DE19606786C1 - Verfahren zur Positionsbestimmung und/oder Führung eines Fahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren, wie es häufig zur leitdrahtlosen Führung von Fahrzeugen benutzt wird. Ein solches Fahrzeug verfügt über einen eigenen Antrieb, Ein­ richtungen zur Lenkung mit Sensoren, die die Umgebung des Fahrzeugs erfassen, und einen Rechner, der die Sensorsigna­ le zur Steuerung des Fahrzeugs umsetzt.

Es ist bekannt, die Lasernavigation zur Führung von Fahr­ zeugen einzusetzen. Die europäische Patentanmeldung EP 0 185 816 beschreibt ein Fahrzeug, das sich an reflektieren­ den Barcodemarken orientiert. Die Barcodemarken sind an be­ kannten Orten in geeigneter Höhe angebracht. Das Laserscan­ nersystem auf dem Fahrzeug erkennt sowohl den Barcode als auch den Winkel dazu in Bezug auf die Fahrzeugachse. Durch bekannte Triangulationsverfahren kann nach Erfassung des Winkels zu mehreren verschiedenen Barcodemarken die Posi­ tion des Fahrzeugs bestimmt werden. In der Patentschrift wird auch der Einsatz von Laserscannern zur Entfernungsmes­ sung erwähnt.

Durch die deutsche Patentschrift DE 39 30 109 C1 wird ein op­ tisches Verfahren zur Positionsbestimmung beschrieben, das mindestens drei Reflektoren benutzt, die auf einer Geraden liegen und deren Abstände voneinander gleich und bekannt sind und deren Lage im X-Y-Koordinatensystem - also auf der Fahrbahn - festgelegt ist. Es erfolgt die Erfassung der Ab­ tastwinkel in Bezug auf eine definierte Längsachse des Fahrzeugs zu den drei Reflektoren. Danach wird mit bekann­ ten Triangulationsverfahren der Abstand zu den Reflektoren bzw. die Position in der X-Y-Ebene berechnet.

Nachteilig ist, daß bei der Verwendung der bekannten Re­ flektoren diese möglichst gut verteilt im Raum stehen müs­ sen, damit eine relativ genaue Ortung möglich wird. Vor­ teilhaft ist eine Strich- oder Barkodierung, so daß sie sich eindeutig von der Umgebung unterscheiden. Leider nimmt die Codierung viel Platz in Anspruch, so daß insbesondere wegen der Erkennung aus großen Entfernungen die Barcodes dann besonders groß sein müssen. Abgesehen davon, daß große Barcodes relativ teuer sind, ist in vielen Anwendungsfällen der Platz zur Anbringung dieser großen Barcodes nicht immer verfügbar.

Die Verwendung von uncodierten Reflektoren hat den Vorteil, daß der Reflektor schmaler sein kann als bei Verwendung ei­ nes zusätzlichen Barcodes. Allerdings ist die eindeutige Erkennung der einzelnen Reflektoren in der Praxis häufig dadurch besonders erschwert, daß andere reflektierende Oberflächen störende Signale erzeugen, die mit dem Reflek­ torsignal verwechselt werden. Es ist daher von gewissem Vorteil, mindestens drei Reflektoren mit festen Abständen zueinander auf einer gemeinsamen Achse anzubringen. Auf diese Weise entsteht ein bekanntes Raster.

Im Prinzip kann man mit zwei Reflektoren auskommen, wenn man noch eine Entfernungsmeßeinrichtung verwendet. Dieses Verfahren hat aber den großen Nachteil, daß es relativ teu­ er ist.

Ein Verfahren mit der relativ aufwendigen Entfernungsmes­ sung ist durch JP 7-191744 A veröffentlicht. Die Position von beiden Ecken eines Reflektors werden detektiert. Für die Positionsberechnung wird dann mit einer entsprechenden Entfernungsmeßeinrichtung die Distanz zum Reflektor ermit­ telt.

