FI104445B - Maamerkki ajoneuvon navigointilaitteistoa varten sekä ajoneuvon navigointilaitteisto ja -menetelmä - Google Patents

Description

104445

Maamerkki ajoneuvon navigointilaitteistoa varten sekä ajoneuvon navigointi-laitteisto ja -menetelmä

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen maa-5 merkki ajoneuvon navigointilaitteistoa varten.

Keksinnön kohteena on myös ajoneuvon navigointilaitteisto ja navigointi-menetelmä.

10 Tunnetaan navigointilaitteistoja, joilla maastoon sijoitettujen maamerkkien avulla määritetään ajoneuvon sijainti. Nykyisillä menetelmillä on lukuisia ongelmia: tarkasti sijoitettuja maamerkkejä tulee olla maastossa hyvin tihein välein, jotta paikannus olisi tarkkaa ja luotettavaa. Epätasaisella ja/tai kaltevalla pinnalla liikuttaessa ei runsaasta maamerkkimäärästä huolimatta ole itses-15 tään selvää, että ajoneuvo löytää riittävää määrää maamerkkejä. Tunnetuilla ratkaisuilla saadaan melko luotettavasti informaatiota vaakasuunnasta, toisin sanoen ajoneuvon sijainnista kaksiulotteisessa koordinaatiossa. Pystyinfor-maation (=laitteen korkeustieto) saaminen riittävällä tarkkuudella ja riittävän nopeasti on ollut nykyisille laitteille mahdotonta.

20 ..!! Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edeiläkuvatun tekniikan puutteelli- ..: i suudet ja aikaansaada aivan uudentyyppinen navigointilaitteisto sekä maa- = • · · —

: *' merkki navigointilaitteistoa varten. I

• * _ 9 • · ·

25 Keksintö perustuu siihen, että maamerkin heijastinosa on vähintään kaksiosai- I

♦ · · _ nen siten, että heijastinosien leveys muuttuu korkeuden funktiona mittauslaitteiston tuntemalla tavalla ja optinen mittauslaitteisto käsittää tarkat oh- 1 • · · __ « *!!’. jauselimet lasersäteen pystyaseman säätämiseksi ja tunnistamiseksi.

:m'\ 30 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle maamerkille on tun-

nusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. L

»· · • · ΓΓ • » » _ • * 104445 2

Keksinnön mukaiselle navigointilaitteistolle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 5 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

5

Ajoneuvon pystyinformaatio saadaan nopeasti ja luotettavasti. Maamerkit ovat yksinkertaisesta rakenteestaan huolimatta tehokkaita informaatiolähteitä.

Tarkalla peilin pystyasennon mittauslaitteistolla voidaan kompensoida mitta-10 laitteen mekaniikan vanhentumista. Ilman tätä ominaisuutta on mahdotonta saavuttaa pystysuunnan mittauksessa suurta tarkkuutta.

Yhdistelmänä uudesta maamerkistä ja tarkasta lähtevän säteen suunnan mittauslaitteesta ja -menetelmästä saadaan aikaiseksi tarkka reaaliaikainen 15 navigointijärjestelmä vaativiinkin sovelluksiin.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten suoritusesimerkkien avulla.

= 20 Kuvio 1a esittää yläkuvantona keksinnön mukaisen laitteen sijoitusta tietyöko- neeseen.

»t I

: V Kuvio 1b esittää sivukuvantona keksinnön mukaisen laitteen sijoitusta tiety- * ökoneeseen.

• · · 25 • · · · 9

Kuvio 2 esittää kaaviomaisesti yhtä keksinnön mukaista navigointilaitetta.

Ml

Kuvio 3 esittää halkaistuna sivukuvantona toista keksinnön mukaista navigoin- • · · f I i tilaitteistoa.

M « : 30

Kuvio 4 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaisen navigointilaitteiston oh-i V jaus-ja laskentayksikköä.

!1 104445 3

Kuvio 5 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaista peilin asennon säätäjää.

Kuvio 6 esittää lohkokaaviona yhtä keksinnön mukaista valolähetintä.

5 Kuvio 7 esittää lohkokaaviona yhtä keksinnön mukaista valovastaanotinta.

Kuvio 8 esittää kytkentäkaaviota yhdestä keksinnön mukaisesta puhekelan ohjauselektroniikasta.

10 Kuvio 9 esittää etukuvantona yhtä keksinnön mukaista maamerkkiä.

Kuvio 10 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaista vaakakulmien lasken-talaitteistoa.

15 Keksinnön mukaisen mittalaitteen tehtävänä on antaa esimerkiksi kuvioiden 1a, 1b ja 2 mukaisesti ajoneuvon 13 paikka ja asento myöhemmin määriteltävien spesifikaatioiden mukaisesti työalueen reunoihin mitattujen heijastavien maamerkkien 5 avulla. Laite 14 mittaa ne vaaka-ja pystykulmat, joissa maamerkiltä 5 heijastuu laitteesta 14 lähetetty lasersäde takaisin mittalaitteeseen.

20 Laite 14 sijoitetaan ajoneuvoon 13 siten, että siitä on mahdollisimman estee-tön näkyvyys tien reunoille.

M * L

: V Tiehöylän 13 tapauksessa sijoituspaikka voi olla koneen puomi kuvioiden 1a ja 1b mukaisesti. Höylän ohjaamo ja mittalaitteen runko muodostavat katve-• · · = ···· 25 alueen taaksepäin. Sillä ei kuitenkaan ole merkitystä laitteen toiminnan kan- • · · _________ " *·' ' naita.

