(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部管制塔からの測定結果による移動体（１）の位置座標が（Ａ0 ）である場合に、少なくとも通信時間および計測演算の処理時間の遅延時間分だけ、時間補正手段（２４）により移動体自身の位置計測値にて補正して、現在の移動体（１）の位置座標（Ａ1 ）を予測し、外部管制塔からの測定結果により位置座標が更新された場合、順次位置座標（Ａ1 、Ａ2 、Ａ3 ・・・）を取得し、灯台計測軌跡（Ａ）を得て、また、初期状態のみ外部管制塔の計測結果による移動体（１）の位置座標（Ｂ1 ）を取得し、その後は移動量算出手段（２５）の算出結果を加算して、順次位置座標（Ｂ1 、Ｂ2 、Ｂ3 ・・・）を取得し、移動体計測軌跡（Ｂ）を得て、移動体（１）の位置認識の座標として、前記外部管制塔により計測した位置座標（Ａ1 、Ａ2 、Ａ3 ・・・）と、移動体自身の計測した位置座標（Ｂ1 、Ｂ2 、Ｂ3 ・・・）の、内分点（Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 ・・・）であるマッチング軌跡（Ｃ）を得る制御であり、該内分点（Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 ・・・）は前記外部管制塔により計測した位置座標（Ａ1 、Ａ2 、Ａ3 ・・・）と、移動体自身の計測した位置座標（Ｂ1 、Ｂ2 、Ｂ3 ・・・）を、０から１の間で時間経過につれて１に近付いて最終値を１とする遷移係数（λ）による『λ×Ａ＋（１−λ）×Ｂ』で算出する内分点としたことを特徴とする移動体の位置認識方法。
【請求項２】
前記外部管制塔からの位置計測値が設定回数以上連続して同じ値である場合には、該外部管制塔による位置計測値の遷移係数（λ）を０とし、内分比（λ：１−λ）を０：１として、移動体自身の位置計測値のみで、位置認識することを特徴とする請求項１記載の移動体の位置認識方法。
【請求項３】
システム復帰後に、外部管制塔からの位置計測値が、前回値と異なる値となった場合には、再び、外部管制塔からの位置計測値と移動体自身の位置計測値との内分値、即ちマッチング軌跡（Ｃ）により位置認識を行うよう制御したことを特徴とする請求項２記載の移動体の位置認識方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
農作業の省力化を実現する技術の一つに、トラクタやコンバイン、田植機等の各種車両式作業機の無人化がある。また、車両式作業機の無人化を実現する課題の一つとして移動体自身の作業フィールド内における位置認識技術の確立がある。本発明は、トラクタ等の農作業機の無人化を目的とした汎用的な移動体の位置認識技術に関する発明であり、特に、通信タイムラグによって生じる、位置認識のずれを最小限に補正して高い精度を維持することを可能とした位置認識技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より移動体の位置認識技術としては、移動体自身以外に設置された管制塔のようなもの、例えばレーザ灯台や人工衛星を利用したＧＰＳによって移動体の位置認識を可能としていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、例えばレーザ灯台を管制塔として位置認識を行う場合、移動体との間での通信が行われることとなる。つまり、レーザ灯台は移動体の取付けられた反射鏡等から移動体の位置を認識するが、この認識結果を通信により移動体に送信することとなる。このため、通信タイムラグ及び座標解析処理等に処理時間を要するため、移動走行中の移動体がその位置情報を取得した場合には、既に取得した位置座標からは別の座標に移動していることとなる。このことは、将来的に移動体自身がフィールド内の位置を認識して、ステアリングの自動操作を行うことを考慮すると、現在位置の認識ずれが自動走行に支障を生じさせることが考えられ、無人化を目的とした本技術においては、位置認識のさらなる精度の向上が望まれているのである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