Ein weiteres Verfahren ist durch GB 2259823 A bekannt. Ver­ wendet werden hier ein mehr oder weniger übliches Beleuch­ tungssystem und eine TV-Kamera, die intern mit einem Mul­ tielementsensor arbeitet. Es werden des weiteren als Re­ flektoren codierte sogen. Targets eingesetzt. Nachteilig ist, daß mindestens drei dieser Reflektoren verwendet wer­ den müssen, um die Position des Vehikels zu ermitteln. Die Positionsdaten der Targets müssen dem Fahrzeugrechner be­ kannt sein. Das Verfahren entspricht also in gewisser Weise der bereits erwähnten deutschen Patentschrift DE 39 30 109 C1.

Ein Flächensensor (CCD-Kamera), d. h. auch ein Multielement­ sensor, wird des weiteren in DE 39 09 762 A1 veröffentlicht. Es wird hierbei ein Muster von winklig zueinander angeord­ neten reflektierenden Marken detektiert. Durch die winklige Anordnung entsteht ein Rechteck. Eine Seite des Rechtecks steht senkrecht. Da das videooptische Sensorsystem das Ob­ jekt mehr oder weniger aus einer konstanten Höhe betrach­ tet, ergibt sich aus der abgebildeten Höhe des Rechtecks ein Maß über die Entfernung zwischen videooptischem Sensor und dem Objekt selbst. Die Verwendung von Flächensensoren hat zwar den Vorteil, daß man über die abgebildete Höhe des Markenmusters relativ schnell auf die Entfernung zu den Marken schließen kann. Nachteilig ist jedoch, daß solch Flächensensoren (Sensor Arrays) deutlich teurer und in der Regel auch sehr viel träger als einzelne Sensorelemente sind. Mit dem Flächensensor kann die Position der Markena­ nordnung, also die Position des Objektträgers in Bezug auf die Sensoreinrichtung relativ leicht ermittelt werden. Zu beachten ist, daß mit dem in DE 39 09 762 A1 beschriebenen Verfahren nicht die absolute Position des Fahrzeugs ermittelt werden kann.

Durch die Veröffentlichung JP 7-281741 A wird eine weitere Benutzung von Barcodes empfohlen. Es werden minde­ stens zwei Paar Reflektoren benutzt, um die Position des Fahrzeugs zu ermitteln. Auch hier muß der Ort der insgesamt vier Reflektoren dem Fahrzeugrechner bekannt sein. Insofern ähnelt auch diese Veröffentlichung der bereits erwähnten DE 39 30 109 C1 bzw. der GB 2259823 A.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß bei gerin­ gem Aufwand eine Positionsbestimmung und/oder Führung min­ destens eines Fahrzeugs auch an einem einzelnen Zeichen möglich ist. Es sollte ohne Entfernungsmeßeinrichtung aus­ kommen und trotzdem relativ genau sein.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Patentanspru­ ches 1 gelöst. Hiernach wird ein Zeichen 3 verwendet, das im wesentlichen aus drei Kontrasten 31, 32, 33 besteht. In der praktischen Ausführung handelt es sich beispielsweise um Reflektorstreifen vor nicht oder wenig reflektierendem Hintergrund. Im Prinzip könnten auch Leuchten verwendet werden. Die Übergänge von Reflexion auf Nichtreflexion bzw. hell und dunkel und umgekehrt werden als Kontrast erfaßt. Wenn man die beiden äußeren Kontraste 31, 33 gedanklich durch eine Gerade verbindet, dann befindet sich der mittige Kontrast 32 entweder vor oder hinter dieser Geraden.

Von der fahrzeugseitigen Erfassungseinrichtung 5 werden die Abstände der äußeren Kontraste 31, 33 zum mittigen Kontrast 32 bzw. auch der Abstand der äußeren Kontraste zueinander gemessen. Diese Abstände werden nachfolgend als Strecken 1, 2 bezeichnet.

Die Strecken werden in entsprechender Breite bzw. als zu­ geordnete Winkel a, b erfaßt.

Nach bekannten trigonometrischen Umsetzungen läßt sich der Standort der Erfassungseinrichtung in Bezug auf das Zeichen errechnen. Wenn der Standort des Zeichens bekannt ist, ist somit dann auch der Standort des Fahrzeugs errechenbar.

