專利名稱：控制移動物使之沿預(yù)定的運動軌跡向前移動的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制移動物體使之沿預(yù)定的運動軌跡向前移動的方法和系統(tǒng)。
沿預(yù)定的移動軌跡移動從而完成一定工作的移動物體的例子有用于挖掘隧道、敷設(shè)上下水管道的挖掘機或者無人搬運車等等。
上面提到的挖掘機、無人搬運車等一般都包括一個本體和一個控制該本體的移動方向使之沿預(yù)定路徑移動的駕駛裝置。
當使用一臺挖掘機在地下敷設(shè)各種管道時，挖掘機面臨的泥土壓力將由于土質(zhì)的變化、地下水的存在與否而相差很大。由于這個原因，即使以恒定的功率驅(qū)動挖掘機，它也會偏向泥土壓力小的方向，從而偏移預(yù)定路徑。在這種場合下，駕駛員必須目測出挖掘機在地下的移動中產(chǎn)生的與預(yù)定路徑的偏移量與偏移方向，并且根據(jù)這些偏移量和偏移方向控制駕駛裝置，從而對挖掘機的方向作出需要的修正。
下面具體地描述一下挖掘機的駕駛裝置。
舉個實例來說，由本申請人開發(fā)的、在日本特開昭57-205698號公報中描述的那種挖掘機由一個尾部和一個裝在該尾部前端的頭部組成，上述的頭部和尾部互相連接。上述尾部的固定位置上固定地裝有一塊刻度板。在上述的頭部上裝有一根指針，該指針正對著上述刻度板，能隨著頭部與尾部的偏向而相應(yīng)地移動。上述的刻度板的圖象由一臺電視攝像機監(jiān)視，并被顯示在監(jiān)視器顯幕上。
此外，沿著挖掘方向或者敷管方向的預(yù)定路徑設(shè)置具有激光等沿直線傳播線的可見光，把可視光投射到刻度板上，駕駛員先觀察挖掘開始時可見光在刻度板上的第一位置，然后再目測挖掘開始時的可見光的上述第一位置與把挖掘機向前開動一段距離后可見光的第二位置之間的差異和挖掘機的方向變化，再根據(jù)這些差異驅(qū)動傳動裝置調(diào)整挖掘機的前進方向。
如上所述，挖掘機的操作很大程度上取決于駕駛員的經(jīng)驗與感覺。因此，駕駛員必須要求有高度的熟練技術(shù)。因此，人們希望能有一種容易操縱的挖掘機。
USP 4，809，175、USP 4，873，725和USP 4，875，184也屬先有技術(shù)。
本發(fā)明的一個目的在于提供一種自動操縱沿預(yù)定路徑前進從而完成預(yù)定工作的移動物體(如挖掘機)的方法。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種自動控制沿預(yù)定路徑前進從而完成預(yù)定工作的移動物體(如挖掘機)的系統(tǒng)。
本發(fā)明的第一個目的通過一種沿預(yù)定路徑控制裝有本體和駕駛裝置的移動物體的方法來實現(xiàn)。該方法包含如下步驟測量本體與預(yù)定路徑的偏移距離和偏離方向，把上面測量到的本體與預(yù)定路徑之的距離作為觀察值輸入到一個前導(dǎo)運算部分中，該前導(dǎo)運算部分中預(yù)定有入了與本體和預(yù)定路徑的距離相對應(yīng)的成員函數(shù)(membership function)，根據(jù)上面測量到的本體與預(yù)定路徑間的距離在執(zhí)行一次標度(grade)運算，把得到的標度輸入到一個后續(xù)運算部分中，該后續(xù)運算部分中預(yù)先有貯了與操作量相對應(yīng)的成員函數(shù)，根據(jù)從前序運算部分中輸出的標度進行一次操作量運算，把得到的操作量輸出至駕駛裝置中，根據(jù)這個操作量來控制駕駛裝置。
根據(jù)本發(fā)明，當移動物體在前進時偏離預(yù)定的路徑時，通過測量它與預(yù)定路徑的偏離方向和偏離距離、根據(jù)測到的偏移量執(zhí)行一次操作量運算再根據(jù)算出的操作量和偏移方向控制駕駛裝置，使得移動物體沿預(yù)定的路徑前進。
也就是說，在前導(dǎo)運算部分中根據(jù)觀察值通過下面的步驟進行一次有效度運算根據(jù)與移動物體與預(yù)定路徑的偏移量相對應(yīng)的數(shù)據(jù)和多個老駕駛員的駕駛技術(shù)決竅積累數(shù)據(jù)預(yù)先確定前導(dǎo)運算部分中的成員函數(shù)，根據(jù)移動物體與預(yù)定路徑的偏離量以及與操作值對應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)先確定后續(xù)運算部分中的成員函數(shù)，測量出移動物體前進時與預(yù)定路徑的偏離量，把測量到的移動物體與預(yù)定路徑的偏移量作為觀察值輸入到前導(dǎo)運算部分中。接下來，通過把后續(xù)的成員函數(shù)降低到標度。把降低了的成員函數(shù)加以合并來根據(jù)觀察值(亦即移動物體與預(yù)定路徑的偏移量)進行操作值運算。上述的操作值表示根據(jù)許多駕駛員的技術(shù)決竅的數(shù)據(jù)，可以認為是最有效的操作值。因此，根據(jù)從上述的后續(xù)運算部分中輸出的操作值輸入駕駛裝置的操作值來驅(qū)動駕駛裝置就能把移動物體控制在預(yù)定路徑上。
