DE69815863T2

DE69815863T2 - System und methode zur fahrzeugsteuerung

Info

Publication number: DE69815863T2
Application number: DE69815863T
Authority: DE
Inventors: Hubertus Patrick SEGEREN
Original assignee: FROG NAVIGATIONS SYSTEMS BV; Frog Navigations Systems Bv Utrecht
Current assignee: Frog Technology Bv Utrecht Nl
Priority date: 1997-08-04
Filing date: 1998-08-04
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2018-08-05
Also published as: EP1010046A1; ES2202885T3; WO1999006898A1; CA2298534C; AU738666B2; CA2298534A1; NL1006710C2; AU738666C; AU8752398A; US6269291B1; ATE243861T1; JP2001512259A; EP1010046B1; NL1006710A1; DE69815863D1

Description

Der Anmelder vertreibt viele Steuersystemanwendungen für automatisch gesteuerte Fahrzeuge, die von unbemanntem Transport von Containern in einer Werft bis zum Transport von Komponenten in einem Fabrikgebäude und zum fahrerlosen Transport von Passagieren, z. B. zwischen einem Parkplatz und dem Passagierterminal eines Flughafens, reichen.
Das bekannte System des Anmelders, welches u. a. in der amerikanischen Patentschrift 4 847 773 beschrieben ist, macht es möglich, ein Fahrzeug auf exakte Weise zu navigieren. Starke Veränderungen am System werden verhindert, selbst nachdem besondere Hindernisse auf der Oberfläche bewegt wurden. Unter Verwendung einer Computereinrichtung kann einfach jedes Mal an Bord des Fahrzeugs oder von einem zentralen Punkt aus ein neuer Weg für das Fahrzeug berechnet werden.
Bei höherer Geschwindigkeit oder einer größeren Zahl von Fahrzeugen innerhalb einer bestimmten Fläche treten Probleme in bezug auf die Ansprechgeschwindigkeit dieses bestehenden Systems auf, insbesondere wenn eine häufige Kommunikation mit einer zentralen Steuereinheit stattfinden muß. Die Fläche kann in Sektoren unterteilt werden, um die Steuerung des Verkehrs zu ermöglichen. Wenn zwei Fahrzeuge durch denselben Sektor fortbewegt werden müssen, muß z. B. das erste Fahrzeug vollständig durch diesen Sektor bewegt werden, bevor das zweite Fahrzeug in diesen eintreten kann. Jedes Mal muß eine Kommuni kation mit einer zentralen Steuereinheit auf zeitraubende Weise ablaufen, um die Erlaubnis zum Eintreten in eine Sektion zu erhalten. Auch im Fall des Transports durch Passagierfahrzeuge, z. B. bei hoher Geschwindigkeit in einem begrenzten Raum, wobei die durch das Fahrzeug zurückzulegende Route zentral von der zentralen Steuereinheit an die Fahrzeuge angewiesen wird, ist es wichtig, die Genauigkeit der Position von jedem Fahrzeug bei irgendeinem gewünschten Zeitpunkt zu erhöhen.
Ferner hat es sich als unpraktisch erwiesen, für ein neues Fahrzeug oder ein Fahrzeug, welches aufgrund eines Defekts in der Fläche zurückblieb, manuell initialisiert zu werden.
Die WO-A-95/21405 offenbart ein Transportsystem zum Führen von einem oder mehreren Fahrzeugen entlang einer Vielzahl von Straßeneinheiten, die in Reihe entlang einer Fahrzeugreiseroute angeordnet sind. Das System ist insbesondere zur Verwendung auf Mehrspurenrouten wie Autobahnen geeignet.
Die US-A-4 956 777 offenbart ein Transportlaufsteuersystem zum Führen von einem oder mehreren Fahrzeugen entlang einer Führungsschleife. Die Positionen und Bestimmungen der Fahrzeuge werden in zwei getrennten Computern gespeichert, wodurch ein Fahrzeug abgestoppt werden kann, um eine Störung mit einem anderen Fahrzeug zu verhindern.
Die EP-A-0 367 528 offenbart ein System und ein Verfahren zum Steuern einer Vielzahl von automatisch geführten Fahrzeugen in einer Fabrikumgebung, welches zum Steuern von mobilen Robotern geeignet ist. Ein Systemsteuergerät umfaßt ein Maximum von sechs Anwendungen, wodurch jede Anwendung die Bewegung eines einzelnen AGV steuert. Aus Flexibilitätsgründen können AGV's dem Gesamtsystem hinzugefügt oder davon abgezogen werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein System bereit zum Navigieren von zwei oder mehreren Fahrzeugen über eine Oberfläche, wobei das System umfaßt:

– eine zentrale Steuereinheit, die mindestens mit einem Computer mit einem Speicher und einem Transmitter/Empfänger zur Kommunikation mit jedem der Fahrzeuge ausgestattet ist;
– passiven Markerelementen, die auf oder über der Oberfläche angeordnet sind und die Positionen relativ zu der Oberfläche markieren; und
– zwei oder mehr Fahrzeuge, die jeweils mit einer Antriebseinrichtung zum Antreiben des Fahrzeugs, einer Lenkeinrichtung zum Lenken davon, einer Navigationseinrichtung zum Navigieren des Fahrzeugs, einem Transmitter/Empfänger zur Kommunikation mit der zentralen Steuereinheit und einer Sensoreinrichtung zum Wahrnehmen der Position relativ zu den Markerelementer. versehen sind; dadurch gekennzeichnet, daß die zwei oder mehr Fahrzeuge sich gleichzeitig über die Oberfläche mit relativ begrenzten Dimensionen bei relativ hoher Geschwindigkeit und/oder Dichte dieser Fahrzeuge bewegen, wobei die Position und Geschwindigkeit des Fahrzeugs zeitgenau relativ zu den Markerelementen vorbestimmt sind und während der Bewegung exakt relativ zu den Markerelementen beibehalten werden, und daß ein Routenplaner die Zeit als eine zusätzliche Dimension zur Planung nutzt, wobei der Routenplaner die besetzten Punkte R1 (x, y, t) bis Rn (x, y, t) der Routen R von 1 bis n Fahrzeugen berücksichtigt in Ergänzung zu den festen Hindernissen O (x, y), wenn die Route n + 1 für das Fahrzeug n + 1 berechnet wird.

Je nach Anwendung sind verschiedene Verfahren möglich. Ein mögliches Verfahren basiert auf der Vorberechnung aller Routen für alle Fahrzeuge durch den zentralen Koordinationscomputer.
Die Fahrzeuge fahren dann in Übereinstimmung mit dem vorbestimmten "Szenario". Zwei sehr unterschiedliche Beispiele dieses Verfahrens sind:

(1) Autos mit Passagieren, die relativ zueinander kreuz und quer sich auf eine überraschende Weise bewegen (Vergnügungsgewerbe) und
(2) unbemannte Fahrzeuge, die gemäß einem vorbestimmten "Zeitplan" fahren.