” · — » * ·

Kuvion 2 mukaisesti laitteessa 10 on laservalolähde 1, joka antaa vakioaallon-• · · — pituudella valoa laitteen ympäristöön. Laserdiodi 1 on asennettu pystyyn siten, ♦ · · ~ ; 30 että valo osuu pyörivän peilin 3 keskipisteeseen pyörimisakselin suunnassa.

Peilin 3 kautta kulkeva valo etenee lähes vaakasuuntaisena ympäristöön ja : V palaa takaisin vain siinä tapauksessa, että se heijastuu maamerkin 5 pinnasta Γ 104445 4 takaisin. Palaava valo ei enään muodosta kapeata sädettä, vaan on hajautunut maamerkistä 5 heijastueessaan kapeaksi keilaksi. Jotta palaavasta valosta saadaan kerättyä mahdollisimman suuri osa valodiodille 7 maamerkin 5 havaitsemista varten, tulee peilin 3 ja valoa diodille 7 fokusoivan linssin 2 olla 5 riittävän suuria. Jokaisen peilin 3 pyörähdyskierroksen päätteeksi tulee optiselta lukuhaarukalta pulssi, jonka saatuaan ohjauselektroniikka mm. laskee vaaka- ja pystykulmat, joissa maamerkkejä 5 näkyi sekä päättelee, mistä merkeistä mittaus saatiin.

10 Jotta mittalaitteelta 10 lähtevä säde voisi osua eri korkeuksilla oleviin maa-merkkeihin 5 tai jotta tietyökone 13 voisi kulkea kaltevaa pintaa pitkin, tulee säteen pystykulman olla säädettävissä pyörivää peiliä 3 kallistamalla. Toteutettavassa mittalaitteen prototyypissä säteen pystypoikkeutus on peilin 3 pyörittämisestä täysin riippumaton toimenpide, jolloin sädettä voidaan poikeut-15 taa mielivaltaisella tavalla toimilaitteen nopeuden ja liikkeen pituuden asetta- missä rajoissa. Voidaan esimerkiksi pyrkiä ajamaan peilin pystypoikkeutusta siten, että mahdollisimman usein osuttaisiin haluttuihin maamerkkeihin ilman hukka-aikaa.

20 Jotta ajoneuvon 13 paikka ja asento voidaan ratkaista yksikäsitteisesti, tulee laitteen 10 saada samanaikainen mittaus (vaaka- ja pystykulma) kolmesta : maamerkistä 5, jolloin toinen ratkaisuista voidaan poistaa mahdottomana.

• · · • ·* Käytettäessä tietoa neljästä maamerkikstä 5 saadaan yksikäsitteinen ratkaisu.

Koska yksi mittauskierros kestää 10 ms, voidaan korkeintaan yhden peilin 3 • · · ·;;; 25 kierroksen aikana tehtyjä maamerkkihavaintoja pitää samanaikaisina (ajoneu- • · · vo etenee 10 ms:n aikana muutamia senttimetrejä). Käytännössä lienee kuitenkin tavallista, että yhden mittauskierroksen aikana säde ei osu neljään • · · ‘V.’.' maamerkkiin, vaan mittaus neljästä merkistä voi kestää kauemmin. Tällöin • · · ongelmaksi muodostuu se, että mittaukset on tehty eri paikoista ja ajoneuvon • ♦ · 30 13 ollessa eri asennossa. Paikan ja asennon laskemiseksi on tällöin käytettä- • · ·” vissssä muutamia ratkaisuvaihtoehtoja.

• · » * · a » • · . a il 104445 5

Jos oletetaan, että ajoneuvon 13 pitkittäinen kallistuma ja kulkusuunta eivät ! muutu mittauksen aikana ja mitataan erillisellä anturilla ajoneuvon 13 poikittainen kallistuma sekä kuljettu matka, voidaan neljästä eri maamerkistä 5 saadut kulmahavainnot muuntaa yhdestä pisteestä mitatuiksi. Tällöin paikka ja asen-5 to on laskettavissa normaalisti. Toinen vaihtoehto on tehdä malli, joka kuvaa koneen liiketilaa mahdollisimman tarkasti. Tätä liiketilamallia päivitetään kulkusuunnan ja kuljetun matkan perusteella. Malliin on myös yhdistettävissä mittaus ajoneuvon 13 poikittaiskallistumasta. Jokainen mittaus maamerkistä 5 yhdistetään malliin käyttäen esimerkiksi Kalman-suodinta.

10

Mittalaitteen 14 rakenne on yksinkertaistettuna kuvion 3 mukainen. Mittalaite 14 koostuu varsinaisesta mittapäästä 10 ja erillisestä ohjaus- ja laskentayksiköstä 15. Nämä voidaan asentaa tarvittaessa erillisiin laitekoteloihin tai myös samaan koteloon.

15

Maastoon suunnattava säde tuotetaan esimerkiksi puolijohdelaserilla 1, joka on kiinnitetty 4 cm läpimittaisen linssin 2 keskelle. Sädettä pyyhkäistään vaakatasossa pyörivän peilin 3 avulla. Peiliä 3 pyöritetään käyttäen ontolla akselilla varustettua DC-moottoria 19. Kunkin pyörähdyksen lopuksi saadaan 20 optiselta lukuhaarukalta 11 pulssi, jota käytetään maamerkkejä 5 vastaavien vaakasuuntakulmien määräämiseen.

