专利名称：将跟随装置导向活动目标的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明与跟随系统有关，具体地说，与自动将跟随装置导向活动目标的方法和系统有关。
自动跟随系统已经广泛地用于汽车、运动、娱乐甚至玩具。作为一个例子，跟随系统可以用于高尔夫球车。为了打高尔夫球，高尔夫球手总是需要带着球棒袋在高尔夫球场上来来去去。虽然球棒袋是必需的，但它往往太重，携带不方便。现在，球手有几个选择。第一，球手可以雇一个球童来携带球棒袋。缺点是雇一个球童很贵。第二，球手可以驾驶一辆打高尔夫球的汽车。这种选择比雇一个球童便宜，然而打高尔夫球的汽车可能在一些区域活动受限制。第三，球手可以拉一辆高尔夫球车或直接携带球棒袋。然而，拉高尔夫球车或携带球棒袋可能使比赛会有些乏味。第四，球手可以使用电池供电的电子驾运车。
现在的电子高尔夫球车在车上配备了一些手控按钮。高尔夫球手因此能设置车的速度，命令它运动或停止。有些车甚至装备有遥控器，使高尔夫球手可以对车进行遥控。然而，现有的这些车中还没有具有自动跟随能力的。因此这些车具有以下这些缺点。第一，高尔夫球手仍需要为控制车操心。第二，高尔夫球车可能撞人，引起伤害。第三，高尔夫球手可能由于控制高尔夫球车分心而丢球。
自动跟踪、跟随或定位系统用来确定需跟随的运动目标的位置和运动特征。大多数系统采用两种方法来达到这个目的。一种方法是所谓″静止信标″法，在一些固定位置发送多个基准信号，而所关注的运动目标检测这些基准信号，计算出各自的位置。这样的位置信息于是就可以用于跟随目标。这是在有Loran和GPS(双曲线远程导航系统和全球定位系统)配合的系统中采用的方法。第二种方法是使运动目标向跟随物体发送一些基准信号。跟随物体检测到基准信号，就可以得出需跟随的目标的位置。为了得到距离和方位信息，跟随物体通常有一些间隔分布的检测器。检测器接收的信号可以用三角测量计算出距离和方位。
上述方法有几个缺点。第一种方法要求装备一个基准系统。因此，这种系统费用相当大，维护困难，工作环境有限。GPS和Loran系统提供方便的全球定位基准，但是它们不能提供足够精度按诸如高尔夫球车之类的应用需要实时紧紧跟随。第二种方法本身有几个缺点。第一，基准信号需要连续地从需跟随的目标发送给跟随物体。这对便携式应用有很强的限制。以高尔夫球车或行李车作为一个例子，需跟随的目标是一个人而跟随物体是一辆小车。这个人必须携带一个发送很强的跟踪信号的发射机。发送强信号的发射机功耗很大，因此需要一个大到不适合携带的电池为它供电。因此，对于这样的应用采用这种方法是非常不切实际的。第二，这种方法对采用有向信号(即，在小角度内发射的信号，例如红外信号)有限制。这是因为携带者身体运动可能引起检测差错。第三，在多车跟随的情况下，这些跟随车可能跟随错误的人。第四，这种方法没有障碍检测能力。
因此，本发明的目的是提供一种能克服上述缺点和其它缺点的自动跟随系统。
按照本发明的第一方面，所提出的自动化的目标跟随系统包括一个与跟随设备配合的跟踪器和一个与需跟随的目标配合的导引器。跟踪器包括一个第一处理器。配置有至少两个各有一个与第一处理器连接的控制输入端、产生编码超声信号的装置，根据来自第一处理器的命令信号都朝导引器发射编码超声信号。这些编码超声信号载有信号源标识信息。一个射频(RF)接收机与第一处理器连接，用来从导引器接收载有它的标识和导引器接收到超声信号的时间的编码RF信号，供跟踪器的第一处理器确定导引器相对跟踪器的距离和方向，操纵跟随装置朝向导引器或需跟随的目标。
对于导引器来说，有一个超声检测器检测由跟踪器的超声装置产生的超声信号。一个第二处理器与超声检测器连接，用来产生它的标识和导引器接收到超声信号的时间。一个与第二处理器连接的RF发射机，在超声检测器接收到超声信号时向跟踪器的RF接收机发射载有标识和时间信息的编码RF信号。
值得推荐的是，跟踪器包括多个与第一处理器连接的红外(IR)发射机，每个IR发射机相对相邻的IR发射机指向稍有不同的方向，都向导引器发射一个载有信号源标识信息的编码IR信号。导引器最好包括一个与第二处理器连接的IR接收机，用来检测至少一个IR发射机产生的编码IR信号。第二处理器对与它的标识和导引器检测到的是哪几个IR信号有关的信息进行编码，以便利用RF发射机发送的编码RF信号将信息发送给跟踪器。因此，编码RF信号是根据编码超声信号的接收时间和IR接收机接收到的是哪几个编码IR信号产生的，使得RF发射机将这种根据超声和IR信号承载的信息得到的编码RF信号发送给跟踪器的RF接收机。
或者，不用对标识编码，这些IR发射机可以以一个为跟踪器和导引器所知的预定顺序依次发送信号，使导引器可以识别接收到的是哪几个IR信号。确定导引器检测到的是哪几个IR信号使导引器能通过编码RF信号将这信息发回给跟踪器，从而跟踪器可以精确确定导引器相对跟踪器的方位角。
