车辆和其操纵方法

专利名称：车辆和其操纵方法
技术领域：
申请人的市场(无人驾驶)车辆用于各种目的，如在港口区内的无人集装箱运输、和用于人的车辆，所谓的定点送人工具，用于转运和从与向停车场运送。
背景技术：
美国专利US-A5,347,465描述了一种系统，其中传感器测量布置在路面中磁铁的磁场的垂直和横向分量。使用表示磁场的垂直与横向分量之间的关系的表，在当通过磁铁时的每种情况下能确定相对于磁铁的横向距离。在这种已知的系统中，装有这样一种系统的汽车必须位于磁铁(直的或弯曲的)线上方的一定极限范围内。况且因为地球磁场，不能精确地测量磁场的横向分量，这在驱动车辆通过弯道时是一个具体问题。
在荷兰专利申请1008587中，车辆也必须跟随磁铁线。车辆相对于磁铁线的横向位置由两个相互垂直的水平场分量的比值确定。特别是因为在传感器直接位于磁铁上方的情况下的不确定结果，这种已知的传感器系统必须与覆盖路线的精确测量相结合，这使得这种已知传感器系统复杂，况且使得它依赖于可能的滑动和/或其它几何效果。在这种已知系统中，车辆相对于磁性标记元件的线的可能偏离也受到限制。

发明内容
为此目的本发明提供一种方法和车辆，其中消除已知系统的上述问题，并且其中车辆相对于磁性标记元件的较大横向偏离是可能的，同时使用一种紧凑的测量系统进行测量，这种测量系统能布置在用于各种用途的车辆上在相对于路面的希望高度处。
根据第一方面，本发明提供一种在地面上操纵车辆的方法，其中磁性标记元件布置在地面中在预定位置处，并且其中车辆装有在车辆行驶方向的横向上彼此邻近布置的多个传感器元件，其中在车辆行驶期间，在至少多个传感器元件处测量基本垂直的场分量，及其中根据由传感器元件测到的磁场强度，进行这些传感器元件相对于磁性标记元件的位置的估计，并因而进行车辆相对于这些磁性标记元件的位置的估计。
根据另一个方面，本发明提供一种车辆，该车辆装有多个传感器元件，它们相互邻近地布置，用来感测在地面中布置的磁性标记元件的磁场强度；和计算机装置，其另一侧连接到各信号上，这些信号来自车辆元件，并且尤其代表覆盖的路线和车辆的操纵轮运动。
在一个优选实施例中，磁性传感器布置在车辆宽度一个相当部分上，从而通过磁铁的放置尽可能小地限制车辆的计划路线。在其中以较高速度行驶过道路分离段的用途中，能保持限制在地面中布置的标记元件的数量，同时能避免有害情形。
如果用在20kHz至1MHz数量级上的频率取样传感器元件，则用100个传感器可获得足够数量的测量，以进行车辆位置的准确估计。
在另一个优选实施例中，车辆装有用来进行估计计算以及传感器扫描的微型计算机。这样一种车辆除在车辆工程中熟知的所谓CAN系统之外，最好装有来自申请人的所谓FROG控制计算机，对于这两个系统，然后连接用来实现根据本发明的方法的微型计算机。
本发明还提供一种用来测量磁铁相对于以预定间距布置的多个传感器元件的位置的系统，其中磁场强度的基本垂直分量由一个或多个传感器元件在其上方通过期间测量，并且其中根据来自传感器元件的信号估计磁铁相对于传感器元件的位置。


参照附图根据以下描述将说明本发明的另外优点、特征和细节，
