DE19816785A1

DE19816785A1 - Verfahren zur Positionsbestimmung und/oder Führung eines beweglichen Objektes

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Publication number: DE19816785A1
Application number: DE19816785A
Authority: DE
Inventors: E Kunze; Peter Elster; Hans-H Goetting
Original assignee: Goetting KG
Current assignee: Goetting KG
Priority date: 1998-04-16
Filing date: 1998-04-16
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2018-04-17
Also published as: DE19816785C2

Abstract

Zur Positionsbestimmung und/oder Führung eines beweglichen Objektes wird ein rotierender Scanner benutzt. Während der Bewegung wird der Winkel zu ortsfesten reflektierenden Marken gemessen. Es werden auch Wegstrecken zwischen den Scanpositionen für die Ermittlung des aktuellen Standortes berücksichtigt. Das Verfahren eignet sich besonders für sogenannte fahrerlose Transportfahrzeuge.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren, wie es häufig zur Positionsbestimmung von Ob jekten oder zur leitdrahtlosen Führung von Fahrzeugen benutzt wird. Ein solches Fahrzeug verfügt über einen eigenen Antrieb, Einrichtungen zur Lenkung mit Sensoren, die die Umge bung des Fahrzeugs erfassen und einen Rechner, der die Sensorsignale zur Steuerung des Fahrzeugs umsetzt.

Es ist bekannt, Lasernavigation zur Führung von Fahrzeugen einzusetzen. In US 4 817 000 werden mit einem Laserscanner die Abstände zu mindestens drei Marken gemessen, deren Positionen bekannt sind. Aus diesen Daten kann die Position des Fahrzeugs und dessen Richtungswinkel berechnet werden.

DE 39 30 109 C1 beschreibt, wie die Winkel zwischen der Fahrzeugachse und den Laser strahlen zu den drei Marken gemessen werden. Die Marken sind in einem gleichen Abstand auf einer Linie angebracht.

Auch in US 4 847 769 werden die Winkel zu mehreren Marken gemessen und mit Schätzwer ten verglichen, die aus einer Koppelnavigation ermittelt werden. Aus den Fehlern zwischen den gemessenen und den geschätzten Winkel werden mit Hilfe eines Kalmanfilters Korrektur werte für die Position und die Richtungswinkel berechnet. Dafür müssen die Statistiken der zufälligen Fehler der Meßgrößen bekannt sein. Sie werden mangels besserer Kenntnisse in einer für die Berechnung praktikablen Form angenommen.

Alle genannten Verfahren gehen davon aus, daß die Erfassung der Meßgrößen von ein und derselben Position des Fahrzeugs aus erfolgt, d. h. die Fahrzeugbewegung bleibt unberück sichtigt. Dies ist aber in der Praxis nur näherungsweise zulässig, da sich das Fahrzeug mit dem Laserscanner bewegt und der Laser nur mit endlicher Geschwindigkeit rotieren kann. Außerdem wird für die Auswertung eine häufig nicht zu vernachlässigende Rechenzeit benö tigt, während der das Fahrzeug einen Weg zurücklegt. Daher wird jede Marke an einer ande ren Position erfaßt. Die Positionsfehler sind ohne Berücksichtigung des zurückgelegten We ges nur dann gering, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit sehr klein ist und die Drehzahl des Laserscanners groß ist.

Bei größeren Fahrzeuggeschwindigkeiten erfordert dies jedoch auch eine schneller arbeitende Auswerteeinrichtung, bei der es sich aufgrund der Komplexität der Algorithmen stets um ein aufwendiges Rechnersystem handelt. Dadurch werden die Kosten in die Höhe getrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß eine Positionsbestimmung und/oder Führung eines sich bewegenden Objek tes unter Berücksichtigung des zurückgelegten Weges möglich ist. Das Verfahren sollte mög lichst mit geringem Aufwand auskommen und trotzdem relativ genau sein.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Während sich das Objekt bewegt, erfaßt der Scanner verschiedene reflektierende Marken unter entspre chenden Winkeln. Während dieser Bewegung legt er zwischen jeder Messung einen entspre chenden Weg zurück. Die Positions- und/oder Richtungsberechnung berücksichtigt die zu rückgelegte Strecke zwischen den verschiedenen Scanpositionen. Da auch für die Berech nung eine gewisse Zeit notwendig ist, kann bei Bedarf auch die während der Rechenzeit zu rückgelegte Wegstrecke berücksichtigt.