按照本发明的第二方面，提供了一种将一个配有跟踪器的跟随装置导向一个配有导引器的被跟目标的方法。在跟踪器产生至少两个都指向导引器的编码超声信号。各编码超声信号发自相互隔开的不同的源，载有各自信号源的识别信息。导引器接收到编码超声信号后，将一个编码RF信号发回给跟踪器，以便将跟随装置导向被跟目标。编码RF信号载有它的标识和导引器接收到超声信号的时间，这样跟踪器就能确定导引器相对跟踪器的距离和跟随方向，将跟随装置导向跟踪器或需跟随的目标。
值得推荐的是，在跟踪器产生多个编码红外(IR)信号，同时或者按预定顺序都向导引器发送。各IR信号载有各自的信号源标识信息，分别发向相互稍有不同的方向。编码RF信号由导引器产生，载有它的标识和有关接收到的是哪几个IR信号的信息，以便跟踪器确定导引器相对跟踪器的距离和方向角。
值得推荐的是这种跟随系统和方法可以用于诸如自动高尔夫球车和在复杂环境下的行李车之类的自动跟随。
本发明的一个优点是跟踪器主动地发送检测信号(最好有超声和IR两种信号)，而导引器被动地接收这些信号，这样精度高、抗干扰性能强，功耗也低。
第二个优点是导引器有一个RF发射机向跟踪器发送编码标识信号，从而避免了在有几个跟随装置密集而都使用自动跟随系统时发生跟踪器跟随错误的导引器的现象。
第三个优点是利用超声和IR两种信号测量导引器运动方向是一种非常可靠的方向测定模式。
第四个优点是这种跟踪器的超声传感器通过接收从障碍物反射的回声可以检测出障碍物，从而能使配有这种跟踪器的车辆在同障碍物相撞以前自动停止。
第五个优点是这种系统有一种模式跟随导引器的路线和步调，这对诸如高尔夫球车和在拥挤或复杂环境中行进的行李车之类的车辆是很有利的。
图1示意性地例示了一个体现本发明的自动跟随系统。
图2示意性地例示了一个引导高尔夫球车的自动跟随系统的跟踪器。
图3示出了一个作为手持单元的自动跟随系统的导引器。
图4示意性地示出了图1的自动跟随系统的跟踪器的详细情况。
图5是一个例示图1的自动跟随系统的操作的流程图。
图6示意性地示出了形成跟踪器的一部分的超声传感器的详细情况。
图7示意性地示出了形成跟踪器的一部分的多个IT传感器。
图8示意性地示出了形成跟踪器的一部分的RF接收机的详细情况。
图9示意性地示出了图1的自动跟随系统的导引器的详细情况。
图10示出了这种导引器进行跟随距离测量的两个超声传感器的位置关系。
图11是例示射频信号编码的信号图。
参见图1，图中示出了一个体现本发明的自动跟随系统10。这种跟随系统包括一个跟踪器12和一个导引器14。跟踪器12包括一个具有一些分别与多个超声传感器16连接的接线端的第一处理器15，一个射频(RF)接收机18，多个红外(IR)发射机20和一些伺服控制马达22。伺服控制马达包括一个转向控制马达22a、一个速度控制马达22b和一个制动系统22c，以便控制与跟随系统10配合的跟随装置的转向和速度。导引器14包括一个具有一些分别与一个RF发射机26、一个超声检测器28、一个IR接收机30和一个遥控器或遥控逻辑32连接的接线端的第二处理器19。导引器14的超声检测器28和IR接收机30分别接收由跟踪器12的超声传感器16发送的超声信号和由跟踪器的IR发射机20发送的IR信号。
对于导引器14来说，最好，IR接收机30和超声检测器28是大角度多通道的，用来接收载有标识信息的编码信号，使得导引器14可以在有多个相互接近的跟随系统的环境中对这些信号解码而拒绝那些发自其他跟踪器的带有未知标识的信号。此外，值得推荐的是，RF发射机26也是多通道的，用来向跟踪器12发射编码RF反馈信号和遥控命令。如在下面结合图9所说明的，如果经解码的超声和IR信号具有表示导引器14接收的信号有效，这些信号就触发与RF发射机26配合的控制逻辑，向跟踪器12发送RF反馈信号。如将结合图9所说明的，与RF发射机26配合的控制逻辑还接收来自一个与导引器14的遥控逻辑32对接的袖珍键盘的输入，以便用袖珍键盘控制跟踪器的运动。
对于跟踪器12来说，值得推荐的是，超声传感器16是大角度和多通道的，用来发射编码检测信号，IR发射机20是小角度和多通道的，用来发送编码方向测定信号，而RF接收机18也是多通道的，用来接收来自RF发射机26的编码RF反馈信号和遥控命令。
图2示意性地例示了将跟踪器12用在一个诸如全自动跟随高尔夫球车34上的情况，跟随方向如箭头D所示。高尔夫球车34包括一个主控系统36，用来容纳或支持第一处理器15、IR发射机20和RF接收机18。多个超声传感器16最好是两个16a和16b，相互隔开，配置在高尔夫球车34的前轮38的两侧。伺服控制马达22与主控系统36内的第一处理器15连接，用来控制高尔夫球车34的后部方向盘42，引导高尔夫球车34以选定速度驶向导引器14。
