KR100287834B1 - 무인차량의 안내장치 및 안내방법 - Google Patents

Abstract

수평노면 중의 전류를 수반하는 가이드 케이블로 한정된 경로를 따라 무인차량을 안내하기 위한 방법 및 장치는 주코일 축선을 가지는 제1 코일을 수평면에 대해 +45°로 상기 차량상에 설치하고, 주코일 축선을 가지는 제2 코일을 상기 제1 및 제2 코일의 축선들이 서로 교차하도록 수평면에 대해 -45°로 상기 차량상에 설치하고, 전자장의 방사형 벡터 및 원형 벡터 양자를 각 코일로서 감지하고, 각 코일의 방사형 벡터의 진폭을 원형벡터의 진폭과 비교하여 상기 코일들의 축선들의 교차점의 측방향 위치가 가이드 케이블에 관련하여 결정되어져서 상기 경로에 대한 상기 차량의 측방향 변위를 나타내도록 하고 그리고 차량조향 시스템에 변위정보를 이용하는 것을 포함한다.

Description

무인차량의 안내장치 및 안내방법{Method and Apparatus for Guiding a Driverless Vehicle Using a Sensor Tracking a Cable Emitting and Electromagnetic Field}

본 발명은 노면에 묻힌 가이드 케이블을 따라 무인차량을 안내하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정보를 이용하여 차량을 조향시키는 가이드 케이블에 대한 차량의 측방향 변위를 측정하여 가이드 케이블을 추적하도록, 차량에 × 구조로 2개의 검출코일을 위치시켜 특정의 전자장 진폭과 관계 없이 전자장 방향 벡터를 감지하게 되는 것에 관한 것이다.

무인 차량을 가이드 케이블을 따라 자동적으로 안내시키기 위해 서로 수직으로 배치된 코일들이 무인차량에 장착되어 가이드 케이브를 둘러싸는 전자장을 검출하게 된다. 공지의 장치에 있어, 일측 코일은 수직으로 배치되고 타측코일은 수평으로 배치된다. 코일들에 유도된 전압이 가이드 케이블에 대한 코일의 측방향 위치를 비교하여 결정한다. 이 위치정보는 처리되어져서 차량을 조향시킨다.

이들 코일에 관련된 출력전압은 가이드 케이블의 전류주파수, 가이드 케이블 전류진폭, 가이드 케이블로부터 반경거리, 코일코어크기(즉, 코어의 직경 및 길이), 코일권수 및 베타 각도로서 언급되는 케이블로부터 코일 중심까지의 라인에 대한 코일의 주축선들 간의 각도와 비례하여 변화한다.

각 코일이 전자장을 발생시키는 케이블에 수직한 평면으로 회전됨에 따라, 코일코어가 플럭스의 원형기력선에 평행하여 졌을때 그의 출력이 최대로 된다. 그리고 코일코어가 플럭스에 수직할때 즉, 와이어를 가리키거나 와이어로부터 멀어질때 그의 출력은 최소(제로)로 된다. 따라서 코일의 상대적인 효과는 각도 베타의 '싸인'값으로서 변경된다.

싸인(베타) 용어는 각 코일위치에서 감지된 원형 전자장의 반경비를 나타내어 센서출력에 영향을 미친다. 따라서, 그 코일들 사이에 감지된 진폭의 차이는 반경항목, 각 코일과 케이블 전류사이의 각각의 거리를 기초로 한다. 이들 팩터들의 변경은 출력시그널에 깊은 영향을 미친다. 또한, 베타 각도에 따라, 종래 장치에 관려된 방사형 및/또는 원형 전자장 정보중 어떤것은 버려져야 하고 결국 이상적인 시그널/소음 비율보다 작아지게 된다. 종래기술의 코일구성을 갖는 또 다른 단점은 코일들에 의해 제공된 정보가 가이드 케이블로부터 적절한 측방향 변위만을 나타낼 뿐 측방향 변위의 측정 거리 또는 거리를 나타내지 않는다는 것이다. 따라서, 차량조향 수정은 변위의 반대 방향에서만 행해져 정교하지 못하다.

