專利名稱：引導(dǎo)無人駕駛車輛的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于沿著埋置在道路表面上的導(dǎo)向纜來引導(dǎo)無人駕駛車輛的設(shè)備和方法，且更具體地說，是涉及兩個檢測線圈的使用，這兩個檢測線圈以X配置被設(shè)置在車輛中，以檢測與空間獨立的電磁場方向矢量和電磁場幅度—這些信息被用來測量車輛相對于導(dǎo)向纜的橫向偏移，以對車輛進(jìn)行導(dǎo)向，從而使其沿著導(dǎo)向纜。
在無人駕駛車輛上，已經(jīng)設(shè)置了垂直設(shè)置的線圈，用于檢測導(dǎo)向纜周圍的電磁場，以沿著纜線自動地引導(dǎo)無人駕駛車輛。在已知的設(shè)備中，一個線圈被垂直地設(shè)置，而另一個線圈被水平地設(shè)置。在線圈中感應(yīng)出的電壓得到比較，并被用來確定線圈相對于導(dǎo)向纜的橫向位置。這種位置信息受到處理，并被用于引導(dǎo)車輛。
與這些線圈有關(guān)的輸出電壓，與導(dǎo)向纜中的電流頻率、導(dǎo)向纜電流幅度、距導(dǎo)向纜的徑向距離、線圈鐵芯的大小、線圈匝數(shù)以及線圈主軸與從纜至線圈中心之間的線的夾角(稱為角β)成正比地改變。
當(dāng)各個線圈在垂直于產(chǎn)生磁場的纜線的平面中轉(zhuǎn)動時，其輸出將在線圈鐵芯與圓周方向的磁力線平行時達(dá)到最大。其輸出將在線圈鐵芯與磁力線垂直(即指向或指離連線)時達(dá)到最小(零)。因此，線圈的相對效率以角β的正弦函數(shù)的形式改變。
該sinβ項，反映了在各個線圈位置檢測到的徑向與環(huán)向場的比值，并影響著檢測輸出。因此，兩個線圈所檢測的幅度的差，是取決于該徑向項、各個線圈之間的相應(yīng)距離以及纜線電流的。這些因素中任何一個的改變，都對輸出信號有顯著的影響。另外，根據(jù)角β，與傳統(tǒng)設(shè)備有關(guān)的徑向和/或環(huán)向場信息必須被舍棄，從而使信/噪比不那么理想。傳統(tǒng)線圈配置的另一個缺點，是線圈提供的信息只表示了相對于導(dǎo)向纜的近似橫向偏移，而不是對橫向偏移的距離的測量。因此，只能沿著與偏移相反的方向進(jìn)行車輛引導(dǎo)校正，而沒有精確性。
本發(fā)明的一個目的，是提供一種用于沿著設(shè)置在道路表面的導(dǎo)向纜線引導(dǎo)無人駕駛車輛的設(shè)備，它測量車輛對導(dǎo)向纜線的橫向偏移。
本發(fā)明的另一個目的，是提供一種用于沿著設(shè)置在道路表面上的導(dǎo)向纜線引導(dǎo)無人駕駛車輛的設(shè)備，其纜線的“視場”比傳統(tǒng)設(shè)備中的大。
本發(fā)明的另一個目的，是提供一種設(shè)備，它包括垂直設(shè)置的線圈，這些線圈用于提供偏離中心位移測量信息，以根據(jù)檢測到的距設(shè)置在道路表面上的導(dǎo)向纜線的橫向偏移，來引導(dǎo)無人駕駛車輛，其中該檢測橫向偏移只從一個電磁場方向矢量確定并與所有電磁場幅度分量無關(guān)。
本發(fā)明的又一個目的，是提供一種用于在一個單個的空間點檢測電磁場方向矢量的方法，用于提供一個誤差信號，該誤差信號確定了一個測量結(jié)果，以用于在設(shè)置在道路表面上的導(dǎo)向纜線上引導(dǎo)無人駕駛車輛。
在實現(xiàn)上述目的和其他目的中，該設(shè)備沿著由設(shè)置在道路表面上的導(dǎo)向纜線限定的路徑引導(dǎo)無人駕駛車輛，其中該導(dǎo)向纜線攜帶著一個電流，而該電流在導(dǎo)向纜線周圍的空間中產(chǎn)生電磁場，該設(shè)備包括用于檢測纜線周圍的電磁場的幅度和方向的檢測器。該檢測器由在空間上分開的第一和第二檢測線圈組成，這些線圈具有主軸并以X線圈配置被安裝在所述車輛上，從而使該主軸與電流的方向相交，并與道路表面大體上成+/-45度的角度。各個檢測線圈檢測給定點的磁場的徑向和環(huán)向場矢量，且一個與該第一和第二檢測線圈相連的處理器將該徑向矢量的幅度與環(huán)向矢量的幅度相比較，從而確定檢測器的橫向位置相對于所述導(dǎo)向纜線的測量結(jié)果。
