专利名称：自动导向车辆的定位方法
技术领域：
本发明涉及按权利要求1的前言所述的一种确定自动导向车辆位置的方法。
背景技术：
自动导向车辆用于许多工业场合，例如，工厂和仓库中的运货卡车。根据一常用系统，磁回路或类似物沿卡车的运输路线布置。由于初始成本高，卡车的路线很难在后期改变，因此开发出了使用定位反光器的系统。
按照某些已知系统，使用具有标志的反光器，即，根据车辆上的反射信号仪器可直接确定信号来自哪个特定的反射器。这类系统又快又有效，但是这些特定的反射器较昂贵。此外还存在信号所能显示的距离受到限制等问题。
US-A-4811228示出并说明了一种使用完全匿名反射器的导航系统，这些匿名反射器呈条状或类似形状。这些反射器没有标志，但它们的位置被精确地校正。每一反射器的位置与运输区的相应坐标一起存储在车辆上。车辆上有一光源，其发出一在运输区上扫射的集中的激光束。在反射器和其他物体的反射被记录后可得出一可能反射器的方位。
当车辆位于一已知位置上时，随后的步骤以起初使静止车辆的方位或角位与实际反射器的关联开始进行。因此，该已知系统的前提是关于车辆实际位置的信息已传给车辆。在待搜索的区域上选择分布合适的三个角度值。这些角度值与各反射器关联，且车辆的位置根据检测到的反射器的已知位置来进行确定。如果如此确定的车辆位置与已知位置一致，则其余角度值被关联，从而车辆位置得到证实。当使用大量反射器时，这一初始过程很费时间。
为使角位与实际反射器发生关联，随后的步骤不断地进行。一检测到的角位与所存储反射器位置的可能角位进行比较，且该角位与一实际反射器发生关联，从而产生与所存储反射器位置很好的一致。
当反射器的角位或方位与实际反射器发生关联后，可用各种方式确定位置和进行导航。最初使用三角测量。在已知一测量点上的预期位置的情况下，在进一步行驶中可使用其他方法。该自动导航车辆还装有不断更新车辆运动的设备，例如一里程表。首先，不仅要不断确定车辆在各测量点之间的航行路线，而且还要确定车辆车轮转动的转数和方向。例如可通过测量驱动轮的转动，然后把这些转动转换成距离来进行测量。最好还不断确定车辆方向轮的转角。关于该距离和方向的数据被用作确定位置和行驶的基础。
US-A-4811228中所述的系统要想获得最佳性能，必须使用大量反射器。因为在作出某一关联前必须计算许多组合，因此进行这一计算的时间很长。如果检测到的许多信号来自其位置已知的匿名反射器之外的反射器、例如金属物体或窗户时，这一缺点就更为严重。
因此需要作出改进，以过滤掉不需要的反射，提高关联的有效性，减少US-A-4811228那类系统中的反射器的数量。
本发明概述本发明的一个目的是提供一种自动导向车辆的定位方法，从而在克服上述缺点的同时作出所需改进。这些目的通过结合在由权利要求1所述的本发明的各特殊特征中而得以实现。
该车辆起始点位于一具有若干匿名反射器的运输区中的一未知位置上。因此，关于车辆当前实际位置的信息完全缺乏。确定并存储多个角度值，这些角度值与角度位置对应，这些角度位置朝向来自反射物体的反射。在搜索扇形区内最好以圆周和对称方式选择适当分布的由至少三个角度值构成的一阵列。使所选择的角度值与一反射器阵列发生关联，然后根据假设反射器的已知位置确定车辆的假设位置。
如果车辆的假设位置在运输区的某一部分中，使其余角度值与所存储位置发生关联。对于各角度值的每一阵列，确定所检测角度值与车辆位置与已知反射器位置之间预期角度值之间的偏差。对于三个角度值的每种可能组合反复进行这些步骤，从这些关联中选择与假设车辆位置最一致的一种组合。在以这种方式作出这一关联后，当前车辆位置被确定为假设位置。
按照本发明一实施例，在车辆上收到一反射信号时确定与反射信号的物体之间的当前距离。该距离与处于假设位置上的车辆上的一基准点与所存储的一可能反射器位置之间的对应距离进行比较。使用关于该距离的信息可更可靠地确认该反射器。
