DE3122970A1

DE3122970A1 - Lenkeinrichtung zur steuerung der lenkung eines unbemannten fahrzeuges

Info

Publication number: DE3122970A1
Application number: DE19813122970
Authority: DE
Inventors: Takao Kamakura Kanagawa Kamide; Tetsuya Nishiki
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1980-06-11
Filing date: 1981-06-10
Publication date: 1982-02-04
Also published as: SE8103620L; SE454816B; US4456088A; GB2080576A

Description

Lenkeinrichtung zur Steuerung der Lenkung eines unbemannten Fahrzeuges

Die Erfindung betrifft eine Lenkeinrichtung zur Steuerung der Lenkung eines unbemannten Fahrzeuges nach Maßgabe eines Induktionsfeldes eines Induktionskabels, das beispielsweise nahe der Oberfläche einer Fahrbahn verlegt sein kann.

Zur Lenkung eines unbemannten Fahrzeuges ist es aus der Praxis bekannt, einen Wechselstrom durch ein entlang einer Fahrbahn für das Fahrzeug verlegtes Induktionskabel fliessen zu lassen, so daß von dem Induktionskabel ein Magnetfeld erzeugt wird. Dieses Magnetfeld wird über zwei Aufnahmespulen an der Karosserie des Fahrzeuges aufgenommen und die Lenkung des Fahrzeuges wird entsprechend der Differenz der in den beiden Aufnahmespulen induzierten Spannungen gesteuert. Um eine stabile Bewegung des Fahrzeuges zu gewährleisten, sollte hierbei zumindest eine der Aufnahmespulen in Fahrtrichtung vor dem festen (nicht lenkbaren) Rad angeordnet sein. Dementsprechend ist im allgemeinen ein Paar von Aufnahmespulen für die Vorwärtsbewegung und ein Paar von Aufnahmespulen für die Rückwärtsbewegung vorgesehen, wobei diese Paare bei jedem Fahrtrichtungswechsel· des Fahrzeuges gewechselt werden. Fährt ein solches unbemanntes Fahrzeug vorwärts, so wird das Fahrverhalten des Fahrzeuges um so stabiler, je weiter der Abstand zwischen der entsprechenden Aufnahmespule und der Achse des festen Rades ist. Da dieser Abstand durch den Aufbau des Fahrzeuges begrenzt ist, werden die Aufnahmespulen für die Vorwärtsbewegung in einem Winkel zur Längsachse des Fahrzeugkörpers angeordnet und ein entsprechen-

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der Lagewinkel wird gemessen. Bei einer solchen Verwendung von Aufnahmespulen wird allein der Abstand von dem Induktionskabel oder eine Mischung aus dem Abstand und dem Winkel (Lagewinkel) gemessen. Darüber hinaus hat der von den Aufnahmespulen abgegebene Meßwert, d.h. die induzierte Spannung, die Tendenz von Änderungen des im Induktionskabel fließenden Stromes und induktiven Störungen, z.B. Änderungen der Permeabilität um das Induktionskabel, beeinflußt zu werden, so daß eine genaue Steuerung der Lenkung schwierig ist.

Ausgehend von dem zuvor erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Lenkeinrichtung der in Rede stehenden Art anzugeben, bei der eine sehr stabile Steuerung der Lenkung eines Fahrzeuges unabhängig von der Fahrtrichtung m'öglich ist.

Die erfindungsgemäße Lenkeinrichtung, bei der die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im wesentlichen gekennzeichnet durch, einen Detektor zur Feststellung des Abstandes des Fahrzeuges von einem Induktionskabei und des Lagewinkels des Fahrzeuges relativ zu dem Induktionskabel und zur Abgabe eines Abweichungssignales und Lagewinkelsignales, eine Signalformerstufe zur Bildung eines Lagewinkeleinstellsignales auf Basis der Differenz zwischen einem Ausgangsstellungssignal und dem Abweichungssignal, einen Lenksignalgeber zur Bildung eines Lenkwinkeleinstellsignals auf Basis der Differenz zwischen dem Lagewinkeleinstellsignal und dem Lagewinkelsignal und eine Lenksteuerungsstufe zur Steuerung der Lenkung des Fahrzeuges nach Maßgabe des Lenkwinkeleinstellsignales.

0 In Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lenkeinrichtung ist es vorteilhaft, wenn zueinander in drei Richtungen

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senkrecht stehende Komponenten des von dem Induktionskabel erzeugten Induktionsfeldes von einem einzigen Detektor erfaßt werden können und die Steuerung der Lenkung auf Basis der erfaßten Werte durchgeführt werden kann.