此外，本發(fā)明的第一個目的也可以通種另一種沿著預(yù)定路徑控制具有一個本體和一個駕駛裝置的移動物體的方法來實現(xiàn)。該方法包括如下步驟測量出本體與預(yù)定距離的距離和偏移方向以及駕駛裝置相對于本體的錯位量和錯位方向，把測量到的本體與預(yù)定路徑的距離作為觀察值輸入至前導(dǎo)運算部分中，該前導(dǎo)運算部分中預(yù)先存貯有與本體和預(yù)定路徑對應(yīng)的成員函數(shù)，在該前導(dǎo)部分中執(zhí)行標度運算，
把得到的標度輸入至后續(xù)運算部分中，該后續(xù)運算部分中預(yù)先存貯有與操作量相對應(yīng)的成員函數(shù)，在該后續(xù)部分中執(zhí)行操作值運算，把得到的操作值與駕駛裝置相對于本體的錯位量相比較，輸出一個與操作值和駕駛裝置相對于本體的錯位量之間的差值相對應(yīng)的值作為控制值，根據(jù)該控制值控制駕駛裝置。
根據(jù)上述的第二種方法，通過下面的步驟可以根據(jù)移動物體與預(yù)定路徑的偏離量得到測量值即測量出移動物體與預(yù)定路徑的偏移量及偏移方向以及駕駛裝置相對于本體的錯位方向(駕駛量及駕駛方向)，把移動物體與預(yù)定路徑的偏移量象在第一種方法中那樣輸入前導(dǎo)運算部分中，執(zhí)行標度運算，把得到的標度輸入后續(xù)運算部分中。接下來，把從后續(xù)運算部分輸出的操作量與駕駛裝置相對于本體的錯位量進行比較，把它們的差值作為控制值輸入，再根據(jù)控制值驅(qū)動駕駛裝置，通過這些步驟就可以根據(jù)移動物體與預(yù)定路徑的偏離量和當前的駕駛量通過控制值控制移動物體。
本發(fā)明的第二個目的由一個沿預(yù)定路徑控制移動物體的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。該系統(tǒng)包括具有一個本體和一個駕駛裝置的具有物體;指示上述的駕駛裝置相對于本體的錯位的光學指示器;沿預(yù)定路徑設(shè)置的一束可見光;設(shè)置在本體上、用來投射光學指示器及可見光的指示器;面對上述指示器設(shè)置的一個彩色圖像攝取裝置;用于顯示由上述的彩色圖像攝取裝置攝取的圖像的彩色圖像接收裝置;與上述圖像接收裝置相連的圖像處理裝置，在該裝置中對投射到指示器上的光學指針及可見光的座標進行運算;根據(jù)上述的圖像處理裝置計算出來的可見光的座標值通過預(yù)先設(shè)定在前導(dǎo)部分中的成員函數(shù)和后續(xù)部分中的成員函數(shù)計算出操作量的模糊運算裝置;把上述的模糊運算裝置計算出的操作量與上述的圖像處理裝置計算出的光學指針的座標值加以比較并把兩者的差值作為控制值輸出的比較裝置;以及根據(jù)從上述比較裝置輸出的控制值驅(qū)動駕駛裝置的驅(qū)動裝置。
在上述的系統(tǒng)中，光學指針和可視光最好具有不同的顏色。此外，上述的模糊操作部分最好由用于預(yù)先存貯與座標原點與可見光之間的距離相對應(yīng)的成員函數(shù)。根據(jù)上述的座標原點與可見光之間的距離的輸入數(shù)據(jù)執(zhí)行標度運算并且輸出該標度的一個前序運算部分和用于預(yù)先存貯與操作值相對應(yīng)的成員函數(shù)。根據(jù)從上述的前序運算部分輸出的標度執(zhí)行操作值運算并且輸出該操作值一個后續(xù)運算部分構(gòu)成;其中在后續(xù)運算部分中與操作量相對應(yīng)的成員函數(shù)分別輸入多個三角形中，根據(jù)輸入的標度分別使這些三角形縮小，從這些被縮小了的三角形的面積和它們的重心位置的乘積可以得到旋轉(zhuǎn)動量。把得到的旋轉(zhuǎn)動量相加，再用旋轉(zhuǎn)動量的總和除于縮小了的三角形的面積總和，得到控制值，最后把控制值從上述的模糊運算裝置中輸出。
在上述系統(tǒng)中，對應(yīng)于本體與預(yù)定路徑的偏移量的數(shù)據(jù)預(yù)先作為前導(dǎo)成員函數(shù)存貯在前導(dǎo)運算部分中，對應(yīng)于本體與預(yù)定路徑的偏移量的操作值數(shù)據(jù)作為后續(xù)成員函數(shù)預(yù)先存貯在后續(xù)運算部分中;測量出本體與預(yù)定路徑偏移量及偏移方向，把與本體和預(yù)定路徑的偏移量相對應(yīng)的上述數(shù)據(jù)輸入到模糊運算裝置中;這樣，在前導(dǎo)計算部分中，根據(jù)輸入至該前導(dǎo)運算部分中的數(shù)據(jù)可以計算出成員函數(shù)的標度，這個標度可以被輸出至后續(xù)運算部分。接下來，可以根據(jù)后續(xù)運算裝置中標度執(zhí)行縮小成員函數(shù)及合并后的縮小成員函數(shù)的重心的運算，其計算結(jié)果可以作為操作值輸出。