作为一个例子，图3例示了体现为一个可以夹在被跟目标(如高尔夫球手背后)上的交互式键盘接口17的导引器14。导引器14的上面板44包括一个电源通断指示灯46，一个显示内部电池(未示出)剩余供电能力的指示器48，一个在诸如丢失跟踪器信号之类的告警情况下激活的诸如声音报警或其他如灯或振动器报警装置之类的报警器49，一个超声检测器28，以及一个IR接收机30。这个单元的下部包括一个具有多个按钮的袖珍键盘，用作与导引器14的遥控器32的接口，遥控配有跟踪器12的车辆。具体地说，这些按钮渐进地控制配有跟踪器12的车辆的方向，如这些按钮所示。正向或前进按钮50控制跟踪器12使跟随装置向前运动，左向按钮52控制跟踪器使跟随装置左转弯，右向按钮54控制跟踪器使跟随装置右转弯，而制动按钮56控制跟踪器使跟随装置停止；按压这些按钮可以推行跟踪器12的相应自动跟随特性。按压正向按钮50不仅可以控制跟踪器12使跟随装置向前运动，而且每按压正向按钮就渐进地增大跟随装置的前进速度。
导引器14还包括一些用来执行各种操作的按钮，相应信息通过RF发射机26发送给跟踪器12。RF信号由一个编码器(见图9)编码，这使第一处理器15可以在对RF信号解码后区别这些信号和识别出哪几个信号来自一个可以确认的导引器(见图8)。如图3所示，按压RFCH按钮58可以调整RF反馈信号的频道，按压IRCH按钮60可以调整跟踪器12向导引器14发送IR信号的频道，按压DIS按钮62可以调整跟踪器12的跟随距离，按压PPM按钮64可以激活步调-路线跟随控制模式，按压NFM按钮66可以激活正常跟随控制模式，按压RCM按钮68可以激活遥控模式，而按压ON／OFF按钮70可以切换跟随系统10的通、断状态。
图4详细地例示了跟踪器12。第一处理器15最好是一个带有一个价格便宜的微控制器的嵌入系统。这个微控制器具有以下能力监视时钟，产生用于马达控制的脉宽调制(PWM)，外部中断，以及数字输入输出。第一处理器15用作中央处理器，确定跟随系统工作模式，计算跟随距离和方向，以及与超声传感器16、IR发射机20、RF接收机18和伺服控制马达22交互作用。如图4所示，第一处理器15有以下接线端或接口连接Rs-用于通过线72使RF接收机18复位；Int-用于通过线74接收来自RF接收机18的中断信号，表示有一个信号到达RF接收机；Ult-用于通过线76接收一个表示RF接收机18接收到一个来自RF发射机26的RF信号；K1，K2，…，Kn-用于通过线78，78接收由RF发射机26发送的和由RF接收机18检测到的控制信号；Echo-用于通过线80接收一个从横在跟踪器12和导引器14之间的障碍物返回到超声传感器的超声信号，以便自动停止由跟踪器12控制的跟随装置；Trig-用于通过线82向超声传感器16发送一个触发信号；T1，T2-用于通过线84，86发送带有伺服控制的超声传感器选择信号；No RF-用于在没有从导引器14接收到RF反馈信号时通过线88发送一个信号，触发配置在跟踪器12上的一个诸如声音报警、灯光或振动机构之类的报警器89；Speed-用于通过线90向伺服控制机构22发送一个车辆速度控制信号；Steer-用于通过线92向伺服控制马达22发送一个车辆转向控制信号；Brake-用于通过线94向伺服控制马达22发送一个车辆刹车控制信号；IR-用于通过线96向IR发射机20发送一个红外信号；以及Obstacle-用于在超声信号从一个横在跟踪器12和导引器14之间的障碍物反射回来时通过线98发送一个信号触发报警器89。
伺服控制马达22都是普通的马达，用来执行速度控制、转向控制和刹车控制。速度控制使用了一个普通的脉宽调制(PWM)马达控制电路。转向控制是方位控制，也可以是带有方位反馈的PWM马达控制。刹车控制使用了一个电磁离合器，将制动力加到速度控制马达22b的转子上。
图5是一个例示自动跟随系统10的工作情况的简化流程图。在开始方框100，跟踪器12的第一处理器15执行系统测试和初始化程序。在测量方框102，第一处理器15激活跟踪器的超声传感器16和IR发射机20，使它们分别向导引器14发送编码超声信号和编码IR信号。各个超声传感器16可以发送编码相互不同的超声信号，各个IR发射机20可以发送编码相互不同的IR信号，以便表示例如信号发送时间和使导引器14可以识别接收到的信号是由哪几个超声传感器和IR发射机产生的。
