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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberDE19816785 C2
Publication typeGrant
Application numberDE1998116785
Publication date26 Apr 2001
Filing date16 Apr 1998
Priority date16 Apr 1998
Also published asDE19816785A1
Publication number1998116785, 98116785, DE 19816785 C2, DE 19816785C2, DE-C2-19816785, DE19816785 C2, DE19816785C2, DE1998116785, DE98116785
InventorsE Kunze, Peter Elster, Hans-H Goetting
ApplicantGoetting Kg
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: DPMA, Espacenet
Verfahren zur Positionsbestimmung und/oder Führung eines beweglichen Objektes Method for determining the position and / or guiding a moving object translated from German
DE 19816785 C2
Abstract  available in
Claims(4)  translated from German
1. Verfahren zur Positionsbestimmung und/oder Führung eines beweglichen Objektes unter Verwendung von ortsfesten reflektierenden Marken sowie einem Scanner mit einem Rechner auf dem Objekt, wobei 1. A method for determining the position and / or guiding a moving object using stationary reflecting brands as well as a scanner with a calculator on the object,
  • - der Strahl des Scanners um eine senkrechte Achse rotiert und die Winkel zu den Marken erfaßt, - The beam of the scanner rotating about a vertical axis and detects the angle with respect to the marks,
  • - die Wegstrecken zwischen den Scanpositionen, an denen die Winkel gemessen wurden, abgeschätzt werden, dadurch gekennzeichnet , - The distances are between the scan positions at which the angles were measured, estimated, characterized in that
  • - 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 - That the position of the vehicle is initially known, and the vehicle keeps moving substantially with undiminished speed and in a known direction or that changes in the speed and / or direction are known, so that the distances between the scanning positions and the zurückge during the computing time put distance can be estimated and
  • - daß somit die Position und/oder Richtung des Scanners ohne Meßeinrichtung bestimmt wird. - That thus the position and / or direction of the scanner is determined without measuring device.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, 2. The method according to claim 1, characterized in
  • - daß ein Markenspeicher die Ortsdaten der Marken bereithält, - That a token store the location data of the brands holds,
  • - daß der Scanner ein Laserscanner ist, - That the scanner is a laser scanner,
  • - daß es sich bei dem Objekt um ein Fahrzeug handelt und - That it is the object is a vehicle and
  • - daß der Scanner fest auf dem Fahrzeug montiert ist, - That the scanner is fixedly mounted on the vehicle,
  • - daß die Positions- und/oder Richtungsbestimmung des Scanners mittels der abgeschätzten Wegstrecken nur hilfsweise durchgeführt wird, so lange bis das Fahrzeug im Stillstand oder bei sehr langsamer Fahrt selbst eine zuverlässige Positions- und/oder Richtungsbestimmung durchführen kann. - That the position and / or direction determination of the scanner using the estimated distances is performed only in the alternative, until such time as the vehicle is stationary or moving very slowly itself can perform a reliable position and / or direction determination.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in
  • - daß die Position unbekannter Marken durch den Scanner ermittelt und dem Datenbestand im Markenspeicher hinzugefügt werden kann. - That the position of unknown brands detected by the scanner and the dataset can be added to the token store.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in
  • - daß für die Positionsermittlung des Scanners mindestens zwei der drei Meßwinkel nacheinander in Bezug auf dieselbe Marke gemessen und verwendet werden. - That for determining the position of the scanner at least two of the three measurement angles are successively measured and used to refer to the same brand.
Description  translated from German

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (US 4 727 492 A). The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 (US 4,727,492 A).

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren, wie es häufig zur Positionsbestimmung von Ob jekten oder zur leitdrahtlosen Führung von Fahrzeugen benutzt wird. The invention relates to a process as often projects for position determination of whether or leitdrahtlosen driving of vehicles used. 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. This vehicle has its own drive means for steering with sensors that detect the surrounding environment of the vehicle and a calculator that converts the sensor signals to control the vehicle.

Es ist bekannt, Lasernavigation zur Führung von Fahrzeugen einzusetzen. It is known to use laser navigation used to direct vehicles. In US 4 817 000 A werden mit einem Laserscanner die Abstände zu mindestens drei Marken gemessen, deren Positionen bekannt sind. In US 4817000 A, the distances are measured at least three brands with a laser scanner, whose positions are known. Aus diesen Daten kann die Position des Fahrzeugs und dessen Rich tungswinkel berechnet werden. The position of the vehicle and its Rich can be calculated direction angle from these data.

DE 39 30 109 C1 beschreibt, wie die Winkel zwischen der Fahrzeugachse und den Laser strahlen zu den drei Marken gemessen werden. DE 39 30 109 C1 describes how the angle between the vehicle axis and the laser beams are measured on the three brands. Die Marken sind in einem gleichen Abstand auf einer Linie angebracht. The stamps are mounted at an equal distance on a line.

Auch in US 4 847 769 A werden die Winkel zu mehreren Marken gemessen und mit Schätzwer ten verglichen, die aus einer Koppelnavigation ermittelt werden. In US 4847769 A, the angles are measured and compared with several brands Schätzwer States, which are determined from a dead reckoning. Aus den Fehlern zwischen den gemessenen und den geschätzten Winkel werden mit Hilfe eines Kalmanfilters Korrekturwerte für die Position und die Richtungswinkel berechnet. From the errors between the measured and the estimated angles are calculated using a Kalman filter correction values for the position and the direction angle. Dafür müssen die Statistiken der zufälligen Fehler der Meßgrößen bekannt sein. For the statistics of the random error of the measured variables must be known. Sie werden mangels besserer Kenntnisse in einer für die Berechnung praktikablen Form angenommen. They shall be adopted for lack of better knowledge in a practical form for the calculation.

