CN107831759A - 具有自动束缚功能的运送系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有自动束缚功能的运送系统包括电力驱动移动运送装置和便携式传输装置(“信标”)。该运送装置在预定的距离处自动跟随传输装置。该运送和传输装置经由无线电通信线路和超声波联接在一起。该传输装置传输无线电以及在时间上相关联地传输超声波信号。该超声波信号以空间分辨的方式被运送装置接收，并且基于无线电和超声信号来实施自动束缚功能。

Description

具有自动束缚功能的运送系统
技术领域
本发明涉及一种具有自动束缚功能的运送系统。
背景技术
相关的运送系统可以具有非常紧凑的设计并且由常规电池供应，并且特别适合于在相当短的距离内以适中的速度通过人运送重物，例如将从零售商店购买的物品运送到车辆的停车位。
在这种情况下，用户将传输装置(也称为“信标”)携带在其身体上，并且运送装置在预定距离内跟随信标运动，该过程也称为“束缚(tethering)”。
本系统特别适用于具有圆形周长的运送装置，其中，大致圆盘形状的运送装置的整体形式允许在机动车辆(例如在备用轮胎凹槽中)中的节省空间存储。
这些运送装置可以具有两个脚轮或车轮，这些脚轮或车轮由电动马达驱动并且被独立地控制以允许前进、后退以及转弯运动，并且还像履带车辆一样在现场转动。横向(即在行进方向上大约+90°和-90°)布置的驱动脚轮或车轮优选地通过非驱动、旋转安装或全方位脚轮在前后方向(大约在0°和大约180°)得到辅助。
这些运送装置可以优选地具有也可以用于运载人的平台。
为了使运送装置自动跟随传输装置的位置，运送装置与传输装置之间的最短连接的距离和方向必须通过尽可能精确的高度可靠的定位技术来确定。对于此目的而言，常规的GPS定位技术在封闭空间中是非常不精确的和/或不可靠地。在方向方面的充分精确度的无线电定位同样难以实施。
在车辆工程中，超声技术已被证明是用于中等距离(通常可达约3米)的可靠、准确和相对便宜的距离感测技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有适当设计的传输装置的运送系统，并且提供控制方法的具有可靠的自动束缚功能的运送装置以合理的成本实施。
根据本发明的具有自动束缚功能的运送系统包括电力驱动移动运送装置以及具有运送装置意图在预定距离处自动跟随的位置的便携式传输装置。
运送装置和传输装置经由至少两个不同的通信通道彼此无线地进行通信。第一通信通道构成无线电通信线路，并且第二通信通道构成具有比第一通信通道更精确的定位能力的通信通道，以确定运送装置和传输装置之间的距离和方向。
运送装置被配置为通过在第一通信通道上交换(重复地)请求位置查找的第一信号来跟随传输装置的位置，于是在第一信号的帮助下经由第二通信通道来执行确定运送装置和传输装置之间的距离和/或方向的位置查找。运送装置还被配置为至少基于获得的定位数据来跟随传输装置的位置。
第二通信通道优选地构成超声波定位系统，其中传输装置包括至少一个超声波发射器，并且运送装置包括沿不同方向布置的多个超声波接收器。
使用无线电通信通道和超声波通信通道(同时使用超声波通信通道进行测量)实现了许多优点：
无线电通道内的通信可以被配置为节省能量，使得倾向于消耗更多能量的超声波发射器仅在测量到期时才被激活，并且不处于待机模式，特别是对于具有相对小的能量存储装置的移动传输装置而言，这是重要的。
此外，通过将无线电和超声波传输通过可选编码相关联或通过无线电信号的加密，可以极大地保护超声波测量免受由其它基于超声波的系统引起的干扰影响。接收器从无线电信号中“知道”何时传输超声波信号，在这种情况下，也可以验证(如果适用的话)超声波信号是否在限定的时间段之后再次衰减，这可以用于区分有用信号与干扰源。
最后，以光速进行无线电传输允许非常精确地限定超声波信号的行进距离的测量的开始时间，并以高精度确定距离。
传输装置优选地被配置为在第一通信通道内传输无线电信号，以及在时间上相关联地在第二通信通道内传输超声波信号。运送装置优选地被配置为将无线电信号的到达时间用于确定超声波信号的行进时间。
