SE419583B - Sjelvgaende vagn - Google Patents

Description

'7900993-2 kansbeskrivning noteras att vagnen är försedd med en körsträckedetek- tor, som är anordnad att mäta fordonets tillryggalagda sträcka. Detek~ torn består av ett kugghjul, som är fast monterat vid ett av fordons- hjulen, jämte en avkännare, ej närmare beskriven, vilken uvkünner kug- garnas förbipassage under färd, varvid den tillryggalagda sträckan är proportionell mot antalet förbipasserade kuggar.

Erfarenheten i praktisk drift av fordon såsom gaffeltruckar och olika slag av vagnar, som följer spår av elektrisk slingtyp, har varit myc- ket goda. Mycket sofistikerade system har kunnat byggas upp, med vilka tid och arbete sparas. Det är emellertid naturligt att dessa system i första hand och hittills fått sin tillämpning där förhållandena varit uppenbart tacksamma, i form av lätthet att anordna elektriska slingba- nor och förefintlighet av arbetsuppgifter som sällan ändras. Dylika förhållanden finns emellertid ej alltid, det är i många fall både svårt och dyrt att lägga ned de banorna bestämmande kablarna, och man kan ha behov av ett flexibelt system eller många olika rörelseprogram för_vagnarna, vilket skulle medföra ett synnerligen vidlyftigt system av slingor, medförande inte minst svårigheter för vagnarna att hålla reda på de olika signalerna från golvet utan att förväxla dem.

En självgående vagn av inledningsvis nämnt slag är beskriven i ameri- kanska patentskriften 3 715 572, vari avrullningen av två fasta hjul mäts och jämförs, så att det är möjligt att bestämma fordonets-rörelse på entydigt sätt samt att genom inverkan på styrhjul med ledning av mätdata bringa fordonet att följa en förutbestämd bana. Det är därmed möjligt att låta fordonet styras efter en bestämd kurva i ett xy-plan.

Genom en dylik konstruktion är det i princip möjligt att ersätta styr- ningen av gaffeltruckar och liknande utefter materialiserade spår (slingor etc.) mot en styrning i förhållande till "icke-materiella” spår, dvs en anvisning som kan ligga i själva fordonet, angivande den bana som skall följas.

En analys ger emellertid vid handen, att det erbjuder särskilda svå- righeter att uppnå en stabil styrning av detta slag, som förmâr hålla fordonet styrt till en förutbestämd bana eller trajektoria. Dessa prob- lem accentueras, när fordonets hastighet ökar. Det är ett syfte med uppfinningen att åstadkomma en god lösning på de styrproblem som före-' ligger, när fordon av det inledningsvis nämnda slaget skall styras.

Detta och andra syften uppnås enligt uppfinningen därigenom att en 7900993-2 självgående vagn av inledningsvis nämnt slag förses med medel för be- stämning av avrullningsmätningarna av vagnens avvikelse i förhållande till den bestämda banan i sidled och dess attitydfel i förhållande därtill vid successiva samplingstillfällen, jämte medel för att bestäm- ma skillnaden vid tvâ på varandra följande samplingstillfällen mellan uppmätta sídfel, utgörande ett mått på en sidorörelschastighet, samt mellan uppmätta attitydfel, utgörande ett mått på en vridhastighet i förhållande till banan, medel för beräkning av en viktad summa av se- naste bestämda sidfel, attitydfel, vridhastighet och sidorörelsehastig- het, samt medel för att i beroende av denna viktade summa inställa vag- nens styrmedel, så att följning uppnås av den bestämda banan.

Särskilt lämpligt är det därvid om vagnen är försedd med medel för för- höjning av viktningstalet för attitydfelet då sidfelet och attitydfe- let båda är riktade ät samma håll.

Uppfinningen utesluter ej nödvändigheten att åtminstone någon gång ibland avkänna vagnens verkliga läge, vilket kan ske genom någon av de kända metoderna. Det går nämligen ej att räkna med en perfekt precision vid körning under "död räkning", utan en då och då utförd uppdatering är nödvändig. Man kan även tänka sig att vagnen under vissa stycken av en bana följer ett "spår" och för övrigt arbetar med "död räkning".

Principen för vagnens funktion kan utan begränsande syfte och i korthet förklaras på följande sätt.

Vagnen, som har styrhjul och drivande hjul, är försedd med tvâ mot un- derlaget rullande, frilöpande hjul, företrädesvis anordnade på i rym-I den sammanfallande axlar och placerade på var sin sida av fordonet.

