專利名稱：將跟隨裝置導向活動目標的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明與跟隨系統(tǒng)有關，具體地說，與自動將跟隨裝置導向活動目標的方法和系統(tǒng)有關。
自動跟隨系統(tǒng)已經廣泛地用于汽車、運動、娛樂甚至玩具。作為一個例子，跟隨系統(tǒng)可以用于高爾夫球車。為了打高爾夫球，高爾夫球手總是需要帶著球棒袋在高爾夫球場上來來去去。雖然球棒袋是必需的，但它往往太重，攜帶不方便?，F(xiàn)在，球手有幾個選擇。第一，球手可以雇一個球童來攜帶球棒袋。缺點是雇一個球童很貴。第二，球手可以駕駛一輛打高爾夫球的汽車。這種選擇比雇一個球童便宜，然而打高爾夫球的汽車可能在一些區(qū)域活動受限制。第三，球手可以拉一輛高爾夫球車或直接攜帶球棒袋。然而，拉高爾夫球車或攜帶球棒袋可能使比賽會有些乏味。第四，球手可以使用電池供電的電子駕運車。
現(xiàn)在的電子高爾夫球車在車上配備了一些手控按鈕。高爾夫球手因此能設置車的速度，命令它運動或停止。有些車甚至裝備有遙控器，使高爾夫球手可以對車進行遙控。然而，現(xiàn)有的這些車中還沒有具有自動跟隨能力的。因此這些車具有以下這些缺點。第一，高爾夫球手仍需要為控制車操心。第二，高爾夫球車可能撞人，引起傷害。第三，高爾夫球手可能由于控制高爾夫球車分心而丟球。
自動跟蹤、跟隨或定位系統(tǒng)用來確定需跟隨的運動目標的位置和運動特征。大多數(shù)系統(tǒng)采用兩種方法來達到這個目的。一種方法是所謂″靜止信標″法，在一些固定位置發(fā)送多個基準信號，而所關注的運動目標檢測這些基準信號，計算出各自的位置。這樣的位置信息于是就可以用于跟隨目標。這是在有Loran和GPS(雙曲線遠程導航系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng))配合的系統(tǒng)中采用的方法。第二種方法是使運動目標向跟隨物體發(fā)送一些基準信號。跟隨物體檢測到基準信號，就可以得出需跟隨的目標的位置。為了得到距離和方位信息，跟隨物體通常有一些間隔分布的檢測器。檢測器接收的信號可以用三角測量計算出距離和方位。
上述方法有幾個缺點。第一種方法要求裝備一個基準系統(tǒng)。因此，這種系統(tǒng)費用相當大，維護困難，工作環(huán)境有限。GPS和Loran系統(tǒng)提供方便的全球定位基準，但是它們不能提供足夠精度按諸如高爾夫球車之類的應用需要實時緊緊跟隨。第二種方法本身有幾個缺點。第一，基準信號需要連續(xù)地從需跟隨的目標發(fā)送給跟隨物體。這對便攜式應用有很強的限制。以高爾夫球車或行李車作為一個例子，需跟隨的目標是一個人而跟隨物體是一輛小車。這個人必須攜帶一個發(fā)送很強的跟蹤信號的發(fā)射機。發(fā)送強信號的發(fā)射機功耗很大，因此需要一個大到不適合攜帶的電池為它供電。因此，對于這樣的應用采用這種方法是非常不切實際的。第二，這種方法對采用有向信號(即，在小角度內發(fā)射的信號，例如紅外信號)有限制。這是因為攜帶者身體運動可能引起檢測差錯。第三，在多車跟隨的情況下，這些跟隨車可能跟隨錯誤的人。第四，這種方法沒有障礙檢測能力。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種能克服上述缺點和其它缺點的自動跟隨系統(tǒng)。
按照本發(fā)明的第一方面，所提出的自動化的目標跟隨系統(tǒng)包括一個與跟隨設備配合的跟蹤器和一個與需跟隨的目標配合的導引器。跟蹤器包括一個第一處理器。配置有至少兩個各有一個與第一處理器連接的控制輸入端、產生編碼超聲信號的裝置，根據來自第一處理器的命令信號都朝導引器發(fā)射編碼超聲信號。這些編碼超聲信號載有信號源標識信息。一個射頻(RF)接收機與第一處理器連接，用來從導引器接收載有它的標識和導引器接收到超聲信號的時間的編碼RF信號，供跟蹤器的第一處理器確定導引器相對跟蹤器的距離和方向，操縱跟隨裝置朝向導引器或需跟隨的目標。
對于導引器來說，有一個超聲檢測器檢測由跟蹤器的超聲裝置產生的超聲信號。一個第二處理器與超聲檢測器連接，用來產生它的標識和導引器接收到超聲信號的時間。一個與第二處理器連接的RF發(fā)射機，在超聲檢測器接收到超聲信號時向跟蹤器的RF接收機發(fā)射載有標識和時間信息的編碼RF信號。
