CN100345715C

CN100345715C - 无人驾驶车辆导向系统和方法

Info

Publication number: CN100345715C
Application number: CNB028248937A
Authority: CN
Inventors: 马克·马里诺; 埃尔文·K·霍尼
Original assignee: Jervis B Webb International Co
Current assignee: Jervis B Webb Co; Jervis B Webb International Co
Priority date: 2001-12-12
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-12-11
Also published as: EP1453716B1; HK1070870A1; US6971464B2; ES2268122T3; WO2003049988A1; US20030106731A1; EP1453716A1; CA2469652A1; CA2469652C; DE60214761D1; DE60214761T2; EP1453716A4; AU2002351358A1; CN1602263A

Abstract

一种车辆导向系统(12)，用于沿一磁标记(20)导向车辆(10)，包括：具有一感测轴(32)的一第一磁性传感器(28)，用于测量一第一磁场。具有一感测轴(36)的一第二磁性传感器(30)，用于测量一第二磁场。该第二感测轴与该第一感测轴交叉于一车辆导向点(38)上。一处理器(16)配置为接收表征该磁场的数据，并基于该测量的磁场计算该导向点和该磁标记之间的横向偏移。一种用于导向车辆的方法，包括：测量接近该标记的磁场强度，测量远离该标记的背景磁场强度，通过从该接近的磁场强度中去除该远离的磁场强度来将该背景磁场无效化，计算车辆和标记之间的横向位移，以及响应该车辆和该标记之间的横向位移来导向该车辆。

Description

无人驾驶车辆导向系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请请求于2001年12月12日递交的、申请号为60/341,195的美国临时申请的利益，该申请的整个公开部分被认为是本申请所公开内容的一部分，在此被合并参考。

背景技术

本发明涉及一种沿由磁标记限定的路径导引无人驾驶车辆的装置和方法，该磁标记例如可为一条磁带、带磁性的漆或粘结的磁粉。

具有自动导向系统的无人驾驶车辆在工业上的应用变得越来越普遍。这些车辆用于在设备中沿预定的导向路径运输物料。在本领域中，能够使用各种方法来导引车辆，例如，航位推测法、电气化的导向线(electrified guidewire)、光学的或磁的标记，以及惯性系统等。然而，这些系统的每一个均具有与下述方面相关的缺点，例如：系统费用和复杂性、安装费用、导向路径修改的柔性(guide path revision flexibility)、以及运行精度等。这些缺陷的根源涉及到大量的系统零件，包括导向路径标记的类型以及定位或跟踪该导向路径的其他系统零件或传感器。例如，在电气化的导向线系统中，导线埋入到设备的工作面中。该车辆导向系统感测和跟踪由电流穿过该埋入的导线而产生的磁场。这些电气导向线系统在运行中具有较高的精度，但是，如果需要修正该导向路径时，则需将新的导向线埋入工作面中，所以该系统具有昂贵的安装费用和较低的导向路径修改柔性。相反地，惯性导向系统使用旋转编码器(wheel encoder)和陀螺仪能够提供较高的导向路径柔性，但是更昂贵和复杂。

近年来，在物料输送工业中使用无人驾驶车辆的技术有所增加。因此，相应地增加了低费用无人驾驶车辆的需求，特别是用于轻载应用中的车辆。这些轻载应用通常要求将车辆设计成比传统的无人驾驶车辆具有较低的坚固性。然而，导向精确、可靠和柔性的需求不会随着车辆尺寸一同缩减。事实上，由于在较低费用的车辆中导向系统占用了整个车辆费用的很大的百分比，所以对于导向系统的柔性和成本效率的需求通常更迫切。因此，鉴于大多精确和柔性的导向系统通常也较为复杂和昂贵的事实，存在对可用于较低坚固性的车辆设计中的一种可靠、柔性和具成本效率的自动导向系统的需求。

自动导向车(AGC)是这一增长市场的代表。AGC用于在整个组装设备中传输各种较轻的货物。由于其较小的尺寸和较低的车辆成本，用户通常需要较低导轨标记安装费用和修改该车的导轨的柔性，以适应工厂布局或装配流程的变动。有各种导向路径标记技术用于满足此需要。例如，可以将磁带设置在设备的工作面上以标记该导轨。现有技术中用于沿磁路径导引无人驾驶车辆的传感器组件包括霍耳效应开关的阵列，以磁性地感测标记了的路径。这些现有技术的例子包括专利号为4,990,841的美国专利，其出版于1991年2月5日，名称为“磁性导向车辆”，以及专利号为5,434,781的美国专利，其出版于1995年7月18日，名称为“使用传感器跟踪发射电磁场的电缆而导向无人驾驶车辆的方法和装置”。