可用预先收集的关于反射的更完全信息更可靠地确认反射器。例如，可预先确定由反射器反射的信号的强度是如何随入射角和与车辆上基准点之间的距离的变动而变的。还可确定反射器上的扫动时间。这对不同类型的反射器都成立，不管是反射器的形式，还是反射器的制作材料。本发明的另一个优点是，定位更快、更可靠，甚至在最初对当前位置一无所知时。
从下述说明、附图和从属权利要求中可看出本发明的其他优点和特征。
附图的简要说明下面结合附图借助于实施例详细说明本发明，附图中
图1为使用本发明的一自动导向车辆的简示立体图2为自动导向车辆一部分工作区的俯视图，该车辆装有本发明一实施例中的仪器；图3简示出如何构作一可用来测量距离的信号；图4简示出反射信号的振幅如何随光的入射角变动；图5简示出反射信号的振幅如何随光源/检测器和反射物体之间的距离变动；图6简示出垂直入射时反射信号的持续时间如何随光源/检测器和反射物体之间的距离变动；以及图7为图2俯视图的放大图。
详细说明图1所示车辆10为一卡车。驱动和控制装置14顶部有一发射源13。该发射源发出的一射束B最好在车辆行驶的运输区的一平面上扫动。该射束可为任何类型，例如光、其他电磁波束或其他射束。射束也可在各种时间间隔中逐点或逐个扇区地射到运输区的各部分。在一优选实施例中，该发射源为一光源，发出的射束为激光光束。
在所示实施例中，车辆装有借助于里程表进行控制的部件。这些部件中有车轮15，车轮15中包括与驱动装置14连接的一个或多个驱动轮和在预定路线上进行方向用的一个或多个方向轮。为此，一个或多个车轮上装有测量车轮转数、从而不断确定车辆行驶距离的装置。一个或多个方向轮的角度用角度测量仪器不断地进行确定，从而不断确定车辆的方向及其行驶方向。在本实施例中也可不用里程表而采用其他方式来控制驱动装置14和车轮。相应的控制特性例如可用陀螺仪、加速器或类似装置来实现。
车辆10上的发射源13与一控制器19装在一起。发射源13最好为可发出集中的激光光束B的激光之类装置。光束B可在一围成封闭圆形的搜索区上旋转。通过引导光束B穿过镜子和棱镜之类的转动的光学仪器或使光源转动，即可实现光束的旋转。车辆上还装有接受器，其包括检测器18，该检测器为一具有方向依赖性的光敏仪器。检测器18的位置最好构成车辆的基准点。一角度传感器不断发出一表示光束B相对于车辆上一基准方向D的角度信号。车辆上还设置有存储器20，其用来存储关于该运输区和反射器的数据。检测器18、控制器19和存储器20互相连接。最好是，存储器20与检测器18和控制器19一起装在车辆10上。
按照本发明，各反射器设置在运输区的预定位置上。在图2实施例中，若干反射器R1-R11设置在以壁11为界的一仓库之类的运输区的一部分中。一自动导向车辆10在该运输区中沿预定路线12行驶。例如在仓库改建时，通过改变存储器中的数据就可容易地改变路线12，该存储器最好为半导体存储器或磁存储器。
在所示实施例中，反射器R1-R11都相同。它们的位置被预先精确确定后与关于运输区和车辆10的预定行驶路线的信息一起存储在一存储器中。可用CAD系统的某种形式对运输区和反射器的位置进行适当的描述和定义。在其他实施例中，反射器R1-R11也可不通过从它们反射的信号来直接确认或不与存储在存储器中的相应反射器直接发生关联。按照一优选实施例，反射器包括回射反光材料的平面盘或带。反射器的水平尺寸最好比垂直尺寸小，以便形成尖锐侧边。为确保接收反射器的反射，光束B的入射角应小于与法线方向N之间的β。
按照另一实施例，使用圆柱形回射反射器。这种反射器最好放置成使得圆柱体的轴线与光束入射平面垂直。从而光束B在沿水平面的整个圆周上都能良好反射。
在其他实施例中，适当的物体可用作反射器。反射器在这类实施例中的布置意味着，必须选择合适的物体，必须精确确定物体的位置。
光束B以角速度ω扫动，并由反射器R1-R11和其他物体O、例如管子、窗户17或支撑件16上的物体反射。反射信号由车辆上的接收装置接收，该接收装置包括光敏检测器。光敏检测器还记录所接收信号的强度，同时角度传感器记录一反射物体与基准方向D之间的角度。在一优选实施例中，在开始接收反射信号时当前角度被记录，但也可使用其他顺序。与当前角度值对应的信号和若干反射信号的入射强度值存储在例如车辆上的存储器中。