值得推薦的是，跟蹤器包括多個與第一處理器連接的紅外(IR)發(fā)射機，每個IR發(fā)射機相對相鄰的IR發(fā)射機指向稍有不同的方向，都向導引器發(fā)射一個載有信號源標識信息的編碼IR信號。導引器最好包括一個與第二處理器連接的IR接收機，用來檢測至少一個IR發(fā)射機產生的編碼IR信號。第二處理器對與它的標識和導引器檢測到的是哪幾個IR信號有關的信息進行編碼，以便利用RF發(fā)射機發(fā)送的編碼RF信號將信息發(fā)送給跟蹤器。因此，編碼RF信號是根據編碼超聲信號的接收時間和IR接收機接收到的是哪幾個編碼IR信號產生的，使得RF發(fā)射機將這種根據超聲和IR信號承載的信息得到的編碼RF信號發(fā)送給跟蹤器的RF接收機。
或者，不用對標識編碼，這些IR發(fā)射機可以以一個為跟蹤器和導引器所知的預定順序依次發(fā)送信號，使導引器可以識別接收到的是哪幾個IR信號。確定導引器檢測到的是哪幾個IR信號使導引器能通過編碼RF信號將這信息發(fā)回給跟蹤器，從而跟蹤器可以精確確定導引器相對跟蹤器的方位角。
按照本發(fā)明的第二方面，提供了一種將一個配有跟蹤器的跟隨裝置導向一個配有導引器的被跟目標的方法。在跟蹤器產生至少兩個都指向導引器的編碼超聲信號。各編碼超聲信號發(fā)自相互隔開的不同的源，載有各自信號源的識別信息。導引器接收到編碼超聲信號后，將一個編碼RF信號發(fā)回給跟蹤器，以便將跟隨裝置導向被跟目標。編碼RF信號載有它的標識和導引器接收到超聲信號的時間，這樣跟蹤器就能確定導引器相對跟蹤器的距離和跟隨方向，將跟隨裝置導向跟蹤器或需跟隨的目標。
值得推薦的是，在跟蹤器產生多個編碼紅外(IR)信號，同時或者按預定順序都向導引器發(fā)送。各IR信號載有各自的信號源標識信息，分別發(fā)向相互稍有不同的方向。編碼RF信號由導引器產生，載有它的標識和有關接收到的是哪幾個IR信號的信息，以便跟蹤器確定導引器相對跟蹤器的距離和方向角。
值得推薦的是這種跟隨系統(tǒng)和方法可以用于諸如自動高爾夫球車和在復雜環(huán)境下的行李車之類的自動跟隨。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是跟蹤器主動地發(fā)送檢測信號(最好有超聲和IR兩種信號)，而導引器被動地接收這些信號，這樣精度高、抗干擾性能強，功耗也低。
第二個優(yōu)點是導引器有一個RF發(fā)射機向跟蹤器發(fā)送編碼標識信號，從而避免了在有幾個跟隨裝置密集而都使用自動跟隨系統(tǒng)時發(fā)生跟蹤器跟隨錯誤的導引器的現(xiàn)象。
第三個優(yōu)點是利用超聲和IR兩種信號測量導引器運動方向是一種非?？煽康姆较驕y定模式。
第四個優(yōu)點是這種跟蹤器的超聲傳感器通過接收從障礙物反射的回聲可以檢測出障礙物，從而能使配有這種跟蹤器的車輛在同障礙物相撞以前自動停止。
第五個優(yōu)點是這種系統(tǒng)有一種模式跟隨導引器的路線和步調，這對諸如高爾夫球車和在擁擠或復雜環(huán)境中行進的行李車之類的車輛是很有利的。


圖1示意性地例示了一個體現(xiàn)本發(fā)明的自動跟隨系統(tǒng)。
圖2示意性地例示了一個引導高爾夫球車的自動跟隨系統(tǒng)的跟蹤器。
圖3示出了一個作為手持單元的自動跟隨系統(tǒng)的導引器。
圖4示意性地示出了圖1的自動跟隨系統(tǒng)的跟蹤器的詳細情況。
圖5是一個例示圖1的自動跟隨系統(tǒng)的操作的流程圖。
圖6示意性地示出了形成跟蹤器的一部分的超聲傳感器的詳細情況。
圖7示意性地示出了形成跟蹤器的一部分的多個IT傳感器。
圖8示意性地示出了形成跟蹤器的一部分的RF接收機的詳細情況。
圖9示意性地示出了圖1的自動跟隨系統(tǒng)的導引器的詳細情況。
圖10示出了這種導引器進行跟隨距離測量的兩個超聲傳感器的位置關系。
圖11是例示射頻信號編碼的信號圖。
參見圖1，圖中示出了一個體現(xiàn)本發(fā)明的自動跟隨系統(tǒng)10。這種跟隨系統(tǒng)包括一個跟蹤器12和一個導引器14。跟蹤器12包括一個具有一些分別與多個超聲傳感器16連接的接線端的第一處理器15，一個射頻(RF)接收機18，多個紅外(IR)發(fā)射機20和一些伺服控制馬達22。伺服控制馬達包括一個轉向控制馬達22a、一個速度控制馬達22b和一個制動系統(tǒng)22c，以便控制與跟隨系統(tǒng)10配合的跟隨裝置的轉向和速度。導引器14包括一個具有一些分別與一個RF發(fā)射機26、一個超聲檢測器28、一個IR接收機30和一個遙控器或遙控邏輯32連接的接線端的第二處理器19。導引器14的超聲檢測器28和IR接收機30分別接收由跟蹤器12的超聲傳感器16發(fā)送的超聲信號和由跟蹤器的IR發(fā)射機20發(fā)送的IR信號。
