SE463527B - Anordning foer detektering av faerdposition och -riktning hos ett obemannat fordon - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 2 tvärriktning, detekterar intensiteterna hos magnetfält från magneter, som är anbringade vid fasta punkter utmed den för fordonet avsedda banan, och att färdpositionen och/eller -riktningen hos fordonet, när detta passerar de fasta punkterna, beräknas var för sig utifrån en utsignal från varje magnetismdetekteringselement, varvid den detekterade färdpositionen och/eller -riktningen korrigeras i överensstämmelse med de beräknade värdena (se det japanska patentet nr. 58-11030). p Enligt ovannämnda traditionella sätt anbringas varje magnet emellertid vid varje fast punkt, vilka punkter är fördelade med ett förutbestämt intervall utmed färdbanan, vilket innebär att färdpositionen och/eller -riktningen ej kan detekteras förrän fordonet har passerat de två magneterna. Således föreligger det en tidsfördröjning som skapar ett problem, nämligen att en olinjär rörelse hos fordonet under fördröjnings- tiden medför ett fel.

Föreliggande uppfinning har framtagits i beaktande av ovannämnda problem.

Enligt uppfinningen åstadkommes en anordning för detektering av färdpositionen och -riktningen hos ett obemannat fordon, vilket rör sig under styrning av ett automont styrsystem, baserat på erhållna resultat vid detektering av markeringar, som är anbringade utmed en av det autonoma styrsystemet fastställd bana längs vilken det obemannade fordonet är avsett att röra sig, vilken anordning kännetecknas av: ett eller flera par av markeringar, vilka vart och ett är anbringat med sina markeringar åtskilda i en riktning som skär nämnda bana längs vilken det obe- mannade fordonet är avsett att röra sig, på det obemannade fordonet anbringade avkännare, vilka detekterar markeringarna för utvinnande av informa- tion som anger markeringarnas relativa läge med avseende på tvärriktningen hos fordonets stomme, på det obemannade fordonet anbringade detekterings- 10 15 20 25 30 35 m »<1 3 organ för detektering av en av fordonets stomme till- ryggalagd sträcka mellan tidpunkter, vid vilka en av markeringarna och en annan markering detekteras av var sin av nämnda avkännare, och ett beräkningsorgan, vilket är anordnat att beräkna det obemannade fordonets färdposition och -riktning utifrân nämnda information, som anger nämnda relativa läge och nämnda tillryggalagda sträcka hos fordonets stomme mellan de tidpunkter vid vilka de två markeringarna detekteras.

Föredragna utföringsformer av uppfinningen framgår av de osjälvständiga patentkraven.

Uppfinningen skall nu beskrivas närmare under hän- visning till medföljande ritningar.

Fig 1 visar schematiskt ett utförande av ett o- bemannat fordon enligt uppfinningen och därtill hörande markeringar.

Fig 2 är ett blockschema över ett styrsystem för styrning av det obemannade fordonet.

Fig 3(a) och 3(b) förklarar förhållandet mellan magneterna och hallelementen vid magnetavkännarna.

Fig 4 åskådliggör ett sätt att beräkna det obemmande fordonets färdposition och -riktning.

Fig 5 är ett flödesschema för beräkning av färd- positionen och -riktningen hos fordonet för kursstyrning av detsamma.

I det beskrivna och visade utförandet utnyttjas magneter för markeringarna och magnetavkännare för av- kännarna, men man kan som ett alternativ utnyttja andra typer av markeringar och avkännare, exempelvis optiska markeringar och optiska avkännare.

