CN102084309A - 引导车辆的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种引导车辆(1)的方法，包括以下步骤：在车辆(1)的位移过程中，通过激励装置(5)激励在诸如道路(3)的支撑物上固定的、由高磁导率磁性材料制成的至少一个引导元件(4)；通过检测装置(6，7)检测在激励后从引导元件(4)发出的信号；收集并处理从检测装置(6，7)发出的信号以引导车辆(1)。以如下方式执行对引导元件(4)的激励，以便在引导元件(4)的操作循环内使得引导元件(4)的操作点处于饱和或被修改，随后发出多频信号，多频信号包括基频(f0)波和具有基频值的倍数的频率(nf0)的、被称为谐波的波，并通过生成旋转激励磁场的多个线圈或雷达来执行激励。

Description

引导车辆的方法

本发明涉及一种引导车辆的方法。

自动车辆引导涉及不同的技术领域。它可特别应用于对汽车或例如除雪机的道路工程车辆的引导，或应用于对工业卡车的引导。

特别的，关于除雪机，由于例如通常喷涂在道路上的连续的或间断的交通线等常见参考地标在被雪覆盖时不再可见，因此能够精确引导是有利的。所述引导方法可特别应用于在机场跑道上引导除雪机。

所述车辆引导，取决于应用领域，可为操作员或驾驶员提供帮助或甚至替代他们。

在文献US4800978和DE3726212的每一个中都描述了车辆引导的一个已知方法。所述方法包括以下步骤：

-当车辆行驶时，通过激励装置，激励在诸如道路的支撑物上固定的、采用磁性材料的至少一个引导元件，

-检测在通过激励装置激励后从引导元件发出的信号，

-收集并处理从检测装置发出的信号，以引导车辆。

这种类型系统的安装不完全消除在地下或位于引导元件附近的寄生传导元件。

当激励装置发送电磁波时，位于引导元件附近的传导元件同样发送回基频波，所述基频波与引导元件发出的波相互作用。

因而将由引导元件发出的信号与由寄生元件发出的信号分开是很困难的，这将会影响检测的质量，因此影响引导的精确性或可靠性。

本发明提出了一种实现精确、可靠地引导车辆的方法来克服这些缺点。

出于这个目的，本发明涉及一种引导车辆的方法，包括以下步骤：

-当车辆行驶时，通过激励装置，激励在诸如道路的支撑物上固定的、采用高磁导率磁性材料的至少一个引导元件，

-通过检测装置，检测在激励后从引导元件发出的信号，

-收集并处理从检测装置发出的信号，以引导车辆，其特征在于，执行对引导元件的激励，以便在引导元件的操作循环内使得引导元件的操作点处于饱和或被修改，随后发出多频(frequency-rich)信号，所述多频信号包括基频波和具有基频值的倍数的频率的、被称为谐波的波，其中通过生成旋转激励磁场的多个线圈或雷达来执行激励。

术语“倍数”可不按其严格的意义解释。因此多频波可以是一种例如其频率接近基频的两倍但并不完全等于该值的波。

通过所述系统可克服掩埋在地下或在引导元件附近的(通常是传导的)寄生元件。

对应于基波的谐波的识别使得能够识别并分离从寄生传导元件发出的信号和从引导元件发出的信号。

根据本发明的一个特征，引导元件通过至少一个发送器线圈激励。

还可采用其他的已知类型的电磁波生成器。

有利地，从引导元件发出的信号通过至少一个接收器线圈检测，其中该接收器线圈被调谐至从引导元件发出的一个或多个谐波的频率。

根据本发明的一个可能实现方式，被激励的引导元件至少部分由相对磁导率大于10000的材料形成，相对磁导率优选地大于100000。

可采用低能量电磁波使得这种类型的引导元件饱和。还可使用低激励能量获得可靠的响应，这提高了包括激励装置和检测装置的引导系统的便携性。

此外，很难使得地下的寄生磁元件形成饱和，其中寄生磁元件相对于传导元件在数量上较少。

因此为了发送低能量波，仅引导元件以可识别波的形式发送响应。

优选地，被激励的引导元件至少部分由纳米晶材料形成。

还可采用其他类型的具有高相对磁导率的磁元件，优选地在被使用时采用厚度约30微米的条带(strip)形状。

纳米晶合金是组合物类型为(Fe_74.5Si_13.5B9Nb₃，Cu_x)的合金，其通过在高速旋转的轮上快速退火制成，或FeZrBCu类型的合金，或具有类似特性的其他类型的合金。