发明内容

一种车辆导向系统，用于沿一磁标记导向车辆，包括：具有一感测轴的一第一磁性传感器，该第一传感器测量一第一磁场。一第二磁性传感器具有一感测轴，该第二传感器测量一第二磁场。该第二磁性传感器的感测轴与该第一磁性传感器的感测轴交叉于一车辆导向点上。沿一第一方向与所述导向点横向隔开设置有一第三磁性传感器，该第三传感器直接测量一第三磁场，该第三磁场为一背景磁场。一处理器配置为接收表征由该第一和第二传感器测量的磁场数据，以基于该测量的磁场计算在导向点和磁标记之间的横向偏移。

本发明还提供了一种用于响应具有磁场的标记而导向一车辆的方法。该方法的步骤包括：测量接近该标记的磁场强度，直接测量远离该标记的背景磁场强度，通过从该接近的磁场强度中去除该远离的磁场强度来将该背景磁场无效化，使用该无效化了的磁场强度计算车辆和标记之间的偏移或横向位移，以及响应该车辆和该标记之间的横向位移来导向该车辆。

从以下的具体实施方式、权利要求书和附图中，本发明的其他应用范围将变得更明显。然而，应知道表明本发明的优选实施例的详细说明和特定例子仅用作说明，因为在本发明的精神和范围内的各种改变和改型对于本领域的技术人员来讲，将变得很明显。

附图说明

从下面给出的具体实施方式、附加的权利要求书以及附图中，本发明将会变得更全面地被理解，其中：

图1是位于与工作面上的磁标记成一直线的操作位置的无人驾驶车辆的立体图；

图2是沿图1的线2-2的局部剖视图，示出了车辆内部与该磁标记成一直线位置的磁导向系统；

图3是磁导向系统的电气原理图，示出了根据本发明的传感器组件，包括导向系统传感器、信号处理器以及运动控制器；

图4是示出了该导向系统传感器典型输出的曲线图；

图5是说明该导向系统的操作范围的曲线图；以及

图6是无人驾驶车辆位于与具有叉状或Y交叉点的磁标记成一直线的操作位置的立体图。

具体实施方式

本发明大体上涉及一种无人驾驶车辆，包括用于跟踪磁标记路径的改进的导向系统。在附图，特别是在图1至图3示出的实施例中，显示了本发明具有一导向系统12的无人驾驶车辆10，该导向系统12具有传感器组件14、信号处理器16以及运动或操纵控制器(steering controller)18。如图1所示，该车辆10配置成跟随固定在工作面22上的磁导向路径或标记20。如图3所示，该导向系统12允许沿路径或标记20的主动跟踪。具体地，正如将在下面详细描述的那样，该信号处理器16接收从该传感器组件14的输出信号，并确定该车辆10自该路径或标记20的偏移或横向位移。该信号处理器16将操纵控制信息传输给该运动控制器18，然后，该运动控制器18调节该车辆10的运动，以跟踪该路径或标记20。本发明的改进大体上在于该传感器组件14和该信号处理器16，以便提高相对于该路径或标记20的车辆定位精度。

与现有的无人驾驶车辆的导向系统不同，本发明的导向系统12包括传感器组件14，其具有多个高灵敏度的磁场传感器，每个传感器都提供一模拟输出。该磁场传感器优选具有近似于16(mV/V)/(kA/m)的灵敏度。此外，该磁场传感器优选可检测1高斯或更小的磁场变化，更优选是10毫高斯或更小。在示出的实施例中，该磁场传感器是巨磁阻(GMR)传感器(giantmagnetoresistive sensor)。通常已知多种此类传感器应用于该车辆导向之外的领域中，本发明将这些高灵敏度的磁场传感器结合到车辆导向系统，以改善现有的导向系统。在本领域中有多种巨磁阻传感器可用，并可以用于本发明中，所描述的实施例包括菲利普半导体公司(Philips Semiconductors)供给的磁场传感器，其总部在荷兰的艾恩德霍芬，部件号为KMZ51和KMZ52。KMZ51和KMZ52传感器均提供了近似于16(mV/V)/(kA/m)的未补偿的灵敏度。KMZ52磁场传感器是双惠斯通电桥(dual Wheatstone bridge)传感器，其具有垂直的主H场(major H-field)或感测轴，而KMZ51磁场传感器是单惠斯通电桥(single Wheatstone bridge)传感器。在本领域很容易得到这些和类似的传感器的操作性能的详细描述，包括通过菲利普网站(www.semiconductors.philips.com)的产品信息。除了上述巨磁阻传感器KMZ51和KMZ52，本领域的技术人员可以看出，在不脱离本发明的范围内，还可以选择使用其他的高灵敏度的磁场传感器，包括霍耳效应装置。

