DE3538908A1

DE3538908A1 - Bordautonomes ortungssystem fuer positionsermittlung und kollisionsschutz von roboter- und flurfoerderfahrzeugen

Info

Publication number: DE3538908A1
Application number: DE19853538908
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Holzapfel; Burger Dipl Ing Nath
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-11-02
Filing date: 1985-11-02
Publication date: 1987-05-21

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein bordautonomes Ortungssystem als Hilfsmittel zur teil- oder vollautomatischen Führung von Roboter- und Flurförderfahrzeugen. Ein derartiges Ortungssystem muß es dem einzelnen Fahrzeug prinzipiell ermöglichen, innerhalb eines bekannten, teilweise bebauten und abgegrenzten Operationsgebietes - z. B. eine Lagerhalle oder eine Fertigungsstraße - ohne weitere Hilfen von außen den eigenen Standort allein durch bordseitige Meß- und Signalverarbeitungsprozesse zu bestimmen. Dadurch wird es möglich, auf vorgegebenen Fahrwegen mit Hilfe eines zusätzlich vorhandenen, bordseitigen Lenkrechners Punktziele anzufahren. Voraussetzung ist hierfür eine Kollisionsvermeidung mit den Fahrbahnbegrenzungen oder mit anderen Fahrzeugen.

Es ist allgemein bekannt, daß für den Betrieb von nichtschienengebundenenFlurförderfahrzeugen eine Führungshilfe entlang der Fahrwege erforderlich ist, die derzeit überwiegend mit im Boden verlegten Induktionsschleifen, ggf. auch mit anderen am Boden angebrachten Markierungen realisiert wird. Ohne diese Führung würde ein entsprechendes Fahrzeug schon nach einer kurzen Wegstrecke vom Weg abkommen und seine Aufgabe nicht mehr erfüllen können.

Diese leitdrahtgestützen Führungshilfen erfordern einen z. T. erheblichen Aufwand an Material, Geräten, Installationen und Wartung. Nachteilig ist insbesondere, daß sowohl bei einer Erweiterung als auch bei einer Änderung der Streckenführung die neu erforderlichen Installationen umständlich und zeitraubend sind und hohe Kosten erfordern.

Es ist ferner allgemein bekannt (vgl. z. B. /1/), daß mit Hilfe von bordseitigen, weg- und winkelmessenden Sensoren nach dem Prinzip der Koppelnavigation die Position eines bewegten Fahrzeuges laufend berechnet werden kann. Vorteilhaft ist hier, daß diese Positionsmessungen bordautonom ohne äußere Hilfsmittel vorgenommen werden können und daß die Meßsignale ständig - z. B. auch bei Kurvenfahrten - zur Verfügung stehen. Als nachteilig erweist sich jedoch, daß der Positionsmeßfehler entsprechend der vom Fahrzeug zurückgelegten Wegstrecke ansteigt, weil die Weg- und Winkelmessung der Sensoren fehlerbehaftet ist. Deshalb ist dieses Verfahren für sich allein zur bordseitigen Messung der Position von Fahrzeugen über längere Fahrstrecken nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bordseitiges Meßsystem für die laufende Positionsbestimmung eines fahrerlosen Flurförderfahrzeuges oder irgendeines anderen Roboterfahrzeuges zu schaffen, welches eine genaue teil- oder vollautomatische Fahrzeugbewegung entlang von beliebigen, vorgegebenen Fahrwegen in jedem abgegrenzten und bekannten Operationsgebiet, dessen Bebauungsmerkmale kartenmäßig erfaßt werden können, ermöglicht. Gleichzeitig soll durch das System eine Kollision mit den Fahrbahnbegrenzungen oder anderen automatisch geführten Fahrzeugen verhindert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß das Roboter- bzw. fahrerlose Flurförderfahrzeug mit einem bordautonomen Ortungssystem ausgerüstet wird, welches konstruktiv und schaltungsmäßig so gestaltet ist, daß einerseits die Vorzüge der Koppelnavigation genutzt werden können und andererseits aufgrund einer zusätzlichen, hochgenauen Stützschaltung im Ortungssystem ein bordseitig vorhandener Lenkrechner in der Lage ist, das Fahrzeug auch auf vergleichsweise engen Fahrbahnen über lange Fahrstrecken präzise zu führen. Dies geschieht erfindungsmäßig durch eine Anordnung des bordseitigen Ortungssystems, die es erlaubt, laufend die Fahrbahnbreite und die Fahrbahnlänge mit Hilfe von Abstandssensoren zu messen und mit Referenzwerten zu vergleichen. Die schaltungstechnische Aufbereitung der Signale der Abstandssensoren durch das Ortungssystem ermöglicht gleichzeitig auch die Kollisionsverhütung.

Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung messen diese Abstandssensoren des Ortungssystems primär die Entfernung des Fahrzeuges zu den durch technische oder natürliche Merkmale gegebenen seitlichen Begrenzungen der Fahrbahnen fortwährend - sowohl beidseitg quer zur Fahrtrichtung als auch in bzw. entgegengesetzt zur Fahrtrichtung. Diese Folge der zeitabhängigen Abstandsmeßwerte dient nach Codierung zur laufenden Ermittlung der ortsabhängigen Fahrbahnbreite bzw. -länge mittels einer systeminternen Addierschaltung. Jede Position innerhalb des Operationsgebietes ist durch eine charakteristische Kombination dieser beiden Größen gekennzeichnet. Die zugehörigen Daten sind in einem systeminternen Digitalbaustein nach dem Organisationsschema einer elektronischen Landkarte gespeichert (Fig. 1). Aus der Folge der gemessenen Kombinationen ermittelt die weitere elektronische Schaltung des Ortungssystems die tatsächlich gefahrene Bahn und die momentane Position des Fahrzeuges, indem zur Positionsstützung die gemessenen Fahrbahnbreiten bzw. -längen laufend mit entsprechenden im Ortungssystem in Form einer elektronischen Landkarte gespeicherten Informationen elektronisch verglichen werden. Dieser Vergleich erfolgt mittels einer Korrelationsschaltung, wobei das maximale Signal am Ausgang dieser Schaltung detektiert wird und anschließend die zugehörigen Positionsdaten aus dem Landkartenbaustein ausgelesen werden. Eine nachfolgende Entscheidungsschaltung wählt auf Grundlage einer Plausibilitätsüberprüfung aus den zwei verfügbaren Positionsmeßwerten (Koppeldaten bzw. Stützdaten) die richtige Position für den Lenkrechner aus.

Die codierten seitlichen Abstandsmeßwerte werden gemäß der weiteren Ausgestaltung des Ortungssystems auf eine interne Differenzschaltung gegeben, so daß das Ausgangssignal für den Lenkrechner eine Proportionalinformation für die Ablage des Fahrzeuges von der Fahrbahnmitte darstellt. Auch die Abstandsmeßwerte in bzw. entgegengesetzt zur Fahrtrichtung werden dem Lenkrechner durch das Ortungssystem schaltungsmäßig zwecks Kollisionswarnung zur Verfügung gestellt.

Die Messung der Abstände selbst erfolgt in bekannter Weise durch bordseitige Funk-, (Ultra-) Schall- oder Lasersender in Verbindung mit entsprechenden Detektoren für die Echosignale von den Fahrbahnbegrenzungen. Hierzu werden die Sender im Impuls- oder Dauerstrichbetrieb moduliert und ein Laufzeitverfahren angewendet. Auch winkelmessende Verfahren auf Grundlage einer bekannten Meßbasis sind möglich.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß keine zusätzlichen Installationen außerhalb des Fahrzeuges (Leitdrähte, Fahrbahnmarkierung, Baken o. ä.) erforderlich werden, des weiteren ist die Führung des Roboterfahrzeuges auch bei beliebig langen Fahrwegen mit der hohen Genauigkeit der Abstandssensoren möglich. Dies bedeutet Meßgenauigkeiten in der Größenordnung von Zentimetern oder besser, die durchaus für einen automatischen Fertigungs- oder Förderablauf notwendig werden können. Die schaltungsmäßige und konstruktiv bewirkte Kombination der Koppelnavigation mit dem Abstandsmeßverfahren ermöglicht ferner eine hohe Störsicherheit, weil auch bei Kruvenfahrten durch gezielte Ab- bzw. Aufschaltung des Stützsignals eine sichere Führung des Fahrzeuges möglich ist. Eine Umstellung im Förder- oder Fertigungsablauf kann zeitsparend durch einen einfachen Austausch des elektronischen Landkarten- Bausteines im Ortungssystem realisiert werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Hilfe der Fig. 2 näher erläutert.