其中图1表示根据本发明车辆的第一优选实施例的部分示意立体图；图2表示根据本发明车辆的第二优选实施例的立体图；图3表示图1车辆的示意俯视图；图4表示图2车辆的示意前视图；图5表示根据本发明方法的一个优选实施例的示意俯视图；图6是是在磁铁上方的预定距离处磁场强度的垂直分量的两维(X，Y)曲线的立体图；图7表示说明方法的一个优选实施例的图，其中车辆以直线向前的恒定速度运动；图8是测量和磁铁模型的立体图，解释根据本发明方法的优选实施例；图9表示方法的优选实施例，其中车辆在拐弯；图10表示根据本发明方法的另一个优选实施例；图11表示方块图，说明根据本发明方法的优选实施例；图12表示图11方块图一部分细节的方块图；图13表示说明根据磁铁方位的代码的图；图14表示说明根据磁铁方位的代码的图，其中多磁铁彼此邻近地放置；图15表示基于横向上的间隔的代码的图；图16表示基于纵向上的可变间隔的代码的图；图17表示基于在一组磁铁内在纵向上的可变间隔的代码的图；图18表示基于在横向上和在纵向上的可变间隔的组合代码的图。
具体实施例方式
车辆1(图1)在前面装有梁2，在梁2中布置示意指示的磁性传感器3，例如总共96个，该梁沿车辆的至少一个相当宽度延伸，例如1到1.5米。传感器3，例如可从MAX Stegman GmbH买到，对于永久磁铁5的磁场强度敏感，永久磁铁5布置在路面4中，并且具有例如15mm直径和30mm高度的圆柱形式，从而对于在离路面例如30cm的高度处的测量，场强度足够高，在该高度处场强度然后仍能等于例如1高斯。当本申请使得希望测量在路面上方更大或相反地更小高度处的磁场强度时，能分别使用较大或较小的磁铁。车辆1还装有示意指示的控制计算机6，控制计算机6包括处理电子装置，如具有相连存储器元件等的Intel Processor 486。车辆还装有前轮7和后轮9，其中前轮7能使用由控制计算机6致动的操纵电机10操纵，如在图1中示意指示的那样。
其中也能应用根据本发明的方法的、根据本发明车辆的另一优选实施例，涉及一种(铰接的)公共汽车11(图2)，例如用于高质量公共运输(HPT)，这种公共汽车11除前和后轮7和9之外还装有中间轮8，而在高级用途中，这些中间轮(和后轮)能被操纵，从而这样一种车辆能以偏斜方式行驶。这样一种车辆能例如以约30m/s(约100-120km/h)的速度行驶，而在车站或所谓的站台处，例如10mm的较高精度是希望的，从而轮椅使用者能没有问题地从与公共汽车地板处于相同高度的站台进入公共汽车。
为了使如下描述更清楚，车辆1的磁铁传感器的转向角度α也表示在图3中，同时相对于车辆11的摇摆角度(或倾斜位置)β表示在图4中。
图5表示车辆1如何在其预先计划的路线上行驶期间通过磁铁5。只要车辆在行驶期间沿路线行驶过磁铁，就能确定磁铁相对于车辆的相对位置。磁铁因而用来校正由车辆控制估计的位置。车辆的路径因此不必从连接磁铁的假想线上经过。
布置在地面中的基本圆柱形永久磁铁具有相对于磁铁对称轴线的旋转对称场。用于确定的测量高度z的这种场的z-分量表示在图6中。最大值Bmax与在磁铁轴线的平面(x，y)中的位置重合。Bmax的值由磁力和测量高度z确定。随着z增大，Bmax急剧减小。
测量磁场的垂直(z)分量的优点起因于这样的事实这样一种测量不受地球磁场的方向-依赖水平分量的影响。特别是在弯道中行驶期间，Bz测量因此提供更准确的测量。
在磁铁5上通过期间(图7)，磁铁高于路面的区域由指示为封闭圆的磁性传感器扫描，这些圆在图7中表示为一行仅九个。在一个实际实施例中，数量能在50-100的量级上。在例如约50kHz的取样频率下，那么能有每6cm适用的在全宽度上的扫描。在约30cm的高度处，磁场例如具有30-50cm的可探测范围，从而每个磁铁的至少五次扫描是可得到的。依赖于特定用途，能在20kHz至1Mhz的范围内选择取样频率。最高可能频率提供各种优点，例如实现所谓的快照、在例如磁铁位置处的大量扫描、及车辆的较高最大速度。从成本考虑，在本实施例中对50kHz的频率进行选择。
