SE526913C2

SE526913C2 - Förfarande i form av intelligenta funktioner för fordon och automatiska lastmaskiner gällande kartläggning av terräng och materialvolymer, hinderdetektering och styrning av fordon och arbetsredskap

Info

Publication number: SE526913C2
Application number: SE0300001A
Authority: SE
Inventors: Robert Holmqvist; Goeran Seger
Original assignee: Arnex Navigation Systems Ab
Priority date: 2003-01-02
Filing date: 2003-01-02
Publication date: 2005-11-15
Also published as: SE0300001D0; US20040158355A1; SE0300001L

Description

2. Känd teknik De system som idag används för autonom styrning av förarlösa fordon bygger vanligen på att fordonen framförs på en i förväg planerad bana med hjälp av något positionsbetsärrmingssys- tem. Lasthanteringsfunktioner vid arbete med bulkmaterial kan bygga på att maskinen är för- sedd med en eller flera videokameror som via en radiolänk ger operatören en presentation på bildmonitor som underlag för att vid lastning och andra kritiska hanteringsmoment styra maskin och redskap med fjärrkontroller. Eftersom operatören alltid måste ingripa under vissa delar av ett cykliskt hanteringsförlopp blir personalbesparingen relativt begränsad jämfört med en kon- ventionell hantering med en operatör ombord på fordonet. Vidare saknas i många fall säkerhet- sanordningar för att med tillräcklig noggrannhet upptäcka och undvika kollision med hinder i banan under transportdelen av hanteringsförloppet då operatören normalt ej styr och övervakar fordonet, vilket medför ökade risker alternativt skärpta krav på yttre bevaknings- och begräns- ningsanordningar samt krav på kapacitetsbegränsande trafikseparering vad gäller autonomt na- vigerande fordon.

För fordon i form av automatiska truckar som används i inomhus drift baseras antikollisionssys- temen vanligen på en kombination av akustiska, elektrooptiska och mekaniska sensorer, som är monterade på maskinen och som med tillräcklig säkerhet vart och ett eller tillsammans detekte- rar och larmar för hinder i närheten av maskinen.

I kända utföranden av mekaniska hindersensorer bygger de på att känna av hinderkontakt med en rörlig del, såsom exempelvis en plåt, varvid denna del tillåts ﬂytta sig en viss sträcka relativt fordonets övriga geometri för att ge utrymme för en inbromsning av fordonet från det ögonblick hindret detekteras tills fordonet är stoppat. För att medge rimliga bromssträckor med hänsyn till möjligheten att utföra dessa mekaniska hindersensorer måste fordonshastigheten därför begrän- sas till någon meter/ sek.

I kända utföranden av mekaniska hindersensorer ingår också att dessa kännande delar är place- rade nära golvet. För att ett sådant skydd ska vara effektivt förutsätts att golvet är någorlunda plant.

Ultraljudssensorer är avsedda för att varna för hinder på något större avstånd än de mekaniska hindersensorema. Eftersom dessa sensorers upptäcktsfönnåga är beroende av det föremål som ska detekteras, så duger de bäst till att detektera solida och storleksmässigt bastanta hinder, så- som en vägg, medan andra hinder, såsom en liten materialvolym på golvet, kan vara svårare att detektera. Liksom för de mekaniska sensorerna är räckvidden också så kort att ultraljudssenso- rer fungerar bäst vid hastigheter av storleksordningen högst någon rn/s.

I inomhusfordon används också scannande laseravståndsmätare för att upptäcka hinder. I kända utföranden är den monterad så att den verkar i ett horisontellt plan nära golvet. Liksom de me- kaniska hindersensorema kräver denna sensor ett någorlunda plant golv, men har fördelen att medge längre inbromsningssträcka än de mekaniska hindersensorema.

På fordon såsom en hjullastare med ett stort lasthanteringsdon framtill på fordonet är använd- ningen av ultraljuds- och mekanisk hindersensor i kända utförandeforrner förhindrad av lasthan- teringsdonets placering.

Vid användning av scarmande laseravståndsmätare som hinderdetektor på utomhusfordon, finns 1 nu kända utföranden begränsningar som gör en sådan sensor mindre effektiv i många fall. Ett framtill monterat lasthanteringsdon är ivägen för en sensor som arbetar i ett horisontellt plan n n nnn n n nn n nn an n n n n n n n nn n n n n nn nn n n n n n n n n n n : I : : .I : 0 I non nnn n n n n n n n n n n n n nn n n n n n n n u o n 0 n n n n nn nn nn nnn nn nnnn n 526 913 med avsikt att se hinder framför fordonet. För en högre upp på fordonet monterad sådan sensor och som arbetar i lutning ner mot marken måste beaktas dels att markytan ofta inte är lika plan och slät som golvet i en fabrikslokal varför ett mindre hinder kan vara svårt att skilja från mar- kytan, dels eftersom fordonen oﬁa har ett mera energirikt rörelsespektrum i tipp-, roll- och Z- led som kan ge betydande och med avståndet snabbt växande felbidrag till den scannande la- seravståndsmätarens mätningar.

Skriften Nr WO 87/02484 från 1987 anger ett förarlöst fordon som har viss förmåga till auto- nom lastning och lossning av enstaka fasta föremål. Metoden kräver att varje enskilt föremål som ska hanteras är försett med ett antal reﬂektorer samt att föremålen har vissa standardmått, typ lastpall. Metoden klarar ej lastning av bulkmaterial och fasta föremål av skiftande och obe- kant form.

I US patent 5,548,516 från 1996 anges ett förarlöst fordon som utöver autonom navigering ba- serat på GPS, tröghetsnavigering och odometerbaserad dödräkning har en scannande laserav- ståndsmätare för att upptäcka och undvika hinder. Däremot saknar detta fordon terrängmodell och funktioner för autonom hantering av material.

I en amerikansk forskningsartikel från l999:”Motion Planning for All-Terrain Vehicles: A Physical Modeling Approach for Coping with Dynamic and Contact Interaction Constraints”, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol 15, No 2, April 1999, beskrivs ett koncept för banplanering för en mobil robot som rör sig i fri terräng. Konceptet förutsätter full känne- dom om terrängens topologi, och problemet med material- och lasthantering behandlas icke.

Lasthantering behandlas inte heller i en annan forskningsartikel, ”Autonomous Robot Naviga- tion in Unknown Terrains: lncidental Learning and Environmental Exploration”, IEEE Tran- sactions on Systems, Man and Cybemetics, Vol 20, No 6, Nov/Dec 1990. Däremot berör denna artikel problemet att kartlägga omgivningen med hjälp av en fordonsbaserad terrängsensor.

US patent 5,974,352 anger ett förfarande för att styra en lastskopa med hjälp av läges- och tryckkännande sensorer på liﬂ- och tiltcylindrarna, och som utgående från integration av krafter och rörelser i lasthanteringsdonets mekanik beräknar gynnsamma lyft- och tiltrörelser på sko- pan. Förfarandet förutsätter en förare eller operatör som väljer lastningspunkt och som kör for- donet till och från denna punkt samt kör fordonet under hela lastningsrörelsen och som styr skopan vid påbörj andet och avslutandet av lastningsrörelsen.

US patent 6, 17 3,215 Bl avser hur ett förarlöst fordon ska manövrera då ett hinder har upp- täckts. Däremot behandlas inte vilka typer av sensorer som används för att upptäcka och mäta in ett hinder. 3. Figurer Följande ﬁgurer används i beskrivningen: Fig 1: Begreppsträd. Relationer mellan begreppen förarlös, fjärrstyrd och autonom samt auto- nom planstyrd och autonom intelligent samt underbegrepp till autonom intelligent.

Fig 2: Lastmaskin 1 med lasthanteringsdon 14 och lastskopa 142, scannande laseravståndsmä- tare 81 för att mäta in markyta, materialvolymer och hinder och för att ge indata till den dy- namiska terrängmodellen 821 samt positionsbestärnningssystem 7 med fordonsburen rote- rande elektrooptisk sensor 71 och markfasta reﬂektorer 72. Figuren visar, i ett vertikalsnitt, var laserstrålen träffar en framför fordonet 1 befintlig materialvolym 181.

Fig 3: Princip för laseroptiskt system enligt svenskt patent nr 464 837 för bestämning, i ett jord- fast koordinatsystem 41, av ett fordons 1 position i tre dimensioner samt dess kurs- tipp- och 000 0 0 I O 0:0 000 0 0 0 0 U o o o Q ø n 0 A o nu o: n: 000 ao ouoo I 0 -~ 4 :: '..:: ..,,_. , , rollvinklar utgående från vinkelmätningar i ett fordonsfast koordinatsystem 42 mot ett antal markfasta reﬂektorer 72 inom den laseroptiska sensoms 71 räckvidd.

Fig 4: Lägesbestänniing i tre dimensioner i ett jordfast koordinatsystem 41 av punkter i terräng- en från ett godtyckligt positionerat och orienterat fordon 1 med scarmande laseravståndsmä- tare 81 som mäter i ett fordonsfast koordinatsystem 42.

Fig 5: Avbildning från dynamisk terrängmodell 821, en variabel Z som funktion av koordinater i planet X och Y.

Fig 6: Område med gränser utritade för en materialvolym 181 som skall hanteras och med ex- empel på hinderfri zon 191 samt zoner för spaning 192 och lastning 193, i förväg planerad bana för spaning 111, dynamiskt planerad närmandebana 121 från en växlingspurikt 1112 på spaningsbanan till en likaså dynamiskt planerad lastningsbana 1223 med tillhörande dyna- miskt planerade rörelser för lasthanteringsdonet inklusive lastskopan, en dynamiskt planerad transportbana 124 som omfattar fordonets 1 gång ut ur materialvolyrnen och åter till väntelä- get 110 för växling av körriktningen och statiska transportbanor 112 till och från en loss- ningspunkt 1231 med de rörelser av lastskopan som erfordras vid lossning respektive utgång ur lossningsmomentet.

Fig 7: Område med gränser utritade för en materialvolym 181 som skall hanteras och med ex- empel på hinderfri zon 191 samt zoner för spaning 192 och lossning 194, i förväg planerad bana för spaning 111, dynamiskt planerad närmandebana 121 från en växlingspunkt 1112 på spaningsbanan till en lossningspunkt 1231, en dynamiskt planerad transportbana 124 som omfattar fordonets 1 gång ut ur materialvolymen och åter till ett läge för växling av körrikt- ningen och statiska transportbanor 112 till och från en i bilden utelämnad lastningsuppgift.

Fig 8: Blockschema med de för uppfmningen väsentliga omvärldssensorer och datorsystem som erfordras ombord på fordonet 1, innefattande 1) framåtseende scannande laseravståndsmätare 81 som i ett fordonsfast koordinatsystem 42 detekterar och mäter in punkter på markytan samt på förekommande hinder samt 2) positionsbestämningssystem 7 som, i ett jordfast koordinatsystem 41, anger fordonets 1 position i sex frihetsgrader (koordinater x,y och z samt attitydvinklar u; (kursvinkel), 9 (tippvinkel)och (p (rollvinkel) sarnt 3) DTM-datom 82 för att hantera och bearbeta den dynamiska terrängmodellen DTM 821 där denna dator tar emot mätningarna från den scannande laseravståndsmätaren 81 och med hjälp av den i sex frihetsgrader angivna lägesuppgiften från positionsbestämningssystemet 7 omvandlar den scannande laseravståndsmätarens 81 mätvärden till koordinater i det jordfasta koordinatsystemet fór punkter på markytan, på materialvolymer samt på förekommande hin- der, som därmed bygger upp och uppdaterar en dynamisk terrängmodell 821, och utifrån denna modell beräknar och till uppdragsdatom 6 meddelar koordinater för last- och loss- ningspunkter samt höjdproﬁler för planering av banor vid lastning från respektive lossning till en befintlig materialvolym samt att DTM-datom också kontinuerligt utvärderar kriterier för varning och nödstopp vid förekommande hinder och därvid sänder erforderliga hinder- vamings- 9842 och nödstoppsmeddelanden 9841 till styrdatom 211 samt 4) uppdragsdator 6 som hanterar uppdragspro grammet, planerar fordonsbanor och fordonets 1 rörelse längs dessa banor samt planerar skopans rörelse vid hantering av last och som sänder underlag till DTM-datom 82 i form av spaningsuppdrag 94 med gränstabell 941 för spa- ningszon 192 och spaningsriktning, 942 för lastningszon 193, lastriktning och lastskopans bredd samt hinderdetekteringsuppdrag 95 med gränstabell 951 för hinderfria zoner 191 och tabell 952 med fordonets hinderskyddsgeometri 195 och som förser såväl DTM-datom som fordonsstyrdatorn 211 med styrtabeller 971 för styrning av fordon och lasthanteringsdon, samt 5) styrdator 211 som styr fordonet 1 och lasthanteringsdonet 14 i autonom mod med hjälp av ett antal ställdon och avkärmare installerade i fordonets styr- och reglersystem utgående från 526 913 c o 0 0 no 0 a oo 0 I 0 0 0 oo I on 0 0 n 0 J 0 o 0 0 I 9 oo oo en uno nu neon oncooo 0 styrtabell 971 som tillsänts styrdatom från uppdragsdatorn 6 eller direkt på hindermeddelan- de 984 som genererats av DTM-datorn 82. I fjärrstymingsmod styrs fordonet av operatören som därvid kan fjärrstyra varje erforderligt ställdon i fordonet via styrdatorn samt 6) radiolänk 5 med radiolänkterminal 51 vid operatörsplats och 52 ombord fordonet, för att sända parametrar för beordrade banor samt tillfälliga kommandon och fjärrstyrningssignaler till fordonet 1 samt för att från fordonet sända statusinforrnation och positionsuppgifter till 7) operatörsplats 3 med MM] (gränssnitt märmiska/maskin)-dator 31 samt 8) operatör som beordrar och har möjlighet att planera autonoma uppdrag och som kan gå in och styra fordonet 1 i undantagsfall, såsom vid larm och systemfel.

Fig 9: Exempel på dynamisk närmandebana 121 bestående av ett inledande cirkelsegment om- givet av ett klotoidpar, därefter en rakbana och ett avslutande cirkelsegment också omgivet av ett klotoidpar.

Fig 10: Väsentliga dataprogram, datameddelanden och parameterlistor samt beräkningsmo- ment, källor, beroende- och påverkansstruktur samt dataﬂödets vägar i och mellan DTM- datom 82, uppdragsdatom 6 och fordonsstyrdatorn 211.

Fig 11: Uppdrags- och meddelandeutväxling samt analys och beräkningsmoment vid genomfö- rande av spanings- och lastningssekvens. Exempel.

