CN103119398A - 具有完整性检查的机器导航系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于机器(12)的导航系统(20)。导航系统(20)可以具有：导航单元(26)，被配置为在第一时间和在第二时间测量机器(12)的位置；以及至少一个第一传感器(30)，被配置为生成至少一个第一信号，该至少一个第一信号指示机器(12)在从第一时间到第二时间的时间段期间的速度和行进方向。导航系统(20)也可以具有：控制器(28)，被配置为基于在第一时间测量的机器(12)的位置和至少一个第一信号来估计机器(12)在第二时间的位置；并且将在第二时间测量的机器(12)的位置与所估计的机器(12)在第二时间的位置进行比较。控制器(28)也可以被配置为基于该比较来确定导航单元(26)的完整性。

Description

具有完整性检查的机器导航系统
技术领域
本公开内容总体涉及一种导航系统并且更具体地涉及一种具有完整性检查的机器导航系统。
背景技术
比如公路拖运卡车、自动平地机、扫雪车和其它类型重型设备的机器用来执行多种任务。这些任务中的一些任务涉及到沿陡坡或者沿着粗糙或者标记不明显的运输道输送或者推动大型、笨拙、松散和/或沉重负载。并且由于机器的尺寸和动量和/或由于不良可见性，这些任务对于人类操作者难以独立有效完成。
为了帮助沿着运输道安全和高效指导大型机器，一些机器配备有传感器、例如GPS传感器、雷达传感器、声纳传感器、激光雷达传感器、红外线(IR)和非IR相机以及其它相似传感器。这些传感器经常连接到可视显示器和/或机器的指导系统，从而可以增强或者甚至自动化机器操控之上的控制。为了这些显示器和指导系统恰当操作，由传感器提供的信息必须准确。并且即使多数机器传感器系统在首次投入使用时被校准，但是在操作期间的振动、碰撞和对机器的损坏可降低传感器提供的信息质量。这样，对传感器的完整性的定期检查可以是有益的。
在1999年5月25日向Fan授权的第5,906,655号美国专利(“655专利”)中公开了一种提供定期完整性检查的示例机器系统。具体而言，’655专利公开一种具有GPS接收器和惯性导航单元(INU)的完整机器定位系统。INU包括里程表、多普勒雷达、陀螺仪和用于测量移动机器的转向角的传感器。机器定位系统从GPS接收器接收GPS位置估计并从INU接收INU位置估计，以及比较这两个位置估计。如果两个位置估计相同，则认为系统有效。否则，比较如由里程表和多普勒雷达所确定的移动机器的速率。如果速率差值大于第一预定阈值，则确定INU无效。如果速率差值少于第一预定阈值，则比较来自陀螺仪的转首角速度与基于测量的转向角和速率所计算的转首角速度。如果转首角速度差值大于第二预定阈值，则认为INU无效。否则，认为GPS无效。
虽然’655专利的机器定位系统可以在一些情形中有所帮助，但是系统可能少于最优。具体而言，系统需要两个分离的和冗余的导航单元，这可增加系统的成本和复杂性。此外，系统可能由于瞬态的传感器值改变、传感器噪声以及诸如机器滑移和滑动的外部条件而易有假警报。另外，’655专利的系统可能不能检测随时间的误差漂移。
公开的导航系统针对克服现有技术的上文阐述的一个或者多个问题和/或其它问题。
发明内容
在一个方面中，本公开内容涉及一种导航系统。该导航系统可以包括：导航单元，被配置为在第一时间和在第二时间测量机器的位置；至少一个第一传感器，被配置为生成至少一个第一信号，该至少一个第一信号指示在从第一时间到第二时间的时间段期间机器的速度和行进方向；以及控制器，与导航单元和至少一个第一传感器通信。控制器可以被配置为基于在第一时间测量的机器的位置和至少一个第一信号来估计机器在第二时间的位置并且将在第二时间测量的机器的位置与所估计的机器在第二时间的位置进行比较。控制器也可以被配置为基于该比较来确定导航单元的完整性。