在处理电子装置中处理接收的测量值，以便估计测量梁的位置，并因此根据与磁场强度有关的信息，特别是其z-分量，估计车辆相对于磁铁的位置(见在以上描述中的图6)。在相互作用估计期间，例如能假定对最高测量值磁铁直接位于传感器下方为第一估计，而把名义测量高度能取作用于高度z的第一估计。使用已知的估计方法，如级数展开、极小方差估计量、最小平方法等，能得到模型对于测量值的优化拟合。强度Bmax也能从这样一种似合导出。对于Bz模型拟合一组测量的例子表示在图8中，其中Bz模型的拟合以线性形式表示，并且Bz测量的空间(x，y)分布用点表示。垂直轴线是磁场强度的测量。
如果车辆和测量梁在通过磁铁5时拐弯(图9)，则在假定恒定速度和操纵角度下的测量梁的运动能由图9以第一近似表示，其中v的方向与图6的转向角度α相对应。在大多种情况下在通过磁铁期间不考虑转弯是允许的。这样一种近似简化了估计计算，同时发现在实际中实现足够的精度。当然不能排除其中不应用所述简化的更复杂计算在足够短时间内导致希望结果。
如果关于车辆位置的现有知识是适用的，例如在车辆沿以较小间距布置的多个磁铁缓慢和精确动作期间，则有可能仅借助于只读靠近这个已知y位置的少量传感器就足够了(图10)。用于测量和估计的时间因而受到限制，同时提高精度。
同样有可能以没有表示的方式不读所有连续的传感器，例如每隔两个、三个、四个等。处理电子装置最好这样设计，它们根据与行驶速度、转弯半径、测量高度、干扰场等有关的测量条件，从上述选择最佳可能性。
处理器单元包括用于运行软件的处理电子装置。该电子装置例如由微型计算机形成，这种微型计算机除用来转换来自与传感器3有关的测量梁2的测量值的一个或多个模数转换器之外，具有Intel 486处理器、硬盘和RAM和ROM形式的存储器，示意表示在图11和12中。
在根据图11的最佳实施例中，用于上述硬件的软件包括扫描部分41和拟合部分42。部分45涉及具有总线系统CAN的一个接口(I/O)，总线系统CAN通常在汽车系统中并且指示为47。在任何情况下经SYNC 48和可选择的车辆速度47的相对性，从该接口把信息供给到扫描部分。在扫描部分41中得到的测量数据根据箭头49和50供给到拟合部分42。扫描部分和拟合部分都从提供全部或部分无人车辆操作的、车辆的所谓Frog控制计算机接收信息，从而从车辆系统得到的信息能与从控制计算机得到的信息相比较，以便提高精度。
更详细地，扫描程序(图12)除一个用于模数转换器53的驱动器、一个同步程序、又一个存储器控制例行程序63及一个选择程序60之外，包括一个用于数据获得控制的驱动器、一个用于存储器控制的程序、一个启动例行程度59及一个SYNC例行程序62。
从接口45得到的速度信息存储在存储器63中，同时在SYNC锁定单元62中处理同步或时间信息，其中这两个元件都连接到系统时钟58上。
由控制启动的和从测量梁得到的模拟信息在A/D转换器53中被数字化，并且然后连续地供给到存储器57。模拟信息同样供给到启动单元59，启动单元59探测测量值是否超过一个确定的水平，例如背景噪声的水平。当超过这样一个水平时，启动存储器57，从而把扫描信息56存储在其中。
同时启动的是存储器63，在存储器63中存储运动信息47。一旦已经收集足够的扫描，就在映像模块60中使用存储在存储器63中(运动)信息使来自57的(扫描)信息与测量位置相关。
然后把如此得到的、标记为50的空间场信息(x，y，Bz)供给到上述的拟合部分，像具有要求时间窗口数的SYNC锁定信号49那样。