Ein anderes Verfahren ist anwendbar, wenn die Transportbestimmung zuvor nicht bekannt ist. In diesem Fall wird, sobald eine Transportbestimmung empfangen ist, der zentrale Computer eine Route bestimmen, die alle Routen in Betracht zieht, die zu diesem Zeitpunkt gerade ausgeführt werden. Ein Beispiel davon ist das automatische Plazieren und Entfernen von Containern während des Beladens und Entladens von Containerschiffen. Dabei bewegen sich unbemannte Containerträger über den Quai zwischen Schiff und Lagerfläche über Routen, die einander bei vielen Punkten schneiden können.
Im System gemäß der vorliegenden Erfindung werden Stau und Verzögerung soweit wie möglich vermieden, da über die Wechselwirkung des Fahrzeugs mit den Markerelementen in jedem Fall bestimmt wird, ob das Fahrzeug eine bestimmte Position auf der Oberfläche zum korrekten Zeitpunkt passiert. Sollten sich das Auftreten von Abweichungen androhen, wird die Antriebseinrichtung erregt, um das Fahrzeug zu veranlassen, in Abhängigkeit von der Abweichung schneller/langsamer zu fahren.
Die Markerelemente können Laserleuchtsignale oder, bei einer ziemlich anderen Anwendung, Satelliten, z. B. für GPS, sein, sind aber in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Magnete, Transponder oder Farbübergänge oder Mate rialübergänge, die linear verlaufen und die bei gleichmäßigen Abständen in der Oberfläche angeordnet sind. Die Vorteile davon bestehen in der relativen Einfachheit, solche Elemente anzuordnen, sowie die billigen Sensoreinrichtungen, die an Bord des Fahrzeugs erforderlich sind.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird von Transpondern Gebrauch gemacht, die in der Oberfläche angeordnet sind, wahlweise zusätzlich zu anderen Markerelementen, um es für Fahrzeuge leichter zu machen, nach einem Stillstand oder einem Defekt wieder in das System aufgenommen zu werden. Für diesen Zweck wird das Fahrzeug bzw. werden die Sensoreinrichtungen so ausgeführt, daß innerhalb der durch das Fahrzeug abgedeckten Oberfläche, wenn es steht, die Sensoreinrichtung eine Reihe von Transpondern erfassen bzw. scannen kann. Die Transponder besitzen jeweils eine unterschiedliche Antwortcharakteristik oder eine unterschiedliche Anzahl, so daß das Fahrzeug seine Position und Orientierung auf der Basis einer Anzahl von empfangenen Antworten bestimmen kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden auf der Basis der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich, die schematisch das System und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen und wobei:
1 zeigt eine schematische Sicht von oben eines Fahrschemas für zwei Fahrzeuge mit kollidierenden Routen, wobei eine bevorzugte Ausführungsform des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
2 zeigt eine perspektivische Sicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Fahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ein erstes Fahrzeug 20, welches mit einer Antenne 22 ausgestattet ist, muß in einem Koordinantensystem X₁, X₂ ..., Y₁, Y₂ ... über Linienabschnitte 7a, 7b, 7c, 7d und 7e von einer Startstation 5 zu einer Endstation 6 navigiert werden. In der Fläche befinden sich Hindernisse 2, 3 und 4, deren Positionen in einer zentralen Steuereinheit 30 bekannt sind, welche mit einem Transmitter/Empfänger 31 mit Antenne 32 versehen ist. Die Route des Fahrzeugs 20 wird entweder im Fahrzeug oder in der zentralen Steuereinheit 30 berechnet oder geplant. Im vorliegenden Fall führte dies zu der Route gemäß den oben angegebenen Linienabschnitten.
In der Fläche 1 muß ein Fahrzeug 21 ebenfalls von einer Station 11 zu einer Station 12 navigiert werden. Berechnungen, die entweder im Fahrzeug 21 (welches mit einer Antenne 23 zur Kommunikation mit der Steuereinheit 30 ausgestattet ist) oder im Computer der Steuereinheit 30 ausgeführt werden, liefern z. B. eine Route gemäß den Linienabschnitten 8a, 8b, 8c und 8d, die die Route 7 schneidet.