In der Regel kann man davon ausgehen, daß die Wegstrecken für die Berechnung auch durch Geraden ersetzt werden können. Unter dieser Annahme können die zugrunde gelegten Weg strecken gut abgeschätzt werden. Wenn jedoch die Änderungen von Geschwindigkeit und/oder Richtung nicht zu vernachlässigen sind, müssen diese Änderungen ermittelt und für die Positionsbestimmung berücksichtigt werden.

Für die Führung eines Objektes ist nicht nur die aktuelle Position sondern auch die Richtung des Objektes wichtig. Der Scanner befindet sich auf dem Objekt und ist somit in Bezug auf seine eigene Achse und auf die Objektachse in einer somit bekannten Position. Es wird nach folgend davon ausgegangen, daß zur Führung des Objektes auch die Richtung des Scanners bzw. des Objektes ermittelt wird, falls dies bei Bedarf erforderlich ist. Nachfolgend wird allge mein nur von Positionsbestimmung gesprochen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Weg strecken mehr oder weniger genau erfaßt werden und für die Position des Scanners berücksichtigt wer den. Dadurch wird die Positionsbestimmung wesentlich genauer als bei Verfahren, bei denen im Prinzip davon ausgegangen wird, daß während der Messung der verschiedenen Meßwinkel keine Strecke zurückgelegt wird.

Nach Anspruch 2 werden die Wegstrecken mit Hilfe odometrischer Sensoren oder Trägheits sensoren ermittelt. Erst bei Verwendung von mindestens drei Meßwinkeln und zwei Strecken kann die neue Position berechnet werden. Bei Erhöhung der verwendeten Meßwinkel und Strecken wird das Ergebnis genauer. Es wird nachfolgend im allgemeinen davon ausgegan gen, daß das Objekt ein Fahrzeug ist.

Besonders interessant ist dieses Verfahren für sogenannte fahrerlose Transportfahrzeuge. Im innerbetrieblichen Transport fahren diese Fahrzeuge häufig mit 1 m/s. Laserscanner rotieren häufig mit etwa zehn Umdrehungen pro Sekunde, so daß pro Umdrehung immerhin 100 mm zurückgelegt werden. Für ein mm-genaues Fahren ist diese Strecke aber nicht mehr zu ver nachlässigen. Durch die Erfindung ist es jedoch möglich, mit relativ einfachen Mitteln die Fahr zeuge mit der geforderten Genauigkeit zu führen.

Prinzipiell könnten Scanner mit unterschiedlichsten Frequenzen und Techniken verwendet werden. Laserscanner sind jedoch sehr vorteilhaft, da sie sehr genau und relativ preiswert sind.

Die Wegstrecken werden nach Anspruch 3 nicht im Scanner, sondern in einem gesonderten Wegmeßsystem ermittelt. Ein solches System könnte beispielsweise aus inkrementalen Rad sensoren und einem Rechner bestehen.

Gelegentlich passiert es, daß eine Marke verdeckt ist oder nicht genügend Marken vorhanden sind. Die Fahrt des Fahrzeugs kann dann nach Anspruch 4 trotzdem fortgesetzt werden, wenn odometrische oder Trägheitssensorik zur Verfügung steht. Durch diese relativen Messungen wird sich je nach zurückgelegter Strecke bzw. gefahrener Zeit ein immer größerer Fehler erge ben. Dieser Fehler kann aber ausgeglichen werden, sobald wieder genügend Marken zur ab soluten Positionsbestimmung zur Verfügung stehen.

Mit dem Verfahren nach Anspruch 5 können auch in einer bereits bestehenden Anlage neue bisher unbekannte Marken eingemessen werden. Wenn man davon ausgeht, daß der Scanner Entfernungen nicht direkt messen kann, muß der Winkel zu der neuen Marke an zwei oder mehr Punkten von der gewünschten Strecke oder sonst bekannten Meßpunkten aus gemes sen werden. Die Daten können also relativ in Bezug auf die Strecke oder absolut in Bezug auf ein Koordinatensystem erfaßt werden. Das Einmessen kann prinzipiell während einer sog. Teach-in-Fahrt erfolgen. Das Fahrzeug wird dann in der Regel auf dieser Teach-in-Strecke geführt. Es ist natürlich auch möglich, das Fahrzeug so zu programmieren oder zu steuern, daß es von der Teach-in-Strecke abweicht.