Eine Lenkeinrichtung nach einer weiteren Lehre der Erfindung, der besondere, selbständige Bedeutung zukommt, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Detektoren zur Feststellung des Abstandes des Fahrzeuges von einem Induktionskabel und zur Abgabe von Abweichungssignalen an bestimmten Punkten im vorderen und hinteren Bereich des Fahrzeuges sowie eine Auswertestufe vorgesehen sind, daß vermittels der Auswertestufe ein Lagewinkelsignal durch Berechnung des Lagewinkels des Fahrzeuges relativ zu dem Induktionskabel aus der Differenz der von den vorderen und hinteren Bereichen de's Fahrzeuges stammenden Abweichungssignalen ermittelbar ist, daß von der Auswertestufe weiter ein durch Addition des Lagewinkelsignales zu dem Abweichungssignal des in Fahrtrichtung gesehen vorderen Bereiches des Fahrzeuges gewonnenes Lenksignal abgebbar ist, und daß eine Lenksteuerungsstufe zur Steuerung der Lenkung nach Maßgabe des Lenksignales vorgesehen ist. Bei dieser Lenkeinrichtung wird über die im vorderen und hinteren Bereich des Fahrzeuges angeordneten Detektoren eine Abweichung von dem Induktionskabel festgestellt, ein Lagewinkel wird aus den Abweiehungsijiynalen der Detektoren errechnet und die Steuerung der Lenkung wird entsprechend dem ermittelten Lagewinkel und dem Abweichungssignal bewirkt, das der Abweichung des vorderen Bereiches des Fahrzeuges von der Fahrtrichtung 0 entspricht.

Hinsichtlich der Ausgestaltung der für die erfindungsgemäße Lenkeinrichtung zu verwendenden Detektoren gibt es

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verschiedene Möglichkeiten. So kann ein solcher Detektor mit jeweils paarweise zueinander, in einem bestimmten Abstand voneinander und entlang jeweils einer Achse eines rechtwinkligen Koordinatensystems angeordneten Spulen versehen sein, wobei die Paare von Spulen entlang jeder der Achsen wechselseitig miteinander kombiniert und jeweils die beiden Spulen einer Achse miteinander verbunden sind.

Ein Detektor für die erfindungsgemäße Lenkeinrichtung kann aber auch nur drei Spulen aufweisen, die so angeordnet sind, daß die Längsachsen der drei Spulen rechtwinklig zueinander verlaufen und die Zentren der Spulen im wesentlichen zusammenfallen.

Schließlich kann ein derartiger Detektor auch so ausgestaltet sein, daß nur zwei Spulen vorgesehen sind, die Längsachsen der beiden Spulen rechtwinklig zueinander verlaufen und die Zentren der Spulen im wesentlichen zusammenfallen.

Entsprechend der Erfindung werden ein Abweichungssignal und ein Lagewinkelsignal durch Feststellung der Abweichung des Fahrzeuges von dem Induktionskabel und des Lagewinkels ermittelt, ein Lagewinkeleinstellsignal wird erzeugt aufgrund der Differenz zwischen dem Abweichungssignal und einem Ausgangsstellungssignal, ein Lenkwinkeleinstellsignal wird aufgrund des Lagewinkelsignales und des Lagewinkeleinstellsignales erzeugt, und die Steuerung der Lenkung wird auf Basis des Lenkwinkeleinstellsignales durchgeführt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich 0 Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher er-

BAD ORlGiNAU

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läutert; es zeigt:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lenkeinrichtung in schematischer Darstellung in einem Blockdiagramm,

Figur 2 in perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines Detektors zur Verwendung bei einer Lenkeinrichtung nach Fig. 1,

Figur 3 in schematischer Darstellung ein Fahrzeug mit einem Detektor einer erfindungsgemäßen Lenkein-0 richtung,

Figur 4 ein Diagramm zur Erläuterung des Lenkungsprinzips der erfindungsgemäßen Lenkeinrichtung,

Figur 5 ein weiteres Blockdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Lenkeinrichtung,

Figur 6 ein mit einer erfindungsgemäßen Lenkeinrichtung ausgerüstetes Fahrzeug in verschiedenen Positionen relativ zu einem Induktionskabel,

Figur 7 ein zweites Ausführungsbeispiel eines bei einer erfindungsgemäßen Lenkeinrichtung zu verwenden

den Detektors,

Figur 8 in schematischer, erläuternder Darstellung den Gegenstand nach Fig. 7,

Figur 9 ein Diagramm zur Erläuterung der Feststellung 25"' eines Lagewinkels eines Fahrzeuges relativ zu

einem Induktionskabel bei einer erfindungsgemäßen Lenkeinrichtung,

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Figur 10 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Detektors zur Verwendung bei einer erfindungsgemäßen Lenkeinrichtung, insbesondere in Verbindung mit Fig. 9,

Figur 11 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des in Fig. 10 dargestellten Detektors,

Figur 12 in schematischer Darstellung ein Fahrzeug mit installierten Detektoren gemäß Fig. 10 und

Figur 13 ein Blockdiagramm eines Schaltkreises zur Erzeugung des Lenkwinkeleinstellsignales bei einer

erfindungsgemäßen Lenkeinrichtung.

Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel einer Lenkeinrichtung wird ein Abweichungssignal e.. durch Feststellung der seitlichen Abweichung 1 des Fahrzeugkörpers 1 von einem Induktionskabel 4 ermittelt. Die Differenz zwischen dem Abweichungssignal e^ und einem Ausgangsstellungssignal· e (e -e ), das von einem Signalgeber ES abgegeben wird, wird berechnet und als Einstellwert für den Lagewinkel verwendet. Dieser Einstellwert wird mit einem entsprechenden Faktor in einem Koeffizientenmultiplikator C₁ multipliziert, wodurch ein Lagewinkeleinstellsignal e erzeugt wird. Außerdem wird ein Lagewinkel Φ des Fahrzeuges 1 gemessen, ein Lagewinkelsignal e„ dadurch ermittelt, die Differenz (e -e -e₀) des Lagewinkeleinstellsignales e und des Lagewinkelsignales e wird als Einstellwert für den Lenkwinkel herangezogen, dieser Einstellwert wird in einem Koeffizientenmultiplikator C- mit einem entsprechenden

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Faktor multipliziert und ein Lenkwinkeleinstellsignal e wird erzeugt. Die Differenz zwischen dem Lenkwinkeleinstellsignal e und einem Rückkopplungssignal e_, das einem Lenkwinkel Θ einer Lenksteuerungsstufe ST entspricht, wird ermittelt, in einem Verstärker AMP verstärkt und der Lenksteuerungsstufe ST zur Lenksteuerung wieder zugeführt.

Der in Fig. 2 dargestellte Detektor S für das Induktionsfeld I eines Induktionskabels 4 besteht aus drei Paaren von Spulen 7,8;9,10;11,12, die in den Richtungen jeweils senkrecht zueinander stehender Achsen X,Y,Z ausgerichtet sind. Diese Spulen 7 bis 12 haben im wesentlichen die gleiche Form und die gleichen Charakteristika. Die Spulen 7,8 in Richtung der X-Achse sind parallel zueinander und mit einem Abstand voneinander angeordnet, der etwas grosser als der Durchmesser der Spulen 7 bis 12 ist. Die Spulen 7 und 8 haben die gleiche Polarität und sind in Reihe geschaltet. Weitere Paare von Spulen 9,10 und 11,12 entlang den Y- bzw. Z-Achsen sind in ähnlicher Weise wie das Paar von Spulen 7,8 angeordnet. Diese drei Paare von Spulen 7,8; 9,10;11,12 sind zur Bildung des Detektors S wie in Fig. dargestellt angeordnet.

Jedes Paar von Spulen 7 bis 12 des Detektors S vermag einen entsprechenden induzierten Strom festzustellen, d.h. die Spulen 7 und 8 stellen die X-Komponente des Induktionsfeldes I, die Spulen 9,10 die Y-Komponente und die Spulen 11,12 die Z-Komponente des Induktionsfeldes I fest. Die Spulen 7 bis 12 jeweils eines Paares sind bei gleicher Windungsrichtung in Serie geschaltet, so daß im Zentrum P 0 des Detektors S jede Komponente des Induktionsfeldes I festgestellt wird. Die festgestellten Werte, die den X, Y und Z-Komponenten entsprechen, sind wechselweise unab-

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hängig voneinander und in keiner Weise von Variationen des Wechselstromes I, der durch das Induktionskabel 4 fließt, oder andere induktive Störungen gestört.

Wie sich aus Fig. 3 ergibt, ist der Detektor S auf dem Boden eines Fahrzeuges 1 in der Position H auf der Längsachse CL des Fahrzeuges 1 angeordnet, so daß die Richtung der Längsachse CL und die Y-Achse des Detektors S übereinstimmen.

Wenn sich zum Beispiel zwischen der Längsachse CL des Fahrzeuges 1 und dem Induktionskabel 4 ein Winkel Φ, als Lagewinkel bezeichnet, ergibt und wenn weiter ein seitlicher Abstand in der Horizontalen -zwischen dem Zontrum P des Dc; Lektors S und dom Induktio-nskabol 4, als sei. l-Liehe; Abweichunq 1, .ui f Lr i.l:t, so werden in den Spulen 1Ί /,H ,') , K), I I 'IUi₁! I/ ilc.·; |).·| ι >k I < n .·. N :'.| ^. tiititt ii< i* -ti <·.,··..,# e .,e ,e ,e „ erzeugt. Sind die Spulen 7,8,9,10,11,12 jeweils eines Paares in Reihe geschaltet mit übereinstimmender Windungsrichtung, so kann die induzierte Spannung jedes Paares von Spulen 7 ,8 ;9,10 ;11,12 ausgedrückt werden durch

e =e ., + e ~, e =e .. + e ~, e=e. χ x1 x2' y y1 y2 ζ z1

Verwendet man diese induzierten Spannung e ,e und e , so können der Lagewinkel Φ und die Abweichung 1 durch die folgenden Gleichungen dargestellt werden:

Φ=3 tan" -^ ₍₁₎

l=b (cos Φ) — (2)

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Dabei sind a und b Konstanten.

Wie sich aus Fig. 5 ergibt, wird das Rauschen aus den Signalen e , e und e des Detektors S vermittels der Bandpaßfilter 13,14,15 entfernt. Das Signal e wird einer Rechenstufe 19 über einen Gleichrichter 18 zugeführt. Das Signal e wird synchron mit dem Signal e in einem Synchron-Gleichrichter 17 gleichgerichtet und anschließend der Rechenstufe 19 zugeführt. Schließlich wird das Signal e synchron mit dem Signal e in einem Synchron-Gleichrichter 16 gleichgerichtet und einer Rechenstufe 20 zugeführt. Unter Verwendung der Signale e und e wird von der Rechenstufe 19 die Rechenoperation entsprechend der oben angegebenen Gleichung (1) ausgeführt. Dadurch wird das Lagewinkelsignal e„ (ε₂=Φ) ermittelt und einem Vorwärts-ZRückwärts-Schalter 23 zugeführt. Unter Verwendung der Signale e und e wird von der Rechenstufe 20 die Rechenoperation entsprechend oben Gleichung (2) ausgeführt und ein Abweichungssignal e.. (e =1) ermittelt. Dieses Abweichungssignal e.. wird dem Minus-Eingang eines Differenzverstärkers 24 zugeführt.

