DE19816785C2 - Method for determining the position and / or guiding a moving object - Google Patents

Method for determining the position and / or guiding a moving object

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Description

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 Pat. No. 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. 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.The invention is based on a method that is often used to determine the position of Ob projects or is used for guidance of vehicles without a guide wire. Such a vehicle has its own drive, steering facilities with sensors that monitor the environment capture the exercise of the vehicle and a computer that uses the sensor signals to control the Vehicle.

Es ist bekannt, Lasernavigation zur Führung von Fahrzeugen einzusetzen. In US 4 817 000 A 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 Rich­ tungswinkel berechnet werden.It is known to use laser navigation to guide vehicles. In U.S. 4,817,000 A the distances to at least three marks are measured with a laser scanner Positions are known. The position of the vehicle and its Rich angle can be calculated.

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.DE 39 30 109 C1 describes how the angle between the vehicle axle and the laser rays to be measured by the three marks. The brands are at an equal distance attached to 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. Aus den Fehlern zwischen den gemessenen und den geschätzten Winkel werden mit Hilfe eines Kalmanfilters Korrekturwerte 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.In US Pat. No. 4,847,769 A, the angles are also measured with respect to a number of marks and with an estimate compared that are determined from dead reckoning. From the mistakes between the The measured and estimated angles are corrected using a Kalman filter calculated for the position and the direction angles. For this, the statistics need to be random Errors of the measured quantities must be known. For lack of better knowledge, you will be in a for the Calculation adopted in a workable form.

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 unberücksich­ tigt. 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. Außer­ dem wird für die Auswertung eine häufig nicht zu vernachlässigende Rechenzeit benötigt, wäh­ rend der das Fahrzeug einen Weg zurücklegt. Daher wird jede Marke an einer anderen Position erfaßt. Die Positionsfehler sind ohne Berücksichtigung des zurückgelegten Weges nur dann gering, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit sehr klein ist und die Drehzahl des Laserscanners groß ist.All of the above-mentioned methods assume that the acquisition of the measured variables from one and takes place from the same position of the vehicle, d. H. the vehicle movement is not taken into account does. In practice, however, this is only approximately permissible, since the vehicle with the The laser scanner moves and the laser can only rotate at a finite speed. Except this often requires a computational time that cannot be neglected for the evaluation, wäh rend that the vehicle covers a distance. Hence, each brand is in a different position recorded. The position errors are only then without taking into account the distance covered low when the vehicle speed is very low and the speed of the Laser scanner is great.

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.At higher vehicle speeds, however, this also requires a faster one Evaluation device which, due to the complexity of the algorithms, is always a complex computer system. This drives up costs.

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. 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. Koppelnavigation wird im allgemeinen mit Inkrementalgebern und Lenkwinkelsensoren durchgeführt. Trotz des höheren Aufwandes ergeben sich Fehler, z. B. durch Schlupf.No. 4,727,492 A discloses a method for determining the position and guiding a movable Known object with a laser scanner, which rotates around a vertical axis and the Angle to the marks recorded. In addition, a dead reckoning system is provided, which measures the distances between the scan positions, with the position and direction of the Scanners determined by means of the distances covered and corrected with the measuring angles will. Dead reckoning is generally done with incremental encoders and steering angle sensors carried out. Despite the higher effort, errors arise, e.g. B. by slip.

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. Das Verfahren sollte möglichst mit geringem Aufwand auskommen und trotzdem relativ genau sein.The invention is based on the object of providing a method of the type mentioned at the beginning improve that a position determination and / or guidance of a moving object is possible taking into account the distance covered. The procedure should be if possible get by with little effort and still be relatively accurate.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Während sich das Objekt bewegt, erfaßt der Scanner verschiedene reflektierende Marken unter entsprechenden Winkeln. Während dieser Bewegung legt er zwischen jeder Messung einen entsprechenden Weg zurück. Die Positions- und/oder Richtungsberechnung berücksichtigt die zurückgelegte Strecke zwischen den verschiedenen Scanpositionen. Da auch für die Berechnung eine gewis­ se Zeit notwendig ist, kann bei Bedarf auch die während der Rechenzeit zurückgelegte Weg­ strecke berücksichtigt werden.This object is achieved according to the characterizing part of claim 1. While that Moving an object, the scanner detects various reflective marks under corresponding ones Angles. During this movement he places a corresponding one between each measurement Way back. The position and / or direction calculation takes into account the distance covered Distance between the different scan positions. There is also a certain amount for the calculation If this time is necessary, the distance covered during the computing time can also be used route must be taken into account.

