CN103562745A - 用于定位车辆的技术 - Google Patents

Abstract

一种用于在具备位置（x_b，y_b）已知的至少两个地标（11,11’）的环境中确定车辆3的位置（x_v，y_v）的系统。所述系统包括至少一个安装在所述车辆（3）中并被配置为测量从所述车辆（3）至所述至少两个地标的（11,11’）距离（R_c）和方向（a_c）的扫描距离传感器（9），以及数据处理设备（8）。所述数据处理设备（8）被配置为：在其存储器中存储所述至少两个地标的位置（x_b，y_b）；以及至少基于所述至少两个地标的位置（x_b，y_b）和从车辆（3）到所述至少两个地标（11）的距离（R_c）和方向（a_c）确定所述车辆3的位置（x_v，y_v）。

Description

用于定位车辆的技术

技术领域

本发明涉及一种用于根据在已知位置中提供的地标来定位车辆的方法和装置。结合本发明，车辆指能够由人和/或自动化控制移动的设备，并且目的不是将该术语限制为在公路交通立法中阐述的车辆的定义。

背景技术

作为说明性的而非限制性的示例，现使用在集装箱码头（例如港口）中的集装箱搬运系统来描述本发明。以下，典型的集装箱港口的运作将被解释为从某种程度上对理解本发明的运作有必要。

图1示出当所述的港口通过跨运车3运作时依靠船用起重机4卸载和装载集装箱船2。依靠从船用起重机4的绳索所悬挂的集装箱抓手，集装箱1被从所述集装箱船2的集装箱筒仓中提起，并下降进入码头（quay）5上的期望通道（lane）7。紧接着，所述跨运车3从地上抓起从所述船上卸下的集装箱1A、1B并将所述集装箱运输到集装箱存放场地。当装载船时，该过程是相反的。然后，所述跨运车3带来将从所述集装箱存放场地装载的集装箱1C并将集装箱1C放在所述船用起重机4下，进入期望通道7，从那里该船用起重机4然后抓起集装箱1C并提起放到所述船2上。

参照图1，绝大多数的国际货物运输依靠集装箱1进行。所述集装箱是标准形状的运输单元，在该运输单元中货物在运输期间被打包。通常，集装箱有长度为20英尺、40英尺或45英尺三种不同的尺寸。集装箱的宽度大约是2.5米。所述集装箱通过集装箱船2、集装箱卡车或集装箱火车运输，到达以及相应地离开集装箱港口。标准形状的运输单元使得货物在不同的运输阶段能够快的多地进行搬运，特别是当装载和卸载集装箱船时，以及当从海运改变到陆运时或相反地从陆运改变到海运时。

所述集装箱在所述集装箱港口通过包括跨运车、轨行门式起重机或RMG起重机、轮胎式龙门起重机（RTG）起重机、正面吊运机、各种叉式装载机、以及牵引拖车组的特别的集装箱起重机3来搬运。一种特定类型的轨行门式起重机是船用起重机4，所述船用起重机4用于提起将被从船卸载到码头5的集装箱，以及相应地用于装载被带到码头装上集装箱船的集装箱。

上述的跨运车例如能够在港口区域周围通过其橡胶轮胎移动，从地面或从集装箱堆场捡起集装箱，以及将集装箱一个挨着一个地堆叠或将集装箱放到集装箱卡车车床上或地上。当集装箱在港口区域中被放到地上，它们通常被放在特定的集装箱广场6或分开的通道7（例如通过在地面上涂漆并命名或标号来指定而使得集装箱的位置能够容易地被记录）。

当前的目标是自动化所述集装箱起重机3，使得集装箱起重机的操作的工作更简单和更快速，或所述操作可完全从所述集装箱搬运机器消除，在这种情况下，所述集装箱搬运机器在没有操作者的情况下无人化地运行。

如果所述的目标是促进所述操作者的工作，那么通常在工作流程中的一些工作阶段由计算机控制自动化地执行。所述的目标然后是加速所述特定的工作阶段，增加准确性、可靠性或安全性，或仅为了促进所述操作者的工作。

如果所述操作者完全从所述集装箱搬运机器的控制仓中移除并且所述集装箱搬运机器无人地运行，那么所述集装箱搬运机器的相当多部分的工作阶段然后由数字控制设备（数据处理设备，简言之“计算机”）控制自动地执行。如先前所知，不能由计算机自动地可靠地执行的工作阶段可以通过使用特定的远程控制技术来执行，在这种情况下，一个或多个人员在一段时间中控制例如依靠实时录像和无线电连接远程控制的集装箱搬运机器。集装箱搬运机器的无人控制能够使得大量节省成本，因为由很少的雇员使用很大数量的集装箱搬运机器随之成为可能。

一些重要的可被自动化的工作是：a）通过沿着期望路径自动驾驶集装箱搬运机器，以及b）集装箱记录的自动化。

本领域的技术人员将理解，如果集装箱搬运机器将在没有操作人员的情况下来运行，那么根据a）的特征是必不可少的，因为通常大多数的工作流程时间是由在所述的港口区域中驾驶所述集装箱搬运机器所消耗。b）的特征在无人和有人操作中都是非常有用的。

用于特征a）和b）的自动化的共同需求是在所述的港口区域内的所述集装箱搬运机器3的位置必须是已知的，通常以约10厘米的精度。本发明通过使得能够实时地确定所述集装箱搬运机器3的准确位置和行驶方向来促进集装箱搬运的自动化。