본 발명의 목적은 가이드 케이블로부터 차량의 측방향 편차를 측정하는 노면에 배치된 가이드 케이블을 따라 무인차량을 안내하는 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 종래 장치상에 케이블의 증진된 '필드 오브 뷰(field of view)'을 가지는 노면중의 가이드 케이블을 따라 무인차량을 안내하는 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 노면중에 배치된 가이드 케이블로부터 감지된 측방향 변위를 토대로 무인차량을 안내시키는 오프-센터 변위 측정정보를 제공하는 수직배치형 코일들을 포함하는 장치를 제공하는 것으로서, 이때 변위는 전자장 방향 벡터로부터 단독으로 결정되는 것이지 모든 전자장 진폭성분과는 무관하다.

본 발명의 또다른 목적은 노면에 배치된 가이드 케이블 상에 무인 차량을 안내하기 위한 측정값이 되는 에러시그널을 제공하는 단일 측정 포인트의 전자장 방향 벡터를 감지하기 위한 방법을 제공하는 데 있다.

상기 및 기타 목적을 수행하는 데 있어, 노면에 배치되어 케이블 둘레의 공간에 전자장을 발생시키는 전류를 수반하는 가이드 케이블에 의해 정해진 경로를 따라 무인차량을 안내시키는 케이블 둘레의 전자장의 방향 및 진폭을 감지하는 센서를 포함한다. 이 센서 주축선들의 상기 차량상에 × 코일 구조로 설치되어 전류의 방향으로 교차되고 아울러 노면에 대해 ±45°로 배향된 제1 및 제2의 이격된 검출 코일들에 의해 규정된다. 각 검출코일은 주어진 포인트에서 자기장의 방사형 및 원형 필드벡터 모두를 감지하고 이들 제1 및 제2 검출 코일과 연통한 프로세서가 방사형 벡터의 진폭과 원형벡터의 진폭을 비교하여 상기 가이드 케이블에 대한 센서의 측방향 위치의 측정 값이 결정되어진다.

수평노면에 배치되어져서 케이블 둘레의 공간에 전자장을 발생시키는 전류를 수반하는 가이드 케이블에 의해 한정된 경로를 따라 무인차량을 안내하는 방법이, 1차 코일을 상기 차량의 수평선에 대해 주코일 축선이 ±45°로 되도록 설치하는 단계,

2차 코일을 상기 차량의 수평선에 대해 주코일 축선이 -45°로 되도록 하여 1차 및 2차 코일의 축선이 전류의 방향으로 서로 교차하도록 설치하는 단계.

각 코일의 전자장의 방사형 및 원형 필드벡터 양자를 감지하는 단계,

경로 오프-센터 변위정보에 대한 코일 축선의 교차점을 측방향 위치를 설정하기 위해 방사형 벡터의 진폭과 원형 벡터의 진폭을 비교하는 단계, 및

차량을 조향시키기 위해 상기 정보를 스티어링 어셈블리에 전달하는 단계를 포함한다.

제1도는 가이드 케이블에 의해 안내되어진 무인차량의 전방 또는 후방의 개략적인 도해도.

제2도는 본 발명에 따른 수평선에 대해 ±45°로 설치된 제1 및 제2 코일들, 교류전류를 전달하는 가이드 케이블로 인한 전자장(electromagnetic field)의 기력선 및 전압 백터들을 예시하는 도해도.

제3도는 검출코일들 중에 발생하는 다양한 전압 및 아웃푸트 오프센터 거리 측정 시그널(output off cencter distance mesurement signal)에 대한 이들의 전환을 예시하는 블록선도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 무인차량 12 : 가이드 케이블

14 : 노면 16 : 센서

18, 20 : 코일

본 발명의 상기 및 기타 목적, 특징 및 잇점은 첨부도면을 참고로 한 다음 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

