專利名稱：車輛和其操縱方法
技術領域：
申請人的市場(無人駕駛)車輛用于各種目的，如在港口區內的無人集裝箱運輸、和用于人的車輛，所謂的定點送人工具，用于轉運和從與向停車場運送。
背景技術：
美國專利US-A5,347,465描述了一種系統，其中傳感器測量布置在路面中磁鐵的磁場的垂直和橫向分量。使用表示磁場的垂直與橫向分量之間的關系的表，在當通過磁鐵時的每種情況下能確定相對于磁鐵的橫向距離。在這種已知的系統中，裝有這樣一種系統的汽車必須位于磁鐵(直的或彎曲的)線上方的一定極限范圍內。況且因為地球磁場，不能精確地測量磁場的橫向分量，這在驅動車輛通過彎道時是一個具體問題。
在荷蘭專利申請1008587中，車輛也必須跟隨磁鐵線。車輛相對于磁鐵線的橫向位置由兩個相互垂直的水平場分量的比值確定。特別是因為在傳感器直接位于磁鐵上方的情況下的不確定結果，這種已知的傳感器系統必須與覆蓋路線的精確測量相結合，這使得這種已知傳感器系統復雜，況且使得它依賴于可能的滑動和/或其它幾何效果。在這種已知系統中，車輛相對于磁性標記元件的線的可能偏離也受到限制。
發明內容
為此目的本發明提供一種方法和車輛，其中消除已知系統的上述問題，并且其中車輛相對于磁性標記元件的較大橫向偏離是可能的，同時使用一種緊湊的測量系統進行測量，這種測量系統能布置在用于各種用途的車輛上在相對于路面的希望高度處。
根據第一方面，本發明提供一種在地面上操縱車輛的方法，其中磁性標記元件布置在地面中在預定位置處，并且其中車輛裝有在車輛行駛方向的橫向上彼此鄰近布置的多個傳感器元件，其中在車輛行駛期間，在至少多個傳感器元件處測量基本垂直的場分量，及其中根據由傳感器元件測到的磁場強度，進行這些傳感器元件相對于磁性標記元件的位置的估計，并因而進行車輛相對于這些磁性標記元件的位置的估計。
根據另一個方面，本發明提供一種車輛，該車輛裝有多個傳感器元件，它們相互鄰近地布置，用來感測在地面中布置的磁性標記元件的磁場強度；和計算機裝置，其另一側連接到各信號上，這些信號來自車輛元件，并且尤其代表覆蓋的路線和車輛的操縱輪運動。
在一個優選實施例中，磁性傳感器布置在車輛寬度一個相當部分上，從而通過磁鐵的放置盡可能小地限制車輛的計劃路線。在其中以較高速度行駛過道路分離段的用途中，能保持限制在地面中布置的標記元件的數量，同時能避免有害情形。
如果用在20kHz至1MHz數量級上的頻率取樣傳感器元件，則用100個傳感器可獲得足夠數量的測量，以進行車輛位置的準確估計。
在另一個優選實施例中，車輛裝有用來進行估計計算以及傳感器掃描的微型計算機。這樣一種車輛除在車輛工程中熟知的所謂CAN系統之外，最好裝有來自申請人的所謂FROG控制計算機，對于這兩個系統，然后連接用來實現根據本發明的方法的微型計算機。
本發明還提供一種用來測量磁鐵相對于以預定間距布置的多個傳感器元件的位置的系統，其中磁場強度的基本垂直分量由一個或多個傳感器元件在其上方通過期間測量，并且其中根據來自傳感器元件的信號估計磁鐵相對于傳感器元件的位置。
參照附圖根據以下描述將說明本發明的另外優點、特征和細節，