此外，通過下列步驟可使移動物體總是沿著預(yù)定路徑前進通過測量駕駛裝置相對于本體的錯位量和錯位方向確定測量點上的駕駛量及駕駛方向;把駕駛值及操作置加以比較，使用它們的差值作為控制值來驅(qū)動駕駛裝置。
在上述的控制系統(tǒng)中，本體與預(yù)定路徑的偏移距離和方向以及駕駛裝置相對于本體的錯位量及方向通過下列的步驟來測量即在本體上設(shè)置一個指示器，沿著預(yù)定路徑設(shè)置可見光，提供一個顯示駕駛裝置相對于本體的錯位的光學指針以及投射出可見光和光學指針。
也就是說，通過把激光束作為可見光投射到指示器上，就可以在設(shè)置在與預(yù)定路徑相交的一個平面中的顯示器上形成激光點。在這種情況下，如果把移動物體處于起點時激光點在顯示器上的位置設(shè)定為光點原點的話，則當激光點離開光點原點時，則激光點在顯示器上移離光點原點的量值對應(yīng)于移動物體與預(yù)定路徑的偏離量，激光點在顯示器上移離光點原點的方向亦對應(yīng)于移動物體相對于預(yù)定路徑的偏差方向。
另外，通過把駕駛裝置相對于本體的錯位用光學指針投射在顯示器上的方法，可以測量出駕駛裝置相對于本體錯位量和錯位方向。
也就是說，如果在駕駛裝置相對于本體處于中間位置時，把指針原點設(shè)定為光學指針相對于顯示器的一個位置，該光學指針將隨著駕駛裝置相對于本體的錯位而在顯示器移動。因此，通過測量光學指針相對于指針原點的偏離量及偏離方向，就可以測量出當前的駕駛量及駕駛方向。
因此，通過在移動物體移動時用彩色圖像攝取裝置監(jiān)視指示器以及用通過彩色圖像接收裝置與上述的彩色圖像攝取裝置相連的圖像處理裝置對顯示器的圖像進行處理，就可以用座標表示出激光點與光點原點的偏移量及偏移方向，也可以用座標表示出光學指針與指針原點的偏離量及偏離方向。上述的激光點和光學指針的座標表示可以用X-Y直角座標來表示，其中激光光點相對于光點原點的移離量和方向以及光學指針相對于指針原點的偏離量和偏離方向可以用在顯示器上水平指向的X座標和垂直指向的Y座標來表示。
此外，存貯在前導(dǎo)中的成員函數(shù)的標度可以這樣求得即把敷光光點移離光點原點的量值輸入至模糊運算裝置的前導(dǎo)運算部分中;在后續(xù)運算部分中根據(jù)輸入的標度執(zhí)行縮小存貯在后續(xù)運算部分中的成員函數(shù)的運算以及合并的縮小成員函數(shù)的重心位置的運算;以及把結(jié)果作為操作值輸出。
操作值是根據(jù)激光光點與光點原點的偏離量計算出的值，并不包括當前駕駛量。因此，通過把光學指針與指針原點的偏移量與上述的模糊運算裝置輸出的操作量在比較器中進行比較，即可以輸出它們的差值。根據(jù)控制值來驅(qū)動驅(qū)動裝置就可以把移動物體控制在預(yù)定的路徑上。
光學指針具有與可見光的顏色不同的顏色的話將有助于圖像處理裝置進行圖像處理運算。
另外，上述的模糊運算裝置由預(yù)先存有與原點與可見光間的距離相對應(yīng)的成員函數(shù)。根據(jù)原點與可見光間的距離的輸入數(shù)據(jù)進行一定運算并且輸出與上述的距離相對應(yīng)的標度的前導(dǎo)運算部分與預(yù)先存有與操作值對應(yīng)的成員函數(shù)并且根據(jù)前導(dǎo)運算部分輸出的標度進行操作量的運算的后續(xù)運算部分組成。其中，與操作值相對應(yīng)的成員函數(shù)分別以三角形的形式給出，根據(jù)輸入的標度縮小三角形，通過這些縮小了的三角形的面積與它們的重心位置的乘積得到旋轉(zhuǎn)動量，把這些動量相加，用旋轉(zhuǎn)動量總和來除了縮小了的三角形的面積總積總和即可得到操作值，再從后續(xù)運算部分中把得到的操作值輸出。使用上述的簡單的模擬運算裝置，可以在短時間內(nèi)執(zhí)行操作值運算(反模糊運算)。
也就是說，通過以三角形的形式定義模糊集的成員函數(shù)以及根據(jù)控制規(guī)則在橫軸上使這些三角形對齊，可以均勻地確定多個三角形的底邊長以及投影在底邊上的重心位置。這樣，即使以三角形的形式表示的后續(xù)成員函數(shù)被前導(dǎo)部輸出的標度所縮小，這些三角形的底邊長以及它們的重心在橫軸上的投影位置不會改變。另外，這些縮小了的三角形的面積也可以通過原始三角形的底邊長以及標度方便地求出。