如果运送装置在其至少部分上具有圆形外轮廓，则多个超声波接收器可以分布在限定的角度范围内，从而导致接收器的主要接收方向或者图案的扇形结构。
例如，在这种情况下120°的特定预期角度段通常是足够的，因为运送装置相对于传输装置的位置恒定地定向，并且考虑到携带传输装置的人是不会太快地移动的，因此通常不会发生：传输装置移出运送装置的接收器的“视场”。但是如果这种情况发生，则优选地，运送装置可以停止，直到用户将传输装置返回到运送装置的“接收窗口”的范围内。
因为单个超声波发射器具有相对较强的方向性，所以传输装置可以优选地包含多个超声波发射器。多个超声波发射器被布置为在空间上彼此靠近(但在不同的辐射方向上)，使得它们组合产生更广泛的声波。
运送装置优选地包括车辆动力学控制单元，其通过控制运送装置的驱动速度来经由PID(比例积分微分)控制器校正从传输装置到预定的设定点距离的距离，在这种过程中，运送装置通常(特别是如果没有发现障碍物；参见下文)沿着发射器的确定的方向或与其相反的方向移动(如果运送装置已经太靠近传输装置)。
因此实际上由超声波传感器检测到的捕获信号受到各种形式的噪声的影响。考虑先前的定位数据，来自定位系统的信号优选地被卡尔曼滤波器过滤。这种技术假定发射器的位置的非常大的变化在短时间间隔内发生的可能性很低。
此外，还可以通过具有定位查找单元(特别是IMU(惯性测量单元))的运送装置来改善车辆动力学控制系统的性能，位置查找单元的测量信号(来自横摆率传感器、加速度计以及磁场传感器)在车辆动力学控制系统中被另外地考虑在内。车辆动力学控制系统经由这些传感器而“知道”运送装置对驱动命令的实际响应，从而可以改善控制性能(例如通过适当的前馈项)。
在优选实施例中，超声波接收器另外配置为检测可能的障碍物的距离传感器，使得运送系统只要有可能就可以在检测到的障碍物周围自动地驱动。为此，所有或一些超声波接收器优选地被设计为组合的超声波发射器和接收器(称为换能器)，其与用于信标的位置查找交替，扫描周围环境以获得可能的障碍物，然后如果需要的话，通过适当的方向改变来避免这些障碍物。
本发明还提出了一种用于上述类型的运送系统的控制方法，其中运送系统包括电力驱动移动运送装置和便携式传输装置，运送装置在预定距离处自动跟随传输装置。该方法包括以下步骤：
a)经由配置为无线电通道的第一通信通道在传输装置和运送装置之间传输第一信号；
b)经由第二通信通道在时间上相关地传输第二信号，该第二通信通道在第一信号的帮助下便于确定运送装置和传输装置之间的距离和方向的位置查找；以及
c)至少基于位置查找来控制运送装置的驱动，使得运送装置跟随传输装置的位置。
附图说明
下面参照附图通过举例更详细地解释本公开，附图中：
图1是根据本发明的具有“束缚”功能的运送系统的示意图；
图2A是用于说明障碍物检测的极坐标图；以及
图2B是用于说明基于识别发射器位置的车辆动态控制系统的极坐标图。
具体实施方式
根据需要，本文公开了本发明的详细实施例。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅仅是可以以各种和替代形式体现的本发明的示例。数字不一定按比例；一些特征可能被夸大或最小化以显示特别部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅作为教导本领域技术人员各种应用本发明的典型基础。
在这种情况下，“束缚”表示运送装置或保持与传输装置(下文称为“信标(beacon))”的限定距离的车辆的自主驾驶功能。
根据图1，描述了根据本发明的运送系统。该系统包括由一对示意性表示的脚轮18a和18b驱动和转向的运送装置10。超声波换能器20沿着运送装置10的圆形平台的部分圆周(大约120°)同心地布置，从而导致扇形的接收图案。换能器20还可以传输与稍后描述的障碍物检测相关的超声波信号。
对于“束缚”功能，换能器20接收来自超声波发射器16(其还同样可以具有接收功能)的信号，该超声波发射器16是移动传输装置或“信标”12的一部分。运送装置自动跟随传输装置的位置。