Die Fläche 1 ist mit linearen Übergängen oder Magneten oder Transpondern auf den Schnittpunkten des Koordinatensystems X, Y versehen. Durch die Bestimmung bei jeder Durchfahrt entlang eines Transponders oder eines Magnets, ob die Durchfahrtszeit der Zeit der Durchfahrt, die gemäß der Planung vorgesehen ist, entspricht, kann die korrekte Planung verhindern, daß Fahrzeuge 20 und 21 gleichzeitig über den Routenabschnitt 7c in unterschiedlichen Richtungen passieren. Dabei werden Verkehrre gulierung und Kommunikation weniger nötig, was die Geschwindigkeit der Steuerung und/oder der Fahrzeuge erhöhen kann.
Die Routenplanung für die Fahrzeuge 20 und 21 wird durch die zentrale Steuereinheit 31 ausgeführt, welche im Fall einer großen Anzahl von Fahrzeugen einen leistungsstarken Computer enthalten muß.
Im System gemäß, der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise passive Transponder in der Oberfläche angeordnet, ergänzend zu passiven Magneten, die empfohlen werden, wenn Fahrzeuge bei hohen Geschwindigkeiten von z. B. mehr als 5 m/s fahren. Die Transponder besitzen jeweils eine unterschiedliche Antwortcharakteristik und sind so, als wären sie numeriert. In der bevorzugten Ausführungsform liegen die Transponder derart nahe beieinander, daß, wenn die Sensoreinrichtung unter dem Fahrzeug sich bewegt oder wenn ein im wesentlichen rundes Fahrzeug um seine Achse routiert, eine Reihe von Respondern durch die Sensoreinrichtung erfaßt bzw. gescannt werden, wonach das Fahrzeug über die Antenne seine Position an das zentrale Steuersystem übertragen kann, welches dann seinerseits bestimmen kann, über welche Route das Fahrzeug seinen Weg fortsetzen kann.
Ein Fahrzeug 20 (2) ist vorzugsweise auf seiner Unterseite mit einer – schematisch mit 25 angegeben – rotierbaren Antenne versehen, die bei ihrer Umdrehung mindestens drei Transponder 26 abdeckt, die mit einem Code oder einer Zahl versehen sind, wodurch das Fahrzeug seine Position bei der Initialisierung durch Ablesen der drei individuellen Codes in Kombination mit den Winkeln, unter denen die verschiedenen Transponder detektiert werden, bestimmen kann. Die Codes entsprechen den bekannten Positionen im Grundplan der Arbeitsfläche, der im Speicher der Fahrzeugsteuerung gespeichert ist. Die exakte Position des Zentrums der Antenne kann aus den zwei (oder mehr) wechselseitigen Winkeln zwischen den drei (oder mehr) detektierten Transpondern ermittelt werden. Der Winkel zwischen der Fahrzeugachse und einem der Transponder liefert dann die Orientierung des Fahrzeugs.
Die verwendete Antenne wird vorzugsweise als eine einzelne längliche Schleife ausgeführt, jedoch können auch andere Ausführungsformen in Aussicht gestellt werden, vorausgesetzt, daß die Detektion von mehr als einem Transponder zu einem bestimmten Zeitpunkt verhindert ist.
Der Vorteil einer solchen Antenne besteht darin, daß es nicht notwendig ist, eine Position direkt zu messen, was eine viel komplexere Antenne und Elektronik erfordern würde. Da der mit dem Moment der Detektion eines Transponders zusammenhängende Winkel zum Bestimmen des Orts verwendet wird, können als Standard erhältliche, kompakte Standardcode-Transponder und damit zusammenhängende Detektionssysteme verwendet werden. Die Transponder können einen Durchmesser von 10 mm oder weniger aufweisen und können folglich einfach und vorteilhafterweise im Boden angeordnet werden.
Die vorliegende Erfindung ist weder auf die oben beschriebene, bevorzugte Ausführungsform davon begrenzt, noch auf die oben beschriebenen Anwendungen. Anwendungen wie Autos mit Leuten an Bord, welche sich relativ zueinander kreuz und quer in einem Vergnügungspark bewegen, bilden ein künftiges Vorhaben. Die nachgesuchten Rechte werden durch die folgenden Ansprüche definiert, in deren Umfang viele Modifikationen in Betracht gezogen werden können.