这一点在下面有更详细的描述，本发明检测从该标记的路径20的偏移或横向位移，其特征是由该传感器组件14感测到的最强的极化DC磁场。在例举的实施例中，该传感器组件14包括示意性地显示在图2中的双桥巨磁阻(GMR)装置24，以包括磁场传感器28、30，其优选但不必要地安装并构造成“X”形布局、或“X”构造，这样，该第一磁场传感器28的主感测轴32被定向为相对于该车辆10的横向中心线26呈正四十五度(+45°)，并且该第二磁场传感器30的主感测轴36被定向为相对于该车辆10的横向中心线26呈负四十五度(-45°)，该主感测轴32和36相交以限定车辆导向点38。如下面更详细的描述，车辆导向点38是车辆10计算从该路径或标记20偏移的参考点。该GMR装置24可以被定位在该车辆10上，以便使该车辆导向点38与车辆10的横向中心线26成一直线，如图2中所示，或与该车辆横向中心线26间隔开。在后面的实施例中，当该车辆导向点38与该路径或标记20成一直线时，该车辆横向中心线26与该路径或标记20间隔开。因此，该传感器组件14的横向位置或该车辆导向点38可以与该车辆横向中心线26分隔开，从而，如果与该车辆横向中心线26成一直线时，转向轮将不压在和磨损路径20。该GMR装置24可以位于车辆10的前面、中间或后面。换句话说，该GMR装置24可以位于沿该车辆10的长度的任意纵向点。在示出的实施例中，GMR装置24包括菲利普KMZ52磁场传感器。然而，还可以使用一对KMZ51磁场传感器，或类似的单桥传感器，或高灵敏度的霍耳效应装置。该GMR装置24的非线性输出传送给信号处理器16，然后，该信号处理器16再提供一线性结果，该结果描述了该强极化的DC磁场的位置，作为相对于该车辆导向点38的偏移，该强极化的DC磁场由该路径或标记20的极化DC磁场表征。

除了磁场传感器28和30，本发明的传感器组件14还包括一对背景磁场传感器(ambient magnetic field sensors)40和42，其在该车辆导向点38的两端以一预定的距离44横向隔开(一个背景场传感器40在该车辆10的左舷，而另一背景场传感器42在该车辆10的右舷)。此两个背景场传感器40和42还优选设置于从该车辆导向点38向外成四十五度角(45°)，如图2所示。在示出的实施例中，每个背景场传感器40和42与该车辆导向点38之间的距离近似为两(2)英寸，并且优选是一又四分之三(1.75)英寸。该距离44取决于该路径或标记20的宽度以及包括传感器高度46的其他参数，本发明例举的实施例包括两(2)英寸的距离44，用于具有两(2)英寸宽度的路径或标记20，以及具有两(2)英寸的传感器高度46。

如下面更全面的描述，背景场传感器40和42提供磁场测量，用于无效化(nulling)或补偿在周围运行背景中产生的、以及由车辆框架产生的任何磁场中的背景磁场，以更精确地跟踪该路径或标记20的中心，在需要时，沿该磁化路径20的边缘48和50导向车辆10。在第一个例子中，来自该背景场传感器40和/或42的测量值用于校正从该GMR装置24获得的数据，其方法是从该数据中减去或无效化任何一致的背景DC磁场和车辆框架DC磁场或其一部分。该无效化的特征进一步使分别来自该磁场传感器28和30的输出信号A和B的增益增加，并使得能够分辨该磁场和背景场传感器28、30、40和42之间磁场强度的微小差别。导向系统12通过将该高灵敏度的磁场传感器28和30与背景磁场无效化的特征相结合，而辨别在该磁场和背景场传感器28、30、40及42之间的微小磁场强度差异的能力，提供了允许使用例如磁性浸渍的涂层、漆、带、粘合磁粉等的具有较低磁场强度的磁标记的导向系统12。这些低强度的磁标记通常安装成本低并易于适应路径改变，因此大大地降低了安装成本和时间。而且，该传感器组件14可主动地检测该磁化的路径或标记20，并因此降低了车辆10被背景磁场改变方向的机率，该背景磁场可能由其他工作面22内的不明原因的磁化材料引起。

