイズの存在によって、求めた絶対座標に異常値を生じることがある。そこで、自律移動装置３は、電波を用いずにセンサを用いて位置を求めるデッドレコニング４を搭載している。デッドレコニング４には、自律移動装置３で移動した移動距離を求めるための速度センサ４１と、自律移動装置３で移動したときの移動方位を求めるためのジャイロセンサ４２とを設けてある。速度センサ４１とジャイロセンサ４２との出力は、マイクロコンピュータからなる走行演算部４３に与えられ、走行演算部４３では、速度センサ４１の出力を積分して距離に換算し、ジャイロセンサ４２で検出した移動方位の変化に対応付ける。
【００４５】
ただし、デッドレコニング４は規定した基準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、基準位置において補正することが必要である。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、基準位置を適宜に再設定する必要がある。基準位置の再設定については後述する。なお、自律移動装置３が左右の車輪を持つ構成であるときには、デッドレコニング４にジャイロセンサ４２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位を検出してもよい。
【００４６】
デッドレコニング４で求めた座標位置は測位処理部２５に与えられる。測位処理部２５では、電波発信器１からの電波を用いて求めた座標位置について短期間の履歴を記憶しており、履歴との比較によって位置検出器２で求めた座標位置が異常と判断されるときには、デッドレコニング４で求めた座標位置で置き換える。
【００４７】
また、位置検出器２では、４台の電波発信器１からの電波を順に受信した後に座標位置を演算しているから、電波発信器１からの電波を受信した後に座標位置が算出されるまでの時間に自律移動装置３が移動し、検出した座標位置と実際の座標位置にずれを生じることがある。そこで、到来方位推定部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デッドレコニング４により検出し、測位処理部２４において、デッドレコニング４で検出した位置変位を測位結果に加えて補正することにより現在位置を正確に求める。
【００４８】
本実施形態の自律移動装置３は、位置検出器２とデッドレコニング４とのほかに、ローカル座標系ｏ−ｘｙにおける角度を計測することができる測角装置としてのレーザレーダ５を備える。レーザレーダ５は、自律移動装置３の前方においてｘｙ平面内の所定の角度範囲で光ビームを走査するとともに、光ビームを出射した方位からの反射光を受光し、受光強度の変化によって自律移動装置３の前方に存在する物体を検出する。したがって、光ビームを走査した方位における物体の存在を検出することができる。
【００４９】
先に説明したように、電波発信器１にはリフレクタ１２が付設されているから、電波発信器１が自律移動装置３の前方であってレーザレーダ５の検知範囲内に存在するようになると、リフレクタ１２で光ビームが反射されることによりリフレクタ１２の存在する方位が検出される。ここで、リフレクタ１２はｘｙ平面内では電波発信器１と同位置であるから、ローカル座標系ｏ−ｘｙの原点（ｏ）を電波発信器１から既知の距離に配置した状態では、レーザレーダ５により検出される方位とローカル座標系ｏ−ｘｙの原点（ｏ）から電波発信器１を見込む方位との間には一定の関係が得られる。
【００５０】
いま、図７に示すように、レーザレーダ５に関して設定した原点がローカル座標系ｏ−ｘｙのｙ軸上に存在するものとし、電波発信器１と原点（ｏ）との距離をｒ、ローカル座標系ｏ−ｘｙの原点（ｏ）とレーザレーダ５に関して設定した原点ｐ０との距離をｄ、ｙ軸の方位を０度としたときの角度を用いて、レーザレーダ５により検出されるリフレクタ１２の存在方位をψ′、原点（ｏ）から見込む電波発信器１の存在方位をψとすると、次の関係が成立する。
ｃｏｓψ＝ｃｏｓψ′＋（ｄ／ｒ）
したがって、電波発信器１の距離が既知である適宜の基準点を設定しておき、この基準点に自律移動装置３を位置させれば、レーザレーダ５で検出した方位ψ′と既知の長さｒ，ｄとを用いることにより、その位置からの電波発信器１の正しい方位ψを知ることができる。