接下来，参照图2。首先，所述集装箱搬运机器1）必须具备能够以约10厘米的精度不断地测量该集装箱搬运机器的位置的定位系统8，其次2）如果测量的位置不同于所述集装箱搬运机器的期望或规划路径17，那么该集装箱搬运机器的执行器必须被控制使得该集装箱搬运机器返回到所述的期望路径17。通常，就实现技术而言如果条件1）满足，那么条件2）对所述集装箱搬运机器3来说不是问题。相反，通过使用已知技术已经证明条件1）很难被满足。

本领域的技术人员将理解，由于安全原因，无人化的集装箱搬运机器不能完全依靠计算机移动，除非该集装箱搬运机器的真实位置或行驶方向是已知的。如果所述集装箱搬运机器在不知道真实位置或行驶方向的情况下依靠计算机移动，那么将出现该集装箱搬运机器与可能驻留在沿规划路径上的集装箱、其它起重机或其它建筑物碰撞的危险。因此，对于所述的定位系统8而言以下是绝对需要的：测量的位置数据必须是恒定的而无由任何外部干扰因素影响的位置测量的中断。

本领域的技术人员也将理解，由所述的定位系统8所测量的位置和方向数据必须是没有时延和实时的，因为所述集装箱搬运机器3（例如跨运车）可每秒移动多达10米的距离，这意味着与所述的期望路径的可能偏离必须尽快地被检测以便避免危险情况。被认为足够的测量频率通常是每秒大约10...20个位置测量。

如上所述，对于根据本发明的集装箱搬运机器的定位系统8来说另一个用途是与在港口区域中的集装箱记录的自动化和集装箱位置的自动监视相关联。在集装箱1已经被从船2卸载后，集装箱搬运机器（或者由人控制或者在由计算机自动控制下）将该集装箱运到特定的集装箱存放场地，其中该集装箱通常成排和成堆地被放置。集装箱排和其单个集装箱存储地6或集装箱场6（参照图2）通常在地上被涂漆并且被指定使得每个集装箱场可清晰地被识别，并且从而在该集装箱场所述集装箱记录中彼此分开。在这些集装箱场中，单个集装箱彼此堆叠。在存放场地中每个单个集装箱的位置（通常为集装箱场的标识和在堆栈中的高度）被存储在特定的装有合适数据库的集装箱码头操作系统或TOS。目前，目标是在搬运的每个阶段中自动化集装箱位置的监视，从而避免由人的错误引起的问题，特别是由所述集装箱搬运机器3的操作人员所做出的那些错误所引起的问题。如果在所述存放场地中所述集装箱搬运机器的操作员将所述集装箱1运到不同于由所述的TOS所假定的位置6，或替代地，该集装箱搬运机器的操作员向该TOS中输入该集装箱的错误位置，那么以后在该集装箱存放场地中找到该集装箱将是有问题的。特别地，如果当船正在被装载时，所述集装箱必须在所述集装箱存放场中被寻找，那么成本会变得很高，因为所述的目标是明确地要减少在港口中船的卸载和装载时间。

现有技术使得在所述集装箱存放场地中集装箱的位置能够被监视（例如通过使用卫星定位技术（GPS），在没有大型结构体（例如起重机或建筑物）出现在该区域中来干扰GPS信号的传播时）。在这种情况下，所述集装箱搬运机器3相应地装有GPS接收天线12和GPS装置用于例如以1秒的时间间隔监视该集装箱搬运机器的位置。此外，通过电气监测所述集装箱搬运机器3的扭锁的运行，在特定时刻检测抓起集装箱和将集装箱放在集装箱堆栈或地面的实例是可能的。当自然地假定所述集装箱1在没有某个集装箱搬运机器3移动它时不会移动时，那么只要所述集装箱搬运机器在GPS定位卫星覆盖区域内的开放区域中，则监视该集装箱的位置就是可能的。

然而，所述的GPS定位技术在整个港口区域内不能可靠地工作，因为GPS设备天线12通常必须同时与至少5个GPS卫星维持可视通信，以便能够可靠的计算位置。大型集装箱起重机3（例如船用起重机4）阻止了GPS无线电信号无干扰的通过其进行传播，因此产生阴影区域和在GPS定位中的精度的降低。由于所述集装箱场6可以以大约一个集装箱宽度的距离（即2.5米）被彼此并排放置，因此为使集装箱场6或驾驶通道7能被准确地确定，所述的GPS定位的精度应比这个准确的多。例如，对GPS技术来说，不可能可靠地检测在船用起重机下的哪个位置或特别是哪个通道7（参照图1）中所述集装箱搬运机器3放下集装箱，或从哪个通道所述集装箱搬运机器检起集装箱。类似的问题出现在当GPS定位被用在其它大型集装箱起重机3的附近或之下（例如RTG或RMG起重机）时。

当卸载船时，例如，以下情况呈现特定的问题：超过一个的集装箱已经被所述船用起重机4放到在码头上的地面上（例如，在邻近通道上）。在图1中，集装箱1A和1B例如呈现出这样的情况。如果没有来自所述集装箱搬运机器的定位数据可用，那么不可能确切地知道到到达所述的起重机下的所述集装箱搬运机器3抓起哪个集装箱。因此，也不可能确切地知道在所述集装箱存放场地中所述集装箱1A和1B最后归放在哪个位置，从而使得不可能自动监视集装箱的位置。类似地，当装载船时，确切地知道所述集装箱搬运机器3在哪个通道放下集装箱也是不可能的。在图1中，集装箱1C示出这个问题。在这种情况下，自动化地确保所述集装箱1C被正确地装载到船上是不可能的。