Fig 12: Skelettmodell av lasthanteringsdon 14 med lastskopa 142 samt delar av fordonets 1 rarnfasta mekanik Fig 13: .Förenklad modell, uppbyggd av rigida element och pívotpunkter, av den mekaniska strukturen som omfattar lasthanteringsdon 14 med lastskopa 142 Fig 14: Lastningsbana 1223, projektion i det jordfasta koordinatsystemets 41 x/y-plan, angrepp- spunkt för lastning 1222, inträngningsdj up s(k) och beräknade medelvärden Z(k) för höjdvärden i jordfasta koordinatsystem 41 avseende pukter på materialvolymens 181 yta ut- med en linje av lastskopans bredd tvärs lastningsbanans riktning för varje steg k = 0,l,2,3,... av lastningsrörelsen och därur uppskattad höjdproﬁl z(k) i det jordfasta koordinatsystemet.

Fig 15: Utskuren volym åskådliggjord i en avbildning med en polygomnodell som genomskär- ning av lastskopan 142 i en serie på varandra följande lägen i jordfast koordinatsystem 41 under en tänkt lastningsrörelse i en materialvolym 181 .

Fig 16: Rymmande volym åskådliggjord för två olika lägen av en lastskopa 142 Fig 17: Terrängproﬁl med referensyta 17, materialvolym 181 och hinder 182 med lagret Z(l ,m) och funktionen Z(1,m) - Z(2,m) Fig 18: Fordonets 1 hinderskyddsgeometri 195 i den dynamiska terrängmodellen 821. Den del av den hinderfria zonen 191 som avsöks med avseende på eventuella hinder representeras av ett antal av fordonets hinderskyddsgeometri täckta element, och mönstret är skapat utgående från ett antal på varandra följande positioner för fordonets hinderskyddsgeometri i den plane- rade banan vid och framför fordonet som är avbildat i sin befintliga position. 4. Uppfinningens utförande Allmän översikt I den här följande beskrivningen av denna uppﬁnning används det kortfattade uttrycket ” sys- tem” för att avse anordning eller apparat, förfarande eller metod eller en kombination av an- ordning eller apparat och förfarande eller metod.

Med hänvisning till begreppsträdet i ﬁgur l och dess förklaringar nedan avser uppﬁnningen intelligenta funktioner för fordon och automatiska lastrnaskiner gällande kartläggning av terräng och materialvolymer, hinderdetektering och styming av fordon och arbetsredskap.

Uttrycket fjärrstyming avser styrning av ett fordon som kontinuerligt eller nära kontinuerligt via ett kommunikationsmedíum, normalt i forrn av en radiolärik med eventuell bildöverföring, styrs av en operatör som ej beﬁnncr sig i fordonet. 526 913 i mir: 6 2 i 2 'I '.."..' '..° J. 23.2.- 2 Uttrycket autonom används i betydelsen självständig. Det avser således utförande verksamhet som antingen är helt automatisk eller åtminstone till avsevärd del automatisk det vill säga utan nämnvärd mänsklig medverkan i denna verksamhet. Ett autonomt fordon ska kunna arbeta obemarmat, dvs utan att behöva mänsklig förare eller annan operatör, vare sig ombord eller vid någon fristående operatörsplats, för att styra fordonet och manövrera dess arbetsredskap. Om mänskliga passagerare förekommer ombord, där dessa utöver möjlighet att ingripa i undantags- fall och nödsituationer inte deltar i styrningen, kan ett sådant fordon fortfarande anses vara au- tonomt.

Uttrycket planstyming används om system för autonom arbetsoperation som följ er en uppgjord plan utan nämnvärd möjlighet till korrigeringar med hänsyn till ändringar eller uppkommen tillgång till tidigare ej åtkomlig eller befintlig information.

Uttrycket intelligent används om system för autonom arbetsoperation som till skillnad från sys- tem för planstyrd autonom arbetsoperation innehåller element som uppskattar tillstånd i och skapar eller uppdaterar modeller av omvärlden och som utgående från dessa uppskattningar och modeller genererar, simulerar och utvärderar ansats till plan för arbetsoperation, modifrerar uppgjord plan eller skapar ny plan för arbetsoperation som är optimal i den meningen att den förväntas ge en större produktion än andra möjliga altemativ och att den kan utföras inom givna ramar och gränsvärden. Liksom vid planstyming innehåller ett intelligent system element som tillser att uppgjord plan följs och genomförs, genom användning och styrning av tilldelade re- surser och medel.

Uttrycket banstyrning avser autonom navigering utefter en uppgj ord bana, deﬁnierad av ett an- tal bansegment med för varje segment erforderliga parametrar såsom ingångs- och utgångsposi- tion , -hastighet och kursvinkel, ev krökningsparameter samt maxhastighet. Banstymingen inne- fattar normalt ett realtids positionsbestärnningssystem, som tillgodoser styrsystemets behov av att kunna jämföra uppnått positions- och rörelsetillstånd med planerade värden.

Beskrivning av upp/inningen Med hänvisning till ﬁgur 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 och 18 innefattar upﬁnningen ett förfarande i form av intelligenta funktioner för fordon och automatiska lastrnaskiner gällande kartläggning av mark/referensyta och materialvolymer, hinderdetektering och på sådan information baserade intelligenta funktioner för planering och styrning av fordon och arbetsredskap. Uppfrnningen avser därvid ett förfarande för kartläggning av ett arbetsområde och däri ingående mark/referensyta I 7, materialvolymer 181 och hinder 182 med hjälp av fordonsburna sensorer varvid ett sådant fordon l är försett med ett positionsbestärnningssystem 7 med en fordonsburen roterande elektrooptisk sensor 71 för noggrann positionsbestämning av fordonet i tre dimensio- ner X, Y och Z i ett jordfast koordinatsystem 41 och dessutom kurs-, tipp- och rollvinkel, ut- nyttjande markfasta reﬂektorer 72 samt ett system 8 för mätning, modellering och analys av terräng, materialvolymer och hinder bestående av en scarrnande laseravståndsmätare 81 och en dynamisk terrängrnodell 821, DTM, i en särskild terrängrnodell- eller DTM-dator 82 med al- goritmer för att mäta in, registrera och analysera mark- eller referensyta, materialvolymer och hinder samt, baserat på denna mer eller mindre kontinuerligt under ett uppdrag insamlade in- formation och genomförda kartläggning, att vid autonom lastning och lossning av material inom särskilt avgränsade områden beräkna koordinater för närmaste eller på annat sätt mest lämpliga angreppspunkt 1222 vid lastning där mitten av lastskopans 142 framkant avses gå in i material- volymen, och uppskatta en för stymingen av lasthanteringsdonet 14 erforderlig höjdproﬁl för lastningsbanan, respektive att vid lossning beräkna koordinater för mest avlägsna eller på annat sätt mest lärnpliga törnningspunkt 1232 för lastskopan vid lossning samt att vid upptäckt och 0009 lit 000 I 00000 0 c o U O 000 526 913 , ZZ; G6; i G 5 i v U I I I O I I I I I l o o o ao o o v a n p n u u o a o o o a a o. oo o. ou n u n o a farlig närhet av hinder ge varning respektive stoppkommando, varvid DTM-datorns spanings- och hinderdetekteringsuppgifter är beordrade från en uppdragsdator 6, som i sin tur, för ett spe- cifikt uppdrags genomförande blivit försedd genom översändning av data från en operatörsplats 3 med ett operationsuppdrag 9 innefattande uppdragsprogram 91 för den överordnade styrning- en av fordonet under ett uppdrag samt parametrar 92 för statiska bansegment I I och prototyp- parametrar 930 för operationens dynamiska bansegment 12 samt spaningsuppdrag 94 med an- befallda zoner och riktningar för spaning, lastning och lossning och hinderdetekteringsuppdrag 95 med gränstabeller 951 för hinderfria zoner 191 samt tabell 952 med hinderskyddsgeometri 195 för det aktuella fordonet, och där denna uppdragsdator tar emot meddelanden från DTM- datom avseende koordinater och lokal terrängmodell för lastnings- respektive lossningspunkter och med hjälp av program 611 - 613 för optimering av fordonsbana och lasthanteringsdonets rörelse, samt program 614 för simulering och tabelleríng av fordonets och lasthanteringsdonets rörelse beräknar och till en fordonsstyrdator 211 översänder styrtabell 971 för aktuellt banseg- ment varvid denna styrdator via gränssnitt 212 till fordonets elektriska och hydrauliska system styr fordonet och dess redskap i planerade banor och rörelser samt vid hinder påträffade av DTM-datorn och på direkta hindermeddelanden 984 ﬁ'ån denna beroende på hindrets närhet ändrar hastighet eller, liksom vid bruten radiolänkförbindelse 5 med operatörsplatsen, starmar fordonet och larmar till operatörsingripande.

Vid ett förfarande i form av intelligenta funktioner för fordon och automatiska lastmaski- ner gällande kartläggning av terräng och materialvolymer, hinderdetektering och styrning av fordon och arbetsredskap är fordonet 1 försett med ett lasthanteringsdon 14 vari ingår en lastskopa 142 eller annat styrbart lastbärande redskap. För planering och övervakning av fordonets arbete finns en operatörsplats 3 med gränssnitt människa/maskin, MMI- dator, 31 som med en radiolänk 5 har förbindelse med fordonets uppdragsdator 6. I MMI- datom finns för fordonet förplanerade operationsuppdrag 9 innehållande ett för varje ope- ration specifikt uppdragsprogram 91 som sköter utdelning av uppgifter till olika delsystem och som kontrollerar att uppgifterna utförs planenligt under uppdragets gång efterhand som arbetet framskrider och som återlämnar initiativet till operatörsplatsen när uppdraget är slutfört eller om det avbryts av annan anledning. I operationsuppdraget ingår också pa- rametrar 92 för statiska bansegment 11, prototypparametrar 930 för dynamiska banseg- ment 12, spaningsuppdrag 94 med rilcmingsangívelser och gränstabeller för zoner för spaning 941, lastning 942 och lossning 943 samt hinderdetekteringsuppdrag 95 med gränstabeller 951 för hinderfria zoner 191 och tabell 952 med fordonets hinderskyddgeo- metri 195 . Inför ett uppdrag sänds från operatörsplatsen 3 ett sådant operationsuppdrag 9 till fordonets uppdragsdator 6 via radiolänk 5.

I det totala systemet ingår ett positionsbestämningssystem 7. Det används för fordonets 1 navigering, samt för att i ett jordfast koordinatsystem 41 avge position och attitydvinklar avseende ett fordonsfast koordinatsystem 42 i vilket det sitter en scannande laserav- ståndsmätare 81 som tillhör fordonets delsystem 8 för inmätning av mark/referensyta I 7, materialvolymer 181 och hinder 182. Positionsbestärnningssystemet beräknar, i ett jord- fast koordinatsystem 41, fordonets läge i sex frihetsgrader, dvs x-, y- och z-koordinater samt de tre attitydvinklarna ty (kursvinkel), 9 (tippvinkel)och cp (rollvinkel). I det jord- fasta koordinatsystemet är exempelvis X-axeln en mot norr riktad vektor i horison- talplanetX-axeln en vektor likaledes i ett horisontalplan, vinkelrät mot X-axeln och riktad mot öster. Z-axeln är en normalvektor till samma horisontalplan och vinkelrät mot både the X-axeln och Y-axeln och riktad uppåt, dvs mot zenit. Det fordonsfasta koordinatsys- temet 42 är också ett rätvirrkligt koordinatsystem, där š-axeln till exempel är riktad framåt och utmed fordonets längsriktning, n-axeln riktad i fordonets tvärsriktning och Q-axeln är 526 913 Q z" z: riktad uppåt och vinkelrätt mot både š-axeln och n-axeln. Det fordonsfasta koordinatsys- temets läge och orientering i rymden deﬁnieras av positionen (x,y,z) för dess origo och dess vridning i förhållande till det jordfasta koordinatsystemet av de tre attitydvinklama xp (kursvinkel), 9 (tippvinkel)och cp (rollvinkel). Vinkeln xp kan därvid definieras som en medurs vridning av det fordonsfasta koordinatsystemet kring dess egen Q-axel, sett från en punkt på den positiva delen av nämnda axel. På samma sätt definieras vinkeln 9 som en moturs vridning av det fordonsfasta koordinatsystemet kring dess egen n-axel, sett från en punkt på den positiva delen av nämnda axel ,och vinkeln cp som en moturs vridning av det fordonsfasta koordinatsystemet kring dess egen š-axel, sett från en punkt på den positiva delen av sistnämnda axel.

Ett sådant positionsbestämningssystem 7 kan till exempel utföras enligt de principer som anges i svenskt patent nr 464 837 och som för att erhålla sex frihetsgrader i positionsbe- stämningen utför vinkelmätningar i sidled och höjdled till ett antal reﬂektorer 72 kring fordonet 1.

Föreliggande uppﬁnning är en utveckling av detta patent genom införande av en frarnåtse- ende scannande laseravståndsmätare 81 avsedd för att med hög noggrannhet upptäcka och mäta in terräng, materialvolymer och andra föremål såsom hinder framför fordonet och den tillhörande DTM-datom 82 vars uppgift är att med hjälp av den i sex frihetsgrader angivna lägesuppgiften från positionsbestämningssystemet omvandla den scarmande la- seravståndsmätarens mätvärden till koordinater i det jordfasta koordinatsystemet för punkter på markytan, på materialvolymer samt på förekommande hinder och att därmed bygga upp och uppdatera en dynamisk terrängmodell DTM 821. Utgående från DTM kan sedan olika analyser ske dels vad gäller lämpliga punkter till vilka fordonet kan styras vid lastning och lossning, dels vad gäller val av parametrar för att skapa effektiva rörelser med fordon och lasthanteringsdon vid lastning och lossning. Dessutom kan DTM användas utanför lastnings- och lossningszonerna för att detektera och ge larm i systemet för upp- täckta hinder.

Vidare är fordonet 1 anordnat för fjärrstyrriing genom att det är försett med en fordons- styrdator 211 med gränssnitt till fordonets elektriska system, innefattande gränssnitt till motor, växellåda, färdbroms, parkeringsbroms och fordonets styrsystem, med gränssnitt till lasthanteringsdonets sensorer och elektriskt styrbara ställdon 14, med gränssnitt till ett positionsbestämningssystem 7, med gränssnitt till operatörsplatsen 3 via radiolänk 5, med gränssnitt till uppdragsdatom 6 och för hinderskyddsﬁinktioner även med gränssnitt till DTM-datom 82 med digital terrängmodell 821.