因此，通過以多個三角形的面積的積得到旋轉(zhuǎn)動量。把旋轉(zhuǎn)動量相加并且用旋轉(zhuǎn)動量的總和除以縮小了的三角形的面積總和，就可以執(zhí)行合并了的縮小三角形的重心位置的運算。這個重心位置值可以作為操作值從后續(xù)運算裝置中輸出。
借助于上面描述的積累了許多駕駛員的經(jīng)驗的?？刂埔苿游矬w使之沿預(yù)定軌跡前進的系統(tǒng)，駕駛員能自動控制移動物體使之沿預(yù)定路徑前進，這樣，駕駛員無需老駕駛員的幫助也能輕松地控制移動物體，使之沿預(yù)定路徑移動。
附圖中，

圖1.是挖掘機的模式說明圖。
圖2.是控制挖掘機的控制系統(tǒng)的方框圖。
圖3.是用于從圖像接收設(shè)備中取出可見光或者光學指針數(shù)據(jù)的電路框圖。
圖4.是從后方看到的指示器的示意圖。
圖5(a)至(c).分別是在前進時偏離預(yù)定路徑的挖掘機的示意圖。
圖6.是表示控制挖掘機時的前導(dǎo)成員函數(shù)的示意圖。
圖7.是表示與上述的前導(dǎo)成員函數(shù)對應(yīng)的后續(xù)成員函數(shù)的示意圖。
圖8(a)-(d).是表示上述的后續(xù)成員函數(shù)中的各三角形的重心位置的示意圖。
圖9.是縮小了的后續(xù)成員函數(shù)的示意圖，圖中，示出了被標度縮小了的后續(xù)成員函數(shù)的三角形和用虛線表示的未被標度縮小的后續(xù)成員函數(shù)。
下面借助實施例來講述上述的控制移動物體使之沿預(yù)定路徑向前移動的方法和裝置的實施例。
本發(fā)明中的控制移動物體的方法和系統(tǒng)涉及這樣的方法和系統(tǒng)，即在使移動物體向前移動時(比方說挖掘機A在地下沿預(yù)定路徑敷設(shè)上、下水管道時，測量由泥土壓力變化或其它原因造成的與預(yù)定路徑的偏移量及偏移方向，并根據(jù)上述的偏移量及偏移方向?qū)ν诰驒CA的方向作出需要的校正的方法和系統(tǒng)。
現(xiàn)在來參照圖5(a)。首先，挖掘機A位于敷設(shè)管線B的起始點上形成的地坑中。接著，使挖掘機從圖5的右方(下面稱為“后方”)向圖5的左方(下面稱為“前方”)沿預(yù)定路徑推進。如果前面泥土的壓力有變化。盡管挖掘機A是由固定的功率間前推進的，它也會偏離沿預(yù)定路徑前進的激光束106，如圖5所示。此刻，根據(jù)本發(fā)明，用一個電視攝像機8監(jiān)視安裝在挖掘機A的本體1上的一個指示器7，通過對該指示器7的圖像進行處理測出挖掘機A與激光點10的原始點O1的偏離距離和方向，再根據(jù)這個偏離距離和方向控制傳動機構(gòu)3、4從而相對于本體1調(diào)整挖掘機A的頭部2，控制挖掘機A沿著激光束向前移動，如圖5(c)所示。
參照圖1，圖中給出了挖掘機A及其附件的概略圖。
圖1中所示的挖掘機A用于在地下敷設(shè)上下水管等管道，它與日本專利公報特開昭57-205698中所披露的那種挖掘機具有相同的結(jié)構(gòu)。這種挖掘機通過安裝在其前面的一個挖掘頭C的旋轉(zhuǎn)來挖掘沙土，通過裝在挖掘機上的一個泵把挖下來的沙土運走。挖掘機A由裝在其后部的管道傳動裝置D向前推進，再把管道互相連接起來。這樣，就可以在地下形成預(yù)定的管線B。
挖掘機A包括一個裝有儀表、泵等的本體1(圖中未示出)和一個包含用于沿預(yù)定路徑控制本體1的前進方向駕駛裝置的頭部2，該頭部2裝在上述本體1的前方。本體1通過二個驅(qū)動裝置3和4以及以相等的間隔裝在具有與挖掘機A的軸心相同的中心的圓周上的桿5與頭部2連接。傳動裝置3、4及桿5的兩端分別裝有方向接頭3a，4a和5a，通過這些方向接頭3a，4a，和5a既與本體1又與頭部2相連。這樣，頭部2可以在不同于本體1的方向上繞桿5的接頭5a轉(zhuǎn)動一定的角度。
在本實施例中，液壓缸被用作傳動裝置3和4。傳動裝置3和4與驅(qū)動裝置6相連，驅(qū)動裝置6由裝在本體1上的一個液壓單元和用于控制壓力油(或其它液體)的流率的一個液流控制單元組成。
指示器7裝在本體1的固定位置上，面對著指示器7設(shè)置了一個電視攝像機8作為監(jiān)視指示器7的裝置。既形成下面將要提到的光學指針9又形成預(yù)定路徑的激光束10b投射在該指示器7上。指示器7被電視攝像機8所監(jiān)視，另外，監(jiān)視到的圖像由圖像處理單元22加以處理，從而檢測出本體1與激光束10b的偏移量及偏移方向。頭部2相對于本體1的錯位量及錯位方向。
一根延伸至指示器7的橫梁9a固定在頭部2上的固定位置上。與挖掘機A的軸心相同的一個光學指針9設(shè)置在橫梁9a的一端，使之定位于指示器7的背面。隨著頭部2相對于本體1的錯位，光學指針9在指示器7的表面也發(fā)生移位。光學指針9可以使用(比方說)一個交叉形狀的光學指針，也可以使用發(fā)光元件(加LED等)。