在一種用于沿著由設(shè)置在水平道路表面上的導(dǎo)向纜線限定的路徑引導(dǎo)無人駕駛車輛的方法中，一個電流在導(dǎo)向纜線周圍的空間中產(chǎn)生電磁場，該方法包括以下步驟在所述車輛上安裝一個第一線圈，該第一線圈的主軸與水平方向成+45度；在所述車輛上安裝一個第二線圈，該第二線圈的主軸與水平方向成-45度，從而使第一和第二線圈的軸沿著電流的方向相交；用各個線圈檢測電磁場的徑向和環(huán)向場矢量；
將徑向矢量的幅度與環(huán)向矢量的幅度相比較，以建立線圈的軸的相交點的橫向位置相對于路徑的偏離中心偏移信息；以及將該信息傳送到一個駕駛組件，以對該車輛進(jìn)行駕駛。
通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的最佳實施例所進(jìn)行的詳細(xì)描述，可以容易地理解本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點。


圖1是在導(dǎo)向纜線上的無人駕駛車輛的前視或后視示意圖；圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一和第二線圈、攜帶有交流電的導(dǎo)向纜線產(chǎn)生的電磁場的磁力線和電壓，這些線圈相對于水平大體成+/-45度地安裝；圖3是框圖，顯示了檢測線圈中的各種電壓和由它們轉(zhuǎn)換成的的輸出偏離中心距離測量信號；且圖4是本發(fā)明的一個實施例的示意框圖。
參見圖1，其中顯示了一個無人駕駛車輛10的前或后視圖，該無人駕駛車輛10沿著設(shè)置在水平道路表面14上的導(dǎo)向纜線12移動。在車輛10上，安裝有一個檢測器16，該檢測器16由兩個檢測線圈18、20組成。一個線圈18與道路表面14成+45度，而另一個線圈20則成-45度。+45和-45表示線圈的軸或其芯與道路表面14或水平方向的夾角。線圈16、18的軸沿著電流流動的方向相交。導(dǎo)向纜線12攜帶有交流電流，而當(dāng)該交流電流沒有受到干擾時，它產(chǎn)生具有圓形磁力線的電磁場，該電磁場在線圈18和20中產(chǎn)生出電壓，這些電壓可以被用來測量車輛10相對于導(dǎo)向纜線12的橫向偏離中心位置，并隨后被用于沿著纜線駕駛車輛。
現(xiàn)在參見圖2-4描述無人駕駛車輛10在纜線12上得到引導(dǎo)的方式。圖2中的虛線，代表導(dǎo)向纜線12周圍的磁場的環(huán)向矢量。這些磁力線代表纜線12附近的區(qū)域不受鐵磁物體和其他電流輸送體的影響的情況(這些影響將使磁力線的圓形橫截面發(fā)生畸變)。檢測線圈18、20的高度h保持不變。
由于線圈18、20的幾何安裝設(shè)置—其中各個主軸與水平成+/-45度，各個線圈產(chǎn)生的輸出電壓，是導(dǎo)向纜線12的柱形電磁場的水平和縱向部分的矢量和。當(dāng)檢測器16的中心位于纜線的上方時，各個線圈18、20感覺到的水平和縱向信號的幅度是相等的。然而，各個信號的符號相反，因為各個線圈18、20看見的源位于它們的主軸的不同側(cè)。當(dāng)檢測器16沿著橫向移到導(dǎo)向纜線12的左或右側(cè)時，各個線圈18、20的輸出，作為其對水平平面的取向(+/-45度)與在縱向平面中的誤差角度θ之和的函數(shù)而變化。
各個線圈的信號或電壓，當(dāng)其主軸與導(dǎo)向纜線12相垂直時，達(dá)到最大，且當(dāng)其主軸指向?qū)蚶|線時為最小。由于這些線圈18、20在與纜線12平行的平面中移到，同時切割其柱形電磁場，因此它們的輸出信號與(β線圈1或β線圈2)的正弦函數(shù)成正比地變化。
