DE4426606A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Koppelnavigation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position und des Lagewinkels eines Fahrzeugs in der Ebene.

Derartige Methoden kommen bei fahrerlosen Transportsystemen (FTS) zum Einsatz, durch die es ermöglicht wird, Fahrzeuge wie Flurförderzeuge selbststeuernd auf innerbetrieblichen Transportwegen zu bewegen. Verbreitet sind hierzu entlang des Transportwegs in den Boden eingelassene induktive Leitdrähte, die von Strom durchflossen induktiv an das Fahrzeug gekoppelt sind. Die Nachteile dieser auf Leitlinien basierenden Fahrzeugführung liegen in den hohen Installationskosten, in der mangelnden Flexibilität gegenüber Änderungen des Kurslayouts sowie in der Notwendigkeit der Betriebsunterbrechung bei der Installation des Leitdrahts. Die zudem hohen Installationskosten machen dieses System für viele Unternehmen wenig attraktiv.

Leitlinien lose selbststeuernde Transportsysteme kombinieren zumeist eine interne Koppelnavigation mit einer externen Referenzierung, um die Position des Fahrzeugs zu bestimmen und dem vorgegebenen Kurs anzupassen. Bei der internen Koppelnavigation wird in der Regel der vom Fahrzeug zurückgelegte Weg über Winkelgeber an den Rädern bestimmt, Änderungen des Lagewinkels können aus dem Lenkwinkel errechnet werden. Auch zwei passiv mitlaufende Meßräder mit je einem Winkelsensor können zur Errechnung von Lagewinkeländerungen benutzt werden. Schlupf zwischen Rad und Fahrbahn sowie Unebenheiten und Verschmutzung des Bodenbelags verursachen bei derartigen bisherigen internen Koppelnavigationsverfahren Querabweichungen von über 1,3 cm/m gerader Wegstrecke sowie Lagewinkelfehler von über 0,1°/m. Durch Einsatz eines zusätzlichen Lagewinkelsensors wie Laser- oder Faserkreisel, lassen sich diese Fehler beträchtlich reduzieren.

Externe Referenzierungsverfahren dienen dazu, die interne Koppelnavigation durch Bereitstellung absoluter Bezugspunkte zu korrigieren. Die Berechnung dieser absoluten Bezugspunkte erfolgt mit Hilfe künstlicher, in der Umgebung angebrachter Marken, die meist magnetisch oder elektromagnetisch abgetastet werden. Beispielsweise tastet bei optischen Systemen ein gebündelter Lichtstrahl reflektierende Marken ab, die an bestimmten Punkten der Umgebung angebracht sind. Aus den Winkeln zwischen den einzelnen Reflexen lassen sich mit Hilfe von Triangulationsrechnungen unmittelbar die relative Position und Orientierung des auf dem Fahrzeug angebrachten Sensors zur Marke bestimmen. Auch magnetische oder Ultraschallssysteme sind zu dem genannten Zweck bekannt.

Der Einsatz von interner Koppelnavigation liefert Positionsinformationen mit hoher Meßrate, wobei insbesondere bei Transportwegen hoher Reichweite generell eine absolute Stützung durch externe Referenzierungsverfahren vorhanden sein sollte.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Koppelnavigation für fahrerlose Transportsysteme anzugeben, mit denen Transportfahrten mit vorbestimmtem Fahrkurs über größere Entfernungen zurückgelegt werden können, wobei die ermöglichte Koppelnavigation mit geringem Fehler arbeiten soll, ohne aufwendige und kostenintensive Instrumentarien zu verwenden, und sich auch nachträglich bequem in bereits vorhandene Fahrzeuge integrieren lassen soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Rad über eine vertikale Achse, mit horizontalem Abstand des Radmittelpunkts zu dieser Achse und um diese drehbar, an dem Fahrzeug befestigt wird, und daß der Drehwinkel des Rades um seine Achse und der Drehwinkel des Rades um die vertikale Achse während der Fahrt des Fahrzeugs laufend gemessen werden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Koppelnavigation ist ein Rad über eine vertikale Achse, mit horizontalem Abstand seines Mittelpunktes zu dieser und um diese drehbar, mit dem Fahrzeug verbunden, wobei ein Winkelgeber zur Messung des Drehwinkels des Rades um seine Achse in Radnähe angebracht ist sowie ein weiterer Winkelgeber zur Messung des Drehwinkels des Rades um die vertikale Achse in deren Umgebung vorhanden ist.