在又一方面中，本公开内容涉及一种用于由导航系统使用的计算机可读介质。该计算机可读介质可以具有用于执行准确性检查所测量的位置的方法的可执行指令。该方法可以包括：在第一时间和在第二时间测量机器的位置；在从第一时间到第二时间的时间段期间测量机器的速度和行进方向；并且基于在第一时间测量的机器的位置以及所测量的速度和行进方向来估计机器在第二时间的位置。该方法也可以包括：将在第二时间测量的移动机器的位置与所估计的移动机器在第二时间的位置进行比较；并且基于该比较来确定在第二时间测量的位置的准确性。
附图说明
图1是示意性公开的机器导航系统的图解图示；以及
图2是描绘由图1的机器导航系统可以执行的示意性公开的方法的流程图。
具体实施方式
图1图示了工地10和在工地10执行任务的示例机器12。工地10可以包括例如矿地、垃圾填埋地、采石场、建筑工地或者具有机器12能越过的道路或者地面14的任何其它类型的工地。机器12执行的任务可以与变更在工地10的地形相关联并且可以包括例如拖运操作、平地操作、土地平整操作、耕作操作、大块材料去除操作或者任何其它类型的操作。这样，机器12可以包含移动机器，例如拖运卡车、自动平地机或者扫雪车。机器12可以包括动力源16、一个或者多个牵引设备18和导航系统20以及其它组成。动力源16可以生成并且向牵引设备18提供动力以推进机器12，而导航系统20可以响应于各种输入来调节动力源16和/或牵引设备18的操作以操控机器12。
动力源16可以包含内燃引擎、诸如例如柴油引擎、汽油引擎、气体燃料动力引擎或者本领域技术人员清楚的任何其它类型的引擎。动力源16可以备选地或者附加地包括非燃烧动力源，诸如燃料电池、动力存储设备、电动马达或者其它相似机制。动力源16可以经由直接机械耦合、液压电路、电气电路或者以任何其它适当方式被连接用于驱动牵引设备18。
牵引设备18可以是轮、带、轨道或者本领域已知的另一牵引设备。一个或者多个牵引设备18可以由动力源16驱动以根据动力源16的输出旋转来旋转和推进机器12。转向设备22、例如液压汽缸、液压马达、电动马达和/或齿条和齿轮配置可以与一个或者多个牵引设备18相关联以影响其转向。此外，制动设备24、例如压缩盘式制动器、内部流体制动器、引擎缓速器、排气制动器和/或变速器制动器可以与一个或者多个牵引设备18和/或动力源16相关联以影响机器12的制动。
导航系统20可以包括交互以帮助调节机器12的操控的多个部件。具体而言，导航系统20可以包括导航单元26以及与动力源16、牵引设备18、转向设备22、制动设备24和/或导航单元26通信的控制器28。控制器28可以被配置为基于从导航单元26和/或从机器12的操作所接收的输入来部分或者完全控制机器12的操控(即推进、转向和/或制动)。
导航单元26可以被配置为确定机器12在工地10的位置并且生成指示该位置的信号。例如，导航单元26可以包含全球定位系统(GPS)单元、惯性参考/测量单元(IR/MU)、局部跟踪系统或者被配置为接收或者确定与机器12相关联的位置信息的任何其它已知定位设备。在一个实施例中，来自导航单元26的位置信息可以是三维的，但是也可以使用仅提供二维信息的单元。导航单元26可以与控制器28通信以传送指示所接收的或者所确定的位置信息的信号。
控制器28可以包括用于监视、记录、存储、索引化、处理和/或传达如导航单元26测量的和提供的机器12的地理位置并且用于响应于这一信息来部分或者完全控制机器12的操控(即推进、转向和/或制动)的组件。这些组件可以包括，例如存储器、一个或者多个数据存储设备、中央处理单元或者可以用来运行所公开的申请的任何其它组件。另外，虽然可以将本公开内容的方面总体描述为存储于存储器内，但是本领域技术人员将理解可以在不同类型的计算机程序产品或者计算机可读介质上存储这些方面或者从这些不同类型的计算机程序产品或者计算机可读介质读取这些方面、这些不同类型的计算机程序产品或者计算机可读介质诸如计算机芯片和包括硬盘、软盘、光学介质、CD-ROM或者其它形式的RAM或者ROM的辅助存储设备。
为了导航单元26提供的信息在机器12的独立或者半独立控制期间最准确并对控制器28最有用，应当定期检查导航单元26的准确性并且应对从所期望的准确性的偏差。理想地，导航单元26的准确性与所期望的准确性总是基本上匹配。然而，在组装期间引起的误差和机器12操作期间导航单元26的非期望的移动或者损坏可能使导航单元26的实际准确性从所需准确度漂移开。控制器28可以被配置为从导航系统26接收信号并且执行在计算机可读介质上存储的计算机程序指令序列以执行下文将说明的导航完整性检查和控制方法。