對于導引器14來說，最好，IR接收機30和超聲檢測器28是大角度多通道的，用來接收載有標識信息的編碼信號，使得導引器14可以在有多個相互接近的跟隨系統(tǒng)的環(huán)境中對這些信號解碼而拒絕那些發(fā)自其他跟蹤器的帶有未知標識的信號。此外，值得推薦的是，RF發(fā)射機26也是多通道的，用來向跟蹤器12發(fā)射編碼RF反饋信號和遙控命令。如在下面結合圖9所說明的，如果經解碼的超聲和IR信號具有表示導引器14接收的信號有效，這些信號就觸發(fā)與RF發(fā)射機26配合的控制邏輯，向跟蹤器12發(fā)送RF反饋信號。如將結合圖9所說明的，與RF發(fā)射機26配合的控制邏輯還接收來自一個與導引器14的遙控邏輯32對接的袖珍鍵盤的輸入，以便用袖珍鍵盤控制跟蹤器的運動。
對于跟蹤器12來說，值得推薦的是，超聲傳感器16是大角度和多通道的，用來發(fā)射編碼檢測信號，IR發(fā)射機20是小角度和多通道的，用來發(fā)送編碼方向測定信號，而RF接收機18也是多通道的，用來接收來自RF發(fā)射機26的編碼RF反饋信號和遙控命令。
圖2示意性地例示了將跟蹤器12用在一個諸如全自動跟隨高爾夫球車34上的情況，跟隨方向如箭頭D所示。高爾夫球車34包括一個主控系統(tǒng)36，用來容納或支持第一處理器15、IR發(fā)射機20和RF接收機18。多個超聲傳感器16最好是兩個16a和16b，相互隔開，配置在高爾夫球車34的前輪38的兩側。伺服控制馬達22與主控系統(tǒng)36內的第一處理器15連接，用來控制高爾夫球車34的后部方向盤42，引導高爾夫球車34以選定速度駛向導引器14。
作為一個例子，圖3例示了體現(xiàn)為一個可以夾在被跟目標(如高爾夫球手背后)上的交互式鍵盤接口17的導引器14。導引器14的上面板44包括一個電源通斷指示燈46，一個顯示內部電池(未示出)剩余供電能力的指示器48，一個在諸如丟失跟蹤器信號之類的告警情況下激活的諸如聲音報警或其他如燈或振動器報警裝置之類的報警器49，一個超聲檢測器28，以及一個IR接收機30。這個單元的下部包括一個具有多個按鈕的袖珍鍵盤，用作與導引器14的遙控器32的接口，遙控配有跟蹤器12的車輛。具體地說，這些按鈕漸進地控制配有跟蹤器12的車輛的方向，如這些按鈕所示。正向或前進按鈕50控制跟蹤器12使跟隨裝置向前運動，左向按鈕52控制跟蹤器使跟隨裝置左轉彎，右向按鈕54控制跟蹤器使跟隨裝置右轉彎，而制動按鈕56控制跟蹤器使跟隨裝置停止；按壓這些按鈕可以推行跟蹤器12的相應自動跟隨特性。按壓正向按鈕50不僅可以控制跟蹤器12使跟隨裝置向前運動，而且每按壓正向按鈕就漸進地增大跟隨裝置的前進速度。
導引器14還包括一些用來執(zhí)行各種操作的按鈕，相應信息通過RF發(fā)射機26發(fā)送給跟蹤器12。RF信號由一個編碼器(見圖9)編碼，這使第一處理器15可以在對RF信號解碼后區(qū)別這些信號和識別出哪幾個信號來自一個可以確認的導引器(見圖8)。如圖3所示，按壓RFCH按鈕58可以調整RF反饋信號的頻道，按壓IRCH按鈕60可以調整跟蹤器12向導引器14發(fā)送IR信號的頻道，按壓DIS按鈕62可以調整跟蹤器12的跟隨距離，按壓PPM按鈕64可以激活步調-路線跟隨控制模式，按壓NFM按鈕66可以激活正常跟隨控制模式，按壓RCM按鈕68可以激活遙控模式，而按壓ON／OFF按鈕70可以切換跟隨系統(tǒng)10的通、斷狀態(tài)。
圖4詳細地例示了跟蹤器12。第一處理器15最好是一個帶有一個價格便宜的微控制器的嵌入系統(tǒng)。這個微控制器具有以下能力監(jiān)視時鐘，產生用于馬達控制的脈寬調制(PWM)，外部中斷，以及數(shù)字輸入輸出。第一處理器15用作中央處理器，確定跟隨系統(tǒng)工作模式，計算跟隨距離和方向，以及與超聲傳感器16、IR發(fā)射機20、RF接收機18和伺服控制馬達22交互作用。