제1도에 있어, 수평노면(14)중에 배치된 가이드 케이블(12)을 따라 추종하는 무인차량(10)이 전후방 양쪽이 같은 것으로 도시되어 있다. 이 차량(10)상에 설치된 것은 코일 크기가 동일한 2개의 검출코일(18, 20)로 한정된 센서(16)이다. 일측 코일(18)은 노면(14)에 대해 +45°로 설치되고, 타측 코일은(20)은 -45°로 설치된다. 그리고, 이들 코일들간의 종방향 간격은 적어도 1코일코어길이와 동일하다. 용어, +45°와 -45°는 노면(14) 또는 수평선에 대해 코일 또는 코일코어의 축선의 각도를 나타내는 것이다. 이들 코일(18, 20)의 축선은 전류흐름의 방향과 교차한다. 가이드 케이블(12)은 교류전류를 수반하는데, 교류전류는 비방해시 코일(18, 20)중에 전압을 발생하는 원형 자장선을 가지는 저자장을 발생시키고, 상기 전압은 가이드 케이블(12)에 대해 차량(10)의 측방향 오프센터위치를 측정하여 후속적으로 케이블을 따라 차량을 조향시키는데 이용되기도 한다.

무인차량(10)이 케이블(12)상에 안내되는 방법을 제2-4도를 참고로하여 설명하기로 한다. 제2도의 점선은 가이드 케이블(12)을 둘러싸는 자기장의 원형벡터들을 나타내기 위한 것이다. 이들 필드라인들은 케이블(12)의 부근이 강자성 물체 및 필드라인들의 원형 단면을 비틀수도 있고 기타 전류 운반체에 제한되지 않는 경우를 나타내고자 한 것이다. 검출 코일(18, 20)의 정면높이(h)는 일정하게 남는다.

각 주축선이 수평선에 대해 ±45°로 위치한 코일(18, 20)의 설치 기하로 인해, 각 코일은 출력전압을 발생시키고 이 출력전압은 가이드 케이블(12)의 원통형 전자장의 수평 및 수직부분의 벡터 총합이 된다. 센서(16)가 케이블상의 중심에 있을 때 각 코일(18, 20)은 동일한 수평 및 수직 시그널 진폭을 나타낸다. 그러나, 각 시그널의 부호는, 각 코일(18, 20)이 그들의 주축선의 서로 다른 측면상에서 소오스를 나타내기 때문에, 서로 반대가 된다. 센서(16)가 가이드 케이블(12)의 좌측 또는 우측에 대해 측방향으로 움직였을 때, 각 코일(18, 20)의 출력은 수평면에 대한 그의 방위값(±45°) 및 수직면에서의 에러 각 세타 총합의 함수로서 변경된다.

코일의 시그널 또는 전압 어느쪽도 그의 주축선이 가이드 케이블(12)에 수직할 때 최대로 되고 반대로 주축선이 가이드 케이블 쪽으로 향해졌을 때 최소(제로)로 된다. 이들 코일(18, 20)이 그의 원통형 전자장을 자르면서 케이블(12)에 평행한 평면으로 이동하기 때문에, 이들 출력 시그널의 형상은 베타 코일 1 또는 2의 sin 값에 비례한다.

따라서, 센서(16)의 참 위치 또는 후술하는 바의 피이드백 루프를 위한 그릇된 위치정보는 방사형 벡터차를 코일(18, 20)에 의해 감지된 원형 벡터 총합으로 나눔으로써 알게 된다. 실제 부호는 원형 벡터의 차로 나누어진 벡터의 총합이 되는 것을 의미하나, '가이드 세이프(guid-safe)'를 순시하기 위한 하드웨어 위상 비교 측정기 연산을 보호하기 위해 코일(18, 20)의 극성은 센서(16)가 케이블(12)상에 중심잡혔을 때 코일들의 출력 위상으로부터 180°가 되도록 선택된다. 따라서 센서(16)가 케이블(12)상에 중심잡혔을 때, 벡터들은 반대 부호의 것과 동일하고, 방사형 벡터들은 분자(分子)에서 생략되고, 원형 벡터들은 분모(分母)에서 이중으로 더해진다. 높이가 +로 남아 있기 때문에, 즉 센서(16)가 케이블(12)상에 머무르기 때문에, 분모는 결코 제로(0)에 도달하지 못하고 무효한 분할 연산을 초래한다.

제2도에 있어, 다음 공식이 적용된다.