• · · ·' ·] Peilin 3 pystykulmaa säädetään puhekelalla 17. Paikkatakaisinkytkentä puhe- »· · · · i kelan 17 säätöä varteen saadaan lineaarianturilta (LVDT) 21. Puhekelan 21 • · · •;;j 25 lineaariliike muutetaan peilin kiertymäksi kiinnitysakselinsa suhteen käyttäen • · · = pyöritysmoottorin 19 läpi asennettua tankoa 23, joka on nivelöity peiliin 3. "

Vaadittavan mittaustarkkuuden saavuttamiseksi tulee kaikkien nivelten olla ~

I I I

• _ hyvin pienivälyksisiä. Pyörivän peilin 3 tulee olla kevyt, jotta pyörivän liikkeen “ I I - — aiheuttamat hyrrävoimat eivät liiaksi hidastaisi peilin pystykulman säätöä. Γ i i i 7 :.,: ’ 30 Peilin 3 sijasta voidaan keksinnön mukaisessa ratkaisussa käyttää myös f prismaa. .

« · · * · 104445 6

Maamerkiltä 5 heijastuva säde kerätään pyörivän peilin 3 avulla reiälliseen linssiin 2, joka fokusoi palaavan valon valodiodiin 7.

Paikan mittausta varten saadaan säteen pystykulma mitattua kerran kullakin 5 peilin 3 pyörähdyskierroksella toisen laserin 24 ja rivikameran 25 avulla. Laserilla 24 kohdistetaan peiliin säde, joka aina peilin 3 asennon mukaan heijastuu takaisin rivikameralle 25. Rivikameran 25 ilmaiseman palaavan säteen sijainnin perusteella voidaan peilin 3 ja samalla lähtevän säteen kulma määrittää yksikäsitteisesti. Peilin 3 kulman mittaustarkkuutta voidaan lisätä 10 kasvattamalla peilin 3 ja rivikameran 25 välistä etäisyyttä ja/tai kasvattamalla rivikameran 25 erottelukykyä. Laserin 24 sijasta voidaan käyttää myös laseria 1, jolloin rivikameran 25 eteen tarvitaan sopiva fokusoiva elementti, kuten i linssi.

15 Varsinaisen mittalaitteen 14 lisäksi tarvitaan elektroniikkaa mittalaitteen toimintojen ohjaamiseksi sekä paikan ja asennon laskemiseksi kuvion 4 mukaisesti.

Ohjaus- ja laskentayksikkö koostuu seitsemästä elektroniikkakortista, jotka on sovitettu PC-väylään 36. Kortit ovat optiikkakortti 27, vaakakulmakortti 29, 20 peilin 3 kallistuksen ohjauskortti 31, pystykulmakortti 33, mittapään ohjauskort-ti 35, paikan ja asennon laskentakortti 37 sekä l/O-kortti 39.

: « · · • i «· · ϊ ·' Optiikkakortin 27 päätehtävänä on antaa luotettavasti kunkin maamerkin 5 heijastavan osan alku- ja loppureunoista esimerkiksi TTL-tasoinen pulssi * * * 25 (start- ja stop-pulssi). Lisäksi se voi moduloida lähetettävän lasersäteen voi- • · · makkuutta siten, että takaisin heijastuva säde voidaan mahdollisimman luotettavasti erottaa ympäristön häiriövalosta. Käytetty modulointitaajuus on n. 20 • · · *»*. MHz. Vastaanottimena käytetään valodiodia 7, joka on rakennetussa koelait- I « < teistossa kytketty esivahvistinkortille. Vahvistettu signaali siirretään optiik-30 kakortille 27 jatkokäsiteltäväksi. Optiikkakortti 27 vahvistaa signaalin tasoa edelleen ja saatu signaali suodatetaan kaistanpäästösuodattimella, jonka » I f • keskitaajuus on modulointitaajuus. Suodatetusta signaalista ilmaistaan maa- • < 104445 7 merkin 5 heijastavan alueen reunat. Ympäristön valon vaihteluiden kompensoimiseksi on kortilla käytetty takaisinkytkentää, jossa valodiodilta 7 tulevan taustavalon määrän suhteessa korjataan esivahvistimen vahvistusta.

5 Vaakakulmakortti 29 on kytketty optiikkakorttiin 27, jolta se saa jokaista maamerkkiä 5 vastaavat start- ja stop- pulssit. Sen päätehtävänä on tallettaa jokaista saamaansa pulssia vastaava peilin 3 vaakasuuntaista kiertymäkulmaa kuvaava laskurilukema FIFO-muistiin. Lisäksi se tallettaa peilin 3 täyttä kierrosta vastaavan laskurilukeman. Kortti 29 tallettaa laskurilukemat kaikista 10 peilin yhden kierroksen aikana havaituista maamerkeistä 5. Kierroksen täytyttyä se keskeyttää mittapään 10 ohjauskortin prosessorin, joka lukee talletetut laskurilukemat omaan muistiinsa.

Peilin kallistuksenohjauskortilla 31 pyörivän peilin 3 kallistuskulmaa ohjataan 15 "puhekelan" 17 avulla. Rakenteen tavoitteena on päästä erittäin nopeaan vasteeseen peilin 3 kallistuskulman ohjauksessa sekä riittävän suureen ja ohjelmallisesti asetettavaan pystykulma-alueeseen.

Puhekela 17 toimii samalla tavoin kuin kaiuttimessa. Siinä on kuparilangasta 20 käämitty kela kestomagneettisydämen ympäröimänä. Kelan ja magneetin välinen voima riippuu kelaan syötetyn virran suuruudesta. Virtaa sopivasti ··: : ohjaamalla säädetään kelan paikkaa magneetin sisällä. Nivelvarsisto välittää = « t « s • · · __ ; ·] kelan liikkeen peilin kallistuskulman muutokseksi. Kelan paikkaa mitataan • · * · φ _ suoraan lineaarianturmäjönka resoluutio on muutamia mikrometrejä.