图2所示实施例中自动导向车辆10的导航的原理是，靠与各反射器关联的三个角度值确定初始位置。当车辆以相对于三个反射器的一方位处于静止时，例如可用三角测量精确确定车辆的位置。所用程序包括下列步骤选择在扫动扇区上适当分布的三个角度值；使角度值与可能的反射器发生关联，根据假定反射器的已知位置确定车辆的可能位置；如果如此确定的车辆位置在运输区内，使其余角度值与所存储的反射器位置发生关联。确定无法发生关联、即与所存储反射器位置的预期角度值偏差太大的角度值的数量。如果发生偏差的角度值的数量大于某一值，则拒绝所确定的车辆位置。存储器中存储有落在预期角度值两边的某一角度区间中的角度值的一状态值或质量因素。对三个角度值的每一种可能组合重复进行该程序，选择所有关联中与车辆位置最一致的一组合。最好选择其余角度值的平均偏差最小的那一位置。
当车辆沿路线12进一步移动时，主要由于车辆位置大体已知，因此可使用不同方法确定位置和进行导航。在位置确定的每一点上，使用给出一朝向一反射器的方位的最新记录的角度值。在图2中，在位置Pn，使用反射器R3的方位或角度值。此时，关于位置的信息只与一直线有关。该信息与由推算定位确定的位置进行比较后相对于精确确定的反射器R3的方向进行校正。在位置Pn+1，使用反射器R6确定位置，由于R6相对于前一个反射器R3有一角位移，因此关于方向的新信息大大增加了位置确定和用推算定位或里程表确定的位置校正的可靠性。在位置Pn+2用反射器R8作为基础相应地进行新的定位。最好为每一定位点选用一新反射器，从而尽可能提高位置确定的可靠性。
运输区中还有若干物体O，它们会反射从车辆发出的光和/或发出光，这些光可被车辆上的接受器检测到而被视作可能的反射器。关于这类物体和部件的信息最好与关于反射器的位置的信息一起存储，从而可用来进行导航。还可存储关于壁11、支撑16之类在运输区中干扰和妨碍导航的其他部件和类似物体的信息。
反射物体的距离还可结合由车辆上的接受器检测的反射信号来确定。可使用不同的步骤。在本发明一实施例中，例如可以图3所示方式调制所发出的光信号。在该例中时间周期T为500ns(2MHz)。所发出信号I与所接收信号II之间的相位移对应于时间Δt，其可直接转换成与反射器之间的(双倍)距离。所选择的时间周期T可测量达75m的距离。此外，直至检测到反射信号所持续的时间被确定。该持续时间可测量从车辆看到的反射物体的尺寸。
也可不用所使用的确定方向的仪器和方法而是用其他仪器并以其他方式来测量距离。例如可使用另一电磁波束或超声波来测量距离。
关于不同角度的反射特性和反射光的强度如何随反射器与检测器之间的距离变动的信息与关于每一反射器的位置的信息存储在一起。
图4简示出，当使用平面反射时，反射器的反射特性是如何随与反射器法线方向N之间的不同入射角而变动的。在0°处出现最大反射，在±β处反射能力下降到较低阈值。X轴表示以度数计的入射角，Y轴表示振幅。图5简示出反射光的强度是如何随反射器与检测器之间的距离而递减的。X轴表示距离，Y轴表示振幅。图6简示出反射光的持续时间是如何随反射器与检测器之间的距离递减的。图4、图5和图6所示关系作为基准值以表或计算步骤的形式储存在存储器中，从而可用这些关系判断检测器所检测的信号实际上是否来自于一反射器。同样可存储关于发光管子和窗户之类其他反光物体的信息。有关基准值的信息最好预先存储，而不是在发生关联或导航时存储。
当使用平面反射器时，反射信号返回所经历的时间与相应基准值作比较，从而测量被反射物体相对于车辆上基准点的转动角度。
用若干步骤判断一输入信号实际上是否来自于一反射器，如来自于反射器又是来自于哪一个反射器。在第一步中，拒绝从一些物体发出的信号，这些物体离车辆的位置比预定的但又有一可变的最远距离远。同样离车辆太近的物体也可过滤掉。