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 sei­ ne 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.For the guidance of an object is not only the current position but also the direction of the property is important. The scanner is located on the object and is therefore with respect to it ne own axis and on the object axis in a known position. It will be after in the following it is assumed that the direction of the scanner is also used to guide the object or the object is determined, if this is necessary if necessary. In the following general my only spoken of positioning.

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. 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.The advantages achieved by the invention are in particular that the routes can be detected more or less precisely and who is taken into account for the position of the scanner the. As a result, the position determination is much more accurate than with methods in which in principle it is assumed that during the measurement of the different measuring angles no distance is covered.

Grundsätzlich könnten die Wegstrecken zwischen den Scanpositionen auch mit Radinkremen­ talgebern erfaßt werden. Diese Sensoren sind jedoch zum Teil sehr teuer und aufwendig in der Montage. Des weiteren versagen sie bei Schlupf. Daher ist es von Vorteil, die Fahrzeugposition mehr oder weniger genau abzuschätzen. 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. 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.In principle, the distances between the scanning positions could also be made with wheel cremes talbers are recorded. However, some of these sensors are very expensive and complex Assembly. Furthermore, they fail when they hatch. Therefore it is beneficial to know the vehicle position more or less accurately estimate. According to claim 2, it is also possible to use the vehicle position to capture or estimate more or less precisely, if the distances between between the measuring angles cannot or cannot be detected directly. Under the assum me that the vehicle moves between the scan positions at approximately the same speed and direction somewhat uniformly and also moved roughly in the same direction or that z. B. the change in direction is uniform and so known when traveling in a circle, the Route continuation can be extrapolated from the old previous values.

Durch die Messungen mit dem Scanner werden die extrapolierten Werte überprüft bzw. z. T. auch korrigiert.The extrapolated values are checked or z. T. also corrected.

Nach Anspruch 2 wird nachfolgend im allgemeinen davon ausgegangen, daß das Objekt ein Fahrzeug ist. Besonders interessant ist dieses Verfahren für sogenannte fahrerlose Transport­ fahrzeuge. Im innerbetrieblichen Transport fahren diese Fahrzeuge häufig mit 1 m/s. Laser­ scanner rotieren häufig mit etwa zehn Umdrehungen pro Sekunde, so daß pro Umdrehung im­ merhin 100 mm zurückgelegt werden. Für ein mm-genaues Fahren ist diese Strecke aber nicht mehr zu vernachlässigen. Durch die Erfindung ist es jedoch möglich, mit relativ einfachen Mit­ teln die Fahrzeuge 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.According to claim 2 it is generally assumed below that the object is a Vehicle is. This process is particularly interesting for so-called driverless transport vehicles. In internal transport, these vehicles often travel at 1 m / s. Laser scanners often rotate at about ten revolutions per second, so that im at least 100 mm can be covered. However, this route is not suitable for driving with millimeter accuracy more negligible. With the invention, however, it is possible with relatively simple to guide the vehicles with the required accuracy. In principle, scanners could use different frequencies and techniques are used. Laser scanners are, however very advantageous as 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. Es ergeben sich wieder sehr viel bessere Werte, wenn das Fahrzeug sehr langsam fährt oder sogar stoppt.Errors in the underlying speed or direction lead, in particular, to length ren driving distances to a no longer negligible inaccuracy in the Positioning. Much better values are obtained again when the vehicle drives very slowly or even stops.