·:::’ 25 ] • · *

Peilin asennon säätäjä on täydellisenä kuvion 5 mukainen. Käytännössä kui- I

tenkin riittää yksinkertaisempi rakenne, josta ainakin virran säätö 47 on jätetty “ pois. Säätäjän toteutusvaihtoehtoja on ainakin kaksi. On mahdollista, että kelan paikkasäätöön 4T voidaan käyttää valmista kaupallista säätö-ja vahvis- = « « · 30 tinkorttia, esimerkiksi Seidel 02S tai Maxon PSC. Edullisempi vaihtoehto on • · _ kuitenkin tehdä säätö ohjelmallisesti ja käyttää yksinkertaista, kuvion 8 mukaista vahvistinkorttia, jota ohjataan l/O-kortin 30 analogialähdöllä.

I · · 104445 8

Työkoneen 13 tarkka paikanmääritys pystysuunnassa edellyttää, että lasersäteen lähtökulma pystysuunnassa tunnetaan tarkoin. Jatkuva mittaus tästä kulmasta saadaan puhekelaan 17 kytketyltä LVDT-anturilta 21. Kaikkein tarkin tulos saadaan kuitenkin mittaamalla säteen lähtökulma suoraan sätees-5 tä. Tämä toteutetaan käyttämällä joko erillistä laserdiodia 24 tai laserdiodia 1, jolloin rivikamera 25 tarvitsee fokusoivan linssin, rivianturia 25 (esim. CCD-kenno) ja siihen kytkettyä elektroniikkaa. Pystykulmakortin 33 tehtävänä on lukea rivianturin 25 sisältö kerran peilin 3 kierroksella (resoluutio esimerkiksi 2048 pikseliä) ja etsiä mahdollisimman tarkoin ne kameran 25 pikselit, 10 joihin laserin 24 valo osui. Käytännössä laser 24 valaisee rivikamerasta 25 muutamia pikseleitä leveän alueen, jolloin myös kameran 25 antamassa datassa näkyy muutamia pikseleitä leveä valaistu alue. Pystykulmakortti 33 etsii tämän alueen vasemman ja oikean reunan, joiden esimerkiksi painotettu keskiarvo on verrannollinen lasersäteen pystykulmaan.

15

Mittapään ohjauskortti 35 ohjaa pyöritysmoottorin 19 ja puhekelan 17 toimintaa. Se myös lukee vaakakulmakortin 29 FIFOsta kaikkien peilin 3 pyöräh-dyskierroksen aikana havaittujen maamerkkien 5 kulmia vastaavat laskuriluke-mat sekä täyttä kierrosta vastaavan lukeman. Näistä tiedoista se laskee 20 vaakakulman, jossa kukin maamerkki 5 näkyi. Ohjauskortti 35 tietää kaikkien maamerkkien 5 sijainnin ja ajoneuvon 13 sijainnista ja mitatuista kulmista se laskee, mitä merkkiä kukin kulmalukema vastaa. Ohjauskortti 35 myös lukee «i · : pystykulmakortilta 33 kerran peilin 3 kierroksella lukeman, jonka avulla voi- o * ' daan hakea taulukosta vastaava lasersäteen tarkka pystykulma. Ohjauskortti « · · ·1» 25 35 lähettää ajoneuvon 13 paikan ja asennon laskevalle kortille 37 kulmaluke- • · ♦ '·’ 1 mat, niitä vastaavat maamerkkien tunnukset, kuljetun matkan sekä ajoneuvon poikittaiskallistuman kerran jokaisella peilin pyörähdyskierroksella (100 Hz).

« · ·

Mt· • · · l 4 · « 1 «

Mittapään ohjauskortin 35 tehtävät vaativat varsin paljon laskentatehoa. Kor- « k ·

I 1 I

:t / 30 tissa tulee olla liitäntä PC-väylään 36, haihtumatonta muistia ja vähintään yksi rinnakkaisportti.

» » 1 » 1 • · ·» 104445 9

Paikan ja asennon laskentakortti 37 tarvitaan paikan ja asennon laskemiseksi mittaustieto vaaka- ja pystykulmista, joissa maamerkkejä on havaittu. Laskennan tukena voidaan käyttää mittausta kuljetusta matkasta ja ajoneuvon poikit-taiskallistumasta. Nämä tiedot saadaan mittapään ohjauskortilta 35. Paikan 5 ja asennon laskenta on matemaattisesti raskas operaatio, ja jos halutaan päästä useiden hertsien laskentataajuuteen, tulee käytettävissä olla vähintään 486-luokan CPU-kortti. Suuren laskentatehon lisäksi kortilta vaaditaan riittävästi haihtumatonta muistia, yksi rinnakkaisportti ja yksi RS232-portti. Nämä vaatimukset täyttää esimerkiksi ASC486SLC.

10 l/O-korttia 39 tarvitaan syöttämään asetusarvo peilin pyöritys- ja kallistusmoot-toreille. Tähän vaaditaan kaksi 12 bitin D/A-muunninta. Lisäksi tarvitaan analogisia ja digitaalisia tuloja liittymään peilin kallistuskulmaa mittaavaan LVDT-anturiin, työkoneen matkamittariin ja poikittaiskallistusta mittaaviin antu-15 reihin. Lisäksi kortissa tulee olla liitäntä PC-väylään. Vaatimukset täyttää esimerkiksi Ajecon ANDI-MM.

Kuvion 6 mukaisesti laserin 1 lähetyselektroniikka muodostuu oskillaattorista 70, joka ohjaa tehovahvistinta 72. Tehovahvistin puolestaan syöttää laseria 1, 20 jolla on takaisinkytkentä tehovahvistimelle 72.

