DE4232171A1 - Verfahren und Vorrichtung zur relativen Positionsbestimmung eines fahrerlosen Fahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur relativen Positionsbe­ stimmung eines fahrerlosen Fahrzeuges nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 5.

Die relative Position von Wegmarken zur Fahrzeugposition wird zusammen mit einer Kette odometrischer Fahrzeugpositionsdaten, die das Wegenetz bilden im Bordrechner gespeichert. Sobald das Fahrzeug während der Fahrt eine Wegmarke erfaßt, wird ihre relative Position zur aktuellen Fahrzeugposition ermittelt und mit einer gespeicherten Soll-Relation von Wegmarken- und Fahrzeugposition verglichen. Hieraus können der aktuelle Positionsfehler bzw. Kursfehler des Fahrzeuges errechnet und anschließend eine Korrekturbewegung eingeleitet werden.

In der Fahrbahn sind passive Wegmarken, z. B. optisch hervor­ stechende, z. B. reflektierende Markierungen oder vom Untergrund her natürlich gegebene Kontraste, z. B. Hell-Dunkel-Übergänge an Kachelmustern oder auch Dauermagnete vorgesehen.

Zur Bestimmung der Position einer Wegmarke unter einem darüberfahrenden Fahrzeug werden bisher aufwendige Meßeinrich­ tungen eingesetzt. Für optische Wegmarken werden CCD-Videokame­ ras verwendet. Diese benötigen einen gewissen Abstand von der Fahrbahn, um einen hinreichend großen Sichtkreis zu gewinnen und auch bei größeren Positionsabweichungen des Fahrzeuges, z. B. bis 200 mm eine optische Wegmarke noch zu erfassen. Durch den relativ großen Abstand gelangen auch Streu- und Störlicht­ einflüsse in die Kamera. Zusammen mit Helligkeitsunterschieden oder Verschmutzungen der optischen Wegmarken können dabei erhebliche Meßfehler bei der relativen Positionsbestimmung der optischen Wegmarken entstehen.

Bei dauermagnetischen Wegmarken bedient man sich allgemein der Hall-Sensoren. Auch dieses Meßsystem ist außerordentlich kostenaufwendig und störanfällig.

Aus der US-PS 4 908 557 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Fahrzeug verwendet wird, das als Ortungseinrichtung zwei senkrecht und horizontal zur Fahrtrichtung angeordnete Reihen von Hall-Sensoren aufweist, die jeweils auf zwei in der Fahrbahn mit bestimmtem Abstand und mit ihrer Nord-Südrichtung lotrecht eingelassener Dauermagnete als Wegmarken ansprechen. Die beim Durchfahren der Magnetfelder entstehenden Spannungen werden von den Sensoren positiv, negativ oder gar nicht angesprochen. Letzteres ist der Fall, wenn die Sensoren unmittelbar über dem Magneten sind.

Die Tatsache, daß die Hall-Sensoren nur während des Fahrens wirksam sind, beschränkt die Anwendbarkeit von Positionierver­ fahren und -vorrichtungen. Insbesondere ergibt sich ein stark reduziertes Auflösungsvermögen der Feldstärkenmessung und damit eine sehr eingeschränkte Genauigkeit der Positionsbestimmung des Magnets unter dem Fahrzeug.

Die Position des überfahrenen Magneten wird beim Stand der Technik über Vergleiche der von den Hall-Sensoren gemessenen magnetischen Feldstärke bestimmt. Da die Magneteigenschaften jedes Sensors jedoch stark von den individuellen Störfeldern abhängig sind, ist die erzielbare Genauigkeit der Positionsbe­ stimmung unbefriedigend. Bei der genannten US-PS 4 908 557 ist man aus diesem Grund bereits dazu übergegangen, nur noch die Über- bzw. Unterschreitung zweier Meßschwellen, d. h. die Bestimmung dreier Zustände in einem Sensor auszuwerten und die Messungen periodisch zu wiederholen.

