DE29507429U1

DE29507429U1 - Automatischer Lenksensor

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Publication number: DE29507429U1
Application number: DE29507429U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-05-04
Filing date: 1995-05-04
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2005-05-05
Also published as: DE29608076U1

Description

Beschrieben wird ein neuartiges Sensorsystem, zur automatischen Steuerung eines Fahrzeugs, anhand eines vorgebbaren optischen Leitstreifens auf der Fahrbahn.

Insbesondere in Fertigungshallen usw. gilt es, ständig die einzelnen Fertigungskomponenten vom Lagerplatz zum Montagestand oder -band zu transportieren. Aber auch in Kaufhäusern, Lagern usw., fallen stets die gleichen Wegstrecken an, über die Gegenstände transportiert werden müssen. Um hierfür nicht sündhaft teuere und unflexible Transportbänder bauen zu müssen, bietet es sich an, automatisch fahrende Transportwagen einzusetzen. Um dies realisieren zu können, besteht unter anderem die Möglichkeit, die Wegstrecke auf dem Boden mit einer optischen Markierung wie zum Beispiel eines Streifens zu kennzeichnen um dann ein Fahrzeug einzusetzen, das in der Lage ist, an diesem Leitstreifen entlangzufahren, um so sein Ziel automatisch zu finden. Hierzu ist allerdings eine dafür geeignete Lenksensorik notwednig.

Eine weitere gute Möglichkeit im Bereich der optischen Lenksenortechnik zu nutzen, liegt der vorliegenden Erfindung zugrunde. Alle dazu notwendigen Funktionen, wie Bilddigitalisierung, Bildauswertung und Steuersignalausgabe sind in einem nur ca 118ccm großen Gehäuse verpackt, und ergeben so einen kleinen kompakten Lenksensor, der nur noch so am zu steuernden Fahrzeug angebracht werden muss, daß er den, auf der Fahrbahn befindlichen Leitstreifen erkennen und einlesen kann. Dann ist er in der Lage, das Fahrzeug automatisch an sein Ziel zu lenken.

Mechanisch lassen sich die Fahrzeuge mit allen auf dem Markt erhältlichen geeigneten motorischen Antriebs- und Lenksystemen ausrüsten. Vorzugsweise wird als Lenksignal· ein Signal· zur Schrittmotoransteuerung, und ais Signal· zur Geschwindigkeitsregelung ein Puis-Pause-Signal· ausgegeben.

Herz des Sensors ist vorzugsweise ein Z80 Microcontroller.

Die Funktion ist in Biid C an einem beliebigen Steuermechanismus gezeigt. Der Steuersensor 13 steht exakt über der weissen Wegmarkierung ClO. Der Microcontroller liest die im digitalen Bildsensor A/l vorliegenden Bilddaten ein und macht sich so ein Bild von der Fahrbahn/, wie es in Biid E/15 an einem bereits sehr verschilffenen Leitstreifen gezeigt wird.

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Nun rechnet er aus, wie weit der Leitstreifen von der Bildmitte entfernt ist und gibt bei Bedarf über das Steuerkabel einen entsprechenden Steuerbefehl an den Lenkmotor 19 aus. Im vorliegenden Bild, befindet sich die Wegstreckenmarkierung in der Mitte des Bildes, was bedeutet, daß kein Lenkbefehl ausgegeben werden muss.

Bild F verdeutlicht den Vorgang eines Lenkmanövers. Der Rahmen

22 zeigt die Größe des über den Sensor 24 erfassten Bildes, das nun Zeile für Zeile von oben her eingelesen wird. Durch die Biegung des Leitstreifens 23 verschiebt sich der Streifen

23 im obersten Bildbereich des Rahmens 22 leicht nach rechts. Dies wird vom Rechner sofort registriert. Und wenn die Auswertung der ersten 32 Bildzeilen (1/5 des Gesamtbildes) ergibt, daß der Durchschnitt dieser Abweichung mehr als 10 Bildpunkte ausmacht, wird ein Lenkbefehl, mit einem Einschlag, der der errechneten Abweichung entspricht, ausgegeben. Das heisst, der im Beispiel Bild C gezeigte Lenkmotor 19 wird so angesteuert, daß er dadurch den Zahnkranz 14 im entsprechenden Ausmass nach rechts dreht.

Die Räder 11 sind nun leicht eingeschlagen und es wird das nächste Bild eingelesen. Es beginnt der gleiche Auswertungsvorgang. Weil wir vom letzten Vorgang her wissen, daß wir in eine Kurve eingelenkt haben, erwarten wir für den Fall, daß die Kurve weitergeht, ein weiterhin gekrümmtes Bild. Bleibt der Kurvenradius gleich wie beim letzten Bild, muß theorethisch auch die Verschiebung der obersten 32 Bildzeilen gleich bleiben. Dann braucht auch keine Lenkkorrektur vorgenommen zu werden. Das Fahrzeug fährt im gleichen Kurvenradius weiter. Die Alternativen sind klar. Verschiebt sich der Streifen noch weiter nach rechts, muss nochmal entsprechend nachgelenkt werden. Bewegt sich der Leitstreifen 23 wieder Richtung Mitte, kann wieder in Richtung Geradeausfahrt zurückgelenkt werden.