因此，通過用線圈18、20檢測到的環(huán)向矢量之和除徑向矢量之差，得到檢測器16的真正位置或用于以下描述的反饋環(huán)的誤差位置信息。實際的符號，表明它是被除以環(huán)向矢量之差的徑向矢量之和，但為了保存硬件相位比較器操作以監(jiān)測“引導(dǎo)保險”，線圈18、20的極性得到適當(dāng)選取，以便當(dāng)檢測器16的中心位于纜線12上方時，線圈的輸出的相位相差180度。因此，當(dāng)檢測器16的中心位于纜線12上方時，矢量相等但符號相反，分子中的徑向矢量彼此抵消，同時在分母中環(huán)向矢量相加而得到加倍。由于高度h保持為正，即檢測器16停留在纜線12之上，所以該分母將不會變成零而使除運算無效。
參見圖2，以下的公式適用線圈1的信號＝K1×sin(β線圈1)線圈2的信號＝K1×sin(β線圈2)因此距離(+/-Err)＝高度×(線圈2的信號+線圈1的信號)/(線圈2的信號-線圈1的信號)以下是上述線性測量公式的數(shù)學(xué)證明。
其中定義從豎直方向沿順時針(CW)方向的角度為正。
半徑r被定義為線圈18、20的中心與纜線12的中心之間的線段/距離。
電流被定義為導(dǎo)線中的電流。
頻率被定義為電流的頻率。
高度h是從纜線至其中線圈18、20能夠移動的水平平面的縱向距離。
距離d(+/-)是從纜線至線圈的中心的水平距離。
α線圈1是線圈1(+45)的偏離垂直角。
α線圈2是線圈2(-45)的偏離垂直角。
θ是半徑與高度之間的誤差角。
K1與電流、頻率和電感成正比并與半徑成反比線圈1的信號＝K1×sin(β線圈1)(公式1)線圈2的信號＝K1×sin(β線圈2)(公式2)如圖2所示β線圈1＝θ－α線圈1且β線圈2＝θ－α線圈2由于當(dāng)θ＝α線圈1，β線圈1變成零且當(dāng)θ＝α線圈2時β線圈2變成零因此線圈1的信號＝K1×sin(θ－α線圈1)(公式3)線圈2的信號＝K1×sin(θ－α線圈2)(公式4)從sin(A－B)＝sin(A)cos(B)－cos(A)sin(B)，公式3和4能夠被展開如下線圈1的信號＝K1×(sinθ×cosα線圈1－cosθ×sinα線圈1)(公式5)線圈2的信號＝K1×(sinθ×cosα線圈2－cosθ×sinα線圈2)(公式6)由于按照定義
α線圈1＝+45度，且α線圈2＝-45度我們看到；sinα線圈1＝cosα線圈1＝-sinα線圈2＝cosα線圈2而所有的幅度都等于(2的平方根)/2，即等于0.707仍然參見圖2所示的幾何設(shè)置，可以看到sinθ＝距離/半徑＝d/r且cosθ＝高度/半徑＝h/r借助以下替換，公式5和6能夠得到簡化線圈1的信號＝K1×(d/r×0.707－h(huán)/r×0.707)線圈1的信號＝K1×(d/r×0.707－h(huán)/r×(-0.707))或者，當(dāng)K’＝(K1×0.707)/r時線圈1的信號＝K’×(d-h)線圈2的信號＝K’×(d+h)為了以檢測器的高度h解出所希望的誤差距離(+/-d)，兩個線圈的輸出被按照以下的方式結(jié)合起來(線圈2的信號＋線圈1的信號)/(線圈2的信號－線圈1的信號)＝K’×((d＋h)＋(d－h(huán)))/(K’×((d＋h)－(d－h(huán))))＝(d＋h＋d－h(huán))/(d＋h－d＋h)＝d/h＝距離/高度因此距離(+/-Err)＝高度×(線圈2的信號＋線圈1的信號)/(線圈2的信號－線圈1的信號)
對這個解的利用，與已知的用于駕駛無人駕駛車輛的裝置相結(jié)合，能夠以如圖3所示的框圖實施。
參見圖3，可以看到單獨的加、減、除和乘，都是獲得該解所要求的，并可以通過模擬或數(shù)字電路來進(jìn)行處理。其他的信號處理，即濾波、交流解調(diào)、A/D轉(zhuǎn)換，能夠方便地實現(xiàn)。
為了利用檢測器16，線圈18、20的輸出必須得到同步解調(diào)，以保存符號信息。
