CN105229489A - 用于进行位置确定的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于进行位置确定的方法和设备。在这种情况下，在车辆与充电站之间的规矩较大的情况下采用如下测量方法：所述测量方法借助于绝对的传播时间确定来执行距离确定。在车辆与充电站之间的近距离中，在多个接收到的信号之间的相对的传播时间测量被执行。

Description

用于进行位置确定的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于进行位置确定的方法和设备。
背景技术
目前讨论各种方法，以便给电动车辆以电的方式“加油”。这样，例如可以通过受电弓（Pantograph）实现对混合型电动汽车的直流充电。在这种情况下，该受电弓、也即一种集电器从上面被降低到电动汽车上。该受电弓例如拥有用于DC+、DC-和GND（DC：直流，GND：接地）的三个接触点，这些接触点必须与电动汽车上的相对应的接触部相连。为此必需的是，在为了充电而进行定位时设法使公共汽车位置精确地到达为此设置的充电站上。
目前为止的在有轨电车的情况下或者在火车的情况下的解决方案利用简单的仅仅必须产生到架空线导线（Oberleitungsdraht）的接触的集电器而起作用，因为这些车辆通过轨道而自身接地。因此，在有轨电车的情况下或者在火车的情况下，可以相对不精确地实现架空线与集电器的触点接通。
此外公知的是，为了停车或者在机器人技术领域中，基于被发出的超声波的反射来识别障碍，并且相对应地将所述障碍通知给使用者或控制电子装置。
发明内容
因此，如下发明的任务在于说明方法和设备，利用这些方法和设备来借助超声使得能够以简单的方式、以大的捕获范围以及以高的精确度来实现车辆的充电单元相对于充电站的充电设备的定位。
本发明涉及一种用于确定车辆的充电单元相对于充电站的充电设备的位置的方法，该方法具有如下的步骤：
将第一定位单元分配给充电设备；
将第二定位单元分配给充电单元；
将第一传感器分配给第一或者第二定位单元中的一个；
将至少两个第二传感器分配给还没有被分配有所述第一传感器的第一或者第二定位单元；
通过如下的两个步骤确定在所述第一传感器和所述至少两个第二传感器中的一个之间的第一和第二距离：
a）如果所述第一传感器距两个第二传感器中的至少一个具有最小距离，则通过
-将第一信号从所述至少两个第二传感器中的一个发出到所述第一传感器，
-在接收到所述第一信号之后，将第二信号从所述第一传感器发出到所述至少两个第二传感器中的一个，并且
-在考虑所述第一信号的信号传播时间、所述第二信号的信号传播时间以及信号在空气中的传播速度的情况下确定第一距离；
b）在其他情况下通过
-由所述第一传感器发出第三信号并且由所述至少两个第二传感器中的至少两个接收所述第三信号，
-确定在每次由所述至少两个第二传感器的两个分别接收所述第三信号之间的相应的传播时间差，
-通过形成第一和第二线路的交点来确定第二距离，其中通过相应的线路来表明所述第一传感器相对于所述至少两个第二传感器中的一个的可能的停留地点，其中基于传播时间差形成至少第一线路（AL1）。
在本方法的范围内，在进行位置确定时区分近距离或近场与远距离或远场。远距离涉及车辆相对于充电站的接近，其中涉及所述车辆相对于所述充电站的更确切地说粗略的定位。在这种情况下，通过绝对的传播时间确定而算出绝对距离。在车辆与充电站之间的近距离中，必须非常精确地实现定位，因为只有在精确地定位第一和第二充电单元的情况下才能够最佳地实现能量流动，例如在感应式充电时最佳地实现能量流动。因而，在近距离或近距离中，相对于远距离更复杂的距离确定被执行。在这种情况下，在由至少两个第二传感器接收到第三信号时确定传播时间差。这具有优点，即在第一和第二传感器周围的干扰可以说能被“达到平均数”，像比如说由于雪造成的或者在空气湿度高时的传播时间差。因此，本发明的优点在视定位精确度的要求而定的计算步骤复杂性的可缩放性。此外，这种两级方法实现了，接近充电桩的车辆可以通过发出第一信号来将接近通知给充电桩，使得接着在时间上随后可以从绝对测量转变到相对测量。所述转变可以根据特定信号被用信号通知给例如充电桩或第一传感器。概念“捕获距离”要被理解为概念“近和远距离”。最小距离（例如1m）限定了近距离和远距离之间的界限。视应用的具体实施方案而定，例如如果该车辆是载客汽车或者有轨电车，那么该最小距离能被适配。可无线传输的信号波被理解为信号，所述可无线传输的信号波即使在车辆和充电站之间的距离短的情况下也能够实现精确的测量。短距离被理解为从好几米到少数几厘米的距离。