In einer Ausführung nach Anspruch 6 wird die Anfangsposition mit Hilfe von codierten Marken ermittelt. Die Identifikation der Marken erfolgt dann anhand eines Strichcodes z. B. Barcodes. Mindestens eine Marke muß so codiert sein. Für den Fall, daß das Fahrzeug an grundsätzlich verschiedenen Orten, z. B. in verschiedenen Gebäuden, gestartet werden kann, ist es emp fehlenswert, z. T. auch notwendig, daß an jedem dieser Startplätze eine besondere, voneinan der unterscheidbare Marke vorhanden ist.

Nach Anspruch 7 ist es auch möglich, die Fahrzeugposition mehr oder weniger genau zu er fassen bzw. abzuschätzen, wenn die Strecken zwischen den Meßwinkeln nicht direkt genau erfaßt werden kann oder können. Unter der Annahme, daß sich das Fahrzeug zwischen den Scanpositionen mit etwa gleicher Geschwindigkeit und Richtung einigermaßen gleichförmig und auch etwa in gleicher Richtung bewegt oder daß z. B. bei einer Kreisfahrt die Rich tungsänderung gleichmäßig und also bekannt ist, kann die Streckenfortführung aus den alten bisherigen Werten extrapoliert werden.

Durch die Messungen mit dem Scanner werden die extrapolierten Werte überprüft bzw. z. T. auch korrigiert.

Fehler in der zugrundegelegten Geschwindigkeit bzw. Richtung führen insbesondere bei län geren Fahrstrecken zu einer nicht mehr zu vernachlässigenden Ungenauigkeit in der Positi onsbestimmung. Nach Anspruch 8 ergeben sich wieder sehr viel bessere Werte, wenn das Fahrzeug sehr langsam fährt oder sogar stoppt.

Nach Anspruch 9 müssen die Meßwinkel nicht von drei verschiedenen Marken genommen werden. Es ist grundsätzlich auch möglich, daß die Position des Fahrzeugs mehr oder weniger bestimmt bzw. abgeschätzt wird, wenn das Fahrzeug aus der Fahrt heraus nach der nächsten Umdrehung des Scanners den Winkel an derselben Marke mißt. Im Extremfall werden wäh rend der Fahrt die Winkel nur immer auf dieselbe Marke gemessen. Hiermit können dann in einem gewissen Umfang die Abweichungen von der Position überprüft werden.

Mit der Entwicklung neuer Rechner steht im allgemeinen auch mehr Rechenleistung zur Ver fügung. Dadurch kann die Rechenzeit sehr stark verkürzt werden. Bei relativ geringer Ge schwindigkeit wird dann natürlich auch schließlich die zurückgelegte Strecke so kurz, daß sie nach Anspruch 10 vernachlässigt werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 die Meßgrößen und Parameter zur Positionsbestimmung bei Bewegung,

Fig. 2 eine Funktionsstruktur des Systems,

Fig. 3 eine weitere Funktionsstruktur eines Systems,

Fig. 4 die Positionsbestimmung von neuen Marken,

Fig. 5 Abschätzung der Position an einer einzelnen Marke,

Fig. 6 Abschätzung der Position ohne Wegmeßeinrichtung.

Wesentliche Grundlagen des Verfahrens werden anhand von Fig. 1 verdeutlicht. Der Einfach heit halber wird nachfolgend angenommen, daß es sich bei dem Objekt um ein Fahrzeug han delt und daß die von dem Fahrzeug zurückgelegten Strecken ideale Geraden sind.

Ein auf einem nicht weiter dargestellten Fahrzeug befindlicher Scanner 3 bewegt sich durch die Punkte P₁ bis P₄. Der kontinuierlich umlaufende Scanstrahl erfaßt jeweils auf die Fahr zeugachse bezogen bei Punkt P₁ die Marke M₁ unter dem Meßwinkel e₁, an der Position P₂ die Marke M₂ unter dem Meßwinkel θ₂ und bei Position P₃die Marke M₃ unter dem Meßwinkel θ₃. Die Position P₃ kann erfindungsgemäß berechnet werden, wenn die drei Winkel θ₁, θ₂ und θ₃ zwischen der Bewegungsrichtung des Fahrzeuges und den Marken sowie der Abstand der Punkte P₁, P₂ und P₃, gegeben durch die Strecken s₁ und s₂, bekannt sind. Die Strecken s₁ und s₂ können durch ein beliebiges Wegmeßverfahren, z. B. durch Odometrie, also Wegmes sung über die Radbewegung ermittelt werden. Da für die Bestimmung des Ergebnisses Re chenzeit benötigt wird, steht dieses erst am Punkt P₄ zu Verfügung. Da aber die Fahrzeugge schwindigkeit und die Rechenzeit bekannt sind bzw. leicht bestimmt werden können, läßt sich die Strecke s₃ bzw. Punkt P₄ ermitteln.