Ein Signalgeber 21 für ein Fehlersignal dient zur Voreinstellung der seitlichen Abweichung des Fahrzeuges 1 von dem Induktionskabel 4. Von dem Signalgeber 21 wird ein Ausgangsstellungssignal e an den Plus-Eingang des Differenzverstärkers 24 gegeben. Der Differenzverstärker verstärkt die Differenz zwischen den Signalen e.. und e und führt diesen Meßwert den Plus-Eingängen von Differenzverstärkern 25,26 zu. Eine Vorwärts-/Rückwärts-Meßstufe 22 stellt eine Vorwärts- bzw. eine Rückwärtsbewegung des Fahrzeuges 1 fest und führt ein entsprechendes Steuerungssignal dem Vorwärts-/Rückwärts-Schalter 23 zu, so daß dieser auf einen Kontakt 23a bei Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges 1 und auf einen Kontakt 23b bei Rückwärtsbe-

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wegung des Fahrzeuges 1 schaltet. Das Lagewinkelsignal e wird dem Minus-Eingang des Differenzverstärkers 25 über den Kontakt 23a bei Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges 1 zugeführt und dem Minus-Eingang des Differenzverstärkers 26 über einen Inverter 27 von dem Kontakt 23b her bei Rückwärtsbewegung des Fahrzeuges 1, wobei im letzteren Fall das Signal am Inverter 27 umgepolt wird. Der Differenzverstärker 25 führt ein Lenkwinkeleinstellsignal e als Differenz zwischen dem Lagewinkelsignal e„ und dem Lagewinkeleinsteilsignal e dem Plus-Eingang eines Dif-

ferenzverstärkers 28 bei Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges zu. Von dem Differenzverstärker 28 wird die Differenz e zwischen dem Signal e oder -e und einem Rückkopplungssignal e_f einer Lenksteuerungsstufe 29 zugeführt. Ver- mittels der Lenksteuerungsstufe 29" wird die Steuerung der Lenkung des Fahrzeuges 1 entsprechend dem Eingangssignal e so vorgenommen, daß das Fahrzeug 1 entlang dem Induktionskabel 4 läuft. Erfolgt die Steuerung so genau, daß die Längsachse CL des Fahrzeuges 1 mit dem Induktionskabel 4 zur Deckung kommt, so wird das Ausgangsstellungssignal e zu Null.

Nehmen wir nun einmal an, daß die Stellung des Detektors S des Fahrzeuges 1 um die Abweichung 1. vom Induktionskabel 4 entfernt ist und daß der Lagewinkel f> des Fahr- zeuges 1 vorliegt. Ist nun das Ausgangsstellungssignal e null, so wird das Abweichungssignal e unmittelbar zum Lagewinkeleinstellsignal e . Ein der Differenz zwischen dem Lagewinkeleinstellsignal e und dem Lagewinkelsignal e„ des Lagewinkels Φ.. entsprechendes Signal wird dem Plus-Eingang des Differenzverstärkers 28 als Lenkwinkeleinstellsignal e zugeführt. Zur gleichen Zeit wird ein Rückkopplungssignal (Lenkwinkelsignal) e,., das dem der-

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zeitigen Lenkwinkel G₁ einer Lenkachse 3 entspricht, dem Minus-Eingang des Differenzverstärkers 28 zugeführt. Der Lenkwinkel der Lenkachse 3 wird über das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 28 gesteuert, so daß sich sowohl die seitliche Abweichung 1 als auch der Lagewinkel· Φ ändern. Das Abweichungssignal· e. und das Lagewinkelsignal e„ ändern sich von Zeit zu Zeit entsprechend der Steuerung und werden solange korrigiert, bis die seitliche Abweichung 1 und der Lagewinkel Φ zu Null· werden, d.h. bis das Fahrzeug 1 in die in Fig. 6b gezeigte Position gelangt.

Fig. 7 zeigt einen Detektor 40 für das Induktionsfeld I. Der Detektor 40 ist so konstruiert, daß die Längsachsen einer parallel zur X-Achse angeordneten Spule 41, einer parallel zur Y-Achse angeordneten Spule 42 und einer parallel zur Z-Achse angeordneten Spule 43 wechselweise senkrecht zueinander stehen und sich in dem Zentrum O des DcIoktors 40 .schneiden. Die drei Spulen 41,42,43 haben die gleichen Charakteriistika. Wenn sich der Detektor 4 0 nahe dem Induktionskabel 4 bewegt, so wird in ihm eine induzierte Spannung festgestellt, die durch das Induktionsfeld I erzeugt wird, das seinerseits aus einem Wechselstrom I in dem Induktionskabel 4 resultiert. Wie beispielsweise in Fig. 8a dargestellt ist, befindet sich das Zentrum 0 des Detektors 40 in einer bestimmten Höhe Z