有利地，第二线路通过所述至少两个第二传感器中的两个的传播时间差来形成，其中在生成第一线路时没有或者只有一个第二传感器被采用。由此，如果不存在用于确定车辆相对于充电站的位置的参考点，诸如车辆的预给定的行驶路段，那么位置确定也得以执行。
在可替换的扩展方案中，第二线路基于车辆的行驶路段而被确定，其中所述第二线路平行于所述行驶路段并穿过第一传感器。由此，在确定车辆相对于在近距离中的充电站的位置时的确定的简化是可能的。
在本发明的特别的实施形式中，第一传感器被安排给第一定位单元，并且至少两个第二传感器被安排给第二定位单元。由此，通过能够主动影响向充电站驶去的车辆而可以执行位置确定。
在本发明的实施形式中，第一、第二和/或第三信号以不同的频率或者以不同的信号模式（Signalmuster）而被传输。由此，距离的确定能够更精确地被执行，因为进行干扰的影响因素、如信号的反射或者回波能够被识别并在确定中能够被考虑。
在本发明的附加的或者可替换的实施形式中，为了相应地布置第一传感器和/或第二传感器中的至少一个，分别在用于发射和接收相应信号的相应的第一或第二张角中采用用于信号整形（Signalformung）的隔板。由此，不仅信号干扰可以进一步被减少，而且第三方的操纵尝试也可以被减少或者被避免。
以有利的方式，第一传感器和至少两个第二传感器利用超声波或者雷达波工作。这具有优点，即已经存在于车辆中的传感器可以被用于执行定位，由此不仅本发明的实现在技术上和在成本方面都可以显著地被简化，而且本发明投入市场时的接受度可显著地被提高。
本发明也涉及一种用于确定车辆的充电单元相对于充电站的充电设备的位置的设备，所述设备具有：
充电设备的第一定位单元，
充电单元的第二定位单元，
被分配给第一或者第二定位单元的第一传感器，
被分配给还没有被分配有第一传感器的第一或者第二定位单元的至少两个第二传感器，以及
确定单元，用于确定在第一传感器与至少两个第二传感器中的一个之间的第一和第二距离，其中，
a）如果第一传感器距两个第二传感器中的至少一个具有最小距离，则通过
-将第一信号从至少两个第二传感器之一发出给第一传感器，
-在接收到第一信号之后，将第二信号从第一传感器发出到至少两个第二传感器中的一个，并且
-在考虑第一信号的信号传播时间、第二信号的信号传播时间以及信号在空气中的传播速度的情况下确定第一距离；
b）在其他情况下通过
-由第一传感器发出第三信号并且由至少两个第二传感器中的至少两个接收第三信号，
-确定在每次由至少两个第二传感器中的两个分别接收第三信号之间的相应的传播时间差，
-通过形成第一和第二线路的交点来确定第二距离，其中通过相应的线路来表明第一传感器相对于至少两个第二传感器中的一个的可能的停留地点，其中基于传播时间差形成至少第一线路。
该设备显示出与相对应的方法同样的优点。
在扩展方案中，该设备具有另外的单元，所述另外的单元被构建为使得所述方法步骤的至少一个是可实施的和可执行的。该设备显示出与相对应的方法同样的优点。
附图说明
本发明及其变型方案依据附图被进一步描述。详细地：
图1示出了具有充电单元的车辆朝充电站的充电设备方向的驶近绕行（Anfahrmanoever）；
图2示出了对在车辆到充电站的远距离中的第一距离的确定；
图3示出了在车辆到充电站的近距离中的充电单元与充电设备之间的位置的确定；
图4示出了描述本方法的各个步骤的流程图。
在本申请中，具有相同的功能和作用方式的要素被配备有同样的参考符号。
具体实施方式
本发明及其变型方案依据针对传感器的超声传感器以及针对信号的超声信号来示出。