其中圖1表示根據本發明車輛的第一優選實施例的部分示意立體圖；圖2表示根據本發明車輛的第二優選實施例的立體圖；圖3表示圖1車輛的示意俯視圖；圖4表示圖2車輛的示意前視圖；圖5表示根據本發明方法的一個優選實施例的示意俯視圖；圖6是是在磁鐵上方的預定距離處磁場強度的垂直分量的兩維(X，Y)曲線的立體圖；圖7表示說明方法的一個優選實施例的圖，其中車輛以直線向前的恒定速度運動；圖8是測量和磁鐵模型的立體圖，解釋根據本發明方法的優選實施例；圖9表示方法的優選實施例，其中車輛在拐彎；圖10表示根據本發明方法的另一個優選實施例；圖11表示方塊圖，說明根據本發明方法的優選實施例；圖12表示圖11方塊圖一部分細節的方塊圖；圖13表示說明根據磁鐵方位的代碼的圖；圖14表示說明根據磁鐵方位的代碼的圖，其中多磁鐵彼此鄰近地放置；圖15表示基于橫向上的間隔的代碼的圖；圖16表示基于縱向上的可變間隔的代碼的圖；圖17表示基于在一組磁鐵內在縱向上的可變間隔的代碼的圖；圖18表示基于在橫向上和在縱向上的可變間隔的組合代碼的圖。
具體實施例方式
車輛1(圖1)在前面裝有梁2，在梁2中布置示意指示的磁性傳感器3，例如總共96個，該梁沿車輛的至少一個相當寬度延伸，例如1到1.5米。傳感器3，例如可從MAX Stegman GmbH買到，對于永久磁鐵5的磁場強度敏感，永久磁鐵5布置在路面4中，并且具有例如15mm直徑和30mm高度的圓柱形式，從而對于在離路面例如30cm的高度處的測量，場強度足夠高，在該高度處場強度然后仍能等于例如1高斯。當本申請使得希望測量在路面上方更大或相反地更小高度處的磁場強度時，能分別使用較大或較小的磁鐵。車輛1還裝有示意指示的控制計算機6，控制計算機6包括處理電子裝置，如具有相連存儲器元件等的Intel Processor 486。車輛還裝有前輪7和后輪9，其中前輪7能使用由控制計算機6致動的操縱電機10操縱，如在圖1中示意指示的那樣。
其中也能應用根據本發明的方法的、根據本發明車輛的另一優選實施例，涉及一種(鉸接的)公共汽車11(圖2)，例如用于高質量公共運輸(HPT)，這種公共汽車11除前和后輪7和9之外還裝有中間輪8，而在高級用途中，這些中間輪(和后輪)能被操縱，從而這樣一種車輛能以偏斜方式行駛。這樣一種車輛能例如以約30m/s(約100-120km/h)的速度行駛，而在車站或所謂的站臺處，例如10mm的較高精度是希望的，從而輪椅使用者能沒有問題地從與公共汽車地板處于相同高度的站臺進入公共汽車。
為了使如下描述更清楚，車輛1的磁鐵傳感器的轉向角度α也表示在圖3中，同時相對于車輛11的搖擺角度(或傾斜位置)β表示在圖4中。
圖5表示車輛1如何在其預先計劃的路線上行駛期間通過磁鐵5。只要車輛在行駛期間沿路線行駛過磁鐵，就能確定磁鐵相對于車輛的相對位置。磁鐵因而用來校正由車輛控制估計的位置。車輛的路徑因此不必從連接磁鐵的假想線上經過。
布置在地面中的基本圓柱形永久磁鐵具有相對于磁鐵對稱軸線的旋轉對稱場。用于確定的測量高度z的這種場的z-分量表示在圖6中。最大值Bmax與在磁鐵軸線的平面(x，y)中的位置重合。Bmax的值由磁力和測量高度z確定。隨著z增大，Bmax急劇減小。
測量磁場的垂直(z)分量的優點起因于這樣的事實這樣一種測量不受地球磁場的方向-依賴水平分量的影響。特別是在彎道中行駛期間，Bz測量因此提供更準確的測量。
在磁鐵5上通過期間(圖7)，磁鐵高于路面的區域由指示為封閉圓的磁性傳感器掃描，這些圓在圖7中表示為一行僅九個。在一個實際實施例中，數量能在50-100的量級上。在例如約50kHz的取樣頻率下，那么能有每6cm適用的在全寬度上的掃描。在約30cm的高度處，磁場例如具有30-50cm的可探測范圍，從而每個磁鐵的至少五次掃描是可得到的。依賴于特定用途，能在20kHz至1Mhz的范圍內選擇取樣頻率。最高可能頻率提供各種優點，例如實現所謂的快照、在例如磁鐵位置處的大量掃描、及車輛的較高最大速度。從成本考慮，在本實施例中對50kHz的頻率進行選擇。