由导引器14的RF发射机26产生的RF反馈信号编码成载有它的标识符和导引器14接收到各超声信号的时间以及导引器接收到的是哪几个有向IR信号的信息。例如，超声信号从跟踪器12传播到导引器14的时间确定了跟踪器和导引器之间的距离。并且，各超声传感器16产生的超声信号到达导引器14分别所需的时间概略地确定了导引器相对跟踪器12的方位角。此外，确定了哪几个IR发射机20产生导引器14接收到的IR信号就能更精确地确定导引器相对跟踪器12的方位角。导引器14的RF发射机26在接收到超声信号和IR信号后，就向跟踪器12发送带有标识符、距离和角信息的编码RF反馈信号。RF反馈信号也可以编码成载有输入导引器14的遥控信号，如结合图3所说明的。
然而，导引器14的发射机26如果接收到超声信号而没有接收到红外信号，就不会发送RF反馈信号。这种情况在有一个障碍物横在跟踪器12和导引器14之间时就可能发生，障碍物堵塞了波束角度狭窄的IR信号，但是堵塞不了波束角度比较宽的超声信号。此外，RF发射机26如果没有接收到任何来自跟踪器12的信号也将不向跟踪器14发送RF反馈信号。这种情况在导引器14超出跟踪器12的通信距离时、在导引器处在IR信号的角范围之外时或在跟踪器12工作不正常时都可以发生。超声传感器16还在接收到任何从一个横在跟踪器12和导引器14之间的障碍物反射回跟踪器12的超声信号回波时报警。从位于波束范围内的物体接收到的反射信号用来计算障碍物的距离。如果根据反射或回波信号得出的计算结果与根据导引器14的RF信号得出的计算结果匹配，说明检测到的物体是导引器。否则，就说明检测到处在波束范围内的障碍物。为了检测发自RF发射机26的编码RF反馈信号，还要触发RF接收机18。
在计算方框104，跟踪器12的第一处理器15在检测到任何障碍物时将发送一个障碍物信号，触发一个配置在跟踪器12上的报警器(报警方框106)，或在没有收到来自导引器14的RF反馈信号时将发送一个″没有RF ″或丢失跟踪信号，触发报警器(报警方框106)。在没有接收到超声和IR信号(丢失跟踪)或只接收到一个IR信号而没有接收到超声信号(遇到障碍物)时，还可以触发一个配置在导引器14上的相应报警器49。此外，在计算方框104，第一处理器15还根据编码RF反馈信号携带的信息计算出操纵由跟踪器12引导的跟随车辆的距离和角度(这将结合图7和10详细说明)。在控制方框108，第一处理器15根据计算出的位置信息为伺服控制马达22调整跟随速度和转向。
图6示意性地示出了编码和接收超声信号的详细结构。一个信号驱动和检测电路110与两个广角超声传感器16a和16b对接。跟踪器12(未示出)的第一处理器15选择传感器16a和16b中的一个，通过线T1和T2控制多路复用器112将驱动／检测电路110接到所选择的超声传感器上。然后，第一处理器15通过线Trig将触发信号发送给所选择的超声传感器。这个触发信号激活一个可程控的编码器114，将一个编码脉冲序列发送给驱动／检测电路110。驱动／检测电路110为所选择的超声传感器提供功率，以便将一个脉冲序列发送给导引器14。一旦这个传输过程结束，驱动／检测电路110就检测任何从处在有效范围内的物体反射而被所选择的超声传感器接收的回波。如果检测到一个有效回波，就将一个回波信号通过线″Echo″发回给第一处理器15，表示出现一个障碍物。接收到回波信号，第一处理器15就通过线94(见图4)将一个制动信号发送给伺服控制机构22。编码器114用来使从一个跟随车辆发送的超声信号不同于其它跟随车辆发送的(即每个与跟随车辆配合的跟踪器都具有它自己的标识符)，从而减少几个非常接近的跟随车辆之间相互干扰。
图7示意性地例示了安装在跟踪器12前面的多个有向IR发射机的详细情况。例如，图7中示出了五个窄角IR发射机20a、20b、20c、20d和20e。IR信号编码后由各个发射机向导引器14发射。导引器14将向跟踪器12发送RF反馈信号，表明导引器检测到的是哪几个发射机的信号。第一处理器15将利用这信息估计跟随方向。如图7所示，这些IR发射机20安装在一个拱形的表面上，使得各个IR发射机20指向相互稍有不同的方向，从而各个IR发射机分别在相互不同的角范围内发射IR信号。IR发射机20a的角范围例示为在界线21a和21b之间；IR发射机20b的角范围例示为在界线21c和21d之间；IR发射机20c的角范围例示为在界线21e和21f之间；IR发射机20d的角范围例示为在界线21g和21f之间；以及IR发射机20e的角范围例示为在界线21i和21j之间。
图8例示了RF接收机18及其配合电路的详细情况。有一个天线连接到RF接收机18的输入端，用来接收导引器14的RF发射机26发射的RF信号。解码器和逻辑电路118插在RF接收机18和第一处理器15之间(见图4)，用来对编码RF信号解码，从而识别出来自它所配合的导引器14的那些RF信号，进行接收，而拒绝来自在可以使用多个跟随系统的环境中其他导向器的干扰RF信号。最好，多通道RF接收机18处于恒定的接收模式。拒绝干扰RF信号是很需关注的，因为RF传输范围明显地大于IR和超声信号传输范围。