Fordonsstyrdatorns 211 styrning av fordonet baseras på en styrtabell 971 som genereras i uppdragsdatom 6 med hjälp av ett program 614 för simulering och tabellering av fordo- nets och lasthanteringsdonets rörelse. Denna tabellgenerering utförs för varje bansegment från stillastående eller växlingspunkt från föregående bansegment till stopp eller väx- lingspunkt till nytt bansegment. För statiskt bansegment 11 genereras styrtabellen därvid i uppdragsdatorn utgående från en uppsättning färdiga parametrar 92 för statiskt banseg- ment 11, medan den för dynamiskt bansegment 12 genereras utgående från en uppsättning i uppdragsdatom beräknade parametrar 931. För beräkning i uppdragsdatorn 6 av para- metrar för dynamiska banor används program för optimering av närmande-, lastnings- och lossningsbana 611, 612 respektive 613 vars beräkningar bygger på dels en uppsättning prototypparametrar 930, dels mätvärden och tabeller som skapats i DTM-datom 82 i form av upptäckts-, lastningsbane- och lossningspunktsmeddelanden 981, 982 respektive 983. I DTM-datom finns en dynamisk terrängmodell DTM 821 som täcker hela arbetsområdet I ooooo o o o oo! ooo :oo Ooo ooo O I o oooo oo o o o o oo o 526 913 9 ooooooo ooooooo ooooo oo o o med transportvägar och zoner för spaning, lastning och lossning. Vidare mottar DTM- datom kontinuerligt under uppdraget positionsuppgifter från positionsbestämningssyste- met 7. Vid lastning eller lossning inleds, efter eventuella förberedande statiska banor för att komma fram till lämplig närhet av den aktuella lastnings- eller lossningszonen, en spaningsbana 111 varunder syftet är att upptäcka en lämplig punkt i materialvolymen där en lastningsrörelse in i materialvolymen kan påbörjas eller där en lossningsrörelse 1233 kan utföras. Via uppdragsdatom är DTM-datom försedd med erforderliga zongränstabel- ler 941, 942 och 943 för spanings- 192, lastnings- 193 respektive lossningszon 194 från operationsuppdraget 9. På grundval av dessa uppgifter avgör DTM-datom när fordonet beﬁnner sig i spaningszon och påbörjar då aktiv uppdatering av den dynamiska terångmo- dellen utgående från den scarmande laseravståndsmätarens 81 avstånds- och vinkelmät- ningar mot materialvolym 181 och andra ytor inom aktuell lastnings- eller lossningszon.

Med hjälp av de koordinater och attitydvinklar i det jordfasta koordinatsystemet 41 för det fordonsfasta koordinatsystemet systemet 42 som erhålls från positionsbestämningssyste- met 7 transformeras mätningarna från det fordonsfasta koordinatsystem 42 i vilket dessa mätningar primärt sker, till positioner i jordfast koordinatsystem 41 varefter resultatet av varje mätning kan användas för att uppdatera den dynamiska terrängmodellen.

Parallellt med denna uppdatering analyserar DTM-datom 82 också den framväxande dy- namiska terrängmodellen DTM 821 för att hitta närmaste eller mest avlägsna eller på an- nat sätt mest optimala angreppspunkt 1222 för lastning respektive tömningspunkt 1232 för lastskopan vid lossning. När en sådan punkt är funnen sänder DTM-datom till upp- dragsdatom 6 ett upptäcktsmeddelande 981 med koordinater för fordonets position vid meddelandetillfallet samt koordinater för den hittade punkten. I uppdragsdatom beräknas då, utgående från dessa uppgifter från DTM-datom samt från i operationsuppdraget 9 in- gående prototypparametrar 930, med hjälp av uppdragsdatoms program 611, parametrar 9311 och styrtabell 971 för en dynamisk närmandebana 121, som från en med hänsyn till fordonets momentana position lämplig växlingspunkt 1112 en bit längre fram i den pågå- ende spaningsbanan 111 ska leda fordonet till ett lämpligt läge, lastningspunkten 1221 el- ler lossningspunkten 1231 inför den hittade angreppspunkten 1222 för lastskopans ingång i en materialvolym respektive tömningspunkten 1232 för lastskopan vid lossning. Därefter sänder uppdragsdatom ett växlingsmeddelande 972 med koordinaterna för växlingspunk- ten samt närmandebanans styrtabell till fordonsstyrdatorn 211. Dessutom sänder upp- dragsdatom ett rapportpunktsmeddelande 973 till DTM-datorn som avser koordinatema för den punkt i banan där DTM-datom ska till uppdragsdatom avge ett lastningsbanemed- delande 982 med koefﬁcienter 9821 för markplanet vid lastningspunkten och en tabell 9822 över en beräknad höjdproﬁl i lastningsbanan 1223 eller vid lossning ett lossnings- punktsmeddelande 983 med koefﬁcienter 9831 för markplanet vid lossningspunkten och en tabell 9832 med lokal terrängmodell av den inmåtta materialvolymen 181 i en omgiv- ning av den föreslagna tömningspunkten 1232 för lastskopan vid lossning. Samtidigt fort- sätter DTM-datom att analysera den framväxande DTM för att beräkna dessa koefﬁcienter och denna höjdproﬁl eller lokala terrängmodell i den riktning som enligt i operationsupp- draget angiven lastnings- respektive lossningsriktning leder in i materialvolymen från den föreslagna angreppspunkten för lastskopans ingång i materialvolymen eller den föreslagna tömningspunkten 1232 för lastskopan vid lossning. När rapportpunkten nåtts och detta lastningsbanemeddelande 982 sänts över från DTM-datom beräknas aktuella parametrar 9312 för lastningsbanai uppdragsdatom med hjälp av dess program 612 för optimering av lastningsrörelse och utgående från prototypparametrar 9302 för lastningsbana samt från DTM-datom erhållna koefﬁcienter och höjdprofiltabell. Vid en lossningsuppgift och efter mottagning av från DTM-datom erhållet lossningspunktmeddelande 983 beräknas aktuella o o o o o o o o o I o o o q o o o o o o o o o o o o o o o o o o oo oo oo ooo oo Iooo o 0000 000 009 O 0 Q b 000 0 0 000 0 o o 00' o o I o c ÜC I 0 o 0 0 0 00 0 00 n 5 2 6 9 1 3 pararnetrar 9313 för fordonets lossningsrörelser 1233 i uppdragsdatom med hjälp av dess program 613 för optimering av lossningsrörelse och utgående från prototypparametrar 9303 för lossningsrörelse samt från DTM-datom erhållen tabell med lokal terrängmodell.

Slutligen simuleras förloppet i uppdragsdatorn med hjälp av dess program 614 för simu- lering och tabellering av fordonets och lasthanteringsdonets rörelse varvid en ny styrtabell genereras och sänds till styrdatom som påbörjar styrningen av fordonet efter denna nya ta- bell så snart närmandebanan är avslutad. När sedan lastningsbanan 1223 eller lossningsrö- relsen 1233 är avslutad sänder fordonsstyrdatom 211 ett redomeddelande 961 till upp- dragsdatom som därvid beräknar parametrar för en dynamisk utgångsbana från den aktuel- la positionen till en punkt varifrån banan leder till en punkt där fortsatta banor kan följa i enlighet med det överordnade uppdragsprogrammet 61. När denna bana sedan körts och uppdragsdatom återfått initiativet fortsätter hanteringen enligt uppdragsprogrammet med nya lastnings-, lossnings- eller transportuppgifter eller till ett vänteläge 110. 0 000000 o 0 0 0 ao 00 I 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 000 000 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 n 0 10 Under fordonets 1 rörelse är DTM-datoms 82 uppgift järnväl att jämföra erhållna mätvärden från den scannande laseravståndsmätaren 81 med tidigare känd modell av terräng, materialvo- lymer och hinder och därvid pröva kriterier för hinderupptäckt under alla skeden av autonom driñ av fordonet.

Inmätnina av mark/referensvta, materialvolymer och hinder Den scannande laseravståndsmätaren 81 är placerad relativt högt, se figur 2, såsom på for- donstakets framkant och riktad framåt och snett nedåt. Varje stråle utgörs av en kort laserpuls och dess gångtid fram och åter används för mätning av avståndet mellan lasem och strålens träffpunkt i omgivningen. Genom en roterande spegel i scannern sveps dessa strålar i ett plan deﬁnierat av scannerns mekanik. Det plan vari strålarna sänds ut från den scannande laserav- ståndsmätaren är parallellt med det fordonsfasta koordinatsystemets 42 n-axel men är vinklat ner med vinkeln ß, från ett plan parallellt med det fordonsfasta koordinatsystemets axlar E) och n. Strålama träffar omgivningen i form av mark, materialvolym eller armat föremål, såsom ett hinder, i punkter som bildar en kurva som på plan mark utgörs av en rät linje vinkelrät mot for- donets 1 längsaxel och sett i ett tvärsnitt i punkten P (ﬁgur 2). Den scannande laseravståndsmä- taren 81 mäter vinkel ot, se figur 4, i det lutande planet mellan fordonets riktning rakt förut och till ett antal punkter på omgivningen utmed ovannämnda kurva samt avstånd R från scannem till varje sådan punkt P.

Ortsvektorn X = (å, n, Q) för positionen i det fordonsfasta koordinatsystemet 42 av varje så- dan punkt kan nu beräknas med hjälp av dessa mätvärden ot och R, den scarmande la- seravståndsmätarens 81 position (än, no, Qe) i det fordonsfasta koordinatsystemet samt den scan- nande laseravståndsmätarens lutningsvinkel ß i förhållande till detta systems E_,/ n plan: §= šo + R cosotcosß l n = no + R sinot Q = Q» + R cosotsinß 1 (1) Med dessa koordinater i det fordonsfasta koordinatsystemet samt utgående från den sex fri- hetsgraders positionsuppskattning som erhålls av det fordonsburna positionsbestämningssyste- met 7 kan därefter koordinatema i det jordfasta koordinatsystemet 41 för varje av den scan- nande laseravståndsmätaren inmätt punkt P beräknas. Från positionsbestämningssystemet 7 erhålls således den sex frihetsgraders positionsbestämning bestående av ortsvektom X = (X, Y, Z) och attitydvinklarna ty, 9 och (p, som kan användas i transformationsmatrisen M(\|1, S, 0 I 0 Och 526 913 ="="ï* ="= 'i , ﬂ i i' i !'.'2 11 ¿ . .u S.. :'22 :'; 3,' g - I O O II OO OO OQO OI IDO! I S M(\|1,9, cosxucos9, simpcosâ, sinS l = |-simpcostp + cosursinêsincp, cosu/cosrp + sinu/sinßsinrp, - cosSsintpl (2) L-sinwsinrp - coswsin8coso, coswsincp - sinwsinêlcoso, cosâcosrpl Ortsvektorn X1” = (Xiu, ylas, Zias) i det jordfasta koordinatsystemet 41 för den inmätta punkten P kan nu beräknas som Xm. = X + X* M(\|1, S, (p) (3) Varje mätning med den scannande laseravståndsmätaren 81 resulterar således i en tre dimen- sioners koordinatbestämning i det jordfasta koordinatsystemet 41. Beräkningarna utförs i DTM- datom 82, och dessa koordinater används till jämförelse med en dynamisk terrängmodell 821 i denna DTM-dator, såsom för att kunna upptäcka ett nytt hinder, för olika beräkningar av tillk- omna materialvolymer etc samt för att vid behov uppdatera den dynamiska terrängmodellen.

En sådan terrängmodell 821 kan bygga på ett kvadratiskt rutnät med kvadratsidan d, och där en ruta betecknas ( i, j ) varvid dess fyra höm har koordinatema i planet X/Y: nedre vänstra hörnet: ( i-l, j-l )d (4a) nedre högra hörnet: ( i-1 , j )d (4b) övre vänstra hörnet: (i, j-l )d (4c) övre högra hömet: ( i, j )d (4d) Mittpunkten för en ruta betecknad ( i, j ) har koordinatema i planet X/Y: (X1 = (i - o.s)d, 1 s i s imax (sa) LY; = (j - o.5)11, 1 s j s jmax (sb) Varje mätning Xias kan då jämföras med eller uppdatera terrängrnodellen 821 i rutan ( i, j ) där dessa index i och j bestäms av villkoren í(i-1)<1 l(j-1)<1 Den dynamiska terrängrnodellen DTM 821 ska fungera i varje punkt av hela arbetsområdet dels för jämförelse med nya mätningar (hinderdetektering), dels för beräkning av koordinater 9811 och 9812 för optimala angreppspunkter 1222 för lastskopans ingång i materialvolymen 181 respektive tömningspunkter 1232 för lastskopan vid lossning samt optimala lastningsbanor 1223 och lossningsrörelser 1233 av fordon 1 och lasthanteringsdon 14, innefattande volym- beräkningar av lastad volym respektive utrymme för lossning av material för olika ansatta parametrar för dessa rörelser. Vissa delar av DTM kan vara uppgjorda á priori medan andra baseras eller uppdateras också i viktiga lager av gjorda mätningar med den scannande la- seravståndsmätaren. Till varje ruta (i, j) i DTM, 1 S i S imax och l S j S jmax kan ett visst ordningsnummer n beräknas så att mot varje n svarar entydigt en viss ruta (i, j) och mot varje ruta(i, j) svarar samma tal n: li-imax+ j om jmax S imax l n = i l J li +j-jmax om imax (78) nu 0000 ll O O I OI 0 0 I OI Q 00 OI ICQ Ü Û .. .

: :I :', : . I . v I vv .nu a". :u a: acc nu n. , ,.:: ' I 0 0 Iou 12 ¿....:.....:'::.° ' I 0 oo oo u; un: on nu 526 913 eller omvänt íheiraisaeien av bråket n/imax om jmax s imax 1 i = i i (vb) ln -j-jmax om imax in - i-imax om jmax S imax l j = i i (70) lheltalsdelen av bråket n/jmax om imax < jmax l Olika lager kan användas i DTM för att skilja på olika slag av zoner och data i DTM. Se ﬁgur 17. Med beteckningen Z(LAG, n) avses Z-koordinat i lager LAG for element n i DTM. I det följande används: Lager 0. Indexnurnmer Lager 1. Z(1, n) är baserat på mätningar enbart från fordonets aktuella färd i en bana for att upptäcka och mäta in referensyta 1 7, hanteringsobj ekt 180, materialvolymer 181, eller hinder 182.

Lager 2. Z(2, n) representerar referensytan 17 utan hanteringsobjekt, materialvolymer, kända och okända hinder.