作为例子而不是限制，本发明的优点在于包括一系统，该系统使得背景磁场无效化(nullify)，以允许该车辆10能够沿相对于现有技术较低强度的磁场而被导向。具体地，但不是相对于未在现有技术中发现的其他特征和优点而限制本发明的范围，与先前应用的磁阻传感器技术不同，本发明：(a)无效化地球磁场和/或其他一致的(uniform)背景磁场以辨别标记路径或标记20的存在，并防止错误的磁场检测；(b)将该磁场和背景场传感器28、30、40和42定向，以感测在水平面上的磁介质；(c)使用输出相位来建立可接受的运行区域；以及(d)使用伺服回路中的输出来操纵(steering)。

从该两个磁场传感器28和30的输出传递到信号处理器16(图3)，其被配置为处理此传感器输出并给运动控制器18提供控制值，该控制值与距平面52的距离(图2)成比例，该平面52与该路径或标记20的表面垂直并与该路径或标记20的长度平行。这样，传感器组件14可以用于测量该车辆导向点38相对于该路径或标记20的偏移或横向位移，其可用于伺服回路之中来控制车辆操纵。图2中示出了相对于位于路径或标记20中心的平面52的代表性的偏移O。然而，如下面更详细的描述，该传感器组件14还可以跟踪该路径20的边缘48或50。

通常，如图3所示，信号处理器16处理传感器数据以提供表征偏移或横向位移的运动控制测量值，以用于伺服回路操纵系统。信号处理器16的输入包括分别来自该磁场传感器28和30的输出信号A和B，如图4所示，以及分别来自该背景场传感器40和42的输出信号C和D，也如图4所示，以便分辨来自该磁场传感器28和30的有效磁场信号。如下面更详细的描述，此两个磁场传感器28和30的非线性输出传递到信号处理器16，该信号处理器16处理传感器输出并提供表征车辆导向点38相对于路径或标记20的偏移或横向位移的线性结果。该传感器组件14的方位和操作以及本发明的计算处理有些类似于“X-线圈”感应接收，其被描述于专利号为5,434,781的、受让人的美国专利，1995年7月18日授权，名称为“使用传感器跟踪发射电磁场的电缆而导向无人驾驶车辆的方法和装置”，此处引用其所公开的内容作为参考。与’781专利中使用的交变电流的X-线圈感应检测相比，本发明依赖于惠斯通电桥的磁阻效应，以检测磁标记路径的DC磁场。’781专利和本发明的其他显著的不同包括：’781专利中描述的装置提供正弦波形，其被滤波并被同步解调以为处理器提供DC电平，而本发明的磁性传感器电桥的输出提供一方波，其是关于一偏置点调制的DC电压。由于本发明直接感测DC场，因此不需要滤波。本发明的信号处理器16通过感测方波的高低电压，并将其与驱动磁场和背景场传感器28、30、40和42翻转的主控制时钟信号进行比较，来进行解调，而’781专利中描述的装置相对于一个传感器的相位解调传感器。此外，由于该背景场传感器28、30感测的DC磁场可能由背景磁场导致的，该传感器组件14包括附加的背景场传感器40、42，以从相对较高的一致或背景磁场中辨别有效的路径或标记20。

现参考磁场及背景场传感器28、30、40和42输出信号或测量值，描述由本发明执行的计算处理，所述输出信号或测量值在图4中分别用输出信号A、B、C、D表示。通过分别测量磁场及背景场传感器28、30、40和42的峰值到峰值的输出，对输出信号A、B、C、D进行测量，并参考传感器的翻转线圈信号指定每个传感器输出的正极性或负极性。该测量为下面的计算定义了输出信号A、B、C、D。当跟随该路径或标记20的中心时，信号处理器16根据如下公式确定车辆导向点38和路径或标记20中心之间的偏移(O)：