Alle genannten Verfahren gehen davon aus, daß die Erfassung der Meßgrößen von ein und derselben Position des Fahrzeugs aus erfolgt, dh die Fahrzeugbewegung bleibt unberücksich tigt. All of the above methods assume that the detection of measured variables from the same position of the vehicle, ie the vehicle motion is not taken into unconsidered. 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. However, this is in practice only approximately admissible because the vehicle is moving with the laser scanner and the laser can only rotate at a finite speed. Außer dem wird für die Auswertung eine häufig nicht zu vernachlässigende Rechenzeit benötigt, wäh rend der das Fahrzeug einen Weg zurücklegt. In addition to the one often non-negligible computing time is required for the evaluation, currency rend traveled by the vehicle one way. Daher wird jede Marke an einer anderen Position erfaßt. Therefore, each mark is detected at another position. Die Positionsfehler sind ohne Berücksichtigung des zurückgelegten Weges nur dann gering, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit sehr klein ist und die Drehzahl des Laserscanners groß ist. The position errors without consideration of the distance covered only small when the vehicle speed is very small and the rotational speed of the laser scanner is large.

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. For larger vehicle speeds but this also requires a faster-working evaluation, in which it always is an expensive computer system due to the complexity of the algorithms. Dadurch werden die Kosten in die Höhe getrieben. As a result, the costs are driven up.

Aus US 4 727 492 A ist ein Verfahren zu Positionsbestimmung und Führung eines beweglichen Objektes bekannt, mit einem Laserscanner, welcher um eine senkrechte Achse rotiert und die Winkel zu den Marken erfaßt. From US 4727492 A method for positioning and guidance of a moving object is known, with a laser scanner, which rotates around a vertical axis and detects the angle to the brands. Zusätzlich ist ein Koppelnavigationssystem vorgesehen, welches die Wegstrecken zwischen den Scanpositionen mißt, wobei jeweils Position und Richtung des Scanners mittels der zurückgelegten Strecken bestimmt und mit den Meßwinkeln korrigiert werden. In addition, a dead reckoning system is provided which measures the distances between the scanning positions, each position and direction of the scanner are determined by the distances covered and corrected with the measurement angles. Koppelnavigation wird im allgemeinen mit Inkrementalgebern und Lenkwinkelsensoren durchgeführt. Dead reckoning is generally carried out with incremental encoders and steering angle sensors. Trotz des höheren Aufwandes ergeben sich Fehler, z. B. durch Schlupf. Despite the higher complexity, mistakes, z. B. by slip arise.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß eine Positionsbestimmung und/oder Führung eines sich bewegenden Objektes unter Berücksichtigung des zurückgelegten Weges möglich ist. The invention has for its object to improve a method of the type mentioned such that a positioning and / or guiding a moving object, taking into account the distance covered is possible. Das Verfahren sollte möglichst mit geringem Aufwand auskommen und trotzdem relativ genau sein. The procedure should be possible to make do with little effort and still be relatively accurate.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. This object is achieved according to the characterizing part of claim 1. Während sich das Objekt bewegt, erfaßt der Scanner verschiedene reflektierende Marken unter entsprechenden Winkeln. While the object is moving, the scanner detects different reflective marks at corresponding angles. Während dieser Bewegung legt er zwischen jeder Messung einen entsprechenden Weg zurück. During this movement, he inserted between each measurement returns an appropriate way. Die Positions- und/oder Richtungsberechnung berücksichtigt die zurückgelegte Strecke zwischen den verschiedenen Scanpositionen. The position and / or direction calculation takes into account the distance between the different scanning positions. Da auch für die Berechnung eine gewis se Zeit notwendig ist, kann bei Bedarf auch die während der Rechenzeit zurückgelegte Weg strecke berücksichtigt werden. As a GeWiS se time is necessary for the calculation, if needed may also be considered stretch the distance covered during the computation time way.

Für die Führung eines Objektes ist nicht nur die aktuelle Position sondern auch die Richtung des Objektes wichtig. Not only the current position but also the direction of the object is important for the management of an object. Der Scanner befindet sich auf dem Objekt und ist somit in Bezug auf sei ne eigene Achse und auf die Objektachse in einer somit bekannten Position. The scanner is located on the object and is therefore in terms of whether ne own axis and on the axis in an object thus known 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. It is understood by the following fact that for the guidance of the object and the direction of the scanner or of the object is determined, if necessary, if necessary. Nachfolgend wird allge mein nur von Positionsbestimmung gesprochen. Below is my general spoken only of position determination.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Wegstrecken mehr oder weniger genau erfaßt werden und für die Position des Scanners berücksichtigt wer den. The advantages achieved by the invention are in particular that the distances are detected more or less accurate and the position of the scanner takes into account who the. 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. Thereby, the position determination is more accurate than in the method in which it is assumed, in principle, from the fact that no track is covered during the measurement of various measurement angle.