在本實施例中，發(fā)綠光(G)的LED被用作光學指針9。
一個激光振蕩器10a(如一個激光經(jīng)緯儀)設(shè)置在挖掘機的后部，把沿預(yù)定路徑前進的激光束10b射向顯示器7。激光束10a在與管道B的軸線重合或者平行的方向上前進。射向顯示器7的激光束10b在顯示器7上形成一個激光點10。
在本實施例中，使用了發(fā)出紅色(R)激光束的氦-氖激光器。
如圖4所示，通過把激光束投射到指示器7上將在該指示器上形成一個紅色激光點10。這個激光束10a不一定必須要對準指示器7。挖掘機A起動時激光束10的位置作為光點原點O1存貯起來，以后通過測量挖掘機A前進中激光點10與上述光點原點O1的距離以及激光點相對于光點原點的偏移方向就可以測量出本體1與激光束10b的偏移量及偏移方向。當頭部2相對于本體1處于中間位置時，位于面對著電視攝像機8的指示器7的一側(cè)的LED9將與挖掘機A的軸線重合，挖掘機A起動時的LED9的位置為指針原點O2。
在附圖中，E表示一塊裝有用于控制挖掘機A、管道傳動裝置D、監(jiān)視器的圖像接收單元及其他設(shè)備的控制單元的控制板。
下面結(jié)合圖2和圖3來描述用于控制上述的挖掘機的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
如圖2和圖3所示，電視攝像機8與圖像接收單元21相連。如圖3所示，圖像接收單元21由圖像接收部分21a和顏色分離部分21b組成。接收部分21a與普通的電視圖像接收單元具有相同的結(jié)構(gòu)，它有監(jiān)視顯示屏幕的功能，顯示出電視攝像機8攝取的指示器7的圖像。彩色分離部分21b要求具有能從電視攝像機8攝取的指示器7的圖像中分離出LED9的彩色G信號和激光點10的彩色R信號并把這些信號送至信號處理單元22的功能。
這就是說，在圖像接收單元21中，從電視攝像機8攝取的指示器7的圖像中可以分離出與激光點10相對應(yīng)的彩色R信號;通過把圖像接收部分21a的R短陣部分的輸出信號和同步分離部分的信號都輸入R+同步部分中而使R信號與圖像信號同步并在輸出阻抗調(diào)整電路中放大R信號，可以把彩色R信號送入圖像處理電路22中。此外，LED9的G信號也從指示器7的圖像中分離出，通過一根線23b送入圖像處理單元22。
包含著常規(guī)的圖像處理裝置的圖像處理單元22被用來計算從圖像接收單元21中送出的G信號和R信號的座標值。
圖像處理單元22與具有存貯器部分、控制部分及其它部分的一個圖像處理控制單元24相連。圖像處理單元中貯存有如圖4和5中所示的、從挖掘機A起動時的指示器7的圖像中取出的光點原點O1和指針原點O2的數(shù)據(jù);送出的R信號相對于光點原點O1的座標值輸出到模糊運算單元中;另外，送出的G信號相對于指針原點O2的座標數(shù)據(jù)被輸出至比較器26中。
因此，在圖像處理單元22中計算出了R信號相對于光點原點O1的座標值就能測量出本體1與激光束10b的距離以及本體1相對于激光束10b的偏轉(zhuǎn)方向，計算出了G信號相對于指針原點O2的座標值就能測量出LED9相對于本體1的錯位量及錯位方向(亦即頭部2相對于本體1的錯位量及錯位方向)。
在本實施例中，圖像保持信號以固定的時間間隔從圖像處理控制單元24送至圖像處理單元22，使得此時的圖像信號被保持在圖像處理單元22中。在上述的圖像中，激光點10的座標值是在一個X-Y直角座標系中計算出來的，其原點為O1，X為橫座標，Y為縱座標;激光點10的X軸數(shù)據(jù)被輸出至模糊運算單元25。LED9的X軸數(shù)據(jù)輸出至比較器26。此外，在激光點10及LED9的X軸數(shù)據(jù)被輸出之后的一段固定時間后，激光點10的Y軸數(shù)據(jù)被輸出至模糊運算單元25中，而LED9的Y軸數(shù)據(jù)也被送至比較器26中。
激光點10和LED9的X、Y軸數(shù)據(jù)依次輸出至模糊運算單元25和比較器26中之后，根據(jù)水平偏離(X)及垂直偏離(Y)可以依次求出操作值。
模糊運算單元25由前導(dǎo)運算單元25a、前導(dǎo)成員函數(shù)存貯部分25b、后續(xù)運算部分25c、后續(xù)成員函數(shù)存貯部分25d和其它一些部件組成，該單元25使用從圖像處理單元22送來的R信號座標數(shù)據(jù)作為觀察值從對應(yīng)的成員函數(shù)求出標度，并且輸出至后續(xù)運算部分中;在后續(xù)運算部分中，計算出對應(yīng)于上面的前導(dǎo)成員函數(shù)的那個成員函數(shù)的以及簡化了的成員函數(shù)的重心位置，并從模糊運算單元25送至與上述重心位置對應(yīng)的一個值作為操作值。