Claims

System zum Navigieren von zwei oder mehr Fahrzeugen (20, 21) über eine Oberfläche, wobei das System umfaßt: – eine zentrale Steuereinheit (30), die mindestens mit einem Computer mit einem Speicher und einem Transmitter/Empfänger (31) zur Kommunikation mit jedem der Fahrzeuge (20, 21) ausgestattet ist; – passive Markerelemente (24), die auf oder über der Oberfläche angeordnet sind und die Positionen (x, y) relativ zu der Oberfläche markieren; und – zwei oder mehrere Fahrzeuge (20, 21), die jeweils mit einer Antriebseinrichtung zum Antreiben des Fahrzeugs, einer Lenkeinrichtung zum Lenken davon, einer Navigationseinrichtung zum Navigieren des Fahrzeugs, einem Transmitter/Empfänger zur Kommunikation mit der zentralen Steuereinheit und einer Sensoreinrichtung (25) zum Wahrnehmen der Position relativ zu den Markerelementen versehen sind; dadurch gekennzeichnet, daß die zwei oder mehr Fahrzeuge (20, 21) sich gleichzeitig über die Oberfläche mit relativ begrenzten Dimensionen bei relativ hoher Geschwindigkeit und/oder Dichte dieser Fahrzeuge bewegen, wobei Position und Geschwindigkeit des Fahrzeugs zeitgenau relativ zu den Markerelementen (24) vorbestimmt ist und während der Bewegung relativ zu den Markerelementen exakt beibehalten wird, und daß ein Routenplaner die Zeit als eine zusätzliche Dimension zur Planung nutzt, wobei der Routenplaner die besetzten Punkte R1 (x, y, t) bis Rn (x, y, t) der Routen R von 1 bis n Fahrzeugen berücksichtigt in Ergänzung zu den festen Hindernissen O (x, y) (2, 3, 4), wenn die Route n + 1 für das Fahrzeug n + 1 berechnet wird.
System gemäß Anspruch 1, wobei alle Routen für alle Fahrzeuge durch den Routenplaner vorberechnet sind.
System gemäß Anspruch 1, wobei der Routenplaner neue Routen bestimmt und ausführt zu einem Zeitpunkt, wenn eine Transportbestimmung empfangen wird.
System gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Markerelemente (24) passive Magnete, Transponder oder optisch detektierbare Elemente sind, die bei regulären Abständen in der Oberfläche angeordnet sind.
System gemäß Anspruch 4, wobei die Transponder einen Durchmesser von 10 mm oder weniger aufweisen.
System gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinrichtung (25) oder das Fahrzeug (20, 21) derart beweglich sind, daß eine Reihe von nummerierten Markerelementen durch die Sensoreinrichtung abgetastet werden können, wodurch die Position und die Orientierung des Fahrzeugs bestimmt werden.
System gemäß Anspruch 6, wobei die Sensoreinrichtung (25) eine rotierbare Antenne einschließt, wobei die Position der Antenne ermittelt wird aus zwei oder mehr Winkeln zwischen der Längsachse des Fahrzeugs und einem der Transponder.
System gemäß Anspruch 7, wobei die Antenne eine im wesentlichen längliche Schleife aufweist.
Verfahren zum Navigieren von zwei oder mehr Fahrzeugen (20, 21) mit den Schritten: – Anordnen von passiven Markerelementen (24) auf oder über einer Oberfläche; – Bereitstellen einer zentralen Steuereinheit (30), die wenigstens einen Computer mit einem Speicher und einem Transmitter/Empfänger (31) zur Kommunikation mit jedem der Fahrzeuge einschließt; und – Bereitstellen von zwei oder mehr Fahrzeugen (20, 21), die jeweils mit einer Antriebseinrichtung zum Antreiben des Fahrzeugs, einer Lenkeinrichtung zu dessen Lenkung, einer Navigiereinrichtung zum Navigieren des Fahrzeugs, einem Transmitter/Empfänger zur Kommunikation mit der zentralen Steuereinheit und einer Sensoreinrichtung (25) zum Wahrnehmen der Position relativ zu den Markerelementen versehen sind; dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Fahrzeuge (20, 21) sich gleichzeitig über die Oberfläche relativ begrenzter Dimensionen bei relativ hoher Geschwindigkeit und/oder Dichte dieser Fahrzeuge bewegen, wobei die Position und Geschwindigkeit des Fahrzeugs zeitgenau relativ zu den Markerelementen (24) vorbestimmt ist und während der Bewegung exakt relativ zu den Markerelementen beibehalten wird, und daß ein Routenplaner die Zeit als eine zusätzliche Dimension zur Planung nutzt, wobei der Routenplaner die besetzten Punkte R1 (x, y, t) bis Rn (x, y, t) der Routen R von 1 bis n Fahrzeugen berücksichtigt, in Ergänzung zu festen Hindernissen O (x, y) (2, 3, 4), wenn die Route n + 1 für das Fahrzeug n + 1 berechnet wird.
Verfahren zum Navigieren von zwei oder mehreren Fahrzeugen (20, 21) gemäß Anspruch 9, wobei das in den Ansprüchen 1 bis 8 beanspruchte System verwendet wird.
Verfahren wie im Anspruch 10 beansprucht, wobei bei den durch die Markerelemente (24) definierten Orten bestimmt wird, ob die Durchfahrtszeit entlang dieser Kreuzung der vorausgesehenen Dauer der Durchfahrt entspricht.
Verfahren wie im Anspruch 11 beansprucht, wobei die Antriebseinrichtung des Fahrzeugs erregt wird, wenn Abweichungen zwischen der beabsichtigten Durchfahrtsdauer und der tatsächlichen Durchfahrtszeit auftreten.