(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電可能なバッテリを電源として駆動される走行車において、
前記走行車に搭載される姿勢変化を検出するためのジャイロセンサと、
前記バッテリを充電するための充電器と前記走行車が合体されたことにより前記ジャイロセンサの電源投入が開始されてから、設定時間経過後に前記ジャイロセンサの出力電圧値をサンプリングし設定回数平均化処理して比較基準電圧値を決定する比較基準電圧決定手段と、
前記走行車が走行中に前記ジャイロセンサによって出力されるセンサ出力電圧値から前記比較基準電圧値を減算した値を積分することにより姿勢を算出する姿勢算出手段とを具備した自律走行車。
【請求項２】
前記姿勢算出手段で算出された出力積分値は前記走行車が走行中にリセット可能であり、前記比較基準電圧決定手段で決定された比較基準電圧値は、走行車が走行中にリセットできないように構成されていることを特徴とする請求項１記載の自律走行車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ジャイロセンサを用いて姿勢変化を検出しながら自律走行する自律走行車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、走行車の姿勢（方位）を検出するために、ジャイロセンサ等の角速度センサで検出されたセンサ出力値（角速度情報）を積算して現在の方位を求める方法が知られている。このジャイロセンサは、走行車の停止中にはセンサ出力値が変化分が０であるはずである。しかしながら、走行車が停車中でも温度や湿度の影響を受けるためセンサ出力値は変化分は０とはならず、あたかも姿勢変化が生じた様に検出される。
【０００３】
そこで、走行車の停車中にセンサ出力値をサンプリングして平均化処理し、その求められた平均値を比較基準電圧値と設定していた。そして、走行中のセンサ出力値と比較基準電圧値の差分を積分して、姿勢変化量として検出していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
また、ジャイロセンサは、一般に電源投入直後に出力変動、いわゆる電源ドリフトが大きいことが知られている。充電可能なバッテリを電源として搭載し、前記バッテリを電源とするジャイロセンサを搭載した走行車において、電源投入時直後から前記ジャイロセンサの出力信号を検出すると、電源ドリフトが大きいため、姿勢（方位）検出の精度が低下してしまう問題があった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、その目的は、充電可能なバッテリを電源として駆動される走行車に搭載されるジャイロセンサにおいて精度の高い姿勢（方位）を得ることができる自律走行車を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の自律走行車は、充電可能なバッテリを電源として駆動される走行車において、前記バッテリを充電するための充電器と前記走行車が合体されたことにより前記走行車に搭載される姿勢変化を検出するためのジャイロセンサの電源投入が開始されてから、設定時間経過後に前記ジャイロセンサの出力電圧値をサンプリングし設定回数平均化処理して比較基準電圧値を決定し、走行車が走行中に前記ジャイロセンサによって出力されるセンサ出力電圧値から前記比較基準電圧値を減算した値を積分することにより姿勢を算出するようにしている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【０００８】
図１は自律走行車の構成を示す一部切欠した図で、下部が略円形状で上部が略半球形状になっている走行車本体１の前面から側面に跨った下部の円弧状外周に複数の送信用超音波センサ２Ｓと受信用超音波センサ２Ｒを所定間隔で交互に配置して障害物センサ２を形成している。前記障害物センサ２の各超音波センサは床面に対して平行に配置される。
【０００９】
また、前記走行車本体１の底部略中央の左右にそれぞれ左駆動輪８ａ、右駆動（図示しない）を取り付け、この各駆動輪８ａ，…をそれぞれ左走行モータ９ａ、右走行モータ（図示しない）で減速機構（図示せず）を介して回転駆動するようになっている。そして、前記各駆動輪８ａ，…の回転をそれぞれ左右のロータリーエンコーダ１０ａ，１０ｂで検出するようにしている。また、前記本体１１には、走行車に加わる角速度を検出するジャイロセンサ３１が搭載されている。