如圖4所示，第一處理器15有以下接線端或接口連接Rs-用于通過線72使RF接收機18復位；Int-用于通過線74接收來自RF接收機18的中斷信號，表示有一個信號到達RF接收機；Ult-用于通過線76接收一個表示RF接收機18接收到一個來自RF發(fā)射機26的RF信號；K1，K2，…，Kn-用于通過線78，78接收由RF發(fā)射機26發(fā)送的和由RF接收機18檢測到的控制信號；Echo-用于通過線80接收一個從橫在跟蹤器12和導引器14之間的障礙物返回到超聲傳感器的超聲信號，以便自動停止由跟蹤器12控制的跟隨裝置；Trig-用于通過線82向超聲傳感器16發(fā)送一個觸發(fā)信號；T1，T2-用于通過線84，86發(fā)送帶有伺服控制的超聲傳感器選擇信號；No RF-用于在沒有從導引器14接收到RF反饋信號時通過線88發(fā)送一個信號，觸發(fā)配置在跟蹤器12上的一個諸如聲音報警、燈光或振動機構之類的報警器89；Speed-用于通過線90向伺服控制機構22發(fā)送一個車輛速度控制信號；Steer-用于通過線92向伺服控制馬達22發(fā)送一個車輛轉向控制信號；Brake-用于通過線94向伺服控制馬達22發(fā)送一個車輛剎車控制信號；IR-用于通過線96向IR發(fā)射機20發(fā)送一個紅外信號；以及Obstacle-用于在超聲信號從一個橫在跟蹤器12和導引器14之間的障礙物反射回來時通過線98發(fā)送一個信號觸發(fā)報警器89。
伺服控制馬達22都是普通的馬達，用來執(zhí)行速度控制、轉向控制和剎車控制。速度控制使用了一個普通的脈寬調制(PWM)馬達控制電路。轉向控制是方位控制，也可以是帶有方位反饋的PWM馬達控制。剎車控制使用了一個電磁離合器，將制動力加到速度控制馬達22b的轉子上。
圖5是一個例示自動跟隨系統(tǒng)10的工作情況的簡化流程圖。在開始方框100，跟蹤器12的第一處理器15執(zhí)行系統(tǒng)測試和初始化程序。在測量方框102，第一處理器15激活跟蹤器的超聲傳感器16和IR發(fā)射機20，使它們分別向導引器14發(fā)送編碼超聲信號和編碼IR信號。各個超聲傳感器16可以發(fā)送編碼相互不同的超聲信號，各個IR發(fā)射機20可以發(fā)送編碼相互不同的IR信號，以便表示例如信號發(fā)送時間和使導引器14可以識別接收到的信號是由哪幾個超聲傳感器和IR發(fā)射機產生的。
由導引器14的RF發(fā)射機26產生的RF反饋信號編碼成載有它的標識符和導引器14接收到各超聲信號的時間以及導引器接收到的是哪幾個有向IR信號的信息。例如，超聲信號從跟蹤器12傳播到導引器14的時間確定了跟蹤器和導引器之間的距離。并且，各超聲傳感器16產生的超聲信號到達導引器14分別所需的時間概略地確定了導引器相對跟蹤器12的方位角。此外，確定了哪幾個IR發(fā)射機20產生導引器14接收到的IR信號就能更精確地確定導引器相對跟蹤器12的方位角。導引器14的RF發(fā)射機26在接收到超聲信號和IR信號后，就向跟蹤器12發(fā)送帶有標識符、距離和角信息的編碼RF反饋信號。RF反饋信號也可以編碼成載有輸入導引器14的遙控信號，如結合圖3所說明的。
然而，導引器14的發(fā)射機26如果接收到超聲信號而沒有接收到紅外信號，就不會發(fā)送RF反饋信號。這種情況在有一個障礙物橫在跟蹤器12和導引器14之間時就可能發(fā)生，障礙物堵塞了波束角度狹窄的IR信號，但是堵塞不了波束角度比較寬的超聲信號。此外，RF發(fā)射機26如果沒有接收到任何來自跟蹤器12的信號也將不向跟蹤器14發(fā)送RF反饋信號。這種情況在導引器14超出跟蹤器12的通信距離時、在導引器處在IR信號的角范圍之外時或在跟蹤器12工作不正常時都可以發(fā)生。超聲傳感器16還在接收到任何從一個橫在跟蹤器12和導引器14之間的障礙物反射回跟蹤器12的超聲信號回波時報警。從位于波束范圍內的物體接收到的反射信號用來計算障礙物的距離。如果根據反射或回波信號得出的計算結果與根據導引器14的RF信號得出的計算結果匹配，說明檢測到的物體是導引器。否則，就說明檢測到處在波束范圍內的障礙物。為了檢測發(fā)自RF發(fā)射機26的編碼RF反饋信號，還要觸發(fā)RF接收機18。
在計算方框104，跟蹤器12的第一處理器15在檢測到任何障礙物時將發(fā)送一個障礙物信號，觸發(fā)一個配置在跟蹤器12上的報警器(報警方框106)，或在沒有收到來自導引器14的RF反饋信號時將發(fā)送一個″沒有RF ″或丟失跟蹤信號，觸發(fā)報警器(報警方框106)。在沒有接收到超聲和IR信號(丟失跟蹤)或只接收到一個IR信號而沒有接收到超聲信號(遇到障礙物)時，還可以觸發(fā)一個配置在導引器14上的相應報警器49。此外，在計算方框104，第一處理器15還根據編碼RF反饋信號攜帶的信息計算出操縱由跟蹤器12引導的跟隨車輛的距離和角度(這將結合圖7和10詳細說明)。在控制方框108，第一處理器15根據計算出的位置信息為伺服控制馬達22調整跟隨速度和轉向。