Dessa mäthjul, som kan men ej behöver vara lastbärande är försedda med var sin anordning, som mäter avrullad sträcka. Om vagnen rullar rakt fram, kommer de mätta sträckorna i det enklaste fallet att bli lika stora, men om vagnen rör sig efter en krökt bana, så kommer mät- värdena att bli olika. Det är möjligt att med dessa mätvärden faststäl- la vagnens faktiska läge, åtminstone om kontinuerligt upptagna data föreligger. I praktiken kommer man att mäta de avrullade sträckorna med bestämda och någorlunda korta intervall, tillräckligt korta för att den under varje intervall tillryggalagda sträckan skall kunna med god approximation beskrivas som en cirkelbâge. Den döda räkningen ut- gör då i princip en beskrivning av tillryggalagd trajektoria bestämd 7900993-2 av en summering av dylika cirkelbågar med olika-krökningsradier, var- igenom läget i varje ögonblick är beräkningsbart.

Om vi sålunda antar att under rörelse efter en cirkelbåge vagnens mä- tande vänsterhjul rullar sträckan Axv och högerhjulet Axh samt att av- ståndet mellan hjulen är a, så inses genom elementära geometriska över- väganden att längden av den tillryggalagda cirkelbågen med radien r och från krökningscentrum upptagande vinkeln u, kan skrivas: Ax + Ax m :JTJ <1! medan krökningsradien erhålles av uttrycket r : É Axh + Axv (2) 2 Axh - Axv När det gäller att styra vagnen efter en bestämd trajektoria med hjälp av död räkning, kan man tänka sig flera möjligheter att åstadkomma detta. I och med att koordinaterna för vagnen är kända i något koordi- natsystem, kan dess läge och riktning genom koordinattransformation fastställas i varje annat koordinatsystem. Man kunde för en enkel styr- princip taga fasta på en i förhållande till vagnens egna koordinater fast punkt, belägen framför densamma i åkriktningen, samt beräkna dess avvikelse från en tänkt börtrajektoria i rummet och låta avståndet mellan den så bestämda punkten och börtrajektorian bestämma utslaget för ett styrhjul. Denna styrprincip är känd vid anläggningar med "spår" bestående av slingor i golvet, och styrprincipen brukar familjärt kal- las "tummen i spåret". Styrekvationen kan då göras utomordentligt en- kel, och vinkeln för vagnens styrande hjul kan göras direkt proportio- nell mot den fastställda avvikelsen mellan den beräknade, vagnfasta punkten och den trajektoria som man vill följa.

Enligt uppfinningen har vi emellertid velat bättre utnyttja de mätvär- den som föreligger från de två mäthjulen, och särskilt vagnens vinkel- ställning eller attityd i förhållande till börtrajektorian. Om vi så- lunda antar att attityden vid början av ett mätintervall av det nämn- da, kortvariga slaget, där rörelsen kan approximeras med en cirkelbåge, är @1 och vid dess slut är ez och avståndet mellan börtrajektorian och mittpunkten mellan mäthjulen före intervallet är s1 och efter detta är w sz, samt börtrajektorían med hänsyn till dess radie motsvaras av ett grundvärde för styrhjulsvinkeln ög, så kan vi vid intervallets slut 7900993-2 beräkna ett nytt, lämpligt värde 6 för styrhjulsvinkeln genom uttryc- ket $ ' $ S ~ S Ö=a.$2+b-å-:A1f1+C.S2+d~_2-ÄÉ-l* + $ e e = 1 om sz och oz har samma tecken 2 e = 0 i annat fall + f . (ög - Ga) (3) där a, b, c, d, e, f är konstanter i styrekvationen, At är längden för tidsintervallet och da är det faktiskt föreliggande värdet på styrhjulsvinkeln.

Om nu konstanterna i denna styrekvation är lämpligt avpassade, så er- hålles en stabil och välavvägd följning av normalt förekommande tra- jektorior.

Den föredragna variationen i konstanten e har samband med det förhål- landet, att om sz och oz har samma tecken, dvs så att vagnens styr- riktning är riktad utåt från banan samtidigt som vagnen ligger fel åt samma håll, så bör den korrigerande styrinsatsen vara väsenligt stör- re än om vagnattityden är felaktig åt ena hållet men sidfelet är rik- tat åt andra hållet, vilket ju faktiskt kan betyda att ingen styrin- sats alls bör genomföras, eftersom vagnen då är på rätt väg att korri- geras till trajektorian.