O＝G(A-B)/(A+B)，其中G＝1

需注意的是，上述公式并没有将GMR装置24安装在路径或标记20上方的距离，即传感器的高度46计算在内，如在’781专利所描述的方式。已经确定：对于传感器高度46的改变，该改变基本上与磁场传感器28和30的操作信号范围相等，在偏移计算中只有很小的变化。该很小的变化至少部分可归因于路径20的宽度相对于传感器高度46的小比率。本领域的技术人员可以看出，在不脱离由所附的权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可以在上述的公式中结合高度因子或传感器高度46。例如，可以基于名义传感器高度和介质场强度来经验性地确定该比例系数G，以校正该传感器输出为等于和成比例于该偏移的测量值。

当车辆10跟随该路径或标记20的右或右舷边缘50时，根据如下公式确定车辆导向点38和路径或标记20的右侧边缘50之间的右边缘偏移(OR)：

OR＝G(D-B)/(D+B)+K

其中G是比例增益(倾斜度)，取决于右或右舷磁场传感器30和右或右舷背景场传感器42之间的距离44，其中对于一又四分之三(1.75)英寸的距离44，该比例增益G等于一(1)；K是偏移，取决于该路径或标记20的宽度和传感器距离44，以提供与上面的路径中心偏移计算(O)相同的零位置，其中，对于路径宽度为二(2)英寸并且传感器高度46为二(2)英寸的情况，偏移K是等于一点五(1.5)英寸。

当跟随该路径或标记20的左或左舷边缘48时，根据如下公式计算车辆导向点38和路径或标记20的左侧边缘48之间的左边缘偏移(OL)：

OL＝G(A-C)/(A+C)-K

其中G是比例增益(倾斜度)，取决于左或左舷磁场传感器28和左或左舷背景场传感器40之间的距离44，其中对于一又四分之三(1.75)英寸的距离44，该比例增益G等于一(1)；K是偏移，取决于该路径或标记20的宽度和传感器距离44，以提供与上面的路径中心偏移计算(O)相同的零位置，其中，对于路径宽度为二(2)英寸并且传感器高度46为二(2)英寸的情况，偏移K等于一点五(1.5)英寸。

具体地，对于传感器偏移，使用二(2)英寸宽磁带作为路径或标记20以及二(2)英寸的传感器高度46，背景场传感器40和42应设置如下：其主感测轴54和58以在标记20的边缘48和50的外部接近二(2)英寸的最小距离，分别穿过该标记20的平面，以防止该背景场传感器40和42接收标记20发出的大量的信号。在此构造中，该背景场传感器40和42提供了表征背景磁场的测量值，虽然由于会接收来自路径20的剩余磁场，它们可能比背景磁场略高，该剩余磁场与该磁场传感器28和30的测量值的振幅相比通常足够小，这样，该信号可以用于辨别该磁场传感器28和30是否正在感测表征路径20的适当的较大信号。通常，随着路径宽度的增加，该背景场传感器40和42的间隔也必须增加，以提供有代表性的背景读数。如果从该背景场传感器40和42的读数被用于跟踪该路径20的边缘48和50，距离44一定不能太大，否则，该背景场传感器40和42将不能从该背景磁场中区分出该路径20。

采用上述的路径偏移公式(OR)的右边缘和路径偏移公式(OL)的左边缘，该导向系统12可以确定该车辆10、更具体地说是该车辆导向点38从路径或标记20的边缘48或50的偏移和横向位移，因此允许沿边缘48或50导向，有益于车辆10顺利穿过路径20分成两个路径段或合并了另一路径段的区域。

根据上述内容可以看出，可以多种方式辨别该背景磁场和该磁性路径的有/无。例如，通过将传感器组件14基本上设置在磁性路径20之上居中并垂直于该路径20，(A+B)的和将大于(C+D)。基于该磁性路径20的宽度以一合适距离44将背景场传感器40和42与磁场传感器28和40分隔开，在示出的实施例中是近似于两(2)英寸，将导致背景场传感器40和42的感测值略高于背景场。因此，此设置可以用于从该高背景(或一致)磁场中辨别有效的路径信号。该设置还可以用于指示该导向系统12处于预定的安全操作窗口，也就是说，作为由上述的偏移公式(O)、(OR)和(OL)给出的距离计算的冗余测试。该窗口的宽度由GMR装置24的背景场传感器40和42的距离44、以及其他诸如传感器高度46和路径20的宽度等其他因素确定。