Alle, für die Steuerbefehle eines jeweils verwendeten Lenk- und Antriebssystems notwendigen Parameter sind im Speicher des Microcontrollers abgelegt und können auf Wunsch auch beliebig angepasst werden. Sie sind Software und somit nur den Grenzen des jeweils verwendeten Lenk- und Antriebssystems ausgesetzt. Am häufigsten wird für den Lenkbetrieb das Schrittmotorsystem verwendet, während der Antrieb über das Puls-Pause-Verfahren geregelt wird. Als elektronischer Bildsensor A/l wird vorzugsweise ein SW-CCD-Element mit 160*160 Bildpunken verwendet, welches die Bilddaten direkt in digitaler Form abgibt. Dies

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ergibt eine Bildauflösung von 25600 Bildpunkten, was für solche Steuerzwecke mehr als ausreichend ist. Ausserdem bedeutet das für den Rechner, daß er zur vollständigen Auswertung eines Bildes nur ca. 27kB Daten einlesen muss, und weil eben nur Schwarz/Weiss-Signale notwendig sind/ wofür zur Speicherung eigentlich nur 1 Bit benötigt wird, bleiben am Schluss nur noch 3.2KB Daten zur eigentlichen Bildauswertung übrig, was die hier vozugsweise verwendete Bildauswertungsrate von ca 12 Bildern pro Sekunde problemlos möglich macht. Es ist aber auch möglich, anstatt ein ganzes Bild zu speichern und somit den Leitstreifen ständig zu "fotografieren", den CCD-Bildsensor durch einen CCD-Zeilensensor zu ersetzen und damit die Fahrstrecke in kleinen, einzelnen Querstreifen einzulesen und hintereinander im RAM abzulegen. So kann man einen beliebig langen Streckenabschnitt (das RAM setzt die Grenzen) einlesen und auswerten. Die oben beschriebene Steuerungsart, bei der nur die oberen 32 Bildzeilen zur Berechnung der Steuerbefehle herangezogen werden, entspricht im Grunde auch nur einer Zeilenkamera. Aufgrund der Systemanforderung, daß aber auch weiterführende Steuerinformationen über den Leitstreifen eingelesen werden können sollen, wird hier vorzugsweise ein Bildsensor eingesetzt.

Der Umstand, daß hier mit Bildern gearbeitet wird, eröffnet natürlich viele weitere Möglichkeiten. Denn es ist darüberhinaus auch möglich, den Leitstreifen ClO mit bestimmten Bildmustern zu versehen, um somit während der Fahrt weitere Steuerfunktionen einlesen zu können. Die Form dieser Bildmuster wird über die Software definiert und kann theorethisch beliebig sein. Aus Gründen der Rechengeschwindigkeit, sollten aber eher einfache Strichmuster verwendet werden. Aber auch bereits mit einfachen Mustern lassen sich zum Beispiel Abzweigungen, Haltepunkte, Gefahrenstellen usw. markieren, auf die dann sofort reagiert werden kann. Im Test haben sich dunkle Aufkleber mit definierten Grossen bestens bewährt. In der Kombination genügen schon 4 verschiedene Grossen um eine ansehnliche Zahl verschiedener Befehle festzulegen. Die jederzeit auf den Leitstreifen angebracht und wieder entfernt werden können. Im Grunde lässt sich durch diese Steuermethode ein regelrechtes Verkehrsnetz aufbauen.

Durch die Tatsache, dass durch das Bildauswertungssystem die Streckenführung ständig hochgenau überwacht werden kann, lässt sich auch die Geschwindigkeit genauestens regeln. Denn der

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Sensor kann über die Software auf das Verhältnis Geschwindigkeit zu Lenkeinschlag vorprogrammiert werden. Wenn man vier verschiedenen Lenkeinschlägen, bestimmte Puls-Pause-Verhältnisse zuordnet, hat man ein Viergangfahrzeug. Allerdings empfiehlt es sich beim übergang von einer 4. Gang-Geraden in einen besonders engen Kurvenradius,- über eine frühzeitige Leitstreifenmarkierung zurückzuschalten.

Auch überwacht das System ständig den Zustand seines Leitstreifens und meldet über eine Blinklampe, falls der Streifen Fehlerstellen aufweist oder insgesamt schlecht lesbar wird.