I fig 1, som åskådliggör ett exempel på det inbördes läget mellan á ena sidan magneterna, vilka utgör marke- ringarna och är anbringade vid fasta punkter utmed den bana längs vilken det obemannade fordonet enligt uppfin- ningen är avsett att röra sig, och å andra sidan de på fordonet anordnade magnetavkännarna, visas ett golv 10 15 20 25 30 35 .fm Ch L* LW BJ \J 4 F, permanentmagneter MR och Mr samt ett obemannat fordon l (i det följande benämnt endast fordonet), vilka magneter M2 och Mr innefattar var sin cylinderformad permanent- magnet (även elektromagneter kan användas) och är så anbringade att deras ena ändyta ligger i nivå med golv- ytan. Ett eller flera par av magneterna M2 och Mr är anbringade vid var och en av de fasta punkterna med kända koordinater i förhållande till origo O i det rums- fasta koordinatsystemet X-Y och vinkelrätt mot färdrikt- ningen hos fordonet på banan samt åtskilda inbördes med ett förutbestämt avstånd B (eller ett avstånd B/2 relativt banans mittlinje). Fordonet l är vid sin i längdriktningen centrala del försett med drivhjul ll och lr, som är styrbara var för sig av separata motorer Zß och 2r, och vid sina i tvärriktningen centrala delar framtill och baktill på fordonet med styrhjul lf respek- tive lb. Antalet rotationsvarv hos drivhjulen ll och lr detekteras genom räkning av pulser från pulsgeneratorer 32 och 3r, vilka är fästa vid drivhjulen 12 respektive lr, varvid fordonets l färdposition och -riktning beräknas sekventiellt och varvid båda drivhjulen lß och lr är avsedda att bringas att rotera relativt varandra på ett sådant sätt, att fordonet 1 rör sig utmed den av rörelseschemat bestämda banan. Fordonet 1 är vid under- sidans i längdriktningen centrala del på varje sida försett med ett flertal (fem på varje sida i utförandet) hallelement S1, S2... teringselement och vilka är inbördes åtskilda med de S5, vilka utgör magnetismdetek- förutbestämda avstånden i tvärriktningen, dvs. i fordonets tvärriktning, vinkelrätt mot fordonets färdriktning, vilka element bildar ett par av magnetavkännare Sß och Sr, varvid var och en av de tvâ invändigt belägna ändarna hos magnetavkännarna Sß respektive Sr är belägna på ett avstånd A/2 från den i fig 4 visade mittlinjen.

Fig 2 visar ett för styrning av fordonets 1 kurs avsett styrsystem, i vilket utsignalerna från magnet- avkännarna Sß, Sr och pulsgeneratorerna 32, 3r inmatas 10 15 20 25 30 35 _F\ C\ <- I (fl FO Q 5 i en styrenhet 5, varvid utsignalerna från magnetav- kännarna S2 och Sr matas till styrenheten via en (ej visad) analog-digitalomvandlare. Styrenheten 5 detek- terar fordonets l färdposition och -riktning utifrån ovannämnda utsignaler och utifrån fordonets begynnelse- position i ovannämdna rumsfasta koordinatsystem X-Y och avger den nödvändiga signalen för drivkretsar 4% och 4r för motorerna 2% och 2r, så att fordonet l bringas antingen att röra sig utmed den enligt rörelseschemat fastställda banan eller att stanna.

Detekteringen av fordonets färdposition och -rikt- ning, vilket är uppfinningens kärnpunkt, skall nu beskri- vas i det följande.

Generellt gäller för ett hallelement, att om det i hallelementet flyter en ström i en konstant riktning och ett magnetfält verkar på detsamma vinkelrätt mot strömriktningen, så alstras det en mot magnetfältets intensitet svarande elektromotorisk kraft, som är vinkel- rät både mot strömflödets riktning och magnetfältets riktning. Följaktligen är det möjligt att detektera intensiteten hos ett magnetfält och riktningen hos de magnetiska fältlinjerna genom att detektera storleken och polariteten hos en alstrad spänning.

Fig 3(a) visar schematiskt det relativa läget mellan de hallelement S1-S5 som utgör magnetavkännaren S2 på fordonets l ena sida och magneten ME. Fig 3(b) visar utspänningen från vart och ett av hallelementen S1-S5.