Autonome, d. h. fahrerlose Fahrzeuge benötigen ferner Meßein­ richtungen, die ihre Position auf der Verkehrsfläche ständig errechnen. Zum Einsatz gelangen odometrische Systeme, die den durchlaufenen Fahrweg und die Fahrtrichtung fortlaufend messen sowie ggf. auch Richtungssensoren. Durch Integration der fortlaufenden Meßdaten wird die aktuelle Fahrzeugposition ständig bestimmt und z. B. als fortlaufende Kette von x-y-Posi­ tionen auf der Verkehrsfläche im Bordrechner abgespeichert.

Auch beim Verfahren nach der US-PS 4 908 557 wird eine odometrische Meßeinrichtung verwendet, wobei die Umdrehung der Fahrzeugräder ein Maß für die zurückgelegte Wegstrecke ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Positionierungsbestimmung eines fahrerlosen Fahrzeuges genauer, weniger störanfällig und preiswerter zu erreichen ist als dies mit den bekannten Verfahren und Vorrichtungen möglich war.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besteht für das Verfahren in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 sowie für die Vorrichtung in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 5.

Abweichend vom Stand der Technik, bei dem Spannungen bei Überfahren der Wegmarken oberhalb, unterhalb oder innerhalb eines durch vorgegebene Grenzschwellen bestimmten Bereiches ermittelt werden, sieht die Erfindung die Verwendung binärer Schalter vor, die eindeutig den einen oder anderen Schaltzu­ stand angeben und bei denen die Zeit, zu der der Schalter betätigt wird, eindeutig meßbar und mit den odometrischen Daten verarbeitbar ist.

Diese Messungen sind sowohl mit Lichtmarken und entsprechenden fotoelektrischen Sensoren als auch mit Dauermagneten als Wegmarken und binären Schaltern, vorzugsweise Reed-Schaltern durchführbar.

Reed-Schalter ändern ihren Schaltzustand für die Dauer, in der die Wegmarke auf sie einwirkt. Diese Dauer wird über den Ein- und Ausschaltzeitpunkt (Ansprechzeitpunkt und Abfallzeitpunkt) jedes Sensors festgehalten. Wird die Fahrzeugposition genau zu diesen Zeitpunkten ermittelt, so kann über die Fahrzeuggeome­ triedaten auch die Position des zu diesem Zeitpunkt angespro­ chenen Sensors errechnet werden, die sog. "Schalterposition".

Die Gesamtheit aller Schalterpositionen der Sensoren bildet aufgezeichnet annähernd eine Kreis- oder Ellipsenfläche. Versuche haben gezeigt, daß der Schwerpunkt einer solchen Fläche gut reproduzierbar ist. Er kann daher als die Position desjenigen Sensors unter dem Fahrzeug angesprochen werden, der sich über der Wegmarke befindet.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines autonomen Fahrzeuges auf seiner Fahrbahn,

Fig. 2 eine schematische Unteransicht einer Ortungseinrichtung,

Fig. 3 eine schematische Vorderansicht einer Ortungseinrichtung,

Fig. 4 eine schematische Unteransicht einer Ortungseinrichtung mit zwei Reihen Sensoren,

Fig. 5 eine schematische Vorderansicht zu Fig. 4,

Fig. 6 einen Matrixverdrahtungsplan für die Ortungseinrichtung,

Fig. 7 eine Seitenansicht einer Aufhängung einer Ortungseinrich­ tung und

Fig. 8 einen Schnitt nach der Linie VIII-VIII in Fig. 7.

Fig. 1 zeigt schematisch ein autonomes, d. h. fahrerloses Fahrzeug 10 mit Fahrzeugrädern 11 einer Ortungseinrichtung 12 und einer odometrischen Meßeinrichtung 18. Das Fahrzeug 10 folgt einer durch passive Wegmarken 13 bestimmten Fahrbahn 14 in der Fahrtrichtung F. Die Wegmarken 13 sind in bestimmtem Abstand zueinander im Fahrbahnboden eingelassen oder auf diesem befestigt und wirken auf Sensoren der Ortungseinrichtung 12 ein.