在處理電子裝置中處理接收的測量值，以便估計測量梁的位置，并因此根據與磁場強度有關的信息，特別是其z-分量，估計車輛相對于磁鐵的位置(見在以上描述中的圖6)。在相互作用估計期間，例如能假定對最高測量值磁鐵直接位于傳感器下方為第一估計，而把名義測量高度能取作用于高度z的第一估計。使用已知的估計方法，如級數展開、極小方差估計量、最小平方法等，能得到模型對于測量值的優化擬合。強度Bmax也能從這樣一種似合導出。對于Bz模型擬合一組測量的例子表示在圖8中，其中Bz模型的擬合以線性形式表示，并且Bz測量的空間(x，y)分布用點表示。垂直軸線是磁場強度的測量。
如果車輛和測量梁在通過磁鐵5時拐彎(圖9)，則在假定恒定速度和操縱角度下的測量梁的運動能由圖9以第一近似表示，其中v的方向與圖6的轉向角度α相對應。在大多種情況下在通過磁鐵期間不考慮轉彎是允許的。這樣一種近似簡化了估計計算，同時發現在實際中實現足夠的精度。當然不能排除其中不應用所述簡化的更復雜計算在足夠短時間內導致希望結果。
如果關于車輛位置的現有知識是適用的，例如在車輛沿以較小間距布置的多個磁鐵緩慢和精確動作期間，則有可能僅借助于只讀靠近這個已知y位置的少量傳感器就足夠了(圖10)。用于測量和估計的時間因而受到限制，同時提高精度。
同樣有可能以沒有表示的方式不讀所有連續的傳感器，例如每隔兩個、三個、四個等。處理電子裝置最好這樣設計，它們根據與行駛速度、轉彎半徑、測量高度、干擾場等有關的測量條件，從上述選擇最佳可能性。
處理器單元包括用于運行軟件的處理電子裝置。該電子裝置例如由微型計算機形成，這種微型計算機除用來轉換來自與傳感器3有關的測量梁2的測量值的一個或多個模數轉換器之外，具有Intel 486處理器、硬盤和RAM和ROM形式的存儲器，示意表示在圖11和12中。
在根據圖11的最佳實施例中，用于上述硬件的軟件包括掃描部分41和擬合部分42。部分45涉及具有總線系統CAN的一個接口(I/O)，總線系統CAN通常在汽車系統中并且指示為47。在任何情況下經SYNC 48和可選擇的車輛速度47的相對性，從該接口把信息供給到掃描部分。在掃描部分41中得到的測量數據根據箭頭49和50供給到擬合部分42。掃描部分和擬合部分都從提供全部或部分無人車輛操作的、車輛的所謂Frog控制計算機接收信息，從而從車輛系統得到的信息能與從控制計算機得到的信息相比較，以便提高精度。
更詳細地，掃描程序(圖12)除一個用于模數轉換器53的驅動器、一個同步程序、又一個存儲器控制例行程序63及一個選擇程序60之外，包括一個用于數據獲得控制的驅動器、一個用于存儲器控制的程序、一個啟動例行程度59及一個SYNC例行程序62。
從接口45得到的速度信息存儲在存儲器63中，同時在SYNC鎖定單元62中處理同步或時間信息，其中這兩個元件都連接到系統時鐘58上。
由控制啟動的和從測量梁得到的模擬信息在A/D轉換器53中被數字化，并且然后連續地供給到存儲器57。模擬信息同樣供給到啟動單元59，啟動單元59探測測量值是否超過一個確定的水平，例如背景噪聲的水平。當超過這樣一個水平時，啟動存儲器57，從而把掃描信息56存儲在其中。
同時啟動的是存儲器63，在存儲器63中存儲運動信息47。一旦已經收集足夠的掃描，就在映像模塊60中使用存儲在存儲器63中(運動)信息使來自57的(掃描)信息與測量位置相關。
然后把如此得到的、標記為50的空間場信息(x，y，Bz)供給到上述的擬合部分，像具有要求時間窗口數的SYNC鎖定信號49那樣。
