SE464837B - Foerfarande och anordning foer laseroptisk navigering - Google Patents

Description

464 837 z Olika navigationssystem har utvecklats, vilka har till uppgift att kontinuerligt bestämma läget hos ett rörligt objekt, såsom en far- kost. Flera sådana system arbetar med hjälp av radiopejling och är bäst lämpade för navigering över stora öppna ytor med stora eller för- hållandevis stora avstånd mellan sändar- och mottagarenheter. Detta gäller således främst fartyg på havet eller flygplan. Även inom offshore för lägesbestämning av borrnings- eller bostadsplattformar, t.ex. med hjälp av satellit är olika radiopejlingssystem väl tillämp- bara. För navigering inom ett mer begränsat område, såsom ett fält på någon hektars storlek, är emellertid sådana system inte speciellt lämp- liga, eftersom man inte har möjlighet (tillåtelse) med hänsyn till "trängseln i etern" att utnyttja ett så brett våglängdsband som är önskvärt för uppnående av så hög precision i lägesbestämningen som eftersträvas, dvs. en bråkdel av en meter. Vid pejling med liten band- bredd kompliceras i stället sändar- och mottagarutrustningen, som häri- genom blir dyr. Även andra faktorer, såsom reflexions- och interfe- rensproblem, begränsar användningen av radionavigeringssystem vid lägesbestämning med ovan angivna noggrannhet. Dessa system användes i stället företrädesvis över områden av storleksordningen ett par hundra kilometer, och de mest sofistikerade utrustningarna kan uppnå en noggrannhet av någon meter över vatten och ett tiotal meter över land.

Navigationssystem som arbetar med mikrovågor förekommer även. Man har därför prövat att använda mikrovågsteknik för navigering även inom de mer begränsade områden det är fråga om vid jord- och skogsbruk.

Denna teknik kräver emellertid en förhållandevis dyr och komplicerad utrustning och har därför sin begränsning i användningen redan i detta avseende.

Varken radio- eller mikrovågnavigeringssystemen medger säker attitydbestämning, vilken erfordras för noggrann kontroll och styrning av arbetsredskap i marken samt för styrning av förarlösa fordon. Ändamålet med uppfinningen är att skapa en praktisk och tillför- litlig navigeringsutrustning, som utnyttjar laseroptik. Kända laser- optiska system har hittills endast kommit till användning inomhus, där ett fordon rör sig över ett plant golv inom ett högst begränsat område.

Sådana kända system har därför inte på något sätt kunnat tillgodose 3 464 837 de krav man måste ställa på en utrustning, som skall användas på ett fordon, vilket framföres på ett så ojämnt underlag som exempelvis en åker.

Genom uppfinningen har tillkommit ett förfarande och en anordning för laseroptisk navigering, som är lätt att handha för en enskild per- son och även enkelt kan anpassas till de lokala terrängförhållandena.

Det som utmärker detta förfarande och denna anordning framgår av efter- följande patentkrav.

I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas med hänvis- ning till de bifogade ritningarna, på vilka fig. 1 visar ett vertikalt snitt genom anordningen enligt uppfinningen, fig. 2 visar anordningen i perspektiv, fig. 3 är en schematisk vy av anordningens elektroniska uppbyggnad, fig. 4 visar perspektiviskt ett exempel på ett fordon utrustat med anordningen enligt uppfinningen samt fig. 5 en planvy över ett fält i anslutning till en gård och med ett med anordningen utrustat fordon stående ute på fältet.

Anordningen inrymmes i ett hus 1, som består av en fast del 2 och en vridbar del 3. Den vridbara delen 3 är förbunden med och drivs runt av rotorn 4 till en s.k. ytterrotormotor med fast stator 5.

I husets 1 vridbara del 3 inrymmes upptill en i anordningen ingående sensorenhet. Denna består av en uppsättning laserdioder 6, vilka med var sin tillhörande strålskärpande lins 6a är monterade den ena över den andra utefter en krökt linje bakom en för alla laserdioder gemensam, i sidled kollimerande lins 7. Denna uppsättning av laser- dioder 6 har till uppgift att under rotation utsända ett pulsat ljus- knippe 8 (se fig. 3), som träffar utplacerade reflektorer 9, vilka reflekterar ljuset till en i sensorenheten ingående, medroterande kame- ra 10. Av denna mottagna ljuspulser uppfångas av en i kameran ingående lineär fotodiodarray 11, som mäter höjdvinkeln till reflektorn 9 och skall beskrivas närmare nedan.