Diese Ortungseinrichtung 12 besteht im wesentlichen aus einer oder zwei Reihen horizontal und senkrecht zur Fahrtrichtung F angeordneter Sensoren 15. Diese wiederum bestehen aus binären Schaltern, die im einen Schaltzustand einen Stromkreis schlie­ ßen, im anderen Schaltzustand öffnen.

Als binäre Schalter können, bei Verwendung optischer, z. B. reflektierender Wegmarken fotoelektrische Schalter, miniaturi­ sierte Lichttaster mit einem Durchmesser von 3-5 mm verwendet werden, die auf Lichtunterschiede ansprechen.

Beim Einsatz miniaturisierter optischer Näherungsschalter anstelle einer CCD-Videokamera können diese relativ dicht am Boden geführt und somit von Fremdlicht freigehalten werden. Die optische Einrichtung ist erheblich einfacher als eine CCD-Vi­ deokamera. Eine Ortungseinrichtung mit der erfindungsgemäßen Aufreihung kleiner optischer Näherungsschalter ist aus diesem Grunde genauer, weniger störanfällig und preiswerter als die bekannte Technik.

Verwendet man Dauermagneten als Wegmarken, so eignen sich als binär schaltende Sensoren besonders Reed-Schalter, die aus zwei in einem Glasröhrchen eingeschmolzenen Kontaktlamellen besteht. Geraten diese in ein Magnetfeld, so magnetisiert der Südpol die eine, der Nordpol die andere Kontaktlamelle, und sie ziehen sich an, wobei sich der Kontakt schließt.

Reed-Schalter gehören zu den einfachsten, kostengünstigsten und zugleich kleinstbauenden Schaltersensoren, die auf Magnetfelder ansprechen. Eine Ortungseinrichtung mit diesen Schaltelementen erreicht daher eine sehr hohe Auflösung, minimale Störanfällig­ keit und ein, gerade für den Einbau in fahrerlosen Fahrzeugen wichtiges minimales Bauvolumen. Sie ermöglichen eine digitale, somit weithin störungsfreie Auswertung.

Wie die Fig. 2-5 zeigen, können Reed-Schalter sehr dicht mit einem Abstand von 2-5 mm nebeneinander in einer Reihe (Fig. 2 und 3) oder mit einem Abstand von ca. 2,5 mm und um eine halbe Teilung versetzt in zwei Reihen (Fig. 4 und 5) nebeneinander angeordnet sein. Dies ermöglicht eine hochauflösende Erkennung der Wegmarken.

Vorteilhaft sind die Reed-Schalter so angeordnet, daß ihre Kontaktlamellen in Fahrtrichtung liegen. Dementsprechend müssen dann die Dauermagnete 13 mit ihrer Nord-Südrichtung ebenfalls in Fahrtrichtung F angeordnet sein. Versuche haben gezeigt, daß bei dieser Anordnung die Reproduzierbarkeit der Schaltpunkte und die Auflösung der Messungen optimale Werte erreichen.

Die Abfrage des Schaltzustandes jedes Sensors kann durch eine Leiterschleife zu jedem einzelnen Sensor erfolgen. Bei 50-100 Sensoren würde dies allerdings eine aufwendige Leiterbahnfüh­ rung auf der Sensorplatine erfordern. Vorteilhaft ist daher die Verwendung einer Multiplex-Verdrahtung gemäß Fig. 6, wobei p Gruppen von q Sensoren 15 über jeweils eine Treiberleitung 16 an eine nicht dargestellte Spannungsquelle angeschlossen sind, so daß für n Sensoren 15 insgesamt nur n/q Treiberleitungen 16 erforderlich sind. Jeweils ein Sensor 15 jeder Gruppe ist seinerseits mit jeweils einer von q Senseleitungen 17 verbun­ den. Ist z. B. die Treiberleitung 16′ an die Spannungsquelle angeschlossen und der zugehörige Sensor 15′ gerade angespro­ chen, dann liegt an der Senseleitung 17′ eine Spannung an.