I I

< 1

IMI

» ~ .:! Kuvion 7 mukaisesti vastaanotinelektroniikka muodostuu tyypillisesti vastaan- * * * : ’’ tottodiodista 7, jonka signaali vahvistetaan esivahvistimessa 74. Saadusta signaalista suodatetaan matalat taajudet alipäästösuotimella 76 ja alipääs- 1 I · ·;;; 25 tösuodatettu signaali integroidaan integraattorissa 78, jonka ulostuloa käyte- ^ • * r tään takaisinkytkentänä valodiodille 7. Toisessa haarassa signaalista erotetaan keskitaajuus f0 kaistanpäästösuodattimella 80. Suodatettu signaali vah- • · · _ • - vistetaan AC-vahvistimella 82. Vahvistetusta signaalista erotetaan pulssin- ~ « · » \ muokkaimella 84 START-ja STOP-pulssit.

# · :,.:’30

* · U

T Peilin 3 pystykulman säätö tehdään esimerkiksi ohjelmallisesti mittapään oh- '· ·' jaustietokoneella. Tässä ratkaisussa tietokone laskee kulman, johon peili ~ t « * » · · » · 104445 10 tulisi ajaa, mittaa peilin nykyisen kulman ja laskee ohjausarvon puhekelaa 17 ohjaavalle vahvistinkytkennälle. Kytkentä on kuvion 8 mukainen. Vahvistin on suunniteltu siten, että se toimii yksipuolisella jännitteellä (OV ja +24V). l/O-kor-tilta 39 tulevan ohjausjännitteen tasoa tulee nostaa noin 12 V, jotta voidaan 5 toimia nollajännitteen ympärillä olevilla ohjausjännitteen arvoilla. Jännite nostetaan zener-diodilla 64, jota syöttää vakiovirtalähde. Puhekelaan 17 syöttää virtaa kaksi teho- operaatiovahvistinta 66, jotka on kytketty siltaan. Tämä kytkentä mahdollistaa koko syöttöjännitealueen hyväksikäytön kelan 17 ohjaukseen. Kytkennnän stabiilisuuden takaamiseksi tulee operaatiovahvistimi- i 10 en 66 syöttöjännitteet puskuroida kondensaattoreilla 68. Lisäksi vahvistimien lähtöjännitteet tulee suodattaa kuvan mukaisesti.

Kuvion 9 mukaisesti tietyökoneen 13 paikannuksessa käytettäviltä maamerkeiltä 5 edellytetään mm. kohtuullista kokoa ja hintaa, säänkestävyyttä ja • 15 helppoa asennettavuutta. Lisäksi merkin 5 tulee olla sellainen, että se on mahdollista havaita riittävän laajalta katselukulma-alueelta ja riittävän suurilta etäisyyksiltä. Eräs tärkeä vaatimus on myös se, että merkistä tulee saada tieto, mille korkeudelle lasersäde osui merkin yli pyyhkäistessään.

20 Edellä kuvatut vaatimukset täyttää esimerkiksi kuvion 9 mukainen maamerkki J 5. Sen kolmion muotoiset heijastinosat 12 ovat esimerkiksi 3M:n valmistamaa ^ · Diamond Grade -heijastinmateriaalia. Tällainen heijastinmateriaali heijastaa ·« · ! · · ·' ** tulevan säteen takaisin säteen tulosuuntaan. Tällaista ominaisuutta kutsutaan retroreflektiivisyydeksi. Heijastimet 12 ovat itseliimautuvia ja voidaan kiinnit- * t * 25 tää esimerkiksi säänkestävälle vanerille. Kolmionmuotoisten heijastinosien 12 f * o väliin muodostuu tasalevyinen heijastamaton väli 94, jonka avulla voidaan määrittää takaisinpalaavasta säteestä merkin 5 keskikohta ja pyyhkäisyn « *«!*, korkeus merkin 5 kohdalla. Merkit 5 voidaan asentaa mielivaltaisiin paikkoihin : /li , tien varrelle, kunhan ne ovat anturin havaittavissa ja asennettu tunnettuun 30 asentoon, edullisesti siten, että heijastamaton väli 94 on pystysuorassa asen- > nossa. Myöhemmin on kuvattu menetelmä, jolla säteen osumakorkeus voi- •. · • » » : daan laskea merkin keskellä.

« * • * · 9 r« 9 · 104445 11

Lasersäteen osumakorkeus merkkiin 5 voidaan ratkaista käyttämällä hyväksi merkin muotoa. Säteen osuessa merkkiin antaa optiikkakortti 27 pulssin molempien heijastavien osien alussa ja lopussa. Näin saadaan mitattua aika, joka säteeltä kestää kulkea kunkin merkin 5 osan 12 ja niiden välin 94 yli.

5 Tästä tiedosta ei kuitenkaan voida ratkaista kuviossa 9 esitettyjä todellisia pituuksia S1, S2 ja S3, koska etäisyyttä ja suuntaa merkkiin ei tunneta. Mittaus antaakin ainoastaan janojen pituuksien suhteet S1/S2 ja sekä S3/S2, joita tässä merkitään tunnuksilla t1 ja t3. Kun säteen kulmaa vaakatasoon nähden merkitään p:lla, voidaan lausua: 10 sin(P) = (h1-h2)/S1 = (h3-h2)/S2 = (h4-h3)/S3 (1) t1 = S1/S2 = (M-h2)/(h2-h3) (2) 15 t3 = S3/S2 = (h3-h4)/(h2-h3) (3) merkitään k=-1/tana (4) SI =V (hl-h2) 2+ (a+kxhl)2 i5) ( i : S2=y/c2+{h2-h3)2 (6)