图9例示了自动跟随系统10的导引器12的详细情况。超声检测器28和IR检测器20的输出端分别连接到解码器120和122，以便对编码的超声信号和IR信号解码。解码器120、122和导引器14的键盘接口的输出端连接到第二处理器19和遥控逻辑32，以便在接收到超声信号和IR信号时和在接收到键盘接口17输入的命令信号时进行响应，产生RF反馈信号。遥控逻辑32的输出端连接到一个RF编码器124，以便对RF反馈信号编码，使得所配合的跟踪器12可以识别出来自它所配合的导引器14的那些RF信号，进行接收，而拒绝来自在可以使用多个跟随系统的环境中其他导向器的干扰RF信号。然后，编码RF信号通过RF发射机26和天线126发送给它所配合的导引器14。
图10示出了为了确定跟随距离度量的两个超声传感器16a和16b相对所配合的导引器14的位置关系。这两个超声传感器16a和16b设置在跟踪器12的正面，相互相隔一定距离″L″，如图10所示。作为操作情况的一个例子，第一处理器15(见图1)将超声传感器16a和16b设置成这样一种发送模式，使得传感器16a发送一个编码超声信号E1，同时超声传感器16b发送另一个编码超声信号E2。第一处理器15规定同步发送信号E1和E2的时间。然后，第一处理器15将超声传感器16a和16b设置为接收模式，以便接收任何来自可能横在跟踪器12和导引器14之间的障碍物的回波。导引器14的超声检测器28接收到信号E1后，导引器14向跟踪器12发送一个编码RF反馈信号，载有导引器14接收到超声信号E1的时间t1。类似，导引器14的超声检测器28接收到信号E2后，导引器14向跟踪器12发送一个编码RF反馈信号，载有导引器14接收到超声信号E2的时间t2。第一处理器15记录导引器14接收到超声信号E1的时间t1和导引器接收到超声信号E2的时间t2。第一处理器15利用t0与t1之间的时间差计算从超声传感器16a到导引器14的距离d1。第一处理器15利用t0与t2之间的时间差计算从超声传感器16b到导引器14的距离d2。最后，利用已知的三角测量或混合三角测量算法根据d1和d2计算出跟踪器12和导引器14之间的距离″D″。
或者，第一处理器15可以按照一个为跟踪器12和导引器14所知的预定顺序依次通、断超声传感器16a、16b，以便识别导引器所接收的信号的源是哪个超声传感器。
再来看图7，下面将对利用IR进行方向检测的情况进行说明。IR方向检测配合利用超声信号进行方向检测，改善了方向检测的精度。所以能改善精度是因为IR信号具有比超声信号小的角定向波束，可以得到精确的定向测量。此外，IR信号不同于超声信号，波束不容易受诸如空气温度和湿度改变之类的天气条件影响而变形。
可以用编码IR信号携带的标识符来识别发送这个IR信号的是哪个IR发射机20a-20e。或者，第一处理器15也可以按一个为跟踪器12和导引器14所知的预定顺序依次通、断发送IR信号的IR发射机20a-20e。发送给跟踪器12的编码RF信号可以载有导引器14接收到一个或多个IR信号的时间的信息，以标识接收到的是哪几个IR信号，从而使跟踪器12的第一处理器15可以计算出跟随角。
如果导引器14处于位置P1，导引器将只能接收到来自IR发射机20c的IR检测信号，作为响应，向跟踪器12发送一个编码RF反馈信号。然而，将没有为从IR发射机20a、20b、20d和20e发出的IR检测信号发送的RF反馈信号。第一处理器15于是确定导引器14是在中间位置P1。如果导引器14处于位置P2，导引器将只能接收到来自IR发射机20b的IR检测信号，作为响应，向跟踪器12发送一个编码RF反馈信号。然而，将没有为从IR发射机20a、20c、20d和20e发出的IR检测信号发送的RF反馈信号。第一处理器15于是确定导引器14是在左边位置P2。如果导引器14处于位置P3，导引器将只能接收到来自IR发射机20d的IR检测信号，作为响应，向跟踪器12发送一个编码RF反馈信号。然而，将没有为从IR发射机20a、20b、20c和20e发出的IR检测信号发送的RF反馈信号。第一处理器15于是确定导引器14是在右边位置P3。如果导引器14处于一个交叠区域，导引器将接收到来自覆盖这交叠区域的两个IR发射机的IR检测信号。所以，处理器15将接收到与这两个接收到的IR检测信号相应的两个编码RF反馈信号。因此，也可以确定导引器14的位置。
由于多个跟随装置可能相互很接近，因此必须消除诸如高尔夫球车之类的跟随装置之间的干扰和来自外界环境的干扰。否则，一个跟随系统的信号可能被另一个跟随系统接收而起作用，从而使跟随系统跟踪错误的导引器。如先前所述，一种减少干扰的方法是进行信号编码。