磁性传感器能够区分不同定向的磁铁，由此变得有可能使用在路面中的磁铁设置代码。如果其N极向上的磁铁代表零，而其S极向上的磁铁代表1，则因而通过放置磁铁的方式能实现各种编码方法。一种编码选择是保持所经过的至少多个磁铁的方位的跟踪，由此得到一个1和0序列(图13)。现在把例如三个1和0的测量序列与所有1和0的已知序列相比较，其中能这样选择序列长度和磁铁的方位，在序列中创建代表位置信息和/或其它信息的独特组合。其中在一个时刻的单个磁铁以确定距离放置在路面中的可能编码例如包括代表位置的两个独特代码，其中位置1具有代码01而位置2具有代码11。这种基于方位的编码例如涉及把最后三个通过的磁铁方位存储在存储器中，其中在每种情况下把这三个方位与已知序列相比较，从而识别在序列中的位置代码(图13)。在图中形成代码的磁铁方位给出较深颜色，而其它磁铁代表0，由此有可能清楚地限定标记位置。
在另一种编码中，把两个或多个磁铁相互邻近地放置在路面中，其中传感器几乎同时探测到这些磁铁。每个位置因而可得到更多代码，其中可能代码的数量是2n，n是彼此邻近放置的磁铁的数量。图14表示一种序列，其中相互邻近地放置两个磁铁，从而22＝4个代码是可能的。把测量的代码与已知序列相比较。由于每个位置增大的代码数量，所以仅在一次磁铁通过之后就可能已经得到清楚的位置标记。
另一种编码利用在磁铁之间的间距，该距离变化能在横向和纵向实现。在横向的变化因而能划分成例如六步，其中最小间距选择成，使磁场不会可探测地彼此重叠，并且选择的步大小与传感器的探测精度有关。因而能组合三个磁铁，其中一个磁铁用作中央基准，而两个靠外的磁铁以六步放置在可变距离处(图15)。可能代码的数量由km给出，k是步数而m是可变可放置磁铁的数量，从而36个代码是可能的。寻找的三个代码的每一个包括从0到5的两个数，其中第一个数由基准左边的磁铁形成，而第二个数由其右边的磁铁形成。同样有可能改变在车辆移动的方向上在磁铁之间的距离(图16)，其中必须得到关于车辆移动的足够精确信息。这种信息例如能经CAN总线45或由Frog导航计算机供给。上述纵向编码的变化涉及彼此邻近放置的两个或多个磁铁，其中在纵向它们相对于中央基准稍微偏移地放置，由此在(几乎)同时测量的一组三个磁铁内也能使用纵向编码(图17)。各位置一旦又具有两数代码，其中第一个数由中央基准左边的磁铁形成，而第二个数由其右边的磁铁形成。这种方法具有不需要关于车辆移动的准确信息的优点。
以上代码能组合，其中使用横向和纵向间距以及磁铁的方位。以这种方式能大大地增加可能代码的数量，从而能唯一地标记大量位置。图18表示其中横向和纵向间距相对于中央基准变化的一个例子。三个位置这里按四个数编码，其中最初两个数代码是基准左边的位置，而最后两个数代码是其右边的位置，并且其中第一与第三数代码是横向距离，而第二和第四数代码是相对于基准的纵向距离。
车辆和用于操纵其的方法的上述优选实施例，提供一种用于跟随由磁铁标记的路径的系统，其中相对于这些标记元件能跟随随机直的或弯曲的路线，从而相对于这些标记元件的横向偏移能总是不同。该系统这里以相等精度测量车辆的整个宽度。该系统也提供一种紧凑的测量单元，该测量单元对于各种用途能相对于具有磁铁的地面布置在希望高度处，其中测量单元能具有不同的范围，并且能适用于不同运动速度和精度。
本发明不限于其上述实施例，要求的权利由如下权利要求书限定，在权利要求书的范围内能想到多种修改。
权利要求
