全方向移重力車のコンピュータ制御 - 津山工業高等専門学校リポジトリ

NDC 501．9
全方向移動車のコンピュータ制御
大西輝国＊橋野 賢＊＊
中 野 栄 二＊＊
（昭和61年8月30日受付）
Computer Control of a Omni−Directional Vehicle
Teruhisa ONISHI Satoshi HASHINO Eiji NAKANO
This paper deals with a cotrol method of the ODV一 ！ （Omni−Directional Vehicle−1） which is developed in
Mechanical Engineering Laboratory． This vehicle has unigue characteristic to be driven for omni−direction very
smoothly． This behicle was controlled by 12 bits−microcomputer． But in order to increase the efficency of software
development， new system by 16bits−microcomputer has been developed． ln this system， the FORTH language is
adapted for high software efficency． New control method which is application of rotaion mode is presented． By us−
ing this method， the ODV−1 can reach the destination point at designeted heading angle．
1。緒 言
工場，病院等で作業するロボットの移動部として，様々
な方式が考案され研究されている。ODV−1（OMNI
DIRECTIONAL VEHICLE−1）は，機械技術研究所で
駆動軸
／
操舵軸
／
開発された全方向移動機能を備えた最初の移動機械であ
る。従来12ビットCMOSマイクロコンピュータで制御さ
れてきたが，開発効率の相対的低下等の問題が生じて来た
多多多
ので，今回16ビットマイクロプロセッサを用いたシステム
を構成し，FORTH言語を使用してソフトウエアの開発
効率の向上を計った。そして二点問の移動と姿勢制御を同
N星
R2
Z
時に行う方式を提案し，既存設備を利用した誘導をめざし
て廊下に於けるガイド走行の基礎実験を行ったので報告す
し
るQ
恥」
2．ODV−1の機構
〆車輸
狭い室内で使用される移動機械は，小回りの利く機構を
持たなければならない。その一つの方式として全方向移動
機構が考案された。ODV−1の全方向移動車の操舵機構
の原理を図1に示す。駆動軸は，歯車比Nl：N2の傘歯車
＊津山工業高等専門学校
＊＊工業技術院機械技術研究所
一39一
Fig． 1 Steering mechanism of ODV−1．
津山高専紀要 第24号 （1986）
を介して車輪に接続されている。車輪は，駆動軸とオフ
更に自律的に移動を行う為に，次のようなセンサが取り
セットR1の距離をもって取りつけられており，半径R2
つけられている。駆動用モータの回転数は，タコゼネレー
の駆動輪が滑らかな操舵を行なう為に，N、／N2＝R、／R2
タで計測される。操舵角は，操舵軸に取りつけたポテンショ
の関係が保たれている。図1に示す駆動輪と駆動部を持
メータで測定される。障害物またはガイド対象物との距離
たない従輪が一つのペアをなし，前輪，後輪を形成して
を計測するために四個の超音波センサが，図2に示すよう
いる。図2は，全方向移動機構ODV−1の概略図である。
に車体側面に取りつけられている。また位置校正用に車体
対角二輪を駆動輪，他の対角二輪を従輪とし，前二輪及
の中央には蛍光燈検出装置が取りつけられている。更に前
び後二輪は，それぞれ同一操舵角を実現するために機械
右回にはエンコーダが取りつけられておりODV−1の移
的に連結されており，操舵用モータで駆動される。