根据本发明的一个特征，激励装置和检测装置被配置在车辆上，与引导元件的距离大于20cm，该距离优选地大于40cm，甚至大于60cm，进一步优选地大于80cm甚至大于1m。

考虑到读取可靠性，可增加包括激励装置和检测装置的检测系统与设置有引导元件的支撑物之间的距离。利用所述距离，可防止检测系统在存在障碍物或支撑物表面不平整的情形下变差。

根据本发明的一个可能实现方式，引导元件的大小被设置为当引导元件被激励时生成轴向对称的磁场。

优选地，多个引导元件沿着车辆行驶的路线被固定在支撑物上。

根据本发明的一个特征，引导元件被配置为形成表示事件的编码，所述事件例如是障碍物的存在，所述编码在车辆的行驶中被检测。

在任何情况下，通过下面给出的具体实施方式的帮助，参考所附的示意性附图对本发明获得正确的理解，在附图中示出了作为非限定性示例的上述引导方法的几个实施例。

图1是在道路上移动的、设置有检测系统的车辆的示意图。

图2是示出了检测系统的线圈或磁力计传感器的定位的示意图。

图3是示出了发送器装置的结构的方框图。

图4是示出了检测装置的结构的方框图。

图5至图7描绘了设置有用于形成表示事件的编码的引导元件的道路。

图1示出了在道路3上行驶的、设置有检测系统2的车辆1。

细长标签形式的引导元件4直接地设置在道路3的下面或是道路3的表面。引导元件4以至少一米的距离隔开，并由纳米晶材料制成。这种类型的材料具有大于10000的高磁导率。例如通过在两个聚乙烯板材之间涂覆而保护引导元件4不受腐蚀，并且引导元件4具有25μm等级下的窄的厚度，并具有500×30mm等级下的尺寸。如此选择横截面除以长度的比率使得材料的退磁场足够弱从而不对抗条带的磁化。

还可采用连续条带形式的引导元件。

检测系统2被嵌入在车辆1中并包括用于激励引导元件4的装置，生成电磁波，其强度可在引导元件的操作循环内使得引导元件的操作点处于饱和或被修改，随后发出包括基频波和频率为基频值的倍数的、被称为谐波的波的多频信号。更特别地，电磁波交替地使磁性材料饱和并由此生成谐波。

检测系统2进一步包括能够检测从引导元件发出的信号的检测装置、以及实现来自检测装置的信号被收集及被处理以便引导车辆的信号处理装置。

检测系统的结构示意图如图2所示。

如这个附图所示，激励装置包括交流电以频率f₀流过的发送器线圈5，该频率是引导元件4的基本激励频率。激励线圈被设置在车辆1上，与道路3的表面存在1米等级的距离。

调整引导元件4的尺寸从而限制退磁场的影响。退磁场由于每个引导元件的几何特性而生成并对抗外部激励磁场的影响。

响应于发送器线圈5对引导元件4的激励，每个引导元件表现为用于发送电磁波的天线，所述电磁波包括基频f₀和谐波频率2f₀，3f₀，nf₀。

根据本发明的一个可能实现方式的传输频率f₀介于5至50kHz之间，优选地处于10kHz等级。

为降低发送功率而不降低实现饱和的发送电流的水平，激励信号以脉冲的形式发送，该脉冲包括频率f₀的锯齿正弦波。正弦波的周期的数目典型地处在200个周期每个锯齿半周期的等级。周期的数目和传输功率可被调整。

该锯齿包括在0和1两个水平之间变化的方波信号并具有频率f₀的正弦信号的周期的倍数的周期。使用水平1的持续时间来调整发送功率。

发送器线圈1可用固定在车辆上的雷达替代，或用天线替代。

检测装置进一步包括接收器线圈6，7。

接收器线圈6，7位于称为“阴影区”的区域中并被调谐至激励频率f₀的倍频(谐波)以检测由每个引导元件发出的磁场。

将阴影区定义为这样一个区域，其中在接收器线圈中发送器线圈生成的磁场的总流量非常低，在不存在对象时甚至为零。

关于接收器线圈，可确知的是，优选地，线圈对与其正交放置的引导元件或条带4发出的磁场是敏感的，并且对平行于接收器线圈6，7的平面放置的条带所发出的磁场几乎不敏感。

在条带发出的信号中谐波的存在取决于采用的磁性材料建立的磁场的非线性特性。在下述情况中，检测器采用的频率是激励信号的二次(2f₀)和三次(3f₀)谐波。明显地，还可采用其他谐波。