Grundsätzlich könnten die Wegstrecken zwischen den Scanpositionen auch mit Radinkremen talgebern erfaßt werden. Basically, the distances between the scan positions could be detected talgebern with Radinkremen. Diese Sensoren sind jedoch zum Teil sehr teuer und aufwendig in der Montage. However, these sensors are often very expensive and complicated to install. Des weiteren versagen sie bei Schlupf. Furthermore, they fail to slip. Daher ist es von Vorteil, die Fahrzeugposition mehr oder weniger genau abzuschätzen. Therefore, it is an advantage to estimate the vehicle position more or less accurate. Nach Anspruch 2 ist es auch möglich, die Fahrzeug position mehr oder weniger genau zu erfassen bzw. abzuschätzen, wenn die Strecken zwi schen den Meßwinkeln nicht direkt genau erfaßt werden kann oder können. According to claim 2, it is also possible to position more or less accurately detect the vehicle or estimate when the distances between the rule measurement angles can not be directly detected accurately or can. Unter der Annah me, 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 Richtungsänderung gleichmäßig und also bekannt ist, kann die Streckenfortführung aus den alten bisherigen Werten extrapoliert werden. Under the assumptions me that the vehicle between the scan positions at about the same speed and direction fairly uniform and also moved about in the same direction or that z. B. the change in direction is uniform and thus known by driving in a circle, the line can continuation of the old previous values are extrapolated.

Durch die Messungen mit dem Scanner werden die extrapolierten Werte überprüft bzw. z. T. auch korrigiert. Through the measurements with the scanner, the extrapolated values are reviewed or corrected and z. T..

Nach Anspruch 2 wird nachfolgend im allgemeinen davon ausgegangen, daß das Objekt ein Fahrzeug ist. According to claim 2 is assumed below in the general assumption that the object is a vehicle. Besonders interessant ist dieses Verfahren für sogenannte fahrerlose Transport fahrzeuge. Particularly interesting is this process called for driverless transport vehicles is. Im innerbetrieblichen Transport fahren diese Fahrzeuge häufig mit 1 m/s. In-house transport these vehicles often drive at 1 m / s. Laser scanner rotieren häufig mit etwa zehn Umdrehungen pro Sekunde, so daß pro Umdrehung im merhin 100 mm zurückgelegt werden. Laser scanner often rotate at about ten revolutions per second, so that per revolution in 100 mm After all, to be covered. Für ein mm-genaues Fahren ist diese Strecke aber nicht mehr zu vernachlässigen. For a mm-precise driving this route but is no longer negligible. Durch die Erfindung ist es jedoch möglich, mit relativ einfachen Mit teln die Fahrzeuge mit der geforderten Genauigkeit zu führen. Due to the invention, it is possible with relatively simple stuffs with the vehicles with the accuracy required to perform. Prinzipiell könnten Scanner mit unterschiedlichsten Frequenzen und Techniken verwendet werden. Principle could be used scanners with different frequencies and techniques. Laserscanner sind jedoch sehr vorteilhaft, da sie sehr genau und relativ preiswert sind. However, laser scanners are very advantageous because they are very accurate and relatively inexpensive.

Fehler in der zugrundegelegten Geschwindigkeit bzw. Richtung führen insbesondere bei länge ren Fahrstrecken zu einer nicht mehr zu vernachlässigenden Ungenauigkeit in der Positionsbestimmung. Error in the underlying velocity or direction, notably if length ren routes to a not negligible inaccuracy in the position determination. Es ergeben sich wieder sehr viel bessere Werte, wenn das Fahrzeug sehr langsam fährt oder sogar stoppt. There arise again much better values when the vehicle is running very slow or even stop.

Mit dem Verfahren nach Anspruch 3 können auch in einer bereits bestehenden Anlage neue bisher unbekannte Marken eingemessen werden. The method according to claim 3 new previously unknown brands can be calibrated in an existing plant. 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 gemessen werden. Assuming that the scanner distances can not be measured directly, the angle to the new brand at two or more points must be measured from the desired path or otherwise known measurement points from. Die Daten können also relativ in Bezug auf die Strecke oder absolut in Bezug auf ein Koordinatensystem erfaßt werden. The data can therefore be detected with respect to the relative distance or absolute with respect to a coordinate system. Das Einmessen kann prinzipiell während einer sog. Teach- in-Fahrt erfolgen. The calibration can be done during a so-called. Teach-in drive principle. Das Fahrzeug wird dann in der Regel auf dieser Teach-in-Strecke geführt. The vehicle is then executed in a teach-in on this route. Es ist natürlich auch möglich, das Fahrzeug so zu programmieren oder zu steuern, daß es von der Teach-in-Strecke abweicht. It is of course also possible to program the vehicle to or control, that it differs from the teach-in route.

Nach Anspruch 4 müssen die Meßwinkel nicht von drei verschiedenen Marken genommen werden. According to claim 4, the angle of measurement must not be taken by three different brands. 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. It is also possible in principle that the position of the vehicle is more or less determined or estimated when the vehicle measures the angle of the same brand of driving out after the next rotation of the scanner. Im Extremfall werden während der Fahrt die Winkel nur immer auf dieselbe Marke gemessen. In the extreme case, the angles are always only measured in the same brand while driving. Hiermit können dann in einem gewissen Umfang die Abweichungen von der Position überprüft werden. Hereby the deviations can then be checked from the position in a certain extent.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Embodiments of the invention are illustrated in the following drawings and will be described in more detail below. Es zeigen Shown

Fig. 1 die Meßgrößen und Parameter zur Positionsbestimmung bei Bewegung, Fig. 1 shows the measured quantities and parameters for determining the position in motion,

Fig. 2 eine Funktionsstruktur des Systems, Fig. 2 is a functional structure of the system,

Fig. 3 die Positionsbestimmung von neuen Marken, Fig. 3 shows the positioning of new brands,

Fig. 4 Abschätzung der Position an einer einzelnen Marke, Fig. 4 estimating the position of a single brand,

Fig. 5 Abschätzung der Position ohne Wegmeßeinrichtung. Fig. 5 estimate of the position without displacement measuring device.