当然，当卸载和装载船时，安排某人在码头5来监视操作并且例如确保所述集装箱搬运机器3和所述船用起重机4捡起正确的集装箱是可能的。然而，这个阶段受制于人的错误，人的错误依靠自动化可以被消除。而且，出现在码头的任何人不但是额外的成本因素也是可能出现危险情况者，因为在港口发生事故，甚至导致被集装箱搬运机器碾过的人员死亡。

例如，EP0185816A1揭露了一种依靠激光扫描仪和逆反射反射器用于定位车辆的技术。然而，该发明根本没有公开用于定位车辆的工作技术而是从位置确定中系统地得出不正确的结论。EP0185816A1基于三角测量技术能够工作，如果从所述车辆到所述的地标的方向是绑定到地面的绝对方向，但是当车辆相对于地面转弯时，情况并非如此。因为车辆的方位是未知的，所以EP0185816A1的技术会系统地遭受有比已知因素更多的未知因素的问题，使得方程组（如果呈现这样的方程组）不可能得到解决。

发明内容

因此本发明的目标是提供一种方法和实现所述方法的装置以便使得至少一个上述问题能被减轻或消除。本发明的所述的目标通过一种以独立权利要求中的公开为特征的方法和系统来获得。本发明的优选实施例在从属权利要求中公开。

本发明的一个方面是一种用于在具备位置已知的至少一个地标的环境中用于定位车辆的系统。所述系统包括至少一个安装在车辆中并配置用于测量从该车辆到所述至少一个地标的距离和方向的扫描距离传感器。所述系统还包括数据处理设备，该数据处理设备被配置为在其存储器中存储所述至少一个地标的位置；以及基于所述至少一个地标的位置和从该车辆到所述至少一个地标的距离和方向确定该车辆的位置。

本发明的另一个方面是一种在具备位置已知的至少一个地标的环境中用于定位车辆的方法。所述方法包括由数据处理设备执行的以下步骤：1）从至少一个安装在所述车辆中的扫描距离传感器接收从该车辆到所述至少一个地标的距离和方向；2）在存储器中存储所述至少一个地标的位置；以及3）根据所述至少一个地标和从该车辆到所述至少一个地标的距离和方向确定该车辆的位置。

根据本发明的集装箱搬运机器定位系统因此是基于安装在车辆（例如集装箱搬运机器）中的扫描距离传感器和在已知位置提供的地标。距离传感器通常是基于激光技术的传感器，特别是激光波束的行程时间的测量，但是根据本发明的系统也可由另一种提供相应的测量量的传感器来实现。从本发明所蕴含的意思上来说，地标是在所述的扫描距离传感器的视野中在已知位置中提供的并具有使得该地标能够与其它对象区别的明确定义的特征集合的对象。这样的特征集合可包括地标的形状。例如通过以足够短的时间间隔在多个方向上测量到该对象的距离以便使得在多个方向和距离的测量期间由所述车辆行使的距离可被忽略，可确定在所述的距离传感器的视野中的所述对象的形状。如果基于多个方向和距离所检测的所述对象的形状对应于存储在所述数据处理设备的存储器中的地标的形状，那么该检测的对象可被认为是地标。优选地，地标的形状是圆柱形的，因为这样的地标无论从哪个视角方向看起来都一样。作为形状的替代或附加，地标的特征集合可以示例的方式包括大小和/或颜色。

为了提高位置数据的精度，所述的系统测量从所述车辆到至少两个地标的距离和方向是有利的。然而，所述车辆可能进入这种情况，其中同时测量到两个地标的距离是不可能的。这个遗留问题可这样被解决：使得所述的系统被配置为在两个分开的测量时间测量从所述车辆到至少两个地标的所述的距离和方向，并且在这两个分开的测量时间之间的时间期间确定该车辆的方位（position）和/或位置（location）的改变。在两个测量时间之间的时间期间车辆的位置的改变可通过例如卫星定位来确定。替代地，一种可使用至少在有限的时间中能够确定车辆的位置和方位的改变的技术。安装在所述车辆中的陀螺仪就是这种技术的示例。替代地，所述车辆位置和方位的改变可通过监视该车辆控制轮的角度以及距离测量传感器来确定，并且距离测量传感器的校准数据可基于例如关于所述地标的已知位置数据。在这种情况下，如果所述至少一个地标不能被检测出，则所述车辆的位置可通过使用航位推测法（dead reckoning）（即在没有外部观测的情况下）来确定。

本发明的典型特征因此是用于基于地标的已知位置来定位车辆的距离传感器的使用。而且，可通过使用由所述距离传感器所给出的关于在该车辆的行使方向上可能的障碍物的信息来减少所述车辆碰撞的危险。如果可能与之发生碰撞的障碍物被检测到在所述车辆的行使方向上或附近，那么所述的系统可停止该车辆。当所述系统被配置为自动地控制车辆（在某些情况中甚至无人地控制车辆）时，这是一个特别有利的特征。

众所周知，扫描激光传感器也可被用在无人的操作中作为集装箱搬运机器的安全传感器以避免碰撞。无人的集装箱搬运机器（例如跨运车）可装有碰撞防止传感器系统，碰撞防止传感器系统可通过扫描激光传感器来实现。为了确保所述集装箱搬运机器不与可能位于沿规划路径中的人、集装箱、其它集装箱搬运机器或建筑物碰撞，该集装箱搬运机器通常可装有能够观察例如在180度的扫描区域内其周围（例如高达30...80米的距离）的对象的四个扫描激光传感器。本发明和其优选的实施例使得相同的传感器系统依靠具有已知位置的特定的固定地标也能被用于定位车辆（例如集装箱搬运机器）。使用用于几个不同目的相同传感器能够获得成本上的相当多的节省。