图1示出了车辆F（例如公共汽车）朝充电站LS的方向RL的通常的驶近情形。除了别的之外，该车辆在公共汽车的顶盖上还具有充电单元LEF，例如集电器或者多个接触点形式的充电单元。此外，图1在公共汽车的顶盖上还示出了具有3个超声传感器US21、US22、US23的第二定位单元PE2。在将第二定位单元分配给充电单元时，充电单元相对于第二定位单元的布置或相对于相应的第二传感器的布置的局部取向是已知的。在本实施例中，三个第二超声传感器以50cm的距离成排地被安置在公共汽车的顶盖上。在图1中，充电单元被安放在50×50cm的区域内，该区域以30cm的距离平行于第二定位单元PE2而被布置。
充电站LS拥有具有第一超声传感器US1的第一定位单元PE1。此外，该充电站还具有充电设备LVS，该充电设备LVS例如由被拉紧的架空线来实施，这些架空线能够在由该车辆接触集电器之后将电能经过充电站的充电设备以及经过车辆的充电单元传输到车辆的电池中。在可替换的实施形式中，充电设备被配备有多个可通过受电弓抽出的接触点，这些接触点在车辆到达在充电站之下的位置之后被抽出并与充电单元的充电点相接触，而且在建立接触之后被构建用于传输电能。
为了能够保证由充电站给车辆的电池的正确充电，充电单元和充电设备要彼此精确地被定位。为此必需的是，在车辆到充电站的驶近过程期间，彼此重复地确定位置，以便能够实现正确的定位。
为此，根据车辆距充电站的距离而采用两种不同的方法。如果车辆位于充电站的远场、例如大于1m中，那么首先执行对在第一超声传感器US1与两个第二超声传感器的至少一个US22之间的距离的绝对测量。如在图2中要获悉的那样，为此第二超声传感器US22发出第一超声信号SIG1，该第一超声信号SIG1随后被第一超声传感器US1接收。对此，第一超声传感器US1以第二超声信号SIG2来应答，该第二超声信号SIG2在时间上随后被第二超声传感器US22接收。对于第二超声传感器US22来说已知的是，在哪个时间点发出第一超声信号以及接收第二超声信号，即第一和第二超声信号的传播时间DT。例如，传播时间为100ms。由此，在第二超声传感器US22和第一超声传感器US1之间的第一距离ABS1通过随后的公式如下地被计算：
ABS1=DT/2*Va,
其中Va说明超声信号在空气中的传播速度，Va=343m/s。
在本例中，第一距离为ABS1=0.1s/2*343m/s=17.15m。
对在第一和第二超声传感器之间的第一距离的绝对测量以被简化的形式来执行，因为涉及对在车辆和充电站之间的距离的第一粗略确定。通过可以考虑在执行测量期间的车辆的速度，以及也可以考虑在测量期间的车辆的加速或者制动，第一距离的确定能够得以改善。
在另外的实现形式中，第一超声传感器US1将发出第二超声信号SIG2延迟了VT。由此可以区分第二超声信号SIG2和第一超声信号SIG1的来自周围的对象的回波。如果例如选择VT=500ms，那么由于第一超声信号的衰减，第一超声信号的回波应不再被期望。在该实施方案中，第一距离ABS1能够如下地被计算：
ABS1=(DT-VT)/2*Va。
在另外的实现形式中，测量可以被加速，并且尽管如此仍区分第一超声信号的回波与第二超声信号，其方式是第一超声传感器针对第二超声信号使用如下频率：所述频率不同于第一超声信号的频率并且足够远离第一超声信号的频率，以至于其也不能根据第一超声信号在车辆运动时通过多普勒频移而产生。可替换地，第一和第二超声信号可以使用相同的频率，然而具有不同的幅度和/或信号波形。这样，矩形信号被向上调制（aufmodulieren）到第一超声信号上，而第二超声信号具有三角形信号。
在深入化的（weiterfuehrend）实现形式中，针对第一和第二超声信号使用不同的、尽可能正交的匹配滤波器对，用于调制和检测第一和第二超声信号。本领域技术人员从文献中公知匹配滤波器对的使用。