Mit dem Verfahren nach Anspruch 3 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 gemessen 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.With the method according to claim 3, new ones can also be used in an existing system previously unknown brands are measured. Assuming the scanner Cannot measure distances directly, the angle to the new mark must be at two or more points measured from the desired route or other known measuring points will. The data can therefore be relative in relation to the route or absolute in relation to a Coordinate system can be detected. In principle, the calibration can be carried out during a so-called teach be done in-drive. The vehicle is then usually guided on this teach-in route. It It is of course also possible to program or control the vehicle so that it is controlled by the Teach-in distance deviates.

Nach Anspruch 4 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 während der Fahrt die Winkel nur immer auf dieselbe Marke gemessen. Hiermit können dann in einem gewissen Umfang die Abweichungen von der Position überprüft werden.According to claim 4, the measuring angles do not have to be taken from three different brands will. In principle, it is also possible for the position of the vehicle to be more or less is determined or estimated when the vehicle is out of driving after the next Rotation of the scanner measures the angle at the same mark. In extreme cases, during while driving, the angles are always measured to the same mark. This can then be used in one to a certain extent the deviations from the position are checked.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigenEmbodiments of the invention are shown in the following drawings and are described in more detail below. Show it

Fig. 1 die Meßgrößen und Parameter zur Positionsbestimmung bei Bewegung, Fig. 1, the variables 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 Estimation of the position at a single mark,

Fig. 5 Abschätzung der Position ohne Wegmeßeinrichtung. Fig. 5 Estimation of the position without a distance measuring device.

Wesentliche Grundlagen des Meßverfahrens werden anhand von Fig. 1 verdeutlicht. 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.The essential fundamentals of the measurement method are illustrated in FIG. 1. For the sake of simplicity, it is assumed below that the object is a vehicle and that the distances covered by the vehicle are ideal straight lines.

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 Fahrzeugach­ se bezogen bei Punkt P1 die Marke M1, unter dem Meßwinkel θ1, an der Position P2 die Marke M2 unter dem Meßwinkel θ2 und bei Position P3 die 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 abge­ schätzt werden. Da für die Bestimmung des Ergebnisses Rechenzeit benötigt wird, steht dieses erst am Punkt P4 zu Verfügung. Da aber die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Rechenzeit be­ kannt sind bzw. leicht bestimmt werden können, läßt sich die Strecke s3 bzw. Punkt P4 ermit­ teln. A scanner 3 located on a vehicle (not shown further) moves through points P 1 to P 4 . The continuously revolving scanning beam detects the vehicle axis at point P 1, the mark M 1 , at the measurement angle θ 1 , at the position P 2, the mark M 2 under the measurement angle θ 2 and at position P 3, the mark M 3 below the measuring angle θ 3 . The position P 3 can be calculated according to the invention if the three angles θ 1 , θ 2 and θ 3 between the direction of movement of the vehicle and the marks and the distance between the points P 1 , P 2 and P 3 , given by the distances s 1 and s 2 , are known. The distances s 1 and s 2 can be estimated. Since computing time is required to determine the result, it is only available at point P 4 . But since the vehicle speed and the computing time are known or can be easily determined, the distance s 3 or point P 4 can be determined.

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 diesen Richtungswinkel ϕ.The three scanning beams do not intersect in one point, but in A, B, C, which the Zwi between angles α and β are assigned. The path of the scanner in the considered section has the direction angle ϕ with respect to the x-axis of the reference system. The task of the Position system is to determine the x and y coordinates of the scanner as well as this Directional angle ϕ.

Diese Aufgabe wird hier analytisch gelöst. Dazu müssen folgende Größen bekannt sein:
This task is solved analytically here. To do this, the following variables must be known:

  • - die Streckenabschnitte s1, s2 und s3 - the route sections s 1 , s 2 and s 3
  • - die Positionen der Marken M1, M2 und M3 - the positions of the brands M 1 , M 2 and M 3
  • - die von Scanner gemessenen Scanwinkel θ1, θ2 und θ3.- the scanning angles θ 1 , θ 2 and θ 3 measured by the scanner.