所接收信号的持续时间也被确定，从而超过某一区间的持续时间在以后步骤中将不予考虑，也就不与一反射器关联。该区间的界限被给出初始值，但之后可被调整到当前条件。该持续时间对应于检测器或相应的光学仪器在接收反射信号时的转动角。这又对应于可从检测器看到的反射物体在转动平面中的部分。在这种关系下，一持续时间过长的信号可以例如是一位置很近、其外表面反射性很强的壁的反射的结果。
以相似的方式，其强度值在某一区间之外的信号被拒绝。该区间的界限被给出初始值，但是之后其可被调整到当前条件。
反射器反射信号的取决于反射器与检测器之间不同距离的持续时间和强度的一组基准值可预先存储。基准值用来补偿所测量的关于距离的持续时间和强度，以便于选择所用的反射信号。
满足上述条件的反射在下面看成用作其后导航时与存储在存储器中的反射器关联的可能的反射信号。这些反射信号最好按照与一已知反射器的标称反射信号或特征的一致程度赋予状态值。
已知反射器的位置如上所述存储在一存储器中。一反射与一实际反射器之间的联系和车辆的假设位置被作为出发点。通常用里程表确定车辆行驶中的假设或预期位置，但也可使用其他方法。在假设一反射信号来自于某一反射器的情况下，考虑下述因素*所测量距离是否落在车辆位置与反射器之间距离的预定区间内；*所接收信号的振幅或强度是否落在预期振幅的预定第二区间内，该预期振幅为例如图5曲线所示随距离递减的振幅；*所接收信号的持续时间是否落在随反射器到车辆的距离而变的预期持续时间的预定第三区间内；*所测量的方位是否落在相对于车辆基准方向的预期方位的预定第四区间内；*所接收信号的强度是否落在随一预期平面反射物体的角度位置而变的预期强度的第五区间内，从而由所确定的持续时间与当前距离下预期的持续时间之间的关系确定该角度位置。
对这些因素进行加权计算出达成一致的概率值。各因素的判断顺序也可与上述不同。同样，可对不同因素赋予不同权重。一反射信号与一已知反射器进行关联时，最好赋予方位以最大权重。关联在运行中不断进行，通常可在确定两互相紧随的位置时进行若干关联。在不断的位置确定中，后一次关联，最好是最近的一次关联达成一致。
可从一最好位于车辆10上的计算机获得所收集和存储的关于车辆转向的特殊几何形状的信息。根据关于距离、方向角和车辆行驶模型的信息，以预定时间间隔计算车辆的位移。靠Kalman过滤器实现位置的更新。把从计算出的位置到所选择反射器的方向与当前测量的角度值进行比较。该方向与该角度值之间的差被用于校正在该角度值所容许的方向中的位置。
用角度计算来确定位置比用里程表可大大提高精度。位置的不确定性可看作x/y平面上的一椭圆，只使用里程表时该椭圆变大，在用反射角确定位置时该椭圆在反射器的横向上“变扁”。从而可得出，最好使用在四周围均匀分布的反射角。对位置的不确定性不断进行监控。如该不确定性变得太大，车辆就停下。
当车辆10在图7中位于位置Pn+1上时，射束B在一测量周期中进行扫动时，检测器接收若干反射。在图7中，从实际反射器的反射用虚线表示，从其他物体的反射用点划线表示。有用信号来自于反射器R2、R3、R4、R6和R11，来自于R6的信号被使用，该信号用实线表示。在光射束B扫动时，还检测到来自物体O1、O2、O3、O5和O6的信号。来自物体O3和反射器R6的信号至少在路线12的某些位置上会发生混淆，但由于距离测量和对信号所作的其他处理，混淆的可能性大大下降。在该位置上，反射器R10被支撑16档住，最好在上述存储器中存储这类视线被档住的信息。由于一反射只与一反射器发生关联，因此这类信息从一开始就用来排除某些反射器。
在位置Pn+2可以同样方式使用来自反射器R2、R3、R10和R6的信号。此外，干扰信号来自物体O1、O2、O4、O6和O7。同样，在该位置上，如考虑所测量距离和反射信号的确认，反射器与其他物体发生混淆的可能性大大下降。
权利要求