【００５１】
上述のようにレーザレーダ５で求められる方位ψ′から電波発信器１の方位を正確に知ることができるから、レーザレーダ５でリフレクタ１２を検出している状態において、アンテナ２１の各素子アンテナ２１ａの出力を求め、このときのアレイ応答ベクトルを規格化したパラメータを、レーザレーダ５で実測した電波発信器１の角度に対応付けてパラメータ格納部２６に格納すれば、実使用時の環境に応じたパラメータをパラメータ格納部２６に設定することが可能になる。したがって、電波発信器１から既知の距離ｒに自律移動装置３を位置させ、電波発信器１に対して自律移動装置３の向きを相対的に変化させれば、パラメータ格納部２６のパラメータを実使用環境に合わせて設定することが可能になる。
【００５２】
たとえば、電波暗室などにおいてパラメータ格納部２６をあらかじめ設定しているときに、基準点においてレーザレーダ５でリフレクタ１２の存在する方位ψ′を求めた場合には、その方位ψ′に相当する電波発信器１の方位ψにおけるパラメータを、実測で求めたパラメータに書き換えるようにする。この動作は、位置検出器２の常時の動作とは異なるから、位置検出器２において通常動作とは異なるキャリブレーション動作を可能としておき、パラメータを書き換えるときには、スイッチなどを用いてキャリブレーション動作を行うように指示する。あるいは、自律移動装置３が基準点を通過するときに自動的にキャリブレーション動作に切り替わり、一つの方位についてパラメータを設定した後に自動的にキャリブレーション動作から通常動作に復帰するようにしてもよい。
【００５３】
また、距離ｒが既知であればキャリブレーション動作を行うことができるから、スイッチなどを用いてキャリブレーション動作を行うように指示する場合には、キャリブレーション動作を開始する際の自律移動装置３の位置と既知の電波発信器１の位置との関係から距離ｒを求め、この距離ｒを用いてキャリブレーション動作を行うようにしてもよい。
【００５４】
キャリブレーション動作と通常動作とは動作制御部２７が選択し、キャリブレーション動作はキャリブレーション部２８が行う。つまり、スイッチによる指示または電波発信器１との位置関係によりキャリブレーション動作を行う条件になると、動作制御部２７は測位制御部２５およびキャリブレーション部２８にキャリブレーション動作を行うように指示する。キャリブレーション部２８がキャリブレーション動作を完了した後に、復帰条件が成立すると動作制御部２７はキャリブレーション部２８の動作を終了し、測位処理部２５を通常動作に復帰させる。
【００５５】
上述した動作は、パラメータ格納部２６にあらかじめパラメータが設定されており、自律移動装置３が通常動作で移動することが可能であることを想定しているが、パラメータ格納部２６にパラメータを設定していない状態において、自律移動装置３を基準点に位置させ、ローカル座標系ｏ−ｘｙの原点（ｏ）の周りで自律移動装置３を回転させることにより（つまり、電波発信器１に対する自律移動装置３の向きを変化させることにより）、各方位に関するパラメータを実測により求めてパラメータ格納部２６に設定してもよい。
【００５６】
この場合、自律移動装置３には電波発信器１についても絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける座標位置を登録し、また絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける座標位置が既知である基準点に自律移動装置３を位置させる。パラメータ格納部２６にパラメータが設定されていない状態では、自律移動装置３を移動させることができないが、キャリブレーション動作として、ローカル座標系ｏ−ｘｙの原点（ｏ）の周りに回転するように駆動装置３１を制御するとともに、各回転位置でパラメータ格納部２６にパラメータを書き込む動作を可能にしておけば、パラメータ格納部２６に設定されるパラメータを実使用環境に合わせて自動的に設定することができる。つまり、電波暗室などにおいてパラメータ格納部２６にパラメータを設定する作業が不要になる。
【００５７】