下面描述上述模糊運算單元25的工作方法。
從模糊運算單元25輸出的操作值信號被送至比較器26，在比較器26中通過把與本體1和激光束10b的偏移量相對應(yīng)的操作值與當前在(操作值)方向上給予本體1的校正量進行比較，可以計算出最佳控制值，再輸出該最佳控制值。
接口27把比較器26作為控制值輸出的信號轉(zhuǎn)換成一個送至驅(qū)動裝置6中控制液壓油的流率的控制單元的、用于控制閥門的開閉量的信號，這樣，送入傳動裝置3、4中的壓力油的量受到控制，使得頭部2根據(jù)從比較器26輸入的控制值相對于本體1錯位。
下面具體地描述挖掘機在水平方向上開動時模糊運算部分25中控制量的推理運算過程。
如圖6所示的成員函數(shù)存貯在前導(dǎo)成員函數(shù)存貯部分25b中，這些成員函數(shù)涉及的是本體1與激光束10b的水平偏離量。此外，與本體1與激光束10b的垂直偏離量有關(guān)的成員函數(shù)也存貯在前導(dǎo)成員函數(shù)存貯部分25b中。
下面具體描述對應(yīng)于水平偏移的控制量的推理過程。本體1與激光束10的垂直偏移量的控制值的推理也能以同樣的方式進行。
圖6中示出的成員函數(shù)表示駕駛員通過圖像接收單元21上的畫面來觀察激光點10與光點原點的實際偏移量時，感覺偏差較大，中等和較小時的場合。
圖中示出的成員函數(shù)以及后續(xù)部分中的成員函數(shù)是根據(jù)許多駕駛員的技術(shù)決竅的積累而設(shè)置的。
舉個例子來說，當激光點10從光點原點O1向左偏移7mm時，一個駕駛員認為激光點10與光點原點O1的偏差很小，而另一個則認為這個偏差為中等。駕駛員感覺偏差很小或者偏差中間的程度都是標度。
圖像處理單元22測量出激光點10與光點原點的偏移量。與激光點和光點原點的偏移量有關(guān)的數(shù)據(jù)被送入前導(dǎo)運算部分25a中，在該運算部分中再根據(jù)存貯的前導(dǎo)成員函數(shù)計算出標度。在運算中，假如激光點與光點原點的偏移量為7mm，偏移方向為左，則計算出圖6的成員函數(shù)在左側(cè)7mm處的值，從而得到標度。也就是說，標度可以如下面那樣求得對應(yīng)于“較小”的左偏差的標度α1＝0.75;
對應(yīng)于“中間”的左偏差的標度α2＝0.25。
這些標度被輸出至后續(xù)運算部分25c中。
圖7中所示的成員函數(shù)存貯在后續(xù)成員函數(shù)存貯部分25d中。該成員函數(shù)表示的是駕駛員通過圖像接收裝置21上的圖像觀察激光點與光點原點的實際偏差時的使上述的頭部2錯位的量即操作量，圖中的各個三角形與圖6中所示前導(dǎo)成員函數(shù)相對應(yīng)。
圖7中的運算方向與觀察到的偏差方向反向。
如圖所示，當后續(xù)成員函數(shù)被表示成平行于X軸設(shè)置的三角形時，這些三角形的位置和形式是唯一設(shè)定的。
圖8(a)～8(d)表示了構(gòu)成后續(xù)成員函數(shù)的右邊部分的四個三角形B1～B4的重心G1～G4的位置以及三角形B1～B4底邊的長W1～W4。
如圖所示，這幾個三角形B1～B4的高是相互相等的，而底邊長W1～W4卻是唯一地設(shè)定的。因此，運用遠離的代數(shù)運算就可以方便地求出這幾個三角形B1～B4的重心位置G1～G4。
圖9示出了縮小了的三角形B′2和B′2，其中的成員函數(shù)三角形B2和B3與激光點10與光點原點的偏移量被標度α1和α2縮小時從前導(dǎo)運算部分輸出的標度α1和α2對應(yīng)。
如圖所示，原三角形B2與縮小了的三角形B′2具有公共的底邊W2，原三角形B3與縮小了的三角形B′3具有相同的底邊W3，此外，三角形B2與B′2的重心G2、三角形B3、B′3的重心G3并不改變。
因此，當三角形B2、B3的重心位置分別是G2和G3時，通過計算具有與縮小了的三角形B′2，B′3的面積對應(yīng)的重量的旋轉(zhuǎn)動量得到的結(jié)果動量，可以如下面那樣得到重心Y0Y0＝｛(G2·α1·W2+G3·α2·W3)/2｝/｛(α1·W2+α2·W3)/2｝如果M2等于G2·W2，M3等于G3·M3，則Y0＝｛(M2·α1+M3·α2)/2｝/｛(α1·W2+α2·W3)/2｝這樣得到的Y0值表示三角形B′2和B′3組成的組合三角形的重心位置。因此，Y0值可以作為操作值從后續(xù)操作部分25c中輸出。
正象上面講述的那樣，可以得到下面的計算操作量的通式Y(jié)0=(Σi=1nMi·ai)/(Σi=1nWi·ai)]]>接下來，參照圖5(a)～(c)描述控制挖掘機A的方法。