在跟踪器12和导引器14之间发送的有三种信号超声信号，IR信号和RF信号。所有这些信号都应该编码，使得每个跟随系统都有它自己的信号模式。
最好，RF信号应有超过100英尺的有效工作距离，频率在民用FCC范围内，例如为29MHz或900MHz左右。虽然采用多通道的RF发射机26和RF接收机18，但是这样的多通道系统在RF信号传送期间较容易与其他这样的系统干扰。因此，对RF信号编码比对检测信号编码更为重要。此外，多个RF命令信号必须通过一个RF反馈信号从导引器14发送给跟踪器12。不同的命令必须通过编码相互区别。一种考虑这两个编码要求的方法是采用两级编码，那就是说，将RF反馈信号编码成两个段，例如如图11所示。四个脉冲的第一段200对于一个跟随系统10来说是专用的，而五个脉冲的第二段202用来标识不同的命令。RF接收机18必须分二级对编码RF信号解码。第一级是对第一段解码，以便确定接收到的RF信号是否来自所配合的导引器14。如果是这样的话，再对RF信号的第二段解码，确定通过RF信号发送的命令。
跟随系统10的超声信号应该在30英尺左右的距离范围内有效。在两个或更多个跟随系统相互接近时将产生干扰。为了避免干扰，利用可程控的编码器114将超声信号编码成一个脉冲序列(见图6)。每个跟随系统10可程控成发送一个鉴别脉冲列，使得一个RF接收机18只承认从它所配合的导引器14发送的RF信号的脉冲列。同一个跟随系统10的所有超声传感器16将具有相同的编码脉冲列。然而，可以同时利用不同频率的超声脉冲，因此系统可以同时接受多个传感器的距离测量。然而，干扰仍可能发生，如果一个超声检测器要同时接收来自两个不同的源的超声信号的话，从而引起信号丢失。
对于IR信号编码来说，跟踪器12的第一处理器15根据导引器14发送的命令信号可以为多个IR发射机中的每一个设置唯一的脉冲代码。各个IR发射机20的脉冲代码可以通过改变IR发射机的脉冲频率安排成可相互区分的。
超声传感器16在发送IR检测信号后将转为接收模式。具体地说，超声传感器16等待检测任何从横在跟踪器12和导引器14之间的障碍物返回的超声信号回波。如果接收到这样的回波信号，第一处理器15将分析这些信号，而且将这些信号与来自导引器14的RF反馈信号的信息进行比较。如果处理器15确定有一个障碍物妨碍由跟踪器控制的跟随装置的路线，第一处理器15就停止由跟踪器12控制的跟随装置，向跟踪器12和导引器14发送一个报警信号。配有导引器14的人员于是可以利用导引器的键盘接口17手控地通知跟踪器12跟随装置需跟随的路线，以便避免这个障碍物。
正常跟随模式(NFM)是方向跟随控制。在这种模式，跟踪器12根据当前的距离测量控制跟随装置34的速度，使得与导引器14保持恒定距离。同时，跟踪器12根据当前的方向测定调整装置的跟随方向，朝着导引器14。作为一个例子，假设D[n]是在时间n得到的距离测量，而R[n]是导引器14相对跟踪器12的方向测量。在NFM模式，跟踪器12的所需速度V[n]和所需转向S[n]将是D[n]和R[n]的直接函数，那就是说，V[n]=f(D[n])，S[n]=g(R[n])。所需跟随距离是预置的，可以由用户在任何时候调整。在NFM模式，跟踪器12可以不必跟随与导引器14相同的路线。在导引器14沿曲线运动时，跟踪器12通常可以取″捷径″跟随导引器。如果跟随距离小，这种捷径跟随特性是令人满意的，因为偏离导引器所经过的实际路线并不大。
步调-路线跟随控制模式(PPM)以预置的恒定距离跟随导引器14的路线。换句话说，跟踪器12力图经历与导引器14相同的路线轨迹。作为一个例子，第一处理器15的一个控制算法执行步调-路线模式的跟随操作。假设导引器14从时间m到时间n经历以下轨迹Pg[m]，Pg[m+1]，…，Pg[n-1]，Pg[n]。
在各个位置，测量得到的速度和方向如下(Vg[m]，Rg[m])，(Vg[m+1]，Rg[m+1])，…，(Vg[n-1]，Rg[n-1])，(Vg[n]，Rg[n])其中V[i]和R[i]分别为在时间i．测量得到的速度和方向。时间为n。假设跟踪器12是在点Pt[n]，这是Pg(k)的同一个点。换句话说，导引器14在时间k已经通过同一个点。为了跟随与导引器14相同的路线，要求跟踪器12在时间n的情况与导引器在时间k的情况完全相同，那就是说，Vt[n]=Vg[k]Rt[n]=Rg[k]虽然本发明已经结合本发明的典型实施例进行了说明，但是熟悉该技术的人员应该理解，其中无论在形式上还是在具体实现上都可以根据本发明的精神进行上述和种种其它改变、省略和增添，所有这些都应属于本发明的专利保护范围。因此，以上对本发明的说明都是例示性的，而不是限制性的。
权利要求