具体地，输出信号C和D可以用于无效化电路，其有益于增加该传感器组件14的灵敏度。例如，由信号处理器16检测的输出信号C和/或D的测量值可以用于同时控制通道A、B、C和D的补偿线圈电流，直到补偿线圈产生了与由通道C和/或D检测到的背景场大小相等、极性相反的场。通过此方法，任何由C和/或D检测到的、假定为背景的场，被无效化。类似地，通道A和B的等效的场也被无效化。假定在磁场与背景场传感器28、30、40、42之间的该距离和环境导致在所有传感器28、30、40、42之间的一致的背景场测量值，这将有效地无效化该背景场。一旦其被完成，所有通道A-D的增益可以使用自动增益控制来增加，以使得由于增强了路径信号和背景场之间的可测量的差异，以感测具有相对较低磁场力该磁介质。此过程的连续迭代将导致对于任何从该背景场偏离的场的较高的灵敏度。

该背景场无效化及通道增益处理还通过收回先前由背景场数据占据的信号带宽，而增强了导向系统12的灵敏度。换句话说，对通道A、B、C、D的公共偏离的去除连同自动增益控制一起，允许更高的灵敏度和精度。例如，使用信号处理器16，模拟到数字转换的分辨率和输入振幅限定了所得出的磁场和背景场传感器28、30、40、42测量值之间差异的精度。

输出信号A和B的读数可以与上述各项一起使用，或只是作为验证有效路径存在和位置的预定的原始阈值。例如，在图4中包括的样本数据中，可以经验性地定义极化场阈值的零值(0)，以识别输出信号A或B必须具有大于此值的振幅以表示有效路径信号。

此外，该补偿线圈的行为，或减去校正偏离可以用于补偿在传感器组件14周围的金属，其对背景场具有相似的效果并会体现到测量到的背景场中。通过此方法，传感器性能实际上不受通常在该传感器组件14的上方和侧面的安装效果的影响。

作为通过计算该左边缘偏移(O)或右边缘偏移(OR)来跟随该路径或标记20的左边缘48或右边缘50的另一种方式，该导向系统12可通过保持分别来自一个传感器28或30的恒定的磁场读数，来操作以跟踪边缘48或50。用这种方式，该导向系统12可以相对于一个边缘48或50保持车辆10的位置。例如，为了跟踪左边缘48，该导向系统12操纵该车辆10，以保持左传感器28的恒定磁场读数。具体地，该导向系统12操纵该车辆10，以恒定地保持左传感器磁场读数，该读数等于该左传感器28的移动磁场平均值(running magnetic field average)。因此，如果该左传感器28的移动磁场读数平均值为89高斯，该导向系统12通过操纵车辆10，在一较短的移动距离保持车辆相对于该左边缘48的位置，从而保持左传感器读数为89高斯。类似地，为了跟踪该右边缘50，该导向系统12操纵该车辆10，以恒定地保持等于右传感器30的移动磁场平均值的右传感器磁场读数。因此，如果该右传感器30的移动磁场读数平均值为91高斯，该导向系统12通过操纵车辆10，在一较短的移动距离保持车辆相对于该右边缘50的车辆位置，以保持右传感器读数为91高斯。

当该车辆10通过如图6所示的路径或标记20的叉状或Y形交叉点时，这种跟踪边缘48和50的方法特别有效。当该车辆要沿交叉点的左分支跟踪时，该导向系统12操纵该车辆10，试图保持恒定的左传感器磁场读数。因此，所以该车辆被限制而不会左偏太远，因为该左传感器磁场读数将会降低，并且该车辆被限制而不会右偏太远，因为这会使得场读数增加。通过以相似的方式保持该右传感器磁场读数，该车辆可以被沿该交叉点的右分支被操纵。

如上所述，磁场传感器28和30优选是布置为“X”形结构。另一种可选的配置是将磁场传感器28和30布置为“T”形结构，其中，一个磁场传感器的主感测轴与该路径20或工作面22平行，而另一磁场传感器的主感测轴与该路径20或工作面22垂直。该“T”形结构也有益于车辆操纵，但相对于该“X”结构有其局限性。例如，该操作范围(左舷/右舷)被输出模式重复的事实所限制，可能会引起超出线性输出范围的一伪零值(false null)。然而，GMR装置24使用“T”形结构，可以进行相似的导向。类似地，一排紧密地分隔的GMR装置，全部都位于平行于工作面22的平面内，并垂直于该车辆移动的方向，可以用于实现增加的灵敏度，但是局限是仅仅提供与该传感器组件14等宽的覆盖范围。

