ES2650607T3 - Técnicas para posicionar un vehículo - Google Patents

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Abstract

Un sistema para determinar una ubicación (x_v, y_v) de un vehículo (3) en un entorno provisto de una pluralidad de puntos de referencia (11, 11') cuya ubicación (x_b, y_b) es conocida, comprendiendo el sistema: - al menos un sensor de distancia de exploración (9) instalado en el vehículo (3) y configurado para medir la distancia (R_c) y la dirección (a_c) desde el vehículo (3) a al menos dos de la pluralidad de puntos de referencia (11, 11'); - un dispositivo de procesamiento de datos configurado para: - almacenar en memoria la ubicación (x_b, y_b) de dichos al menos dos puntos de referencia; - determinar una ubicación inicial y el rumbo inicial del vehículo en función de las distancias (R_c) y de las direcciones (a_c) medidas a dichos al menos dos puntos de referencia (82, 72, 76), y en función de un movimiento registrado (DR, DA; DX, DY) y del cambio de rumbo (Dphi), si lo hay, entre las veces que se observan al menos dos puntos de referencia; - y cuando solo es visible un punto de referencia, el dispositivo de procesamiento de datos está configurado para: - registrar un cambio en el rumbo (Dphi) y mantener los datos del rumbo (84) del vehículo (3); - medir la distancia (R_c) y la dirección (a_c) al único punto de referencia; - determinar una ubicación actualizada basada en al menos la ubicación (x_b, y_b) de dicho único punto de referencia, así como la distancia (R_c) y la dirección (a_c) desde el vehículo (3) a dicho único punto de referencia.

Description

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determinables a partir del grupo de ecuaciones (5) cuando (x_b1, y_b1) y (x_b2, y_b2) son las coordenadas conocidas de los puntos de referencia en el sistema de coordenadas del suelo G y las distancias R_c1 y R_c2, así como los ángulos a_c1 y a_c2, las distancias detectadas y los ángulos direccionales de los puntos de referencia 1 y 2 en el sistema de coordenadas L del sensor 9. Si, según otra realización de la invención, los puntos de referencia 1 y 2 son visibles simultáneamente, pero en el campo de visión de dos sensores 9 separados instalados en la máquina de manipulación de contenedores, por ejemplo, tal que el sensor a vea el punto de referencia 1 y el sensor b el punto de referencia 2, la situación puede devolverse fácilmente para ajustarse a la de la ecuación (5) y resolverse en consecuencia, ya que, por ejemplo, las lecturas medidas por el sensor b pueden convertirse primero mediante la ecuación (1) en un sistema de coordenadas xy (x_c2, y_c2) y luego por medio de una ecuación ligeramente modificada (2) transferida para que sea una lectura virtual del sensor a de la siguiente manera:
R_c2 = sqrt([x_c2 + XB]^2 + [x_y2 + YB]^2) (6)
a_c2 = arctan2([y_c2 + XB], [x_c2 + YB]),
donde (XB, YB) es la ubicación conocida del sensor b en el sistema de coordenadas L del sensor a.
Sin embargo, en lo que se refiere a la aplicación práctica de la invención, no se puede suponer que los sensores 9 de la máquina de manipulación de contenedores verían continuamente dos puntos de referencia simultáneamente, o incluso un punto de referencia constantemente. La visibilidad hacia los puntos de referencia puede oscurecerse temporalmente, por ejemplo, cuando otras máquinas de manipulación de contenedores 3 pasan por un punto de referencia o cuando, por ejemplo, el sol brilla bajo desde el punto de referencia 11 en la dirección del haz láser 13. Por lo tanto, en la práctica a menudo es necesario soportar los métodos descritos anteriormente mediante el denominado método de cálculo de estimación.