Die drei Scanstrahlen schneiden sich nicht in einem Punkt, sondern in A, B, C, denen die Zwi schenwinkel α und β zugeordnet sind. Die Bahn des Scanners in dem betrachteten Abschnitt weist gegenüber der x-Achse des Bezugssystems den Richtungswinkel ϕ auf. Die Aufgabe des Positionssystems ist es, die x- und y- Koordinaten des Scanners zu bestimmen sowie die sen Richtungswinkel ϕ.

Diese Aufgabe wird hier analytisch gelöst. Dazu müssen folgende Größen bekannt sein:

- die Streckenabschnitte s₁, s₂ und s₂
- die Positionen der Marken M₁, M₂ und M₃
- die von Scanner gemessenen Scanwinkel θ₁, θ₂ und θ₃.

Die Markenpositionen sind a priori bekannt, da es sich um ortsfeste Marken handelt. Die Streckenanschnitte s₁, s₂ und s₃ müssen während des Scanvorganges ermittelt werden. Dabei bedeutet s₃ den Streckenabschnitt, den das Fahrzeug während der Auswertung der Daten zurücklegt. Die Position steht daher erst am Punkt P₄ zur Verfügung.

In einem beliebigen Dreieck können die Seiten a, b, c und die Winkel η₁, η₂ undη₃ berechnet werden, wenn die Koordinaten der Eckpunkte bekannt sind. Die Punkte M₁, M₂ und M₃ be deuten drei retroreflektierende Marken, deren Koordinaten (x₁, y₁), (x₂, y₂) und (x₃, y₃) im karte sischen Koordinatensystem bekannt sind.

Mit den Koordinaten der Marken M₁, M₂ und M₃ lassen sich die Seiten a, b und c sowie die Winkel η₁, η₂ und η₃ wie folgt berechnen:

Nach [4) gilt im Dreieck M₁M₂M₃

Mittels der gemessenen Winkel θ₁ und θ₃ sowie der Strecken s₁ und s₂ ist die Seite P₃B des Dreiecks P₁P₃B zu berechnen. Nach dem Sinussatz [4] gilt

Die Berechnung ist nur für Winkel θ₃-θ₁ ≠ 2.n.π möglich ist, da für n = 0, 1, 2, 3. . . eine Division durch Null erfolgt. Für die Positionsbestimmung von P₃ ist zusätzlich nur die Berechnung von η₇ erforderlich. Mit Hilfe von η₆ ist aber eine schnelle Kontrolle der Rechenergebnisse mög lich, da die Summe der Winkel in jedem Viereck 2π beträgt, d. h. im Viereck M₁M₂M₃B gilt

Fig. 1 zeigt auch die zur Berechnung von η₆ und η₇ benötigten Größen.

Mit Hilfe des Sinussatzes ergeben sich folgende Zusammenhänge:
Im Dreieck M₂M₃A gilt

Im Dreieck M₁M₂C gilt

Aus den beidem Gleichungen für in erhält man eine Bestimmungsgleichung für t = CA:

Aus Gl. (4) kann entweder η₆ oder η₇ freigestellt werden:

Im weiteren wird von folgenden mathematischen Beziehungen für den Sinus Gebrauch ge macht:

Ersetzt man η₆ in der Gl. (6), so erhält man folgende Beziehung:

Mit Hilfe der Gl. (9) wird daraus

Die Sinus- und Kosinusterme von η₇ werden zusammengefaßt

Die Winkel α und β sind nach Gl. (5a und b) durch die gemessenen Winkel θ₁, θ₂ und θ₃be stimmt. Die Strecke t kann nun aus den gemessenen Größen s₁ und s₂ sowie den drei Winkeln θ₁, θ₂ und θ₃ berechnet werden. Aus den Dreiecken P₁P₂C und P₂P₃A folgt nämlich

Damit kann aus Gl. (12) der Winkel η₇ berechnet werden. Gl. (12) hat die Form

mit

Gl. (12) hat zwei Lösungen für η₇

Die Entscheidung, welche der beiden Lösungen zu verwenden ist, kann mit Hilfe des Win kels η₆ gefällt werden. Mit Gl. (8) kann Gl. (10) wie folgt geschrieben werden:

Dies führt zu einer Bestimmungsgleichung für η₆

Diese Gleichung hat nun die Form -t = J.sinη₆+K.cosη₆ mit den Parametern

Die beiden Lösungen für η₆ lauten

Von den Lösungen für η₆ und η₇ werden nun anhand der Gl. (4) die richtigen ausgewählt.