動距離を計測する。
U．S．1（U．S．：超音波センサ｝
前駆動産
ッチ
3．制御装置の構成
前一丁
奄焔ｿ動用 ける
夢撃。チ
@1■．1 」 ．
U．S．2
1 ・且 1
浴@ トJ
h 駈
@1
車軸画転角
測定用エン
コーダ
図4に制御装置の構成を示す。CPU及びメモリ（i
8086，メモリ容量：RAM128Kバイト， ROM64Kバイ
ト），A／D， D／A， D・1／0友び各インターフェイ
【 幽
l o
f
スボードはマルチバスを介して接続される。ポテンショ
メータ及びタコゼネレータからのアナログ信号はA／D
ボードに接続される。駆動及び操舵用DCモータへの出力
前軸操舵用
モータ
蛍光燈検出装置
回
はD／Aボードを介して行われる。クラッチ切り換え用ソ
レノイドの，オン一男フ，超音波による距離の計測，エン
コーダによる移動距離の計測に関する入出力はそれぞれ
響舵用
D・1／Oボードを介して行う。蛍光燈の検出は割り込み
i
1
T 1
後軸駆動用
｡ ［
a[タ
｡ 1
h l
の計測は，市販のインスタントカメラ用超音波センサを使
含
．：
O 1
P復翰クラ
o ‘
戟@ ・
U．S．3
としてD・1／0ボードに入力される。超音波による距離
’』
、
’ ¶
訷ｹ o
i
クラッチ
後従軸
砿s．4
後駆動輸
Fig． 2 Summary of ODV−1．
用して行った。図5のように超音波送受信部は，リレー回
路を介してポラロイドカメラ用モジュールと接続されてい
る。距離は，反射波がもどるまでの時間をタイマカウンタ
で計測することによって行われ，インタフェイスを介して
D・1／0に取り込まれる。計測可
この機械的連結は，駆動輪側に設けたクラッチによっ
屍 一
ド ・セ竺型
て分離が可能で，車体の中心回りの回転モードが実現出
ゼネレータ
来るようになっている。また，各四輪共独立に懸架され
ポテ ンヨ
E・プレ・ク・
ており，地面から車輪が離れないようになっている。前
一一
サーボモータ
駆動回路
後輪が独立していること，及びクラッチが取りつけられ
CPU
ていることにより，ODV−1は，図3のように全方向
L6BITS
モード，自動車モード，旋回モード，回転モードの四種
AZD
D／A
32C日，
SCH．
12 BETS
±LOV
マルチパス
類の走行モードを実現できる。
D・1／O
D．1−O
超音波距離計
インターフェイス
蛍光燈検出器
エンコーダ
ソレノイド
駆動回路
（a）全方向モート （b）冒動車モート． （〔つ 旋回モート （d＞回転モート
Fig． 3 Moving mode of ODV−1．
Fig． 4 Control system of microcomputer．
一40一
全方向移動車のコンピュータ制御 大西・橋野・中野
蟹
超音波センサ
v
リレー一切リ
換え回路
ンスタン
超音波距離計
Jメラ用 曹シュール
Cンタフェイ
（（c
D｛／O
q
X
x
B （xd， yd）
Fig． 5 lntrface of ultora sonic sensor．
フィルタ 増幅 コンパレーータ
leO HZ 1 LrJ 一
AND
太階電池
増幅
再トリガ
a
コンパレータ
O （xo， yo）
Fig． 6 Circuit for fluorescent light−detector．
能範囲は，約27cm−5mであり，垂直面に対して±10度の
A（e，o）
l i X
範囲で正しい距離を計測することができる。
Fig． 7 Geometric relation of start and destination
蛍光燈検出の原理を以下に示す。レンズ系を使って，太
陽電池で光一電気変換された出力信号を，図6に示すよう
on turning mode．
にアンプで増幅し，100Hzのバンドパスフィルタを通過
また，前後輪の目標操舵角θfd，θ，dは，正接の関係から
させた後再度増幅し，コンパレータでスレシホールドレベ
次式で表される。
ルと比較する。もう一方は，そのままコンバレー明目でスレ
e fd ＝tanLi （ （y o 一L2／ 2 ） ／ （xo ＋Li／ 2 ））
シホールドレベルと比較する。これら2つの出力信号は，