以上が本発明の解決する課題であり、次に課題を解決するための手段を説明する。
請求項１においては、外部管制塔からの測定結果による移動体（１）の位置座標が（Ａ0 ）である場合に、少なくとも通信時間および計測演算の処理時間の遅延時間分だけ、時間補正手段（２４）により移動体自身の位置計測値にて補正して、現在の移動体（１）の位置座標（Ａ1 ）を予測し、外部管制塔からの測定結果により位置座標が更新された場合、順次位置座標（Ａ1 、Ａ2 、Ａ3 ・・・）を取得し、灯台計測軌跡（Ａ）を得て、また、初期状態のみ外部管制塔の計測結果による移動体（１）の位置座標（Ｂ1 ）を取得し、その後は移動量算出手段（２５）の算出結果を加算して、順次位置座標（Ｂ1 、Ｂ2 、Ｂ3 ・・・）を取得し、移動体計測軌跡（Ｂ）を得て、移動体（１）の位置認識の座標として、前記外部管制塔により計測した位置座標（Ａ1 、Ａ2 、Ａ3 ・・・）と、移動体自身の計測した位置座標（Ｂ1 、Ｂ2 、Ｂ3 ・・・）の、内分点（Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 ・・・）であるマッチング軌跡（Ｃ）を得る制御であり、該内分点（Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 ・・・）は前記外部管制塔により計測した位置座標（Ａ1 、Ａ2 、Ａ3 ・・・）と、移動体自身の計測した位置座標（Ｂ1 、Ｂ2 、Ｂ3 ・・・）を、０から１の間で時間経過につれて１に近付いて最終値を１とする遷移係数（λ）による『λ×Ａ＋（１−λ）×Ｂ』で算出する内分点とした移動体の位置認識方法である。
【０００５】
請求項２においては、前記外部管制塔からの位置計測値が設定回数以上連続して同じ値である場合には、該外部管制塔による位置計測値の遷移係数（λ）を０とし、内分比（λ：１−λ）を０：１として、移動体自身の位置計測値のみで、位置認識する移動体の位置認識方法である。
【０００６】
請求項３においては、システム復帰後に、外部管制塔からの位置計測値が、前回値と異なる値となった場合には、再び、外部管制塔からの位置計測値と移動体自身の位置計測値との内分値、即ちマッチング軌跡（Ｃ）により位置認識を行うよう制御した移動体の位置認識方法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を添付の図面を用いて説明する。図１は本発明に係る位置認識システムを搭載した移動体の側面図、図２は同じく平面図、図３は本発明に係る位置認識システムの構成図、図４は自動追尾レーザ灯台による座標解析の模式図、図５はフィールド内を走行する移動体及び自動追尾レーザ灯台を上方から見た図、図６は従来の位置認識による精度を示すグラフ、図７は本発明の位置認識システムにおける信号処理図、図８は内分点による座標解析を示す模式図、図９は本発明の位置認識による精度を示すグラフである。
【０００８】
図１及び図２は本発明に係る位置認識システム１０を塔載した車両式作業機等の移動体１であり、車両前後に前輪２・２及び後輪３・３を配し、車両後部には追尾用反射鏡１１を配設している。追尾用反射鏡１１は後述する自動追尾レーザ灯台４から照射される走査光を反射することにより、該移動体１の位置認識を可能とするものであり、本発明においては、該追尾用反射鏡１１を移動体１の後輪軸３ａ上で、後輪３・３の略中央位置に配設するようにしている。つまり、追尾用反射鏡１１を駆動輪である後輪３・３の中央位置に配設することで、正確な位置認識を可能としている。
【０００９】