시그널 코일1 = K1 × sin (베타 코일 1)

시그널 코일2 = K1 × sin (베타 코일 2)

따라서,

다음은 상기 선형 측정공식의 수학적 증명을 나타낸다.

제한조건 :

수직으로 부터 시계방향(CW)각도 : +로 표시

반경(r) : 코일(18, 20)의 중심과 케이블(12)의 중심간의 라인/거리

전류 : 와이어의 전류

주파수 : 전류의 주파수

높이(h) : 케이블로부터 코일(18, 20)이 이동할 수 있는 수평평면까지의 수평거리

거리(d)(±) : 케이블로부터 코일들의 중심까지의 수평거리

알파 코일 1 : 코일 1의 오프-수직각도 (+45°)

알파 코일 2 : 코일 2의 오프-수직각도 (+45°)

세타 : 반경과 높이의 에러각도

K1 : 전류, 주파수 및 인덕탄스에 비례하고 반경에 반비례

시그널 코일 1 = K1 × sin (베타 코일 1)...................(식 1)

시그널 코일 2 = K1 × sin (베타 코일 2)...................(식 2)

제2도에서 알 수 있는 바와 같이,

베타 코일 1 = 세타 - 알파 코일 1

및

베타 코일 2 = 세타 - 알파 코일 2

그 이유는 세타 = 알파 코일 1 일때, 베타 코일 1은 제로로 되고, 세타 = 알파 코일 2 일때, 베타 코일 2는 제로가 된다.

따라서,

시그널 코일 1 = K1 + sin (세타-알파 코일 1)..............(식 3)

시그널 코일 2 = K1 + sin (세타-알파 코일 2)..............(식 4)

sin(A-B) = sin(A) × cos(B) - cos(A) × sin(B)의 삼각공식으로부터, 상기 식3 및 식4는 다음과 같이 설명될 수 있다.

시그널 코일 1 = K1 × (sin(세타) × cos (알파 코일 1) - cos (세타) × sin (알파 코일1))................(식 5)

시그널 코일 2 = K1 × (sin(세타) × cos (알파 코일 2) - cos (세타) × sin (알파 코일2))................(식 6)

제한조건에 의해,

알파 코일1 = 45° + 알파 코일 2 = -45°

알수 있는 바, sin(알파 코일1) = cos(알파 코일 1) = -sin(알파 코일 2) = cos(알파 코일 2)

모든 진폭은와 동일하고 이는 0.007…과 동일하다.

아울러 제2도에 예시한 기하로서, 다음을 알 수 있다.

sin(세타) = 거리/반경 = d/r

및

cos(세타) = 높이/반경 = h/r

식 5 및 식 6은 대입(치환)에 의해 다음과 같이 단순화시킬 수 있다.

시그널 코일 1 = K1 × (d/r × 0.707 - h/r × 0.707)

시그널 코일 2 = K1 × (d/r × 0.707 - h/r × -0.707)

또는

시그널 코일 1 = K' × (d-h)

시그널 코일 2 = K' × (d+h)

K'=(K1 × 0.707)/r

센서의 높이(h)의 항으로 소정의 에러거리(± d)를 풀기위해, 2개의 코일 출력은 다음과 같이 결합된다.

따라서,

이 해법의 이용은, 무인 차량의 조향을 위한 공지의 기구와 공동하여 제3도의 블록선도에 예시한 바와 같이 이행될 수 있다.

제3도에 대해, 단순한 가·감·승·제가 모두 이 해법의 실행에 필요한 것임을 알 수 있고, 또한 아날로그나 디지탈 전자계산기 어느것이로든 간에 취급할 수 있다. 부가적인 시그널 상태조정, 즉, 필터링, AC복조, A/C변환도 쉽게 수행될 수 있다.

센서(16)를 사용하기 위해서는, 코일(18, 20)의 출력을 동기적으로 복조하여서 부호정보를 보호하도록 하여야 한다.

제4도는 무인차량(10)의 조향 시그템에 'X-코일'센서를 실행시키는 1 방법을 위한 블록선도를 예시한다.