1.一种在地面上操纵车辆的方法，其特征在于磁性标记元件布置在地面中在预定位置处；并且车辆装有在车辆行驶方向的横向上彼此邻近布置的多个传感器；在车辆行驶期间，测量在传感器每一个中的基本垂直的磁场分量；及根据由传感器测到的磁场强度，进行这些传感器相对于磁性标记元件的位置的估计，并因而进行车辆相对于这些磁性标记元件的位置的估计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于传感器元件包括用来测量磁场的磁性传感器。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于磁性传感器布置在车辆宽度一个相当部分上。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于车辆装有一个测量梁，该测量梁具有25个或更多，例如约100个，传感器元件。
5.根据上述权利要求一项或多项所述的方法，其特征在于以约20kHz至1MHz数量级的频率取样传感器元件。
6.根据上述权利要求一项或多项所述的方法，其特征在于借助于磁性传感器取样磁场的垂直分量，并且在模/数转换之后，使用估计技术使测量值与这个场分量的空间模型相关。
7.根据上述权利要求一项或多项所述的方法，其特征在于以这样一种方式把磁性标记元件布置在地面中，从而通过利用例如元件的方位和/或在其之间的间距，创建代表位置信息和/或其它信息的独特组合。
8.一种车辆装有多个传感器元件，它们相互邻近地布置，用来测量在地面中布置的磁性标记元件的磁场强度；和计算机装置，其连接到传感器上，传感器另一侧连接到各信号上，这些信号尤其代表覆盖的路线和车辆的操纵轮运动。
9.根据权利要求8所述的车辆，其特征在于这种车辆是装有前轮、中间轮和后轮的铰接公共汽车，所述车轮的一对或多对是可操纵的。
10.根据权利要求8或9所述的车辆，其特征在于装有用来得到代表覆盖路线和操纵轮运动的信号的CAN系统。
11.根据权利要求8、9或10所述的车辆，其特征在于计算机装置包括具有相关存储器的微处理器。
12.根据权利要求8-11一项或多项所述的车辆，其特征在于计算机装置包括彼此相连的扫描部分和拟合部分。
13.根据权利要求12所述的车辆，其特征在于扫描部分包括一个用来转换从传感器得到的信息的数/模转换器。
14.根据权利要求8-13一项或多项所述的车辆，其特征在于计算机装置能识别由传感器元件测量的磁场强度的组合。
15.一种系统，用来测量磁铁相对于以预定间距布置的多个传感器元件的位置，其特征在于磁场强度的基本垂直分量由一个或多个传感器元件在其上方通过期间测量，并且根据来自传感器元件的信号估计磁铁相对于传感器元件的位置。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于磁性标记元件以这样一种方式布置在地面中，从而通过利用例如元件的方位和/或在其之间的间距，创建代表位置信息和/或其它信息的独特组合。
全文摘要
本发明涉及一种用来在地面(4)上操作车辆(1)的方法，其中磁性标记元件(5)布置在地面中在预定位置处，并且其中车辆装有在车辆的横向上彼此邻近布置的多个传感器(3)；其中在车辆行驶期间，在传感器每一个中测量基本垂直的磁场分量；及根据由传感器测到的磁场强度，进行这些传感器相对于磁性标记元件的位置的估计，并因而进行车辆相对于这些磁性标记元件的位置的估计。
文档编号B62D1/28GK1633374SQ02822433
公开日2005年6月29日 申请日期2002年10月17日 优先权日2001年10月18日
发明者保罗·H·F·彼特里, 拉尔夫·西伯特 申请人:弗罗格导航系统有限公司