【００１０】
前記走行車本体１の底部後端中央には回転自在で方向が自由に変化する旋回輪１１が取り付けられている。また、前記走行車本体１内には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の制御回路部品を組み込んだ回路基板１２及び各部に電源を供給するバッテリ１３が収納されている。
【００１１】
図２は制御部の構成を機能的に示す機能ブロック図で、この自律走行車は、機能的には、前記障害物センサ２及び左右のエンコーダ１０ａ，１０ｂ、ジャイロセンサ３１からなる走行用センサ２１、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）からなり、前記バッテリ１３によって電源のバックアップを受けている記憶部２２、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＯＭ（リード・オンリー・メモリ）、Ｉ／Ｏポートの複合体からなる制御部２３を有する。このＲＯＭには、図６〜図８のフローチャートに示す処理を行なうプログラムが記憶されている。
【００１２】
記憶部２２には、後述するジャイロセンサ３１の出力電圧を比較する基準値である比較基準電圧値Ｖthと、ジャイロセンサ３１の出力電圧から比較基準電圧値を減算した値を積分した値である姿勢（方位）を示す出力積分値が記憶されている。
【００１３】
前記制御部２３は、走行するためにモータ制御部２３を制御する走行制御部２３１、前記左右のエンコーダ１０ａ，１０ｂの出力から移動量と移動方向を算出する位置・方向特定部２３２を設けている。
【００１４】
さらに、この制御部２３には、バッテリ１３を充電するための後述する充電台３２と前記走行車が合体されて前記バッテリ１３への充電が開始されてから、設定時間を計数するためのタイマ２３ｔ、ジャイロセンサ３１の出力電圧値を平均化する回数を計数するカウンタ２３ｃが設けられている。
【００１５】
３１は走行車に加わる角速度を検出するジャイロセンサ、３２はバッテリ１３を充電する充電台３２である。この充電台３２はバッテリ１３が充電台３２に合体されるとその合体信号を制御部２３に出力する。
【００１６】
また、走行車３３の走行を開始させるスタートスイッチ３３及びリセットスイッチ３４の操作信号は制御部２３に入力される。
【００１７】
次に、上記のように構成された本発明の一実施の形態の動作について説明する。まず、ジャイロセンサ３１の特性について説明する。
【００１８】
ジャイロセンサ３１は電源投入直後には電源ドリフトが大きいことが知られている。図３に示すように、ジャイロセンサ３１は電源投入直後には電源ドリフトが大きいが、１５分程度経過すれば電源ドリフトは小さくなることが確認された。また、ジャイロセンサ３１の出力電圧値は図４に示すように５ｍV前後の細かい振れを持っており、図５に示すように平均回数、平均化時間が長いほど誤差が小さくなることが判明した。図５に示すように、サンプル回数が５１２回（つまり、５１２回×１０ｍS＝５．１２秒）以上平均化してもほとんど影響が無いことが判った。また、図５を見ても明らかなように、サンプル回数が２５６回（２５６回×１０ｍｓ＝２．５６秒）でも誤差は少ないことが確認されているので、この実施の形態では平均回数を２５６回と設定した。
【００１９】
次に、図６〜図８のフローチャートを参照して本発明の一実施の形態の動作について説明する。まず、走行車本体１は充電台３２に合体されたかが判定される（ステップS１）。この判定は、充電台３２から合体信号が制御部２３に入力されているかで判定される。このステップS１の判定で「ＹＥＳ」と判定された場合には、タイマ２３ｔの計時動作がスタートされる（ステップS２）。そして、バッテリ１３の充電が開始される。バッテリ１３の充電が開始されると同時に、前記ジャイロセンサ３１の電源投入が開始される。そして、バッテリ１３の充電が開始されてから、換言すると、ジャイロセンサ３１の電源投入が開始されてから設定時間（例えば、１５分）が経過したかが判定される（ステップS３）。これは、図３に示すように、前記ジャイロセンサ３１の電源投入が開始されてから１５分程度経過すれば電源ドリフトは小さくなるからである。このステップS３の判定で「ＮＯ」と判定されている間はステップS２の計時動作が継続される。
【００２０】
ステップS３の判定で「ＹＥＳ」、つまり設定時間が経過したと判定された場合には、記憶部２２の比較基準電圧Ｖth及び出力積分値がリセットされる（ステップＳ３ａ）。そして、走行車本体１は静止しているかが判定される（ステップS４）。つまり、左エンコーダ１０ａ及び右エンコーダ１０ｂの出力を検知することにより、走行車本体１が停止しているか否か判定される。