Lager 3. Z(3, n) avser hanteringsobjekt, materialvolymer och kända hinder för vilka ingåen- de Z-värden for elementen i modellen bygger på mätningar från tidigare uppdrag inom arbetsområdet eller på annat sätt inmatade grunduppgifter och att därvid vad gäller hindervärden från eventuella mätningar mot tidigare icke kända men efter upptäckten borttagna hinder har rensats bort och ersatts med värden som avser samma element utan okända hinder.

Lager 4. Z(4, n) är ett markeringsfált för hinderfri zon 191 , varvid Z(4, n) = 1 betyder att elementet ligger i hinderfri zon.

Lager 5. Z(5, n) = l betyder att elementet ligger i spaningszon 192.

Lager 6. Z(6, n) = l betyder att elementet ligger i lastningszon 193.

Lager 7. Z(7, n) = 1 betyder att elementet ligger i lossningszon 194.

Mätvärden avseende element n kan lagras på ﬂera olika sätt, beroende på användningen: 0 Senast inkomna Z-värde, betecknat Z-i (LAG, n), lagras. Det lagrade värdet betecknas Zo (LAG, n) 0 Ett glidande medelvärde av de k senaste mätningarna lagras och betecknas här Zo (LAG, n), dvs Zo (LAG, n) =[ Z-1 (LAG, n) + Z-z (LAG, n) + + Z-k (LAG, n)] / k (8a) 0 Ett rekursivt ﬁlter med den erfarenhetsmässiga ﬁlterkonstanten y, 0 uppdatera lagrat värde Zo QAG, n) med senaste mätning Z-1 (LAG, n). Filtret initialiseras här med : Zo (LAG, n) = Z-1 (LAG, n) första gången en mätning avser element (n), sedan tilläm- pas följande formel Zo (LAG, n) = yZo (LAG, n) + (l-y)Z-1 (LAG, n) (Sh) Denna metod är lämplig om man, som i det aktuella fallet, räknar med att erhålla ett stort antal mätningar for varje element (n).

Kriterium fór hinderdetektering Autonom körning tillåts i hinderfria zoner 191 samt inom lastnings- 193 och lossningszon 194 Tillhörighet av ett element i hinderfri zon utesluter ömsesidigt tillhörighet i lastnings- eller saa 913 f: -s 13 = = : -..='=..= lossningszon. Hinderdetekteringsfunktionens syfte är att i varje element n där Z(4,n) = l och som ligger inom eller i en viss närhet av fordonet i sin aktuella eller planerade position testa hypotesen att kriteriet H S [Z(1,n) - Z(2,n)] är uppfyllt för en minsta hinderhöj d H.

Genom att använda skillnaden Z(1 ,n) - Z(2,n) erhåller man vid ojämn referensyta noggrannare mätning av materialvolymer och hinder. Se figur 17. Beslut om hinder föreligger eller ej i ele- ment n kan baseras på någon form av statistisk hypotesprövning med givna risker för att fatta fel beslut genom att godta att hypotesen är sann utan att det föreligger hinder i elementet re- spektive att förkasta hypotesen trots att det finns ett hinder i elementet. När väl beslutet är fattat kan man lägga in en fast hindermarkering i lagret 3 avseende det aktuella hindret.

Uppbyggnad och underhåll av materialvolvmsmodeller När fordonet under spaningsbana 111 kommer in i spaningszon 192 används de mätningar som avser element inom lastnings- 193 eller lossningszon 194 för att bygga upp och underhålla ma- terialvolyrnsmodellen inom zonen. Primärt är syftet att skapa underlag för aktuell närmande- I21 samt lastningsbana 1223 eller lossningsrörelse 1233, men genom att spara mätningar till kommande uppdrag erhåller man en dynamisk modell som kan ha vissa fel eftersom material- volymens 181 form kan ha ändrats under operationen efter mätningsserien i spaningsbanan.

Samtidigt kan dock intilliggande områden ha blivit uppdaterade och totalt sett kan denna modell användas för planering av kommande uppdrag. Genom att efter varje uppdrag lägga in aktuella mätningar från det avslutade uppdraget i lager 3 har man där en aktuell material- volymsmodell i DTM för alla lastnings- 193 och lossningszoner 194.

Med en rutstorlek av 0.33 * 0.33 m för varje element i DTM täcks en yta av 10 ha med cirka en miljon rutor. Om man för varje ruta lagrar 32 byte index, Z-värden, dataålder- och noggrann hetsuppgift i den dynamiska terrängmodellen 821 erfordras ett lagringsutrymme av 32 Mbyte i DTM-datom 82 för denna modell och kan medge en upplösning av cirka 1/64000 i Z-led.

Beräkning av för lastskopan lämplig angreppspunkt 1222 vid lastning eller törnningspinrkt 1232 vid lossning Flera olika faktorer påverkar valet av angreppspunkt för lastning. Körsträckan inom spanings- och lastningszon 193 för att föra fordonet till ett läge, lastningspunkten 1221, så att lastskopans 142 framkant befinner sig vid den avsedda angreppspunkten 1222 för lastning har betydelse eftersom det är angeläget att minimera totala transportsträckan under ett uppdrag. Vidare bör man välja lastning så att följande lastningsrörelser inte hindras genom att kvarlämnat material ligger i vägen. Dessa faktorer gäller också vid lossning. Ett sätt att åstadkomma maximal rörel- sefrihet för efterföljande dynamiska närmande- och transportbanor liksom lastningsbanor och lossningsrörelser är att sträva efter en rak front i materialvolymen genom att välja angrepp- spunkt för lastskopans ingång i en materialvolym vid lastning respektive tömningspunkt för lastskopan vid tömning så att avvikelsema mellan framkanten på materialvolymen och en rät linje blir så små som möjligt efter varje hantering i materialvolymen. Ett ytterligare önskemål är att undvika lastning mot alltför obetydliga materialrester inom lastzningszonen.

En metod för att åstadkomma en möjligast rak front på materialvolymen och sarntidigt minin- mera transportavstånden är att välja angreppspunkt 1222 för lastning, och tömningspunkt 1232 för lastskopan vid lossning, efter frontens minsta respektive största avstånd till en rät linje som har samma riktning som den tänkta linje som materialvolymens front önskas anpassad till.

För DTM har tidigare definierats att Z(6,n) = 1 betyder att elementet ligger i lastningszon 193 och Z(7,n) = 1 betyder att elementet ligger i lossningszon 194 . sze 915 i 14 gåmjrﬁ- Tröskelnivåer Hmm och Hlossn på minsta lastningsvärda volymhöjd respektive högsta fyllda vo- lymhöjd förlossning används för att undvika att alltför små spillhögar, materialrester och ojämnheter i den beﬁntliga materialvolyrnen ger en slurnpartad stymmg av hanteringen. u I 0 u oo Lämpligaste angrepps- respektive tömningspunkt a) baserat på närmaste resp mest avlägsna punkt i materialvolymen räknat fran en punkt eller linje: När fordonet 1 för en lastningsuppgift kör framåt på spaningsbana 111 och börjar närma sig den aktuella materialvolymen 181 inom lastningszonen 193 så kommer, under förutsättning att det finns material kvar att lasta, mätningar att börja avse element av DTM 821 inom lastníngszonen med en höjd över tröskelnivån för lastning. För att vid situationer med ett ﬂertal för lastning lämpliga element i DTM undvika att endast det första element som medför händelsen att det mäts in med tröskelöverskridande höjd används som angreppspunkt för lastning fordras att for- donet framförs ytterligare en på förhand bestämd sträcka på spaningsbanan efter denna händel- se. Slutpunkten på denna sträcka benämns upptäcktspunkt 1111. Vid upptäcktspunkten har därvid antingen ett ﬂertal element blivit uppmätta och kan användas för val av angreppspunkt för lastning eller så är det först upptäckta elementet ensamt i en tillräckligt stor omgivning så att det därför kan användas som enda element för att bestämma koordinater för angreppspunkten för lastning 1222. På motsvarande sätt kan en upptäcktspunkt för lossning beräknas. Ett kriteri- um för uppnående av upptäcktspunkt vid lossning är att fordonet hunnit förflytta sig en given sträcka sedan mätningar börjat komma avseende element inom DTM utan utrymme kvar för lossning, alternativt att ytan är tom varför spaningsbanan kan avbrytas när lossningsytans bortre gräns med erforderlig marginal blivit passerad av den scannande laseravståndsmätarens 81 in- mätningar. Lossningen kan påbörjas vid dess bortre gräns.

Vid upptäcktspunkten är det således möjligt att ställa upp de binära beläggningstabellerna Qnmmﬁxj) och Qimsnﬁxj) med ekvationerna: í o Om (zu, n) - z(2, n)]< Hmm l Q1mn(n)= i i (9a) ll om Himmmg S [Z(l, n) - Z(2, n)] l resp [o om Hlommg s [z(1, n) _ z(2, n)] l Qlossnﬁl) = i f l1 Om [z(1, n) - z(2, n)] < Him J För en normal till den raka front som man vill upprätthålla används, se figur 6 och 7, en fot- punkt 1931 med koordinaterna ( X0, Yo) och en indikeringsvektor 1932 med komponenterna ( XN, YN ). Som angreppspunkt för lastning väljs då med en standardformel ur analytisk geometri vid lastning och lossning det element n = nlasm respektive n = mmm med koordinaterna (Xlmm, Yimm) och (Xiossn, Ylosm) som ligger närmast respektive längst ifrån en linje vinkelrät mot denna indikeringsvektor och genom fotpunkten 1931, och där element mm: också uppfyller bivillkoren: 0:00 O IIIO OQO 0 0 Jtube I O 2:; för lastning IZII: ålölamrmmm) =1 (ica) lz(6, man.) =1 (iob) S26 913 g 2 -:.s"s 'f 15 _ g z u: "nu". - s 2 respektive att element nlossn för lossning ska uppfylla villkoren iQlossnﬂllossn) = l (1 13) lz(7, mm) = 1 (11b) b) baserat på närmaste resp mest avlägsna punkt i en cell som ingår i en ordnad följd: I detta alternativ ingår varje element n för vilket Z(6,n)=l eller Z(7,n) = l i en ordnad följd N= l,2,3,..., NMAX av celler varvid I“(N,n) = 1 betecknar att element n ingår i cell N. Vid lastning och lossning utökas därvid bivillkoren (10) respektive (l 1) med HN, nian.) = 1 (me) l-(N, Illossn) = l (l lC) där cell N är den cell som för tillfället är aktuell för lastning/lossning.

Bangenerering vid ingång i och utgång ur lagringsvta med materialvolvm Ett operationsuppdrag 9 som innefattar lastning eller lossning förutsätts innehålla minst en i förväg planerad och således statisk spaningsbana 111 som fordonet 1 skall följa medan dess sensorer mäter in och analyserar den materialvolym 181 varifrån eller till vilken lastning resp lossning skall ske, se ﬁgur 6 och 7. Vid fordonets färd utefter denna spaningsbana erhålls därför vid upptäcktspunkten 1111 koordinater för en angreppspunkt 1222 för lastskopans 142 ingång i en materialvolyrn vid lastning, respektive tömningspunkt 1232 för lastskopan vid lossning, som ett resultat av analysen i DTM-datom 82 med hjälp av ovan redovisade villkor och kriterier av den under fordonets genomgång av spaningsbanan uppdaterade dynamiska terrängmodellen 821. Därvid skickar DTM-datom ett upptäcktsmeddelande 981 till uppdragsdatom 6 med er- hållna koordinater för den aktuella angreppspunkten för lastskopans ingång i en materialvolym vid lastning eller törnningspunkten för lastskopan vid lossning. Med kännedom om den tid i systemet som erfordras för att, i uppdragsdatom behandla den erhållna informationen i form av att räkna ut parametrar 9311 för den dynamiska närmandebana 121 som kan bestämmas i detta läge och på basis av dessa parametrar beräkna och vidarebefordra styrtabeller 971 avseende fordonets bana och fordonets rörelse under detta bansegrnent, kan därefter läget för en väx- lingspunkt 1112 bestämmas, vid vilken fordonets bana och rörelse kan övergå från spaningsba- nan till det nu aktuella dynamiska bansegmentet för närmandebanan. Således erfordras vid upptäckt av angreppspunkt för lastskopans ingång i en materialvolym vid lastning eller töm- ningspunkt för lastskopan vid lossning att en dynamisk närmandebana beräknas för att föra for- donet från växlingspunkten fram till ett läge, lastningspunkten 1221, där lastningen just ska påbörjas med maskinen redo för lastning med lastskopan 142 sänkt till avsedd nivå med fram- kanten i angreppspunkt 1222 för lastskopans ingång i en materialvolyrn eller vid lossning med fordonet positionerat i en lossningspunkt 1231 så att lastskopan kan gå in med lämplig höjd på tömningspunkten 1232 för lastskopan för att kunna fullgöra den aktuella lossningsrörelsen 1233 med lasthanteringsdonet 14. Koordinaterna (XC, Yc, Zc) för fordonets position i lastningspunk- ten beräknas utgående från angreppspunktens koordinater med kännedom om fordonets och lasthanteringsdonets geometri och aktuella riktning WC. På motsvarande sätt beräknas dessa koordinater för fordonets position i en lossningsptmkt.

Eftersom det är sannolikt att den valda lastnings- eller lossningspunkten inte befinner sig rakt framför fordonet och på spaningsbanans förlängning så krävs att den dynamiska närmandeba- 5 2 6 9 1 3 . 16 i . -I - . ~j:= nan 121 på vägen från växlingspunkten 1112 dels förskjuter fordonet i sidled, dels leder fordo- net fram till avsedd riktning i lastnings- 1221 eller lossningspunkten 1231. Således erfordras en mer- eller mindre s-forrnad bana. Genom att vid bangenereringen använda såväl klotoid-, cir- kelbågsfonnade som raka bansegment, där klotoidsegmenten innebär att banans radie varierar kontinuerligt från rakbana till minsta krökningsradie, kan man åstadkomma en stor variation av sådana banor med små styrfel.En enkel modell av måttlig komplexitet som fungerar bra, se ﬁ- gur 9, består av två krökar och en mellanliggande rakbana. I den första kröken genomgår banan en kursändring med vinkeln (X1 och i den andra kröken vinkeln 01.2. Varje krök består av ett klo- toidpar samt, för stora 0t1 och Otz, av en cirkelbåge inlagd mellan den krökande och rätande klotoiden i sådana krökar. För en enkel bana utan hinder och där startpunkt och ändpunkt är givna i form av tvådimensionella koordinatvektorer och kursvinklar XA, WA resp Xc, Wc så be- står en enkel formulering av problemet att beräkna banans utseende av tre ekvationer, en för X- koordinat, en för Y-koordinat och en för kursvinkel W. Formuleringen motsvarar följande vari- abler och ekvationer: XA = (XA, YA, ZA) och WA är koordinater och kursvinkel i det jordfasta koordinatsystemet 41 för fordonet 1, specifikt dess fordonsfasta koordinatsystem 42, i växlingspunkt 1112 spanings/närmandebana.