Normalt är börvärdestrajektorian upplagd som en serie efter varandra följande segment bestående av räta linjer och cirkelbâgar som skall 'följas av den självgående vagnen, och genom den successivt framkom- -w mande informationen från de bâoa mäthjulen kan vagnen styra in sig där- emot. Om banan är sluten, är det lämpligt att på något parti därav, företrädesvis på en raksträcka, anordna en markering i golvet av tidi- gare känt slag, varigenom uppdatering av koordinaterna sker.

Vid fastställande av banan kan det vara lämpligt, särskilt vid rela- tivt små krökningsradier, att banan ej direkt tillåtes övergå från exempelvis ett rätlinjigt avsnitt till en viss krökningsradie. Detta följer bland annat av den plötsligt uppträdande accelorationen i sid- led som en dylik ändring skulle medföra, med åtföljande pâkänningar på vagnen och dess eventuella last. Ett motsvarande problem har mött järnvägskonstruktörerna, och den där funna lösningen kan lämpligen 7900993-2 användas även för spârlösa vagnar; Man använder därvid en s.k. över- gângskurva, där krökningens derivata är konstant, och lösningen på detta ortsproblem är i ett rätvinkligt koordinatsystem en ekvation av tredje graden. Se uppslagsordet "Krümmungsverhältnisse der Eisen- bahnen" i Lueger: "Lexicon der gesamten Technik", andra upplagan (1904).

Enligt ett för närvarande föredraget utföringsexempel utgöres den självgående vagnen av en gaffeltruck med två mäthjul och ett styr- hjulsmedel, fungerande i princip som ett tredje, enda styrhjul men sammansatt av två med en parallellstagsanordning sammankopplade hjul, utgörande vagnens drivhjul. Dessa båda hjul är tillika drivhjul samt är svängbara medelst en styrinrättning. På grund av att två styrande hjul föreligger, är det därvid lämpligt att vid beräkningarna använ- da, ej de båda hjulens faktiska styrvinkel, utan en teoretisk styr- vinkel för ett tänkt, enkelt hjul med samma placering på vagnen.

Eftersom varje dylik teoretisk styrvinkel motsvaras av ett bestämt faktiskt styrvinkelläge, är det då lämpligt att anordna en enkel va- riabel transformation, som vid det provade exemplet utföres medelst en i en styrdator inmatad funktionstabell men som i och för sig kan åstadkommas genom mekaniska nomogrammedel eller på annat dylikt sätt.

Det kan noteras att det ej är nödvändigt att låta mäthjulen vara bä- rande, utan dekan även vara frilöpande helt självständigt. Likaså be- höver de ej nödvändigtvis ha sammanfallande rotationsaxlar utan kan ha förskjutet läge i förhållande till vagnens huvudsakliga framâtrikt- ning. I själva verket är det inte ens nödvändigt att mäthjulens axlar är parallella, om de är så anordnade, att en rörelse vinkelrätt mot resp. axel leder till släpning utan rotation. Det kan då vara lämp- ligt att förse hjulperiferierna med rullar eller liknande, med axlar riktade i omkretsens lokala riktning, vilket underlättar dylik släp- ning. Att mäthjul släpar i en riktning och roterar i en däremot vin- kelrät riktning är för övrigt känt vid planimetrar.

Ett utföringsexempel kommer nu att beskrivas i anslutning till rit- ningarna. Fig. 1 visar en gaffeltruck av det slag som kommit till an- vändning. Fig. 2 visar, delvis i blockschemaform, en trehjulig själv- gående vagn, fungerande enligt uppfinningnns principer. Pig. 3 visar ett alternativt utföringsexempel. 7900993-2 I fig. 1 visas en gaffeltruck av till stor del konventionellt slag, som därför ej behöver beskrivas i detalj. I princip fungerar vagnen som en trehjuling, även om det styrande hjulet i själva verket består av tvâ nära varandra anordnade, parallellstagskopplade hjul (ej visat).

Två parallella, icke drivande hjul 2, 3, med massiva gummiringar bär tillsammans med hjulet 1 vagnen.

Hjulen 2 och 3 är försedda med tandkransar, som ej är synliga i denna figur och avkännes av avkännare 4. Av figuren framgår vidare att styr- ningen av styrhjulet 1 sker via styrdon med ett kugghjul 5 och en det- ta pâverkande styrmotor 6.

