DE19541379C2

DE19541379C2 - Verfahren zur Bestimmung der Position eines Fahrzeuges in einer Fahrebene

Info

Publication number: DE19541379C2
Application number: DE19541379A
Authority: DE
Inventors: Herbert Voegler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-11-07
Filing date: 1995-11-07
Publication date: 2001-01-18
Anticipated expiration: 2015-11-08
Also published as: JPH09170930A; US5805286A; DE19541379A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Fahrzeuges in einer Fahrebene mittels eines von einem auf dem Fahrzeug montierten Sensors ausgesandten parallel zur Fahrebene verlaufenden und um etwa 360° abtastenden Laserlichtstrahles.

Aus der EP 0 238 615 (WO 8701814) ist ein Verfahren zur Lenkung eines Fahrzeuges bekannt, bei dem ein horizontal um 360° abtastender Laserlichtstrahl nach Reflexion einer Anzahl von fixen Punkten, die in dem Raum angeordnet sind, registriert und ausgewertet wird, wobei mindestens drei Winkel für eine trigonometrische Bestimmung der Position des Fahrzeugs notwendig sind. Als fixe Punkte werden annoyme Marken verwendet deren Position sowie notwendigerweise die Position von Sichthindernissen bekannt ist. Die Identifikation der Marken erfolgt mit Hilfe der zuletzt ermittelten Position und der im Speicher des Fahrzeugrechners abgelegten Informationen über die Sichthindernisse zwischen den ortsfesten Marken und der fahrzeugseitigen Orientierungsrichtung. Eine Positionsberechnung des Fahrzeuges ist nur dann möglich, wenn mindestens drei Marken vermessen und identifiziert werden können.

Daneben ist aus der US 4 647 784 ein Peilverfahren zur Orientierung von automatisch geführten Fahrzeugen bekannt. Hier wird ein in einer horizontalen Ebene umlaufender Laserstrahl zur Vermessung von Marken verwendet. Als Marken dienen verschiedene Anordnungen retroreflektierender Streifen, die vergleichbar mit einem Barcode, eine eindeutige Identifikation jeder Marke ermöglichen. Die Position des Fahrzeuges wird aus mindestens drei gemessenen Peilwinkeln nach bekannten trigonometrischen Verfahren errechnet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Fahrzeuges in einer Fahrebene anzugeben, welches ohne großen rechnerischen Aufwand und gebrauchsvorteilhaft durchgeführt werden kann, gleichzeitig jedoch eine genaue Bestimmung der Position des Fahrzeuges ermöglicht.

Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Das Prinzip des Verfahrens wird anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Verfahrensanordnung

Fig. 2 eine Darstellung der codierten Marken

Fig. 3 eine Darstellung des Strahlenverlaufes des Verfahrens

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert eine sehr hohe Positionsmeßgenauigkeit. Die hohe Positionsmeßgenauigkeit kann durch Anordnung der ortsfesten Reflexionspunkte und des Sensors selbst erhöht werden. Die fixen Reflexionspunkte, d. h. die Positionsmarken sollen in einem ausreichenden Abstand (z. B. ≧ 15°) voneinander angeordnet werden. Eine solche Anordnung ist ausreichend, um eine hohe Positionmeßgenauigkeit zu erreichen.