Wesentliche Grundlagen des Meßverfahrens werden anhand von Fig. 1 verdeutlicht. The major basis of the measurement method are illustrated with reference to Fig. 1. Der Ein fachheit halber wird nachfolgend angenommen, daß es sich bei dem Objekt um ein Fahrzeug handelt und daß die von dem Fahrzeug zurückgelegten Strecken ideale Geraden sind. A sake of simplicity, the following is assumed that it is the object is a vehicle and the distance traveled by the vehicle routes are ideal straight line.

Ein auf einem nicht weiter dargestellten Fahrzeug befindlicher Scanner 3 bewegt sich durch die Punkte P 1 bis P 4 . An versions on a vehicle not shown scanner 3 moves through the points P 1 to P. 4 Der kontinuierlich umlaufende Scanstrahl erfaßt jeweils auf die Fahrzeugach se bezogen bei Punkt P 1 die Marke M 1 , unter dem Meßwinkel θ 1 , an der Position P 2 die Marke M 2 unter dem Meßwinkel θ 2 und bei Position P 3 die Marke M 3 unter dem Meßwinkel θ 3 . The continuously rotating scan beam detects each se based on point P 1, the mark M 1, under the measurement angle θ 1 at position P 2, the brand M 2 under the measuring angle θ 2 and at position P 3, the brand M 3 on the Fahrzeugach under the measurement angle θ. 3 Die Position P 3 kann erfindungsgemäß berechnet werden, wenn die drei Winkel θ 1 , θ 2 und θ 3 zwischen der Bewegungsrichtung des Fahrzeuges und den Marken sowie der Abstand der Punkte P 1 , P 2 und P 3 , gegeben durch die Strecken s 1 und s 2 , bekannt sind. The position P 3 can be calculated according to the invention, when the three angles θ 1, θ 2 and θ 3 between the direction of motion of the vehicle and the brands as well as the distance between the points P 1, P 2 and P 3, represented by the lines s 1 and s 2, are known. Die Strecken s 1 und s 2 können abge schätzt werden. The distances s 1 and s 2 can be estimated abge. Da für die Bestimmung des Ergebnisses Rechenzeit benötigt wird, steht dieses erst am Punkt P 4 zu Verfügung. As for the determination of the result computation time is required, this is only at the point P 4 are available. Da aber die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Rechenzeit be kannt sind bzw. leicht bestimmt werden können, läßt sich die Strecke s 3 bzw. Since, however, be the vehicle speed and the computation time are known or can be readily determined, can the distance s 3 and Punkt P 4 ermit teln. Point P 4 ermit stuffs.

Die drei Scanstrahlen schneiden sich nicht in einem Punkt, sondern in A, B, C, denen die Zwi schenwinkel α und β zugeordnet sind. The three scanning rays do not intersect at one point, but in A, B, C, where the inter mediate angles α and β are assigned. Die Bahn des Scanners in dem betrachteten Abschnitt weist gegenüber der x-Achse des Bezugssystems den Richtungswinkel ϕ auf. The path of the scanner in the considered section has in relation to the x-axis of the reference system the direction angle φ on. Die Aufgabe des Positionssystems ist es, die x- und y-Koordinaten des Scanners zu bestimmen sowie diesen Richtungswinkel ϕ. The task of the positioning system is to determine the x- and y-coordinates of the scanner and this direction angle φ.

Diese Aufgabe wird hier analytisch gelöst. This problem is solved analytically here. Dazu müssen folgende Größen bekannt sein: For this purpose, the following parameters must be known:

  • - die Streckenabschnitte s 1 , s 2 und s 3 - The sections S 1, S 2 and S 3
  • - die Positionen der Marken M 1 , M 2 und M 3 - The positions of the markers M 1, M 2 and M 3
  • - die von Scanner gemessenen Scanwinkel θ 1 , θ 2 und θ 3 . - Measured by scanner scan angle θ 1, θ 2 and θ. 3

Die Markenpositionen sind a priori bekannt, da es sich um ortsfeste Marken handelt. The marker positions are known a priori, because it is stationary brands. Die Strec kenanschnitte s 1 , s 2 und s 3 müssen während des Scanvorganges abgeschätzt werden. The Strec kenan sections s 1, s 2 and s 3 must be assessed during the scanning process. Dabei bedeutet s 3 den Streckenabschnitt, den das Fahrzeug während der Auswertung der Daten zu rücklegt. Where s is the distance section 3, the vehicle shall be returned during the analysis of the data. Die Position steht daher erst am Punkt P 4 zur Verfügung. Therefore, the position is only at the point P 4 are available.

In einem beliebigen Dreieck können die Seiten a, b, c und die Winkel η 1 , η 2 und η 3 berechnet werden, wenn die Koordinaten der Eckpunkte bekannt sind. In an arbitrary triangle, the sides a, b, c, and the angles can η 1, η 2, and η 3 are calculated, if the coordinates of the corner points are known. Die Punkte M 1 , M 2 und M 3 bedeu ten drei retroreflektierende Marken, deren Koordinaten (x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ) und (x 3 , y 3 ) im kartesi schen Koordinatensystem bekannt sind. The points M 1, M 2 and M 3 signified th three retroreflective marks whose coordinates (x 1, y 1), (x 2, y 2) and (x 3, y 3) are known in kartesi's coordinate system.