, 1 I

·< I I » · t · * » 2 :♦·! S3 {h3-h4) 2+a+kxh4)2 (7) v • I · f ψ » a · »· f j ' 20 Etsitty suure h on keskiarvo korkeuksista h2 ja h3: « f t * h = (h2+h3)/2 (8) * * I * • · ·

» » I

Yhtälöistä (1-7) voidaan johtaa h2:lle ja h3:lle lausekkeet: t · '”/25 f . * a1*h22 + (b1+c1*h3)*h2 + d1*h32+ e1*h3 + f1 = 0 (9) k i * I . I I * 104445 12 a2*h3z+ (b2+c2*h2)*h3 + d2*h22 + e2*h2 + f2 = 0 (10) missä 5 a1 =k2+2*k2*t1 +k2*t12 (11) b1=2*a*k*t1+2*a*k (12) c1=-2*k2*t1*(t1+1) (13) 10 d1=k2*t12 (14) e1=-2*a*k*t1 (15) 15 f1 =a2-t12*c2 (16) a2=k2*(1 +2*t3+t32) (17) b2=2*a*k*(1+t3) (18) 20 c2=-2*k2*t3*(1+t3) (19) d2=k2*t32 (20) • · · · • · · • · · ¥ m w 25 e2=-2*t3*a*k (21) • · · l:;:; f2=az-t32*c2 (22) • · · • · · •

Yhtälöistä (9) ja (10) ei ole mahdollista ratkaista h2:ta ja h3:a suljetussa 30 muodossa. Käytännössä paras tapa ratkaista h t1:n ja t3:n funktiona on taulu- • · · \kointi. Tätä varten tarvitaan kolmedimensioinen taulukko, josta mitattujen t1:n ja t3:n avulla haetaan h:lle paras arvo. Riittävän tarkkaan tulokseen päästään

J

i 104445 13 käyttämällä n, 3 x 4000 luvun taulukkoa, jolloin h:n suurin virhe on 2,5 mm.

Taulukosta haku saadaan nopeaksi järjestämällä se t1:n mukaan suuruusjärjestykseen. Mitattua t1:tä hakuavaimena käyttäen etsitään taulukosta puoli-tushaulla se arvo, joka on t1:tä lähinnä. Tämän arvon ympäriltä etsitään 5 taulukosta se rivi, joka minimoi virheen abs(t1-t1,au,)+abs(t3-t3laul). Tältä riviltä löytyy paras arvo h:lle.

Hakumenettelyn laskentatarpeen testaamiseksi kokeiltiin edellä kuvattua algoritmia käytännössä C-kielisellä ohjelmalla. Tehtyjen mittausten mukaan kes-10 tää h:n arvon haku taulukosta tyypillisesti 0,3 ms, kun ohjelmaa ajetaan 50 MHz:n 486-PC:llä. Testin perusteella algoritmi toimii riittävän nopeasti reaaliaikaista mittausta varten.

Kuvion 10 mukaisesti vaakakulmen laskentakortti 29 liitetään PC-väylään 62 15 siten, että sekä kirjoitus kortille että luku siitä ovat mahdollisia. Liitäntälogiikan yksityiskohtia ei tässä esitetä.

Pulssinmuokkain 51 antaa loogisen 1- tason merkin 5 ollessa vastaanotin-diodin 7 näkökentässä ja muulloin loogisen 0-tason. Toiminnan suunnittelussa 20 on ajateltu merkin alkureunan antavan D-kiikun avulla "start"- signaalin ja vas- I I ^ : taavasti loppureunan (=valodiodin 7 signaalin inverssi) vastaavasti "stop"- sig-

( I I

1 « « - ' naalin. Kiikkujen käytöllä pyritään suojautumaan mahdollisesti merkkien reunoilla esiintyviltä nopeilta häiriösignaaleilta sillä kiikut nollataan vasta sopivan

Ml viiveen jälkeen.

: : : ; ' 25

Pyörivän peilin pyörimisnopeutta mitataan sen akselille sijoitetun optisen luku-haarukan avulla. Mm. kuviossa 3 tarkemmin esitetty lukuhaarukka 11 antaa : 360° kiertymäkulman arvolla lyhyen pulssin kerran kierroksella lohkolle 52. ’

Kierrospulssin muodostamiseksi lukuhaarukan 11 LED saa virran vakiojännit- • · 30 teeseen kytketyn vastuksen kautta. Haarukan valodiodi antaa suoraan • · ·

III

: ·' TTL-tasoisen pulssin. Peilin pyörimisnopeutta säädetään toisaalta. Γ • Il • « 104445 14

Maamerkiltä 5 saatavat "start", "stop" ja peilin 3 pyörimisestä saatavat "360"-signaalit aiheuttavat ohjainlogiikkalohkossa 53 kulmaiaskureiden sisällön sekä "start"-, "stop"- ja "360- signaaleiden kirjoittamisen FIFO-muistiin 55.

5 "360"- signaali nollaa laskureiden 54 sisällön FIFO:oon 55 kirjoittamisen jäl keen.

FIFO:oon 55 kirjoituksessa on ohjainlogiikan 53 huolehdittava, ettei kirjoitus koskaan pääse tapahtumaan laskureiden 54 kellosignaalien laskureita askelta-10 valla aktiivisella reunalla, vaan ainoastaan silloin, kun laskurilukema on stabii li.

Väylältä 62 käsin on annettavissa mittaustapahtuman START/STOP- loogiset tilat. STOP- tila pysäyttää mittauksen välittömästi. START- pulssi käynnistää 15 mittauksen seuraavan "360"- pulssin jälkeen.