圖4以框圖形式顯示了將“X線圈”檢測器應(yīng)用于無人駕駛車輛10的駕駛系統(tǒng)中的一種方法。
參見圖4，上述“X線圈”配置的一個例子是為車輛10設(shè)計的，用于在高于100毫安引導(dǎo)纜線3英寸的工作高度上進(jìn)行駕駛，給出+/-3英寸的硬件“引導(dǎo)保險”寬度。然而，對于其中檢測器高度h更高或更低的情況，可以采用以下描述的軟件“引導(dǎo)保險”特征，從而使檢測器16能夠方便地覆蓋1至6英寸高度的范圍。采用AGC，數(shù)字駕駛單元能夠處理20至400毫安的纜線電流、1至6英寸的高度范圍和+/-12英寸的水平偏離范圍。
采用高Q值濾波器和同步解調(diào)器，頻率和相位不同步的外部信號被拒絕。然而，不會被拒絕的一個信號，是附近的相同的導(dǎo)線，諸如路徑中的“返回切入”情況。返回切入將使電磁場畸變，從而使檢測器的零點漂移。這種畸變將造成一個零點漂移，該零點漂移與檢測器至各個纜線的距離成正比，即如果高度為3英寸且返回切入為24英寸，零點將漂移整個輸出位置(在3英寸高度時為3英寸)的3/24，或3/24×3＝3/8英寸，而漂移的方向取決于“返回切入”的相位。在兩個纜線之間距離的一半處，當(dāng)所產(chǎn)生的環(huán)向矢量變?yōu)榱銜r，每一個指標(biāo)都下降。在10至12英寸的范圍，由于接近20英尺的返回切入，在10至12英寸的范圍，線性也下降。由于這些原因，該電流單元在水平位移為+/-8英寸處將檢測器的輸出信號定標(biāo)至+/-全范圍。
因此，檢測器16的視場將被大大增大，而不損失左和右側(cè)的方向性。這改善了“偏離導(dǎo)線操縱”的回復(fù)過程。另外，借助線性的巨大改進(jìn)，以及目前的車輛檢測器高度設(shè)置，所有的輸出都變成+/-8英寸的單一比值，從而提供了+/-4英寸的偏離導(dǎo)線駕駛調(diào)節(jié)，以應(yīng)付“返回切入”和/或?qū)?zhǔn)負(fù)載的中心。
較寬的“視場”和線性性，提供了可變的編程“引導(dǎo)保險”界限。這種特征已經(jīng)被證明是在監(jiān)測“偏離導(dǎo)線操縱”中有用的。內(nèi)部的硬件相位比較器提供了初級的+/-“引導(dǎo)保險”輸出。但該窗口并不是是為所有的檢測器高度設(shè)定的。
借助這種“X線圈”配置，該+/-“引導(dǎo)保險”窗口變得等于導(dǎo)線上方的線圈18、20的高度h，即對于位于導(dǎo)線中心上方3英寸處的檢測器16，該“引導(dǎo)保險”窗口將為+/-3英寸，并在導(dǎo)線深度改變+/-1/2英寸時改變+/-1/2英寸。在一個車輛微計算機(jī)的控制下，該數(shù)字駕駛軟件將控制哪一個或兩個“引導(dǎo)保險”信號將被激活。
雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的最佳實施例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該能夠理解所附權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)的各種替換設(shè)計和實施例。
權(quán)利要求
1.用于沿著由設(shè)置在水平道路表面上的導(dǎo)向纜線限定的路徑引導(dǎo)無人駕駛車輛的設(shè)備，所述導(dǎo)向纜線輸送一個電流，從而在該導(dǎo)向纜線周圍的空間中產(chǎn)生了一個電磁場，所述設(shè)備包括檢測器裝置，用于檢測該電磁場的方向和幅度；所述檢測器裝置包括彼此分開的第一和第二檢測線圈，這些檢測線圈以X線圈配置安裝在所述車輛上，從而使所述主軸相交并相對于所述道路表面大體成+/-45度；各個檢測線圈檢測所述磁場的徑向和環(huán)向場矢量；以及與所述第一和第二檢測線圈相連的裝置，用于將該徑向矢量的幅度與環(huán)向矢量的幅度相比較，從而確定所述檢測器裝置相對于所述導(dǎo)向纜線的橫向位