Die weitere Berechnung erfolgt dann im Dreieck M₁M₃B. Hier wird die Strecke M₃B mit dem Sinussatz im Dreieck M₁M₃B berechnet.

Damit läßt sich die Strecke M₃P₃ nach der Beziehung

berechnen. Dabei werden die Gln. (19) und (3) verwendet.

Die Summe der Winkel im Dreieck M₃DE liefert:

Daraus folgt:

Der Winkel ϕ₄ ergibt sich aus

Da die Koordinaten der Marke M₃ bekannt sind, genügt es die folgenden Differenzen zu berechnen:

Die gesuchten Koordinaten sind daher

Die Koordinaten des Fahrzeuges am Punkt P₄ nach Abschluß der Berechnungen findet man nun aus der Fahrzeuggeschwindigkeit v und der Rechenzeit t_r und dem Winkel ϕ:

Damit ergeben sich die Koordinaten des Punktes P₄ in der Form

Fig. 2 zeigt eine Funktionsstruktur des Systems zur Positionsbestimmung und Winkelbestim mung. Der Scanner 3 erfaßt n Scanwinkel θ_i (mindestens aber 3) zu n Marken. Im Marken auswerter 2 werden alle in Frage kommenden Marken aus der Liste des Markenspeichers 1 ausgelesen und dann die günstigsten drei Marken ausgewählt und die Positionsdaten dieser drei Marken M₁, M₂ und M₃ einschließlich der dazugehörigen Scanwinkel θ₁, θ₂ und θ₂ an die Positionsbestimmung 6 zur analytischen Bestimmung von Position und Richtungswinkel über geben. Während der Messung des Scanners 3 werden in Wegmessung 5 die Strecken s₁, s₁ und s₃ über ein Wegmeßverfahren ermittelt, z. B. über die Zählung der Radinkremente 8 mit Radsensoren. Die Strecken werden der Positionsbestimmung 6 übergeben. Sie berechnet zunächst die Position des Systems bei Punkt P₃ aufgrund analytischer Gleichungen und extra poliert anschließend aufgrund des Richtungswinkels und der Strecke s₃ die Positionsdaten auf den Punkt P₄. Für diesen Punkt P₄ stehen damit die genauen Koordinaten x; y und der Richtungswinkel ϕ bereit. Die Daten werden einer Fahrzeugsteuerung 10 über eine Daten schnittstelle zur Verfügung gestellt.

Zur Identifikation und optimalen Auswahl der Marken zieht der Markenauswerter 2 die Position des Scanners heran, die die Positionsbestimmung 6 bei der vorhergehenden Berechnung er mittelt hatte. Beim Start des Betriebes wird die Anfangsposition x_a, y_a und ϕ_a daher dem Sy stem von außen, z. B. über ein Bedienterminal 9, übergeben.

Die Funktionsstruktur nach Fig. 2 besteht neben dem Scanner 3 noch aus weiteren Modulen. In der Praxis ist die Funktionszuordnung fließend. Es hat Vorteile für die Fahrzeugsteuerung und das Bedienterminal extra Rechner zu verwenden. Damit werden von dem Rechner zur Positions- und Richtungsbestimmung die Funktionen Markenauswerter, Markenspeicher, Weg messung und Positionsbestimmung durchgeführt. Es sind natürlich auch andere Zuordnun gen möglich.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 wird die Wegmessung durch eine relative Positionsbestimmung ersetzt. Diese kann beispielsweise odometrisch oder inertial realisiert werden. Die Funktionsstruktur des Systems dafür zeigt Fig. 3. Die Daten x_o, y_o und ϕ_o von der odometrischen Positionsbestimmung 7 werden nach außen zur Verfügung gestellt und können zur Führung von Fahrerlosen Transportfahrzeugen eingesetzt werden. Da sie ständig durch die genaueren Daten von Positionsbestimmung 6 korrigiert werden, besteht praktisch gesehen kein Unterschied zu den genaueren Daten von Positionsbestimmung 6. Sie haben aber den Vorteil, daß sie immer zur Verfügung stehen, und zwar auch dann, wenn der Laserscanner einmal keine oder zu wenig Scanwinkel liefert, weil Marken verdeckt sind. In diesem Fall springt das relative Meßverfahren als Stützsystem ein. Dabei muß man in Kauf nehmen, daß die Genauigkeit der Daten mit der Länge der gefahrenen Strecke abnimmt. Das Verfahren ist relativ, weil die Position nur in bezug auf die Anfangswerte x_a, y_a und ϕ_a berechnet werden kann.