控制器28执行的方法可以总体包括以下步骤：在时间T1经由导航单元26测量机器12的位置，基于测量的位置和其它输入来估计机器在稍后时间T2的位置，在时间T2经由导航单元26测量机器12的位置，讲在时间T2所测量的位置与所估计的时间T2的位置进行比较，以及基于这一比较来有选择地采取纠正和/或回避动作。对该比较的响应可以变化并且基于所测量的位置与所估计的位置之间的差值(例如基于作为这一差值的函数而计算的误差值)。例如，如果所测量的位置约等于所估计的位置，则控制器28可以完全不影响机器操控。然而，如果所测量的位置明显不同于所估计的位置(即相差至少一个阈值数量)，则控制器28可以向机器12的操作者报警导航系统20可能有故障、推荐由操作者进行动作、独立地控制转向设备22以朝着已知安全位置操控机器12、独立地控制致动设备24以减缓或者甚至停止机器12的行驶和/或实施其它回避操控。设想如果期望则可以调整在所测量的与所估计的位置之间的差值水平触发控制器28的特定响应以及触发哪个响应。也设想在一些实施例中，在实施回避操控之前，所测量的与所估计的机器位置之间的差值大于阈值数量必须持续设定时间段，从而不由于与导航单元26关联的卫星覆盖短暂消逝而错误地触发回避操控。在这些卫星覆盖的消逝期间或者在其它导航故障的短暂时段期间，如果期望，则控制器28可以被配置为将在时间T2测量的位置替换为所估计的位置用于在机器12的独立控制中使用。
控制器28可以被配置为基于导航单元26提供的在时间T1所测量的位置并且基于在时间T1与时间T2之间的时段期间连续感测的机器参数来估计机器12在时间T2的位置。具体而言，导航系统20可以包括在导航单元26的完整性检查期间由控制器28使用以估计机器12的位置的至少一个传感器30。在一个特定实施例中，导航系统20包括两个不同传感器、例如行进速度传感器30A和至少一个行进方向传感器30B。控制器28可以从导航单元26接收关于在时间T1的机器12的第一位置的信息；从传感器30A和30B接收关于从时间T1到稍后时间T2期间机器的行进速度和行进方向的信息；基于所感测的行进速度、时间段和所感测的行进方向来计算机器12自从时间T1在特定方向上行驶的总距离；并且基于在时间T1的位置、自从时间T1行驶的距离以及从时间T1的行驶方向来估计机器12在时间T2的位置。控制器28可以具有在与在时间T2的机器位置估计期间使用的每项计算相关联的存储器中存储的算法。
控制器28也可以被配置为确定导航单元26的准确性漂移。具体而言，控制器28可以被配置为记录所估计的机器12在相继时刻的位置和所测量的位置并且对记录的信息执行趋势分析以确定准确性漂移。例如，控制器28可以基于在时间T1机器10所测量的位置以及在从时间T1到时间T10的时段期间所测量的机器10的速度和行进方向，存储在将来时间T10用于机器10的估计位置，基于在时间T2机器10所测量的位置以及在从时间T2到时间T10的时段期间所测量的机器10的速度和行进方向存储在将来时间T10的用于机器T10的位置的估计位置，基于在时间T3机器10所测量的位置以及在从时间T3到时间T10的时段期间测量的机器10的速度和行进方向，存储在将来时间T10的用于机器10的位置的估计位置等。控制器28然后可以将在时间T10所测量的位置与每个从时间T1-T9所估计的位置进行比较并且确定用于导航系统20的多个误差项、例如E1-E9。控制器28然后可以根据一个或者多个预定义标准值对这些误差值进行加权并且计算残值信号R。如果残值信号大于阈值误差值，则可以确定导航系统20漂移。控制器28然后可以被配置为即使在个别测量与所估计的位置值之间的差值尚未超过上文描述的阈值差值量，也基于漂移来实施不同响应(即采取不同纠正动作)。设想可以如期望的那样将任何数目的估计位置与单个测量位置(例如10、15、50)进行比较。