在本发明的一种典型的但非限制性的实现方式中，所述车辆是集装箱搬运机器或另一种被配置为从一个地点向另一个地点移动货物的设备。根据本发明的系统然后可促使物流的自动化，从而控制系统被配置为通过确定在所述车辆卸载货物时的时刻该车辆的位置来确定由该车辆运输的货物的卸载点。也就是说，所述车辆的控制系统可通知例如港口或另一种货物码头的物流系统由该车运输的集装箱位于由在当该车辆卸载货物时的时刻该车辆的位置所确定的位置。另外，所述的系统可被配置为基于所述车辆检起货物的位置来识别货物。也就是说，信息是由指示特定集装箱位于特定位置的物流系统来提供，并且当所述车辆从该位置捡起该集装箱时，关于该集装箱的标识的信息由该物流系统来提供。

附图说明

现结合优选的实施例并参照附图更详细的描述本发明，其中：

图1示出当港口通过跨运车运行时依靠船用起重机卸载和装载集装箱船；

图2示出由计算机控制沿期望路径行驶并运输由其载运的货物（例如集装箱）的集装箱搬运机器；

图3是示出载运所述集装箱的所述集装箱搬运机器的侧视图；

图4示出扫描激光传感器的运行原理；

图5示出在检测地标和定位车辆中所使用的坐标和变量；

图6示出在航位推测法中所使用的变量；以及

图7和8示出在地标可能有时从车辆的视线中消失的情况下用于定位车辆的不同技术。

具体实施方式

图4示出扫描激光传感器9的运行原理。所述激光距离传感器射出激光脉冲13，该激光脉冲13从可能击中波束14的对象15被反射，并且该激光中的一些返回到该激光距离传感器的光接收器。所述激光距离传感器确定在射出和接收所述光脉冲之间的光的行程时间，并且基于该行程时间计算所述反射对象的距离R。所述激光距离传感器被固定在绕旋转器的轴16旋转的旋转器，并且激光脉冲13频繁地被射出。通常，随后激光波束14彼此覆盖，在这种情况下在激光脉冲之间没有留有缝隙，从而使得更小的对象15能够被检测。使用其内部传感器系统，扫描激光距离传感器9也测量激光波束13的射出角度。

参照图4，为理解根据本发明的系统的运行，从某种程度上来说有必要描述所述扫描激光距离传感器9。

在第一阶段，所述激光距离传感器射出激光脉冲13，当在20米的距离测量时，激光脉冲13的波束宽度14通常是约10...20厘米。射出的激光可是眼睛可见的或是眼睛不可见的（例如红外线辐射，IR激光）。在第二阶段，射出的光脉冲从可能击中波束14的对象15被反射，并且激光中的一些返回到激光距离传感器的光接收器。所述激光距离传感器还能够例如以40米的距离检测激光脉冲13的反射，即使反射的对象在颜色上是磨砂黑并且只反射回击中它的光的10%。如果对象在颜色上是较淡的，例如地标11，并且反射击中它的大部分的光（例如90%），则在更远的距离甚至在一百米的距离检测对象也是可能的。在第三阶段，所述激光距离传感器确定在射出和接收光脉冲之间的光的行程时间。在第四阶段，基于光的行程时间来计算反射对象至激光传感器的距离R，并且该读数被输出到传感器的用户。通常，除了距离信息R，测量的回光的强度I也可输出，强度I与反射对象的距离和颜色成比例。

还参照图4，所述扫描激光距离传感器9运行使得上述激光距离传感器被固定到绕旋转器轴16快速旋转（例如每秒50转）的旋转器，并且激光脉冲13频繁地被射出使得在完成前一个距离R的测量后立即射出下一个光脉冲。通常，随后激光波束14彼此覆盖，在这种情况下激光脉冲之间没有留有缝隙，从而使得更小的对象15可被检测。

通常，所述扫描激光距离传感器的旋转轴16垂直于激光波束13被设置。扫描激光距离传感器自然能够通过内部的传感器系统实时测量激光波束13的发射角度（旋转角a）。通常，传感器9因此为每个单个激光距离测量提供以下信息：测量角a、测量距离R，以及可能的反射强度I。

如上所述，根据本发明的系统也可由提供测量变量{a，R}或{a，R，I}的其它传感器来实现，并且因此不是仅仅限制为激光技术的使用。

图2示出例如由计算机控制沿期望路径17行驶、运输由其载运的货物（在这个示例中是集装箱）的集装箱搬运机器3到存放区域中的集装箱场6。所述集装箱搬运机器3装有四个扫描激光传感器9，其在扫描区域10中例如通过180度的张角观测可见对象（例如其它的集装箱搬运机器3’、在地面上的集装箱1以及用于导航的特定地标11）。所述的激光传感器9可被用于防止与检测对象的碰撞和用于依靠地标11确定集装箱搬运机器3的位置和方位。此外，所述集装箱搬运机器的顶部装有可被用于协助集装箱搬运机器3的定位的GPS卫星定位天线12。