제4도에 있어, 상기 설명한 'X-코일' 구조의 일예가 ±3인치의 하드웨어 '가이드-세이프'폭을 따르면서 100밀리암페어의 가이드경로 케이블 상에 3인치의 작용 높이로 조향하는 차량(10)에 설계되었다. 그러나, 이들 경우, 센서높이(h)가 더 높거나 낮아도 되고 후술하는 소프트웨어 '가이드-세이프' 특징은 센서(16)가 1 내지 8인치 높이범위를 쉽게 커버 할 수 있도록 맞추어질 수도 있다. AGC의 사용으로, 디지탈 조향 패키지는 20 내지 400밀리암페어의 케이블 전류범위, 1 내지 6인치의 높이범위 및 ± 12인치의 수평변위 범위를 취급할 수 있다.

하이 Q필터 및 동기 복조장치를 이용하기 때문에, 주파수 및 위상의 비동기성의 외부 시그널들은 부인된다. 그러나 부인되지 않는 하나의 시그널은 경로중의 '리턴 컷(return-cut)'과 같은 동일한 와이어이다. 리턴컷은 전자장을 비틀어 버리고 그에 의해 센서에 의해 알 수 있는 바와 같이 널(null)을 이동시킨다. 이 비틀어짐 현상은 센서의 각 케이블까지의 거리에 직접 비례값 되는 널 시프트(null shift)를 야기시키고, 다시 말하면, 높이가 3인치이고 리턴컷이 24인치인 경우, 널은 '리턴 컷'의 위상에 따른 시프트의 방향으로 단위 출력위치(3인치 높이에서 3인치)를 3/24배로 또는 인치당 3/24 × 3=3/8배로 이동할 것이다. 2케이블 간의 절반거리 위치해서, 모든 것은 최종 원형벡터로서 되지 않고, 디비젼(division)이 제로로 된다. 직선성 역시 20피트로서 접근하는 '리턴 컷'으로 인해 10 내지 12인 범위로부터 멀어진다. 이런 이유로, 전류 패키지는 수평변위 ±8인치에서 ±의 완전범위로 센서의 출력시그널을 비교한다.

따라서, 센서(16)에 의해 알 수 있는 필드는 좌현 및 우현의 방향을 상실하지 않고 크게 증대된다. 이는 오프-와이어 기동(off-wire maneuver) 회복 절차를 개선시킨다. 아울러 크게 개선된 직선성, 및 차량 센서높이의 엔트리를 위한 전류 준비와 더불어, 모든 출력은 ±8인치의 일정한 비율로 되고, 그에 의해 '리턴 컷'을 위해 그리고/또는 부하의 중심을 위해 ±4인치의 오프-와이어 조향조정부를 제공하게 된다.

넓은 '필드 오브 뷰(field of view)' 및 직선성 양자는 다양한 프로그램화' 가이드-세이프' 한계를 제공한다. 이 특징은 ANSI규격이 그와 같은 연산을 위한 ±6인치 가이드-세이프 윈도우를 허용하기 때문에 '오프-와이어 기동'을 순시하는 데 매우 유용한 것으로 증명되었다. 내부 하드웨어 위상 비교기는 주 ± '가이드 세이프' 출력을 제공한다. 그러나, 이 윈도우는 모든 센서 높이를 위한 ±3인치로 고정되지는 않는다.

'X'-코일' 구조와 더불어 ± '가이드 세이프' 윈도우는 와이어 상의 코일(18, 20)의 높이(h)와 동일하게 된다. 다시 말해 와이어상에 3인치로 중심잡힌 센서(16)에 있어, '가이드-세이프' 윈도우는 ±3인치가 되고 또한 와이어 깊이가 ±1/2 인치만큼 변경되면 윈도우는 ±1/2인치 변경될 것이다.

차량 마이크로프로세서의 제어하에, 디지탈 조향 소프트웨어는 활성화 되어 있는 '가이드-세이프' 시그널들 중 하나 또는 양자를 제어한다.

본 발명을 수행하는 최선의 모드가 상세하게 설명되었지만, 당업자는 본 발명을 실시하는 데 있어 첨부된 특허청구 범위로서 한정된 바와 같이 다양한 대안적인 설계와 실시예가 가능함을 알 수 있을 것이다.