Um bei allen Lichtverhältnissen fahren zu können, muss es möglich sein, den zu erfassenden Bildbereich zu beleuchten. In Bild D sieht man den Lichtsensor 21, der die Lichverhältnisse ständig misst und bei unterschreiten der einstellbaren Schwelle die Lampe 20 stufenlos ansteuert. Die Tests haben allerdings gezeigt, daß durch die Wärmeabgabe unnötige Temeraturprobleme auftreten können und es besser ist, wenn die Beleuchtung außerhalb des Sensors vorgenommen wird.

Insgesamt sind die Möglichkeiten eines solchen Steuersystems praktisch unbegrenzt. Dazu gehört auch, daß von Hand geschobene Fahrzeuge über dieses System gelenkt werden können und damit solche Fahrzeuge viel kraftsparender bewegt werden können, weil sie wie auf Schienen laufen und somit zum Lenken keinerlei Kraft aufgewendet werden muss.

Es ist auch nicht unbedingt notwendig, einen fest installierten Leitstreifen zu verwenden. Weil es dem System letztlich egal ist, welchem Streifen es nachfährt, genügt es auch wenn die gewünschte Strecke nur mit einem Seil oder Kabel markiert wird. Dann findet das, mit diesem Sensor gesteuerte Fahrzeug auch so automatisch seinen Weg.

Um die erfassten Bilder schnell und leicht kontrollieren zu können, besitzt der Sensor D einen analogen Bildausgang 17, der das Original des vom Bildsensor A/l aufgenommen Bildes ausgibt. Hier kann jederzeit ein Kontrollmonitor angeschlossen werden.

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Claims

Schutzansprüche:

1. Automatischer Lenksensor D, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein, in einem Gehäuse befindliches, zu allen notwendigen Funktionen zusammengefasstes, programmierbares Komplettsystem handelt, welches in der Lage ist, über die Software frei definierbare optische Fahrbahnmarkierungen als digitale Bildpunkte einzulesen und in solche Steuersignale umzuwandeln, daß damit ein Fahrzeug durch Ansteuern eines motorischen Lenkantriebes automatisch von einem Ort zu einem Anderen gelenkt werden kann, der Sensor einen analogen Bildkontrollausgang besitzt, über eine eingebaute Beleuchtung zum Ausleuchten des einzulesenden Leitstreifens verfügt und die Größe des Lenksensors das Raumvolumen von 120ccm unterschreiten kann, sowie daß der Leitstreifen während der Fahrt ständig auf seinen Zustand kontrolliert und bei Erkennung einer schadhaften Stelle des Leitstreifens angehalten und ein akustischter Warnton gegeben wird.

2. Automatischer Lenksensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sich der Bildsensor Al auch in einem separaten Gehäuse außerhalb des Lenksensors befinden kann und die Bilddaten über eine jeweils geeignete Verbindung an den Lenksensor D zur Weiterverarbeitung übermittelt werden können und die Größe des Gehäuses des Bildsensors Al das Raumvolumen von 20ccm unterschreiten kann.

3. Automatischer Lenksensor nach Anspruch 1+2 dadurch gekennzeichnet, daß die Wegstreckenmarkierung C/lö zusätzliche Bildmuster enthalten kann, die vom System als Steuerinformationen erkannt und über die Sofware in frei programmierbare Steuerfunktionen umgesetzt werden können.

4. Automatischer Lenksensor nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß die Wegstreckenmarkierung C/10 aus allen technisch geeigneten Materialien bestehen kann, welche durch ein Videosignal erkennbar sind.

5. Automatischer Lenksensor nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die Wegstreckenmarkierung C/10 aus flexiblen und frei verlegbaren Materialien, wie z.B. Seilen oder Kabeln bestehen kann.

6. Automatischer Lenksensor nach Anspruch 1-5 dadurch

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gekennzeichnet, daß der Sensor durch Softwareparameter und die eingelesenen Bilddaten der Wegstreckenmarkierung C/1Q eine gewünschte Geschwindigkeit berechnen und am Ausgang als Signal für die Regelung der Fahrgeschwindigkeit ausgeben kann.

7. Automatischer Lenksensor nach Anspruch 1-6 dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den ausgegebenen Lenksignalen um Signale zur Schrittmotoransteuerung und bei den Signalen zur Geschwindigkeitsregelung um Puls-Pause-Signale handeln kann.

8. Automatischer Lenksensor nach Anspruch 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß damit auch Fahrzeuge ohne motorischen Antrieb gelenkt werden.

9. Automatischer Lenksensor nach Anspruch 1-8 dadurch gekennzeichnet, daß damit Fahrzeuge aller Art gesteuert werden.

10. Automatischer Lenksensor nach Anspruch 1-9 dadurch gekennzeichnet, daß damit Fahrzeuge im Behinderten- und Gesundheitswesen, wie Rollstühle, Krankenbahren, Krankenlifter, Krankenbetten mit oder ohne Antrieb gelenkt und gesteuert werden.

11. Automatischer Lenksensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß damit auch Einkaufswagen in Verkaufsgeschäften und Deren Parkplätzen gesteuert werden.

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