图3是示出载运集装箱1的集装箱搬运机器3的侧视图。所述集装箱搬运机器3装有观测附近的对象（例如在地面上的集装箱1以及用于导航的特定地标11）的扫描激光传感器9。激光传感器9被水平地安装在一种高度使得他们能够被用于防止与检测的对象碰撞和用于依靠地标11来确定集装箱搬运机器3的位置和方位。地标11和激光传感器9的高度已经被选择使得激光波束13例如近似地在中部击中地标11。此外，集装箱搬运机器的顶部装有可被用于协助集装箱搬运机器3的定位的GPS卫星定位天线12。

接下来参照图2和3，接下来将阐述根据本发明和/或其优选的实施例的定位系统的运行。在典型的而非限制的本发明的实施例中，在港口区域中以适当的间隔提供特定地标11（其可能例如外形上是圆柱形的）。一种示例性而非限制的地标的高度可以是例如1.5米，并且它的直径相应地为60...80厘米。圆柱形的地标可由例如混凝土井环（well ring）元件形成，该元件中的例如三个被彼此堆叠在一起（参照图3）。因此，地标在结构上非常便宜并且非常耐用。所述的地标可被涂成例如白色或黄色以便提高激光反射。圆形圆柱的地标形状使得它非常容易识别，由此它的测量数值就不依赖于视角方向。然而，本领域的技术人员将理解，这不是实现根据本发明的系统所必需的。

在一个根据本发明的定位系统的实施例中，所述集装箱搬运机器装有至少一个扫描激光传感器9；然而，通常装有几个（例如四个）扫描激光传感器9。就地表面而言，所述的传感器可被安装在高度H，H可以是例如0.5到1米，优选地约0.75米（参照图3）。激光扫描10随后水平地进行。在这种情况下，所述的激光波束13在垂直方向上在中间的某个地方击中地标11，并且不管所述集装箱搬运机器具有任何轻微的倾斜，激光波束仍能够看到该地标。

本领域的技术人员将理解，例如当扫描激光传感器的激光波束击中如图5所示的圆柱形地标时，关于绑定到传感器9的坐标系统L，通过利用以下公式（1）从由传感器9所测量的角度值a和距离读数R来计算圆柱体的表面的测量坐标（x，y）是可能的：

x=R cos(a)   (1)

y=R sin(a)

以及例如通过使用圆环匹配从这些来进一步确定在坐标系统L中圆柱体（圆）的测量中心（x_c，y_c）。随后，我们还在坐标系统L中计算圆柱体的中心的测量角度（a_c）和测量距离值（R_c），例如通过公式：

R_c=sqrt(x_c^2+x_y^2)   (2)

a_c=arctan2(y_c,x_c),

其中，已知arctan2()为四象限的arcus函数。随后，当我们在绝对的绑定到地面的港口坐标系统G中使用关于测量地标11的中心的真实的、先前已知的位置（x_b，y_b）的信息时，请注意在传感器9的地面坐标系统G中所确定的位置和方位(x_v,y_v,a_v)以及在坐标系统L由传感器9所测量的值实现以下方程：

x_b=x_v+R_c cos(a_v+a_c)   (3)

y_b=y_v+R_c sin(a_v+a_c)

本领域内的普通技术人员将理解，以所描述的方式检测旋转对称地标11没有清晰地确定传感器9的位置和方位(x_v,y_v,a_v)并同时确定集装箱搬运机器3的位置和方位，因为有三个变量需要被解出但是只有两个数学方程。如果方位（a_v）先前已经被确定并且已经例如依靠陀螺仪被维持，则方程组（3）可被求解并且集装箱搬运机器的位置可被确定。如果地标的形状是明显不对称的并且充分大（例如集装箱作为地标）从而使得在坐标系统L中地标的测量方位（phi_c）也能够以足够的精度被确定，那么随后例如通过求解以下方程组可清晰地确定集装箱搬运机器的位置和方位(x_v,y_v,a_v)：

x_b=x_v+R_c cos(a_v+a_c)

y_b=y_v+R_c sin(a_v+a_c)   (4)

phi_b=a_v+phi_c

此处的变量phi_b是在地面坐标系统G中地标的已知方位。这里，与地标的位置相关联的量（x_b,y_b,a_c,R_c,phi_c）自然地指地标的所选参考点（例如重力中心）的坐标而不是明确地指圆的中心。

然而，就本发明的实际应用而言，为所述的港口区域提供小地标（如描述的圆柱体）是很容易的，在这种情况下根据方程（5）的步骤将无用，因为小地标11的测量方向（phi_c）的确定将是不准确的。那么，根据本发明的一个实施例，关于两个分离地标（地标1和2）的观测被组合以便确定集装箱搬运机器的位置（x_v，y_v）和方位（a_v）。本领域的技术人员将理解，通过监视两个分离的可被彼此远离放置（比地标可能会实际增加的大小更远）的地标1和2，方位和位置确定的精度也会被相当大地提升。

根据本发明的一个实施例，如果地标1和2在相同的传感器9的视野中是同时可见的，那么数学上组成具有4个方程和三个未知变量的方程组是可能的：

x_b1=x_v+R_c1cos(a_v+a_c1)

y_b1=y_v+R_c1sin(a_v+a_c1)   (5)

x_b2=x_v+R_c2cos(a_v+a_c2)

y_b2=y_v+R_c2sin(a_v+a_c2),

当在地面坐标系统G中(x_b1,y_b1)和(x_b2,y_b2)是地标的已知坐标并且在传感器9的坐标系统L中距离R_c1和R_c2以及角度a_c1和a_c2（地标1和2的检测距离和方向角度）也是已知的时，所述集装箱搬运机器的位置（x_v，y_v）和方位（a_v）从方程组（5）被清晰地确定。根据本发明的另一实施例，如果地标1和2同时可见，但是在安装在集装箱搬运机器中的两个分离的传感器的视野中（例如使得传感器a看见地标1以及传感器b看见地标2），则这种情形可容易地返回到符合方程（5）并相应地解出，因为例如由传感器b所测量的读数可首先依靠方程（1）被转变成xy坐标系统(x_c2,y_c2)，并且然后依靠稍微修改的方程（2）以以下方式被转换成传感器a的虚拟读数：