I anordningen ingår vidare en vinkelgivare 12, som består av en kodskiva, vilken anger den roterande sensorenhetens momentana vinkel- läge.

I mätutrustningen ingår därjämte en första dator 13, benämnd bilddator, vilken har till uppgift att snabbehandla inkommande informa- tion, och en andra större navigeringsdator 14, som innehåller fullstän- dig information om rumskoordinaterna x, y och z för alla utsatta 464 837 4 reflektorer 9 och som utför alla beräkningar för såväl koordinater som kurs-, tipp- och rollvinklar för korrigering av rörelser och/eller hastighet hos ett med anordningen utrustat fordon. Till navigerings- datorn 14 är ansluten en interface 15, som tjänar som identifierings- enhet mellan vinkelgivaren 12 och denna dator, och en manövrerings- och presentationsenhet 16, vilken visar positionen hos fordonet och ger från datorn 14 erhållen styrinformation.

Signalöverföring i den ena eller andra riktningen sker med hjälp av en dubbelriktad IR-länk mellan två enheter 17 och 18.

I fig. 4 visas ett exempel på ett speciellt utformat fordon 19, som försetts med anordningen enligt uppfinningen och är avsett att fjärrkontrollerat framföras över ett fält, utrustat med ett arbets- redskap av något slag, t.ex. en plog eller harv.

I fig. 5 visas en situationsvy av en åker eller ett fält 20, tillhörande en gård 21. På fältet står arbetsfordonet 19. Runtomkring fältet 20 utefter dettas gränser står reflektorer 9 uppställda på stol- par 22 (se fig. 3). Dessas reflektorer 9 är lämpligen klotformiga och har en diameter på ungefär en meter.

Vid iordningställande av navigeringssystemet utplaceras först ett par reflektorer 9 på ett par punkter, som har kända koordinater, vilka avläses från en lantmäterikarta, t.ex. ett par hörn av fältet 20. Dessa koordinater inlagras i navigeringsdatorn 14. Ett godtyckligt antal reflektorer 9 placeras sedan ut, såsom åskådliggjorts i fig. 5. Fordo- net 19 köres därefter ut på fältet 20 och får stå still under en kort tid, medan systemet sättes igång. Under sensorenhetens rotation utsän- des av raden laserdioder 6 ett pulsat ljusknippe 8 i form av en rote- rande vertikal skiva. Detta ljusknippe reflekteras av reflektorerna 9 och uppfångas av den medroterande kameran 10 och ledes vidare till den lineära fotoarrayen 11. Denna består av en utefter en vertikal linje arrangerad kedja av fotodioder 23 med minneskretsar 24, 25 på ömse sidor. När ljuspulser träffar enskilda fotodioder 22 i kedjan, sker en överföring av laddningar till minneskretsarna 23, 24, vilka sedan sänder elektriska signalpulser till bilddatorn 13. I denna sker en snabb bearbetning av erhållen information för höjdvinkelberäkning, s 464 857 varvid pulsernas amplitud avkännes mot en av datorn 13 angiven tröskel- nivå för eliminering av eventuellt inkomna felaktiga reflexljuspulser från andra objekt än reflektorerna 9.

Via IR-enheterna 17, 18 överföres i bilddatorn 13 framkommet resultatmeddelande till den större navigeringsdatorn 14, vilken utför beräkningar av erhållna värden på gjorda såväl höjdvinkel- som sid- vinkelmätningar. Datorn 14 lagrar på detta sätt in positionsuppgifter om alla utsatta reflektorer 9 och fordonets 19 läge i förhållande till dem. När fordonet 19 sedan startas, mäter sensorenheten kontinuerligt varje ändring av koordinater i sid- och höjdled, och fordonet erhåller fortlöpande av datorn 14 beräknade korrigeringsanvisningar.

Sensorenhetens rotationshastighet är relativt hög, ca 10 varv per sekund. Härigenom erhålles uppdateringar av bärings- och höjdvinkelin- formationen med täta mellanrum. Vid normala fordonsrörelser är denna uppdateringshastighet så hög, att fordonets position i ett visst ögon- blick blir noogrannast bestämd av ett flertal bakåt i tiden liggande mätningar använda för att beräkna aktuell position och attityd.

Denna möjlighet tillvaratas av anordningen, som innehåller ett icke visat s.k. Kalmanfilter för beräkning av aktuell och predikterad position och attityd utgående från utöver senaste mätning även ett an- tal bakåt i tiden liggande mätningar.