なお、パラメータ格納部２６において全方位のパラメータを上述の処理で設定する場合には、レーザレーダ５についても全方位における物体の検出が可能になる構成のものを採用する必要がある。また、距離ｒが変化すれば電波の到達経路に変化を生じることがあり、電波発信器１が存在する方位が同じであっても距離ｒの変化によってパラメータが変化することがある。したがって、自律移動装置３が移動する領域内で基準点を設定するのが望ましい。あるいはまた、複数の基準点において求めた同方位に関する複数個のパラメータの平均値を当該方位のパラメータに用いるようにしてもよい。
【００５８】
ところで、位置検出器２では電波発信器１からの電波の受信電力が過小であると、Ｓ／Ｎ比が低下し、また受信電力が過大であると内部回路（とくに、ＡＤ変換部２２ｄ）が飽和するから、電波の到来方位を正確に反映した適正なアレイ応答ベクトルを生成することができない。位置検出器２では、絶対座標系Ｏ−ＸＹにおける座標位置を決定するために、３台以上の電波発信器１からの電波を同時に受信する必要があるから、自律移動装置３が移動する対象平面には、位置検出器２での受信電力が適正範囲になるような位置関係で３台以上の電波発信器１が配置される。言い換えると、図８に示すように、出力する電波の電界強度が規定値以上である領域Ｄ１が３台以上の電波発信器１において重複するように電波発信器１が配置される。
【００５９】
一方、レーザレーダ５は近距離に存在する物体を検出するものであるから、リフレクタ１２の存在する方位をレーザレーダ５が検出できる距離は、位置検出器２が適正範囲の受信電力で電波発信器１からの電波を受信できる範囲の半径よりも短い（たとえば、図８の領域Ｄ２でレーザレーダ５が有効になる）。キャリブレーション動作の際にはレーザレーダ５によってリフレクタ１２を検出する必要があるから、位置検出器２で検出する電波の電界強度は大きく増加することになる。したがって、キャリブレーション動作の際には位置検出器２の内部回路が飽和する可能性が生じる。位置検出器２の内部回路の飽和を防止するには、電波発信器１の出力を低下させることが考えられるが、その場合には、通常動作時において位置検出器２で電波を受信可能な領域が狭くなるから、電波発信器１の設置台数が増加してコスト高になる。
【００６０】
そこで、本実施形態では、位置検出器２に設けたアッテネータ２２ａの減衰率を、通常動作時とキャリブレーション動作時とで変更している。つまり、キャリブレーション動作時において通常動作時よりもアッテネータ２２ａによる減衰率を大きくすることにより、電波発信器１から出力する電波の電界強度を比較的大きくとって電波発信器１の台数の増加を抑制しながらも、キャリブレーション動作の際には自律移動装置３を電波発信器１に接近させてレーザレーダ５によるリフレクタの検出範囲内で電波の到来方位を検出することが可能になる。アッテネータ２２ａの減衰率の切換のために、位置検出器２を構成するＤＳＰ２０ａに受信強度を検出する機能を設けておき、キャリブレーション動作の際には、受信強度が規定の範囲内に収まるようにアッテネータ２２ａの減衰率を制御する。アッテネータ２２ａは素子アンテナ２１ａごとに設けられているが、減衰率は一定にし、各素子アンテナ２１ａの出力の振幅が変化する割合を等しくする。
【００６１】
なお、自律移動装置３の移動中に、通常動作からキャリブレーション動作に移行させたときには、発信器座標記憶部２４を参照することにより、キャリブレーション動作に移行した時点の自律移動装置３の位置に近い３台の電波発信器１を検出し、各電波発信器１に順に近付くことにより、各電波発信器１からの電波の到来方位に関するキャリブレーションを行う。キャリブレーション動作へは適宜の指示を与えることにより移行させ、３台の電波発信器１に対するキャリブレーション動作を行った後には、３台の電波発信器１からの電波を同時に受信できる位置に戻り、自動的に通常動作に復帰する。
【００６２】
図８の例では、キャリブレーション動作に移行すると、上の電波発信器１の周囲に設定した基準点Ａｃの周りで回転し、次に左下の電波発信器１の周囲に設定した基準点Ａｃの周りで回転し、最後に右下の電波発信器１の周囲に設定した基準点Ａｃの周りで回転した後に、３台の電波発信器１に囲まれた領域に戻るのである。