Durch die Messung der Markenbreite wird die Entfernung zwischen Sensor und Marke bestimmt. Diese gemessene Entfernung wird mit der erwarteten Entfernung verglichen und erlaubt eine Identifikation der Marken auch dann, wenn Markenkodierung und Peilwinkel keine eindeutige Identifikation ermöglichen. Der kollimierte Lichtstrahl einer Laserdiode, die sich in dem Orientierungssensor befindet, wird auf einen rotierenden Spiegel, der exakt unter 45° gegen seine Drehachse geneigt ist, gerichtet, wobei die Richtung des Strahls genau parallel zur Drehachse des Spiegels verläuft. Der Lichtstrahl wird auf diese Weise in eine zur Fahrebene parallele Ebene umgelenkt. Trifft der Lichtstrahl auf einen Retroreflektor 2, 3, so wird er in Einfallsrichtung reflektiert und gelangt ebenfalls über den rotierenden Spiegel zu einer Empfangseinrichtung im Fahrzeug 1, die aus einem Interferrenzfilter, einer Linse und einer Photodiode besteht. Mittels eines Verstärkers, Bandpaßfilters und Komparators wird das Signal so aufbereitet, daß es von einem Rechner eingelesen und verarbeitet werden kann. Diese Techniken gehören zu den bekannten und auf dem Gebiet der Positionsbestimmung von Fahrzeugen verwendeten Kenntnissen. Durch die versetzte Anordnung von Lichtsender und Empfänger wird die Rückstrahleigenschaft des Retroreflektors 2, 3 so ausgenutzt, daß die Intensitätsschwankung des reflektierenten Lichts über die Meßdistanz um mindestens den Faktor drei geringer ist, als dies bei einer koaxialen Anordnung der Fall wäre (Verg. dazu Fig. 3). Als weitere Maßnahme zur Verringerung der Intensitätsschwankung wird eine spezielle Fokuseinstellung verwendet. Dies erfolgt so, daß der Unschärfekreisdurchmesser der Abbildung bei maximaler Meßdistanz dem Durchmesser der Sensorfläche der Photodiode entspricht. Bei kleineren Meßdistanzen wird der Unschärfekreisdurchmesser größer als die Sensorfläche, so daß ein entsprechender Teil der Lichtmenge nicht auf den Sensor trifft. Die Winkelmessung der Peilwinkel α, β, usw. erfolgt durch einen inkrementalen Winkelgeber. Zur Erhöhung der Winkelauflösung kann eine Phase-Locked- Loop Schaltung zur Vervielfachung der Zählfrequenz verwendet werden. Die festen Reflektionspunkte, die als Marken ausgebildet sind, bestehen aus mindestens zwei parallelen Streifen aus retroreflektierendem Material (Fig. 2), wobei die Streifen und gegebenfalls auch die Abstände (Lücken) zwischen den Streifen in gleicher oder unterscheidbarer Breite ausgeführt sind. Hierdurch können Reflexmarken hergestellt werden, die eine Anzahl unterschiedlicher Markierungen aufweisen, die sicher von anderen reflektierenden Gegenständen unterschieden werden können. Dadurch, daß die Verhältnisse der Streifenbreiten der Marken exakt vorgegeben sind und eine teilweise Abdeckung einer Märke zur ungültigen Markenkodierungen oder unzulässigen Breitenverhältnissen führen würde, ermöglicht das Verfahren eine sichere Erkennung der teilweisen Abdeckung einer Marke. Dies ist ein entschiedener Vorteil des vorliegenden Verfahrens. Ferner ist es in dem beschriebenen Verfahren möglich, Störungen durch Fremdlicht und zufälliger Reflexionen von den Marken zuverlässig zu unterscheiden, da die Breiten der reflektierenden und der nicht refelektierenden Bereiche der Marken genau vorgegeben sind. Die exakte Position der Marken in einem ortsfesten Koordinatensystem wird in der Regel mit Methoden der Landvermessungstechnik bestimmt und im Speicher des Fahrzeugrechners abgelegt. Zusätzlich werden die Markenkodierungen und die Richtung der Flächennormalen der Marken gespeichert. Der Fahrzeugrechner erhält demnach eine Folge von Winkelmeßwerten α, β, usw. die die Strahlwinkel angeben, unter denen der Laserstrahl auf den Anfang bzw. das Ende eines Reflektorstreifens 4, 5 trifft. Jedem Meßwert wird ein Positionsschätzwert zugeordnet, der mit Hilfe der Koppelnavigation bestimmt wird. Aus diesen Meßwerten wird zunächst die Markencodierung, die Markenbreite und der Peilwinkel berechnet. Die Zuordnung der Meßwerte zu den im Speicher des Fahrzeugrechners abgelegten Marken erfolgt sukzessive für jeden Meßwert und jede Marke nach folgendem Schema:

Berechnung

Aus dem dem zu prüfenden Meßwert zugeordneten Positionsschätzwert und den Daten der jeweils zu prüfenden Marke wird der Anleuchtwinkel und die erwartete Entfernung zu der zu prüfenden Marke berechnet. Aus der gemessenen Markenbreite und dem Anleuchtwinkel wird die gemessene Enfernung ermittelt.

Prüfung

1. Vergleich der Markencodierung
2. Prüfung des Anleuchtwinkels auf Gültigkeit
3. Vergleich der gemessenen und der erwarteten Entfernung
4. Vergleich des gemessenen und des erwarteten Peilwinkels
5. Prüfung auf Doppelzuordnung einer Marke

Ein Meßwert ist dann einer Marke zugeordnet, wenn alle fünf Prüfkriterien erfüllt sind. Sofern mindestens zwei Meßwerte zugeordnet werden können, wird hieraus der Korrekturwert sowie die Kovarianzmatrix des Korrekturwerts für den durch Koppelnavigation ermittelten Positionsschätzwert berechnet. Der Positionsschätzwert wird dann so korrigiert, daß der korrigierte Wert eine minimale Varianz aufweist.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Fahrzeuges in einer Fahrebene mittels eines von einem auf dem Fahrzeug montierten Sensor ausgesandten parallel zur Fahrebene verlaufenden und um etwa 360° abtastenden Laserlichtstrahles, dessen Reflexion an mindestens zwei fixen Referenzpunkten, durch eine Empfangseinrichtung und einen Rechner verarbeitet wird, wobei die Referenzpunkte durch eine begrenzte Anzahl von unterscheidbaren Marken gebildet werden und die Marke dadurch identifiziert wird, daß ihre Breite aus Sicht des Sensors aus der tatsächlichen Markenabmessung, dem Abstand zwischen Marke und Sensor und dem Winkel zwischen dem Laserstrahl und der Flächennormalen der Marke errechnet wird und, daß aus der bekannten Varianz des Peilwinkels und der Position der vermessenen Marke relativ zum Sensor die Varianz der Fahrzeugposition berechnet und bei der Korrektur des Positionsschätzwertes des Fahrzeuges verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsschätzwert des Fahrzeuges durch ein Koppelnavigationverfahren bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangsstrahlen versetzt zueinander verlaufen.