Das bordautonome Ortungssystem besteht aus zwei Hauptbaugruppen:
der Meßwerterfassungseinheit 10 und
der Auswerteeinheit 20 einschließlich des elektronischen Referenzspeichers 25.

Die vollständige Meßwerterfassungseinheit 10 besteht aus:
a) dem Wegsensor 11 mit Codierungseinheit 11 a zur Erfassung der vom Fahrzeug zurückgelegten Wege; dies ist z. B. ein Hallsensor, der die Anzahl der Umdrehungen eines Fahrzeugrades mißt,
b) dem Lenkwinkelsensor 12 mit Codierungseinheit 12 a zur Erfassung des momentanen Lenkwinkeleinschlages, bezogen auf die Fahrzeuglängsachse; z. B. einem Kurzschlußringsensor,
c) den Sensorsystemen 13 und 14 mit den Codierungseinheiten 13 a und 14 a, geeignet zur Messung des Abstandes von begrenzenden Objekten rechts- und linksseitig der Fahrbahn, relativ zum Fahrzeug. Das Sensorsystem besteht z. B. aus impulsmodulierten Ultraschallsendern und -empfängern mit Auswerteteil für das Schallecho zwecks Ermittlung der Abstände a _l und a _r vom Fahrzeug zu den nach rechts und links benachbarten Objekten nach dem Laufzeitverfahren
d) und den Fahrtrichtungssensoren 15 und 16 mit den Codierungseinheiten 15 a und 16 a zur Bestimmung der Abstände a ₊, a _- zwischen dem Fahrzeug und Objekten in und entgegen Fahrtrichtung; realisiert z. B. ebenfalls durch impulsmodulierte Ultraschallsender mit den zugehörigen Empfangseinrichtungen.

Die vollständige Auswerteeinheit 20 umfaßt:
a) den Steuerungsteil 21,
welcher nach jeweils äquidistanten, vom Fahrzeug zurückgelegten Wegstücken eine Messung des Lenkwinkelsensors 12 und der Abstandssensoren 13-16 auslöst,
b) den Positionsrechner 22,
der aus den codierten Meßwerten des Wegsensors 11, 11 a und des Lenkwinkelsensors 12, 12 a die Position P* (x, y) nach dem Prinzip der Koppelnavigation des Fahrzeuges errechnet,
c) die Addierer 23 und 23 a,
die aus den codierten Meßwerten der Abstandssensoren 13, 13 a 14, 14 a und 15, 15 a, 16, 16 a durch Addition die Summen b = a _l+a _r (=Fahrbahnbreite) bzw. l = a ₊+a _- (=Fahrbahnlänge) der Abstände bilden,
d) den Pufferspeicher 24,
der die Ausgangswerte der Addierer 23 und 23 a speichert und hieraus eine Meßwertfolge M = (b ₁, l ₁), (b ₂, l ₂), . . . (b _n, l _n) mit n Elementenpaaren sequentiell aus den letzten n Messungen bildet,
e) den Subtrahierer 29,
der aus den codierten Meßwerten der Abstandssensoren 13, 13 a und 14, 14 a die Differenz der Abstände Δ b = a _l-a _r bildet und diese zur Kollisionsverhinderung des Fahrzeugs mit den Fahrbahnbegrenzungen an den Lenkrechner des Fahrzeuges ausgibt,
f) dem Referenzspeicher 25,
der als elektronische Landkarte funktioniert, indem jeder Position P′(x,y) innerhalb des Operationsgebietes die Fahrbahnbreite B(x,y) und die Fahrbahnlänge L(x,y) als Elemente der Referenzmatrix R(x,y) = R(B(x,y), L(x,y)) zugeordnet sind. Dieser Referenzspeicher kann z. B. ein Halbleiterspeicher (ROM, PROM oder EPROM) sein,
g) den Vergleicher 26,
der die im Pufferspeicher 24 enthaltene Meßwertfolge M mit den im Referenzspeicher 25 enthaltenen Informationen R(B,L) mit Hilfe einer Korrelationsschaltung vergleicht und die Positionskoordinaten P′(x,y) des letzten Elementes derjenigen Referenzwertfolge R′(B′,L′) ausgibt, die die größte Übereinstimmung (Korrelationsmaximum) mit der aktuellen Meßwertfolge M hat,
h) den Positionsspeicher 27,
der die aktuelle Fahrzeugposition (P(x _F, y _F) übernimmt,
i) die Entscheidungseinheit 28,
die die vom Positionrechner 22 berechnete Positionen P*(x,y) und die vom Vergleicher zur Verfügung gestellte Position P′(x,y) übernimmt und durch eine logische Schaltung den genaueren Positionswert als Position des Fahrzeugs P(x _F,y _F) and den Lenkrechner ausgibt. Dies geschieht durch die Schaltung in folgender Weise: Wenn der Abstand der Positionen P*(x,y) und P′(x,y) unterhalb eines einstellbaren Grenzwertes G liegt, wird die durch den Stützprozeß ermittelte Position P′(x,y) als Position des Fahrzeuges (P(x _F,y _F) = P′(x,y)) ausgegeben. Andernfalls gilt für die Fahrzeugposition P(x _F,y _F) = P*(x,y), d. h. die Koppelposition geht an den Lenkrechner,
j) und dem Positionsspeicher 27,
der die von der Entscheidungseinheit 28 ausgegebene Fahrzeugposition P(x _F,y _F) speichert, um diese dem Vergleicher 26 zur schnelleren Auffindung der in Frage kommenden Referenzfolgen R′ zur Verfügung zu stellen. Die codierten Abstandsmeßwerte der Sensoren 15, 15 a und 16, 16 a werden durch die Auswerteeinheit 20 dem externen Lenkrechner direkt zur Kollisionsverhütung zur Verfügung gestellt.