1．一种具有一个与跟随装置(34)配合的跟踪器(12)和一个与需跟随的目标配合的导引器(14)的自动化的目标跟随系统(10)，所述自动化的目标跟随装置的特征是所述跟踪器(12)包括一个第一处理器(15)，至少两个产生编码超声信号的装置(16a，16b)，每个所述装置都有一个与第一处理器(15)连接的控制输入端(80，82，84，86)，根据一个来自第一处理器的命令信号向导引器(14)发射一个编码超声信号，所述编码超声信号载有信号源标识符和定时信息，一个与第一处理器(15)连接的射频(RF)接收机(18)，用来从所述导引器14)接收一个载有供第一处理器根据超声信号确定用来操纵跟随装置(34)的导引器相对跟踪器的距离和方向的信息的编码RF信号；以及所述导引器(14)包括一个超声检测器(28)，用来检测跟踪器(12)的超声装置(16a，16b)产生的超声信号，一个与超声检测器(28)连接的第二处理器(19)，用来对需由一个RF信号承载发送给跟踪器(12)供跟踪器确定导引器(14)相对跟踪器的距离和方向的根据超声信号得到的信息进行编码，一个与第二处理器(19)连接的RF发射机(26)，用来将编码RF信号发送给跟踪器(12)的RF接收机(18)。
2．一种如在权利要求1所明确的自动化的目标跟随系统(10)，其中所述跟踪器(12)还包括多个与第一处理器(15)连接的红外(IR)发射机(20a，20b，20c，20d，20e)，每个IR发射机相对相邻的IR发射机指向一个稍有不同的方向，用来向导引器(14)发射一个载有信号源标识信息的编码IR信号；以及所述导引器还包括一个与第二处理器(19)连接的IR接收机(30)，用来检测至少一个IR发射机产生的编码IR信号，而所述编码RF信号载有根据编码超声信号得到的信息和IR接收机接收到的是哪几个编码IR信号的信息。
3．一种如在权利要求1中所明确的自动化的目标跟随系统(10)，其中所述RF发射机(26)只在超声和IR两种信号都接收到时才产生一个RF信号。
4．一种如在权利要求1中所明确的自动化的目标跟随系统(10)，其中所述跟踪器(12)和所述导引器(14)至少有一个包括一个在由于失去跟踪条件或发生其他故障不能正常工作而没有产生RF信号时触发的报警器(49，89)。
5．一种如在权利要求1中所明确的自动化的目标跟随系统(10)，其中所述产生编码超声信号的装置(16a，16b)每个都是一个超声传感器。
6．一种如在权利要求5中所明确的自动化的目标跟随系统(10)，其中所述超声传感器(16a，16b)每个都能接收回波或从一个横在跟踪器和导引器(14)之间的障碍物反射回跟踪器(12)的超声信号，而所述跟踪器包括一个与第一处理器(15)连接的、在接收到回声时触发的报警器(89)。
7．一种如在权利要求1中所明确的自动化的目标跟随系统(10)，其中所述导引器(14)包括输入需由编码RF信号承载的遥控命令以便人工控制跟踪器(12)的装置(50，52，54，56，58，60，62，64，66，68，70)。
8．一种如在权利要求1中所明确的自动化的目标跟随系统(10)，其中所述导引器(14)包括选择跟踪器(12)工作模式作为命令信号在编码RF信号上发送的装置(58，60，62，64，66，68，70)，所述工作模式包括恒定距离跟随模式、相同路线和步调跟随模式和人工操纵模式。
9．一种具有一个与跟随装置(34)配合的跟踪器(12)和一个与需跟随的目标配合的导引器(14)的自动化的目标跟随系统(10)，所述自动化的目标跟随系统的特征是所述跟踪器(12)包括一个第一处理器(15)，至少两个产生编码超声信号的装置(16a，16b)，每个所述装置都有一个与第一处理器(15)连接的控制输入端(80，82，84，86)，根据一个来自第一处理器的命令信号向导引器(14)发射一个编码超声信号，所述编码超声信号载有信号源标识符和定时信息，多个与第一处理器(15)连接的红外(IR)发射机(20a，20b，20c，20d，20e)，每个IR发射机相对相邻IR发射机指向一个稍有不同的方向，用来向导引器(14)发射一个载有信号源标识信息的编码IR信号，一个与第一处理器(15)连接的射频(RF)接收机(18)，用来从所述导引器(14)接收一个载有根据超声信号得到的信息和导引器接收到的是哪几个IR信号的信息的编码RF信号，以便确定导引器相对跟踪器(12)的距离和方向，操纵跟随装置(34)；以及所述导引器(14)包括一个超声检测器(28)，用来检测跟踪器(12)的超声装置(16a，16b)产生的超声信号，一个IR接收机(30)，用来检测至少一个IR发射机(20a，20b，20c，20d，20e)产生的编码IR信号，一个与超声检测器(28)和IR接收机(30)连接的第二处理器(19)，用来对需由一个RF信号承载发送给跟踪器(12)供跟踪器确定导引器相对跟踪器的距离和方向的导引器(14)根据超声信号得到的信息和导引器(14)接收到的是哪几个IR信号的信息进行编码，一个与第二处理器(19)连接的RF发射机(26)，用来将编码RF信号发送给跟踪器(12)的RF接收机(18)。