図３は、本発明に係る位置認識システム１０の構成を示す。位置認識システム１０は移動体１に搭載された前記追尾用反射鏡１１、地磁気センサ１２、車輪回転センサ１３、制御部２０、及び、フィールド内の適宜位置に配設される自動追尾レーザ灯台４に搭載された測量器４ａ、制御部３０等とから構成されている。そして、地磁気センサ１２により移動体１は方位角を計測可能とし、前後左右の車輪２・２・３・３に配設された車輪回転センサ１３により移動距離を計測可能としている。
【００１０】
外部管制塔である自動追尾レーザ灯台４には、上下及び水平方向に回動自在に支持された測量器４ａを配し、該測量器４ａが追尾用反射鏡１１に対して走査光を照射し、前記追尾用反射鏡１１により反射された走査光の検出結果に基づく演算により移動体１の位置認識を行うとともに、移動体１の走行に伴い移動する追尾用反射鏡１１を自動追尾するものである。
【００１１】
ここで、自動追尾レーザ灯台４による移動体１（正確には追尾用反射鏡１１）の座標演算方法について説明する。図４の如く、自動追尾レーザ灯台４の測量器４ａ上に測定点Ｓ0 をとり、追尾用反射鏡１１を点Ｐとする。測量器４ａは追尾用反射鏡１１から反射される走査光の検出結果に基づいて、測定点Ｓ0 に対する点Ｐ（追尾用反射鏡１１）の斜距離ＳＤ、垂直角Ｖ、水平角Ｈを算出する。そして、点Ｓ0 を含むｘｙ平面への点Ｐの投影点を点Ｈ0 とすれば、点Ｓ0 から点Ｈ0 までの距離ＬはＬ＝ＳＤ×ｃｏｓ（π／２−Ｖ）となる。そして、測量器４ａの直下の地面に基準点Ｂ0 （ｘ０、ｙ０、ｚ０）をとり、測定点Ｓ0 の高さをｈとすれば、追尾用反射鏡１１の座標Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ）は、ｘ＝Ｌ×ｃｏｓ（Ｈ）＋ｘ０、ｙ＝Ｌ×ｓｉｎ（Ｈ）＋ｙ０、ｚ＝ＳＤ×ｃｏｓ（Ｖ）＋ｚ０＋ｈで求まる。
【００１２】
そして、自動追尾レーザ灯台４の制御部３０において上記算出方法により測定された移動体１の座標位置は、図３及び図５で示すように通信によって移動体１の制御部２０に送信される。もしくは、上述した測定値（斜距離ＳＤ、垂直角Ｖ、水平角Ｈ）を通信により移動体１の制御部２０に送信し、制御部２０において上記座標演算を行う構成としてもよい。なお、本実施例で示した座標算出方法は一実施例であり、算出方法はこれに限定されるものではない。
【００１３】
これら移動体１及び自動追尾レーザ灯台４間における処理時間は、測定器４ａと追尾用反射鏡１１間における走査光の照射及び検出時間、移動体１と自動追尾レーザ灯台４間の通信の確立、及びデータ転送時間、そして座標演算処理時間の積算時間となる。このため、正確な位置認識を行うためには、連続的な座標位置の取得が望ましいが、移動体１のある時点での座標位置を算出してから、次の座標位置を検出するまでにはタイムラグが生じることとなる。
【００１４】
図６は、自動追尾レーザ灯台４による位置認識結果を表すグラフである。これは移動体１がＸ軸方向に直進走行を行った場合の試験結果であり、グラフで表すように移動体１は実際には略等速走行を行っており、そのグラフが直線で表されている。これに対し、自動追尾レーザ灯台４による位置認識結果は、処理時間のタイムラグにより階段状のグラフとなっており、検出結果が離散的であることを示している。つまり、ある時点の位置認識から、次の位置認識の検出が行われるまでの間に、実際の座標からのずれが生じるのである。そして、実際の移動体１の位置と、自動追尾レーザ灯台４の位置認識結果の誤差が大きくなっている。（例えば、本結果によれば誤差は０．２ｍから０．６ｍの間を推移し、将来的に自動走行を行うことが困難である。）
【００１５】
次に、本発明に係る位置認識システム１０による位置認識方法について説明する。図７は制御部２０における信号処理図である。まず、制御部２０は前述の如く自動追尾レーザ灯台４による測定結果から追尾用反射１１位置（座標）を取得可能としている。本実施例においては、自動追尾レーザ灯台４より通信で取得した前記測定結果より制御部２０の反射鏡位置計測手段２１によって追尾用反射鏡１１の位置座標を算出する。