Xc = (Xc, Yc, Zc) och Wc är koordinater och kursvinkel i det jordfasta koordinatsystemet 41 för fordonet 1, speciﬁkt dess fordonsfasta koordinatsystem 42, i lastnings- 1221 re- spektive lossningspunkt 1231.

De tre ekvationema kan skrivas (A = skalfaktor): 7 Xc - XA = AZ X(k), vektoriell ekvation i två dimensioner X och Y (l2a) k = 1 7 wc - WA = Z v<1<> (1210) k = 1 varvid den tvådimensionella vektom X(k) och vinkeln W(k) är bidraget i koordinatema X ochY respektive kursvinkel W från vardera av bansegmenten nr k = 1, 2, 3,...,7.

Var och en av den sammansatta kurvans två krökar, består således av en krökande och en rätan- de klotoidkurva samt, om totala kursändringen (Xi i kröken nummer ”i” är större ån ett värde Om, en mellan de båda klotoidsegmenten inlagd cirkelbåge med krökande vinkel ac = Oti - (to Vi använder vektom klot(M,Si) för den krökande klotoidkurvan i krök nr i som funktion av parametem Si och med/mot-faktom Mi U = Si U = Si kloaMi, si) = [I wsmz/z) du, Mif sinaiz/z) du] (m) u=O u=O 526 913 w -aiazf och vektom cirk(Mi,ou) för cirkelbågen som funktion av dess krökande vinkel OLC och med/mot-faktorn Mi cirkawrorc) = [sinaa Mru-cosao] (Bb) där i *I -o-u om ou < ou, sr = i _ (130) l N/ ou, om oro s ou fl för medurs vridning i krök nummer i för växande Si Mi = i (13d) l -1 för moturs i dzo Vi använder följande beteckning för tvådimensionella matriser för koordinattransfonnation i-cosxpi -simpi i M(\ua) = l | (14) L simpa cosxyi J De sju delsegmentens bidrag till termema i ekv (12a) och (12b) kan nu ställas upp. För del-_ segment 1-3 och 5-7 används beteckningarna M1 respektive M2 för deras medmotfaktorer och beteckningarna ou, S1 och az, S2 för vinklar och argument till deras klotoidvektorer.

Delsegrnent 1. Krökande klotoid i första bankröken X(l) = klot(M1, S1)*M(\l/A) (l5a) i0.5M1-0L1 om (X1 S Om w<1>= i usb) LOÃMPUA) Om (Xo<(11 Dclsegment 2. Cirkelbåge. Utesluts om Om 5 (X0 X(2) = cirk(M1, Om - Oto )*M(\|/A+0.5M1-0L0) (16a) q/(z) = Mr-(orr - ao) (lab) Delsegment 3. Rätande klotoid. Räknas med hjälp av att i två ortogonala riktningar spegelvän- da vektom för krökande klotoid från den punkt där banan övergår från klotoid till rakbana X(3) =klot(-M1, S1)*M(\|/A+M1-ou) (17a) \V(3) = WU) (1711) 526 913 I o a u , , , ' ° 0 I o o o o q u u u s . U 0 c n q a n n u. .- u n.. .

Delsegment 4. Rakbana, kursändring noll. Längd = LNGD-A där A = skalfaktorn, gemensam för hela kurvan.

X(4) = (L, 0)*M(\|1A+ Mi-oti) (18a) \|/(4) = 0 (13b) Delsegment 5. Krökande klotoid i andra bankröken X(5) = klot(M2, s2)*M (rpm Mi-ou) (19a) fO.5M2-0t2 om otz Soto wo) = l mb) l0.5M2-0t0 om Oto < Otz Delsegment 6. Cirkelbåge. Utesluts om 0L2 S Oto X(6) = cirk(M2, 0t2 - 0t0)*M (WA+ M1-0ti-l-O.5M2-0t2) (20a) \[J(6) = Mz-(Otz - (lo) (20b) Delsegment 7. Rätande klotoid. Räknas med hjälp av att i två ortogonala riktningar spegelvän- da vektom för krökande klotoid från banans ändpunkt med kursvinkel \|Jc.

X(7) = klot( - M2, S2)*M(\|1c) (21a) \V(7) = \V(5) (21b) I uppdragsdatom 6 löses ekvationssystemet (12) genom ansats av de båda olika möjliga kombi- nationema av medurs och moturs gång i första respektive andra bankröken samt ansats av ett antal olika startvärden på variablerna LNGD, Ott och Otz , varvid konvergens prövas i ekv (12) vid ett antal iterationer av numerisk lösning av icke linjära ekvationssystem, såsom med Newton-Raphsons metod. I den beräknade banan kan fordonet 1 köra banan såväl framlänges som baklänges.

Optimering av lastningsrörelse utgående från terrängmodell och modell av lasthanterinesdonets och skopans mekanik När rapportpunkten 1211 nåtts och lastningsbanemeddelande 982 sänts över från DTM-datom, används detta meddelandes data i form av koefﬁcíenter 9821 för markplanet vid lastningspunk- ten samt höjdprofiltabell 9822 för att i uppdragsdatom 6 beräkna parametrar i en dynamisk lastningsbana 1223. Därvid beräknas med vilken hastighet och hur djupt in i materialvolymen 181 som lastskopan 142 ska föras och vilken rörelse lastskopan ska utföra i lyft- och tippled vid fordonets 1 gång in i materialvolymen för att lasta avsedd eller maximal mängd av materialet pâ minsta möjliga tid med beaktande av bivillkor som att sliming, överbelastning och spill ska undvikas.

Modell av markplanet i en omgivning av lastníngspunkten För beräkning av lastskopans 142 rörelse i det jordfasta koordinatsystemet 41 behövs en upp- skattning av det fordonsfasta koordinatsystemets 42 position i sex frihetsgrader i det jordfasta koordinatsystemet 41 för varje läge av fordonet 1 i lastningsbanan 1223.

Genom att inträngningen i materialvolymen 181 normalt bara är en relativt kort sträcka, typiskt 1 - 3 meter, så kan en enkel plan yta användas som modell och dess fel i förhållande till den verkliga markytans topologi kan i praktiken försummas. Vi antar således att fordonets hjul kommer att rulla på denna plana yta under hela lastningsfórloppet. En ekvation för markplan- modellen i en omgivning av lastningspunkten 1221 med koordinaterna (Xc, Yc) blir då: XXN + YYN+ ZZN = C (22) En praktiskt användbar uppskattning av koefficientema XN, YN och ZN samt konstanten C kan beräknas med hjälp av DTM 821 för en mängd punkter på referensytan 1 7 i en omgivning av lastningspunkten 1221. Minsta kvadratmetoden kan användas för beräkningarna om man har minst 5 representativa element ur DTM, och helst en tiopotens fler, vilket med ovan angivna storlekar på elementen i DTM inte bör vara något problem i de ﬂesta fall. Dessa beräkningar i DTM-datom 82 utförs med aktuella värden i DTM innan fordonet kommer fram till den rap- portpunkt 1211 på den dynamiska närmandebanan 121, där lastningsbanemeddelandel 982 ba- serad på aktuella mätningar av terräng och materialvolym 181 ska sändas över till uppdragsda- tom 6 för beräkning av parametrar i den dynamiska lastningsbanan 1223. När i detta meddelan- de ingående koefficienter 9821 för markplanet vid lastningspunkten är översända till uppdrags- datorn, kan uppdragsdatom beräkna en transfonnationsmatris M(t|1c, Sc, tpc) för lastningsförlop- pet för att enligt (3) omvandla koordinater i det fordonsfasta koordinatsystemet 42 till koordina- ter i det jordfasta koordinatsystemet 41. För denna plana yta gäller för en bana från lastnings- punkten 1221 vid körd sträcka s i lastningsbanans riktning wc: lm) = Yc + c sina/c) (zsb) Tvärs banan i n-axelns riktning gäller för en sträcka r från lastningspunkten 1221: åíxn) = Xc - r sinnpc) (24a) har) = Yc + f cccuyc) (24b) En uppskattning av Z(s) som en funktion av körd och som projektion av lastningsbanan 1223 på x/y-planet räknad sträcka s längs och en sträcka r tvärs banan från lastningspunkten 1221 kan nu beräknas ur (22), ekvationen för modellen av referensytan 1 7 Z(s) = [C - X(s) XN - Y(s) YN]/ ZN (25a) respektive Z(r) = [C - X(r) XN - Y(r) YN]/ ZN (25b) För ett fordon 1 som vid måttliga lutningar kan antas stå om inte i våg så dock plant på underla- get invid lastningspunkten 1221 kan tipp och rollvinklar Sc resepektive cpc för ett fordonsfast koordinatsystem 42 uppskattas: ur ekvationema 23 a) och b) saint (25a): tan(9c) = dZ(s) /ds = - XN cos(\yc) - YN sin(u1c) (26a) ur ekvationema 24 a) och b) samt (25b): tan( = =';§“,'.: 20 o u Oo 0 o. erison s 0 0 o o Materialvolymens 181 hàjdproﬁl 1811 i angreppspunkten 1222 Utgående från den i DTM 821 inrnätta del av materialvolymen 181 som förväntas kunna bli berörd av den förestående lastningsrörelsen kan i DTM-datorn 82 beräknas en höjdproﬁltabell 9822 i jordfasta koordinater 41. Genom att låta en vektor s i horisontalplanet och riktad i angi- ven lastningsriktning rue samt en vektor Z i Z-axelns riktning spänna upp ett plan kan man i detta plan beräkna en höj dprofiltabell i jordfasta koordinater varvid denna tabell tillsarmnans med en modell av lastskopan 142 kan användas för att beräkna lämpliga rörelser med fordon 1 och lastskopa under lastningsförloppet. 418 = (cosipc, simyc, 0) (27a) lz = (o, o, 1) (271)) Vidare införs att höjdprofilen i riktningama s och Z deﬁnieras i variablema Sg respektive Zlasm med origo i X-och Y-led motsvarande angreppspuriktens 1222 koordinater Xmsm, Yiasm och i Z- led Z(l ,n)=O enligt DTM.

En sådan höjdproﬁl 1811 kan, se figur 14, approxirneras ur DTM 821, varur höj dproﬁltabell 9822 Zusm = Ziasmßg) utgör uppskattad medelhöjd av materialvolymen 181 i en mängd av ele- ment {ni,i, j= 1,2,3,...,jmax} utmed och inom ett givet avstånd från en tänkt linje längs lastsko- pans 142 framkant för ett värde Sg = i-d, där d är ett lämpligt samplingsavstånd mellan konse- kutiva värden på sg: jmax Zmea(sg)= Z Z(1,ni¿)/jmax; i = Sg /d j=l (23) Ur ovanstående värden kan sedan en kontinuerlig kurva Ziasm = Ziasm(Sg) erhållas enligt minsta kvadratrnetoden genom en styckvis linjär approximation eller genom ett approximerande poly- nom.

Beräkning av lastskopans 142 rörelse i ett jordfast koordinatsystem 4] Vid en lastningsrörelse förs lastskopan 142 in i materialvolymen 181, lyfts upp och roteras med hjälp av fordonets 1 rörelse i sin bana i ett jordfast koordinatsystem 41 och med hjälp av de rörelser i ett fordonsfast koordinatsystem 42, som utförs av lasthanteringsdonets 14 mekanik 141, dvs väsentligen dess vanligen hydrauliska lyft- och tiltcylindrar, de armar och leder som ingår i mekaniken och som sätts i rörelse av hydraulcylindrarna, samt lastskopan 142 som är fäst i ett av elementen i mekaniken. Figur 12 visar i genomskärning lasthanteringsdonets me- kanik 141 och lastskopan 142 samt främre delar (ett hjul och del av chassi) av ett lastfordon.

Under sin rörelse skär lastskopan ut en mängd material ur materialvolymen. Eventuellt före- kommer också ett visst spill till följd av att lastskopan inte rymmer delar av den utskuma mate- rialvolymen. Vid ingång med lastskopan i materialvolymen är det oftast lämpligt att börja så lågt som möjligt för att säkerställa att materialet inte blir kvar på en yta som fordonet sedan ska befara. Samtidigt bör man styra hydraultrycket till lasthanteringsdonets lyftcylinder för att under inträngningen i materialvolymen lätta lastskopan, främst för att reducera lastskopans friktion mot marken och därmed förhindra onödigt slitage på lastskopan och slirning på drivhj ulen.

Genom att före lastningen, utgående från i DTM-datom 82 beräknade koefﬁcienter 9821 för markplanet vid lastningspunkten och höj dprofiltabell 9822 avseende materialvolymen 181, be- räkna lastad mängd material som funktion av inträngningen i materialet, kan man också med användning av kännedomen om fordonets och lasthanteringsdonets mekanik och övriga egen- §_'=5":=..-' ;"_";: --: . , , "\ 1 I e f ~ - - . : ° ' 1 e f : Q , ' I e 'f ' ' I n c o e o o Å 1 '° " N 0" oo un skaper beräkna önskvärt hydraultlyck till lyftcylindem som funktion av inträngningen i materi- alvolymen så att ovannämnda slitage av lastskopan 142 minimeras samtidigt som sliming und- viks. Det går också att beräkna hur mycket lastskopan rymmer som funktion av lyft- och tipp- cylindramas utslag. Tiltörelsen möjliggör ökning av lastskopans rymmande volym men ökar samtidigt upplagsreaktionen så länge lastskopan fortfarande förs in i materialvolymen. Tiltrö- relsen bör därför i princip inte påbörjas förrän inträngningen av lastskopan horisontellt i mate- rialvolymen är avslutad och kan därefter kombineras med att lastskopan lyfts upp ur materialvo- lymen. Med ovannämnda parametrar och erfarenhetsmässiga ansatser kan man således styra fordon 1 och lasthanteringsdon 14 genom hela lastförloppet utgående från den inmätta terräng- modellen 821. Lyftrörelsen kan avbrytas när lastskopans 142 skärande kant beräknas bryta ige- nom materialvolymens yta på sin väg upp ur volymen. Tiltrörelsen kan avbrytas när tillräcklig tilt utförts för att säkra lasten i transportläge.