除了感测该磁化的标记路径20，本发明还可以通过定向该传感器组件14来感测头/尾的距离，来以较高的精确度测量或指示停止位置。在此改型中，本发明能够感测磁化路径20以发出一停止信号。此外，该实际停止位置可以基于该传感器组件14的测量值来调整或预测，以通过控制车辆的速度回路来以较高的精度可靠定位该车辆10。该传感器组件14还可以用作磁化的条形码读卡器以定位特征信息，包括目标的尺寸以及目标的其他特征。

此外，背景场传感器40和42可以用于感测磁标记，以提供有关该车辆的当前位置的信息。例如，极化为该主路径20的进或出相位的、放置在路径20一侧的一较小的交叉带，通过在通道C或D创建瞬时较大的极化读数，可提供几个可确定的位置。

如图3所示，该信号处理器16包括一数字信号处理器(DSP)60，用于接收来自该磁场和背景场传感器28、30、40和42的输出信号A、B、C和D，并通过上述的偏移公式(O)(OR)(OL)计算偏移。运动控制器18接收与来自该数字信号处理器60的偏移计算成比例的信号，并作为响应，通过功率放大器62和操纵马达64提供操纵控制信号，以旋转该转向轮和连接到该转向轮上的传感器组件14。

上述的讨论揭示并描述了本发明的代表实施例。从该讨论中以及附图和权利要求书中，本领域的技术人员可以很容易看出，在不脱离由随附的权利要求书限定的、本发明的实质精神和适当的范围的情况下，本发明可以做各种变化、改型和改变。

Claims

1.一种车辆导向系统，用于沿一磁标记导向一车辆，其包括：

具有一感测轴的一第一磁性传感器，所述第一传感器测量一第一磁场；

具有一感测轴的一第二磁性传感器，所述第二传感器测量一第二磁场，所述第二磁性传感器的所述感测轴与所述第一磁性传感器的所述感测轴交叉于一车辆导向点上；

沿一第一方向与所述导向点横向隔开的一第三磁性传感器，所述第三传感器直接测量一第三磁场，所述第三磁场为一背景磁场；以及

一处理器，其配置为接收表征由所述第一、第二和第三传感器测量的磁场的数据，以从该第一和第二磁场其中之一减去该第三磁场以确定一无效值，并基于该无效值计算所述导向点和该磁标记之间的横向偏移。

2.如权利要求1所述的车辆导向系统，其中还包括一操纵控制器，并且所述处理器进一步确定与该横向偏移成比例的操纵控制信号，并将所述操纵控制信号传递给所述控制器。

3.如权利要求1所述的车辆导向系统，其中所述第一和第二磁性传感器具有等于或大于16(mV/V)/(kA/m)的非补偿磁场强度灵敏度。

4.如权利要求1所述的车辆导向系统，其中所述第一和第二磁性传感器分辨1高斯或更小的磁场变化。

5.如权利要求1所述的车辆导向系统，其中所述第一和第二磁性传感器分辨10毫高斯或更小的磁场变化。

6.如权利要求1所述的车辆导向系统，其中所述第一和第二磁性传感器是惠斯通电桥传感器。

7.如权利要求1所述的车辆导向系统，其中包括限定所述第一和第二磁性传感器的一双桥巨磁阻装置。

8.如权利要求1所述的车辆导向系统，其中所述处理器通过公式：G(A-B)/(A+B)来计算所述横向偏移，其中A是该第一磁性传感器测量的磁场，B是该第二磁性传感器测量的磁场。

9.如权利要求1所述的车辆导向系统，其中该第三磁场近似等于该第三传感器附近的背景磁场或来自该车辆的杂散磁场。

10.如权利要求1所述的车辆导向系统，其中，所述处理器进一步配置为使该第一或第二磁场来沿该标记的一边缘导向该车辆。

11.如权利要求10所述的车辆导向系统，其中，所述处理器通过以欲使该第一或第二磁场保持在固定值的方式确定操纵控制信号，来沿该标记的边缘导向该车辆。

12.如权利要求10所述的车辆导向系统，其中所述处理器通过下面的公式计算该导向点从该标记边缘的横向偏移：G[(A-C)/(A+C)]±K，其中，A是由该第一传感器测量的磁场，C是由该第三传感器测量的磁场，K是取决于该标记宽度的一偏移值。