Cálculo de estimación
Como es conocido para un experto en la materia, el cálculo de estimación (odometría) es un nombre general para métodos en los que un cambio relativo en la ubicación de un vehículo se mide sumando acumulativamente la distancia recorrida y la distancia de desplazamiento. La figura 5 muestra los sistemas de coordenadas y las variables utilizadas para detectar un punto de referencia 11 y posicionar un vehículo 3. La figura 6 ilustra las variables DX, DY, Dphi, DR, DA usadas en el cálculo de estimación. Con referencia a las figuras 5 y 6, el cambio relativo en la ubicación de un vehículo se puede mantener mediante cálculo de estimación, por ejemplo, de acuerdo con la fórmula (7):
X(t+Dt) = X(t) + Ds cos[phi(t)] (7)
Y(t+Dt) = Y(t) + Ds phi[phi(t)]
Aquí, Ds es la distancia recorrida por el vehículo 3 durante una unidad de tiempo (t...t + Dt), phi(t) es la dirección de desplazamiento del vehículo en el momento t, y X(t) e Y(t) son la ubicación del vehículo en el momento t. Cuando el sistema de coordenadas unido al suelo se selecciona de forma tal que la ubicación inicial y la dirección inicial del vehículo se seleccionen como cero y la distancia recorrida, de acuerdo con la fórmula (7), se resume iterativamente durante un período de tiempo T, a cambio en la ubicación (DX, DY), así como un cambio en la dirección de desplazamiento (Dphi) del vehículo durante el período de tiempo T se han determinado de la siguiente manera:
DX = X(T), cuando X(0) = 0
DY = Y(T), cuando Y(0) = 0 (8)
Dphi = phi(T), cuando phi(0) = 0
Esto se puede convertir adicionalmente en un sistema de coordenadas polares, lo que da la distancia (DR) entre los puntos de partida y final, así como el ángulo de dirección (DA) del punto final con respecto a la dirección de inicio phi(0) del vehículo 3:
DR = sqrt(DX^2 + DY^2) (9)
DA = arctan2(DY, DX).
Tal como se conoce previamente, la distancia Ds recorrida por el vehículo 3 durante la unidad de tiempo Dt puede medirse, por ejemplo, mediante un sensor de medición de distancia 18 instalado en una rueda o transmisión del vehículo 3, por ejemplo, una rotación de medición de codificador de pulsos de la rueda. El ángulo Da girado por la rueda se puede convertir en una distancia Ds recorrida sobre el suelo cuando se conoce un coeficiente de medición de distancia C_odo, es decir, el radio de rodadura efectivo de la rueda.
Ds = C_odo Da (10)
Sin embargo, no es una tarea sencilla determinar el radio de rodadura preciso eficaz de la rueda, ya que en el caso
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de una máquina de manipulación de contenedores 3 que se desplaza sobre neumáticos de caucho, en particular, el radio de rodadura cambia, por ejemplo, cuando cambia la carga (por ejemplo, el peso de un contenedor que se transporta). El método de acuerdo con la invención proporciona una solución a este problema y una forma precisa de corregir un error en el coeficiente de medición de distancia efectiva del vehículo 3. A continuación, suponemos que el supuesto coeficiente de medición de distancia (C_est) es erróneo, de modo que:
C_est = K_gain C_odo, (11)
donde K_gain difiere del valor 1, en cuyo caso, como comprenderá un experto en la materia, estamos midiendo una distancia recorrida demasiado larga o demasiado corta. Entonces, la distancia entre los puntos de inicio y final calculados a partir de la fórmula (9) también es errónea, de tal manera que:
DR_est = K_gain DR (12)
Como se entenderá por los expertos en la materia, el error en el coeficiente de medición de distancia no tiene influencia en la determinación de la dirección DA del punto final según la fórmula (9). A continuación, se mostrará cómo el método de acuerdo con la invención resuelve un coeficiente de escalado desconocido K_gain.