Genom att beräkna, för ett antal tillstånd k = k(t) = 0, 1 ,2,...som funktion av löpande tid t, last- skopans 142 position uttryckt i koordinaterna [x(t), y(t), z(t)] i ett jordfast koordinatsystem 41 för ett antal punkter i lastskopans geometri, skapas möjlighet att kvantitativt uppskatta såväl utskuren och lastad volym som storlek och riktning på de tyngder och reaktionskrafter som last- skopan förväntas komma att bli utsatt för under varje sådant steg av lastningsförloppet och där- av även beräkna erforderliga åtgärder vad gäller styrning av cylinderutslag och hydraultryck under förloppet för att förhindra slitage av lastskopan och sliming på drivhjulen. Dessutom kan rörelsen planeras så att lastskopans rörelse medför att den fylls vid minimalt spill.

Beräkningen bygger på cylindramas utslag som funktion av tiden och deras inverkan på lasthan- teringsdonets 14 mekanik 141 med hjälp av en matematisk modell i analytisk geometri. Beräk- ningarna sker i ett fordonsfast koordinatsystem 42 varefter erhållna koordinater (å, n, Q) trans- formeras till ett jordfast koordinatsystem 41. Styrvinkeln kan antas vara noll och koordinaten n för varje punkt i lasthanteringsdonet således konstant under hela lastningsförloppet, varvid lä- gesuppgiften som erhålls från fordonets 1 positionsbestärrmingssystem 7 när fordonet just ska påbörja lastningsrörelsen används för att göra en prediktering, i det jordfasta koordinatsystemet 41, av det fordonsfasta koordinatsystemets 42 position i sex frihetsgrader för varje tillstånd k(t) = 0,1,2,...i lastningsbanan 1223. Utgående från denna prediktering transforrneras sedan för varje tillstånd k(t) = 0,l,2,...enligt ovan samtliga koordinater i lasthanteringsdonets mekanik 141 till koordinater i det jordfasta koordinatsystemet.

Lasthanteringsdonets mekanik 141 utgörs av ett antal sammanlänkade rigida element varav ett utgörs av lastskopan 142 och där varje hydraulcylinder kan delas upp i ett par rigida och i för- hållande till varandra linjärt rörliga element. För beräkning av cylindramas inverkan på lastsko- pans läge samt momentant effektbehov under en lastningsbana 1223 eller lossningsrörelse I 23 3 kan vid styrvinkel noll denna mekanik med god noggrannhet representeras av en struktur i två dimensioner, ë (framåt) och Q (uppåt), i det fordonsfasta koordinatsystemet 42. De rigida ele- menten, bestående av plana armar och stänger och lastskopan representerad av en knutpunkts- polygon i ett plan, är sammanlänkade med ett antal axlar vinkelräta mot ë/Q-planet och kan dår- för representeras av axel- och tyngdpunkter i detta plan. Varje sådan punkt är tillordnad ett unikt nummer i en global, dvs för hela lasthanteringsdonet gällande nurnrering från i = 1 till i = imax. Se förenklad modell, Figur 13.

Den förenklade modellen av lasthanteringsdonets mekanik 141 kan användas för att be- skriva hur positonen för ett antal punkter avsedda att definiera lastskopans 142 läge i rummet kan beräknas som funktion av cylinderutslagen i lyft- och tiltcylindrarna. Till varje element j e {E1, E2, __., E4} hör således ett antal punkter som till följd av elemen- 913 'i §'._:",:_ : :._ 22 Eco Eno: tets rigiditet oberoende av lasthanteringsdonets ställning har konstant avstånd till övriga punkter inom samma element. Lokalt inom mängden av punkter som ingår i det rigida elementet j numreras punkterna m = 0,l,2,...,mmax(j), där m = 0 avser tyngdpunkten och mmaxÜ) är totala antalet axlar som ingår i det rigida elementet j.

För varje punkt i det fordonsfasta koordinatsystemet betecknas följ ande koordinater i planet š/Q l§(j,m, k) = å -koordinat gällande tillstånd k för punkt nr m inom det rigida elementet nr j (29a) l I ççfm, k) = f; -kwl-dinal gänande tillstånd k för punkt nr m inom det rigida elementet nr j (29b) Vart och ett av de rigida elementen El, EZ, ..., E8 måste, för att elementets läge och orientering ska kunna deﬁnieras, ha minst en axel och en övrig punkt. För varje element definieras därför en pivotaxel och en indexpunkt med följande ordníngsnummer inom elementet: Pivotaxel, ordníngsnummer m = l Indexpunkt, ordníngsnummer m = 2 Nedanstående tabell visar ett val av pivotaxel, index- och övriga punkter i den förenklade mo- dellen av lasthanteringsdonets mekanik 141.

Axel Övrig punkt Tyngdpunkt m=0 j m4 Element 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 EO X X X X _ E1 PIV lND m=3 m=4 x __ »_ E2 PIV IND m=3 X Es Plv IND i p x _ E4 PIV IND X _ ES PIV IND X Es Plv :ND "ä x E? ' fjv à |ND x i _ Eß Plv IND x Iden tvådimensionella modellen av lasthanteringsdonets mekanik 141 kan pivot- och indexax- lamas koordinater beräknas med klassiska plangeometriska formler som funktion av lyft och tiltcylindrarnas utslag: Koordinaterna för de punkter i det rigida elementet E4 som definierar lastskopan 142 kan be- stämmas på samma sätt som övriga axlar i rigida element. Genom att representera lastskopan med punkter på dess insida , så kan dessa punkters koordinater användas för att beräkna hur stor volym lastskopan rymmer i ett visst tillstånd liksom hur stor tyngd lasten kan förväntas ha.

Lastskopans punkter nurnreras inom det rigida elementet E4 i exemplet som nn = 1, nismax (30) Skoppunkternas koordinater i det fordonsfasta koordinatsystemet 42, tillstånd k, §(4, ms, k) resp §(4, rm, k) för ms = 1, 2,..., msmu, kan även beräknas med samma typ av metoder. När på detta sätt lastskopans 142 geometri är definierad i fordonsfasta koordinater kan dessa räknas om till koordinater i ett jordfast koordinatsystem 41.

Det förutsätts att uppskattning av positionen i det jordfasta koordinatsystemet 41 för det for- donsfasta koordinatsystemet 42 i koordinater X= (X, Y, Z) samt kurs- (ip), tipp- (S) och roll- vinkel (ip) kan erhållas från fordonets l positionsbestämningssystem 7. 526 913 På samma sätt som ovan visats i ekv (3) för laserinmätta punkter (å, 11, Q) kan även koordinater (å, n, Q) i det fordonsfasta koordinatsystemet 42 för element i lasthanteringsdonets mekanik 141 omvandlas till koordinater x = (x, y, z) i det jordfasta koordinatsystemet 41 med hjälp av trans- forrnationsmatrisen MOP, S, cp), (2), och positionen X = (X, Y, Z) av det fordonsfasta koordinat- systemet i det jordfasta koordinatsystemet: 23 å.. :- z 1:. "°E 'Ozz . QOQ' ošø 0 .en lzzn z X=X+(É,11>C)*M(“P, 9, Specifikt vid planering av dynamisk lastningsbana 1223 och lossningsrörelse 1233 förutsätts att fordonet 1 enligt (23a), (23b) och (25) befinner sig i en omgivning av lastningspunkten 1221 på en plan yta i en position X(s) = [(X(s), Y(s), Z(s)] där s=0 vid lossning och vid lastning på en bana vid körd sträcka s i lastningsbanans riktning we från lastningspurikten 1221 samt att fordo- nets kurs-, tipp- och rollvinklar är un, Ss respektive (ps enligt (26a) och (26b).

Vi har nu således en modell för hur fordonet 1 rör sig och kan sedan kombinera denna modell med koordinaterna i det fordonsfasta koordinatsystemet 42 för de punkter ms = 1, 2,..., msmsx i det rigida elementet E4 som representerar lastskopan 142, för att med koordinattransformatio- nen enligt (31) erhålla koordinaterna för sistnåirmda punkter i det jordfasta koordinatsystemet 41: X(4s mss = +liê(4s m5! k), ms, k), msa * M(\|Jc, Se, (Pc) där X(4, ins, k) = [X(4, ms, k), y(4, rris, k), z(4, nis, k)] för ms = mi, rn2,..., msmsx således utgör koordinatema för lastskopans 142 punkt nr ms i det jordfasta koordinatsystemet. En fórenklande approximation är att lägga alla de punkter som representerar lastskopan i š/Q - planet i det for- donsfasta koordinatsystemet, varvid n(4, ms, k) kan sättas till noll i (32) ovan. (32) Beräkning av den lastade volym, som en planerad rörelse av fordon 1 och lasthanteringsdon 14 förväntas ge Beräkningen bygger på en höjdproﬁltabell 9822 som enligt ovan beräknats utgående från den med den scarmande laseravståndsmätaren 81 uppmätta DTM 821 avseende materialvolymens 181 yta samt på en beräkning av den materialmängd som förväntas skäras ut och strömma in i lastskopan 142 vid dess rörelse genom volymen. I ett visst tillstånd k av lastningsrörelsen be- ﬁnner sig lastskopan 142 på väg igenom materialvolymen. En viss volym av det lastade mate- rialet har då skurits ut av lastskopans framkant och strömmat in i skopan. Den utskurna och inströmmade volymen beror av skopans rörelse och fonn och av materialvolymens form och egenskaperna hos dess materialinnehåll. Under förutsättning att det lastade materialet är ett nâ- gorlunda lättrinnande fast ämne, såsom sand, grus och tillräckligt sönderdelad sten och andra material kan den utskurna och inströmmade volymen uppskattas med tillräcklig noggrannhet under varje steg av lastningsförloppet för att ligga till grund för en effektiv automatisering av lastningsrörelsen.

Vi betecknar den mellan tillstånd k och k+l utskuma volymen som AVs(k+l ). Under förutsätt- ning att skopan inte skär alltför djupt i materialvolymen 181 kan en i ett lodrätt plan genom den planerade banan för mittpunkten på lastskopans 142 framkant beﬁntlig tvärsnittsyta av denna volym approximeras med en parallelltrapets: ”abcd” i ﬁgur 15, bildad av lodlinjen genom last- skopans 142 punkt mg i tillstånd k resp tillstånd k+l uppåt begränsat av höj dprofilen Z1sstn(k) = Zissm[sg(k)], och nedåt begränsad av en polygonkurva med höm i skopspetsens position i s- och I 00000 I 0 OI 526 913. z-led [sg(k), z(4, mg, k)], för varje k=0,1,2,... Under exempelvis förutsättningen att lastskopan 142 har samma tvärsnitt över hela sin bredd B gäller följande uttryck för AVs(k+1): AvS(1<+1) = 1/2 Bh [z1atn(k) + zmmam) - z(4, mg, k) - z(4, mg, 1<+1)] (33) varvid h = sg(1<+1) - sgar) (34) där sgar) = ~/[x(4,mg,1<)- ximny + [y(4, mg, k) - Ymmy (35) Totala utskurna volymen Vs(k) tecknas l r=k | vsar)=ZAv.(r),1<=1,2,3,... (sea) i r=1 | l vs(o)=o (seb) Lastskopan 142 rymmer olika volym i olika lägen, se figur 16. En effektiv lastningsrörelse bör- jar med att skopans plana nedre skiva i horisontellt läge körs in i materialvolymen 181 på en låg höjd något över marknivå för att undvika friktion mot underlaget. Man måste då tillse att det fmns ett tryck i lyftcylindrarna för att balansera egenvikten av lasthanteringsdon med lastskopa.

Efterhand som denna inträngning fortsätter fylls skopan med material. Därvid ﬁnns risk för att upplagsreaktionen på lastskopan ökar vilket bör undvikas. Genom att mäta trycket i lyftcylind- ramas hydrauhnatning och jäniföra detta värde med ett planerat värde som är korrigerat för den förväntade tyngden av det lastade materialet i lastskopan kan man styra lastskopans hydraul- mätningen till lyftrörelsen så att inträngningen underlättas. Normalt kan på detta sätt inträng- ningen fortsätta tills den utskurna volymen motsvarar lastskopans rymd, varvid fordonets gång i lastningsbanan 1223 avbryts och lastskopan höjs samtidigt som den tiltas för att åstadkomma maximal rymd. Höjningen fortsätter därefter tills lastskopan är fri från den liggande materialvo- lymen varefter utkörningen påbörjas i den dynamiska transportbanan 124 ut ur materialvoly- men. I vissa fall kan förhållandena vid inträngningen vara sådana att höjningen av lastskopan för att reducera upplagsreaktionen medför att den lastade volymen blir mindre än avsett. Samma blir resultatet om maskinen trots åtgärden att höja trycket i lyftcylindem börjar slira under in- trängningen till följd av att motståndet i materialvolymen mot inträngningen blir för stort varvid inträngningen måste avbrytas innan avsedd volym erhållits. Det är då möjligt att ta hänsyn till detta vid kommande lastningscykler genom att i det första fallet räkna med lägre densitet för materialet och i det andra fallet räkna med att mer energi åstadkommen genom högre varvtal eller hastighet krävs för att tränga in i materialvolymen.

Beräkning av erforderliga lvftkrafter och effektbehov under en lastningsrörelse Beräkningen bygger på att, i ett jordfast koordinatsystem 41, tyngd och tyngdpunkt med erfor- derlig noggrannhet är känd eller kan beräknas för de element och massor som lyfts upp vid lastningsrörelsen, samt att fordonet 1 rör sig med konstant hastighet på en plan men inte nöd- vändigtvis horisontell yta enligt (22). Lastningsrörelsens dynamiska förlopp medför därvid un- der varje tidsintervall ett arbete som är minst lika med summan av det arbete som erfordras för att lyfta upp var och en av dessa massor. Genom att ställa upp ett uttryck för den potentiella oo 04 I c nu 10001 o c 526 913 25 :- energin för var och en av dessa massor som funktion av tillståndsvariabeln k kan därur erfor- derliga lyftkrafter och effektbehov under en lastningsrörelse beräknas.

Beräkning av den potentiella energin under en planerad rörelse av fordon 1 och lasthante- ringsdon 14.

Till följd av symrnetrin kring det fordonsfasta koordinatsystemets š- och Q-riktningar kan, lik- som vid beräkningen av mekanikens tillstånd och lastad volym, modellen i två dimensioner av lasthanteringsdon 14 och lastskopa 142 samt konceptet för beräkning av volymer användas.