Die Markenpositionen sind a priori bekannt, da es sich um ortsfeste Marken handelt. Die Strec­ kenanschnitte s1, s2 und s3 müssen während des Scanvorganges abgeschätzt werden. Dabei bedeutet s3 den Streckenabschnitt, den das Fahrzeug während der Auswertung der Daten zu­ rücklegt. Die Position steht daher erst am Punkt P4 zur Verfügung.The brand positions are known a priori because they are fixed brands. The Strec kenanschnitte s 1 , s 2 and s 3 must be estimated during the scanning process. Here s 3 means the route section that the vehicle covers while evaluating the data. The position is therefore only available at point P 4 .

In einem beliebigen Dreieck können die Seiten a, b, c und die Winkel η1, η2 und η3 berechnet werden, wenn die Koordinaten der Eckpunkte bekannt sind. Die Punkte M1, M2 und M3 bedeu­ ten drei retroreflektierende Marken, deren Koordinaten (x1, y1), (x2, y2) und (x3, y3) im kartesi­ schen Koordinatensystem bekannt sind.In any triangle, the sides a, b, c and the angles η 1 , η 2 and η 3 can be calculated if the coordinates of the corner points are known. The points M 1 , M 2 and M 3 mean three retroreflective marks whose coordinates (x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ) and (x 3 , y 3 ) are known in the Cartesian coordinate system.

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:
With the coordinates of the marks M 1 , M 2 and M 3 , the sides a, b and c as well as the angles η 1 , η 2 and η 3 can be calculated as follows:

Im Dreieck M1M2M3 gilt
In the triangle M 1 M 2 M 3 applies

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 gilt
Using the measured angles θ 1 and θ 3 as well as the distances s 1 and s 2 , the side P 3 B of the triangle P 1 P 3 B can be calculated. According to the sine law, the following applies

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
The calculation is only for angles θ 3 - θ 1 ≠ 2. n. π is possible because for n = 0, 1, 2, 3. . . division by zero takes place. In addition, only the calculation of η 7 is required to determine the position of P 3. With the help of η 6 , however, a quick check of the calculation results is possible, please include, since the sum of the angles in each square is 2π, ie in the square M 1 M 2 M 3 B applies

η2 + η6 + η7 + α + β = 2π. (4)η 2 + η 6 + η 7 + α + β = 2π. (4)

Fig. 1 zeigt auch die zur Berechnung von η6 und η7 benötigten Größen.
Fig. 1 also shows the need for the calculation of η η 6 and 7 sizes.

a = M₁M₂ m = M₂P₂ α = θ2 - θ1 (5a)
a = M₁M₂ m = M₂P₂ α = θ 2 - θ 1 (5a)

b = M₂M₃ t = AC β = θ3 - θ2 (5b)
b = M₂M₃ t = AC β = θ 3 - θ 2 (5b)

c = M₁M₃ n = AP₂ α + β = θ3 - θ1 (5c)c = M₁M₃ n = AP₂ α + β = θ 3 - θ 1 (5c)

Mit Hilfe des Sinussatzes ergeben sich folgende Zusammenhänge:
Im Dreieck M2M3A gilt
With the help of the law of sine the following relationships result:
In the triangle M 2 M 3 A applies

und damit
and thus

Im Dreieck M1M1C gilt
In the triangle M 1 M 1 C applies

und damit
and thus

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

Aus Gl. (4) kann entweder η6 oder η7 freigestellt werden:
From Eq. (4) either η 6 or η 7 can be optional:

η6 = 2π - (α + β + η2 + η7) (7)
η 6 = 2π - (α + β + η 2 + η 7 ) (7)

η7 = 2π - (α + β + η2 + η6) (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 following mathematical relationships are used for the sine:

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

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

Ersetzt man η6 in der Gl. (6), so erhält man folgende Beziehung:
If η 6 is replaced in Eq. (6), the following relationship is obtained:

Mit Hilfe der Gl. (9) wird daraus
With the help of Eq. (9) becomes from it

Die Sinus- und Kosinusterme von η7 werden zusammengefaßt
The sine and cosine terms of η 7 are combined

Die Winkel α und β sind nach Gl. (5a und b) durch die gemessenen Winkel θ1, θ2 und θ3 be­ 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
The angles α and β are according to Eq. (5a and b) determined by the measured angles θ 1 , θ 2 and θ 3 . The distance t can now be calculated from the measured quantities s 1 and s 2 as well as the three angles θ 1 , θ 2 and θ 3 . It follows from the triangles P 1 P 2 C and P 2 P 3 A

Damit kann aus Gl. (12) der Winkel η7, berechnet werden. Gl. (12) hat die Form
Thus, from Eq. (12) the angle η 7 , can be calculated. Eq. (12) has the form

t = G . sinη7 + H . cosη7 (14)
t = G. sinη 7 + H. cosη 7 (14)

mit
with

Gl. (12) hat zwei Lösungen für η7 Eq. (12) has two solutions for η 7

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:
The decision as to which of the two solutions to use can be made using the angle η 6 . With Eq. (8), Eq. (10) can be written as follows:

Dies führt zu einer Bestimmungsgleichung für η6 This leads to a determining equation for η 6

Diese Gleichung hat nun die Form -t = J . sinη6 + K . cosη6 mit den Parametern
This equation now has the form -t = J. sinη 6 + K. cosη 6 with the parameters

Die beiden Lösungen für η6 lautenThe two solutions for η 6 are

Von den Lösungen für η6 und η7 werden nun anhand der Gl. (4) die richtigen ausgewählt.From the solutions for η 6 and η 7 , Eq. (4) the right ones selected.

Die weitere Berechnung erfolgt dann im Dreieck M1M3B. Hier wird die Strecke M₃B mit dem Sinussatz im Dreieck M1M3B berechnet.
The further calculation then takes place in the triangle M 1 M 3 B. Here the distance M₃B is calculated with the sine law in the triangle M 1 M 3 B.

Damit läßt sich die Strecke M₃P₃ nach der Beziehung
This allows the distance M₃P₃ according to the relationship

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

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

Die Summe der Winkel im Dreieck M3DE liefert:
The sum of the angles in the triangle M 3 DE gives:

Daraus folgt:
It follows:

Der Winkel ϕ4 ergibt sich aus
The angle ϕ 4 results from

ϕ4 = η7 - η3 - ϕ3 (23)ϕ 4 = η 7 - η 3 - ϕ 3 (23)

Da die Koordinaten der Marke M3 bekannt sind, genügt es die folgenden Differenzen zu berechnen:
Since the coordinates of the mark M 3 are known, it is sufficient to calculate the following differences:

Δx = M₃P₃sinϕ4 Δy = M₃P₃cosϕ4 (24)Δx = M₃P₃sinϕ 4 Δy = M₃P₃cosϕ 4 (24)

Die gesuchten Koordinaten sind damit zu
The coordinates you are looking for are closed

xP3 = x3 - Δx yP3 = y3 - Δy (25)x P3 = x 3 - Δx y P3 = y 3 - Δy (25)

Die Koordinaten des Fahrzeuges am Punkt P4 nach Abschluß der Berechnungen findet man nun aus der Fahrzeuggeschwindigkeit v und der Rechenzeit tr und dem Winkel ϕ:
The coordinates of the vehicle at point P 4 after completion of the calculations can now be found from the vehicle speed v and the computing time t r and the angle ϕ:

Damit ergeben sich die Koordinaten des Punktes P4 in der Form
This results in the coordinates of point P 4 in the form

xP4 = xP3 + v . tr . cosϕ yP4 = yP3 + v . tr . sinϕ (27)x P4 = x P3 + v. t r . cosϕ y P4 = y P3 + v. t r . sinϕ (27)