Genom detta predikterande filter kan även navigeringssäkerheten höjas betydligt tack vare att tillgänglig laserenergi och datorkapaci- tet kan koncentreras till ett mindre sökområde för varje ny reflektor- passage. Härigenom undvikes i hög grad falska signaler, t.ex. från starkt reflekterande punkter i naturen eller ljuskällor med mycket hög ljusintensitet.

Det på ritningen visade fordonet 19 är avsett att vara obemannat, varvid en till navigeringsanordningen ansluten terminal ingår i en fjärrbetjäningsenhet, med hjälp av vilken den fordonet betjänande per- sonen kan erhålla och lämna styrinformation. Nämnda terminal kan även vara placerad i hytten till ett fordon, såsom en traktor, där föraren på en monitor kan få information för utförande av erforderliga korrige- ringsrörelser hos fordonet. 464 837 Anordningen enligt uppfinningen utgör ett utmärkt och relativt okomplicerat navigeringssystem för användning inom ett förhållandevis begränsat område. De enkla reflektorerna 9 uppsättes av den enskilde användaren på kort tid. Navigeringssystemet ger trots sin relativa enkelhet en noggrannhet i positionsbestämningen av ungefär 0,1 m och ger inte några negativa effekter, såsom interferens mellan flera fordon eller med andra närbelägna system. Det kommer till god användning vid olika terrängförhållanden, såväl vid bearbetning av jorden på åkrar som vid brytning av torv i mossar eller arbeten på skogshyggen. 64

Claims (3)

10 15 20 25 30 464 837 PATENTKRAV

1. Förfarande för laseroptisk navigering avseende fordon i rörelse, varvid lägeskoordinater x, y och z och attitydvinklar kurs, tipp och roll för ett fordonsfast koordinatsystem bestäms i reell tid i förhållande till ett jordfast koordinatsystem utgående från registre- ring av återkastat ljus med hjälp av en på fordonet (19) anordnad, aktiv laseroptisk sensorenhet (6, 10, 11), som utsänder ett roterande laserljusknippe (8), och att det registrerade ljuset erhålls som reflexer av delar av detta ljusknippe (8) från på större eller mindre avstånd från fordonet (19) placerade reflektorer (9) med kända koordi- nater x(i), y(i), z(i), i=1, 2, 3 .... i det nämnda jordfasta koordi- natsystemet, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att laserljus- knippet (8) utsändes i form av en smal, vertikal skivlob roterande kring den vertikala axeln i det fordonsfasta koordinatsystemet och att det från reflektorerna (9) återkastade ljuset avkänns av en i sensor- enheten (6, 10, 11) ingående kedja av fotodioder (23), varvid det av sensorenheten (6, 10, 11) registrerade ljuset används för såväl höjd- som sidvinkelmätning av reflektorernas (9) läge i det fordonsfasta koordinatsystemet och att dessa vinkelmätningar databehandlas för fast- ställande av det fordonsfasta koordinatsystemets lägeskoordinater och attitydvinklar i det jordfasta koordinatsystemet.

2. Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t " d ä r a v, att laserljusknippet (8) utsändes i pulser för särskiljande av reflektorerna (9) i avståndsled.

3. Anordning för laseroptisk navigering enligt patentkravet 1, i vilken anordning ingår en roterande sensorenhet (6, 10, 11) med organ (4, 6, 6a, 7) för att utsända ett laserljusknippe (8) i form av en ver- tikal skivlob, på större och/eller mindre avstånd från sensorenheten (6, 10, 11) utställda reflektorer (9) för återkastande av reflekterat ljus till sensorenheten (6, 10, 11), en vinkelgivare (12) för utförande av sidvinkelmätningar till reflektorerna (9) samt dels en första dator (13) för genomförande av bildanalys och en andra dator (14), som är 464 837 _anordnad att behandia av den första_datorn (13) erhåïlen information om b1.a. refïektorernas (9) sid- och höjdvinke11ägen i det fordonsfasta koordinatsystemet, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att i sensor- enheten ingår organ, såsom ett kameraobjektiv (10), för mottagande av 5 inkommande refïekterad stråining och en härefter pïacerad, i den be- 1ysta rymdvinke1n avkännande ïinjär fotodiodarray (11) för utförande av med ovannämnda sidvinkeïmätningar samtidiga höjdvinkeïmätningar ti11 den i ett visst ögonb1ick beïysta refïektorn (9). 'w