圖6示意性地示出了編碼和接收超聲信號的詳細結構。一個信號驅動和檢測電路110與兩個廣角超聲傳感器16a和16b對接。跟蹤器12(未示出)的第一處理器15選擇傳感器16a和16b中的一個，通過線T1和T2控制多路復用器112將驅動／檢測電路110接到所選擇的超聲傳感器上。然后，第一處理器15通過線Trig將觸發(fā)信號發(fā)送給所選擇的超聲傳感器。這個觸發(fā)信號激活一個可程控的編碼器114，將一個編碼脈沖序列發(fā)送給驅動／檢測電路110。驅動／檢測電路110為所選擇的超聲傳感器提供功率，以便將一個脈沖序列發(fā)送給導引器14。一旦這個傳輸過程結束，驅動／檢測電路110就檢測任何從處在有效范圍內的物體反射而被所選擇的超聲傳感器接收的回波。如果檢測到一個有效回波，就將一個回波信號通過線″Echo″發(fā)回給第一處理器15，表示出現(xiàn)一個障礙物。接收到回波信號，第一處理器15就通過線94(見圖4)將一個制動信號發(fā)送給伺服控制機構22。編碼器114用來使從一個跟隨車輛發(fā)送的超聲信號不同于其它跟隨車輛發(fā)送的(即每個與跟隨車輛配合的跟蹤器都具有它自己的標識符)，從而減少幾個非常接近的跟隨車輛之間相互干擾。
圖7示意性地例示了安裝在跟蹤器12前面的多個有向IR發(fā)射機的詳細情況。例如，圖7中示出了五個窄角IR發(fā)射機20a、20b、20c、20d和20e。IR信號編碼后由各個發(fā)射機向導引器14發(fā)射。導引器14將向跟蹤器12發(fā)送RF反饋信號，表明導引器檢測到的是哪幾個發(fā)射機的信號。第一處理器15將利用這信息估計跟隨方向。如圖7所示，這些IR發(fā)射機20安裝在一個拱形的表面上，使得各個IR發(fā)射機20指向相互稍有不同的方向，從而各個IR發(fā)射機分別在相互不同的角范圍內發(fā)射IR信號。IR發(fā)射機20a的角范圍例示為在界線21a和21b之間；IR發(fā)射機20b的角范圍例示為在界線21c和21d之間；IR發(fā)射機20c的角范圍例示為在界線21e和21f之間；IR發(fā)射機20d的角范圍例示為在界線21g和21f之間；以及IR發(fā)射機20e的角范圍例示為在界線21i和21j之間。
圖8例示了RF接收機18及其配合電路的詳細情況。有一個天線連接到RF接收機18的輸入端，用來接收導引器14的RF發(fā)射機26發(fā)射的RF信號。解碼器和邏輯電路118插在RF接收機18和第一處理器15之間(見圖4)，用來對編碼RF信號解碼，從而識別出來自它所配合的導引器14的那些RF信號，進行接收，而拒絕來自在可以使用多個跟隨系統(tǒng)的環(huán)境中其他導向器的干擾RF信號。最好，多通道RF接收機18處于恒定的接收模式。拒絕干擾RF信號是很需關注的，因為RF傳輸范圍明顯地大于IR和超聲信號傳輸范圍。
圖9例示了自動跟隨系統(tǒng)10的導引器12的詳細情況。超聲檢測器28和IR檢測器20的輸出端分別連接到解碼器120和122，以便對編碼的超聲信號和IR信號解碼。解碼器120、122和導引器14的鍵盤接口的輸出端連接到第二處理器19和遙控邏輯32，以便在接收到超聲信號和IR信號時和在接收到鍵盤接口17輸入的命令信號時進行響應，產生RF反饋信號。遙控邏輯32的輸出端連接到一個RF編碼器124，以便對RF反饋信號編碼，使得所配合的跟蹤器12可以識別出來自它所配合的導引器14的那些RF信號，進行接收，而拒絕來自在可以使用多個跟隨系統(tǒng)的環(huán)境中其他導向器的干擾RF信號。然后，編碼RF信號通過RF發(fā)射機26和天線126發(fā)送給它所配合的導引器14。