Dieses im folgenden Nachlaufrad genannte Rad, dessen Mittelpunkt nicht unterhalb des Befestigungspunktes am Fahrzeug liegt, und das an einer um diesen Befestigungspunkt drehbaren Achse angebracht ist, ist als sogenanntes Teewagenrad aus dem Alltag bekannt. Bei Bewegung des Fahrzeugs verändern sich abhängig von der Bewegungskurve zwei meßbare Größen am Nachlaufrad: zum einen der Drehwinkel des Rades um seine eigene Achse, aus dem sich der zurückgelegte Weg des Fahrzeugs berechnen läßt; zum anderen der Drehwinkel des Rades um die vertikale Achse, durch die das Nachlaufrad am Fahrzeug befestigt ist. Letzterer im folgenden Gabelwinkel genannte Winkel ändert sich bei Variation des Lagewinkels des Fahrzeugs. Mit Hilfe mathematischer Bewegungsgleichungen lassen sich die Fahrzeugkoordinaten und der Lagewinkel des Fahrzeugs anhand der beiden gemessenen Drehwinkel vorteilhaft mit Hilfe eines Mikrorechners schnell und präzise bestimmen. Als Koordinaten werden die Koordinaten eines am Fahrzeug ausgewählten Bezugspunktes verwendet; der Lagewinkel des Fahrzeugs ist der Winkel, der von der Längsachse des Fahrzeugs und einer willkürlich gewählten festen Koordinatenachse in der Ebene eingeschlossen wird.

Vorteilhaft wird das Rad an einer horizontalen Achse aufgehängt, die starr mit der vertikalen Achse verbunden ist, die das Nachlaufrad drehbar am Fahrzeug befestigt.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Koppelnavigation basiert folglich auf einem einzelnen Meßrad, das um eine vertikale Achse drehbar gelagert ist. Ein Versatz zwischen den Mittelpunkten von vertikaler Achse und Rad - der sogenannte Nachlauf g - gewährleistet, daß sich das Rad stets tangential zur Bewegungskurve der vertikalen Drehachse in der Ebene ausrichtet. Ein Winkelaufnehmer an der horizontalen Radachse mißt den zurückgelegten Weg des Meßrades. Der zweite Drehwinkelsensor erfaßt den absoluten Orientierungswinkel der Vertikalachse in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem. Aus beiden Größen folgen Positions- und Lagewinkeländerungen.

Bei diesem Meßprinzip besitzt das eine Meßrad nur an einer Stelle Bodenkontakt; der störende Einfluß von Bodenwelligkeiten auf die Lagewinkelmessung wird hierdurch verringert. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, das erfindungsgemäße Nachlaufrad an eine nahezu beliebige Stelle des Fahrzeugs einzubauen, wobei die hierdurch definierte mechanisch-elektrische Schnittstelle nicht von der Fahrwerkskinematik abhängt.

Die wichtigsten Einflußgrößen auf die Meßfehler bei der Bestimmung der Positionsdaten des Fahrzeugs sind die Meßzykluszeiten, die Winkelgeberauflösungen sowie geometrische Parameter, wie Radradius und Anbringungsort.

Wichtigste Voraussetzung zur Bestimmung der Positionsparameter ist die Vermeidung von Schlupf, d. h. einer Relativbewegung von Rad und Boden. Bei Geradeausfahrt kann ein Durchdrehen oder ein Stillstand des Rades zu einem Längsschlupf führen, bei Kurvenfahrt bewirkt ein Rutschen des Rades auf dem Boden einen Querschlupf. In diesen Fällen besteht keine Korrelation der beiden gemessenen Drehwinkel am Nachlaufrad zu den Positionsparametern des Fahrzeugs. Um Schlupf zu vermeiden, ist es vorteilhaft, daß während der Fahrt des Fahrzeuges ein ständiger Bodenkontakt des Rades mittels federnder Aufhängung hergestellt wird. Dazu wird die vertikale Achse des Nachlaufrades über eine Feder mit dem Fahrzeug verbunden.