über dem Boden,auf den das Induktionskabel 4 gelegt ist, ist der Abstand zwischen einem Punkt Q (dem Schnittpunkt der Z-Achse mit dem Boden) und dem Induktionskabel 4 als Abweichung 1 eingetragen und ist der Winkel zwischen der Längsachse der Y-Achsen-Spule 4 2 und dem Induktionskabel 4 mit Φ bezeichnet (Fig. 8b). Es sei angenommen, daß in den zur X-Achse, zur Y-Achse und zur Z-Achse parallelen Spulen 41,42 und 43 vermittels des durch das Induktions-

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kabel 4 fließenden Wechselstromes (I = I sin (cot)) Spannungen e ,e und e_r erzeugt werden. Diese Spannungen e , χ y 7· x

e und e können durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:

Z cos Φ
I_o cos ut (3)

• Z_q sin Φ

e = NAü)k I cos mt (4) y ο χ + δ

e = NAüik I ψ2— cos ωt (5)

Z \J Λ- ' Li

Hierbei bezeichnet N die Anzahl der Windungen der jeweiligen Spule, A den Querschnitt der jeweiligen Spule und k eine Konstante, die sich aus der Form der jeweiligen Spule und der Umgebungspermeabilität ergibt. In ähnlicher Weise können der Lagewinkel Φ und die Abweichung 1 aus

den Spannungen e ,e , e ermittelt werden: ^ ^ χ y ζ

-£ = tan Φ (6)

e
χ

e J.

z _

e Z cos Φ

χ ο

[7)

Abweichend von dem zuvor erörterten Ausführungsbeispiel 1st auch eine Ausführungsform möglich, boi der die soltliclio Abweichung 1 Fnslst el Lende ΠιΊ-cklorcn ΊΟ,Μ) mit aueinandui: nenkrucht yLolitmdun Spulen 'j I , bZ ; 0 I , < ><'. im vorderen und hinteren Bereich des Fahrzeuges 1 angeordnet sind. Der Lagewinkel Φ wird hierbei entsprechend den von diesen Detektoren 50,60 abgegebenen Abweichungssig-

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nalen e. berechnet. Ein Lenkwinkelsignal wird aus dem berechneten Lagewinkel Φ und dem Abweichungssignal e. aus dem in Fahrtrichtung gesehen vorderen Bereich des Fahrzeuges 1 ermittelt.

Es sei angenommen, daß in Fig. 9 die Fahrtrichtung des Fahrzeuges 1 und die Verlaufsrichtung des Induktionskabels 4 in Richtung der Y-Achse liegt. In der Horizontalen quer dazu verlaufe die X-Achse und senkrecht dazu verlaufe die Z-Achse. Auf der Längsachse CL des Fahrzeuges sind im vorderen und hinteren Bereich des Fahrzeuges 1 Detektoren 50,60 angeordnet.

Fährt das Fahrzeug 1 vorwärts in Richtung des Pfeiles F in Fig. 9a und befindet sich dabei die Längsachse CL des Fahrzeuges 1 in einem Lagewinkel Φ" zu dem Induktionskabei 4 und sind so die Detektoren 50,60 in seitlichen

Abständen 1 und 1 von dem Induktionskabel 4, so ergibt a b

sich das folgende Verhältnis zwischen dem Lagewinkel Φ und der Differenz 1 aus den Abweichungen 1 und 1 :

Φ= K- 1 (8)

I C

Dabei ist K₁ eine Konstante die sich aus der Form des Fahrzeuges 1 ergibt.

In entsprechender Weise kann der Lagewinkel Φ aus 1 gefunden werden.

Der Lagewinkel Φ im Falle eines rückwärts fahrenden Fahrzeuges 1 («-B in Fig. 9b) kann in ähnlicher Weise berechnet werden:

Φ= Κ/ · 1 ' (9)

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Die Konstanten K₁ und K.' in den Gleichungen 8 und 9 sind im allgemeinen nicht gleich. Dies liegt an strukturellen Gründen, beispielsweise der geometrischen Beziehung zwischen einem festen Rad (festen Achse) 2 und einem lenkbaren Rad (Lenkachse) 3, die ja bei Umkehrung der Fahrtrichtung ebenfalls umgekehrt wird, wie sich das aus Fig. 3 ergibt.

Bei dem in Fig. 10 dargestellten Detektor 50 sind zwei sich senkrecht schneidende Spulen 5 1,52 vorgesehen und so angeordnet, daß die Längsachse der Spule 51 der horizontalen X-Achse und die Längsachse der Spule 52 der vertikalen Z-Achse entspricht. Der Abstand zwischen dem Zentrum O₁ des Detektors 50 und dem Induktionskabel 4 sei mit h bezeichnet. Das Zentrum O fällt mit den Zentren der Spulen 51,52 zusammen.