Statt der Berechnung bietet es sich bekanntermaßen auch an, mittels einer Lernfahrt die gewünschten Sollwerte auf zuneh­ men und dann bei den eigentlichen Betriebsfahrten durch ständigen Vergleich der Soll- und Istwerte das Fahrzeug nachzuführen. Der Fachbegriff hierfür lautet "Teach-In-Ver­ fahren".

Das Zeichen kann auch an bekannten Hindernissen befestigt sein. Dann wird die Fahrzeugführung zur Kollisionsverhinde­ rung benutzt. Als Hindernis gilt auch ein anderes Fahrzeug, das sich auf dem Fahrweg befindet oder sich diesem Weg nä­ hert. Mit der Erfassung und Bewertung des Zeichens kann dann die Position und bei entsprechendem Rechenaufwand auch Kurs und Geschwindigkeit des fremden Fahrzeugs festgestellt werden.

Grundsätzlich ist es möglich, daß von der fahrzeugseitigen Erfassungseinrichtung 5 nur die Strecken 1, 2 erkannt wer­ den, und daß die nachfolgende Signalbearbeitung und Ermitt­ lung des Standortes von einer stationären Einrichtung vor­ genommen wird. Hierzu wäre noch eine Datenübertragung bei­ spielsweise mit einer Funkeinrichtung zwischen Fahrzeug und stationärer Einrichtung erforderlich.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß bereits ein Zeichen mit nur drei Kontrasten ausreichend ist, und daß durch das Verschieben des mittle­ ren Kontrastes nach vorn oder hinten die Positionsberech­ nung wesentlich verbessert wird. Gegenüber der Anordnung der Kontraste auf einer Geraden ergibt sich eine Verbesse­ rung der Positionsgenauigkeit, wenn die Strecken 1, 2 bei­ spielsweise in einem Winkel von etwa 90° zueinander stehen. Je nach Position des Fahrzeugs ergeben sich nach verglei­ chender trigonometrischer Berechnung typisch um Faktor drei genauere Werte.

Das oder die Fahrzeuge bewegen sich üblicherweise auf einer mehr oder weniger horizontalen Ebene. Somit ist es nach An­ spruch 2 vorteilhaft, daß, wenn die Gegebenheiten vorhanden sind, die Erfassungseinrichtung und das oder die Zeichen sich auf der gleichen Höhe befinden. Die Erfassungseinrich­ tung beschränkt sich dann auf das Absuchen des Horizontes. Das aufwendige und zeitraubende Erfassen in der Höhe ent­ fällt. Das Zeichen sollte eine gewisse Höhe haben, so daß Unebenheiten und Rauhigkeiten der Fahrbahn ausgeglichen werden.

Anspruch 3 führt an, daß für die Erfassungseinrichtung zum Senden und Empfangen Lasertechnik verwendet wird. Hiermit wird hohe Genauigkeit mit geringem Preis und geringer Bau­ größe erzielt.

Eine mögliche vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens ist durch Anspruch 4 benannt. Sobald ein Zeichen gefunden wur­ de, kann der Scannerablauf auf das Zeichen konzentriert werden. Geeignet ist die Verwendung von Schrittmotoren oder Schwingspiegeln.

Durch horizontale Aufweitung des Laserstrahls kann nach An­ spruch 5 das gesamte Zeichen gleichzeitig erfaßt werden. Die Empfangseinrichtung besteht dann unter anderem aus ei­ ner Sensorzeile oder einem Sensorarray. Der Lasersender 19 und der Laserempfänger 14 könnten dann statt des Ablenk­ spiegels 16 direkt über dem Motor 17 angebracht und gedreht werden. Der Motor muß dann lediglich den Lasersender und den Laserempfänger entsprechend der Bewegung des Fahrzeugs 4 nachführen. Dadurch ist eine ständige, ununterbrochene Erfassung des Zeichens und Berechnung des Standortes mög­ lich. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber den um­ laufenden Scannern, bei denen ein Zeichen typischerweise maximal nur zehnmal pro Sekunde erfaßt werden kann.