Der Funktionsablauf im bordautonomen Ortungssystem stellt sich folgendermaßen dar:

Die Meßdaten der Sensoren 11 bis 16 werden laufend in den Codierungseinheiten 11 a bis 16 a in vorgegebene Datenformen umgesetzt. Mit dem Taktsignal des Steuerungsteiles 21, das aus dem codierten Signal des Wegsensors 11 nach Zurücklegung von äquidistanten Wegstücken s erzeugt wird, werden die Messungen des Lenkwinkelsensors 12, 12 a und der Abstandssensoren 13-16 ausgelöst. Mit Kenntnis des Lenkwinkeleinschlages, geliefert vom Lenkwinkelsensor 12, 12 a und der jeweils zurückgelegten Wegstücke, gewonnen durch den Wegsensor 11, 11 a und dem Steuerungsteil 21, kann der Positionsrechner 22 bei bekannter Fahrzeuggeometrie den momentanen Fahrtwinkel und damit die Position p* (x,y) des Fahrzeuges berechnen.

Mit den codierten Ausgangssignalen a _l, a _r bzw. a ₊, a _- der Abstandssensoren 13, 14, 15 und 16 werden in den Addierern 23 und 23 a die Summensignale b bzw. l gebildet, die den Abständen der Objekte voneinander entsprechen, die die Fahrbahn rechtsseitig und linksseitig bzw. noch vorn und nach hinten begrenzen. Die Ausgangssignale der Addierer 23 und 23 a gelangen sequentiell in einen Pufferspeicher 24 zur Bildung der Meßwertfolge M.

Im Vergleicher 26 wird die Meßwertfolge M mit den im Referenzspeicher 25 gespeicherten Referenzinformation R(B,L) mit Hilfe der Korrelationsschaltung verglichen. Die Korrelation liefert diejenige Referenzwertfolge R′(B′,L′), die die größte Übereinstimmung (Korrelationsmaximum) mit der aktuellen Meßwertfolge M hat. Die Referenzwertfolge R′(B′,L′) der Korrelationsschaltung besteht wie die Meßwertfolge M aus n Elementpaaren, gebildet aus den Speicherwerten B′ bzw. L′ der Referenzwerte (Fahrbahnbreite bzw. Fahrbahnlänge). Das n-te Elementpaar dieser Referenzwertfolge R′(B′,L′) ist dem aktuellsten Meßwertpaar der Meßwertfolge M zugeordnet und liefert den Positionsstützwert P′(x,y). Da die Korrelationsschaltung unabhängig von der Reihenfolge der Elemente eines Paares diese Auswahl trifft, ermöglicht der Vergleicher 26 eine Bestimmung der Positionsstützwerte P′(x,y) unabhängig von der Fahrtrichtung. Der momentane Positionsstützwert P′(x,y) wird an die Entscheidungseinheit 28 ausgegeben. Hier wird überprüft, ob die vom Positionsrechner 22 berechnete Koppelposition P*(x,y) mit den Positionskoordinaten P′(x,y) des Vergleichers 26 übereinstimmt. Der Fahrzeugpositionswert P(x _F,y _F-) wird an den Fahrzeuglenkrechner ausgegeben. Bei Unterschreitung des Abstandsgrenzwertes G gibt die Entscheidungseinheit 28 an den Kopplungsrechner 22 ein Signal zum Rücksetzen und übermittelt die Fahrzeugposition P(x _F,y _F) = P′(x,y) als neuen Anfangswert für die Koppelnavigation. Die von der Entscheidungseinheit 28 gefundene neue Position P(x _F,y _F-) des Fahrzeugs wird sowohl an den Lenkrechner des Fahrzeuges zur Führung ausgegeben als auch dem Positionsspeicher 27 übermittelt, damit der Vergleicher 26 zum schnellen Auffinden der gesuchten Referenzwertfolge R′(B′,L′) auf die zuletzt bestimmte Position (P(x _F,y _F) zurückgreifen kann, um so eine gezielte Suche in den Referenzspeicherinformationen (R(B,L) zu ermöglichen.