圖10示出了為了確定跟隨距離度量的兩個超聲傳感器16a和16b相對所配合的導引器14的位置關系。這兩個超聲傳感器16a和16b設置在跟蹤器12的正面，相互相隔一定距離″L″，如圖10所示。作為操作情況的一個例子，第一處理器15(見圖1)將超聲傳感器16a和16b設置成這樣一種發(fā)送模式，使得傳感器16a發(fā)送一個編碼超聲信號E1，同時超聲傳感器16b發(fā)送另一個編碼超聲信號E2。第一處理器15規(guī)定同步發(fā)送信號E1和E2的時間。然后，第一處理器15將超聲傳感器16a和16b設置為接收模式，以便接收任何來自可能橫在跟蹤器12和導引器14之間的障礙物的回波。導引器14的超聲檢測器28接收到信號E1后，導引器14向跟蹤器12發(fā)送一個編碼RF反饋信號，載有導引器14接收到超聲信號E1的時間t1。類似，導引器14的超聲檢測器28接收到信號E2后，導引器14向跟蹤器12發(fā)送一個編碼RF反饋信號，載有導引器14接收到超聲信號E2的時間t2。第一處理器15記錄導引器14接收到超聲信號E1的時間t1和導引器接收到超聲信號E2的時間t2。第一處理器15利用t0與t1之間的時間差計算從超聲傳感器16a到導引器14的距離d1。第一處理器15利用t0與t2之間的時間差計算從超聲傳感器16b到導引器14的距離d2。最后，利用已知的三角測量或混合三角測量算法根據d1和d2計算出跟蹤器12和導引器14之間的距離″D″。
或者，第一處理器15可以按照一個為跟蹤器12和導引器14所知的預定順序依次通、斷超聲傳感器16a、16b，以便識別導引器所接收的信號的源是哪個超聲傳感器。
再來看圖7，下面將對利用IR進行方向檢測的情況進行說明。IR方向檢測配合利用超聲信號進行方向檢測，改善了方向檢測的精度。所以能改善精度是因為IR信號具有比超聲信號小的角定向波束，可以得到精確的定向測量。此外，IR信號不同于超聲信號，波束不容易受諸如空氣溫度和濕度改變之類的天氣條件影響而變形。
可以用編碼IR信號攜帶的標識符來識別發(fā)送這個IR信號的是哪個IR發(fā)射機20a-20e?；蛘撸谝惶幚砥?5也可以按一個為跟蹤器12和導引器14所知的預定順序依次通、斷發(fā)送IR信號的IR發(fā)射機20a-20e。發(fā)送給跟蹤器12的編碼RF信號可以載有導引器14接收到一個或多個IR信號的時間的信息，以標識接收到的是哪幾個IR信號，從而使跟蹤器12的第一處理器15可以計算出跟隨角。
如果導引器14處于位置P1，導引器將只能接收到來自IR發(fā)射機20c的IR檢測信號，作為響應，向跟蹤器12發(fā)送一個編碼RF反饋信號。然而，將沒有為從IR發(fā)射機20a、20b、20d和20e發(fā)出的IR檢測信號發(fā)送的RF反饋信號。第一處理器15于是確定導引器14是在中間位置P1。如果導引器14處于位置P2，導引器將只能接收到來自IR發(fā)射機20b的IR檢測信號，作為響應，向跟蹤器12發(fā)送一個編碼RF反饋信號。然而，將沒有為從IR發(fā)射機20a、20c、20d和20e發(fā)出的IR檢測信號發(fā)送的RF反饋信號。第一處理器15于是確定導引器14是在左邊位置P2。如果導引器14處于位置P3，導引器將只能接收到來自IR發(fā)射機20d的IR檢測信號，作為響應，向跟蹤器12發(fā)送一個編碼RF反饋信號。然而，將沒有為從IR發(fā)射機20a、20b、20c和20e發(fā)出的IR檢測信號發(fā)送的RF反饋信號。第一處理器15于是確定導引器14是在右邊位置P3。如果導引器14處于一個交疊區(qū)域，導引器將接收到來自覆蓋這交疊區(qū)域的兩個IR發(fā)射機的IR檢測信號。所以，處理器15將接收到與這兩個接收到的IR檢測信號相應的兩個編碼RF反饋信號。因此，也可以確定導引器14的位置。
由于多個跟隨裝置可能相互很接近，因此必須消除諸如高爾夫球車之類的跟隨裝置之間的干擾和來自外界環(huán)境的干擾。否則，一個跟隨系統(tǒng)的信號可能被另一個跟隨系統(tǒng)接收而起作用，從而使跟隨系統(tǒng)跟蹤錯誤的導引器。如先前所述，一種減少干擾的方法是進行信號編碼。
在跟蹤器12和導引器14之間發(fā)送的有三種信號超聲信號，IR信號和RF信號。所有這些信號都應該編碼，使得每個跟隨系統(tǒng)都有它自己的信號模式。
最好，RF信號應有超過100英尺的有效工作距離，頻率在民用FCC范圍內，例如為29MHz或900MHz左右。雖然采用多通道的RF發(fā)射機26和RF接收機18，但是這樣的多通道系統(tǒng)在RF信號傳送期間較容易與其他這樣的系統(tǒng)干擾。因此，對RF信號編碼比對檢測信號編碼更為重要。此外，多個RF命令信號必須通過一個RF反饋信號從導引器14發(fā)送給跟蹤器12。不同的命令必須通過編碼相互區(qū)別。一種考慮這兩個編碼要求的方法是采用兩級編碼，那就是說，將RF反饋信號編碼成兩個段，例如如圖11所示。四個脈沖的第一段200對于一個跟隨系統(tǒng)10來說是專用的，而五個脈沖的第二段202用來標識不同的命令。RF接收機18必須分二級對編碼RF信號解碼。第一級是對第一段解碼，以便確定接收到的RF信號是否來自所配合的導引器14。如果是這樣的話，再對RF信號的第二段解碼，確定通過RF信號發(fā)送的命令。