I det ögonblick det mittersta hallelementet S3 bland hallelementen S1-S5, vilka utgör den vänstra magnetav- kännaren Sß, passerar precis över magneten M2, såsom visas i fig 3(a), kommer hallelementen S1-S5 att befinna sig i magnetfältet från magneten ME och utsättas för den åt höger eller åt vänster riktade magnetiska fält- styrkan, svarande mot avståndet mellan respektive hall- element S1-S5 och magneten M1. Som ett resultat av detta kommer utspänningarna från hallelementen S3-S5, såsom visas i fig 3(b), att uppvisa ett maximivärde vid hall- 10 15 20 25 30 35 .rï o*- r_~ x m r~ 3 <1 6 elementet S4 och avtaga mot hallelementet S5, och kommer utspänningarna från hallelementen S1-S3 att vid hallele- mentet S2 uppvisa ett maximivärde med motsatt polaritet jämfört med maximivärdet vid hallelementet S4 och därefter avtaga mot hallelementet S1. På detta sätt identifieras det hallelement som befinner sig mitt emot magneten M2, och magneten Mr identifieras på samma sätt. Styren- heten 5 avläser periodiskt utsignalerna från magnetav- kännarna Sß och Sr, så att, när något hallelement uppvisar det maximala spänningsvärdet, hallelementet mitt emot eller i närheten av magneten Ml eller Mr bestämmes genom utnyttjande av förhållandet mellan utspänningarna från magnetavkännarna och deras lägen, såsom visas i fig 3. Fordonets l läge i tvärriktningen mitt för magneterna Mß och Mr kan därigenom detekteras, varvid styrenheten 5 detekterar fordonets 1 färdposition och -riktning genom nedan angivna algoritm utifrån det detekterade läget hos fordonet.

Fig 4 visar ett sätt att bestämma fordonets 1 färd- position och -riktning utifrån det inbördes läget mellan magnetavkännarna Sß, Sr på fordonet l och magneterna Mß, Mr, där magnetavkännarna Sß och Sr på båda sidor om fordonet 1, vilket rör sig i den oifyllda pilens riktning, har nått fram till de fasta punkterna och där magnetavkännaren Sß har passerat förbi över magneten M2 och magnetavkännaren Sr har nått fram till ett läge ovanför magneten Mr. Om a betecknar magnetavkännarens Sr skärningspunkt med magneten Mr, kan ett avstånd Lr från punkten a till magnetavkännarens Sr inre ände bestäm- mas utifrån ovannämnda identifierade hallelement. På samma sätt kan man bestämma ett avstånd L2 mellan en punkt på avkännaren S2,mitt för magneten M2 (betecknat med b), över vilken magnetavkännaren SL har passerat, och magnetavkännarens S2 inre ände. Under tidsintervallet mellan tidpunkterna när magnetavkännarna S2 och Sr passe- rar över magneterna M2 respektive Mr räknas det antal pulser som alstras av den vid vänsterhjulet 12 fästa 10 15 20 25 30 35 Fo -q 7 pulsgeneratorn 3%, vilket antal multipliceras med en förutbestämd omvandlingskoefficient, varigenom ett avstånd L mellan punkten b och magneten M2 bestäms.