圖5(a)示出了處于初始位置的挖掘機，此刻頭部2相對于本體1處于中間位置，LED9相對于指示器7的位置與挖掘機A的軸心對應(yīng)。指示器7總是由電視攝像機8所監(jiān)視，指示器7的圖像每隔固定的間隔由圖像處理單元22進行處理、測量。接下來，在啟動挖掘機前行時分別在圖像處理單元24中把LED9的位置作為指針原點O2存貯起來，把此刻激光點10的位置作為光點原點O1存貯起來。
當挖掘機A如圖5(b)所示沿預(yù)定路徑前進時如果挖掘機A偏離激光束10b，激光點也會在指示器7上從光點原點O1偏離。此時，激光點10的位置在圖像處理單元22中被轉(zhuǎn)換成X-Y座標系中的X座標數(shù)據(jù)和Y座標數(shù)據(jù)，再把這個X座標數(shù)據(jù)和Y座標數(shù)據(jù)輸出到模糊運算單元25中。在圖像處理單元22中，測量出LED9與指針原點O2的偏移量及偏移方向，再把LED9與指針原點O2的偏離量轉(zhuǎn)換成X座標數(shù)據(jù)和Y座標數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)輸出到比較器26中。由于在圖5(b)中頭部2相對于本體1處于中間位置上，因此，輸出至模糊運算單元中的X座標數(shù)據(jù)和Y座標數(shù)據(jù)均為“O”。
當激光點10與光點原點O1的偏離量測得為7mm，偏離方向為光點原點左側(cè)時，則與左側(cè)的小偏差成員函數(shù)對應(yīng)的標度α1為0.75，與左側(cè)的中偏差成員函數(shù)對應(yīng)的標度α2為0.25，這二個標度由前導(dǎo)運算單元輸出。
接下來，用0.75的標度α1和0.25的標度α2分別使與右側(cè)小偏差后續(xù)成員函數(shù)和右側(cè)中偏差后續(xù)成員函數(shù)對應(yīng)的三角形B2和B3縮小，得到如圖9所示的縮小了的三角形B′2和B′3。
從圖8(b)中可知，三角形B2的底邊長為30，其重心位置為13.3，M2(＝G2×W2)為400;從圖8(c)中可以看出，三角形B3的底邊長W3等于40，其重心位置G3為25.0，M3(＝G3×W3)等于1000。
因此，根據(jù)上面的M2，α1，M3，α2，M2·α1+M3·α2＝400×0.75+1000×0.25＝550，根據(jù)上面的W2，α1，W3，α2，
W2·α1+W3·α2＝30×0.75+40×0.25＝32.5。
從上面得到的數(shù)值可以象下面那樣算出操作值水平操作值＝500÷32.5＝16.9238(min)。
這個操作值從模糊運算單元25送入比較器26中，在比較器中把它與LED9的偏差的橫座標值進行比較。由于LED與指針原點的偏離量為O，上面的這個操作值作為控制值被通過接口27送入驅(qū)動裝置6中，這樣，驅(qū)動裝置6中的液壓油流控制單元被根據(jù)該操作值驅(qū)動，使傳動裝置3、4工作到一定的程度，使頭部2相對于本體1向左錯位。
當挖掘機繼續(xù)前行，到達圖8(c)中所示的位置時，同上面一樣，測量出激光點10與光點原點O1的偏離量及偏離方向，同時也測量出LED9與指針原點O2的偏離量及偏離方向，再把激光點10的X座標數(shù)據(jù)據(jù)和Y座標數(shù)據(jù)輸出到模糊運算單元25中，在此計算出操作量，再把該操作量送入比較器26之中;LED9的X座標數(shù)據(jù)和Y座標數(shù)據(jù)也輸出到比較器26中。在比較器26中比較這些數(shù)據(jù)，把它們的差值作為控制值通過接口27送至驅(qū)動裝置6。
通過每隔固定的時間間隔執(zhí)行上述的運算，可以實現(xiàn)沿作為預(yù)定路徑的激光束來驅(qū)動挖掘機A。
另外，在驅(qū)動挖掘機A時，也可以只測量激光束10與光點原點O1的偏離量及偏離方向，再把座標數(shù)據(jù)輸入模糊操作單元25，算出操作量。在這種情況下，挖掘機的控制是用開放式控制方式來實現(xiàn)的。
權(quán)利要求
1.一種沿預(yù)定路徑控制具有一個本體和一個駕駛裝置的移動物體的方法，包括下列步驟·測量出上述本體與上述預(yù)定路徑間的距離以及本體與預(yù)定路徑間的偏離方向，·把上面測到的本體與預(yù)定路徑間的距離作為觀察值輸入一個前導(dǎo)運算部分中，該前導(dǎo)運算部分中預(yù)定存有與本體和預(yù)定路徑間的距離對應(yīng)的成員函數(shù)；在上述的前導(dǎo)運算部分中根據(jù)測量到的本體與預(yù)定路徑間的距離執(zhí)行標度運算；·把得到的標度輸入一個后續(xù)運算部分中，該后續(xù)運算部分中預(yù)先存貯有與操作值對應(yīng)的成員函數(shù)；在上述的后續(xù)運算部分中根據(jù)從前導(dǎo)運算部分中輸出的標度執(zhí)行操作值運算，·把得到的操作值輸出至駕駛裝置中，根據(jù)該操作值控制駕駛裝置。