Durch Reibung verursachter Schlupf wird durch eine möglichst punktförmige Radaufstandsfläche minimiert. Dazu wird am Radumfang ein Gummiring kreisförmigen Querschnitts aufgezogen, wodurch guter Bodenkontakt mit möglichst geringer Kontaktfläche hergestellt ist. Außerdem ist für minimale Lagerreibung zu sorgen.

Damit durch den Drehwinkelgeber zur Erfassung des Drehwinkels des Rades um seine Achse, im folgenden Radwinkel genannt, kein zusätzliches Reibmoment erzeugt wird, ist es vorteilhaft, einen optischen Winkelgeber zu verwenden, der eine mit der Radachse verbundene Strichcodescheibe optisch abtastet. Da nur relative Wegänderungen zu erfassen sind, kommt ein kostengünstiger Inkrementalgeber zum Einsatz.

Der Absolutwinkel der kugelgelagerten, vertikalen Sensorachse kann mit Vorteil ebenfalls rückwirkungsfrei von einem optischen Drehwinkelgeber gemessen werden.

Mit Vorteil werden die Änderungen der Koordinaten des Bezugspunktes am Fahrzeug sowie der Lagewinkel des Fahrzeugs in räumlichen Abständen von 1 bis 100 mm, vorzugsweise von 5 bis 25 mm, berechnet. Bei einer Meßfrequenz von etwa 100 Hz liegt damit der bevorzugte maximale Geschwindigkeitsbereich bei 0,5 bis 2,5 m/s. Für höhere Geschwindigkeiten sind entsprechend höhere Meßfrequenzen notwendig.

Die Auflösung des Drehwinkelgebers für den Radwinkel sollte bei mindestens 1,5°, vorzugsweise bei mindestens 0,1°, liegen. Bei den genannten Auflösungen liegt das erfindungsgemäße Koppelnavigationssystem in einem Genauigkeitsbereich, der bisher nur von Systemen mit Kreiselunterstützung erreicht wird. Der eingesetzte Drehwinkelsensor für den Gabelwinkel sollte eine höhere Auflösung von mindestens 0,1°, vorzugsweise von mindestens 0,04°, besitzen. Meßfehler beim Gabelwinkel wirken sich bei der Positionsbestimmung weitaus stärker aus als Meßfehler beim Radwinkel.

Im folgenden soll anhand der Zeichnungen das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Koppelnavigation näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt schematisch das Nachlaufrad in seitlicher Ansicht.

Fig. 2 zeigt schematisch das Nachlaufrad in Draufsicht.

Fig. 3 zeigt eine Form der elektromechanischen Ausführung des Nachlaufrades in seitlicher Ansicht.

Fig. 4 zeigt die gleiche Ausführungsform wie in Fig. 3 in Laufrichtung des Rades.

Fig. 5 stellt schematisch ein Fahrzeug in einer Koordinatenebene dar.

Das in Fig. 1 dargestellte Nachlaufrad wird erfindungsgemäß mit der vertikalen Achse 2 drehbar am Fahrzeug 5 befestigt. Das Rad 1 selbst ist hierbei über eine horizontale Achse 10 mit der vertikalen Achse 2 verbunden. Der horizontale Abstand vom Mittelpunkt des Rades 1 zu vertikalen Achse 2 wird als Nachlauf g bezeichnet. Ein Winkelgeber 4 zur Messung des Drehwinkels α des Rades 1 um seine Achse, im folgenden Radwinkelgeber 4 genannt, ist in Radnähe an der horizontalen Achse 10 befestigt. Ein weiterer Winkelgeber 3 zur Messung des Drehwinkels ϕ des Rades 1 um die vertikale Achse 2 ist an der Befestigung dieser Achse 2 am Fahrzeug 5 angebracht. Diese dem Teewagenrad nachempfundene Ausführungsform stellt sicher, daß sich die horizontale Achse 10 des Nachlaufrades immer tangential zur Bewegungskurve des Drehpunktes um die vertikale Achse 2 stellt.

Fig. 2 zeigt den Gabelwinkelgeber 3 in Draufsicht, der Auslenkungen des Nachlaufrades in der Ebene mißt. Der Radwinkelaufnehmer 4 ist an der horizontalen Achse 10 befestigt und mißt den Drehwinkel α des Rades um seine eigene Achse.