【００２１】
このステップS４の判定で「ＹＥＳ」と判定された場合には、ジャイロセンサ３１から出力される出力電圧値を取得し（ステップS５）、それを平均化する（ステップS６）。そして、平均化回数が設定回数（例えば、２５６回）に達したかが判定される（ステップS７）。このステップS７において「ＮＯ」と判定されている間は、ステップS４以降の処理が繰り返される。前記設定時間の経過時点では、バッテリ１３は充電中であるので、走行車本体１は静止している状態である。
【００２２】
そして、このステップＳ７の判定で「ＹＥＳ」と判定された場合には、比較基準電圧値Ｖthが決定されて記憶部２２に記憶される（ステップＳ８）。つまり、この比較基準電圧値Ｖthは走行車本体１が静止しているときのジャイロセンサ３１の出力電圧値を２５６回計測して平均した値となる。ステップＳ４〜Ｓ８により比較基準電圧決定手段が構成される。
【００２３】
次に、走行車の走行を開始させるスタートスイッチ３３の操作により制御部２３に入力される走行スタート信号を検知したかが判定される（ステップS９）。このステップS９において「ＹＥＳ」と判定された場合には、実際に走行車が走行される。そして、ジャイロセンサ３１の出力電圧値Ｖから記憶部２２に記憶されている比較基準電圧値Ｖthが減算された値の積分が開始される（姿勢算出手段）（ステップS１０）。そして、その出力積分値は記憶部２２に記憶される。次に、走行車本体１は充電台３２に戻ったかが判定される（ステップS１１）。そもそも、充電台３２の位置情報は予め設定されている。従って、充電台３２の位置から走行車が走行開始し、走行すべき領域を走行すると、左エンコーダ１０ａ及び右エンコーダ１０ｂの出力から算出された移動量及びジャイロセンサ３１で検出された姿勢変化に基づいて走行車が充電台３１に戻ったかが判定される。
【００２４】
このステップS１１の判定で「ＹＥＳ」と判定されると前記ステップS２の処理に戻って、再度充電が行なわれる。
【００２５】
一方、ステップS１１の判定で「ＮＯ」と判定された場合には、ステップS１２以降の処理が開始される。そして、走行車の走行を開始させるスタートスイッチ３３の操作により制御部２３に入力される走行スタート信号を検知したかが判定される（ステップS１２）。
【００２６】
このステップS１２の判定で「ＹＥＳ」と判定される場合は、記憶部２２の比較基準電圧Ｖth及び出力積分値がリセットされる（ステップＳ１２ａ）。このステップS１２の判定で「ＹＥＳ」と判定される場合は、走行車本体１が充電台３２に合体していない状態から走行開始される場合である。このような場合としては、ユーザが本体１を充電台３２から持ち運び、任意の位置でスタートさせるような場合がある。
【００２７】
つまり、ステップS１２で「ＹＥＳ」と判定された場合には、走行車本体１のバッテリ１３にはすでに十分な充電がなされていると判断されるため、図６のステップＳ６の設定時間の経過は判断しない。なぜなら、走行車本体１のバッテリ１３の充電完了時では、既に前記ジャイロセンサ３１の電源投入が開始されて前記設定時間（１５分以上）経過しているため、電源ドリフトは小さいからである。
【００２８】
つまり、走行車本体１は静止しているかが判定される（ステップS１３）。つまり、左エンコーダ１０ａ及び右エンコーダ１０ｂの出力を検知することにより、走行車本体１が停止しているか否か判定される。
【００２９】
このステップS１３の判定で「ＹＥＳ」と判定された場合には、ジャイロセンサ３１から出力される出力電圧値を取得し（ステップS１４）、それを平均化する（ステップS１５）。そして、平均化回数が設定回数（例ば、２５６回）に達したかが判定される（ステップS１６）。このステップS１６において「ＮＯ」と判定されている間は、ステップS１３以降の処理が繰り返される。
【００３０】
そして、このステップＳ１６の判定で「ＹＥＳ」と判定された場合には、比較基準電圧値Ｖthが決定されて記憶部２２に記憶される。つまり、この比較基準電圧値Ｖthは走行車本体１が静止しているときのジャイロセンサ３１の出力電圧値を２５６回計測して平均した値となる。
【００３１】
そして、ジャイロセンサ３１の出力電圧値Ｖから記憶部２２に記憶されている比較基準電圧値Ｖthが減算された値の積分が開始される（ステップS１８）。そして、その出力積分値は記憶部２２に記憶される。次に、走行車本体１は充電台３２に戻ったかが判定される（ステップS１９）。この判定は前述したスイップＳ１１の判定と同じように判定される。