R_c2=sqrt([x_c2+XB]^2+[x_y2+YB]^2)   (6)

a_c2=arctan2([y_c2+XB],[x_c2+YB]),

其中（XB，YB）是在传感器a的坐标系统L中传感器b的已知位置。

然而，就本发明的实际应用而言，不能假定集装箱搬运机器的传感器9会连续地同时看到两个地标，或甚至不断地看到一个地标。例如当其它的集装箱搬运机器3行驶过地标或当例如太阳光在激光波束13的方向上从地标11的后面下降时，到地标的可见度可能暂时地被遮蔽。因此，在实际中通常有必要由所谓的航位推测法的方法来支持上述公开的方法。

航位推测法

如本领域的技术人员所知的，航位推测法（测程法）是通过累计地合计已行驶的距离和行驶距离来测量车辆位置的相对变化的方法的总称。图5示出在检测地标11和定位车辆3中所使用的坐标系统和变量。图6示出在航位推测法中所使用的变量DX、DY、Dphi、DR、DA。参照图5和6，车辆位置的相对变化可通过航位推测法来维护，例如根据公式（7）：

X(t+Dt)=X(t)+Ds cos[phi(t)]   (7)

Y(t+Dt)=Y(t)+Ds phi[phi(t)].

此处，Ds是由所述车辆3在时间单位(t...t+Dt)期间所行驶的距离，phi（t）是在时刻t该车辆的行驶方向，以及X（t）和Y（t）是在时刻t该车的位置。当绑定到地面的坐标系统被选择使得车辆的初始位置和初始方向被选择为零，并且根据公式（7）已行驶的距离是在一段时间T上的迭代合计时，在一段时间T期间车辆的位置（DX，DY）的变化和行驶方向（Dphi）的变化已被确定如下：

DX=X(T),当X(0)=0

DY=Y(T),当Y(0)=0   (8)

Dphi=phi(T),当phi(0)=0

这可进一步被转换成极坐标系统，极坐标系统给出开始和结束点之间的距离（DR）以及结束点相对于所述车辆3的起始方向phi（0）的方向角（DA）：

DR=sqrt(DX^2+DY^2)   (9)

DA=arctan2(DY,DX)

如先前已知，由车辆3在时间单元Dt期间所行驶的距离Ds可例如通过安装在车辆3的车轮或变速器中的距离测量传感器18（例如测量车轮旋转的脉冲编码器）来测量。当距离测量系数C_odo（即车轮的有效转动半径）是已知的时，车轮旋转的角度Da可被转换成在地面上行驶的距离Ds。

Ds=C_odo Da   (10)

然而，确定车轮的有效的准确的转动半径不是简单的工作，因为在所述集装箱搬运机器3以橡胶轮胎行驶的情况下，特别是在转动半径变化的情况下，例如当负载（例如被载运的集装箱的重量）变化时。根据本发明的方法提供针对这种问题的解决方案以及纠正在所述车辆3的有效的距离测量系数中出现的误差的准确方式。以下，我们假设假定的距离测量系数（C_est）是有误差的，使得：

C_est=K_gain C_odo,   (11)

其中K_gain不同于数值1，在这种情况下，本领域的技术人员将理解，我们正在测量太长的或太短的行驶距离。那么，从公式（9）所计算的起始和结束点之间的距离也是有误差的，使得：

DR_est=K_gain DR.   (12)

本领域的那些技术人员将理解，在距离测量系数中的错误不影响根据公式（9）确定结束点方向DA。以下，将示出根据本发明的方法如何解出未知的缩放比例（scaling）系数K_gain。

如先前所知，例如依靠光学陀螺仪或FOG可确定所述车辆3的相对行驶方向phi（t）。在这种情况下，所述车辆3的导航点通常被选择到导航点的行驶方向与车辆车身的方向相同的位置。这样的位置例如在前轮控制的车辆（例如汽车）上位于后轴上。然后可容易地使用例如用于测量在所述车辆3的车身的方向和该车辆的行驶方向上的变化的陀螺仪传感器。本领域的技术人员将理解的，根据本发明的系统也可使用其它测量车辆的车身方向或行驶方向的传感器。就本发明而言，必须注意不需要来自方向测量的绝对的行驶方向测量（例如罗盘航向），在行驶方向中的变化的相对测量（例如角速度乘以时间）就足够了。本领域的技术人员将自然而然理解，对于实现根据本发明的系统而言，测量绝对行驶方向的传感器也是适合的，尽管不是必要的。