Effektberäkningen bygger på analys av den potentiella energin i de massor som sätts i rörelse vid lastningen. Den potentiella energin i tillstånd k för de mekaniska elementen i lasthante- ringsdon 14 med lastskopa 142 betecknas Um=k(k) och för den lastade volymen används be- teckningen Us(k). Den totala potentiella energin i tillstånd k betecknas U(k): = Umekﬂš) + Eftersom lasthanteringsdonet 14 under lastningen styrs av ett programmerat tidsförlopp, styrs mekanismen så att tillstånd k ska uppnås vid ett visst tidsögonblick, varfor tillstånd k kan skri- vas k(t1<), k = 0,l,2,3,.... Tiden mellan två på varandra följande tillstånd k och k+1 betecknas TSAMP och förutsätts vara konstant dvs tk+1 - tk = TSAMP oberoende av k. Energibehovet för att bringa systemet från tillstånd k till tillstånd k+1 betecknas AU(k) och är således AU(k) = U(k+l) - U(k) (38) En lastningsrörelse erfordrar normalt något tiotal sekunder medan TSAMP bör vara av stor- leksordningen 0.1 s eller kortare för att inte medföra onödiga fördröjningar i stymingen av last- hanteringsdonet 14. Med hänsyn till de övriga fel som medförs av ofrånkomliga approximatio- ner till exempel i modelleringen av materialvolymen kan effektbehovet antas vara konstant un- der det således i förhållande till förloppets dynamik korta tidsintervallet (tk, tre-i). En uppskatt- ning P(k) av medeleffekten under detta tidsintervallet kan därför tecknas: P(k) = AU(k) /T SAMP (39) (3 9) kan användas för att vid val av lyft- och tilthastighet minimera tiden för lastningsrörelsen och därvid kunna tillse att maximalt tillgänglig effekt för manövrering av lasthanteringsdonet ej överskrids.

Beräkning av Umekﬂc) Vi använder beteckningen M(j) för massan av det rigida elementet Ej. Med tidigare använda beteckningar kan vi då teckna den potentiella energin Um=k(k) i ett jordfast koordinatsystem 41 för lasthanteringsdonets 14 mekanik 141 och lastskopa 142: jmax Umark) = Zgmgﬂzg, o, io- 16, o, 0)] (40) j=1 där g är den vertikala tyngdaccelerationen 526 91: 26 IDO 0 0 I 0 000: D I Oona 0 coin 0 00 0 I 000000 I I 1 0 nano Beräkning av Usﬂc) En med hänsyn till övriga osäkerheter rimlig ansats vad gäller tyngdpunkten för den lastade volymen är att sätta den till samma som lastskopans tyngdpunkt. För lastens potentiella energi i ett jordfast koordinatsystem 41 blir då uttrycket: Us(k) = P'g [z(4, 0, k) - z(4, 0, 0)lVS(1<) (41) Där p är ett mått på det lastade materialets densitet, i kg/m” Beräkning av lastskopans upplagsreaktion När lastskopan 142 belastar underlaget och samtidigt skall föras framåt i en lastningsrörelse uppstår en mot denna rörelse riktad rörelsehindrande friktionskraft som beror på den reaktions- kraft eller upplagsreaktion, som från underlaget verkar på lastskopan. Genom att beräkna upp- lagsreaktionens styrka F (k) som funktion av fordonets 1 och lasthanteringsdonets 14 rörelsetill- stånd k och att därvid även beakta inverkan av tyngden av lastad volym Ms är det möjligt att styra trycket i lasthanteringsdonets lyftcylinder så att upplagsreaktionen och därmed den rörel- sehindrande friktionskraften minimeras för att därvid underlätta lastningsrörelsen.

Beräkningen bygger på att i en ekvation på två sätt teckna det arbete, som erfordras för att i ett jordfast koordinatsystem 41 uttöra en inﬁnitesimal höjning h av lastskopan 142. Denna rörelse kan ses som resultatet av den inﬁnitesimala längdökning av lyftcylindem som erfordras för att lyfta lastskopan höjden h och som i det jordfasta koordinatsystemet medför förändringen Az(i,0,k) + Oj(h) i z-koordinaten för tyngdpunkten för ett enskilt element j i lasthanteringsdonet 14.

Upplagsreaktionen i ett tillstånd ko då lyftcylindem ej är trycksatt och skopans 142 last Ms(ko) = 0 antas vara F (ko). Ett sätt att teckna arbetet blir då F(ko)-h. Samma arbete utgörs också av för- ändringen vid denna rörelse av den potentiella energin i ett jordfast koordinatsystem 41 av last- hanteringsdonet 14 alla delar enligt ekvation (40). Då gäller med användning av ekvation (40) för en inﬁnitesimal höjning h av skopan från z-koordinat z(4, 0, ko) i tillstånd ko till värdet z(4, O, ko)+h. jmax F<1-h=_2ltgMAzø,o,k»>+ oron] (42) j=1 och således kan man beräkna F(ko) ur geometrins derivator med avseende på lastskopans 142 z- koordinat [dz(j, 0, ko)/dz(4, 0, ko)]; j = 1,...jmax: jmax F (ko) = 2 g MG) [dz(j, 0, ko)/dz(4, O, ko)] (43) j=1 Upplagsreaktionen i ett tillstånd k där lastskopan tagit lasten Ms(k) blir under samma förutsätt- ningar enkelt: F(1<) = F(ko) + Mann-g (44) S26 912» 27 Beräkning av erforderlig kraft i lj/ﬂcylindern för att balansera lasthanteringsdonet 14 För att i tillstånd k enligt ovan balansera lasthanteringsdonet med lasten Ms(k) så att upplagsre- aktionen blir noll antas kräva kraften F1(k) i lyftcylindern. Då gäller för en inﬁnitesimal läng- dökning Al av lyftcylindern och en inﬁnitesimal motsvarande höjning h av lastskopan 142 F|(k)-Al = F(k)-h (45) och således kan man beräkna Fi(k) med hjälp av en geometriderivata: Fi(k) = F(k) [dz(4, O, k)/dl] (46) Under ett lastningsförlopp har visats en metod för att ur den höjdproﬁltabell 9822 som erhållits ur DTM 821 uppskatta volymen Vs(k) av det material som i tillstånd k lagrats i lastskopan 142.

Om vi som tidigare antar att densiteten för materialet är p så kan den lastade massan med an- vändning av (36) tecknas som en ﬁinktion Ms(k) av tillstånd k: Ms(k) = p Vs(k) (47) varefter ett uttryck på ett lärnpligt maxvärde för den kraft som ska ansättas i lyftcylindern vid tillstånd k för att balansera lasthanteringsdonet 14 med förväntad last enligt (47) är [F1(k)]max = [F(k0) + p gVs(k)]{dz[4, O, k]/dl} (48) eller med 0<ß<1 där värdet på ß väljs genom praktiska försök F1(k) = ß[F1(k)]msx (49) Genom att i styrtabellen 971 föra in lyﬁcylinderkraﬁen enligt (49) möjliggör man att maximal framdrivningskraft kan erhållas av fordonets I drivhjul under den viktiga del av lastningsmo- mentet då lastskopan 142 förs in till sitt maximala djup i materialvolymen 181.

Hinderdetektering Ett system för hinderdetektering bör innehålla dels sensorer som mäter in och lagrar informa- tion avseende förekommande hinder, dels beslutskriterier baserade på denna information samt kännedom om fordonets 1 såväl befintliga position som dess planerade bana för att fastställa om banan kan anses fri från hinder eller ej.

Hinderdetektering avser att upptäcka och i tid larma för såväl stillastående som rörliga hinder 182 som kan komma i fysisk kontakt med fordonet 1 vid dess planerade eller fortsatta rörelse.

Med hinder avses fråinst föremål av en viss minsta storlek inom hinderfri zon 191 enligt DTM 821, men även objekt utanför hinderfri zon kan utgöra hinder och det ingår i hinderdetektering- ens uppgift att även upptäcka och i tid larma för sådana objekt i fordonets väg. Det är också hinderdetekteringens uppgift att kontrollera så att fordonet inte kommer utanför hinderfria zoner eller lastnings- och lossningszoner.

Fordonet 1 kan ur hinderskyddssynpunkt tillordnas olika hinderskyddszoner med för minskande avstånd till fordonet ökande grad av beaktande av förekomst av eventuellt hinder, såsom åtgär- der på en skala från vamingssignal, därefter sänkt hastighet till nödstopp i inre zon eller zoner.

Varje sådan hinderskyddsgeometri 195 kan läggas in som en tabell i DTM-datom 82 och an- vändas tillsammans med från uppdragsdatom 6 erhållen styrtabell 971 för att utvärdera kriterier 526 915 28 »aiazf baserade på data i DTM 821 för åtgärd vid förekommande hinder inom hinderskyddszon vid såväl fordonets befintliga position som dess planerade bana enligt styrtabellen.

Vid autonom navigering mottar både fordonsstyrdatom 211 och DTM-datorn 82 vid starten av varje bansegment en styrtabell 971 avseende statiskt 11 eller dynamiskt 12 bansegrnent. DTM- datom kan utgående från denna tabell fastställa vilka element av den dynamiska terrängmodel- len som kommer att sammanfalla med fordonets 1 hinderskyddsgeometri 195 under detta ban- segment. Se ﬁgur 18. Om ett hinder då upptäcks inom ett sådant element kan ett larm utlösas, se kriterium för hinderdetektering, sid 13. Genom att i hinderskyddsgeometrin använda ﬂera olika stora skyddszoner kring fordonet är det möjligt att varna för ett hinder i yttre men utanför inre zoner och signalera nödstopp vid hinder inne i inre zoner.

Låt P(K, L) vara punkter och X (K, L) = [§(K, L), r|(K, L), §(K,L)] vara motsvarande ortsvekto- rer i en koordinattabell i tre dimensioner av det fordonsfasta koordinatsystemet 42 varvid punkterna P(K, L) avser fordonets hinderskyddsgeometri 195 och som för var och en av nivåer- na L = 1, 2,..., LMAX består av en fordonsfast hinderskyddszon JZKL), 1951, begränsad av en sluten gränspunktspolygon m(L) 1952 som utgörs av en följd av räta linjer från P(K, L) till P(K+1, L) för K = 1,..., KMAX-1 samt den räta linjen från p(KMAX, L) till p(1, L).

Låt X(s) = [X(s), Y(s), Z(s)] vara koordinater och u/(s), S(s), lar i det jordfasta koordinatsystemet 41 för det fordonsfasta koordinatsystemet 42 i en punkt P(s) belägen en sträcka s - so utmed fordonsbanan från fordonets 1 aktuella position med mot- svarande koordinater X(so), där fordonsbanan är definierad av en styrtabell 971 från uppdrags- datom 6. En hinderskyddsavbildning 1954 på hinderskyddsnivå L av den fordonsfasta hin- derskyddszonen .Ã(L) på referensytan 1 7 i det jordfasta koordinatsystemet utgörs då av den zon A(L, s) som ligger inom en sluten gränspunktspolygon Q(L,s), 1953 , som bildas av de punkter P(K, L, s), vardera med ortsvektom X(K, L, s) = [X(K, L, s), Y(K, L, s), Z(K, L, s)], K=l ,2,...,KMAX och där varje sådan punkt P(K, L, s) är en avbildning på referensytan i det jordfasta koordinatsystemet 41 av punkten p(K, L) med ortsvektom X (K, L) = [§(K, L), n(K, L), §(K,L)] tillhörig gränspunktspolygonen o)(L) i det fordonsfasta koordinatsystemet 42. Slut- ligen bildas en jordfast hinderskyddszon 1955 som föreningsmängden ®(L,s) av samtliga zoner A(L, u), SOS u S s.

Följande samband gäller därvid: l° kurvan Q(L,s) utgörs av en följd av räta linjer från P(K, L, s) till P(K+1, L, s) för K = 1,..., KMAX-l samt den räta linjen från P(KMAX, L, s) till P(l, L, s) och 2° Avbildningen P(K, L, s) av punkten P(K, L) i det fordonsfasta koordinatsystemet 42 på refe- rensytan I 7 har X- och Y-koordinaterna X(s) och Y(s), där X(s), Y(s) och \p(s) är, i jordfasta koordinatsystemets 41 koordinater, position i horisontalplanet respektive kursvinkel för det fordonsfasta koordinatsystemet 42 enligt styrtabell 971, varvid gäller: X(K, L, S) = X(s) + X(K, L)*M[W(S), 9G), där tan[S(s)] = - XN(s) cos[\y(s)] - YN(s) sin[\p(s)] (5la) och tan[cp(s)] = XN(s) sin[\|/(s)] + YN(s) cos[\p(s)] (5lb) II IIIO II OO OI CO I IÛOO 0 I I 0 0 0 .o 0 0 I O 00 O 0 n n I 0:00 Ino O O O Ü Û Oj .I ÛII QIO 526 913 29 -ëjjzjï 3° Avbildningen P(K, L, s) av punkten P(K, L) i det fordonsfasta koordinatsystemet 42 på refe- rensytan I 7 har Z-koordinaten Z(s) = [C(s) - X(s) XN(s) - Y(s) YN(s)]/ ZN(s), där koefﬁcien- tema XN(s), YN(s) och ZN (s) samt konstanten C(s) för en till DTM 821 i punkten X(s) med minsta kvadratmetoden anpassad plan tangentyta med ekvationen XXN(s) + YYN(s) + ZZN(s) = C(s) kan beräknas med hjälp av DTM 821 för en mängd punkter på referensytan i en om- givning av punkten med koordinaterna [X(s), Y(s)] i horisontalplanet. 4° A(L,s), hinderskyddsavbildningen 1953 på referensytan 1 7 av Å(L), den fordonsfasta hin- derskyddszonen 1952 på nivå L, utgörs av ytan inom kurvan Q(L,s). 5° En jordfast hinderskyddszon 1955 utgörs av föreningsmängden ®(L,s): 11 = S ®(L,s) = U A(L,u) (52) 11 = So DTM-datoms 82 uppgift är att för varje ny positionsuppgifr från positionsbestärnningssystemet samt vid mottagen ny styrtabell 971 granska denna genom att undersöka DTM 821 inom områ- den ®(L,s), L=1 ,...,LMAX, och vidtaga de åtgärder som utvärderingen av nedanstående kriterier implicerar: 1° Om Z(4, n) = 1 och givet tröskelvärde H S Z(1, n) - Z(2, n) för något element n inom ®(L,s<>), n = l,2,...,nmax, så ﬁnns i minst en punkt av den jordfasta hindersskyddszonen 1955 nummer L ett hinder som föranleder hinderskyddsåtgärd med meddelandenumrner H(O, L). 2° Om Z(4, n) = O för något element n inom ®(L,so), n = l,2,...,nmax, så ligger minst en punkt av den jordfasta hindersskyddszonen 1955 nummer L redan utanför hinderfritt område och föranleder hinderskyddsåtgärd med meddelandenumrner H(O, L). 3° Om Z(4, n) = 1 och givet tröskelvärde H S Z(1, n) - Z(2, n) för något element n inom ®(L,s), n = l,2,...,nmax, så finns i minst en punkt av fordonets hinderskyddsgeometri 195 nummer L enligt den planerade banan ett hinder som föranleder hinderskyddsåtgärd nummer H(l, L) 4° Om Z(4, n) = 0 för något element n inom ®(L,s), n = l,2,...,nmax, så ligger minst en punkt av den jordfasta hindersskyddszonen 1 95 5 nummer L enligt den planerade banan utanför hinderfritt område och föranleder hinderskyddsåtgärd nummer H(l , L) Hinderskyddsmeddelanden från DTM-datom vid en inre hinderskyddsgeometri J =l och en yttre hinderskyddsgeometri J=2: H(O, 1): Nödstoppsmeddelande 9841 direkt till fordonsstyrdatom 211 H(O, 2): Vamingsmeddelande 9842 till fordonsstyrdatom 211 med möjlighet att sänka hastighe- ten.