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述第一和第二線圈具有鐵芯長度和鐵芯直徑，且其中所述線圈之間的所述間隔至少等于一個鐵芯長度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，進(jìn)一步包括一個安裝板，該板具有第一和第二側(cè)，用于以+45度將所述第一檢測線圈安裝在所述安裝板的第一側(cè)上，并以-45度將所述第二檢測線圈安裝在所述第二側(cè)上，且其中所述安裝板被固定在所述車輛上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述比較裝置用該環(huán)向矢量除檢測到的電磁場徑向矢量，從而使該比值與所述檢測器的水平位移同所述檢測器在所述纜線上的高度的比值成正比。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的設(shè)備，進(jìn)一步包括用于車輛駕駛的裝置，該裝置與所述比較裝置相連，用于響應(yīng)于所述比較裝置處理的輸出而對所述車輛進(jìn)行駕駛。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述駕駛裝置是數(shù)字駕駛系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述駕駛裝置是模擬駕駛系統(tǒng)。
8.用于沿著由設(shè)置在道路表面上的導(dǎo)向纜線限定的路徑引導(dǎo)無人駕駛車輛的方法，所述導(dǎo)向纜線攜帶有電流，從而在導(dǎo)向纜線周圍的空間中產(chǎn)生一個電磁場，所述方法包括以下步驟安裝一個第一線圈，它具有與所述車輛的水平方向成+45度的線圈主軸；安裝一個第二線圈，它具有與所述車輛的水平方向成-45度的線圈主軸，從而使所述第一和第二線圈的所述軸相交；用各個線圈檢測該電磁場的徑向和環(huán)向場矢量；將各個線圈的徑向矢量幅度與環(huán)向矢量的幅度相比較，從而確定所述線圈的軸的交點相對于導(dǎo)向纜線的橫向位置，以表明所述車輛相對于所述路徑的橫向偏移。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述第二線圈的所述安裝步驟包括使所述線圈相距至少一個線圈鐵芯長度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括將所述橫向偏移信息傳送到一個控制器以進(jìn)行車輛駕駛的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述線圈的軸的交點的橫向位置由以下公式確定距離(+/-Err)＝高度×(線圈2的信號+線圈1的信號)/(線圈2的信號-線圈1的信號)其中距離(+/-)＝從纜線至線圈中心的水平距離高度＝從纜線至線圈能夠在其中運動的水平平面的縱向距離。
全文摘要
用于沿著由設(shè)置在道路表面上的導(dǎo)向纜線限定的路徑引導(dǎo)無人駕駛車輛的方法和設(shè)備，包括安裝一個第一線圈，該線圈具有與所述車輛的水平方向成+45度的線圈主軸；安裝一個第二線圈，它具有與所述車輛的水平方向成-45度的線圈主軸，從而使所述第一和第二線圈的主軸相交；用各個線圈檢測電磁場的徑向和環(huán)向場矢量；比較各個線圈的徑向矢量幅度和環(huán)向矢量幅度，從而確定線圈的主軸的交點相對于導(dǎo)向纜線的橫向位置，以表明車輛相對于所述路徑的橫向偏移。
文檔編號B62D1/28GK1139201SQ95106618
公開日1997年1月1日 申請日期1995年6月27日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月27日
發(fā)明者科內(nèi)爾·W·奧爾夫斯, 羅納德·R·德倫斯 申請人:杰維斯·B·韋布國際公司