一种根据实现航位推测法的本发明的替代方式，即相对移动（DX，DY）的确定是基于GPS定位，特别是基于GPS信号载波的相位的观测和积分（累计多普勒范围accumulated Doppler range）。如所知的，通过观测GPS信号载波波长L1的相位，准确地（甚至以厘米的精度）确定GPS天线12的相对移动（DX，DY）是可能的，而不必求解出GPS天线的位置。由这个方法所确定的移动（DX，DY）也可在直接与地面相关的坐标系统（例如在WGS84坐标系统中）中被确定，这为根据本发明的系统提供了额外的优势，虽然该优势对于本发明的运行不是必须的。如本领域的技术人员所知的，以相应的厘米精度求出GPS天线12的（差别的）位置将需要使用贵的多的、双频率GPS装置并且需要测量两个载波L1、L2。另外，通过称为RTK的方法确定绝对位置在GPS信号丢失后会花费相当长的时间（多至两分钟）。相反地，GPS天线12的相对移动（DX，DY）可以是实时的，在可见到足够数量的卫星之后即时的。

接下来，当车辆3的传感器9不能持续地同时观测到两个地标11、11’，或者甚至不能不断地观测到一个地标11时，将通过航位推测法解释根据本发明的方法是如何运行的。让我们假设所述车辆3的传感器9在时刻t=0观测到地标1，并且在时刻t=T观测到地标2。在地标的检测之间(t=0...T)移动的距离（DR）和相对于车辆起始方向的方向（DA）以及记录的在车辆的方向上变化Dphi已经通过上述所述的航位推测法方法所测量。那么根据公式（5）的方程组变为：

x_b1=x_v+R_c1cos(a_v+a_c1)

y_b1=y_v+R_c1sin(a_v+a_c1)

(13)

x_b2=x_v+K_gain DR cos(a_v+DA)+R_c2cos(a_v+Dphi+a_c2)

y_b2=y_v+K_gain DR sin(a_v+DA)+R_c2sin(a_v+Dphi+a_c2).

现在，本领域的技术人员将理解，公式（13）的四个方程使得四个未知量能够被解出，即所述车辆3的初始位置和方向(x_v,y_v,a_v)以及未知的距离测量系数误差（K_gain）。如上所示，对于本方法，相同的传感器9是否在时刻0和T观测到地标1和2，或者两个不同的传感器9(a和b)是否在时刻0和T观测到地标1和2并不是必不可少的。因为在所述的地标之间移动的距离和方位(DR,DA,Dphi)也是已知的，所以车辆的结束位置和结束方向自然也是已知的。

本领域的技术人员也将理解，航位推测法可随后被使用（例如依据公式（7））以维护在所述车辆3上的位置信息，直到下一个地标11被检测到。本领域的技术人员还将理解，从公式13解出的航位推测法系数的校正系数（K_gain）今后可被用在航位推测法中，由此相比没有根据本发明的上述公开的校正，根据公式（7）的有关车辆位置的航位推测估计要准确的多。

在根据本发明的系统中，所述的地标11可以适当的间隔（例如以50米的间隔）被提供在港口区域中，由此，通常所述车辆3（例如集装箱搬运机器）持续地观测到至少一个地标11，除短暂地中断外（例如当另一个集装箱搬运机器3行驶通过该地标）。本领域的技术人员将理解，当地标11通常在一段较长的时间段中是可见的时，使用最近的检测用于确定公式（13）的值(R_c2,a_c2)或者替代地将相同地标的检测取平均以便提高测量精确度是可能的。

如果地标11在形状和大小上是相互相同的，那么所述的方法自然必须记录下由传感器9做出的哪个方向14对应于哪个地标。当车辆以合理的精确度知道它当前的位置和方向(x_v,y_v,a_v)，以及已知的地标的位置(x_b,y_b)时，本领域的技术人员应理解此工作是相对简单的，因为随后提前将在特定区域内做出的检测14归类到与特定地标11相关联是可能的。此外，不与任何已知地标匹配的检测14（或者在形状和大小上不对应地标的已知维度的检测组14）可作为在该港口区域中来自其它对象的错误回传而被拒绝。

当启动系统时，可能分别地将车辆3的初始位置和方向(x_v,y_v,a_v)传递到车辆的计算机或者例如在某些已知的位置启动系统。使用安装在车辆上的分开的定位系统（例如GPS系统）用于粗略地定位该车辆也是可能的。建立依靠地标实现导航的组合的定位系统将只能被使用在例如GPS定位不能工作的区域中也还是可能的。在例如为了避免碰撞的任何情况下，在车辆装有激光传感器9的情形中，组合的方案是成本有效的。

由传感器9所作出的测量（a，R）被转换成在绑定到传感器9和车辆3的坐标系统L中的坐标（x，y）。紧接着，在圆柱体地标11的情况下，例如，在圆被适配到测量点系统（x，y）中的情况下，圆的中心（x_c，y_c），（即通常情况下所述的地标11的重心）被解出。地标的重心（x_c，y_c）相应地被转换回绑定到传感器9的坐标系统L中的距离和方向数据(R_c,a_c)。紧接着，该计算值被使用，用于使用在绑定到地面的坐标系统G中地标11的已知位置(x_b,y_b)来确定在绑定到地面的坐标系统G中传感器9和车辆3的位置和方位(x_v,y_v,a_v)。

图7和8示出在在地标可能有时从车辆的视线中消失的情况下用于定位车辆的不同技术。图7的技术适合用于在特定的时间点（被指定为t=0）检测一个地标的情况。在步骤72中，在时刻t=0，测量自车辆至第一地标的距离和方向。该测量结果被存储用于以后处理。在步骤74中，在时间点0和T之间，车辆的移动（DR，DA）以及方位（Dphi）的变化被记录。在步骤76中，在时刻T，到另一个地标的距离方向被测量。现在例如由公式（13）解出所述车辆的位置和方位是可能的。