Fig. 3 zeigt wiederum schematisch eine elektromechanische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nachlaufrades. Die vertikale Achse 2, über die das Rad 1 mit einem horizontalen Achsenstück 11 mit einer Befestigungsvorrichtung 6 am Fahrzeug 5 verbunden ist, erhält durch die Schraubenfeder 9 eine federnde Aufhängung. Der Radwinkelaufnehmer 4 ist in Radnähe an einem weiteren horizontalen Achsenstück, das mit der vertikalen Achse 2 verbunden ist, befestigt. Das Nachlaufrad wird mit der Befestigungsvorrichtung 6 am Fahrzeug 5 angebracht, wobei die Befestigungsvorrichtung 6 in ihrem Inneren einen Drehtransformator 7 zur Lieferung der notwendigen Energie für die beiden Winkelgeber 3 und 4, sowie eine Signalübertragungsvorrichtung 8 enthält, welche letztere die gemessenen Signale beispielsweise an einen Mikrorechner im Fahrzeuginneren überträgt.

Fig. 4 zeigt die nämliche Ausführungsform der Fig. 3 aus der Ansicht in Bewegungsrichtung des Rades 1.

Das Koordinatensystem in Fig. 5 zeigt die Koordinaten (X, Y) eines am Fahrzeug feststehenden, ausgewählten Bezugspunktes P, der in diesem Fall in der Achsenmitte der vorderen Achse des Fahrzeuges 5 liegt. Die Längsachse des Fahrzeugs 5 schließt mit der feststehenden X-Koordinate den Lagewinkel λ ein. Die Position des Fahrzeugs 5 ergibt sich durch Angaben der Parameter X, Y und λ eindeutig in der XY-Ebene.

Das interne Koppelnavigationssystem wird mittels des Nachlaufrades gemäß der Erfindung in diesem Ausführungsbeispiel an einem Flurförderzeug mit zwei getrennt angetriebenen Vorderrädern und einem gelenkten Hinterrad eingesetzt. Es wird ein Kursverlauf aus einer Folge von Stützpunkten mit den in Fig. 5 dargestellten drei Freiheitsgraden (X, Y, λ) vorgegeben. Ein Betriebsprogramm steuert sämtliche Fahrzeugkomponenten in Abhängigkeit der Kursvorgaben an und führt das Fahrzeug entlang einer virtuellen Leitlinie. Im Betriebsprogramm implementiert sind Routinen zur Geschwindigkeits- und Bahnregelung des Fahrzeugs. Zur Bahnregelung werden die aus der erfindungsgemäßen Koppelnavigation erhaltenen Daten, aus denen mittels eines Mikrorechners die Istwerte des Kurses berechnet werden, mit den Sollwerten der Kursvorgabe verglichen und vorhandenen Kursabweichungen entgegengesteuert.

Um Kenntnis von der korrekten Meßgeometrie zu erhalten, werden in einer Versuchsfahrt der effektive Radradius des Rades 1 und ein eventuell vorhandener Offset-Winkel zwischen Längsachse des Fahrzeugs und Nullstellung des Gabelwinkelgebers ermittelt. Beide Größen werden durch Geradeausfahrt einer exakt bekannten Meßstrecke bestimmt. Ein Fehler bei der Bestimmung des Offset-Winkels täuscht der Fahrzeugsteuerung einen Kreisbogen vor, wenn sich das Fahrzeug tatsächlich geradlinig fortbewegt. Die exakte Bestimmung eines eventuell vorhandenen Offset-Winkels von ϕ ist deshalb dringend erforderlich. Das Nachlaufrad wird am hinteren Teil des Fahrzeugs auf dessen Längsachse angebracht.

Zur Bestimmung der optimalen Winkelsensorauflösungen und Meßfrequenz werden verschiedene Kurse abgefahren und pro Fahrt die genannten Größen variiert. Gemessen werden die Positions- und Winkelfehler, d. h. der Luftlinienabstand zwischen tatsächlicher und vorgegebener Position, sowie die Abweichung vom gewünschten Lagewinkel. In diesem Ausführungsbeispiel betragen die Maximalgeschwindigkeiten einige Meter pro Sekunde. Gute Ergebnisse lassen sich bei Abtastwegen von unterhalb etwa 25 mm erzielen, woraus sich die Meßfrequenz in Verbindung mit der maximal gefahrenen Geschwindigkeit ergibt. Mit abnehmender Auflösung des Gabelwinkelgebers 3 nehmen Positions- und Winkelfehler stark zu. Im vorliegenden Fall ist eine Auflösung von mindestens 0,1° empfehlenswert. Weniger kritisch wirkt sich die Auflösung des Radwinkelgebers 4 aus, für den eine Auflösung von mindestens 1,5° ausreichend ist.