【００１６】
一方、方位角計測手段２２は移動体１に配設された地磁気センサ１２の検出結果より方位角情報を出力し、移動距離計測手段２３は回転センサ１３の検出結果より移動距離情報を出力する。そして、該方位角情報及び移動距離情報をもとに、移動量演算手段２５が移動体１の移動量を算出するのである。
【００１７】
また、移動体１は移動走行を行いながら自動追尾レーザ灯台４の測定結果から移動体自身の位置座標を取得するため、前述の如く位置座標の取得にはタイムラグが生じる。このため、ある時点での位置座標を取得した場合には、既に移動体１は移動していることとなる。そこで反射鏡位置計測手段２１により出力される移動体１の位置座標を、遅れ時間補正手段２４において、前記移動量演算手段２５の算出結果をもとに補正するのである。つまり、図８で示すように、ある時点での自動追尾レーザ灯台４の測定結果による移動体１の位置座標がＡ0 である場合には、遅れ時間補正手段２４により補正を行い、現在の移動体１の位置座標をＡ1 と予測するのである。
【００１８】
そして、図７で示すようにスイッチング２７は自動追尾レーザ灯台４からの測定結果により位置座標が更新された場合（以下、灯台更新時とする）、処理回路２７ｂによって遅れ時間補正された位置座標Ａ1 を取得し、次の灯台更新時までの間は、移動量算出手段２５の算出結果を加算してループ回路２７ａより順次位置座標Ａ1 、Ａ2 、Ａ3 ・・・を取得し、灯台計測軌跡Ａ (図８に示す）を得るのである。
【００１９】
また、スイッチング２８は初期状態のみ処理回路２８ｃより自動追尾レーザ灯台４の計測結果による移動体１の位置座標Ｂ1 を取得し、その後は移動量算出手段２５の算出結果を加算してループ回路２８ａにより順次位置座標Ｂ1 、Ｂ2 、Ｂ3 ・・・を取得し、移動体計測軌跡Ｂを得るのである。なお、計測を開始する初期状態においては、移動体１は停止しているので位置座標Ａ0 （Ａ1 ）と位置座標Ｂ1 とは同一座標となる。
【００２０】
そして、図８に示すように、本発明における移動体１の位置座標は、位置座標Ａ1 、Ａ2 、Ａ3 ・・・と位置座標Ｂ1 、Ｂ2 、Ｂ3 ・・・の内分点Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 ・・・としている。内分点Ｃk は位置座標Ｂk 、Ａk をλ：１−λに内分する点であり（λを遷移係数とする）、図７で示すように、スイッチング２７・２８より出力されるそれぞれの位置座標には移動量演算手段２５により移動量の加算が行われた後、自動追尾レーザ灯台４による位置計測値には遷移係数である内分比λを乗算し、移動体自身の位置計測値には内分比１−λを乗算することにより、内分点を演算してマッチング座標として出力し、マッチング軌跡Ｃを得るのである。
【００２１】
遷移係数λは時間ｔを用いて、λ＝ｍｉｎ（λｔ・ｔ、１）より表され（つまり、λｔ・ｔ＜１においてλ＝λｔ・ｔ、λｔ・ｔ≧１においてλ＝１とする）、λｔは遷移パラメータであり、内分点Ｃk の灯台計測軌跡Ａへの近づき度合いを示す。つまり、λｔが大きければ内分点Ｃk は灯台計測軌跡Ａに早く近づく軌跡を描き、λｔが小さい場合にはその逆である。そして、ある時間ｔm が経過してλｔ・ｔm ≧１となった後は、次の灯台更新時までの間は内分点Ｃk （ｋ≧ｍ）は灯台計測軌跡Ａと一致することとなる。
【００２２】