磁性傳感器能夠區分不同定向的磁鐵，由此變得有可能使用在路面中的磁鐵設置代碼。如果其N極向上的磁鐵代表零，而其S極向上的磁鐵代表1，則因而通過放置磁鐵的方式能實現各種編碼方法。一種編碼選擇是保持所經過的至少多個磁鐵的方位的跟蹤，由此得到一個1和0序列(圖13)。現在把例如三個1和0的測量序列與所有1和0的已知序列相比較，其中能這樣選擇序列長度和磁鐵的方位，在序列中創建代表位置信息和/或其它信息的獨特組合。其中在一個時刻的單個磁鐵以確定距離放置在路面中的可能編碼例如包括代表位置的兩個獨特代碼，其中位置1具有代碼01而位置2具有代碼11。這種基于方位的編碼例如涉及把最后三個通過的磁鐵方位存儲在存儲器中，其中在每種情況下把這三個方位與已知序列相比較，從而識別在序列中的位置代碼(圖13)。在圖中形成代碼的磁鐵方位給出較深顏色，而其它磁鐵代表0，由此有可能清楚地限定標記位置。
在另一種編碼中，把兩個或多個磁鐵相互鄰近地放置在路面中，其中傳感器幾乎同時探測到這些磁鐵。每個位置因而可得到更多代碼，其中可能代碼的數量是2n，n是彼此鄰近放置的磁鐵的數量。圖14表示一種序列，其中相互鄰近地放置兩個磁鐵，從而22＝4個代碼是可能的。把測量的代碼與已知序列相比較。由于每個位置增大的代碼數量，所以僅在一次磁鐵通過之后就可能已經得到清楚的位置標記。
另一種編碼利用在磁鐵之間的間距，該距離變化能在橫向和縱向實現。在橫向的變化因而能劃分成例如六步，其中最小間距選擇成，使磁場不會可探測地彼此重疊，并且選擇的步大小與傳感器的探測精度有關。因而能組合三個磁鐵，其中一個磁鐵用作中央基準，而兩個靠外的磁鐵以六步放置在可變距離處(圖15)。可能代碼的數量由km給出，k是步數而m是可變可放置磁鐵的數量，從而36個代碼是可能的。尋找的三個代碼的每一個包括從0到5的兩個數，其中第一個數由基準左邊的磁鐵形成，而第二個數由其右邊的磁鐵形成。同樣有可能改變在車輛移動的方向上在磁鐵之間的距離(圖16)，其中必須得到關于車輛移動的足夠精確信息。這種信息例如能經CAN總線45或由Frog導航計算機供給。上述縱向編碼的變化涉及彼此鄰近放置的兩個或多個磁鐵，其中在縱向它們相對于中央基準稍微偏移地放置，由此在(幾乎)同時測量的一組三個磁鐵內也能使用縱向編碼(圖17)。各位置一旦又具有兩數代碼，其中第一個數由中央基準左邊的磁鐵形成，而第二個數由其右邊的磁鐵形成。這種方法具有不需要關于車輛移動的準確信息的優點。
以上代碼能組合，其中使用橫向和縱向間距以及磁鐵的方位。以這種方式能大大地增加可能代碼的數量，從而能唯一地標記大量位置。圖18表示其中橫向和縱向間距相對于中央基準變化的一個例子。三個位置這里按四個數編碼，其中最初兩個數代碼是基準左邊的位置，而最后兩個數代碼是其右邊的位置，并且其中第一與第三數代碼是橫向距離，而第二和第四數代碼是相對于基準的縱向距離。
車輛和用于操縱其的方法的上述優選實施例，提供一種用于跟隨由磁鐵標記的路徑的系統，其中相對于這些標記元件能跟隨隨機直的或彎曲的路線，從而相對于這些標記元件的橫向偏移能總是不同。該系統這里以相等精度測量車輛的整個寬度。該系統也提供一種緊湊的測量單元，該測量單元對于各種用途能相對于具有磁鐵的地面布置在希望高度處，其中測量單元能具有不同的范圍，并且能適用于不同運動速度和精度。
本發明不限于其上述實施例，要求的權利由如下權利要求書限定，在權利要求書的范圍內能想到多種修改。
權利要求