跟隨系統(tǒng)10的超聲信號應該在30英尺左右的距離范圍內有效。在兩個或更多個跟隨系統(tǒng)相互接近時將產生干擾。為了避免干擾，利用可程控的編碼器114將超聲信號編碼成一個脈沖序列(見圖6)。每個跟隨系統(tǒng)10可程控成發(fā)送一個鑒別脈沖列，使得一個RF接收機18只承認從它所配合的導引器14發(fā)送的RF信號的脈沖列。同一個跟隨系統(tǒng)10的所有超聲傳感器16將具有相同的編碼脈沖列。然而，可以同時利用不同頻率的超聲脈沖，因此系統(tǒng)可以同時接受多個傳感器的距離測量。然而，干擾仍可能發(fā)生，如果一個超聲檢測器要同時接收來自兩個不同的源的超聲信號的話，從而引起信號丟失。
對于IR信號編碼來說，跟蹤器12的第一處理器15根據導引器14發(fā)送的命令信號可以為多個IR發(fā)射機中的每一個設置唯一的脈沖代碼。各個IR發(fā)射機20的脈沖代碼可以通過改變IR發(fā)射機的脈沖頻率安排成可相互區(qū)分的。
超聲傳感器16在發(fā)送IR檢測信號后將轉為接收模式。具體地說，超聲傳感器16等待檢測任何從橫在跟蹤器12和導引器14之間的障礙物返回的超聲信號回波。如果接收到這樣的回波信號，第一處理器15將分析這些信號，而且將這些信號與來自導引器14的RF反饋信號的信息進行比較。如果處理器15確定有一個障礙物妨礙由跟蹤器控制的跟隨裝置的路線，第一處理器15就停止由跟蹤器12控制的跟隨裝置，向跟蹤器12和導引器14發(fā)送一個報警信號。配有導引器14的人員于是可以利用導引器的鍵盤接口17手控地通知跟蹤器12跟隨裝置需跟隨的路線，以便避免這個障礙物。
正常跟隨模式(NFM)是方向跟隨控制。在這種模式，跟蹤器12根據當前的距離測量控制跟隨裝置34的速度，使得與導引器14保持恒定距離。同時，跟蹤器12根據當前的方向測定調整裝置的跟隨方向，朝著導引器14。作為一個例子，假設D[n]是在時間n得到的距離測量，而R[n]是導引器14相對跟蹤器12的方向測量。在NFM模式，跟蹤器12的所需速度V[n]和所需轉向S[n]將是D[n]和R[n]的直接函數(shù)，那就是說，V[n]=f(D[n])，S[n]=g(R[n])。所需跟隨距離是預置的，可以由用戶在任何時候調整。在NFM模式，跟蹤器12可以不必跟隨與導引器14相同的路線。在導引器14沿曲線運動時，跟蹤器12通?？梢匀　褰輳健甯S導引器。如果跟隨距離小，這種捷徑跟隨特性是令人滿意的，因為偏離導引器所經過的實際路線并不大。
步調-路線跟隨控制模式(PPM)以預置的恒定距離跟隨導引器14的路線。換句話說，跟蹤器12力圖經歷與導引器14相同的路線軌跡。作為一個例子，第一處理器15的一個控制算法執(zhí)行步調-路線模式的跟隨操作。假設導引器14從時間m到時間n經歷以下軌跡Pg[m]，Pg[m+1]，…，Pg[n-1]，Pg[n]。
在各個位置，測量得到的速度和方向如下(Vg[m]，Rg[m])，(Vg[m+1]，Rg[m+1])，…，(Vg[n-1]，Rg[n-1])，(Vg[n]，Rg[n])其中V[i]和R[i]分別為在時間i．測量得到的速度和方向。時間為n。假設跟蹤器12是在點Pt[n]，這是Pg(k)的同一個點。換句話說，導引器14在時間k已經通過同一個點。為了跟隨與導引器14相同的路線，要求跟蹤器12在時間n的情況與導引器在時間k的情況完全相同，那就是說，Vt[n]=Vg[k]Rt[n]=Rg[k]雖然本發(fā)明已經結合本發(fā)明的典型實施例進行了說明，但是熟悉該技術的人員應該理解，其中無論在形式上還是在具體實現(xiàn)上都可以根據本發(fā)明的精神進行上述和種種其它改變、省略和增添，所有這些都應屬于本發(fā)明的專利保護范圍。因此，以上對本發(fā)明的說明都是例示性的，而不是限制性的。
權利要求