【００３２】
このステップS１９の判定で「ＹＥＳ」と判定されると前記ステップS２の処理に戻って、再度充電が行なわれる。
【００３３】
ところで、リセットスイッチ３４の操作処理について図８のフローチャートを参照して説明する。左エンコーダ１０ａ及び右エンコーダ１０ｂの出力に基づいて走行車本体１が走行中であるかが判定される（ステップS２０）。このステップS２０の判定で「ＮＯ」と判定された場合には、リセットスイッチ３４が操作されたかが判定される（ステップS２１）。このステップS２１の判定で「ＹＥＳ」と判定された場合には、記憶部２２に記憶されているジャイロセンサ３１の出力積分値はリセットされ、比較基準電圧値Ｖthはリセットされない（ステップS２２）。
【００３４】
このように、走行中に記憶部２２の出力積分値をリセットしても、比較基準電圧値Ｖthは走行中にはリセットしないようにしたので、不要に比較基準電圧値Ｖthをリセットしてしまうことを防止することにより、ジャイロセンサにおいて精度を保つことができる。
【００３５】
なお、この実施の形態では、走行車本体１が充電台３２と合体しバッテリ１３の充電が開始されると同時に前記ジャイロセンサ３１の電源投入が開始されていたが、電源投入開始を遅らせても良い。この場合、ジャイロセンサ３１が電源投入後に電源ドリフトが小さくなる時間（１５分程度）に、更に電源投入開始を遅らせる時間を足した時間を設定時間とすれば良い。但し、この設定時間は、バッテリ１３の充電完了に要する時間よりも短くする。
【００３６】
以上のように、バッテリ１３により駆動され充電が必要な走行車に搭載したジャイロセンサ３１の出力を積分して姿勢変化を検出して、走行情報として利用する走行車において、充電台３２に合体してバッテリ１３の充電を開始し、ジャイロセンサ３１への電源投入を開始して設定時間（１５分以上）の後にジャイロセンサの出力電圧の積算値及び比較基準電圧値をリセットすると共に、比較基準電圧Ｖthを算出するために充電台３２に合体した静止状態を保ちつつ、ジャイロセンサ３１の出力電圧値を積算（１０ｍS×２５６＝２．５６秒以上）して平均化して出力積分値を算出するようにしたので、電源ドリフトの影響をなくし、しかもジャイロセンサ３１が持つ５ｍＶ前後の細かい振れによる誤差を小さくすることができる。更に、これらのジャイロセンサ３１の検出精度をあげるための処理は、バッテリ１３の充電中に行なわれるため、前記処理を要する時間を特に設ける必要はなくなる。
【００３７】
また、前記走行車が前記バッテリを充電するための充電器と合体されて前記バッテリへの充電が開始されてから設定時間経過後に前記バッテリを充電するための充電器から外された状態で走行を開始するスタートスイッチが操作された場合でも、電源ドリフトの影響をなくし、しかもジャイロセンサ３１が持つ５ｍＶ前後の細かい振れによる誤差を小さくすることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、ジャイロセンサが搭載されしかも充電可能なバッテリを電源として駆動される走行車において、ジャイロセンサにより精度の高い姿勢（方位）を得ることができる自律走行車を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る自律走行車の構成を示す一部切欠した図。
【図２】同実施の形態の制御部の構成を機能的に示すブロック図。
【図３】同実施の形態に係る量子化誤差がないＡ／Ｄ値の時間的変化を示す図。
【図４】ジャイロセンサの出力電圧値の特性図。
【図５】量子化誤差のない値の誤差とサンプル数との関係を示す図。
【図６】同実施の形態の動作を説明するためのフローチャートの一部。
【図７】同実施の形態の動作を説明するためのフローチャートの一部。
【図８】同実施の形態のリセットスイッチの動作を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
１…走行車本体、
２…障害センサ、
１３…バッテリ、
２２…記憶部、
２３…制御部、
３１…ジャイロセンサ、
３２…充電台、
３３…スタートスイッチ、
３４…リセットスイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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