除磁性引导元件4的非线性特性之外，检测系统2还利用所采用的磁性材料的几何图形，该几何图形可被解释为优选的纵向磁化方向。除引导元件4的位置之外，该特性还可以用于其相对于接收器线圈6，7的移动方向的定向。

因此，可区分两种类型的接收器线圈。

第一种类型包括朝向平行于如箭头所示的车辆1行驶方向放置的线圈7。这种类型的线圈对垂直于行驶方向设置的引导元件4是敏感的。这些线圈7被称为“横向线圈”。

第二种类型包括朝向正交于车辆的行驶方向放置的线圈6。不同于横向线圈7，这些线圈6对沿车辆1的行驶方向设置的元件4更加敏感。这些线圈6称为“纵向线圈”。

更特别地，检测装置可包括多个并排设置的纵向线圈6，该纵向线圈6的使用首先实现了对引导元件4的识别和跟踪，该引导元件4以追随电路(a circuit to be followed)或面包屑电路(breadcrumb circuit)的形式被设置；其次实现了当遇到地面上可能出现的扰动元件时检测器的可靠性方面的改善。

如上所述，接收器线圈6，7以与道路3的表面相距1m的等级的距离的形式设置。

根据本发明的另一可能实现方式，接收器线圈可由磁力计替代。

从不同线圈6，7发出的信号均采用处理装置来处理。

这些装置与用于测量车辆1行驶的装置相关联，这实现了对于行驶的速度和/或距离的测量。车辆上常规地配置有所述装置以便取回接受处理的这些数据从而引导车辆，而不需要使用其他装置。

用于处理从接收器线圈6，7发出的信号的装置包括实现排除基频f₀的高通滤波器。

基频f₀的排除实现了对于由发送器线圈5引起的、在引导元件朝接收器线圈6，7发出的信号的测量方面的扰动的降低。

所述滤波还使得区分从引导元件4发出的信号与引导元件4附近的、从掩埋于地下的传导寄生元件11发出的信号成为可能。

在上述滤波器的输出端，对应于谐波的信号在被处理前先被放大。

在这种情况下，可采用用于处理信号的两种方法，也就是对从引导元件4发出的信号进行采样并由接收器线圈6，7接收的第一种方法，和对接收器线圈6，7所接收的模拟信号进行比较的第二种方法。

利用第一种方法，也就是对引导元件4发出的信号进行采样，由放大步骤得到的信号通过采集卡获取，随后进行高频采样以确保所获得的信号的良好表现。

从接收器6，7和/或发送器5的每一个获得的信号都是同步的。

随后比较从接收器线圈6，7得到的信号并评估其差异。

当相对于引导元件4对称设置的纵向接收器线圈6接收到的信号是相等的时，可以推断出车辆1处于引导元件的中心。

如果纵向接收器线圈6的信号之间的差异是负的，或正的，这意味着车辆1偏离于所指定的方向。则本领域技术人员可知如何处理数据并校正车辆方向的变化。

利用第二种方法，也就是信号的模拟处理，通过滤波处理后的、从每个线圈6，7得到的信号是模拟信号。因而可直接地比较模拟信号，而不需要通过采样的先前处理。

这样，在线圈与引导元件正交放置时，可比较由引导元件4发出的平均流量，并推断车辆1相对于所述引导元件4的位置。特别是，当磁性流量相等时，这意味着线圈6相对于引导元件4对称地设置，结果车辆1被正确地定位。

用于运作检测系统的能量源是车辆的电池，其能够提供大约50Ah的电流。所述电池的能量足够使磁性引导元件4饱和。

发送装置的功能布局如图3所示。

如这个附图所示，电池为周期信号发生器和放大器提供能量。在周期信号发生器的输入端，操作者可选择对应的线圈5所发送信号的频率、振幅和功率。在所述发生器的输出端，所产生的周期信号被发送至用于生成电流I的放大器，当该电流I流过被调谐至频率f₀的发送器线圈5时，生成足够的磁场来激励引导元件4。

在目前的情况下，发送信号S由下式定义：

S(t)＝Asin(2πf₀)·P(t)