Mit den Koordinaten der Marken M 1 , M 2 und M 3 lassen sich die Seiten a, b und c sowie die Winkel η 1 , η 2 und η 3 wie folgt berechnen: The coordinates of the marks M 1, M 2 and M 3 can the sides a, b and c and the angle η 1, η 2 and η 3 calculated as follows:

Im Dreieck M 1 M 2 M 3 gilt Applies in the triangle M 1 M 2 M 3

Mittels der gemessenen Winkel θ 1 , und θ 3 sowie der Strecken s 1 und s 2 ist die Seite P 3 B des Dreiecks P 1 P 3 B zu berechnen. Using the measured angle θ 1, and θ 3, and the distances S 1 and S 2 is the side of the triangle P 3 B B P 1 P 3 to charge. Nach dem Sinussatz gilt Valid according to the law of sines

Die Berechnung ist nur für Winkel θ 3 - θ 1 ≠ 2 . The calculation is only for angles θ 3 - θ 1 ≠. 2 n . n. π möglich ist, da für n = 0, 1, 2, 3 . π is possible, as for n = 0, 1, 2; 3. . , . , eine Division durch Null erfolgt. a division by zero occurs. Für die Positionsbestimmung von P 3 ist zusätzlich nur die Berechnung von η 7 erforderlich. To determine the position of P 3, only the calculation of η 7 is also required. Mit Hilfe von η 6 ist aber eine schnelle Kontrolle der Rechenergebnisse mög lich, da die Summe der Winkel in jedem Viereck 2π beträgt, dh im Viereck M 1 M 2 M 3 B gilt With the help of η 6 but a quick check of the calculation results possible, please include as the sum of the angles in each quadrilateral is 2π, ie, in a square M 1 M 2 M 3 B applies

η 2 + η 6 + η 7 + α + β = 2π. η η 2 + 6 + 7 + η α + β = 2π. (4) (4)

Fig. 1 zeigt auch die zur Berechnung von η 6 und η 7 benötigten Größen. Fig. 1 also shows the need for the calculation of η and η 6 7 sizes.

a = a = M₁M₂ M₁M₂ m = m = M₂P₂ M₂P₂ α = θ 2 - θ 1 (5a) α = θ 2 - θ 1 (5a)

b = b = M₂M₃ M₂M₃ t = t = AC AC β = θ 3 - θ 2 (5b) β = θ 3 - θ 2 (5b)

c = c = M₁M₃ M₁M₃ n = n = AP₂ AP₂ α + β = θ 3 - θ 1 (5c) α + β = θ 3 - θ 1 (5c)

Mit Hilfe des Sinussatzes ergeben sich folgende Zusammenhänge: Using the sine theorem, the following relationships result:
Im Dreieck M 2 M 3 A gilt Applies in the triangle M 2 M 3 A

und damit and thus

Im Dreieck M 1 M 1 C gilt Applies in the triangle M 1 M 1 C

und damit and thus

Aus den beidem Gleichungen für m erhält man eine Bestimmungsgleichung für t = From the equations for both m one obtains a conditional equation for t = CA CA : :

Aus Gl. From Eq. (4) kann entweder η 6 oder η 7 freigestellt werden: (4) can either η or η 6 7 be released:

η 6 = 2π - (α + β + η 2 + η 7 ) (7) η 6 = 2π - (α + β + η 2 + η 7) (7)

η 7 = 2π - (α + β + η 2 + η 6 ) (8) η 7 = 2π - (α + β + η 2 + η 6) (8)

Im weiteren wird von folgenden mathematischen Beziehungen für den Sinus Gebrauch ge macht: The other is making use of the following mathematical relations for the sine use ge:

sin(2π - x) = -sinx sin (2π - x) = -sinx

sin(x + y) = sinxcosy + sinycosx (9) sin (x + y) = sinxcosy sinycosx + (9)

Ersetzt man η 6 in der Gl. Substituting η 6 in Eq. (6), so erhält man folgende Beziehung: (6), we obtain the following relationship:

Mit Hilfe der Gl. With the help of Eq. (9) wird daraus (9) thereof

Die Sinus- und Kosinusterme von η 7 werden zusammengefaßt The sine and cosine terms of η 7 are summarized

Die Winkel α und β sind nach Gl. The angles α and β are according to Eq. (5a und b) durch die gemessenen Winkel θ 1 , θ 2 und θ 3 be stimmt. (5a and b) by the measured angle θ 1, θ 2 and θ 3 be true. Die Strecke t kann nun aus den gemessenen Größen s 1 und s 2 sowie den drei Winkeln θ 1 , θ 2 und θ 3 berechnet werden. The distance t can now be calculated from the measured variables s 1 and s 2 and the three angles θ 1, θ 2 and θ 3 are calculated. Aus den Dreiecken P 1 P 2 C und P 2 P 3 A folgt nämlich Of the triangles P 1 P 2 and P 2 C P 3 A follows namely