【００６３】
上述の例では、キャリブレーション動作の際にアッテネータ２２ａにより素子アンテナ２１ａの出力を減衰させる例を示したが、レーザレーダ５によるリフレクタの検出が可能な領域Ｄ２の中で受信電力が過大になったり過小になったりしない領域（領域Ｄ２の外縁部付近）が存在する場合には、アッテネータ２２ａを用いずに自律移動装置３を当該領域に移動させてキャリブレーション動作を行うようにしてもよい。
【００６４】
なお、上述の構成例ではデッドレコニング４を設けているが、デッドレコニング４は必ずしも必要ではなく、また速度センサ４１やジャイロセンサ４２からなるデッドレコニング４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。
【００６５】
アンテナ２１としては、素子アンテナ２１ａが４素子であるアレイアンテナを用いているが、モノポールである励振素子（素子アンテナ）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）を用いてもよい。パラサイト負荷切替型アンテナはパラサイト素子のリアクタンスを切り換えて異なる時刻に受信した出力をアンテナの応答ベクトルに用いるから、応答ベクトルの成分は時間のずれを持つことになるが、この時間は短時間であるから同時刻に得た成分とみなすことができる。パラサイト負荷切替型アンテナをアンテナ２１に用いる場合には、パラサイト素子のリアクタンスを切り替えるためのリアクタンス切替部を位置検出器２に設ける必要がある。もっとも、自律移動装置３ではアンテナ２１の位置が時々刻々変化するから、パラサイト負荷切替型アンテナのように各パラサイト素子のリアクタンスを順次切り換えることによってアレイ応答ベクトルを求めるアンテナよりも、上述したアレイアンテナのほうが現在位置の測定誤差を少なくすることができるので、アレイアンテナを用いるほうが望ましい。
【００６６】
上述した実施形態では、混合回路２２ｂにおいてＩＱ分離を行っているが、ＡＤ変換部２２ｄによるＡＤ変換後にＩＱ分離を行うようにしてもよい。この場合、ＤＳＰ２０ａにおいてソフトウェアを用いてＩＱ分離を行うから、ＡＤ変換部２２ｄにおいて実数成分と虚数成分とを個別に扱う必要がなく、ハードウェアの構成は簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施形態を示すブロック図である。
【図２】同上における位置検出器の一部の構成例を示すブロック図である。
【図３】同上に用いる電波発信器を示す斜視図である。
【図４】同上の原理説明図である。
【図５】同上の動作説明図である。
【図６】同上における位置の求め方を示す原理説明図である。
【図７】同上におけるキャリブレーション動作の原理説明図である。
【図８】同上の動作説明図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  電波発信器
２  位置検出器
３  自律移動装置
４  デッドレコニング
５  レーザレーダ
２０ａ  ＤＳＰ
２０ｂ  内部メモリ
２１  アンテナ
２２  信号処理回路部
２２ａ  アッテネータ
２２ｂ  混合回路
２２ｃ  局部発振回路
２２ｄ  ＡＤ変換部
２３  到来方位推定部
２４  発信器座標記憶部
２５  測位処理部
２６  パラメータ格納部
２７  動作制御部
２８  キャリブレーション部
３１  駆動装置
３２  運転制御装置
４１  速度センサ
４２  ジャイロセンサ
４３  走行演算部
【図１】
2007200045.tif 000007
【図２】
2007200045.tif 000008
【図３】
2007200045.tif 000009
【図４】
2007200045.tif 000010
【図５】
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【図６】
2007200045.tif 000012
【図７】
2007200045.tif 000013
【図８】
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