AND回路に加えられ，更にモノマルチ回路に加える。こ
θ，d＝tan 1（（yo十L2／2）／（xo−Li／2））
の回路において出力信号は，蛍光燈を感知している問ハイ
レベルに保持される。
（ただし，L1， L2は操舵軸間の距離）
4．ODV−1による二点間の移動
目標点までの移動と，その点における姿勢制御には，従
ここで，操舵と走行は，同時に行われるのでコンピュータ
来，全方向モード，自動車モード，あ．るいはその場回転モー
のサンプルタイムAt時刻後に，目標操舵角を修正する。
ドが，組合されて使われてきた。しかしこの方式は制御は
現在の操舵角をθf，θ，とすると，瞬間中心Oi（X。i， Y。i）
簡単であるが，モード変更に時間がかかるという欠点が
は，
あった。そこでモード変更の時間を必要としないで位置と
姿勢を同時に制御する旋回モードについて検討した。
xoi＝（L2十（tanθ，十tanθf）・L1／2）／（tanθ，一tanθf）
このモードを使用すれば，位置と姿勢を同時に制御する
ことが出来る．が，走行中の操舵により回転中心が移動する
yoi＝（（tanθ，十tanθf）・L2／2十（tanθ，．tanθf●
ために，次の目標に移動する為の計算が再度必要となって
Li））／（tan 0 ，一tan e f）
くる。つぎに，この計算法について述べる。図7に示すよ
うに前後輪をある角度に固定しA（0，0）からB（Xd，
である。
yd）に移動する場合を考えると，回転中心0（Xo， yo）
姿勢角の変化，Aαは
との関係は，次のように表すことができる。
A・一一・GN（・。、）・w・At／、／（（・。、）2＋（y。、）2）
（1：）一Cliil．a
ユ
、∴〕ω
で表わされ，もとのODV−1座標系で見た∠t時刻後の
予想位置（dx，∠y）は，
一41一
津山高専紀要第24号（1986）
等しく
じ〕〔1−cos A a sin zt a −sinAa 1−cosA a〕〔：：：〕
wf＝：w ・ Rf／R，
Wr＝＝W ’ RrfR
であり
である。
ここで現在の，ODV−1座標系から見た新たな目標値
（Xd， yd） は，
Wf／wr ＝＝ Rf／Rr
となる。またエンコーダを取りつけてある前従輪の回転半
a＝＝a−zia
径R。は
〔：：〕一じ：1
：二：：〕〔：：1：：〕．
Re＝ （（X。、一L1／2）2十（y。1−L2／2）2）
一 SGN （X．i） ’ Zt Li
となる。よって二点問の移動と姿勢角の制御を微小時間
であり，重心の移動量しと，前従輪の移動量L．の関係は，
At毎に行なえば，操舵によって生じる目標点との差を
角速度が等しいことから
補正することが出来る。
但し，図8の様に操舵機構はアッカーマン機構などを
し ＝Le’RIRe
使用していないために，前従輪においては，Aθfの誤差
を有する。さらに前従輪に距離計測用のエンコーダを取
である。一方
り付けてあるための補正はつぎの様に行う。すなわち，
A ef ＝cos’i（（Rf2十R．2−Li2）／（2 ’ Rf ’ R．））
回転時の内外輪差は中心及び動輪の回転半径を，R， Rf，
R，とすると
であるから，近似的に
L＝L． ’ R／（R． ’ cos（ A e f））
Ll
S／／
y
．動輪
と表される。
Aef
従輪
W
N﹄
W
図9は，加減速ルーチンの概念図である。上記の計算方
Re
Rf
法で移動を行う場合，車輪のスリップを防ぎ，機構の保護
x
を行う為に，加減速を行う必要がある。最高速度に到達す
R
郎、、 wr θ
Aer
（xoi
， yol ）
Rr
従輪
動輪
る距離及び最高速度から停止するまでの距離をそれぞれ
Laccel， L decelとし，速度を0．1秒刻みで行うと，到達
距離は次式で表される。
Fig． 8 Steering system in turning mode．
L accel＝L decel＝（O．1十〇．2十”’十1．0） ’
O．1Wmax ＝O．55 wmax
R ＝V（（x．i）2十’
iy一．1 2）
B
Wmax
﹁﹂
﹁
メ
一 sGN （x．i） ’ A LI
1，ト■
Rf；N／（（xoi十L1／2）2十（yoi−L2／2）2）
Laccel L decel時間t