このように、本発明の位置認識システムは自動追尾レーザ灯台４の計測結果による灯台計測軌跡Ａと、移動体自身による計測結果である移動体計測軌跡Ｂとをマッチングさせている。つまり、外部管制塔である自動追尾レーザ灯台４からの位置計測値である灯台計測軌跡Ａと、移動体自身の位置計測値である移動体計測軌跡Ｂとの内分値、即ちマッチング軌跡Ｃによって位置認識を行うよう制御しているので、自動追尾レーザ灯台４との通信等によるタイムラグによる位置認識誤差を補正して、より正確な位置認識を可能としているのである。図９は、本発明による位置認識の試験結果を表す。試験は同様に移動体１がＸ軸方向に直進した場合のものであり、本発明による灯台計測軌跡Ａと移動体計測軌跡Ｂのマッチングによる位置認識結果が実際のグラフに略近い曲線を描いていることがわかる。そして、本結果によれば実際値との誤差が数ｃｍ以内に納まり、将来的に自動走行を行うことが可能となった。
【００２３】
また、前述の如く時間ｔm 経過後、灯台計測軌跡Ａ上を位置座標として、制御部２０のスイッチング２７は順次ループ回路２７ａにより移動量を加算して移動体１の位置認識を行う。そして、次の灯台更新時には、再び前述した処理を行い灯台計測軌跡Ａと移動体計測軌跡Ｂのマッチングを行うこととなるが、図７で示すように灯台更新時においては、移動体計測軌跡Ｂの初期座標Ｂ1 は処理回路２８ｂよりマッチング座標を用いることとしている。つまり、図８で示すように、灯台計測軌跡Ａ上において灯台更新を行う前の最後の座標位置（矢視Ａe ）を次処理の初期座標Ｂ1 としているのである。このような処理を行うことにより、移動体１の位置認識による軌跡がスムーズな軌跡を描くようになり、実際の軌跡により近い連続的な変化を移動体の位置座標とすることができるのである。
【００２４】
次に、自動追尾レーザ灯台４及びその周辺システムに異常が生じた場合の制御方法について説明する。自動追尾レーザ灯台４の測量器４ａに何らかの障害が生じた場合、また、移動体１と自動追尾レーザ灯台４間における通信に障害が生じた場合などにおいては、移動体１は自動追尾レーザ灯台４による位置認識が行えなくなる。そこで、本発明においては、自動追尾レーザ灯台４からの位置計測値が設定された回数以上連続して同じ値である場合、つまり自動追尾レーザ灯台４の計測値による位置情報が更新されない場合には、前記自動追尾レーザ灯台４による位置計測値の内分比（遷移係数）を０とし、内分比（λ：１−λ）を０：１とするのである。このような制御を行うことにより、内分点Ｃk 、つまりマッチング座標は図８において移動体計測軌跡Ｂと一致することとなり、灯台更新が行われない場合においても、位置認識のずれを最小限に押さえるよう制御しているのである。
【００２５】
そして、制御部２０は自動追尾レーザ灯台４周辺のシステムに異常が生じた場合にも、灯台更新の検出処理は続行して行う。そして、再び自動追尾レーザ灯台４からの計測値による位置情報が更新された場合には、前述した内分比（λ：１−λ）をもとに、灯台計測軌跡Ａと移動体計測軌跡Ｂのマッチングを行い内分点Ｃk を移動体１の位置座標として認識するのである。つまり、外部管制塔である自動追尾レーザ灯台４からの位置計測値が、前回値と異なる値となった場合には、再び、内分によって位置認識を行うよう制御しているのである。このような制御を行うことにより、灯台更新のシステム異常中には、自動追尾レーザ灯台４の位置計測値の内分比を０として、移動体位置座標を移動体計測軌跡Ｂと一致させることにより位置認識のずれを最小限に押さえるとともに、システム復帰後は即座に内分点によるマッチング処理を行い位置認識の高い精度を確保し、システムの信頼性の向上を図っているのである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の移動体の位置認識方法は、以上の如く制御したので以下のような効果を奏するものである。