Die Matrixabfrage erfolgt in der Weise, daß die Treiberleitun­ gen 16 umlaufend für etwa 1 ms an eine Spannungsquelle angeschlossen und die Senseleitungen 17 in der jeweiligen ms auf das Anliegen einer Spannung abgefragt werden. Durch eine Matrixabfrage kann somit die Gesamtheit aller Schalter auf ihren Schaltzustand abgefragt werden. Der Verdrahtungsaufwand auf der Platine kann dabei niedrig gehalten werden.

Mit der odometrischen Einrichtung 18 des Fahrzeuges 18 (Fig. 1) kann die jeweilige Position des Fahrzeuges 10 errechnet werden. Dies erfolgt entweder anhand der Umdrehungen zweier auf einer Achse befindlicher Fahrzeugräder, anhand der Umdrehungen eines Fahrzeugrades und seiner Achsrichtung in bezug auf die Fahrzeuglängsachse oder anhand der Umdrehung eines oder mehrerer Fahrzeugräder in Verbindung mit Meßwerten eines Richtungssensors.

Die Position des jeweils angesprochenen Sensors kann aus der Position des Fahrzeuges anhand der Fahrzeuggeometrie als odometrische Position des Sensors errechnet werden. Natürlich kann jede Position nur für den jeweiligen Zeitpunkt der Messung angegeben werden.

Da Wegmarken nur kurzfristig (während etwa 50-100 ms) unter der Ortungseinrichtung 12 erscheinen, erfordert es eine hohe Rechnerkapazität, wenn alle erforderlichen Auswertungen zeit­ gleich ausgeführt werden sollen.

Die Rechnerleistung kann herabgesetzt werden, wenn die Meßwerte zunächst abgespeichert und anschließend entsprechend der verfügbaren Rechnerkapazität abgearbeitet werden können. Zu diesem Zweck können die odometrischen Sensordaten, d. h. die Inkremente der Weg- und Richtungsänderungen des Fahrzeuges 10 in einem zeitlichen Abstand von 1 ms abgefragt und abgespeichert werden.

Die odometrischen Meßwerte können auch in längeren Zeitabstän­ den abgefragt und abgespeichert werden. Aufgrund der Trägheit des Fahrzeuges ändern sich die Fahr- und die Drehgeschwindig­ keit nur langsam. Die präzise Position des Fahrzeuges zu einem genauen Zeitpunkt kann daher durch Interpolation zwischen benachbarten Fahrzeugpositionsdaten gut errechnet werden.

Die leichte, kleinvolumige Bauweise der Ortungseinrichtung 12 gestattet ihre Anbringung unter dem Fahrzeug 10 mit geringem Platzbedarf.

Wie die Fig. 7 und 8 zeigen, besteht der wesentliche Teil der Ortungseinrichtung 12 aus einer nach unten offenen, U-förmigen Schiene 19, die sich waagerecht über der Fahrbahn 14 und senkrecht zur Fahrtrichtung F erstreckt und darin eingebetteten Sensoren 15.

Diese Schiene 19 ist an ihren Enden in seitlichen Schilden 20 gehalten, die ihrerseits mit zwei parallelen Zapfen in Führungen 25 seitlicher Konsolen 22 geführt sind. Die Konsolen 22 sind an einem waagerechten Schenkel 23 einer am Fahrzeug 10 angebrachten Halterung 24 befestigt. Wie Fig. 17 zeigt, ist jeweils einer der beiden Zapfen 21 um den anderen Zapfen 21 schwenkbar geführt. Mit gestrichelten Linien ist eine ausge­ schwenkte Ortungseinrichtung 12′ angedeutet.

Der Ausschwenkbewegung wirkt jeweils eine mit einem Schild 20 gelenkig verbundene Rückstelleinrichtung 26 mit einer auf eine vorbestimmte Kraft vorgespannten Rückstellfeder 27 entgegen.

Diese Anordnung ermöglicht ein Ausweichen der Ortungseinrich­ tung 12 bei gelegentlich auf der Fahrbahn befindlichen Hindernissen. Somit kann die Ortungseinrichtung 12 relativ dicht über der Fahrbahn 14 eingebaut werden, wodurch Störein­ wirkungen externer optischer oder magnetischer Felder praktisch ausgeschlossen werden. Zusätzlich wird die Gefahr einer Beschädigung der Ortungseinrichtung 12 auf ein Minimum vermin­ dert.