Como también se conoce previamente, la dirección de desplazamiento relativa phi(t) del vehículo 3 puede determinarse, por ejemplo, por medio de un giroscopio de fibra óptica o FOG. En tal caso, el punto de navegación del vehículo 3 se selecciona típicamente para que sea una ubicación en la que la dirección de desplazamiento del punto de navegación es la misma que la dirección del cuerpo del vehículo. Esta ubicación, por ejemplo, en vehículos con ruedas delanteras de dirección (como un automóvil) reside en el eje trasero. Entonces es fácil de usar, por ejemplo, un sensor de giróscopo para medir ambos cambios en la dirección del cuerpo del vehículo 3 y la dirección de desplazamiento del vehículo. Como comprenderá un experto en la materia, el sistema de acuerdo con la invención también puede usar otros sensores que midan la dirección del cuerpo o la dirección de desplazamiento del vehículo. Por lo que respecta a la invención, es esencial observar que no se requiere una medición absoluta de la dirección de desplazamiento (por ejemplo, rumbo de brújula) a partir de la medición de la dirección, sino que una medición relativa de un cambio en la dirección de desplazamiento (por ejemplo, velocidad angular multiplicada por tiempo) será suficiente. Como entenderá naturalmente un parte de experto en la materia, un sensor que mide la dirección absoluta de desplazamiento también es adecuado, aunque no necesario, para implementar el sistema de acuerdo con la invención.
Una manera alternativa de acuerdo con la invención de la implementación de cálculo de estimación, es decir, la determinación del movimiento relativo (DX, DY), se basa en el posicionamiento GPS, en la monitorización y la integración de una fase de una onda portadora de señales GPS (intervalo Doppler acumulado) en particular. Como es sabido, al monitorizar la fase de la onda portadora L1 de las señales GPS, es posible determinar el movimiento relativo (DX, DY) de una antena GPS 12 con precisión, incluso con una precisión de centímetros, sin tener que resolver la ubicación de la antena GPS El movimiento (DX, DY) determinado por este método también se determina en un sistema de coordenadas dirigido con respecto al suelo (por ejemplo, en un sistema de coordenadas WGS84), que proporciona al sistema de acuerdo con la invención una ventaja adicional que, sin embargo, es no necesario para la operación de la invención. Como sabe un experto en la materia, resolver la ubicación (diferencial) de la antena GPS 12 con una precisión correspondiente de centímetros requeriría el uso de un aparato GPS de doble frecuencia considerablemente más caro y la medición de dos ondas portadoras L1, L2. Además, determinar una ubicación absoluta mediante un método llamado RTK toma un tiempo considerablemente largo (hasta dos minutos) después de las pérdidas de señal GPS. En cambio, el movimiento relativo (DX, DY) de la antena GPS 12 puede ser en tiempo real, inmediatamente después de que sea visible un número suficiente de satélites.
A continuación, se explicará cómo el método de acuerdo con la invención opera por cálculo de estimación cuando los sensores 9 del vehículo 3 no ven continuamente dos puntos de referencia 11, 11 simultáneamente, o incluso un punto de referencia 11 constantemente. Supongamos que el sensor 9 del vehículo 3 ve el punto de referencia 1 en el momento t = 0, y el punto de referencia 2 en el momento t = T. La distancia (DR) se mueve entre la detección de los puntos de referencia (t = 0...T) y la dirección con respecto a la dirección de inicio (DA) del vehículo, así como el cambio registrado en la dirección del vehículo Dphi se ha medido por el método de cálculo de estimación antes descrito. Entonces, el grupo de ecuaciones de acuerdo con la fórmula (5) cambia a:
x_b1 = x_v + R_c1 cos(a_v + a_c1)
y_b1 = y_v + R_c1 sen(a_v + a_c1) (13)
x_b2 = x_v + K_gain DR cos(a_v+DA) + R_c2 cos(a_v+Dphi+a_c2)
y_b2 = y_v + K_gain DR sen(a_v+DA) + R_c2 sen(a_v+Dphi+a_c2).
Ahora, como entenderá un experto en la materia, las cuatro ecuaciones de fórmula (13) permiten resolver las cuatro incógnitas, a saber, la ubicación y la dirección inicial (x_v, y_v, a_v) del vehículo 3, así como el error del coeficiente de medición de distancia desconocido (K_gain). Como se mostró anteriormente, por el motivo de que el método no es esencial si el mismo sensor 9 ve los puntos de referencia 1 y 2 en los momentos 0 y T, o si dos sensores
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