Laskuri 54 muodostetaan esimerkiksi 8-bittisistä piireistä, jotka ketjutetaan siten, että ne askeltavat samanaikaisesti ja muodostavat yhdessä 24 bitin laskurin. Peiliä on näin ollen mahdollista pyörittää tarvittaessa hyvinkin hi- ···; 20 taasti ilman vaaraa laskureiden 54 ylivuodosta.

• · • I · ·

Il · : \ FIFO-muistien 55 syvyydeksi riittää 64 muistipaikkaa. FIFO-muistit 55 on voitava tyhjentää väylältä 62 käsin. Samoin on niiden "EF" (=empty flag) ja

«M

"FF" (=full flag)-lippujen oltava pareittain (ylimmät/alimmat 16 bittiä) luettavissa 25 väylältä 62. FIFO:oon 55 talletetaan laskurin 54 lukema aina kun kortille saa-daan joko "start"- "stop"- tai "360"-pulssi. Laskurilukeman lisäksi talletetaan tieto siitä, mitä tapahtumaa lukema vastaa ("start", "stop" tai "360"- signaali).

« FIFO:oon jää lisäksi 5 vapaata bittiä, joista ainakin muutamia voidaan ottaa \.I. käyttöön, esim. laskuriketjun ylivuodon ilmaisuun.

*" 30 • · · • ♦ · ·'. Väyläpuskurit 56 liittävät kortin PC-väylään 62. Lukutapahtumassa on FIFO:n ’· ' 55 lähtölaskurin askellettava aina puskurin luvun yhteydessä.

104445 15

Osoitekoodauksella 57 annetaan kortille väylällä 62 esimerkiksi oikosulkupa-loilla valittava kantaosoite. Kortin eri rekisterit "näkyvät" normaaliin tapaan kantaosoitteen ympäristössä alimmilla osoitebiteillä koodattavissa osoitteissa.

5 Kulmakortin eri tiloja kyettävä asettamaan ja lukemaan kirjoitus- ja lukupus-kurin 58 avulla.

Ainakin seuraavat toimenpiteet on oltava asetettavissa lohkon 58 kirjoituspus-kurista käsin: -FIFO-muistien 55 yhtäaikainen nollaus -kulmakortin resetointi 10

Ja seuraavat muuttujat oltava luettavissa lohkon 58 lukupuskurista käsin: -Fl-FO:jen tilat luettavissa pareittain niiden "EF" - ja "FF" - lippujen avulla, -mahdollinen keskeytyksen syy.

15 On edullista keksinnön kannalta, että mitkä tahansa FIFO:jen 55 tilaa kuvaavista signaaleista voitaisiin langoittaa aiheuttamaan keskeytyksen väylälle (esim. loogisen OR- piirin avulla). Keskeytyksen syy olisi luettavissa lukupuskurista. Näin voitaisiin varautua paremmin epänormaaleihin tilanteisiin.

; ; 20 Vaikka maamerkin 5 heijastinten 12 kolmiomuoto on edullinen helpon mate- maattisen hallittavuuden vuoksi, se ei ole ainoa vaihtoehto keksinnön mukai- " \ selle ratkaisulle. Kolmiot 12 voivat olla alaspäin tai näiden sijasta voidaan « « käyttää suunnikkaita tai jopa kaarevia muotoja. Perusedellytyksenä korkeus-• = tiedon saamiseksi maamerkistä on se, että ainakin yhden heijastinkuvion 12 I I · ^ 25 tai välin 94 leveys muuttuu maamerkin 5 korkeussuunnassa yksikäsitteisesti ja [ tämä riippuvuus on vastaanottavan laitteen 14 tiedossa. Yksikäsitteinen le-• · · · - veyden muutos tarkoittaa sitä, että maamerkkielementin 12 tai 94 leveys ei :·!·. ole sama maamerkin 5 kahdessa eri kohdassa korkeussuunnassa. Leveyden riippuvuus maamerkin 5 korkeussuunnassa voi olla esimerkiksi lineaarinen, 30 eksponentiaalinen tai logaritminen. Yksi yksikäsitteisesti muuttuva maamerkin ’ <1 . .

\ 5 osa riittää, mikäli ajoneuvo 13 liikkuu tunnetussa tasossa. Mikäli tarkempaa ! tietoa ajoneuvon 13 sijainnista ei ole käytettävissä, tarvitaan maamerkissä 104445 16 kaksi yksikäsitteisesti muuttuvaa osaa 12 tai 94.

Maamerkille 5 on seuraavassa esitetty tyypillisiä ominaisuuksia: 5 1. Maamerkit 5 valmistetaan 3M:n liikennemerkkikalvosta.

2. Merkit 5 muotoillaan siten, että niistä voidaan laskea sekä säteen korkeus merkin pinnalla, että koneen kallistus merkkiin nähden.

10 3. Merkkin 5 koko on noin 120 * 60 tai 60 * 60 cm. (Sopiva koko määritellään kokeellisesti.) 4. Merkit 5 sijoitetaan tien reunoille siten, että mittausetäisyys ja 15 säteen pystypoikkeutusalue ovat riittäviä.

Keksinnön edullinen suoritusmuoto on suunniteltu toimimaan esimerkiksi seuraavassa toimintaympäristössä: ; 20 1. Työkone 13 voi olla kallistuneena ± 3° vaakatasoon nähden.

\ 2. Työkoneen 13 nopeus eteenpäin on korkeintaan 7 km/h ja 9 · taaksepäin 15 km/h. Peruutettaessa ei tarvitse laskea koneen ‘•'Il asemaa eikä korkeutta muuten kuin siten, ettei kone menetä si- 25 jaintitietoaan tunnetussa ympäristössä.