给定适当的位置，由多个超声波换能器20接收来自超声波发射器16的信号。可以从到达时间(“ToA”)比较和/或强度分布上确定和/或估计发射器12相对于运送装置10的方向。
此外，传输装置12和运送装置10各自具有无线电收发器14和22。无线电收发器的控制/分析电子设备能够进行实时处理。
由运送装置10使用其行驶功能以跟随信标12运动来维持运送装置10和传输装置12之间的预定距离。跟随信标运动的实际用途是人在他或她身体上携带信标12，并且运送装置10跟随此人以例如运载重物。
超声波发射器/接收器和实时无线电传输被用作基础技术。信标12配备有无线电发射器14和多个超声波发射器16。在信标12中使用多于一个的超声波发射器允许通过有限的传输锥体尽可能好的空间覆盖。使用指向不同方向的多个发射器16有助于实现这种良好的空间覆盖。
运送装置10配备有无线电接收器22和多个超声波换能器20(例如，不同于图中的十二个换能器)。超声波换能器20允许接收和传输超声波信号。只有接收功能需要束缚功能。
换能器20如图1中所示方向定向，即超声波换能器20在120度的总角度范围内均匀分布在运送装置10的前表面上。这些换能器中的每一个都具有用于入射的(incident)超声波信号的有限接收椎体。如果从信标12传输超声波信号，则仅由朝向信标12的换能器20捕获该信号。
在示例性实施例中，位置查找过程采用以下形式，其中以规则的时间间隔重复各个步骤：
i.信标12将无线电信号传输到运送装置10；
ii.信标12同时传输超声波信号；
iii.无线电信号以光速传输到运送装置10，并且限定用于运送装置10的测量的零点时间；
iv.以时间延迟接收超声波信号，因为它们仅以声速传输；
v.运送装置使用无线电超声波信号的到达之间的时间差来计算与信标12的距离；
vi.运送装置使用ToA(到达时间)方法的原理来计算信标的方向。
以这种方式计算的位置通常受到来自外界影响的干扰而影响，这严重损害了精度。可以使用各种技术来提高位置精度，如下所述：
卡尔曼(Kalman)滤波器用于通过连续测量基本上去除噪声。因为信标12的位置的改变由携带者在一定范围内限定，所以可以预期该信号具有降低的变化率，这就是为什么卡尔曼滤波器是用于从输入信号中去除噪声的合适算法。
用于噪声去除的另一机制是使用来自安装在运送装置10中的IMU(惯性测量单元)的测量值。该单元可以包括横摆率传感器、加速度计以及磁场传感器，其可以显着地改善运送装置10的位置变化的确定。PID(“比例积分微分”)控制器基于这些输入值被参数化，并且根据(信标12的)目标方向来控制车辆动力学。
图2B的极坐标示出了计算结果。
基于输入数据(点)计算计算出的目标方向(粗线)。使用先前的行驶运动和经滤波的输入数据，实际需要的控制方向(虚线)可以与先前计算的目标方向不同，其中也考虑检测到的障碍物(参见图2A，其示出由扇式传感器(sensor fan)检测到的与障碍物的距离)。
对于障碍物查找，运送装置10的超声波换能器20不仅用于查找信标12的位置，而且用于检测障碍物。这些测量与位置查找的测量交替执行。该原理与现有的超声波测距仪相当。运送装置中的每个超声波换能器都发射信号，并且从可以被反射的信号计算与可能的障碍物的距离。
在不脱离本发明的基本思想的情况下，本发明可以以各种替代方式来实施。例如，给定适当的数据通信，数据处理和控制可以在运送和传输装置以及在另一位置(在移动装置或远程服务器)中执行。此外，一些或所有的通信路径可以被反转，并且因此也可以通过运送装置10而不是通过传输装置12容易地发起位置查找请求。原则上也可以是通过以级联的方式连续或以不同的频率发射超声波信号的运送装置上的换能器20来实施在第二通信通道上的位置查找，然后由信标12上的对应的超声波接收单元检测。
在这种情况下，乘员可能希望将显示在一个或多个其它显示系统上的图像或信息传递到显示系统2，例如以允许乘员使用显示系统2与图像或信息进行交互。
虽然上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并不旨在描述本发明的所有可能形式。相反，说明书中使用的词语是描述性的词语而不是限制性的，并且应当理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。另外，可以组合各种实施的实施例的特征以形成本发明的另外的实施例。