Damit kann aus Gl. Thus, from Eq. (12) der Winkel η 7 , berechnet werden. (12) the angle η 7, are calculated. Gl. Eq. (12) hat die Form (12) has the form

t = G . t = G. sinη 7 + H . sinη 7 + H. cosη 7 (14) cosη 7 (14)

mit with

Gl. Eq. (12) hat zwei Lösungen für η 7 (12) has two solutions for η 7

Die Entscheidung, welche der beiden Lösungen zu verwenden ist, kann mit Hilfe des Win kels η 6 gefällt werden. The decision, which is to use the two solutions, 6 can be precipitated with the help of the Win cle η. Mit Gl. With Eq. (8) kann Gl. (8) Eq. (10) wie folgt geschrieben werden: Are written (10) as follows:

Dies führt zu einer Bestimmungsgleichung für η 6 This leads to an equation for η 6

Diese Gleichung hat nun die Form -t = J . This equation now has the form t = J. sinη 6 + K . sinη 6 + K. cosη 6 mit den Parametern cosη 6 with the parameters

Die beiden Lösungen für η 6 lauten Are the two solutions for η 6

Von den Lösungen für η 6 und η 7 werden nun anhand der Gl. Of the solutions for η and η 6 7 will now be on the basis of Eq. (4) die richtigen ausgewählt. (4) the selected right.

Die weitere Berechnung erfolgt dann im Dreieck M 1 M 3 B. The further calculation is then performed in the triangle M 1 M 3 B. Hier wird die Strecke Here is the track M₃B M₃B mit dem Sinussatz im Dreieck M 1 M 3 B berechnet. calculated using the law of sines in the triangle M 1 M 3 B.

Damit läßt sich die Strecke This can be the route M₃P₃ M₃P₃ nach der Beziehung according to the relation

M₃P₃ M₃P₃ = = M₃B M₃B - - P₃B P₃B (20) (20)

berechnen. calculate. Dabei werden die Gln. The Gln are. (19) und (3) verwendet. (19) and (3).

Die Summe der Winkel im Dreieck M 3 DE liefert: The sum of the angles in a triangle M 3 EN provides:

Daraus folgt: It follows:

Der Winkel ϕ 4 ergibt sich aus The angle φ 4 is given by

ϕ 4 = η 7 - η 3 - ϕ 3 (23) φ = η 4 7 - η 3 - φ 3 (23)

Da die Koordinaten der Marke M 3 bekannt sind, genügt es die folgenden Differenzen zu berechnen: Since the coordinates of the mark M 3 are known, it suffices to calculate the following differences:

Δx = .DELTA.x = M₃P₃ M₃P₃ sinϕ 4 Δy = sinφ = 4 Dy M₃P₃ M₃P₃ cosϕ 4 (24) cos 4 (24)

Die gesuchten Koordinaten sind damit zu The searched coordinates are thus

x P3 = x 3 - Δx y P3 = y 3 - Δy (25) x P3 = x 3 - P3 .DELTA.x y = y 3 - Dy (25)

Die Koordinaten des Fahrzeuges am Punkt P 4 nach Abschluß der Berechnungen findet man nun aus der Fahrzeuggeschwindigkeit v und der Rechenzeit t r und dem Winkel ϕ: The coordinates of the vehicle at the point P 4 after completion of the calculations can be found now v from the vehicle speed and the calculation time t r and the angle φ:

Damit ergeben sich die Koordinaten des Punktes P 4 in der Form Thus, the coordinates of the point P 4 result in the form

x P4 = x P3 + v . x = x P4 P3 + v. t r . cosϕ y P4 = y P3 + v . t r. y cos y = P4 P3 + v. t r . sinϕ (27) t r. sinφ (27)

Fig. 2 zeigt eine Funktionsstruktur des Systems zur Positionsbestimmung und Winkelbestim mung. Fig. 2 shows a functional structure of the system for determining the position and Winkelbestim determination. Der Scanner 3 erfaßt n Scanwinkel θ i (mindestens aber 3) zu n Marken. The scanner detects 3 n scan angle θ i (but at least 3) n brands. Im Markenaus werter 2 werden alle in Frage kommenden Marken aus der Liste des Markenspeichers 1 aus gelesen und dann die günstigsten drei Marken ausgewählt und die Positionsdaten dieser drei Marken M 1, M 2 und M 3 einschließlich der dazugehörigen Scanwinkel θ 1 , θ 2 und θ 3 an die Positi onsbestimmung 6 zur analytischen Bestimmung von Position und Richtungswinkel übergeben. In Markenaus cheaper 2 all read eligible brands from the list of brand memory 1, and then selected the best three marks and the position data of these three brands M 1, M 2 and M 3, including the associated scan angle θ 1, θ 2 and θ 3 to 6 positi onsbestimmung for the analytical determination of position and direction angle passed. Es ist prinzipiell möglich, daß der Scanner 3 in Wegmessung 5 die Strecken s 1 , s 2 und s 3 über ein Wegmeßverfahren ermittelt, z. B. über die Zählung der Radinkremente 8 mit Radsensoren. It is in principle possible that the scanner 3 in the position measurement 5 lines S 1, S 2 and S 3 determines a Wegmeßverfahren, z. B. on the count of 8 Radinkremente with wheel sensors. Nachteilig ist jedoch der erhöhte Aufwand. However, a disadvantage is the increased effort. Im allgemeinen kann man davon ausgehen, daß das hier nicht dargestellte Fahrzeug bzw. hier der Scanner 3 aufgrund der trägen Masse, der relativ geringen Geschwindigkeit und der relativ schnellen Markenerfassung in der gleichen Weise wie bisher fortbewegt. In general, it can be assumed that the vehicle or in this case the scanner 3 due to the inertial mass, the relatively low speed and relatively rapid brand recognition in the same manner not shown here moves as before. Für kleine Scanzeiten ist die gesuchte Strecke durch Multiplikation der alten Geschwindigkeit mit der Scanzeit relativ genau zu ermitteln, so daß die Wegmessung 5 und die Radinkremente 8 dann nicht mehr benötigt werden. For small scanning times the required distance by multiplying the old speed with the scan time must be determined relatively accurately, so that the position measurement is 5 and the Radinkremente 8 are then no longer needed.