Om vinkeln mellan den bana eller kurs längs vilken det obemannade fordonet är avsett att röra sig och for- donets 1 färdriktning betecknas O, koordinaterna för mittpunkten på den linje som sammanbinder de båda mag- neterna Mß och Mr i ovannämnda rumsfasta koordinatsystem betecknas (Xn, Yn), varvid koordinatpunkten (Xn, Yn) användes som origo och X-axeln ligger i den riktning som passerar genom de båda magneterna MR,och Mr och Y-axeln ligger i fordonets l styrkursriktning, och koordi- naterna för fordonets l mittpunkt P i XY-koordinatsystemet betecknas (xp, yp), kan koordinaterna (Xp, Yp) för fordo- nets l mittpunkt P i det rumsfasta koordinatsystemet beräknas enligt följande ekvationer: Xp xp + Xn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..(l) YP yp + Yn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..(2) xp, yp i ekvation (1) och (2) ges av följande ekvationer: xp = å- - (Lr + å-) cos 9 _13 A _ Lß+Lr+A -T- (Lrj-ï) ( B ) . - . . . . . . .-(3) yp = (Lr + å-) sin 9 = (Lr + %-)%- . . . . . . . . . . ..(4) Vinkeln 6 mellan färdkursens mittlinje och fordonets l färdriktning, med andra ord en asimutvinkel O hos fordonets rörelse, ges av följande ekvation: 6 = sin-l ä- = cos-l ( ) . . . . . . . . ..(5) Koordinaterna för fordonets 1 mittpunkt i det rums- fasta koordinatsystemet, dvs. fordonets färdposition, bestämmes således genom att man i ekvationerna (1) och (2) substituerar de i styrenheten 5 förinställda koordi- 10 15 20 25 30 35 ms CTN 27 OJ in 8 naterna (Xn, Yn) och ekvationerna (3), (4) och (5).

För att bringa färdpositionen (Xp, Yp) och den på ovan beskrivna sätt beräknade asimutvinkeln 9 att överensstämma med det i styrenheten 5 förinställda färdschemat sänder styrenheten 5 separata signaler till drivkretsarna 4% respektive 4r för styrning av fordonets l kurs. Fig 5 visar ett flödesshema över en serie beräkningar och över kursstyrning i enlighet med vad som beskrivits ovan.

När fordonet 1 passerar över magneterna Mß och Mr vid de fasta punkterna, anger magnetavkännarna Sß och Sr fordonets läge i tvärriktningen mitt för magneterna M2 och Mr, varigenom ovannämnda avstånd Ll, Lr och L kan erhållas ögonblickligen utifrån det detekterade läget hos fordonet 1. Beräkningen utföres genom användning av Lß, Lr och L, vilket gör det möjligt att snabbt erhålla fordonets l färdposition och -riktning i det rumsfasta koordinatsystemet X-Y. Därigenom kan framdrivningsstyr- ningen (bromsstyrningen) för höger- och vänsterhjulet lr respektive lß korrigera fordonets 1 rörelse utmed färdbanan.

Traditionellt har magneter anbringats utmed färd- banan longitudinellt i färdriktningen med förutbestämda intervall, varigenom färdpositionen och -riktningen inte kan detekteras förrän fordonet l har passerat över ett intervall mellan båda magneterna. Enligt det upp- finningsenliga sättet, däremot, anbringas magneterna M2 och Mr parallellt med varandra och vinkelrätt mot färdriktningen hos fordonet på banan och anbringas av- kännarna S1 och Sr vid den i längdriktningen centrala delen och i närheten av de båda sidorna hos fordonet l, så att, när fordonet l rör sig exakt utmed färdbanan, fordonets l läge i förhållande till magneterna kan detek- teras ögonblickligen, eller på en mycket kort tid, även om fordonets färdriktning är något förskjuten i för- hållande till färdbanan. Som ett resultat av detta kommer sammanblandningen av fel att uppstå i mindre utsträckning, 10 15 ß.

Cï\ ca- m ro -J 9 vilket möjliggör en noggrann korrigering av fordonets färdposition och -riktning.

Som ett alternativ kan magnetavkännarna Sß och Sr vara anbringade i fordonets tvärriktning, vid fordonets främre ände, bakre ände eller vid ett longitudinellt mittläge på fordonet 1. Magnetavkännarna S1 och Sr kan naturligtvis också vara anbringade i fordonets längd- riktning i närheten av den främre och bakre änden.