H( 1, 1): F örkastande av planerad bana i granskningsmeddelande 980 till uppdragsdatom 6 H(l, 2): Vamingsmeddelande 9842 till fordonsstyrdatom 211 med möjlighet att sänka hastighe- ten

Claims

526 913 30 5. Patentkrav

1. ) Förfarande för automatisk hantering av bulkmaterial och annat gods där denna hantering består av lastning, lossning och transport som utförs av mobila robotar i form av autonoma fordon och maskiner, inriktat mot industriella tillämpningar inom begränsade arbetsområden, utomhus såväl som inomhus eller under jord, k ä n n e t e c k n at d ä r a v: 0 att arbetsområdet tillordnas en eller flera lastningszoner som avser de enda delar av området där lastning och bearbetning av en materialvolym för att därur hämta material eller andra hanteringsobj ekt är tillåtet, en eller ﬂera lossningszoner som avser de enda delar av området där lossning av material eller andra hanteringsobj ekt är tillåtet och en eller flera hinderfria zoner som, tillsammans med lastnings- och lossningszoner avser de enda delar av området där autonom fordonsnavigering och autonomt styrda rörelser av lasthanteringsdon är tillåtet; 0 att för arbetsområdet är en referensyta definierad som utgör underlagsyta för materialvo- lymer och andra hanteringsobj ekt, där en sådan referensyta, inom lastnings-, lossnings- och hinderfria zoner, är noggrannt bestämd i ett jordfast koordinatsystem, genom X-, y- och z-koordinater för en ordnad följd av punkter på denna referensyta, och där denna yta används vid järníörelse med aktuella mätningar av terrängytan innefattande ytan på inom lastnings- och lossningszoner beﬁntliga materialvolymer, andra hanteringsobjekt och hinder, och där dessa data används för att optimera parametrar för fordonets navigering och för dess rörelser med lasthanteringsdon vid lastnings- och lossningsuppgifter samt för att upptäcka hinder; 0 att fordonens position erhålls, i reell tid och utomhus såväl som inomhus och under jord, genom ett förfarande för noggrann bestämning av positionen i ett jordfast koordinatsystem i tre dimensioner x, y och z och de tre attitydvinklarna kurs, tipp och roll, således en positionsbestärrming i sex frihetsgrader, för ett fordonsfast koordinatsystem, där en anordning för utförande av detta förfarande kan utgöras av ett laseroptiskt system där positionen bestäms genom sid- och höj dvinkelmätningar med en fordonsburen roterande laseroptisk sensor, i ett fordonsfast koordinatsystem, mot ett antal reﬂektorer med kända koordinater i det jordfasta koordinatsystemet; 0 att terrängytan mäts in i reell tid och utomhus såväl som inomhus och under jord genom att bestämma, i ett jordfast koordinatsystem, positionen i tre dimensioner av punkter på denna terrängyta, utgående från sidvinkel och avståndsmätningar i ett fordonsfast koordi- natsystem med hjälp av minst en fordonsburen scarmande avståndsmätare, samt koordi- nattransforrnering av sådana mätningar med hjälp av positionsuppgitter i sex frihetsgrader för det fordonsfasta koordinatsystemet i det jordfasta koordinatsystemet genom ovan- nämnda positionsbestänmingstörfarande; 0 att lagring, bearbetning och uppdatering av data avseende terrängytan sker i en fordonsbaserad dynamisk terrängmodell, där denna modell används för att ge underlag till optimering av fordonsbanor och rörelser hos fordon och lasthanteringsdon vid lastnings- och lossningsuppgifter genom möjligheten att mäta och bestämma läge och form hos materialvolymer, andra hanteringsobjekt och hinder, där denna modell omfattar åtminsto- ne tre väsentliga lager med för varje terrängelement n inom arbetsområdet angivna höjdvärden: * Z(1,n) för lager nummer l: framväxande modell baserad på mätningar från fordonets aktuella färd i sin bana där dessa mätningar erhålles från inmätningen av terrängyta, * Z(2,n) för lager nummer 2: ett bästa estimat av referensytan utan materialvolymer, andra hanteringsobjekt och hinder baserat på inledande mätningar inom arbetsområdet med det ovannämnda förfarandet för inmätning av terrängyta eller på annat sätt inma- tade grunddata respektive 526 913 * Z(3,n) för lager nummer 3: ett aktuellt estimat av hela terrängytan inom arbetsområdet inklusive materialvolymer, andra hanteringsobjekt och hinder, där denna dynamiska terrängmodell analyseras för att optimera attackpunktens position respektive positionen för skopan vid tömning liksom fordonets egen position vid dessa uppgifter, samt också analyseras inför en lastningsuppgift för att erhålla en höj dprofilta- bell som representerar en höjdkurva längs den avsedda lastningsbanan som för olika inträngningsdjup sg(i), i = 0, 1, 2, av skopan i materialvolymen anger en medelhöjd Ziasmﬁ) i j ordfast koordinatsystem för materialvolymen i en omgivning av skopans framkant; att en fordonsburen uppdragsdator används och där denna dator är försedd med operationsuppdrag med data som definierar hinderfria zoner, lastnings- och lossningszoner, parametrar för statiska och dynamiska transportbanor, spaningsbanor, lastningsbanor och lossningsrörelser samt i operatíonsuppdraget även ingående uppdragsprogram för att välja och knyta samman en följd av banor och rörelseförlopp med varandra för att bilda en eller ﬂera kompletta hanteringscykler, vidare försedd med algoritmer för att optimera fordonsbanor och fordonets och lasthanteringsdonets rörelse vid lastning och lossriing baserat på koordinater för attackpunkt respektive tömningspurikt för skopan samt höj dprofiltabell från den dynamiska terrängmodellen; att en fordonsstyrdator används för att styra fordon och lasthanteringsdon i den aktuella banan för fordonet och det aktuella rörelseförloppet för fordon och lasthanteringsdon baserat på underlag från uppdragsdatom, där denna fordonsstyrdator är försedd med gränssnitt mot de ställdon och sensorer som avser styrningen och framförandet av fordo- net och styrningen av dess lasthanteringsdon.

2. ) Förfarande enligt krav 1 för hinderdetektering i syfte att undvika att fordonet kommer för nära eller kolliderar med hinder, för övervakning av fordonets framfart i syfte att initiera åtgärd om fordonet skulle riskera att komma utanför de områden som är avsedda för autonom navigering samt för att utvärdera och godkärma planerade fordonsbanor och rörelseförlopp för fordon och lasthanteringsdon, k ä n n e t e c k n at d ä r a v att den dynamiska terrängmodel- len används för detta ändamål varvid: ett ytterligare lager i den dynamiska terrängmodellen används för att markera hinderfria terrängelement; klassificering av ett element nr n i den dynamiska terrängmodellen som hinderfritt eller icke hinderfritt terrängelement sker genom att ständigt jämföra Z(1,n) ur det framväxande modcllagret i den dynamiska terrängmodellen med referensytan Z(2,n), varvid element n skall klassificeras som hinderfritt om [Z(1,n)- Z(2,n)] < H, där H är en given minsta hinderhöjd vid vilken ett element ej kan klassificeras som hinderfritt; utvärdering och godkännande av planerade banor med avseende på risken för att fordonet kör utanför de områden som är avsedda för autonom navigering, i syfte att före köming i en bana kunna upptäcka eventuella planeringsfel, sådan utvärdering sker genom att pröva, för varje element n i den dynamiska terrängmodellen som till någon del innehåller del av en hinderskyddsavbildning för något av fordonets lägen i den planerade banan, varvid, om ett sådant element inte ingår i någon lastnings-, lossnings- eller hinderfri zon, den planera- de banan förkastas, där: * en eller ﬂera hinderskyddszoner är definierade í ett fordonsfast koordinatsystem; en speciﬁk hinderskyddsåtgärd kan tillordnas en eller flera hinderskyddszoner; hinderskyddsprojektion utgörs av en tillfälligt definierad yta i ett jordfast koordinatsy- stem, varvid denna yta utgörs av projektionen i horisontalplanet av en fordonsfast hin- derskyddszon för ett visst läge av fordonet i sin bana; * * 526 913 32 * hinderskyddsavbildning i det jordfasta koordinatsystemet utgörs av föreningsmängden av en serie av hinderskyddsprojektioner där varje sådan proj ektion motsvaras av ett visst läge i en följd av lägen för fordonet i sin bana; 0 initiering av hinderskyddsåtgärd baseras på närvaron av ett icke hinderfritt element nr ni den dynamiska terrängmodellen inom någon hinderskyddsproj ektion som avser fordonets aktuella position, varvid de hinderskyddsåtgärder utförs som är tillordnade hinderskydds- zonen; 0 initiering av hinderskyddsåtgärd baseras även på närvaron av ett icke hinderfritt element nr n i den dynamiska terrängmodellen inom någon hinderskyddsavbildning som avser fordonets planerade bana, varvid de hinderskyddsåtgärder utförs som är tillordnade motsvarande hinderskyddszoner.

3. ) F örfarande enligt krav 1 för att med ett rörligt fordon ﬁnna en punkt (Xmstn, Yiasm) eller (Xmssn, Ymssn) för angivelse av begynnelseposition för dess lasthanteringsdon i en tänkt lastnings- respektive lossningsrörelse med ett hanteringsobjekt eller i en materialvolym och därdettaförfarandeärkännetecknat därav: 0 att fordonet framförs på en i förväg planerad spaningsbana mot en inom en polygonkurva i ett jordfast koordinatsystem avgränsad lastnings- eller lossningszon; 0 att från en punkt eller linje räknat vid lastning den närmaste eller på annat sätt mest lämpliga punkten, med koordinaterna (Xiasrn, Yiasrn) i det jordfasta koordinatsystemet, söks bland de element av den dynamiska terrängmodellens framväxande lager 1 som blivit imnätta med ett godtagbart antal mätningar under fordonets bana från den punkt när värdet [Z(l ,n) - Z(2,n)] för ett första element n i den dynamiska terrängmodellen inom avsedd lastningszon blivit bestärnt med ett godtagbart antal mätningar och vid villkor A S [Z(l,n) - Z(2,n)], där A är en given minsta höj dnivå över referensytan, tills fordonet därefter hunnit förﬂytta sig en given sträcka längs spaningsbanan; 0 att vid lastning denna sökning för närmaste eller på annat sätt mest lärnpliga angrepps- punkt för fordonets lastskopa eller annat motsvarande redskap för lastning med koordina- terna (Xiasm, Ylasm) i det jordfasta koordinatsystemet baseras på sådana element n i den dynamiska terrängmodellen för vilka gäller B S [Z(l ,n) - Z(2,n)], där B är en given minsta lastningsvärd höj dnivå över referensytan per element och; 0 att vid lossning denna sökning inom avsedd lossningszon för mest avlägsna eller på annat sätt mest lämpliga tömningspunkt för fordonets lastskopa eller annat motsvarande redskap med koordinatema (Xlossn, Ymssn) i det jordfasta koordinatsystemet baseras på sådana element n i den dynamiska terrängmodellen för vilka gäller villkoret [Z(l,n) ~ Z(2,n)] S C, där C är en given maximal höjd över referensytan i ett element för att medge lossning i detta element.

4. ) Förfarande enligt krav 1 för att optimera parametrar i modeller för att planera fordonets och lasthanteringsdonets rörelser under genomförandet av lastningsuppgiften k ä n n e t e c k- n at d ä r a v att parametrar för fordonets väg och lasthanteringsdonets lyft- och tiltrörelse bestäms omedelbart inför en förestående lastningsrörelse utgående från en höj dprofiltabell baserad på aktuell terräng enligt det framväxande lager 1 i den dynamiska terrängmodellen för ett antal punkter nr i = O, 1, 2, 3, med respektive inträngningsdjup sg(i) längs den planerade banan för lastskopan, där Z-koordinaten Zlasrnﬁ) för varje sådan punkt nr i representerar, i ett jordfast koordinatsystem, ett medelvärde av Z(l,n) för punkter n, i en i anslutning till skopans framkant vald omgivning, varefter den lastade volymen beräknas som den volym som skärs ut av lastskopan för en följd av lägen k = 0, l, 2, 3, i samma jordfasta koordinatsystem, av fordonet och dess lastskopa i modellen för planering av fordonets och lasthanteringsdonets rörelse, varefter erhålles en uppskattning av hur långt in i materialvolymen som lastskopan 526 913 33 ska föras för att fyllas under lastningsrörelsen samt därmed när lyft- och tiltrörelser ska påbörjas och avslutas under slutfasen av lastningsfórloppet.

5. ) Förfarande enligt krav 4 for att optimera parametrar i modeller for att minimera den friktion som orsakas av underlagets upplagsreaktion på lastskopan, när lastskopan förs mot och in i en materialvolym, k ä n n e t e c k n at d ä r a v att denna optimering sker genom att välja nivå på hydraultrycket till i forsta hand lasthanteringsdonets lyftcylindrar baserat på en uppskattning av, och for att balansera den totala tyngden och momentet av lasthanteringsdonet med lastskopa och dess förväntade lastade volym som funktion av inträngningsdjup s(k), k = 0, 1, 2, ..., och parametrar for lasthanteringsdonets lyft- och tiltrörelser utgående från höjdproﬁltabellen Ziasmﬁ), i = 0,1 ,2,3,... från den dynamiska terrängmodellen.