Styrinrättningen framgår tydligare av den schematiska figuren 2. Vi ser att hjulen 2 och 3 har tandkransar 20 och 30, vilka roterar soli- dariskt med dessa hjul. Till varje tandkrans hör en i vagnen monterad avkännare 4, 1 detta fall av nngmwiskt slag. Givetvis kan även optis- ka avkännare användas.

Signaler från avkännarna motsvarande riktning och storlek av förflytt- ningar gár via ledarpar 40 resp. 41 till räknare för höger och vänster hjul, som sitter i en centralenhet 8 och är betecknade 9 och 10. En beräkningsenhet 11 utför beräkningar enligt uttrycken (1), (2) och (3) ovan och framräknar därigenom med ledning av en inlåst trajektoria vad styrhjulsvinkel som bör inställas. Informationen, som hittills be- räknats digitalt, omvandlas i en D/A-omvandlare 12 och överföres via en ledning 80 till ett DC-servo 14, som avger drivström till en motor 6, som vrider styrhjulet 1 till lämpligt vinkelläge. Hjulet 1 är även försett med drivkraft för fordonets framdrivande, vilket ej är visat i figuren.

Styrhjulens faktiska vinkelläge avkännes av en digitalt verkande av- kännare 7, som i och för sig kan vara av samma allmänna typ som den kombination som används för mäthjulen.

Funktionen av anordningen i fig. 2 kan förklaras på följande sätt.

När vagnen flyttas rör sig framhjulen. Varje hjul har en givare 4 som genererar ett pulståg som indikerar förflyttningens riktning och stor- lek. Pulstâget omvandlas till en 8 bitars räknare 9 eller 10, som räk- nas upp vid rörelse framât och ner vid rörelse bakåt.

Räknarna täcker med sina 8 bitar talomrâdet O-255 (decimalt). Vid fram- 7900993-2 8 âtrörelse erhålles då overflow när räknaren överstiger 255. Räknaren börjar då om igen frân O. Motsvarande sker bakåt, när räknaren kommer till 0 blir nästa värde 255 vid fortsatt rörelse bakåt.

Räknarna är kopplade till datorn via en 8 bitars parallellingång (per räknare) eller pâ annat lämpligt sätt. Datorn kan då med hjälp av suc- cessiva avläsningar avgöra hjulens rörelser.

Svagheten med detta system är att datorn inte säkert kan säga åt vil- ket håll hjulet rört sig. Antag t.ex. att en räknare vid en avläsning har värdet 0. Vid nästa avläsning är värdet 100. Har hjulet i detta fall rört sig framåt, så att räknaren har antagit värdena 0, 1, 2... 99, 100 eller bakåt med värdena O, 255, 254...101, 100? Detta problem löses genom att välja en upplösning hos räknaren och en avläsningsfre- kvens i datorn så att man i valet mellan de två möjliga fallen alltid med säkerhet väljer rätt. En lösning som tillämpas i det aktuella fal- let är att avläsningarna göres så tätt att man alltid vet att hjulet inte rört sig mer än motsvarande räknares halva talområde.

Följande beräkningsmetod användes: x = räknarens värde vid avläsning 1 xz = dito avläsning 2 Ax = hjulets förflyttning (pos framåt,_neg bakåt) om x2-x1 2 0 l6x| > 128 sätt Ax = xz-X1-256 lax) < 128 sätt AX = x2-x1 om x2-x1 < O |Ax] 2 128 sätt Ax = +(x2-x1 + 256) |Ax| < 128 sätt Ax = xz-xï Nedan följer en kortfattad och principiell beskrivning av datorprog- rammets uppbyggnad avseende beräkning av styrhjulsvinkel från fram- hjulsräknaren.

Initiering: æ1= 5 c= 1 Axh = GOOD 6 = arctan (d/R) At = 0 Loop: avläs hjulräknare och klocka ackumulera Axh, Axv, At' beräkna K = (Axh + Axv)/2 7900993-2 beräkna a (Axh - Axv)/a K/R beräkna 8 om K ) beräkningsintervall: beräkna dz = $1 + a - 8 beräkna S2 = S1 + K (m1/2 + oz/2) beräkna oz = (oz -$1)/At beräkna S2 = (S2 - S1)/At beräkna 6 = ... ställ ut beräknat sätt m1 = oz S1 = S2 u = 0 B = 0 Axh - Ax- = At = 0 slut loop.

Som framgår av ovanstående är det lämpligt att givaren 4 kan indike- ra både antalet kuggar pâ kugghjulen 20 och 30 och den riktning som mäthjulen tillryggalägger. Givare med dylik funktion är kända, vilka fungerar genom att det föreligger två givarenheter, som detekterar kug- garna med viss fasförskjutning, varav man utan vidare kan fâ fram rikt- ningen. I det beskrivna exemplet har använts en kommersiellt tillgäng- lig givartyp beräknad Airpax 14-0002.