* •»· «· · 3. Järjestelmä on roiskevesitiivis.

• * * • · · • · 4. Laite toimii kaikissa valaistusolosuhteissa lukuunottamatta rank- '·' 30 kaa sadetta tai sakeaa sumua.

« · · t · ’ * 5. Laite toimii määritellyllä tarkkuudella tiehöylän tärinän kiihtyvyy- 104445 17 den ollessa alle 0,1 g ja amplitudin alle 5 mm.

Seuraavassa on esitetty tyypilliset keksinnön mukaiset suorituskykytavoitteet.

5 1. Lasersäteen pyörintänopeus on säädettävissä ja maksi minopeus on 100 r/s.

2. Lasersäteen pystypoikkeama vaakatasosta on ± 7° ja poikkeu-tusnopeus 50° /s. Poikkeutusnopeus on säädettävissä, (so. laidas- 10 ta laitaan 280 ms). Peilin kulma mitataan puolijohdelaserin ja ri- vianturin avulla.

3. Vaakasuuntainen kohdistusmerkin mittaustarkkuus on vähintään 0,1°. (so. 20 m matkalla 35 mm) 15 4. Pystysuuntainen kohdistusmerkin mittaustarkkuus on vähintään 0,01°. (so. 20 m matkalla 3,5 mm) 5. Mittausetäisyys 3 - 200 m.

20 J

i i i : ;:γ 6. Lasersäteen pystypoikkeutusalue ±7°.

· . 7. Laitteen paikanmääritystarkkuus x- ja y- suunnissa on ±10 cm ’·'· ja z- suunnassa ±2 cm.

i : : J 7 • · · • · · · • * · — • · · -z 9 9 9 9 9 9 9 - f I < 1

Claims (9)

104445 18

1. Ainakin tulevan valonsäteen suuntaan heijastava maamerkki (5) käytettäväksi ajoneuvon (13) sellaisen navigointijärjestelmän (14) maamerkkinä (5), 5 jossa valolähteellä (1) pyyhkäistään toistuvasti ennalta määrätty avaruuskulma ajoneuvon (13) sijainnin määrittelemiseksi kolmiulotteisessa koordinaatistossa, tunnettu siitä, että 10. kukin maamerkki (5) muodostuu vähintään kahdesta eri heijas- tinosasta (12), ja näiden välissä sijaitsevasta heijastamattomasta alueesta (94), - maamerkin (5) ainakin yhden osan (12, 94) leveys muuttuu yksi-15 käsitteisesti maamerkin (5) korkeussuunnassa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen maamerkki (5), tunnettu siitä, että heijastinosat (12) ovat suorakulmaisia kolmioita, joiden väliin muodostuu tasalevyinen heijastamaton alue (94) ; 20

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen maamerkki (5), tunnettu siitä, että heijastinosat (12) ovat tasasivuisia kolmioita ja heijastamaton alue (94) on muodoltaan katkaistu kolmio. ·« · • · · « • M i : :

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen maamerkki (5), tunnettu siitä, että tJi heijastinosat (12) ovat retrorefiektiivistä materiaalia. * · · · • « • · · « · ·

5. Ajoneuvon (13) navigointilaitteisto (14), joka laitteisto käsittää • · · t · I · • · ”.'30 - valolähteen (1), • · · • · • · ’· - heijastinelimen (3) valolähteen (1) valon heijastamiseksi kohtee- 104445 19 seen (5), - vaakapoikkeutuselimen (19) heijastinelimen (3) poikkeuttamisek-si vaakasuunnassa ja näin valon pyyhkäisemiseksi halutussa ava- 5 ruuskulmassa, - pystypoikkeutuselimen (17) heijastinelimen (3) poikkeuttamiseksi pystysuunnassa, ja 10. vastaanottoelimen (7) kohteesta (5) takaisin heijastuneen valon vastaanottamiseksi, tunnettu siitä, että 15. valolähde (1) ja vastaanottoelin (7) on sijoitettu samalle optiselle akselille siten, että valolähde (1) sijaitsee kohdistavan linssin (2) keskellä, ja - laitteisto (14) on varustettu asennon määrittelyelimillä (24, 25) 20 heijastinelimen (3) asennon määrittämiseksi. * «

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laitteisto (14), tunnettu siitä, että • · i asennon määrittelyelimet koostuvat valolähteestä (24) ja rivikamerasta (25). « T • « · · · ·

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laitteisto (14), tunnettu siitä, että asennon määrittelyelimien valolähteenä (1) toimii sama valolähde joka on | 1**1 _ valolähteenä maamerkille (5) suunnattavalle säteelle. 7 • — «· « - * · < - • * _ '···.

8. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laitteisto (14), tunnettu siitä, että « · 30 pystypoikkeutuselin (17) on puhekela. « · · — • · * · » · I

* ’ 9. Menetelmä ajoneuvon (13) sijainnin määrittämiseksi maastoon sijoitettujen 104445 20 maamerkkien (5) avulla, jossa menetelmässä - ajoneuvosta (13) kohdistetaan ympäristöön pyyhkäisevä valonsäde maamerkkejä (5) kohti, 5 - maamerkeistä (5) takaisinheijastuneet valonsäteet vastaanotetaan ja ilmaistaan, tunnettu siitä, että 10 - ainakin kolmesta maamerkistä (5) heijastuneiden vähintään kahden pulssin pituudesta ja lähtevän säteen kulmasta lasketaan ajoneuvon (13) korkeusasema. MM· • · • · * f « · · · • 1 « f : : Ml • » « · « · · • * · • · · = · M · •'ll r i r • i • · | « I i f « I • · * • · · a 104445 21