Claims (18)

1.一种具有自动束缚功能的运送系统，包括：
便携式传输装置；以及
电力驱动移动运送装置，所述电力驱动移动运送装置配置为在预定距离处自动跟随所述传输装置的位置，
其中，所述运送装置和所述传输装置经由至少第一和第二通信通道而无线地通信，所述第一通信通道包括无线电通信线路和请求位置查找的第一信号，并且所述第二通信通道包括具有基于定位数据的定位能力的通信通道，所述定位数据在所述第一信号的帮助下确定所述装置之间的距离和方向以用于执行位置查找。
2.根据权利要求1所述的运送系统，其中，所述第二通信通道是超声波定位系统，使得所述传输装置包括至少一个超声波发射器，并且所述运送装置包括沿不同方向布置的多个超声波接收器。
3.根据权利要求2所述的运送系统，其中，所述传输装置被配置为通过所述第一通信通道传输无线电信号和与其在时间上相关联地通过所述第二通信通道传输超声波信号，使得所述运送装置被配置为将所述无线电信号的到达时间用于计算所述超声波信号的行进时间。
4.根据权利要求2所述的运送系统，其中，所述运送装置在其至少部分上具有圆形外轮廓，多个超声波接收器分布在所述外轮廓上，这导致接收器的扇形状接收图案。
5.根据权利要求1所述的运送系统，其中，所述传输装置包括多个超声波发射器。
6.根据权利要求1所述的运送系统，其中，所述运送装置包括车辆动力学控制单元，所述车辆动力学控制单元控制所述运送装置的驱动速度以将距所述传输装置的所述距离校正到预定的设定点距离，以沿所述传输装置的方向或相反方向移动。
7.根据权利要求2所述的运送系统，其中，考虑先前的定位，来自所述超声波定位系统的信号被卡尔曼滤波器滤波。
8.根据权利要求6所述的运送系统，其中，所述运送装置被配置为执行位置查找，使得由所述车辆动力学控制单元使用位置测量信号。
9.根据权利要求4所述的运送系统，其中，所述运送装置的所述超声波接收器是在所述位置处自动检测障碍物的距离传感器。
10.一种自动束缚运送系统控制方法，包括：
在预定距离处自动跟随便携式传输装置的电力驱动移动运送装置；
经由作为无线电通道的第一通信通道在所述装置之间传输第一信号；
经由第二通信通道在时间上相关地传输第二信号，所述第二通信通道在所述第一信号的帮助下便于确定所述装置之间的距离和方向的位置查找；以及
基于所述位置查找来控制所述运送装置的驱动，使得所述运送装置跟随所述传输装置的位置。
11.根据权利要求10所述的自动束缚运送系统控制方法，还包括将距离所述传输装置的所述距离校正到预定的设定点距离，以沿所述传输装置的方向或相反方向经由控制所述运送装置的驱动速度的控制单元来移动所述运送装置。
12.根据权利要求10所述的自动束缚运送系统控制方法，还包括在所述运送装置的圆形外轮廓周围分布多个超声波接收器。
13.根据权利要求12所述的自动束缚运送系统控制方法，还包括将所述接收器用作距离传感器来检测所述位置内的障碍物。
14.一种车辆，包括：
运送装置，所述运送装置配置为在预定距离处自动跟随传输装置的位置，其中，所述装置经由第一和第二通道而无线地通信，所述第一通道包括无线电通信线路和请求位置查找的信号，并且所述第二通道包括具有基于定位数据的定位能力的通道，所述定位数据在所述信号的帮助下确定所述装置之间的距离和方向。
15.根据权利要求14所述的车辆，还包括控制所述运送装置的驱动速度的控制单元，所述控制单元将距离所述传输装置的所述距离校正到预定的设定点距离，以沿所述传输装置的方向或相反方向移动所述运送装置。
16.根据权利要求15所述的车辆，其中，所述控制单元使用从所述定位数据计算的位置测量信号。
17.根据权利要求14所述的车辆，其中，所述运送装置具有圆形外轮廓，所述圆形外轮廓具有分布的多个超声波接收器，使得所述接收器的图案是扇形状的。
18.根据权利要求17所述的车辆，其中，所述接收器是自动检测所述位置内的障碍物的距离传感器。
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