图8的技术适合在特定的时间点（被指定为t=0）用于检测两个地标的情况。在步骤82中，在时刻t=0，测量自车辆至这两个地标的距离和方向。现在例如由公式（5）解出该车辆的位置和方位是可能的。该测量结果被存储用于以后处理。在步骤84中，在时间点0和T之间，车辆的移动（DR，DA）以及方位（Dphi）的变化被记录，并且这个信息被维护用于以后处理，至少直到下一个地标被检测。在步骤86中，在时间t=T，测量到一个地标的距离和方向。已知该方位，例如由公式（3）解出车辆的位置是可能的。

对本领域的技术人员显而易见的是，随着技术的进步，本发明的基本思想可以以许多不同的方式来实现。本发明和其实施例因此不限制于上述描述的示例，而是可在权利要求的范围内变化。

Claims (16)

1.一种用于在具备位置（x_b，y_b）已知的至少两个地标（11,11’）的环境中确定车辆（3）的位置的系统，所述系统包括：

-至少一个安装在所述车辆（3）中并被配置为测量从所述车辆（3）至所述至少两个地标（11,11’）的距离（R_c）和方向（a_c）的扫描距离传感器（9）；

-数据处理设备（8），其被配置为：

-在其存储器中存储所述至少两个地标的位置（x_b，y_b）；以及

-至少在两个分开的测量时间至少基于所述至少两个地标的位置（x_b，y_b）以及从所述车辆（3）到所述至少两个地标（11,11’）的距离（R_c）和方向（a_c）确定所述车辆（3）的位置（x_v，y_v）；以及

-在所述两个分开的测量时间之间的时间期间确定所述车辆（3）的方位（Dphi）的改变。

2.根据权利要求1所述的系统，还被配置为在所述两个分开的测量时间之间的时间期间确定所述车辆3的位置(DX,DY;DR,DA)的改变。

3.根据权利要求2所述的方法，还被配置为通过使用卫星定位确定所述车辆3的位置(DX,DY)的改变。

4.根据权利要求2所述的系统，还被配置为：通过监视所述车辆的行驶方向以及安装在该车辆中的距离测量传感器（18）确定所述车辆3的位置(DX,DY)的改变，所述距离测量传感器（18）的校正数据（C_odo）是基于关于所述地标（11）的已知位置数据。

5.根据前述权利要求中的任何一个所述的系统，被配置为：如果所述至少一个地标是无法检测的，则通过使用航位推测法确定所述车辆3的位置。

6.根据前述权利要求中的任何一个所述的系统，还被配置为：以足够短的时间间隔通过测量至该地标的多个方向和距离来确定所述至少一个地标的形状，以使得所述车辆在多个方向和距离的测量期间的移动能够被忽略。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述至少一个地标（11）是圆柱形的。

8.根据前述权利要求中的任何一个所述的系统，其中所述距离传感器（9）是激光传感器。

9.根据前述权利要求中的任何一个所述的系统，被配置为：基于由所述距离传感器（9）在所述车辆的行驶方向上所检测的障碍物，减速或停止所述车辆。

10.根据前述权利要求中的任何一个所述的系统，被配置为自动地控制所述车辆（3）。

11.根据前述权利要求中的任何一个所述的系统，其中所述车辆3是集装箱搬运机器。

12.根据前述权利要求中的任何一个所述的系统，被配置为：通过确定在所述车辆（3）卸载所述货物（1）时的时间该车辆的位置，确定由该车辆运输的货物（1）的卸载地点（6,7）。

13.根据前述权利要求中的任何一个所述的系统，被配置为：基于所述车辆（3）捡起所述货物（1）的所述地点（6,7），识别所述货物（1）。

14.根据前述权利要求中的任何一个所述的系统，其中所述车辆（3）被配置为无人地移动。

15.一种用于在具备位置（x_b，y_b）已知的至少两个地标（11,11’）的环境中确定车辆（3）的位置（x_v，y_v）的方法，所述方法包括由数据处理设备（8）所执行的以下步骤：

-在存储器中存储所述至少两个地标的位置（x_b，y_b）；以及

-从至少一个安装在所述车辆（3）中的扫描距离传感器（9）中接收从所述车辆（3）到所述至少一个地标（11）的距离（R_c）和方向（a_c）；

-至少在两个分开的测量时间至少基于所述至少两个地标的位置（x_b，y_b）以及从所述车辆（3）到所述至少两个地标（11,11’）的距离（R_c）和方向（a_c）确定该车辆（3）的位置（x_v，y_v）；以及

-在所述两个分开的测量时间之间的时间期间确定所述车辆（3）的方位（Dphi）的改变。

16.一种在车辆（3）中的数据处理设备（8）的有形存储介质上用于在具备位置（x_b，y_b）已知的至少两个地标（11,11’）的环境中确定该车辆的位置（x_v，y_v）的软件产品，所述车辆包括至少一个安装在该车辆（3）中并被配置为测量从该车辆（3）到所述至少两个地标（11,11’）的距离（R_c）和方向（a_c）的扫描距离传感器（9）；

-该软件产品控制所述数据处理设备来：

-在其存储器中存储所述至少两个地标的位置（x_b，y_b）；以及

-至少在两个分开的测量时间至少基于所述至少两个地标的位置（x_b，y_b）和从所述车辆（3）到所述至少两个地标（11,11’）的距离（R_c）和方向（a_c）确定该车辆（3）的位置（x_v，y_v）；以及

-在所述两个分开的测量时间之间的时间期间确定所述车辆（3）的方位（Dphi）的改变。

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