Die Positionsbestimmung von noch nicht registrierten Marken kann nach der Darstellung von Fig. 4 erfolgen. Die Marke wird vorzugsweise im Stand von dem Scanner an den zwei Scan positionen P₁ und P₂, deren Koordinaten und damit die Strecke s bekannt sind, unter den Winkeln ₁, ₂ gemessen. Dann ergeben sich die Koordinaten x_m, y_m der Marke M durch fol gende Rechnung

Daraus folgt dann

Analog dazu ergibt sich

Im Dreieck gilt allgemein

so daß sich die Seite f über den Pythagoras ergibt

Damit können nun die Koordinaten des Punktes M wie folgt berechnet werden:

Fig. 5 zeigt, daß die Position auch dann ermittelt werden kann, wenn zwei oder sogar alle drei Meßwinkel nach Anspruch 9 während der Fahrt in Bezug auf eine Marke M gemessen werden. Man muß dann allerdings davon ausgehen, daß man die Strecken nach ihren Län gen und Richtungen entweder durch eine verläßliche Annahme oder Abschätzung oder aber durch Messung ermitteln kann.

Es ist zu erkennen, daß sich die Winkel θ ändern, wenn die Fahrbahn statt durch die ge wünschten Punkte P₁ bis P₄ parallel versetzt durch die Punkte P_1Pp bis P_4P laufen würde. Eben so ändern sich die Winkel , wenn die Richtung der Fahrbahn P₁ gedreht wird, so daß die ver drehte Fahrbahn durch die Punkte P_1D, P_2D, P_3D P_4D laufen würde. Derartige Fehler könnten erkannt werden.

Anders verhält es sich jedoch, wenn sich die Fahrstrecke um die Marke M als Mittelpunkt dre hen würde. Sie verläuft dann durch P_1K bis P_4K. Ein solcher Fehler könnte nicht erkannt wer den. Da alle Winkel θ₁ gleichgroß sind wie die Winkel sind wie die Winkel θ_1K, würde das Fahr zeug dann in die falsche Richtung fahren. Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß bereits in P_1K sowohl die Position als auch die Richtung fehlerhaft gewesen sind.

In der Praxis kann man eine einzelne Marke hilfsweise benutzen, bis wieder eine oder mehrere anderer Marken auftauchen, mit denen eine zuverlässigere Positionsbestimmung durchgeführt werden kann.

Fig. 6 erläutert, daß auch ohne Wegmeßeinrichtungen in vielen Fällen genau genug gefahren werden kann, wenngleich schon bei Verwendung nur eines einzelnen Wegmeßsensors oder Richtungssensors meistens noch bessere Werte erzielt werden können.

Die Fahrt des Fahrzeugs beginnt in P₁ mit den Koordinaten Y₁, X₁ und dem Meßwinkel θ₁ in Bezug auf die Marke M₁.

Bei idealem Verlauf der Sollfahrstrecke würde das Fahrzeug nach s₁ in P_2s mit dem Winkel θ_2s die Marke M₂ messen. Nach Fortsetzung der Fahrt mit Sollstrecke s₂ durch Punkt P_3s, kommt das Fahrzeug schließlich nach Strecke s₃ in dem gewünschten Punkt P_4s an. In P_3s wird der Scanner unter dem Winkel θ_3s die Marke M₁ lesen.

In einem gewissen Umfang können die gewünschten Sollpositionen überprüft werden. Unter der Annahme, daß zwar die Fahrtrichtung richtig, aber die Länge der Strecke s₁ zu kurz abge schätzt wurde, wird die Marke M₂ in Punkt P_2R unter einem Winkel θ_2R gemessen, der kleiner ist als θ_2S.