传感器30A可以包含被配置为提供牵引设备18的旋转速度的指示的磁性拾取型传感器。在一个实例中，传感器30A可以包括与在牵引设备18的轮轴、牵引设备18的轴和/或驱动牵引设备18的减速齿轮布置或者变速器(未示出)的旋转组件内嵌入的磁体(未示出)邻近设置的霍尔效应元件(未示出)。在这一位置，霍尔效应元件可以感测到牵引设备18的旋转速度并且产生对应行进速度信号。备选地，如果期望，则传感器30A可以包含另一类型的传感器、例如光学传感器、雷达传感器、多普勒传感器或者本领域已知的任何其它类型的行进速度传感器。可以将来自传感器30A的信号引向控制器28用于处理和控制目的。
行进方向传感器30B可以被配置为感测机器12的行进方向并且生成至少一个对应信号。在一个具体实施例中，在仅两个维度中(即x-y平面与地面14大体平行)感测机器12的行进方向。在多数情形中，二维行进方向信息可以是针对机器12的独立控制和/或导航单元26的完整性检查所需要的所有信息，因为机器12一般仅能平面移动。这样，行进方向传感器30B可以是与牵引设备18相关联的单个转向角传感器并且被配置为生成指示牵引设备18从机器12的前/后方向离开的角度的第一信号。转向角传感器可以与使牵引设备18从该前/后方向转动开的转向汽缸相关联，并且在这一配置中，转向角传感器可以被配置为检测汽缸的延伸长度并且生成指示牵引设备18的转动角的对应信号。在另一实例中，转向角传感器可以与牵引设备18的转动轴相关联以直接测量牵引设备18的旋转角。应当注意可以与机器12的已知运动学特性相结合来利用任何类型的转向角传感器以生成指示机器12的行进方向的信号。
在一些实施例中，针对独立机器控制和/或导航单元完整性检查，在三个维度中的行进方向信息可以有帮助。在这些实施例中，设想如果期望，则行进方向传感器30B还包括俯仰、滚动和/或偏航传感器(未示出)。例如来自俯仰传感器的第二信号可以帮助确定在从时间T1到时间T2的时段期间机器12的行进方向是否包括仰角参数。
图2图示可以作为指令存储于计算机可读介质上的用于在导航完整性检查期间由控制器28执行的公开的示意性方法。将在以下章节中更具体讨论图2以进一步说明所公开的概念。
工业实用性
所公开的导航系统可以应用于利用位置检测的任何移动机器。所公开的导航系统可以帮助确定检测的位置的准确性并且在系统发生故障期间提供回避机器操控。所公开的系统可以与人工控制、部分独立或者完全独立的机器结合使用。现在将参照图2描述导航系统20的操作。
如从图2可见，导航完整性检查的示意性方法可以始于在时间T1测量的机器12的位置(步骤100)。导航单元26可以测量机器12的位置并且将指示这一位置的信号引向控制器28。位置可以包括二维或者三维信息。在控制器28已经记录在时间T1机器12的位置之后，控制器28可以将这一信息与来自传感器30的输入一起用来估计在稍后时间T2机器12的位置。具体而言，控制器28可以基于传感器30生成的信号来确定机器12在从时间T1到时间T2的时段期间的行进速度和行进方向(步骤110)。控制器28使用牛顿定律以及机器12在横向方向上未移动(即机器12可以未侧向滑动)并且牵引设备18未滑移这样的假设，然后基于在时间段期间收集的行进速度和行进方向信息来计算在时间段期间行驶的总距离和行驶的方向。控制器28然后可以使用行驶的总距离和行驶方向信息来估计在时间T2机器12的位置(步骤120)。也就是说，控制器28可以将在时间T2机器12的原位置与机器12在测量的行驶方向上行驶的总距离相加以计算在时间T2机器12的最终位置。同时，导航单元26可以测量在时间T2机器12的位置(步骤130)。
控制器28可以通过比较在时间T2所测量的位置与所估计的位置以确定在两个位置之间的差值是否大于阈值数量来检查导航单元26的完整性(步骤140)。如果在时间T2所测量的与所估计的位置之间的差值少于阈值数量，则可以推断导航单元26恰当工作(步骤140：是)，并且控制可以返回到步骤100。然而如果在步骤140，在所测量的与所估计的位置之间的差值大于阈值数量(步骤140：否)，则可以推断导航单元26发生故障(即机器12的测量位置不准确)并且应当实施纠正动作(步骤150)。如上文描述的那样，纠正动作可以包括向机器12的操作者提供故障的报警、经由动力源16、转向设备22和制动设备24的选择性控制来影响机器12的转向、影响机器12的推进和/或影响机器12的制动。在一个实施例中，当在机器12所测量的与所估计的位置之间的差值大于阈值数量持续至少设定时间段时，控制器28可以独立地停止机器12的所有行驶。