如果车辆离开远距离并且是在到充电站的近距离中，例如在0m到1m之间，那么确定第二距离。借助于图3，在下文进一步阐述对在第一超声传感器和第二超声传感器中的至少一个之间的第二距离的确定。为此，第一超声传感器发出第三超声信号SIG3，所述第三超声信号SIG3由第二超声传感器中的两个US21、US22接收。如果显示出由这两个第二传感器接收第三超声信号SIG3的信号传播时间相同，也就是说第一传播时间差LZU1为0，那么第一超声传感器US1距这两个第二超声传感器一样远。在这种情况下，要在第一线路AL1上找到第一超声传感器的地点，所述第一线路AL1在信号传播时间差为0时对应于直线。在这种情况下，第一线路穿过第一超声传感器并在两个第二超声传感器之间的当中。
然而，由于此相对测量，知道的并不是明确的地点而只是第一线路，第一超声传感器位于在该第一线路上的某一位置上。为了精确确定第一超声传感器距第二超声传感器的位置，必需第二线路AL2，其中相对于第二超声传感器，第一超声传感器位于第一和第二线路的交点。为了形成第二线路有两种变型方案：
在第一种变型方案中，车辆在预给定的路段上朝充电站方向运动。第二线路AL2可以通过如下方式来形成：该第二线路平行于车辆的路段并穿过第一超声传感器，也即平行于该路段。例如，在到充电站的街道上找到了到充电站的车辆遵循的预给定的线路。因此，在车辆驶近充电站时，第二线路AL2已经被限定。这在图3中利用线路AL2``标记地来说明，该线路AL2``平行于车辆的路段AL2`。在第一和第二线路的交点找到了第一超声传感器US1被定位在其上的地点。由此，第一超声传感器相对于第二超声传感器的位置能够被计算。这样，例如笛卡尔坐标系xy被撑开，其中借助于x和y分量能够确定第二距离。
在第二种变型方案中，在第二超声传感器US21、US22上接收第三超声信号的第一传播时间差LZU1以及第二超声传感器US22、US23的第二传播时间差LZU2被确定。如在前面的例子中阐述的那样，第一和第二传播时间差得出第一和第二线路AL1、AL2，所述第一和第二线路AL1、AL2在传播时间差不等于0的情况下分别具有椭圆的形状。第一传感器US1的地点位于所述第一和第二线路AL1、AL2的交点。
如图3解释清楚的那样，例如在第二种变型方案中可以有两个交点。通过朝第一超声传感器方向对准第二超声传感器，得出第一超声传感器只能位于从其接收第三超声信号SIG3的地点区域（Ortsbereich）内。因此，明确地确定交点是可能的。
为了提高测量精确度，第一、第二和/或第三超声信号可以以不同的频率或者以不同的信号模式被传输。此外，在时间上偏移地被传输的超声信号也能够例如在传送第三超声信号时以例如20s的时间距离、以不同的频率和/或不同的信号模式而被生成，以便避免有错误的测量或减少有错误的测量。
所陈述的实例与如下配置有关：在该配置中第一超声传感器被分配给第一定位单元并且多个第二超声传感器被分配给第二定位单元。如果第二超声传感器被分配给第一定位单元并且第一超声传感器被分配给第二定位单元，那么同样可以实现本发明。此外，在远距离中的定位确定可以通过两次或者多次测量的叠加来改善。此外也可以采用三个以上的第二超声传感器，由此可以提高测量精确度。
在另外的实现形式中，为了相应地布置第一和第二超声传感器，相应的第一或第二张角OW1、OW2被用于发射和接收超声信号。为此，如在图5中示出的那样，为了在朝驶近的车辆F的位置单元PE2方向的远场中的测量，第一超声传感器和第二超声传感器中的至少一个的相应的张角被对准到要驶近的充电站LS的位置单元PE1。相应的张角可以利用在相应的超声传感器之前的相应的隔板来设置。
在另外的实现形式中，第一超声传感器和第二超声传感器中的至少一个的用于在远场中的测量的张角被对准为使得：这些超声传感器（如在图5中示出的那样）不仅可以在远场中而且可以在近场中相互发送超声信号。
在另外的实现形式中，至少三个超声传感器分别地不仅在定位单元PE1而且也在定位单元PE2中被使用。在该实现形式中，位置计算在这两个定位单元中被执行并且通过通信而被交换以及相互检查。
图4示出了根据本发明的方法的流程图。该方法始于状态STA。
随后在第一步ST1中，进行将第一定位单元分配给充电设备以及将第二定位单元分配给充电单元。
接着在第二步ST2中，进行将第一超声传感器分配给第一或第二定位单元中的一个，并将至少两个第二传感器分配给还没有被分配有第一超声传感器的第一或第二定位单元。