13.如权利要求1所述的车辆导向系统，其中，所述第三磁场小于该第一和第二磁场。

14.如权利要求1所述的车辆导向系统，其中，当计算该横向偏移时，所述处理器从所述第一磁场中减去所述第三磁场，并且其中，该车辆导向系统还包括从所述导向点沿与所述第三传感器相反的方向横向隔开的一第四传感器，所述第四传感器测量一第四磁场，所述处理器进一步配置为接收表征由所述第四传感器测量的磁场的数据，并在计算该横向偏移时，从该第二磁场中减去该第四磁场。

15.如权利要求14所述的车辆导向系统，其中该第四磁场近似等于该第四传感器附近的背景磁场或来自该车辆的杂散磁场。

16.一种无人驾驶的车辆，配置为沿一磁标记被导向，所述车辆包括：

具有一横向中心线的一车辆；

固定到该车辆上的一导向系统，所述导向系统包括：

17.如权利要求16所述的无人驾驶的车辆，其中还包括一操纵控制器，并且所述处理器进一步确定与该横向偏移成比例的一操纵控制信号，并将所述操纵控制信号传递给所述控制器。

18.如权利要求16所述的无人驾驶的车辆，其中所述第一和第二磁性传感器具有等于或大于16(mV/V)/(kA/m)的非补偿磁场强度灵敏度。

19.如权利要求16所述的无人驾驶的车辆，其中所述第一和第二磁性传感器分辨1高斯或更小的磁场变化。

20.如权利要求16所述的无人驾驶的车辆，其中该第三磁场近似等于该第三传感器附近的背景磁场或来自该车辆的杂散磁场。

21.一种车辆导向系统，用于沿一具有一对相对的边缘的磁标记导向一车辆，所述车辆导向系统包括：

一处理器，其配置为接收表征由所述第一、第二和第三传感器测量的磁场的数据，并使用第三测量磁场，以沿一个标记边缘导向该车辆。

22.如权利要求21所述的车辆导向系统，其中还包括一操纵控制器，并且所述处理器进一步确定与该第一磁场和该第二磁场的移动平均值成比例的操纵控制信号，并将所述操纵控制信号传递给所述控制器。

23.如权利要求21所述的车辆导向系统，其中，所述处理器使用该第三测量磁场来计算该导向点从一个标记边缘的横向偏移，用于沿一个标记边缘导向该车辆，所述计算是基于如下公式进行的：G[(A-C)/(A+C)]±K，其中，A是由该第一传感器测量的磁场，C是由该第三传感器测量的磁场，K是取决于该标记宽度的一偏移值。

24.如权利要求21所述的车辆导向系统，其中，所述处理器通过以欲使该第二磁场保持在固定值的方式确定操纵控制信号，来沿一个标记边缘导向该车辆。

25.一种用于响应具有磁场的标记而导向一车辆的方法，其包括以下步骤：

测量接近该标记的磁场强度；

直接测量远离该标记的背景磁场的强度；

通过从该接近的磁场强度中去除该远离的磁场强度来将该背景磁场无效化；

使用该无效化的磁场强度计算该车辆和该标记之间的横向位移；以及

响应该车辆和该标记之间的该横向位移来导向该车辆。

26.如权利要求25所述的方法，其中包括测量磁场强度接近于16(mV/V)/(kA/m)或更小的该标记的步骤。

27.如权利要求25所述的方法，其中该标记具有一对相对的边缘，并包括使用该无效化的磁场强度计算该车辆和该对相对的标记边缘的其中之一之间的一横向位移的步骤，并沿该对相对的标记边缘的其中之一导向该车辆。

28.如权利要求27所述的方法，其中，计算横向偏移的步骤是基于如下公式进行的：G[(A-C)/(A+C)]±K，其中，A是由该第一传感器测量的磁场，C是由该第三传感器测量的磁场，K是取决于该标记宽度的一偏移值。

29.如权利要求25所述的方法，进一步包括如下步骤：通过以欲使靠近该标记的磁场强度保持在固定值的方式确定操纵控制信号，来沿一个相对的标记边缘导向该车辆。