Zu Beginn der Fahrt kann gegebenenfalls die Anfangsposition des Fahrzeuges in die Entscheidungseinheit 28 eingegeben werden, um so die Zeitdauer für die erste Positionsermittlung zu verringern. Diese Eingabe ist aber nicht zwingend notwendig, da das System nach der Bildung der ersten Meßwertfolge M mit der Bestimmung der eigenen Position beginnt. Die Erfindung ist nicht an das beschriebene Ausführbeispiel gebunden. So können anstelle einzelner Komponenten und Schaltungen in der Funktion äquivalente Funktionen und Schaltungen treten, z. B.
- die aktiven, laufzeitmessenden Abstandssensoren können durch passive optische Entfernungsmesser oder bildverarbeitende Entfernungsmesser ersetzt werden;
- für die Weg- und Winkelsensoren können auch Beschleunigungsmesser mit nachgeschalteten Integratoren und Kreiselgeräte eingesetzt werden;
- die Signalverarbeitungsschaltungen 21-29 können analog, digital oder hybrid ausgeführt werden;
- die Codiereinheiten 11 a-16 a können je nach Sensor- oder Schaltungsauslegung teilweise oder ganz entfallen.

Auch können die 4 Abstandssensoren 13/13 a bis 16/16 a durch einen oder zwei ggf. rotierende Abstandssensoren ersetzt werden, die die Messungen sequentiell durchführen. Die Grenzwerteinstellung G und die Anfangsposition können durch den Lenkrechner oder manuell erfolgen, ebenso ist eine visuelle Anzeige des Positionsmeßwertes P(x _F,y _F) möglich.

Quellenangaben

(1) TELDIX GmbH (Hrsg.)
Taschenbuch der Navigation
Eigenverlag Heidelberg (1979),
ISBN 3-9800294-0-9
S. 91

Claims

1) Bordautonomes Ortungs- und Kollisionsschutzsystem als Hilfsmittel zur Führung von Roboter- und fahrerlosen Flurförderfahrzeugen nach dem Koppelnavigationsverfahren auf vorgegebenen Fahrwegen mit durch technische oder natürliche Merkmale bedingten seitlichen Begrenzungen, dadurch gekennzeichnet, daß mit mindestens einem systemeigenen Abstandsensor die momentane Fahrbahnbreite und -länge laufend mit Hilfe einer Additionsschaltung ermittelt werden und entsprechende vorab im Ortungssystem gespeicherte Referenzwerte durch eine Vergleicherschaltung auf maximale Korrelation mit den Meßwertfolgen bewertet werden, um den aktuellen Stützwert und eine Fehlerkompensation für die Koppeldaten zu erhalten, ferner eine Subtrahierschaltung zur Bildung der Differenz der links- und rechtsseitig quer zur Fahrtrichtung gemessenen Abstandswerte zwecks Ableitung eines Steuersignals zur sicheren Führung des Fahrzeugs in der Fahrbahnmitte und zwei zusätzlichen Ausgängen für die Abstandsmessung in der jeweiligen Fahrtrichtung zwecks Kollisionsverhinderung.

2) Bordautonomes Ortungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmessung in und entgegengesetzt zur Fahrtrichtung entfällt.