Befindet sich die Spule 51 in einer Lage mit einem Lagewinkel Φ relativ zu dem Induktionskabel 4 (die Längsachse der Spule 51 befindet sich in einem Winkel Φ zur X-Achse) und befindet sich das Zentrum 0. in einem horizontalen Abstand 1 von dem Induktionskabel 4, so wird eine in der Spule 51
de Gleichung gegeben:

eine in der Spule 51 induzierte Spannung e durch folgen-

α.

e = k — sin Θ · cos Φ ^{a 2} /h² + I²

1 h

cos Φ —

* A? + I² rV + I²

h
₂ cos Φ ^---.p _(]0)

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Die induzierte Spannung e wird maximal, wenn das Zentrum

O der Spule 51 in der gleichen vertikalen Ebene wie das Induktionskabel 4 liegt und die axiale Richtung der Richtung der X-Achse entspricht. Diese maximale Spannung e

wird im folgenden als Referenzspannung bezeichnet.

Befindet sich das Zentrum O₁ der Spule 52 in einem horizontalen Abstand 1 von dem Induktionskabel 4, wie dies in Fig. 11b dargestellt ist, so wird eine Spannung e, in Spule 52 erzeugt, die durch folgende Gleichung beschrieben werden kann:

e = k_ cos θ

b 3

/h² + 1'
1

/h² + I² /h² + I² ° h² + 1

Dabei sind k„ und k Konstanten.

Die Spannung e, ist eine Funktion der seitlichen Abweichung 1 alleine und unabhängig von dem Lagewinkel Φ. Wie sich aus Gleichung 11 ergibt, steht die Spannung e, nicht im linearen Zusammenhang mit der Abweichung 1 und kann daher nicht direkt als Steuerungssignal herangezogen werden. Aus diesem Grunde wird die Spannung e, durch die zuvor erläuterte Referenzspannung e in folgender Weise

el

dividiert:

V = ^eb = k, r =- (12]

a — 4h· cos Φ ^l

^ea

Hierbei bezeichnet k. wiederum eine Konstante.

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- 19 -

Bei einem unveränderlichen Lagewinkel Φ wird V linear

ei

mit der seitlichen Abweichung 1 verändert. Dementsprechend wird V als Abweichungssignal verwendet. a

Der in Fig. 10 dargestellte Detektor 60 ist identisch aufgebaut wie der Detektor 50 und die in den Spulen 61,62 des Detektors 60 erzeugten Spannungen e und e stimmen mit den in den Spulen 51,52 induzierten Spannungen e

ei

und e. überein« Ein entsprechendes Abweichungssignal V, wird daher durch die folgende Gleichung beschrieben:

e 1

V = -~ = kc r r (13) .

be 5h cos Φ

Dabei ist k,_ wiederum eine Konstante.

Ein Lenkwinkelsignal SS wird dadurch gebildet, daß der Winkel Φ, wie er durch Gleichung 8 gegeben ist, einem Abweichungssignal e hinzuaddiert wird, das von dem Detektor 50 bzw. 60 abgegeben wird, der im vorderen Bereich des Fahrzeuges 1 in Fahrtrichtung angeordnet ist. Dies ist das Abweichungssignal V im Falle einer Vorwärtsbewegung und V, im Falle einer Rückwärtsbewegung des Fahrzeuges 1 .

Die Detektoren 50,60 sind auf dem Boden 1 des Fahrzeuges 1 angeordnet, wie sich dies aus Fig. 12 ergibt. Genauer gesagt sind die Detektoren 50,60 an speziellen Punkten des vorderen Bereiches 1 und des hinteren Be-

reiches 1, auf der Längsachse CL des Fahrzeuges 1 angeordnet, so daß die Längsachsen der Spulen 51 und 61 den Riehtungen der X-Achsen entsprechen und die Längsachsen der Spulen 52 und 62 den Richtungen der Z-Achsen. Da der Boden 1 des Fahrzeuges 1 sich parallel zur nicht

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dargestellten Oberfläche der Fahrbahn befindet, befinden sich auch die Spulen 51,61 parallel zu der Oberfläche der Fahrbahn, während die Spulen 52,62 senkrecht zu jener gerichtet sind.

Bei der in Fig. 13 dargestellten Schaltungsanordnung werden Spannungen e bis e , die von den Detektoren 5 0,60

a u

abgegeben werden, entsprechenden Bandpaßfiltern 101 bis 104 zur Entfernung der Rauschkomponenten zugeführt. Anschließend werden diese Signale Gleichrichtern 105 bis 108 zur Gleichrichtung zugeführt. Die Ausgangssignale der Gleichrichter 105 bis 108 sind mit E bis E, bezeich-

a d

net. In einer Rechenstufe 109 wird die Division E, /E

b a

aus Gleichung 12 auf Basis der Signale E und E, durchgeführt, anschließend die Abweichung 1 des Zentrums O

a I

des Detektors 50 von dem Induktionskabel 4 berechnet und ein entsprechendes Abweichungssignal V erzeugt.