請求項１に記載の如く、外部管制塔からの測定結果による移動体（１）の位置座標が（Ａ0 ）である場合に、少なくとも通信時間および計測演算の処理時間の遅延時間分だけ、時間補正手段（２４）により移動体自身の位置計測値にて補正して、現在の移動体（１）の位置座標（Ａ1 ）を予測し、外部管制塔からの測定結果により位置座標が更新された場合、順次位置座標（Ａ1 、Ａ2 、Ａ3 ・・・）を取得し、灯台計測軌跡（Ａ）を得て、また、初期状態のみ外部管制塔の計測結果による移動体（１）の位置座標（Ｂ1 ）を取得し、その後は移動量算出手段（２５）の算出結果を加算して、順次位置座標（Ｂ1 、Ｂ2 、Ｂ3 ・・・）を取得し、移動体計測軌跡（Ｂ）を得て、移動体（１）の位置認識の座標として、前記外部管制塔により計測した位置座標（Ａ1 、Ａ2 、Ａ3 ・・・）と、移動体自身の計測した位置座標（Ｂ1 、Ｂ2 、Ｂ3 ・・・）の、内分点（Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 ・・・）であるマッチング軌跡（Ｃ）を得る制御であり、該内分点（Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 ・・・）は前記外部管制塔により計測した位置座標（Ａ1 、Ａ2 、Ａ3 ・・・）と、移動体自身の計測した位置座標（Ｂ1 、Ｂ2 、Ｂ3 ・・・）を、０から１の間で時間経過につれて１に近付いて最終値を１とする遷移係数（λ）による『λ×Ａ＋（１−λ）×Ｂ』で算出する内分点としたので、外部管制塔からの位置計測値が更新されるまでのタイムラグによっても位置認識のずれを生じさせず、位置認識の精度が向上した。
また、位置認識情報を連続的な変化として取得することが可能となり、移動体の実際の軌跡に近い位置情報を取得可能となった。
【００２７】
請求項２に記載の如く、前記外部管制塔からの位置計測値が設定回数以上連続して同じ値である場合には、該外部管制塔による位置計測値の遷移係数（λ）を０とし、内分比（λ：１−λ）を０：１として、移動体自身の位置計測値のみで、位置認識するので、外部管制塔及びその周辺システムに障害が発生した場合においても、位置認識情報に大幅なずれを生じさせることなく、より正確な位置情報を取得可能となった。
さらに、たとえ移動体が一時停止している場合でも、移動体自身の位置計測値も変化しないので、外部管制塔からの位置計測値の内分比を０としても正確に位置情報を取得できるのである。
【００２８】
請求項３に記載の如く、システム復帰後に、外部管制塔からの位置計測値が、前回値と異なる値となった場合には、再び、外部管制塔からの位置計測値と移動体自身の位置計測値との内分値、即ちマッチング軌跡（Ｃ）により位置認識を行うよう制御したので、外部管制塔及びその周辺システムの障害復旧時には、即座に内分による正確な位置情報を取得可能となり、位置認識システムとして信頼性が向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る位置認識システムを搭載した移動体の側面図である。
【図２】  同じく平面図である。
【図３】  本発明に係る位置認識システムの構成図である。
【図４】  自動追尾レーザ灯台による座標解析の模式図である。
【図５】  フィールド内を走行する移動体及び自動追尾レーザ灯台を上方から見た図である。
【図６】  従来の位置認識による精度を示すグラフである。
【図７】  本発明の位置認識システムにおける信号処理図である。
【図８】  内分点による座標解析を示す模式図である。
【図９】  本発明の位置認識による精度を示すグラフである。
【符号の説明】
１    移動体
４    自動追尾レーザ灯台
４ａ  測量器
１０  位置認識システム
１１  追尾用反射鏡
１２  地磁気センサ
１３  回転センサ
２０  制御部
３０  制御部
【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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【図９】
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