导航系统20可以是简单、廉价和鲁棒的。具体而言，导航系统20可以仅需单个导航单元(即导航单元26)并且利用现有传感器(即行进速度和转向角传感器30A和30B)以检查导航单元的完整性。这一布置可以产生对机器指导和控制的简单、低成本解决方案。此外，可以通过直接比较测量误差与阈值数量以及通过比较随时间的误差漂移来确定导航单元的故障，这两项比较可以帮助提高导航系统20的鲁棒性。
本领域技术人员将显而易见，可以对本公开内容的导航系统进行各种修改和变化。考虑到这里公开的系统的说明书和实践，其它实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。说明书和示例仅意在作为示例，本公开的实际范围由以下权利要求及其等同形式所指示。

Claims (10)

1.一种导航系统(20)，包括：
导航单元(26)，被配置为在第一时间和在第二时间测量机器(12)的位置；
至少一个第一传感器(30)，被配置为生成至少一个第一信号，所述至少一个第一信号指示在从所述第一时间到所述第二时间的时间段期间所述机器(12)的速度和行进方向；以及
控制器(28)，与所述导航单元(26)和所述至少一个第一传感器(30)通信，所述控制器(28)被配置为：
基于在所述第一时间测量的所述机器(12)的位置和所述至少一个第一信号来估计所述机器(12)在所述第二时间的位置；
将在所述第二时间测量的所述机器(12)的位置与所估计的所述机器(12)在所述第二时间的位置进行比较；并且
基于所述比较来确定所述导航单元(26)的完整性。
2.根据权利要求1所述的导航系统(20)，其中所述至少一个第一传感器(30)包括：速度传感器(30A)，被配置为生成指示所述机器(12)的行进速度的速度信号；以及转向角传感器(30B)，被配置为生成指示所述机器(12)的行进方向的第一行进方向信号。
3.根据权利要求2所述的导航系统(20)，其中所述至少一个第一传感器(30)还包括：俯仰传感器(30)，被配置为生成指示所述机器(12)的所述行进方向的第二行进方向信号。
4.根据权利要求3所述的导航系统(20)，其中所述控制器(28)被配置为基于来自所述速度传感器(30A)、所述转向角传感器(30B)、所述俯仰传感器(30)的信号以及所述机器(12)的已知运动学特性来估计所述机器(12)在所述第二时间的所述位置。
5.根据权利要求1所述的导航系统(20)，其中所述导航单元(26)是GPS单元。
6.根据权利要求5所述的导航系统(20)，其中所述控制器(28)被配置为当在所述第二时间测量的位置与所估计的在所述第二时间的位置相差阈值数量时，确定所述GPS单元已经发生故障。
7.根据权利要求6所述的导航系统(20)，其中所述控制器(28)还被配置为在确定所述GPS单元已经发生故障时，有选择地实施回避机器(12)控制。
8.根据权利要求7所述的导航系统(20)，其中所述控制器(28)还被配置为仅在确定所述GPS单元已经发生故障持续设定时间段时，有选择地实施回避机器(12)控制。
9.根据权利要求8所述的导航系统(20)，其中所述控制器(28)还被配置为在确定所述GPS单元发生故障时，将在所述第二时间测量的位置替换为所估计的在所述第二时间的位置以用于机器(12)控制目的。
10.根据权利要求8所述的导航系统(20)，其中所述控制器(28)还被配置为将所估计的所述机器(12)在相继时刻的位置与所测量的位置进行附加比较，并且基于所述附加比较的趋势分析来确定所述GPS单元漂移的准确性。
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