In einer Rechenstufe 110 wird in entsprechender Weise die Rechenoperation von Gleichung 13 auf Basis der Signale E^ und E, vorgenommen, die seitliche Abweichung e, zwischen dem Zentrum O„ des Detektors 60 und dem induk-Lionskabcl 4 berechnet und ein entsprechendes Abweichunyssignal V, abgegeben. Diese Abweichungssignale V und V werden Übertragungsschaltern 111,112 zugeführt. Eine Vorwärts-/Rückwärts-Meßstufe 115 dient zur Identifizierung einer vorwärts bzw. rückwärts verlaufenden Bewegung des Fahrzeuges 1. Von der Vorwärts-/Rückwarts-Meßstufe 115 wird ein Signal "1" bei einer Vorwärtsbewegung und ein Signal "0" bei einer Rückwärtsbewegung abgegeben. Die Vorwärts-/Rückwärts-Meßstufe weist beispielsweise einen Impulskodierer und einen nicht dargestellten Flip/Flop-Schaltkrcis auf, stellt die Drehrichtung der Räder vermittels des Impulskodierers fest, gibt zwei Impulssignale mit 90° Phasenverschiebung ab, setzt den Flip/Flop-

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Schaltkreis aufgrund des einen Impulssignales bei Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges 1 zur Abgabe dos Ausgamjssignales "1" und setzt den Flip/Flop-Schaltkreis durch das andere Impulssignal bei Rückwärtsbewegung des Fahrzeuges zur Abgabe des Ausgangssignales "0".

Wird ein Signal "1" von der Vorwärts-/Rückwärts-Meßstufe 115 abgegeben, so werden die übertragungsschalter 111,112 sowie ein weiterer Übertragungsschalter 113 auf Kontakte 11 la,112a,113a geschaltet, während bei Abgabe eines Signales "0" die übertragungsschalter 111,112,113 auf Kontakte 111b,112b und 113b geschaltet werden.

Es sei angenommen, daß die Detektoren 5 0,60 im vorderen und hinteren Bereich des Fahrzeuges 1 von dem Induktionskabel 4 um seitliche Abweichungen 1 und 1, bei Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges abgewichen sind und daß der entsprechende Lagewinkel Φ ist. In diesem Fall werden von den Spulen 51,52,61,62 der Detektoren 50,60 Ausgangssignale e bis e, entsprechend den seitlichen Abweichungen 1 und 1 abgegeben und dementsprechned von den GIeichrichtern 105 bis 108 Ausgangssignale E bis E,. Die

a ei

Rechenstufen 109,110 führen die Divisionen E, /E und

D a

Ej/E auf Basis der Signale E bis E, durch und geben Abweichungssignale V und V, entsprechend den Abweichungen 1 und 1, ab.

über die Übertragungsschalter 111,112,113, die auf die Kontakte 111a,112a und 113a geschaltet sind, werden die Abweichungssignale V und V, abgegeben. Die Differenz V zwischen den AbweichungsSignalen V und V, wird berech-

cl Ό

net. Das Abweichungssignal V wird in einem Verstärker

120 um einen Faktor A verstärkt. Das Di Γf oronxs-ujna 1 V^

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wird in einem Verstärker 121 um einen Verstärkungsfaktor A„ verstärkt, der dem Koeffizienten K₁ in Gleichung 8 entspricht. Von dem Verstärker 121 wird ein Winkelsignal entsprechend dem Lagewinkel Φ abgegeben. Die Summe der von den Verstärkern 120,121 abgegebenen Signale wird über den Kontakt 113a des Übertragungsschalters 113 als Lenkwinkelsignal SS abgegeben.

Bei einer Rückwärtsbewegung des Fahrzeuges (Fig. 9b) werden die Übertragungsschalter 111,112,113 auf die Kontakte 111b,112b und 113b geschaltet, über die Kontakte 111b und 112b werden dann entsprechende Abweichungssignale V, '

und V ' abgegeben, die den Abständen 1 ' und 1 ' zwischen a Da

den Detektoren 60 und 50 und dem Induktionskabel 4 entsprechen. Die Differenz V ' zwischen den Abweichungssignalen V, ' und V ' wird über einen Verstärker 122 mit D a

einem Verstärkungsfaktor A_ verstärkt, der dem Koeffizienten K.' in Gleichung 9 entspricht. Von dem Verstärker 122 wird dann ein entsprechendes Winkelsignal abgegeben. Ein Verstärker 123 Verstärkt das Abweichungssignal V, ' entsprechend einem Verstärkungsfaktor A.. Dip Summe der von den Verstärkern 121 und 122 abgegebenen Signale werden über den Kontakt 113b des Übertragungsschalters 113 als Lenkwinkelsignal SS abgegeben.

Die Lenksteuerungsstufe 29 gemäß Fig. 6 steuert den Lenkwinkel der Lenkachse 3 aus Fig. 3 nach Maßgabe des Lenkwinkelsignales SS und steuert das Fahrzeug 1 auf seinem Weg entlang dem Induktionskabel 4.

Wenn im zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel normale Gleichrichter 105 bis 108 verwendet worden sind, so können JO selbstverständlich an deren Stelle hier auch Synchron-

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Gleichrichter verwendet werden, so daß die Signalι? e und e synchron mit den Referenzsignalen e und e gleichgerichtet werden können.

Ein Gleichspannungsgenerator kann als Vorwärts-ZRückwärts-Meßstufe 22 bzw. 115 verwendet werden, so daß eine positive oder negative Spannung in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Räder 2,3 abgegeben wird. Die Unterscheidung zwischen Vorwärtsbewegung und Rückwärtsbewegung kann dann nach dem Vorzeichen der erzeugten Spannung getroffen werden.