Die abgeschätzten Strecken werden in der Positionsbestimmung 6 verwaltet. The estimated distances are maintained in the position determination 6. Sie berechnet zunächst die Position des Systems bei Punkt P 3 aufgrund analytischer Gleichungen und extra poliert anschließend aufgrund des Richtungswinkels und der Strecke s 3 die Positionsdaten auf den Punkt P 4 . First it calculates the position of the system at point P 3 due to analytical equations and then extrapolated because the direction angle and the distance s 3, the position data to the point P. 4 Für diesen Punkt P 4 stehen damit die genauen Koordinaten x, y und der Richtungswinkel ϕ bereit. Therefore available for this point P 4 the exact coordinates x, y and the direction angle φ ready. Die Daten werden einer Fahrzeugsteuerung 10 über eine Daten schnittstelle zur Verfügung gestellt. The data is provided a vehicle controller 10 via a data interface available.

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. For identification and optimal selection of brands pulls the Markenauswerter 2, the position of the scanner zoom, the position determination 6 in the previous calculation he had averages. 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. At the start of the operation, the initial position x a, y a and φ a, therefore, is passed to the Sy stem from outside, eg., Through an operator terminal 9.

Die Funktionsstruktur nach Fig. 2 besteht neben dem Scanner 3 noch aus weiteren Modulen. The functional structure shown in FIG. 2 consists of the scanner 3 or from other modules. In der Praxis ist die Funktionszuordnung fließend. In practice, the mapping function is smooth. Es hat Vorteile für die Fahrzeugsteuerung und das Bedienterminal extra Rechner zu verwenden. It has to use benefits for vehicle control and the operator terminal extra-computer. Damit werden von dem Rechner zur Positi ons und Richtungsbestimmung die Funktionen Markenauswerter, Markenspeicher, Wegmes sung und Positionsbestimmung durchgeführt. Thus, the functions Markenauswerter, brand store Wegmes measurement and position determination may be made by the computer to positi ons and direction determination. Es sind natürlich auch andere Zuordnungen möglich. There are of course other possible assignments.

Die Positionsbestimmung von noch nicht registrierten Marken kann nach der Darstellung von Fig. 3 erfolgen. The positioning of not yet registered marks can be made according to the illustration of FIG. 3. Die Marke wird vorzugsweise im Stand von dem Scanner an den zwei Scanpo sitionen P 1 und P 2 , deren Koordinaten und damit die Strecke s bekannt sind, unter den Winkeln θ 1 , θ 2 gemessen. The mark is preferably in the state of the scanner at the two Scanpo positions P 1 and P 2, the coordinates, and thus the distance s are known, at the angles θ 1, θ 2 is measured. Dann ergeben sich die Koordinaten x m , y m der Marke M durch folgen de Rechnung: Then the coordinates x m, y m of the brand M found by following de account:

k = s - 1 (28) k = s - 1 (28)

1 . First tanθ 2 = k . tanθ = 2 k. tan(π - θ 1 ) (29) tan (π - θ 1) (29)

Daraus folgt dann It follows then

Analog dazu ergibt sich Similarly, results

Im Dreieck gilt allgemein In the triangle is generally

h 2 = 1 . h = 2. 1 k (32) k (32)

so daß sich die Seite f über den Pythagoras ergibt so that the side for about Pythagoras results

f = √ f = √ k² + h² k² + h² (33) (33)

Damit können nun die Koordinaten des Punktes M wie folgt berechnet werden: In order that the coordinates of the point M can now be calculated as follows:

x m = x 1 + f . x m = x 1 + f. cos(ϕ + θ 1 - π) y m = y 1 + f . cos (φ + θ 1 - π) y m = y 1 + f. sin(ϕ + θ 1 - π) (34) sin (φ + θ 1 - π) (34)

Fig. 4 zeigt, daß die Position auch dann ermittelt werden kann, wenn zwei oder sogar alle drei Meßwinkel nach während der Fahrt in Bezug auf eine Marke M gemessen werden. Fig. 4 shows that the position can be determined even when two or even all three measurement angles are measured according to while driving with respect to a mark m. Man muß dann allerdings davon ausgehen, daß man die Strecken nach ihren Längen und Richtun gen durch eine verläßliche Annahme ermitteln kann. However, one must then assume that one can identify the routes according to their lengths and Richtun conditions by a reliable assumption.

Es ist zu erkennen, daß sich die Winkel θ ändern, wenn die Fahrbahn statt durch die ge wünschten Punkte P 1 bis P 4 parallel versetzt durch die Punkte P 1P bis P 4P laufen würde. It can be seen that the angle θ change when the road would take to run a parallel offset by the points P 1P to 4P P by the services requested points P 1 to P 4. Eben so ändern sich die Winkel θ, wenn die Richtung der Fahrbahn in P 1 gedreht wird, so daß die verdrehte Fahrbahn durch die Punkte P 1 , P 2D , P 3D , P 4D laufen würde. Just so change the angle θ when the direction of the road in P 1 is rotated so that the twisted road would run through the points P 1, P 2D, 3D P, P 4D. Derartige Fehler könnten erkannt werden. Such errors could be detected.