Anders verhält es sich, wenn in dieser ungünstigen Position der Marke M₂ zwar die Länge der Strecke s₁ gleich mit S_1i, aber das Fahrzeug von der idealen Spur z. B. nach rechts abweicht. In Punkt P_2l wird die Marke M₂ unter etwa dem gleichen Winkel θ_2l wie in der Sollposition P_2s unter dem Winkel θ_2s gemessen. Die Abweichung könnte mit dieser Messung noch nicht er kannt werden.

Unter der Annahme, daß das Fahrzeug den gleichen Richtungsfehler nach rechts beibehält, würde es bei der richtigen Länge der Strecke s₂ schließlich in dem Punkt P_3l ankommen. Hier kann die Abweichung aber festgestellt werden, da der Winkel θ_3l, unter dem die Marke M₁ ge messen wird, größer ist als d er Winkel θ_3s. Das Ergebnis liegt vor, wenn das Fahrzeug die Position P_4l erreicht hat.

Dadurch daß die Fehler erkannt werden, kann die tatsächliche Istposition des Fahrzeugs ge nauer berechnet werden. Dies gilt sogar dann, wenn keine Wegmeßeinrichtung vorhanden ist.

Claims

1. Verfahren zur Positionsbestimmung und/oder Führung eines beweglichen Objektes unter Verwendung von ortsfesten reflektierenden Marken sowie einem Scanner mit einem Rech ner auf dem Objekt dadurch gekennzeichnet,

- daß der Strahl des Scanners um eine senkrechte Achse rotiert und die Winkel zu den Marken erfaßt,
- daß die Wegstrecken zwischen den Scanpositionen, an denen die Winkel gemessen wur den, abgeschätzt oder mit einer Wegmeßeinrichtung gemessen werden und
- daß die Position und Richtung des Scanners mittels Meßwinkeln und einer oder mehrerer Strecken zwischen den Scanpositionen und bei Bedarf auch einer dritten Strecke, die das Objekt während der Rechenzeit zurücklegte, bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,

- daß ein Markenspeicher die Ortsdaten der Marken bereithält,
- daß die Wegstrecken abgeschätzt oder mit odometrischen oder Trägheitsmeßeinrichtun gen ermittelt werden,
- daß der Rechner einen Auswertealgorithmus sowie bei Bedarf eine Wegmeßfunktion ent hält,
- daß der Scanner ein Laserscanner ist
- daß es sich bei dem Objekt um ein Fahrzeug handelt und
- daß der Scanner fest auf dem Fahrzeug montiert ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Wegstrecken mit einem Wegmeßsystem außerhalb des Scanners gemessen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß eine Positions- und/oder Richtungsbestimmung zur Überbrückung mit odometrischen oder Trägheitsmeßeinrichtungen durchgeführt wird, wenn der Scanner vorübergehend keine Positionen ermitteln kann.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Position unbekannter Marken durch den Scanner ermittelt und dem Datenbestand im Markenspeicher hinzugefügt werden kann.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet,

- daß der Scanner ein Laserscanner ist und
- daß an der Startposition mindestens eine Marke vorgesehen ist, die sich durch einen Strichcode von den anderen Marken unterscheidet und mit deren Hilfe der Scanner seine Startposition bestimmen kann.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet,

- daß die Position des Fahrzeugs zunächst bekannt ist und sich das Fahrzeug weiterhin im wesentlichen mit unverminderter Geschwindigkeit und in bekannter Richtung fortbewegt oder daß Änderungen der Geschwindigkeit und/oder Richtung bekannt sind, so daß die Wegstrecken zwischen den Scanpositionen und die während der Rechenzeit zurückge legte Strecke abgeschätzt werden können und
- daß somit die Position und/oder Richtung des Scanners ohne Wegmeßeinrichtung be stimmt bzw. abgeschätzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Positions- und/oder Richtungsbestimmung des Scanners mittels der abgeschätz ten Wegstrecken nur hilfsweise durchgeführt wird, so lange bis das Fahrzeug im Stillstand oder bei sehr langsamer Fahrt selbst eine zuverlässige Positions- und/oder Richtungsbe stimmung durchführen kann oder seine Position und/oder Richtung von außerhalb mitge teilt bekommt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet daß für die Positionsermittlung des Scanners mindestens zwei der drei Meßwinkel nacheinander in Bezug auf dieselbe Marke gemessen und verwendet werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Strecke, die das Fahrzeug während der Rechenzeit zurücklegt, vernach lässigt wird.