Fig. 2 zeigt eine Funktionsstruktur des Systems zur Positionsbestimmung und Winkelbestim­ mung. Der Scanner 3 erfaßt n Scanwinkel θi (mindestens aber 3) zu n Marken. 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 M1, M2 und M3 einschließlich der dazugehörigen Scanwinkel θ1, θ2 und θ3 an die Positi­ onsbestimmung 6 zur analytischen Bestimmung von Position und Richtungswinkel übergeben. Es ist prinzipiell möglich, daß der Scanner 3 in Wegmessung 5 die Strecken s1, s2 und s3 über ein Wegmeßverfahren ermittelt, z. B. über die Zählung der Radinkremente 8 mit Radsensoren. Nachteilig ist jedoch der erhöhte Aufwand. 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. 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. Fig. 2 shows a functional structure of the system for position determination and Winkelbestim determination. The scanner 3 detects n scan angles θ i (but at least 3) to n marks. In the brand evaluator 2 , all possible brands are read from the list of the brand memory 1 and then the cheapest three brands are selected and the position data of these three brands M 1, M 2 and M 3 including the associated scan angles θ 1 , θ 2 and θ 3 passed to the position determination 6 for the analytical determination of position and direction angle. In principle, it is possible for the scanner 3 to determine the distances s 1 , s 2 and s 3 in distance measurement 5 using a distance measurement method, e.g. B. counting the wheel increments 8 with wheel sensors. The disadvantage, however, is the increased effort. In general, it can be assumed that the vehicle, not shown here, or the scanner 3 here, is moving in the same way as before due to the inertial mass, the relatively low speed and the relatively fast mark detection. For short scan times, the route sought can be determined relatively precisely by multiplying the old speed with the scan time, so that the distance measurement 5 and the wheel increments 8 are then no longer required.

Die abgeschätzten Strecken werden in der Positionsbestimmung 6 verwaltet. 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.The estimated routes are managed in position determination 6 . It first calculates the position of the system at point P 3 on the basis of analytical equations and then extra polishes the position data on point P 4 on the basis of the direction angle and the distance s 3 . The exact coordinates x, y and the direction angle ϕ are available for this point P 4. The data are made available to a vehicle controller 10 via a data interface.

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 xa, ya und ϕa daher dem Sy­ stem von außen, z. B. über ein Bedienterminal 9, übergeben.To identify and optimally select the marks, the mark evaluator 2 uses the position of the scanner that the position determination 6 determined in the previous calculation. At the start of operation, the starting position x a , y a and ϕ a is therefore the system from the outside, z. B. via a control terminal 9 , passed.

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 Positi­ ons und Richtungsbestimmung die Funktionen Markenauswerter, Markenspeicher, Wegmes­ sung und Positionsbestimmung durchgeführt. Es sind natürlich auch andere Zuordnungen möglich.In addition to the scanner 3 , the functional structure according to FIG. 2 also consists of further modules. In practice, the assignment of functions is fluid. It has advantages to use extra computers for the vehicle control and the operating terminal. Thus, the functions of mark evaluator, mark memory, path measurement and position determination are carried out by the computer for position and direction determination. Of course, other assignments are also possible.

Die Positionsbestimmung von noch nicht registrierten Marken kann nach der Darstellung von Fig. 3 erfolgen. Die Marke wird vorzugsweise im Stand von dem Scanner an den zwei Scanpo­ sitionen P1 und P2, deren Koordinaten und damit die Strecke s bekannt sind, unter den Winkeln θ1, θ2 gemessen. Dann ergeben sich die Koordinaten xm, ym der Marke M durch folgen­ de Rechnung:
The position of not yet registered marks can be determined as shown in FIG. 3. The mark is preferably measured while the scanner is standing at the two scan positions P 1 and P 2 , the coordinates of which and thus the distance s are known, at the angles θ 1 , θ 2 . Then the coordinates x m , y m of the mark M result from the following calculation:

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

1 . tanθ2 = k . tan(π - θ1) (29)1 . tanθ 2 = k. tan (π - θ 1 ) (29)

Daraus folgt dann
It then follows

Analog dazu ergibt sich
Analogously to this results

Im Dreieck gilt allgemein
In the triangle, the following applies in general

h2 = 1 . k (32)
h 2 = 1. k (32)

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

f = √k² + h² (33)f = √k² + h² (33)

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

xm = x1 + f . cos(ϕ + θ1 - π) ym = y1 + f . sin(ϕ + θ1 - π) (34)x m = x 1 + f. cos (ϕ + θ 1 - π) y m = y 1 + f. 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. Man muß dann allerdings davon ausgehen, daß man die Strecken nach ihren Längen und Richtun­ gen durch eine verläßliche Annahme ermitteln kann. Fig. 4 shows that the position can be determined even when two or even all three measurement angles to while driving with respect to a mark M to be measured. One must then assume, however, that one can determine the routes according to their lengths and directions by a reliable assumption.

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 P1P bis P4P laufen würde. Eben­ so ändern sich die Winkel θ, wenn die Richtung der Fahrbahn in P1 gedreht wird, so daß die verdrehte Fahrbahn durch die Punkte P1, P2D, P3D, P4D laufen würde. Derartige Fehler könnten erkannt werden.It can be seen that the angles θ change if the roadway would run through the points P 1P to P 4P instead of through the desired points P 1 to P 4. The angles θ change in the same way if the direction of the roadway is rotated in P 1 , so that the twisted roadway would run through the points P 1 , P 2D , P 3D , P 4D . Such errors could be detected.

Anders verhält es sich jedoch, wenn sich die Fahrstrecke um die Marke M als Mittelpunkt dre­ hen würde. Sie verläuft dann durch P1K bis P4K. Ein solcher Fehler könnte nicht erkannt werden. Da alle Winkel θ1 gleich groß sind wie die Winkel θ1K, würde das Fahrzeug dann in die falsche Richtung fahren. Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß bereits in P1K sowohl die Position als auch die Richtung fehlerhaft gewesen sind.The situation is different, however, if the route rotated around the mark M as the center point. It then runs through P 1K to P 4K . Such an error could not be detected. Since all angles θ 1 are the same as the angles θ 1K , the vehicle would then drive in the wrong direction. A prerequisite for this, however, is that both the position and the direction have already been incorrect 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 as an alternative, up to one or more other brands appear that allow a more reliable position fix to be performed can be.

Fig. 5 erläutert, daß auch ohne Wegmeßeinrichtungen in vielen Fällen genau genug gefahren werden kann. FIG. 5 explains that in many cases it is possible to drive with sufficient precision even without distance measuring devices.

Die Fahrt des Fahrzeugs beginnt in P1 mit den Koordinaten Y1, X1, und dem Meßwinkel θ1 in Bezug auf die Marke M1.The travel of the vehicle begins in P 1 with the coordinates Y 1 , X 1 , and the measurement angle θ 1 with respect to the mark M 1 .

Bei idealem Verlauf der Sollfahrstrecke würde das Fahrzeug nach s1s in P2s mit dem Winkel θ2s die Marke M2 messen. Nach Fortsetzung der Fahrt mit Sollstrecke s durch Punkt P3s, kommt das Fahrzeug schließlich nach Strecke s3s in dem gewünschten Punkt P4s an. In P3s wird der Scanner unter dem Winkel θ3s die Marke M1 lesen.With the ideal course of the target route, the vehicle would measure the mark M 2 after s 1s in P 2s with the angle θ 2s. After continuing the journey with the desired route s through point P 3s , the vehicle finally arrives at the desired point P 4s after route s 3s . In P 3s the scanner will read the mark M 1 at the angle θ 3s.