1.一种通过检测匿名反射器(R1-R11)的角位来确定一自动导向车辆的位置的方法，从而a)这些匿名反射器布置在一个有限运输区中的各位置上，b)反射器(R1-R11)的位置被存储在存储器中，c)从一车辆(10)上发出一覆盖一搜索扇形区的射束(B)，d)在该搜索扇形区的范围内检测反射物体相对于车辆(10)的一基准方向(D)的角位后确定相应角度值，其特征在于，e)存储在该扇形区内被确定的多个角度值，最初使用下述步骤关联各反射器的角位，并确定车辆(10)的位置i选择在该扇形区内合适分布的由至少三个角度值构成的一阵列，ii使这些角度值与各反射器发生关联，根据假设反射器的已知位置确定车辆的假设位置，iii如果根据这种方法确定的车辆位置在该运输区的某一部分中，则使其他角度值与各反射器发生关联，iv对于每一角度值，确定所检测角度值与预期角度值之间的偏差，该预期角度值在车辆位置与已知反射器之间，v对于所选择反射器的一适当多的组合反复进行这些步骤，f)以及在各关联中选择与车辆假设位置最一致的一种组合。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，不断确定反射器(R1-R11)与车辆(10)上一基准点之间的距离，以及确定这些距离值与所存储的反射器位置与车辆假设位置之间的相应距离之间的一关系，如果该关系在一预期区间内，则接受与已知反射器的关联。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在扇形区内移动射束的扫动过程中，不断检测反射信号的持续时间，从而确定持续时间值，确定持续时间值与预期值之间的关系，以及如果该关系在一预期区间内，则接受与已知反射器的关联。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，检测强度，从而确定从反射物体的反射的强度值，在所确定强度值与反射信号在所测量距离上的预期强度值之间建立一关系，以及如果该关系在一预期区间内，则接受与已知反射器的关联。
5.按权利要求2所述的方法，其特征在于，反射器(R1-R11)呈平面状，把一从一反射器(R1-R11)反射的信号在不同距离上的预期强度作为强度基准值，把一从一反射器(R1-R11)反射的信号在不同距离上的预期持续时间作为持续时间基准值，把从一反射器(R1-R11)反射的信号随反射器(R1-R11)与法线方向之间的角位而变的预期强度作为一角度因素，射束在搜索扇形区内不断扫动的过程中，不断检测反射信号的持续时间，从而确定持续时间的值，根据所检测持续时间与持续时间基准值之间的关系确定反射器(R1-R11)与车辆(10)的法线方向之间的角位，检测强度并确定从反射物体的反射的强度值，按照强度基准值和角度因素调节在与基准点之间的测量距离上的一反射器(R1-R11)的预期强度值，以及如果所确定的强度值落在所调节强度值周围的预期区间内就接受与已知反射器的关联。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，调制所发出的射束(B)，比较所收到的来自于运输区中的物体的反射与所发出射束的时间延迟，以及根据所发出射束的某一相位与所接收射束的相应相位之间的时间延迟确定车辆(10)与物体之间的距离。
7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，用频率约为2MHz的一方波调制所发出信号。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所发出射束(B)为一激光光束。
9.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所发出射束(B)由微波辐射构成。
全文摘要
一种通过检测匿名反射器(R
文档编号G01S5/16GK1276873SQ9881026
公开日2000年12月13日 申请日期1998年10月13日 优先权日1997年10月17日
发明者弗雷德里克·霍尔姆奎斯特 申请人:阿波耶乌姆公司