P(t)是具有值0和1的方波信号，其表示通过激励信号的检测在N周期内所发送的功率。

上式涉及车辆以低速行驶的情况，例如大约20km/h。对于更快的行驶速度，信号以与所采用的磁性合金性能相一致的高频被发送。在该情况下，信号由雷达发送。

调谐电容C与发送器线圈5串联地设置，调谐电容C的值是发送频率f₀的函数。值C由下面方式定义：

$C=\frac{1}{L{\left(2\mathrm{\π}{f}_0\right)}^2}$

其中L是发送器线圈的感应系数。

在此处描述的实施例作为一个示例，激励电流具有10A的强度以生成足够的磁场来使磁性引导元件4饱和。

这个磁场的值在距离发送器线圈1m的距离处为7.2A/m。

发送器线圈的特性如下所示：

-铜线的直径：0.8mm；

-线圈的直径：400mm；

-圈数：90；

-感应系数：7.7mH；

-电阻：3.9Ω

信号接收器和处理装置的功能布局如图4所示。

如这个附图所示，接收器线圈6，7所接收的信号的处理包括以下步骤：

-滤波基频；

-放大；

-采样；

-同步检测谐波频率2f₀和3f₀；

-数据存储；

-与数据库(bank)比较；

-决定。

接收器线圈6，7是类似的，并具有以下特性：

-铜线的直径：0.315mm；

-线圈的直径：200mm；

-圈数：75；

-感应系数：2.46mH；

-电阻：10.6Ω

如图5至图7所示，除车辆1的引导之外，检测系统2还可用于事件的检测，诸如障碍物、交叉路口、限速、交通灯或路标。

如果存在彼此分开并沿行驶路线设置的多个引导元件4，当接近将被检测的事件8时可导致所述元件之间的间距发生变化，从而可通过检测系统2检测到所述设置。

如果引导元件是连续线的方式，可在接近事件8时使所述线断裂。这导致检测到的信号10中的突然变化9，并且所述变化可容易地被识别。

同样可相对于车辆1的行驶方向交叉地设置一个或多个磁性材料的条带11。在这种情况下，在车辆上装备能够检测到垂直于车辆行驶方向的磁场的传感器是很必要的。

明显地，本发明并不局限于前述作为示例的这种引导方法的唯一实施例，相反本发明包括所有变化。

本发明涉及最广泛意义上的车辆，但更特别地应用于对例如除雪机的陆地机动车辆的引导，或应用于对起飞前和降落后在跑道上处于滑行阶段中的航空器的引导。

Claims (9)

1.引导车辆(1)的方法，包括以下步骤：

-在车辆(1)的行驶过程中，通过激励装置(5)激励在诸如道路(3)的支撑物上固定的、采用高磁导率磁性材料的至少一个引导元件(4)，

-通过检测装置(6，7)检测在激励后从引导元件(4)发出的信号，

-收集并处理从检测装置(6，7)发出的信号，以引导车辆(1)，

其特征在于，执行对引导元件(4)的激励，以便在引导元件(4)的操作循环内使得引导元件(4)的操作点处于饱和或被修改，随后发出多频信号，所述多频信号包括基频(f₀)波和具有基频值的倍数的频率(nf₀)的、被称为谐波的波，其中通过生成旋转激励磁场的多个线圈或雷达来产生激励。

2.根据权利要求1所述的引导方法，其特征在于，引导元件(4)通过至少一个发送器线圈(5)激励。

3.根据权利要求1或2所述的引导方法，其特征在于，从引导元件(4)发出的信号通过至少一个接收器线圈(6，7)检测，其中该接收器线圈被调谐至从引导元件(4)发出的一个或多个谐波的频率。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的引导方法，其特征在于，被激励的引导元件(4)至少部分由相对磁导率大于10000的材料形成。

5.根据权利要求4所述的引导方法，其特征在于，被激励的引导元件(4)至少部分由纳米晶材料形成。

6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的引导方法，其特征在于，激励装置(5)和检测装置(6，7)被配置在车辆(1)上，与引导元件(4)的距离大于20cm。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的引导方法，其特征在于，引导元件(4)的大小被设置为当引导元件(4)被激励时生成轴向对称的磁场。

8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的引导方法，其特征在于，多个引导元件(4)沿着车辆(1)行驶的路线被固定在支撑物(3)上。

9.根据权利要求8所述的引导方法，其特征在于，引导元件(4)被配置来形成表示事件的编码，所述事件例如是障碍物的存在，所述编码在车辆的行驶中被检测。

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