10．一种如在权利要求9中所明确的自动化的目标跟随系统(10)，其中所述RF发射机(26)只在超声和IR两种信号都接收到时才产生一个RF信号。
11．一种如在权利要求9中所明确的自动化的目标跟随系统(10)，其中所述跟踪器(12)和所述导引器(14)至少有一个包括一个在由于失去跟踪条件或发生其他故障不能正常工作而没有产生RF信号时触发的报警器(49，89)。
12．一种如在权利要求9中所明确的自动化的目标跟随系统(10)，其中所述产生编码超声信号的装置(16a，16b)每个都是一个超声传感器。
13．一种如在权利要求12中所明确的自动化的目标跟随系统(10)，其中所述超声传感器(16a，16b)每个都能接收回波或从一个横在跟踪器和导引器(14)之间的障碍物反射回跟踪器(12)的超声信号，而所述跟踪器包括一个与第一处理器(15)连接的、在接收到回波时触发的报警器(89)。
14．一种如在权利要求9中所明确的自动化的目标跟随系统(10)，其中所述导引器(14)包括输入需由编码RF信号承载的遥控命令以便人工控制跟踪器(92)的装置(50，52，54，56，58，60，62，64，66，68，70)。
15．一种将一个配有跟踪器(12)的跟随装置(34)导向一个配有导引器(14)的活动被跟目标的方法，其特征是所述方法包括下列步骤在跟踪器(12)产生至少两个都导向导引器(14)的编码超声信号，每个编码超声信号来自一个与其他源分隔配置的各别源(16)，每个编码超声信号载有信号源标识和信息；在导引器(14)接收编码超声信号，根据编码超声信号产生一个编码RF信号发回给跟踪器(12)，以便将跟随装置(34)导向被跟目标，所述编码RF信号载有根据超声信号得到的距离和方向信息；以及在跟踪器(12)根据编码RF信号承载的信息确定导引器(14)相对跟踪器的位置，以便操纵跟随装置(34)。
16．一种如在权利要求15中所明确的方法，其中所述产生至少两个编码超声信号的步骤包括以一个为跟踪器(12)和导引器(14)所知的预定顺序一次一个地产生每个信号的步骤，以便使导引器可以确定接收到的一个超声信号的源。
17．一种如在权利要求15中所明确的方法，其特征是所述方法还包括下列步骤在跟踪器(12)产生多个都导向导引器(14)的编码红外(IR)信号，每个IR信号载有信号源标识信息，导向相对其他IR信号稍有不同的方向；以及在导引器接收编码IR信号；而其中所述产生编码RF信号的步骤包括承载根据超声信号承载的信息和根据导引器接收到的是哪几个IR信号得到的被跟目标相对跟随装置(34)的距离和方向信息的步骤。
18．一种如在权利要求17中所明确的方法，其中所述产生多个IR信号的步骤包括以一个为跟踪器(12)和导引器(14)所知的预定顺序一次一个地产生每个信号的步骤，以便使导引器可以确定一个接收到的IR信号的源。
19．一种如在权利要求17中所明确的方法，其中所述产生编码RF信号的步骤只是在接收到超声和IR两种信号时才执行。
20．一种如在权利要求15中所明确的方法，其特征是所述方法还包括在由于丢失跟踪条件或发生其他故障不能正常工作而没有产生RF信号时由跟踪器(12)和导引器(14)至少其中之一触发一个报警条件的步骤。
21．一种如在权利要求15中所明确的方法，其特征是所述方法还包括在跟踪器(12)检测是否任何超声信号有回波或从一个横在跟踪器和导引器(14)之间的障碍物反射的步骤和在检测到回波时由跟踪器和导引器至少其中之一触发报警条件的步骤。
22．一种如在权利要求15中所明确的方法，其特征是所述方法还包括在通过导引器(14)的一个用户接口接收到响应信息时产生需由编码RF信号承载的遥控命令的步骤。
全文摘要
本发明提出了一种自动化的目标跟随系统(10),包括一个与跟随(34)配合的跟踪器(12)和一个与需跟随的目标配合的导引器(14)。跟踪器包括一个第一处理器(15)和至少两个传感器(16a,16b),用来产生编码超声信号。每个传感器都有一个与第一处理器连接的控制输入端,根据来自第一处理器的命令信号都向导引器发射一个编码超声信号。这些编码超声信号都载有信号源标识信息。射频(RF)接收机(18)与第一处理器连接,用来从导引器接收载有导引器相对跟踪器的距离和方向信息的编码RF信号,以便操纵跟随装置朝向需跟随的目标。
文档编号G01S15/74GK1289936SQ00129089
公开日2001年4月4日 申请日期2000年9月29日 优先权日1999年9月29日
发明者张锐明, 穆仲立 申请人:Vi与T集团公司