1.一種在地面上操縱車輛的方法，其特征在于磁性標記元件布置在地面中在預定位置處；并且車輛裝有在車輛行駛方向的橫向上彼此鄰近布置的多個傳感器；在車輛行駛期間，測量在傳感器每一個中的基本垂直的磁場分量；及根據由傳感器測到的磁場強度，進行這些傳感器相對于磁性標記元件的位置的估計，并因而進行車輛相對于這些磁性標記元件的位置的估計。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于傳感器元件包括用來測量磁場的磁性傳感器。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于磁性傳感器布置在車輛寬度一個相當部分上。
4.根據權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于車輛裝有一個測量梁，該測量梁具有25個或更多，例如約100個，傳感器元件。
5.根據上述權利要求一項或多項所述的方法，其特征在于以約20kHz至1MHz數量級的頻率取樣傳感器元件。
6.根據上述權利要求一項或多項所述的方法，其特征在于借助于磁性傳感器取樣磁場的垂直分量，并且在模/數轉換之后，使用估計技術使測量值與這個場分量的空間模型相關。
7.根據上述權利要求一項或多項所述的方法，其特征在于以這樣一種方式把磁性標記元件布置在地面中，從而通過利用例如元件的方位和/或在其之間的間距，創建代表位置信息和/或其它信息的獨特組合。
8.一種車輛裝有多個傳感器元件，它們相互鄰近地布置，用來測量在地面中布置的磁性標記元件的磁場強度；和計算機裝置，其連接到傳感器上，傳感器另一側連接到各信號上，這些信號尤其代表覆蓋的路線和車輛的操縱輪運動。
9.根據權利要求8所述的車輛，其特征在于這種車輛是裝有前輪、中間輪和后輪的鉸接公共汽車，所述車輪的一對或多對是可操縱的。
10.根據權利要求8或9所述的車輛，其特征在于裝有用來得到代表覆蓋路線和操縱輪運動的信號的CAN系統。
11.根據權利要求8、9或10所述的車輛，其特征在于計算機裝置包括具有相關存儲器的微處理器。
12.根據權利要求8-11一項或多項所述的車輛，其特征在于計算機裝置包括彼此相連的掃描部分和擬合部分。
13.根據權利要求12所述的車輛，其特征在于掃描部分包括一個用來轉換從傳感器得到的信息的數/模轉換器。
14.根據權利要求8-13一項或多項所述的車輛，其特征在于計算機裝置能識別由傳感器元件測量的磁場強度的組合。
15.一種系統，用來測量磁鐵相對于以預定間距布置的多個傳感器元件的位置，其特征在于磁場強度的基本垂直分量由一個或多個傳感器元件在其上方通過期間測量，并且根據來自傳感器元件的信號估計磁鐵相對于傳感器元件的位置。
16.根據權利要求15所述的系統，其特征在于磁性標記元件以這樣一種方式布置在地面中，從而通過利用例如元件的方位和/或在其之間的間距，創建代表位置信息和/或其它信息的獨特組合。
全文摘要
本發明涉及一種用來在地面(4)上操作車輛(1)的方法，其中磁性標記元件(5)布置在地面中在預定位置處，并且其中車輛裝有在車輛的橫向上彼此鄰近布置的多個傳感器(3)；其中在車輛行駛期間，在傳感器每一個中測量基本垂直的磁場分量；及根據由傳感器測到的磁場強度，進行這些傳感器相對于磁性標記元件的位置的估計，并因而進行車輛相對于這些磁性標記元件的位置的估計。
文檔編號B62D1/28GK1633374SQ02822433
公開日2005年6月29日 申請日期2002年10月17日 優先權日2001年10月18日
發明者保羅·H·F·彼特里, 拉爾夫·西伯特 申請人:弗羅格導航系統有限公司