Im allgemeinen müssen in komplexeren Anlagen und Räumen mehrere verschiedene codierte Zeichen gesetzt werden. Hier­ für müssen die retroreflektierenden Oberflächen bzw. die nicht reflektierenden Oberflächen unterschiedlich breit ge­ staltet werden. Vorteilhaft ist auch, zusätzliche Kontraste zu verwenden, so daß eine höhere Sicherheit erreicht wird. Nach Anspruch 6 bietet sich die Verwendung eines Strich- oder Barcodes an.

Nach Anspruch 7 wird das Zeichen unter anderem durch retro­ reflektierende Oberflächen 21, 23 gebildet. In einer prak­ tischen Ausführung sind es beispielsweise zwei retroreflek­ tierende Folien. Sie sind auf einer nicht reflektierenden Oberfläche 22 aufgebracht. Es sei angenommen, daß der Hin­ tergrund, z. B. eine Wand, auch nicht reflektiert.

Nach Anspruch 8 ist die Oberfläche des Zeichens gewölbt, gebogen oder geknickt. Dadurch steht der mittlere Kontrast vor oder hinter den äußeren Kontrasten. Das Zeichen kann an einer Säule, glatten Wand aber auch in einer Ecke befestigt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfol­ genden Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Prinzipskizze der Erfassung­ seinrichtung 5 und eines Zeichens 3,

Fig. 2 eine schematische Prinzipskizze in der Aufsicht eines Fahrzeugs 4 bei der Ortung an einem Zeichen 3.

Die in Fig. 1 dargestellte Erfassungseinrichtung 5 besteht aus dem Lasersender 19 (Laserdiode mit Kollimator), dem Ab­ lenkspiegel 16, der Empfängersensorik mit Optik 14 und ei­ nem Rechner als nachfolgender Signalverarbeitungseinrich­ tung 15. Des weiteren ist zum Antrieb der Motor 17 und ein Inkrementalgeber 18 zur Erfassung der augenblicklichen Spiegelablenkung zu erkennen.

Alle eingezeichneten Komponenten sind bekannt und im Fach­ handel erhältlich.

Von dem Lasersender 19 wird ein kontinuierlicher Strahl er­ zeugt. Auf dem Zeichen hat der Strahl einen Durchmesser von 1-3 cm. Je nach Oberfläche der Objekte wird der Strahl mehr oder weniger reflektiert. Bei einem starken Kontrast werden die Hell-dunkel-Übergänge von dem Laserempfänger 14 in elektrische Signale umgesetzt.

Für das Zeichen 3 bietet der Handel spezielle retroreflek­ tierende Folien (retroreflektierende Oberflächen 21, 23) an. Der Hintergrund und die Fläche zwischen den Folien hat eine nicht reflektierende Oberfläche 22.

Vorteilhaft ist, daß sie das Laserlicht nicht difus reflek­ tieren sondern optimal in die gleiche Richtung zurückschic­ ken. Andernfalls wäre eine exakte Reflektorerkennung über mehr als 10 m kaum möglich.

Der Motor 17 treibt den Spiegel 16 an, so daß der Laser­ strahl in einer horizontalen Linie 11 umläuft. Bei unebener Fahrbahn wird allerdings das Fahrzeug und somit auch die gesamte Erfassungseinrichtung 5 geneigt. Hierdurch wird der Laserstrahl auch etwas in horizontaler Richtung abgelenkt. Aus diesem Grund ist es erforderlich, daß das Zeichen 3 ei­ ne gewisse Höhe hat. Im allgemeinen sind 30 cm ausreichend.

Die Erfassungseinrichtung ist optisch so eingestellt, daß der Lasersender und der Laserempfänger dicht beieinander stehen. Das von der Folie reflektierte Strahlenbündel hat einen Durchmesser von nur wenigen Zentimetern.

Für das Zeichen 3 sind zwei äußere Kontraste 31, 33 und ein mittiger Kontrast 32 bzw. ihre Abstände oder Strecken 1, 2 zueinander wichtig. Andere Anordnungsformen sind möglich; so kann der mittige Kontrast auch näher an dem einen als an dem anderen äußeren Kontrast stehen.