In einem gewissen Umfang können die gewünschten Sollpositionen überprüft werden. Unter der Annahme, daß zwar die Fahrtrichtung richtig, aber die Länge der Strecke s1s zu kurz abge­ schätzt wurde, wird die Marke M2 in Punkt P2R unter einem Winkel θ2R gemessen, der kleiner ist als θ2s. The desired target positions can be checked to a certain extent. Assuming that the direction of travel was correct, but the length of the distance s 1s was estimated to be too short, the mark M 2 is measured at point P 2R at an angle θ 2R which is smaller than θ 2s .

Anders verhält es sich, wenn in dieser ungünstigen Position der Marke M2 zwar die Länge der Strecke s1s gleich mit s1i, aber das Fahrzeug von der idealen Spur z. B. nach rechts abweicht. In Punkt P2l wird die Marke M2 unter etwa dem gleichen Winkel θ2l wie in der Sollposition P2s unter dem Winkel θ2s gemessen. Die Abweichung könnte mit dieser Messung noch nicht er­ kannt werden.The situation is different if, in this unfavorable position of the mark M 2 , the length of the route s 1s is equal to s 1i , but the vehicle moves from the ideal lane z. B. deviates to the right. At point P 2l , mark M 2 is measured at approximately the same angle θ 2l as in setpoint position P 2s at angle θ 2s . The deviation could not yet be detected with this measurement.

Unter der Annahme, daß das Fahrzeug den gleichen Richtungsfehler nach rechts beibehält, würde es bei der richtigen Länge der Strecke s2l (entspricht der Länge der Strecke s2s) schließ­ lich in dem Punkt P3l ankommen. Hier kann die Abweichung aber festgestellt werden, da der Winkel θ3l, unter dem die Marke M1 gemessen wird, größer ist als d er Winkel θ3s. Das Ergebnis liegt vor, wenn das Fahrzeug die Position P4l, erreicht hat.Assuming that the vehicle maintains the same directional error to the right, it would at the correct length of the path 2l s (corresponding to the length of segment s 2s) closing Lich arrive at the point P 3l. The deviation can be determined here, however, since the angle θ 3l at which the mark M 1 is measured is greater than the angle θ 3s . The result is available when the vehicle has reached position P 4l .

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.Because the errors are detected, the actual actual position of the vehicle can ge can be calculated more precisely. This applies even if there is no measuring device available.

Claims (4)

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
  • - der Strahl des Scanners um eine senkrechte Achse rotiert und die Winkel zu den Marken erfaßt,
  • - die Wegstrecken zwischen den Scanpositionen, an denen die Winkel gemessen wurden, abgeschätzt werden, 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 Meßeinrichtung bestimmt wird.
1. A method for determining the position and / or guiding a moving object using stationary reflective marks and a scanner with a computer on the object, wherein
  • - the beam of the scanner rotates around a vertical axis and records the angles to the marks,
  • - the distances between the scan positions at which the angles were measured are estimated, characterized in that,
  • - That the position of the vehicle is initially known and the vehicle continues to move substantially at an undiminished speed and in a known direction or that changes in speed and / or direction are known, so that the distances between the scan positions and those covered during the computation time Distance can be estimated and
  • - That thus the position and / or direction of the scanner is determined without a measuring device.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
  • - daß ein Markenspeicher die Ortsdaten der Marken bereithält,
  • - 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,
  • - 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.
2. The method according to claim 1, characterized in that
  • - that a token memory holds the location data of the tokens,
  • - that the scanner is a laser scanner,
  • - That the object is a vehicle and
  • - that the scanner is firmly mounted on the vehicle,
  • - That the position and / or direction determination of the scanner by means of the estimated distances is only carried out as an aid until the vehicle itself can carry out a reliable position and / or direction determination at a standstill or when driving very slowly.
3. 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.
3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that
  • - That the position of unknown marks can be determined by the scanner and added to the database in the mark memory.
4. 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.
4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that
  • - That at least two of the three measuring angles are measured and used one after the other with respect to the same mark to determine the position of the scanner.
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