Claims (12)

1. Verfahren zur relativen Positionsbestimmung eines fahrer­ losen Fahrzeuges mittels in bzw. auf der Fahrbahn angeord­ neter, passiver Wegmarken und einer Ortungseinrichtung, die eine Vielzahl quer zur Fahrtrichtung aufgereihter, auf die Wegmarken entsprechender Sensoren und eine odometrische Meßeinrichtung aufweist, deren Daten in einem Rechner verarbeitet werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Sensoren beim Überfahren der Wegmarken betätigbare binäre Schalter verwendet werden, deren Schaltzeitpunkte in den Rechner eingegeben werden,
daß aus der Summe der ermittelten Ein- und Ausschaltpositi­ onen aller Sensoren, aus der die Position der Wegmarke relativ zum Fahrzeug bestimmt und mit den Positionsdaten des Fahrzeuges im Rechner verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Summe der ermittelten Ein- und Ausschaltpositionen aller Sensoren in Verbindung mit den odometrischen x-y-Po­ sitionensdaten des Fahrzeuges eine Fläche bestimmt wird, deren Schwerpunkt als Position der Wegmarke relativ zum Fahrzeug definiert und mit den Positionsdaten des Fahrzeu­ ges im Rechner verglichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzustände der Sensoren in der Ortungseinrich­ tung durch eine Matrixabfrage ermittelt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzeitpunkte jedes Sensors und parallel hierzu in periodischem Abstand die odometrischen Daten des Fahrzeuges zusammen mit den Meßzeitpunkten abgespeichert werden und
daß anschließend durch Interpolation die Fahrzeugposition im Zeitpunkt der Änderung jedes Schaltzustandes (Schalt­ zeitpunkt) und damit die Position jedes Sensors im Zeitpunkt seiner Schaltzustandsänderung errechnet werden.

5. Vorrichtung zur relativen Positionsbestimmung eines fahrer­ losen Fahrzeuges zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bestehend aus zu überfahrenden, in bzw. auf der Fahrbahn befindlichen passiven Wegmarken und einer Ortungseinrich­ tung am Fahrzeug,
wobei die Ortungseinrichtung aus einer Vielzahl quer zur Fahrtrichtung angeordneter, auf die Wegmarken ansprechender Sensoren und einem hiermit verbundenen Rechner besteht, der gleichzeitig die jeweilige Zeit, Fahrtrichtung und gefahre­ ne Strecke, d. h. die odometrischen Daten des Fahrzeuges erfaßt und mit den Ausgangssignalen der Sensoren verarbei­ tet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensoren (15) als von den Wegmarken (13) betätigba­ re binäre Schalter ausgebildet sind und auf mindestens einer Reihe mit dichtem Abstand angeordnet sind, die horizontal zur Fahrbahn (14) und senkrecht zur Fahrtrich­ tung (F) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie optische Wegmarken und fotoelektrische Schalter als Sensoren aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie magnetische Wegmarken (13) aufweist, und daß die Sensoren (15) als Reed-Schalter ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nord-Südrichtung der magnetischen Wegmarken (13) in Fahrtrichtung (F) liegt und daß die Kontaktlamellen der Reed-Schalter ebenfalls in Fahrtrichtung (F) ausgerichtet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand der Sensoren (15) zueinander etwa gleich der Positionsvermessungstole­ ranz, z. B. 2-10 mm ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (15) der Ortungseinrich­ tung (12) über Treiber- und Senseleitungen (16 bzw. 17) zu einer Multiplex-Matrix verdrahtet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ortungseinrichtung (12) am Fahrzeug (10) in Fahrtrichtung (F) bewegbar angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ortungseinrichtung (12) an zwei senkrecht zur Fahrt­ richtung (F) im Gehäuse gehaltenen waagerechten Zapfen (21) hängt, von denen jeweils der eine Zapfen (21) um den anderen Zapfen (21) schwenkbar geführt und gegen eine mit definierter Kraft vorgespannte Rückstellfeder (27) abge­ stützt ist.