Bei Verwendung von zwei Reflektorfolien ergibt sich automa­ tisch ein vierter Kontrast 34. Er ist an sich nicht für die Ortung erforderlich, kann aber für die Kodierung genutzt werden. Beim Einsatz von Strichkodes ergeben sich sehr vie­ le Kontraste.

Das Zeichen 3 ist in der Fig. 1 leicht schräg dargestellt, so daß die Positionen der Kontraste 31, 32, 33 besser er­ kennbar werden.

Fig. 2 veranschaulicht die Ortung des Fahrzeugs gegenüber dem Zeichen 3. Im Prinzip ist von dem Fahrzeug 4 das Zei­ chen 3 nur als Strecke 1, 2 zu erkennen. Die Anfangs- und Endpunkte der Strecken 1, 2 sind definiert durch die Kon­ traste (31-32, 32-33). Im Prinzip könnte es sich bei den Kontrasten auch um Lichtquellen handeln. Es wären dann mindestens drei Stück erforderlich. Preiswerter ist die Verwendung der bereits beschriebenen passiven, reflektieren Folien.

Der nutzbare Raum ist durch die Linien 12, 13 begrenzt. In­ nerhalb dieser Linien sind beide Strecken 1, 2 sichtbar. Die Strecken 1 und 2 sind im allgemeinen direkt benachbart. Es ist aber auch grundsätzlich möglich, daß zwischen beiden Strecken ein gewisser Abstand besteht.

Bei einer Bewegung des Fahrzeugs 4 mit der Erfassungsein­ richtung 5 auf dem Teilkreis 6 erscheint das Zeichen 3 (al­ so die Summe der Winkel a und b) immer gleich groß. Bei An­ näherung des Fahrzeugs an das Zeichen wird auch die Summe der Winkel a und b größer bzw. bei Entfernung geringer. Die Summe der Winkel a, b ist ein Maß für Entfernung zwischen Zeichen und Erfassungseinrichtung.

Bei Bewegung des Fahrzeugs auf dem Teilkreis 6 nach links wird der Winkel a zu Lasten von b größer bzw. bei Bewegung nach rechts entsprechend kleiner. Durch bekannte trigonome­ trische Umrechnungen ist somit der Standort des Fahrzeugs 4 bzw. eigentlich der Erfassungseinrichtung 5 immer bekannt. Das Verhältnis von Winkel a zu Winkel b ergibt nach Umrech­ nung den Winkel d. Hiermit ist die Richtung des Fahrzeugs vom Zeichen aus gesehen bestimmt.

Der Fahrtrichtungswinkel c ist für die Führung des Fahr­ zeugs vorteilhaft. Dies gilt insbesondere für den Start des Fahrzeugs. Wenn das Fahrzeug erst in Bewegung ist, läßt sich auch indirekt die Fahrtrichtung des Fahrzeugs durch Ermittlung des Fahrverlaufes bestimmen.

Die Berechnung der Fahrzeugposition ist für die Fahrzeug­ führung nicht unbedingt notwendig. Die Fahrzeugführung ist auch nach dem Teach-In-Verfahren möglich. Die Größen der Winkel a, b können eindeutig einem Ort in der X-Y-Ebene zu­ geordnet werden, so daß bei einem relativ einfachen Ver­ gleich der abgespeicherten Sollwerte und der gemessenen Istwerte keine Berechnung für die Fahrzeugführung erforder­ lich ist.

Die Positionsgenauigkeit kann dadurch verbessert werden, daß möglichst häufig der Standort ermittelt wird. Jede Mes­ sung wird einen Fehler haben. Durch die Erfassung mehrerer Meßwerte ergibt sich eine bessere Meßsicherheit.

Wenn sich das Fahrzeug von einem bekannten Zeichen 3 weiter entfernt, wird es aufgrund der Standortermittlung auch wis­ sen, daß es sich bald einem neuen günstigeren Zeichen nä­ hert. Es wird dann auch dieses neue Zeichen benutzen und die Fahrt weiter fortsetzen.