In einer Testfahrt wird ein ovaler Kurs von 46 m Länge mit optimierten Parametern (Meßfrequenz 7 ms, Radwinkelgeberauflösung 0,06° und Gabelwinkelgeberauflösung 0,044°) abgefahren. Bei dem gewählten Raddurchmesser entspricht eine Auflösung von 0,06° einer Steckenauflösung von 0,1 mm. Die Geschwindigkeiten des Flurförderzeugs liegen zwischen 0,7 und 3 m/s. Das erfindungsgemäße Koppelnavigationssystem erzielt hierbei eine Genauigkeit wie sie bisherige Systeme nur mit Kreiselstützung erreichen. Die relativen Positionsfehler liegen bei 4 mm/m, die relative Winkelabweichung bei 0,04°/m Wegstrecke.

Das Nachlaufrad stellt sich aufgrund der erzielten Positionsgenauigkeit und der einfachen Anbringung am Fahrzeug als hervorragende Alternative zu herkömmlichen Koppelnavigationsanordnungen heraus. Es läßt sich nachträglich an unterschiedliche Fahrwerksarten anbringen, stellt aufgrund der ausgeführten Federung des Meßrads nur geringe Anforderungen an die Ebenheit des Fahrgrunds und ist wartungsfrei. Unterschiedliche Beladungszustände des Fahrzeugs haben keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Der Ist-Kurs kann aufgrund der gemessenen Drehwinkel α, ϕ von einem Mikrorechner mit Hilfe mathematischer Bewegungsgleichungen mit hoher Genauigkeit errechnet werden, ohne zu hohe Anforderungen an die Rechenleistung zu stellen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bestimmung der Position und des Lagewinkels eines Fahrzeugs in der Ebene, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rad (1) über eine vertikale Achse (2), mit horizontalem Abstand seines Mittelpunkts zu dieser Achse (2) und um diese drehbar, an dem Fahrzeug (5) befestigt wird, und daß der Drehwinkel (α) des Rades (1) um seine Achse und der Drehwinkel (ϕ) des Rades (1) um die vertikale Achse (2) während der Fahrt des Fahrzeugs (5) laufend gemessen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Mikrorechners die Änderungen der Koordinaten eines ausgewählten Bezugspunktes (P) am Fahrzeug (5) sowie der Lagewinkel (λ) des Fahrzeuges (5) anhand der beiden gemessenen Drehwinkel (α, ϕ) bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen der Koordinaten des Bezugspunktes (P) sowie der Lagewinkel (λ) des Fahrzeuges (5) in räumlichen Abständen von 1 bis 100 mm, vorzugsweise von 5 bis 25 mm berechnet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel (α) des Rades (1) um seine Achse mit einer Auflösung von mindestens 1,5°, vorzugsweise von mindestens 0,1°, gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel (ϕ) des Rades (1) um die vertikale Achse (2) mit einer Auflösung von mindestens 0,1°, vorzugsweise von mindestens 0,04°, gemessen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während der Fahrt des Fahrzeuges (5) ein ständiger Bodenkontakt des Rades (1) mittels federnder Aufhängung hergestellt wird.

7. Vorrichtung zur Bestimmung der Position und des Lagewinkels eines Fahrzeugs in der Ebene, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rad (1) über eine vertikale Achse (2), mit horizontalem Abstand seines Mittelpunkts zu dieser Achse (2) und um diese drehbar, mit dem Fahrzeug (5) verbunden ist, und daß ein Winkelgeber (4) zur Messung des Drehwinkels (α) des Rades (1) um seine Achse in Radnähe und ein weiterer Winkelgeber (3) zur Messung des Drehwinkels (ϕ) des Rades (1) um die vertikale Achse (2) in deren Umgebung angebracht sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad an einer horizontalen Achse (10) aufgehängt ist, die mit der vertikalen Achse (2) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der beiden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Achse (2) über eine Feder (9) mit dem Fahrzeug (5) verbunden ist.