R，羅 （（xoi−L1／2）2十（yo、十L2／2）2）
Fig． 9 Control method for acceleration and deceleration．
一 sGN （x．i） ’ Zt Li
であるから，中心の速度をWとすると，動輪の角速度が
即ち1秒間に進む距離の0．55倍を必要とすることにな
一42一
全方向移動車のコンピュータ制御 大西・橋野・中野
る。ここでWrn・xはODV−1の設定速度である。また出
ow
発点から停止点までの距離しがL＜1．1W一のときは，
夏50
Wmaxまで加速しないで途中から減速することになる。
US3
5．ソフトウエア及び開発装置
too
プログラムの開発効率を高める為にFORTH言語を使
用した。またODV−1制御装置上のデバック効率を高め
US2
5e
［璽］・
る為にソフトウエアインサーキットエミュレータを用い
US2 US3
た。プログラムの開発，コンパイル等は，CP／M86ホス
mpimpm・
トマシン上で行う。図10にワイヤレスモデムを使用した，
s ［o sEr］
これらの開発環境をしめす。
Fig．11 Measur皿ent of distance from wall
using ultora sonic sensor．
瓢臨霧無熱1
CM DE巳REE
E婁星塑
t50
Fig． 10 Environment of software development．
IOO
x
6．実 験
50
二点商の移動について，目標点の座標（Ocm，100cm），
a
姿勢角（0度）の場合と，目標点の座標（30cm，100cm），
5
IO
姿勢角（一20度）の場合について精度を測定した結果，座
SEC
標値について約1cm，姿勢角について約3度の誤差があっ
た。移動車が蛍光燈の長手方向に直角に進む場合に蛍光燈
検出装置が蛍光燈を検出できる誤差は約3cmであった。こ
一50
れらの基本的動作をもとにODV−1を壁に沿って走行さ
せる場合は，超音波距離計によって壁との傾を計測し，目
一100
標値を常に前方に置く方式を用いた。目標値のy座標は，
進行前方1m， x座標は目標軌道の前方1mにおけるずれ，
Fig． 12
姿勢角はその点に達するに必要な角度を指示した。実験結
Y
Temporary reference points （x， y） and
attitude （ a ）．
果を図11，12にしめす。図11は超音波距離計の読みで．ある。
図12は各サンプル時間毎の目標値の変化を示す。また建物
7．結 言
内等の無人走行には地図が必要である。表1は実験に用い
二点間の移動について，目標点と姿勢角を与え位置と姿
た地図のコンピュータ内での表現形式である。
勢を同時に制御する方法を提案した。この方法を使用すれ
Table． 1 Map table of certain route．
ば超音波センサや蛍光燈検出装置を使用して壁や蛍光燈，
ASSOR
RGUTE NAME sMENT
1WEST
2WEST
DW
DW
DW
DW
DW
DW
DW
DW
DW
DW
DW
DW
DW
DW
DW
DW
BP
1W’
℃’
℃’
DEPTH
1EAST
0
1SOUTH
2SOUTH
LENGTH
G
1024
2WEST
lWEST
RQOM NAME
0
0
FLUOR、
kAMP NO
2
1
2NORTH
lNORTH
ガイド走行が可能である。
W’
0
1022
o
3
脚W’
一99
一200
一99
一200
40
0
0
76
331
0
0
0
1
go
0
1
一99
一200
一99
一133
一99
25
133
o
0
o
0
345
0
1
658
G
2
34
0
0
0
3
’S’
W1
’S’
’W’
’S’
’W
w’
W’
W’
℃’
0
4SOUTH
1022
3WEST
5NORτH
さらに計算機内の地図をガイドとして特別な装置を設置す
ることなく対象物への接近や姿勢角の制御及び長い廊下の
8．参 考 文 献
1）中野栄二，新井健生，橋野賢，山羽和美，“全方向移
動試験車の機構”，日本機械学会講演予稿集，（1980）
2）片桐 明，FIFTH 86総合マニアル，リギーコーポレー
ション，（1984）
一43一