Ett annat utföringsexempel visas i fig. 3, där i stället för konstruk- tionen med tvâ fasta bärhjul och ett styrhjul, drivning och styrning sker samtidigt genom två hjul 103 och 104 med var sin motor 105, 106.

De båda hjulen tjänar samtidigt som mäthjul och är försedda med tand- kransar och avkännare som i det förra exemplet. I vagnen 100 ingår vidare tvâ hjul 101, 102, placerade vid ändarna, vilka är enbart med- rullande och fritt svängbara länkhjul. Exemplet är 1 första hand visat för att demonstrera att uppfinningen även är tillämpbar när styrningen sker genom differentiell drivning av tvâ hjul på sammanfallande axlar, och i många praktiska fall kan det kanske vara lämpligt att separera mätning och drivning till olika hjul, med hänsyn till risken för fel genom slirning av ett drivande hjul. '7900993-2 10 Beräkningsfunktionen är i det i fig. 3 visade exemplet ganska analog med den föregående, i det att död räkning genomföres genom sampling av till mäthjul kopplade räknare, ingående i en beräkningsenhet 107.

För detta speciella Fall måste styrningen ske genom differontiell styr- ning av motorerna 105 och 106, vilket medför behov av differentialen- heten 108, som ger ifrån sig två utsignaler, som mottas av var sin mo- tordrivenhet 109, 110. Svängning sker då genom olika matning till de båda motorerna, och om dessa erhåller lika matning med omvända förtec- ken, så kommer vagnen 100 tydligen att svänga kring en punkt belägen mitt emellan hjulen 103, 104. _Uppfinningen skall alltså ses som innefattande en mätning av minst två hjuls avrullning, beräkning med jämna mellanrum, under användning av död räkning, av vagnens läge och attityd och påverkan av vagnens styr- ning i beroende därav, varför den valda styrmekanismen ej skall upp- fattas som begränsande, då ju en mängd olika slags styrorgan kan an- passas till denna uppfinningstanke. vid den förstnämnda utföringsformen var avståndet mellan hjulen 2 och 3 1,129 m och avståndet mellan en linje förenande dessa å ena sidan och styrhjulet 1 å den andra var 1,435 m. Genom simulering i en ana- log datamaskin bestämdes lämpliga konstanter för styrekvationen (3).

De därvid valda konstanterna är a = 2,4; b = 0,7; c = 1,4; d = 0,6; e = 1,0 och f = 0,6, uttryckt i rationella metriska enheter.

Genom försök har âdagalagts att det genom uppfinningen är möjligt att uppnå en praktiskt tillräcklig styrpreeision. En sluten bana med fle- ra svängar har använts, som hade banlängden ungeför 100 m. Pâ ett ställe i banan fanns en märklinje inritad, som detekterades under varje varv för att uppdatera anläggningen. Felet i förhållande till det med död räkning fastställda, beräknade läget för vagnen var maxi- malt av storleksordningen 30 cm, trots den långa banlängden, utlagd på ett industrigolv av föga idealt slag.

Claims (2)

7900993-2 ll Patentkrav

1. Självgående vagn, försedd med hjul för drivning och styr- ning, motormedel och styrmedel för följning av en bestämd bana, och ett mätdon, anordnat att genom avrullning mot underlaget samtidigt mäta vagnens förflyttning i två koordinater i rummet, k ä n n e t e c k n a d av medel för bestämning ur avrull- níngsmätningarna av vagnens avvikelse i förhållande till den bestämdabanæi i sidled och dess attitydfel i förhållande där- till vid successiva samplingstillfällen, jämte medel för att bestämma skillnaden vid två på varandra följande samplingstill- fällen mellan uppmätta sídfel, utgörande ett mått på en sido- rörelsehastighet, samt mellan uppmätta attitydfel, utgörande ett mått på en vridhastighet í förhållande till banan, medel för beräkning av en viktad summa av samste bestämda sidfel, attitydfel, vridhastighet och sidorörelsehastighet, samt me- del för att i beroende av denna víktade summa inställa vag- nens styrmedel, så att följning uppnås av den bestämda banan.

2. Självgående vagn enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av medel för förhöjning av viktningstalet för attitydfelet då sid-_ felet och attitydfelet båda är riktade åt samma håll.