2.一種沿預(yù)定路徑控制具有一個本體和一個駕駛裝置的移動物體的方法，包括下列步驟·測量出本體與預(yù)定路徑之間的距離及偏離方向以及駕駛裝置相對于本體的錯位量及錯位方向，·把上面測量到的本體與預(yù)定路徑間的距離作為觀察值輸入至一個前導(dǎo)運算部分中，該前導(dǎo)運算部分中預(yù)先存貯有與本體和預(yù)定路徑間的距離相對應(yīng)的成員函數(shù);在上述的前導(dǎo)運算部分中執(zhí)行標度運算，·把得到的標度輸入一個預(yù)先存貯有與操作值對應(yīng)的成員函數(shù)的后續(xù)運算部分中，在該后續(xù)運算部分中執(zhí)行操作值運算，把得到的操作值與駕駛裝置相對于本體的錯位量相比較，把對應(yīng)于操作值和駕駛裝置相對于本體的錯位量之間的差值的一個值作為控制值輸出，根據(jù)該控制值控制上述的駕駛裝置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中當測量本體與預(yù)定路徑間的距離以及偏離方向時，設(shè)置一個其座標原點位于對應(yīng)于本體在開發(fā)點時預(yù)定路徑的位置的本體位置上的X-Y直角座標系統(tǒng);通過把預(yù)定路徑與座標原點間的距離分成預(yù)定路徑與X-方向上的座標原點的距離和預(yù)定路徑與Y-方向上的座標原點的距離來測量出預(yù)定路徑與座標原點間的距離以及偏離方向;把測量到的X-方向上的值和測量到的Y-方向上的值依次輸入前導(dǎo)運算單元中，執(zhí)行標度運算。
4.一種沿預(yù)定路徑控制移動物體的系統(tǒng)，包括一個具有一個本體和一個駕駛裝置的移動物體;一個指示出駕駛裝置相對于本體的錯位的光學指針;沿預(yù)定路徑設(shè)置的可見光;裝在本體上、投射有上述的光學指針和可見光的指定器;一個面對指示器設(shè)置的彩色圖像攝取裝置;一個用于顯示被上述的彩色圖像攝取裝置監(jiān)視到的圖像的圖像接收單元;與上述的彩色圖像接受單元相連的圖像處理裝置，該裝置執(zhí)行投射到指示器上的光學指針和可見光的座標的運算;一個模糊處理器，該裝置根據(jù)對應(yīng)于由上述的圖像處理裝置計算出的可見光的座標值確定的前導(dǎo)和后續(xù)成員函數(shù)計算出操作值;一個比較裝置，該裝置用于把上述的模糊運算裝置計算出的操作值與上述的圖像處理裝置計算出的光學指針的座標值加以比較，并把它們的差值作為控制值輸出，和用于根據(jù)從上述的比較器輸入其中的控制值驅(qū)動駕駛裝置的驅(qū)動裝置。
5.一種如權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其中的光學指針與可見光具有互不相同的顏色。
6.一種如權(quán)利要求4所述的控制單元，其中的模糊運算裝置由一個前導(dǎo)運算部分和一個后續(xù)運算部分組成，在上述的前導(dǎo)運算部分中預(yù)先存貯有與座標原點和可見光的距離對應(yīng)的成員函數(shù)，該運算部分還輸出根據(jù)座標原點可見光間的距離的輸入數(shù)據(jù)計算出的標度;在上述的后續(xù)運算部分中預(yù)先存貯了與操作量對應(yīng)的成員函數(shù)，從該后續(xù)運算部分還輸出根據(jù)從前導(dǎo)運算部分輸出的標度計算出的操作值;在后續(xù)運算部分中與操作值對應(yīng)的成員函數(shù)分別以三角形給出，這些三角形分別被輸入的標度縮小，從這些縮小了的三角形的面積和重心位置的乘積分別可以得到旋轉(zhuǎn)動量，把得到的旋轉(zhuǎn)動量相加，把得到的動量總和除于縮小了的三角形的面積總和從而得到操作值，再把操作值從模糊運算裝置輸出。
全文摘要
本發(fā)明為控制一個移動物體沿預(yù)定路徑前進的方法和裝置。本發(fā)明在控制移動物體使之沿預(yù)定路徑前進時，先測量出移動物體的本體與預(yù)定路徑的距離和偏離方向，再把測得的距離和偏離方向輸入到一個預(yù)先存貯有與上述距離相對應(yīng)的成員函數(shù)的前導(dǎo)運算部分中，在該部分中執(zhí)行標度運算。把得到的標度輸入到一個預(yù)先存貯有和操作值相對應(yīng)的成員函數(shù)的后續(xù)運算部分中，執(zhí)行操作值運算。得到的操作值再輸出到駕駛裝置，根據(jù)該操作值控制駕駛裝置。
文檔編號E21D9/06GK1060887SQ9110470
公開日1992年5月6日 申請日期1991年7月12日 優(yōu)先權(quán)日1990年7月13日
發(fā)明者藤森熊, 松森茂, 賀納隆, 角壽雄 申請人:株式會社伊薩基開發(fā)工機