在第三步ST3中，检验车辆是位于充电站的近场还是位于充电站的远场。
如果车辆位于远场，那么在随后的第四步ST4中，第一距离被确定，使得首先第一超声信号由至少两个第二超声传感器中的一个被发出到第一超声传感器，此外在接收到第一超声信号之后，第二超声信号由第一超声传感器被发送回到至少两个第二超声传感器中的一个，并且在考虑第一和第二超声信号的信号传播时间以及超声信号在空气中的传播速度的情况下确定第一距离。
随后在第六步ST6中，检验第一距离是否表明，车辆的充电单元相对于充电站的充电设备已经对于充电过程来说足够精确地被定位。如果是这种情况，那么此状态图结束于步骤“结束”。
在其他情况下，此状态图从第三步ST3继续。如果车辆位于充电站的近场，那么将代替第四步ST4而经过第五步ST5。在第五步中，首先第三超声信号由第一超声传感器发出并由所述至少两个第二超声传感器中的至少两个来接收，在每次由至少两个第二超声传感器中的两个分别接收第三超声信号之间的相应的传播时间差被确定，并且第二距离ABS2通过形成第一和第二线路的交点而被确定，其中，通过相应的线路来表明第一超声传感器相对于所述至少两个第二超声传感器中的一个的可能的停留地点，其中基于所述传播时间差形成至少第一线路。
如果从第五步得出第二距离，即在充电站与充电单元之间的距离对于执行充电过程足够精确地被定位，那么该状态图结束于状态“结束”。在其他情况下，此状态图在第三步ST3中继续。
在另外的变型方案中，用于进行授权的信息例如通过幅度调制、相位调制和/或频率调制而被施加（aufpraegen）给相应的超声信号。由此，不期望的第三方的操纵尝试或者干扰可以被避免。
本发明已依据超声波和超声传感器而被进一步阐述，但是并没有被限于这种无线波。更确切地说，使得从少数几厘米到若干米的通信成为可能的所有种类的波、诸如雷达波都可以被采用。这些雷达波借助于雷达传感器而被发出和被接收。
此外，本方法除了利用受电弓充电以外也可以被用于车辆的感应式充电，其中为了定位具有接收线圈的车辆通过充电站的线圈被采用。
在另外的实现形式中，在近场内，绝对的传播时间测量和传播时间差的测量可以被组合在一起，以至于基于（例如由于雪而造成的）信号传播时间延迟也可以确定误差。

Claims (9)

1.用于确定车辆（F）的充电单元（LEF）相对于充电站（LS）的充电设备（LVS）的位置的方法，其特征在于：
将第一定位单元（PE1）分配给所述充电设备（LVS）；
将第二定位单元（PE2）分配给所述充电单元（LEF）；
将第一传感器（US1）分配给所述第一或第二定位单元中的一个（PE1）；
将至少两个第二传感器(US21，US22，US23)分配给还没有被分配有所述第一传感器（US1）的第一或第二定位单元（PE2）；
通过如下的两个步骤来确定在所述第一传感器（US1）和所述至少两个第二传感器中的一个（US21）之间的第一和第二距离（ABS1，ABS2）：
a）如果所述第一传感器（US1）距两个第二传感器中的至少一个（US21，US22）具有最小距离，则通过
－将第一信号（SIG1）从所述至少两个第二传感器中的一个（US21）发出到所述第一传感器（US1），
－在接收到所述第一信号（SIG1）之后，将第二信号（SIG2）从所述第一传感器（US1）发出到所述至少两个第二传感器中的一个（US21），并且
－在考虑所述第一信号（SIG1）的信号传播时间、所述第二信号（SIG2）的信号传播时间以及信号在空气中的传播速度的情况下确定第一距离（ABS1）；
b）在其他情况下通过
－由所述第一传感器（US1）发出第三信号（SIG3）并且由所述至少两个第二传感器中的至少两个（US21，US22）来接收所述第三信号（SIG3），
－确定在每次由所述至少两个第二传感器中的两个（US21，US22）分别接收所述第三信号（US3）之间的相应的传播时间差（LZU1，LZU2），