Som ett annat alternativ kan man i stället för två magnetavkännare Sß och Sr anbringa en enda magnet- avkännare i en linje över fordonets 1 hela bredd.

Om riktningen hos magnetmarkeringarna eller mot- svarande sammanfaller med koordinataxlarna i det rums- fasta koordinatsystemet, såsom visat i det ovan beskrivna utförandet, eller om avkännarna är anbringade i den endimensionellt utsträckta riktningen vinkelrätt mot fordonet, blir beräkningsuttrycket speciellt enkelt.

Claims (9)

1. 0 15 20 25 30 10 PATENTKRAV l. Anordning för detektering av färdpositionen och -riktningen hos ett obemannat fordon, vilket rör sig under styrning av ett autonomt styrsystem, baserat på erhållna resultat vid detektering av markeringar, som är anbringade utmed en av det autonoma styrsystemet fastställd bana längs vilken det obemannade fordonet är avsett att röra sig, k ä n n e t e c k n a d av: ett eller flera par av markeringar, vilka vart och ett är anbringat med sina markeringar åtskilda i en riktning som skär nämnda bana längs vilken det obe- mannade fordonet är avsett att röra sig, på det obemannade fordonet anbringade avkännare, vilka detekterar markeringarna för utvinnande av informa- tion som anger markeringarnas relativa läge med avseende på tvärriktningen hos fordonets stomme, på det obemannade fordonet anbringade detekterings- organ för detektering av en av fordonets stomme till- ryggalagd sträcka mellan tidpunkter, vid vilka en av markeringarna och en annan markering detekteras av var sin av nämnda avkännare, och ett beräkningsorgan, vilket är anordnat att beräkna det obemannade fordonets färdposition och -riktning utifrån nämnda information, som anger nämnda relativa läge och nämnda tillryggalagda sträcka hos fordonets stomme mellan de tidpunkter vid vilka de två markeringarna detekteras.

2. Anordning för detektering av färdpositionen och -riktningen hos ett obemannat fordon enligt kravet l, k ä n n e t e c k n a d av att markeringarna är anbringade vinkelrätt mot nämnda bana längs vilken det obemannade fordonet är avsett att röra sig.

3. Anordning för detektering av färdpositionen och -riktningen hos ett obemannat fordon enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att avkännarna är anordnade 10 15 20 25 30 u: Lv- m: w 46 ll i linje på ett endimensionellt sätt och vinkelrätt mot det obemannade fordonets färdriktning.

4. Anordning för detektering av färdpositionen och -riktningen hos ett obemannat fordon enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att beräkningsorganet specificerar dels nämnda bana, längs vilken det obemannade fordonet är avsett att röra sig, dels nämnda markeringar genom användning av det tvådimensionella, rumsfasta koordinatsystemet.

5. Anordning för detektering av färdpositionen och -riktningen hos ett obemannat fordon enligt kravet l eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att var och en av markeringarna utgöres av magneter.

6. Anordning för detektering av färdpositionen och -riktningen hos ett obemannat fordon enligt kravet l eller 3, k ä n n e t e c k n a d av att avkännarna innefattar ett flertal magnetavkännande element, vilka är fördelade i tvärriktningen hos fordonets stomme.

7. Anordning för detektering av färdpositionen och -riktningen hos ett obemannat fordon enligt kravet l eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att var och en av markeringarna utgöres av en optisk markering.

8. Anordning för detektering av färdpositionen och -riktningen hos ett obemannat fordon enligt kravet 1 eller 3, k ä n n e t e c k n a d av att avkännarna innefattar ett flertal optiska avkännare, vilka är för- delade i tvärriktningen hos fordonets stomme.

9. Anordning för detektering av färdpositionen och -riktningen hos ett obemannat fordon enligt kravet 6 eller 9, k ä n n e t e c k n a d av att avkännarna är separat anbringade på fordonsstommens högra och vänstra sida.