Claims (11)

1. 수평노면에 배치된 가이드 케이블에 의해 한정된 경로를 따라 무인차량을 안내하기 위한 장치로서 상기 가이드 케이블은 전류를 수반하여 가이드 케이블을 둘러싸는 공간에 전자장을 발생시키게 되어진, 상기 무인차량 안내장치에 있어서,

   전자장의 방향 및 진폭을 감지하는 센서 수단을 포함하고,

   상기 센서수단은 상기 차량상에서 주축선들이 서로 교차하여 상기 노면에 대해 ±45°로 배향되도록 X-코일 구조로 설치되는, 서로 이격된 제1 및 제2 검출코일을 포함하며,

   각 검출코일은 상기 전자장의 방사형 및 원형 필드벡터 양자를 감지하고, 그리고

   상기 제1 및 제2 검출코일들과 연통하는 비교수단을 포함하여서 방사형 벡터의 진폭과 원형벡터의 진폭을 비교하고 그에 의해 상기 가이드 케이블에 대한 상기 센서수단의 측방향위치가 결정되어지도록 한 것을 특징으로 하는 무인차량 안내장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 코일이 동일한 코어길이 및 코어 직경을 가지며 또한 상기 코일들간의 종방향 간격은 1 코어길이와 동일한 것을 특징으로 하는 무인차량 안내장치.
3. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 측부를 가지는 장착판을 아울러 포함하여서 상기 제1 검출코일을 상기 장착판의 제1 측부에 +45°로 그리고 상기 제2 검출코일을 상기 제2 측부에 -45°로 장착시키며 또한 상기 장착판은 상기 차량에 고정되어진 것을 특징으로 하는 무인차량 안내장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 비교수단이 감지된 전자장 방사형 벡터를 원형 벡터로 분할하고 그 비율은 상기 센서의 수평변위를 상기 케이블 상의 센서의 높이로 분할한 것에 비례하는 것을 특징으로 하는 무인차량 안내장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 비교수단과 연통하는 차량조향 수단을 아울러 포함하여서, 상기 비교수단으로부터 수정된 출력에 응하여 상기 차량을 조향시키도록 한 것을 특징으로 하는 무인차량 안내장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 조향수단이 디지탈 조향시스템인 것을 특징으로 하는 무인차량 안내장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 조향수단이 아날로그 조향시스템인 것을 특징으로 하는 무인차량 안내장치.
8. 수평노면에 배치된 가이드 케이블에 의해 한정된 경로를 따라 무인차량을 안내하기 위한 방법으로서, 상기 가이드 케이블이 전류를 수반하여 가이드 케이블을 둘러싸는 공간에 전기장을 발생시키게 되어진, 상기 무인차량 안내방법에 있어서,

   주코일 축선을 가지는 제1 코일을 수평면에 대해 +45°로 상기 차량상에 설치되는 단계,

   주코일 축선을 가지는 제2 코일을 상기 제1 및 제2 코일의 축선들이 종방향을 서로 교차하도록 수평면에 대해 -45°로 상기 차량상에 설치하는 단계,

   전자장의 방사형 벡터 및 원형 양자를 각 코일로서 감지하는 단계,

   각 코일의 방사형 벡터의 진폭을 원형벡터의 진폭과 비교하여 상기 코일들의 축선들의 교차점의 축방향 위치가 가이드 케이블에 관련하여 결정되어져서 상기 경로에 대한 상기 차량의 측방향 변위를 나타내도록 한 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인차량 안내방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 제2 코일의 장착단계가 상기 코일들을 종방향으로 적어도 1코일길이만큼 이격시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 무인차량 안내방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 측방향 변위정보를 차량조향을 위한 컨트롤러에 통신 시키는 단계를 아울러 포함하는 것을 특징으로 하는 무인차량 안내방법.
11. 제8항에 있어서, 상기 코일들의 축선의 교차점의 측방향 위치가 다음식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 무인차량 안내방법.

    이때, 거리(±) = 케이블로부터 코일들의 중심까지의 수평거리

    높이 = 케이블로부터 코일들이 이동할 수 있는 수평면까지의 수직거리임.