Die Möglichkeit der gewerblichen Anwendbarkeit der Erfin­ dung ergibt sich besonders für fahrerlose Fahrzeuge. Sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt. So kann das System na­ türlich auch zur Unterstützung des Fahrzeugbedieners einge­ setzt werden, beispielsweise für Krane, Kommissionierfahr­ zeuge, aber auch Personentransporter.

Durch die Kenntnis der Position des Fahrzeugs kann das Fahrzeug zum Ziel geführt werden. Je nach den Erfordernis­ sen wird das Fahrzeug entsprechend gelenkt, beschleunigt und abgebremst.

Claims (8)

1. Verfahren zur Positionsbestimmung und/oder Führung min­ destens eines Fahrzeugs in der X-Y-Ebene, bestehend aus mindestens einem an einem bekannten Ort angebrachten Zei­ chen sowie einer fahrzeugseitigen Erfassungseinrichtung, die ein solches Zeichen erkennt, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Zeichen (3) optisch aus zwei äußeren Kontrasten (31, 33) und mindestens einem mittigen Kontrast (32) be­ steht,
• - daß sich der mittige Kontrast räumlich vor oder hinter den beiden äußeren Kontrasten befindet,
• - daß eine Strecke (1) von dem einen äußeren Kontrast zum mittigen Kontrast und eine Strecke (2) von dem anderen äu­ ßeren Kontrast zum mittigen Kontrast gebildet werden,
• - daß je nach Standort der Erfassungseinrichtung (5) auf dem Fahrzeug die Strecken (1, 2) in perspektivisch verkürz­ ter Ausdehnung erkannt werden,
• - daß die Strecken (1, 2) und/oder die entsprechenden Win­ kel in der Erfassungseinrichtung erfaßt werden und
• - daß die erfaßten Werte zur Positionsbestimmung und/oder Führung des Fahrzeugs benutzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,

• - daß sich das Zeichen und die Erfassungseinrichtung im we­ sentlichen auf der gleichen Höhe über der X-Y-Ebene befin­ den und
• - daß die Erfassungseinrichtung den ganzen oder nur einen Teil des Horizontes in dieser Höhe nach Zeichen absucht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Erfassungseinrichtung aus einem Lasersender und einem Laserempfänger besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Lasersende- und -empfangseinrichtung zunächst ei­ nen größeren Abschnitt oder den gesamten Arbeitsbereich nach einem Zeichen absucht und dann, sobald ein geeignetes Zeichen gefunden wurde, im wesentlichen nur das Zeichen ab­ tastet.

5. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet

• - daß der Strahl des Lasersenders (19) in der Horizontalen aufgefächert ist,
• - daß der Laserempfänger (14) aus vielen einzelnen in einer Reihe angeordneten Empfangselementen besteht und
• - daß der aufgefächerte Laserstrahl und die Empfangselemen­ te so eingestellt sind, daß sie im wesentlichen nur das re­ flektierende Zeichen betrachten.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche da­ durch gekennzeichnet

• - daß ein oder mehrere Zeichen verwendet werden, die strichcodiert sind und
• - daß sie von der Erfassungseinrichtung eindeutig identifi­ ziert werden können.

7. Zeichen für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6 dadurch gekennzeichnet

• - daß die Kontraste (31, 32, 33) auf dem Zeichen durch Wechsel von retroreflektierender Oberfläche (21, 23) zu nicht oder wenig reflektierender Oberfläche (22) gebildet werden,
• - daß mindestens drei Reflexionswechsel als Kontraste ge­ bildet werden.

8. Zeichen für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6 dadurch gekennzeichnet

• - daß das Zeichen mehr oder weniger um eine senkrechte Ach­ se konkav oder konvex gewölbt, gebogen oder geknickt ist,
• - daß die Kontraste senkrecht stehen und
• - daß die äußeren Kontraste (31, 33) am linken bzw. rechten Rand des Zeichens und der mittlere Kontrast (32) etwa in der Mitte des Zeichens stehen.