Anders verhält es sich jedoch, wenn sich die Fahrstrecke um die Marke M als Mittelpunkt dre hen würde. Otherwise, it behaves but when the route to the brand M would hen as the center dre. Sie verläuft dann durch P 1K bis P 4K . Then passes through P 1K to 4K P. Ein solcher Fehler könnte nicht erkannt werden. Such an error could not be detected. Da alle Winkel θ 1 gleich groß sind wie die Winkel θ 1K , würde das Fahrzeug dann in die falsche Richtung fahren. Since all the angles θ 1 are the same size as the angle θ 1K, would then drive the vehicle in the wrong direction. Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß bereits in P 1K sowohl die Position als auch die Richtung fehlerhaft gewesen sind. A prerequisite for this is that both the position and the direction are already been defective in P 1K.

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. In practice, you can use a single brand in the alternative, to resurface one or more other brands that are more reliable position determination can be performed.

Fig. 5 erläutert, daß auch ohne Wegmeßeinrichtungen in vielen Fällen genau genug gefahren werden kann. Fig. 5 illustrates that can be moved accurately enough in many cases without displacement measuring devices.

Die Fahrt des Fahrzeugs beginnt in P 1 mit den Koordinaten Y 1 , X 1 , und dem Meßwinkel θ 1 in Bezug auf die Marke M 1 . The travel of the vehicle 1 begins in P with coordinates Y 1, X 1, and the measurement angle θ 1 with respect to the mark M first

Bei idealem Verlauf der Sollfahrstrecke würde das Fahrzeug nach s 1s in P 2s mit dem Winkel θ 2s die Marke M 2 messen. With an ideal course of the set route the vehicle were after s 1s 2s in P with the angle θ 2s the M 2 Brand measure. Nach Fortsetzung der Fahrt mit Sollstrecke s durch Punkt P 3s , kommt das Fahrzeug schließlich nach Strecke s 3s in dem gewünschten Punkt P 4s an. After continuing the journey with target distance s through point P 3s, the car finally comes to distance s 3s in the desired point P 4s. In P 3s wird der Scanner unter dem Winkel θ 3s die Marke M 1 lesen. In P 3s the scanner at the angle θ 3s read the label F1.

In einem gewissen Umfang können die gewünschten Sollpositionen überprüft werden. To a certain extent the desired target positions can be checked. Unter der Annahme, daß zwar die Fahrtrichtung richtig, aber die Länge der Strecke s 1s zu kurz abge schätzt wurde, wird die Marke M 2 in Punkt P 2R unter einem Winkel θ 2R gemessen, der kleiner ist als θ 2s . Assuming that, although the direction correctly, but the length of segment s 1s estimates into on short, was the brand M 2 in point P 2R at an angle θ is measured 2R, which is smaller than θ 2s.

Anders verhält es sich, wenn in dieser ungünstigen Position der Marke M 2 zwar die Länge der Strecke s 1s gleich mit s 1i , aber das Fahrzeug von der idealen Spur z. B. nach rechts abweicht. The situation is different if, although in this unfavorable position of the mark M 2 deviates the length of segment s 1s equal to s 1i, but the vehicle for the ideal track. B. to the right. In Punkt P 2l wird die Marke M 2 unter etwa dem gleichen Winkel θ 2l wie in der Sollposition P 2s unter dem Winkel θ 2s gemessen. In point P 2l M 2 brand below about the same angle θ is 2l as in the target position P 2 s at an angle θ 2s measured. Die Abweichung könnte mit dieser Messung noch nicht er kannt werden. The difference could not he be recognized with this measurement.

Unter der Annahme, daß das Fahrzeug den gleichen Richtungsfehler nach rechts beibehält, würde es bei der richtigen Länge der Strecke s 2l (entspricht der Länge der Strecke s 2s ) schließ lich in dem Punkt P 3l ankommen. Assuming that the vehicle maintains the same direction error to the right, it would make the right length of segment s 2l (s 2s corresponds to the length of the route) closing Lich arrive at the point P 3l. Hier kann die Abweichung aber festgestellt werden, da der Winkel θ 3l , unter dem die Marke M 1 gemessen wird, größer ist als d er Winkel θ 3s . Here, the deviation can also be found, since the angle θ 3l, under the brand M 1 is measured, is greater than d angle θ he 3s. Das Ergebnis liegt vor, wenn das Fahrzeug die Position P 4l , erreicht hat. The result is when the vehicle has reached the position P 4l.

Dadurch daß die Fehler erkannt werden, kann die tatsächliche Istposition des Fahrzeugs ge nauer berechnet werden. The fact that the errors are detected, the actual current position of the vehicle can be calculated more precisely ge. Dies gilt sogar dann, wenn keine Wegmeßeinrichtung vorhanden ist. This is true even when there is no displacement measuring device is present.

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Classifications
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Cooperative ClassificationG05D1/0272, G05D1/0236, G01S17/06, G01S17/875, G05D1/0274, G05D1/027
European ClassificationG05D1/02E6B2, G01S17/87C, G05D1/02E14B, G01S17/06, G05D1/02E14D
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DateCodeEventDescription
21 Oct 1999OP8Request for examination as to paragraph 44 patent law
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