Anstelle der mit wechselweise senkrecht zueinanderstehenden Spulen versehenen Detektoren können Detektoren anderer Ausgestaltung Verwendung finden. So können die verschiedenen Spulen eines Felddetektors in bestimmten Winkel zueinander stehen oder in einer bestimmten Form angeordnet sein. Die Felddetektoren können im Grunde genommen jede beliebige Konstruktion zeigen, wenn sie nur dazu geeignet sind, die notwendigen Komponenten des Induktionsfeldes I in verschiedenen Richtungen zu messen.

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Claims

VON KREISLER KELLER SELTING WERNER 312297 PATENTANWÄLTE Kabushiki Kaisha Komatsu Dr.-Ing. von Kreisler t 1973 Seisakusho n . vc... ., „... Dr.-Ing. K. Schonwald, Köln 3-6, Akasaka 2-chome, Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden Minato-ku, Tokyo ^-H^ ^" T Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln ü aPan Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Selting, Köln Dr. H.-K. Werner, Köln DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF D-5000 KÖLN 1 9. Juni 1981 Sg-vR/fe PATENTANSPRÜCHE

1. Lenkeinrichtung zur Steuerung der Lenkung eines unbemannten Fahrzeuges nach Maßgabe eines Induk-' tionsfeldes, gekennzeichnet durch , einen Detektor (S,-40) zur Feststellung des Abstandes (1) des Fahrzeuges (1) von einem Induktionskabel (4) und des Lagewinkels (Φ) des Fahrzeuges (1) relativ zu dem Induktionskabel (4) und zur Abgabe eines Abweichungssignales (ej und Lagewinkelsignales (e„), eine Signalformerstufe zur Bildung eines Lagewinkeleinstellsignales (e ) auf Basis der Differenz zwischen einem Ausgangsstellungssignal (e ) und dem Abweichungssignal (e.), einen Lenksignalgeber zur Bildung eines Lenkwinkeleinstellsignals (e ) auf Basis der Differenz zwischen dem Lagewinkeleinstellsignal (e ) und dem Lagewinkelsignal (e₂) und eine Lenksteuerungsstufe (ST) zur Steuerung der Lenkung des Fahrzeuges (1) nach Maßgabe des Lenkwinkeleinstellsignales (e ).

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2. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalformerstufe als Koeffizientenmultiplikator (C.) ausgeführt ist.

3. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenksignalgeber als Koeffizientenmultiplikator (C₅) ausgeführt ist.

4. Lenkeinrichtung zur Steuerung der Lenkung eines unbemannten Fahrzeuges nach Maßgabe eines Induktionsfeldes, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Detektoren (50,60) zur Feststellung des Abstandes des Fahrzeuges (1) von einem Induktionskabel (4) und zur Abgabe von Abweichungssignalen an bestimmten Punkten, im vorderen und hinteren Bereich des Fahrzeuges (.1) sowie eine Auswertestufe vorgesehen sind, daß vermittels der Auswertestufe ein Lagewinkelsignal durch Berechnung des Lagewinkels (Φ) des Fahrzeuges (1) relativ zu dem Induktionskabel (4) aus der Differenz der von den vorderen und hinteren Bereichen des Fahrzeuges (1) stammenden Abweichungssignalen (e..) ermittelbar ist, daß von der Auswertestufe weiter ein durch Addition des Lagewinkelsignales zu dem Abweichungssignal (e^) des in Fahrtrichtung gesehen vorderen Bereiches des Fahrzeuges (1) gewonnenes Lenksignal abgebbar ist, und daß eine Lenksteuerungsstufe (ST) zur Steuerung der Lenkung nach Maßgabe des Lenksignales vorgesehen ist.

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5. Detektor, insbesondere für eine Lenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sechs Spulen (7,8,9,10,11,12) vorgesehen sind, daß die Spulen (7,8,9,10,11,12) jeweils paarweise parallel zueinander, in einem bestimmten Abstand voneinander und entlang jeweils einer Achse (x,y,z) eines rechtwinkligen Koordinatensystems angeordnet sind, daß jeweils ein Paar von Spulen (7,8;9,10; 11,12) die anderen Paare von Spulen (7,8;9,10;11,12) räumlich umfaßt, daß die Spulen (7,8;9 ,10;11 ,12) eines Paares in Reihe zueinander geschaltet sind, so daß die drei Komponenten des von einem Induktionskabel (4) erzeugten Induktionsfeldes (I) meßbar sind.

6. Detektor, insbesondere für ein.e Lenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß drei Spulen (41,42,43) vorgesehen und so angeordnet sind, daß sich die Längsachsen der Spulen (41,42,43) im wesentlichen orthogonal schneiden und die Zentren (O) der Spulen (41,42,43) im wesentlichen zusammenfallen, so daß die drei Komponenten des von einem Induktionskabel (4) erzeugten Induktionsfeldes (I) meßbar sind.

7. Detektor, insbesondere für eine Lenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spulen (51,52;61,62) vorgesehen und so angeordnet sind, daß sich die Längsachsen der Spulen (51 ,52;61 ,62) im wesentlichen orthogonal schneiden und die Zentren (O) der Spulen (51 ,52;61 ,62) im wesentlichen zusammenfallen, so daß die zwei Komponenten des von einem Induktionskabel (4) erzeugten Induktionsfeldes (I) meßbar sind.

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