－通过形成第一和第二线路（AL1，AL2）的交点（SPK）来确定第二距离（ABS2），其中通过相应的线路（AL1，AL2）来表明所述第一传感器（US1）相对于所述至少两个第二传感器中的一个（US21）的可能的停留地点，其中基于传播时间差（LZU1）形成至少第一线路（AL1）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，第二线路（AL2）通过所述至少两个第二传感器中的两个（US22，US23）的传播时间差（LZU2）来形成，其中在生成所述第一线路（AL1）时不采用或者只采用第二传感器中的一个（US23）。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，第二线路（AL2）基于所述车辆（F）的行驶路段而被确定，其中所述第二线路（AL2）平行于该行驶路段并穿过所述第一传感器（US1）。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述第一传感器（US1）被安排给所述第一定位单元（PE1），以及所述至少两个第二传感器（US21，US22，US23）被安排给所述第二定位单元（PE2）。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，第一、第二和/或第三信号（SIG1，SIG2，SIG3）以不同的频率或者以不同的信号模式来传输。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，为了相应地布置所述第一传感器和/或第二传感器中的至少一个（US1，US21，US22，US23），分别在用于发射和接收相应信号的相应的第一或第二张角（OW1，OW2）中采用用于信号整形的隔板。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，传感器（US1）和所述至少两个第二传感器（US21，US22，US23）利用超声波或者雷达波工作。
8.用于确定车辆（F）的充电单元（LEF）相对于充电站（LS）的充电设备（LVS）的位置的设备（VOR），其具有，
所述充电设备（LVS）的第一定位单元（PE1），
所述充电单元（LEF）的第二定位单元（PE2），
被分配给第一或者第二定位单元中的一个（PE1）的第一传感器（US1），
被分配给还没有被分配有所述第一传感器（US1）的所述第一或者第二定位单元（PE2）的至少两个第二传感器（US21，US22，US23），以及
确定单元（EMH），用于确定在所述第一传感器（US1）与所述至少两个第二传感器中的一个（US21）之间的第一和第二距离（ABS1，ABS2），其中，
a）如果所述第一传感器（US1）距两个第二传感器中的至少一个（US21，US22）具有最小距离，则通过
－将第一信号（SIG1）从所述至少两个第二传感器中的一个（US21）发出到所述第一传感器（US1），
－在接收到所述第一信号（SIG1）之后，将第二信号（SIG2）从所述第一传感器（US1）发出到所述至少两个第二传感器中的一个（US21），并且
－在考虑所述第一信号（SIG1）的信号传播时间、所述第二信号（SIG2）的信号传播时间以及信号在空气中的传播速度的情况下，确定第一距离（ABS1）；
b）在其他情况下通过
－由所述第一传感器（US1）发出第三信号（SIG3）并且由所述至少两个第二传感器中的至少两个（US21，US22）接收所述第三信号（SIG3），
－确定在每次由所述至少两个第二传感器中的两个（US21，US22）分别接收所述第三信号（US3）之间的相应的传播时间差（LZU1，LZU2），
－通过形成第一和第二线路（AL1，AL2）的交点（SPK）来确定第二距离（ABS2），其中通过相应的线路（AL1，AL2）来表明所述第一传感器（US1）相对于所述至少两个第二传感器中的一个（US21）的可能的停留地点，其中基于传播时间差（LZU1）来形成至少第一线路（AL1）。
9.根据权利要求8所述的设备（VOR），其具有另外的单元（EWT），所述另外的单元（EWT）被构建为使得根据权利要求2至7之一所述的方法步骤中的至少一个是可实施的和可执行的。
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