1．一種具有一個與跟隨裝置(34)配合的跟蹤器(12)和一個與需跟隨的目標配合的導引器(14)的自動化的目標跟隨系統(tǒng)(10)，所述自動化的目標跟隨裝置的特征是所述跟蹤器(12)包括一個第一處理器(15)，至少兩個產生編碼超聲信號的裝置(16a，16b)，每個所述裝置都有一個與第一處理器(15)連接的控制輸入端(80，82，84，86)，根據一個來自第一處理器的命令信號向導引器(14)發(fā)射一個編碼超聲信號，所述編碼超聲信號載有信號源標識符和定時信息，一個與第一處理器(15)連接的射頻(RF)接收機(18)，用來從所述導引器14)接收一個載有供第一處理器根據超聲信號確定用來操縱跟隨裝置(34)的導引器相對跟蹤器的距離和方向的信息的編碼RF信號；以及所述導引器(14)包括一個超聲檢測器(28)，用來檢測跟蹤器(12)的超聲裝置(16a，16b)產生的超聲信號，一個與超聲檢測器(28)連接的第二處理器(19)，用來對需由一個RF信號承載發(fā)送給跟蹤器(12)供跟蹤器確定導引器(14)相對跟蹤器的距離和方向的根據超聲信號得到的信息進行編碼，一個與第二處理器(19)連接的RF發(fā)射機(26)，用來將編碼RF信號發(fā)送給跟蹤器(12)的RF接收機(18)。
2．一種如在權利要求1所明確的自動化的目標跟隨系統(tǒng)(10)，其中所述跟蹤器(12)還包括多個與第一處理器(15)連接的紅外(IR)發(fā)射機(20a，20b，20c，20d，20e)，每個IR發(fā)射機相對相鄰的IR發(fā)射機指向一個稍有不同的方向，用來向導引器(14)發(fā)射一個載有信號源標識信息的編碼IR信號；以及所述導引器還包括一個與第二處理器(19)連接的IR接收機(30)，用來檢測至少一個IR發(fā)射機產生的編碼IR信號，而所述編碼RF信號載有根據編碼超聲信號得到的信息和IR接收機接收到的是哪幾個編碼IR信號的信息。
3．一種如在權利要求1中所明確的自動化的目標跟隨系統(tǒng)(10)，其中所述RF發(fā)射機(26)只在超聲和IR兩種信號都接收到時才產生一個RF信號。
4．一種如在權利要求1中所明確的自動化的目標跟隨系統(tǒng)(10)，其中所述跟蹤器(12)和所述導引器(14)至少有一個包括一個在由于失去跟蹤條件或發(fā)生其他故障不能正常工作而沒有產生RF信號時觸發(fā)的報警器(49，89)。
5．一種如在權利要求1中所明確的自動化的目標跟隨系統(tǒng)(10)，其中所述產生編碼超聲信號的裝置(16a，16b)每個都是一個超聲傳感器。
6．一種如在權利要求5中所明確的自動化的目標跟隨系統(tǒng)(10)，其中所述超聲傳感器(16a，16b)每個都能接收回波或從一個橫在跟蹤器和導引器(14)之間的障礙物反射回跟蹤器(12)的超聲信號，而所述跟蹤器包括一個與第一處理器(15)連接的、在接收到回聲時觸發(fā)的報警器(89)。
7．一種如在權利要求1中所明確的自動化的目標跟隨系統(tǒng)(10)，其中所述導引器(14)包括輸入需由編碼RF信號承載的遙控命令以便人工控制跟蹤器(12)的裝置(50，52，54，56，58，60，62，64，66，68，70)。
8．一種如在權利要求1中所明確的自動化的目標跟隨系統(tǒng)(10)，其中所述導引器(14)包括選擇跟蹤器(12)工作模式作為命令信號在編碼RF信號上發(fā)送的裝置(58，60，62，64，66，68，70)，所述工作模式包括恒定距離跟隨模式、相同路線和步調跟隨模式和人工操縱模式。
9．一種具有一個與跟隨裝置(34)配合的跟蹤器(12)和一個與需跟隨的目標配合的導引器(14)的自動化的目標跟隨系統(tǒng)(10)，所述自動化的目標跟隨系統(tǒng)的特征是所述跟蹤器(12)包括一個第一處理器(15)，至少兩個產生編碼超聲信號的裝置(16a，16b)，每個所述裝置都有一個與第一處理器(15)連接的控制輸入端(80，82，84，86)，根據一個來自第一處理器的命令信號向導引器(14)發(fā)射一個編碼超聲信號，所述編碼超聲信號載有信號源標識符和定時信息，多個與第一處理器(15)連接的紅外(IR)發(fā)射機(20a，20b，20c，20d，20e)，每個IR發(fā)射機相對相鄰IR發(fā)射機指向一個稍有不同的方向，用來向導引器(14)發(fā)射一個載有信號源標識信息的編碼IR信號，一個與第一處理器(15)連接的射頻(RF)接收機(18)，用來從所述導引器(14)接收一個載有根據超聲信號得到的信息和導引器接收到的是哪幾個IR信號的信息的編碼RF信號，以便確定導引器相對跟蹤器(12)的距離和方向，操縱跟隨裝置(34)；以及所述導引器(14)包括一個超聲檢測器(28)，用來檢測跟蹤器(12)的超聲裝置(16a，16b)產生的超聲信號，一個IR接收機(30)，用來檢測至少一個IR發(fā)射機(20a，20b，20c，20d，20e)產生的編碼IR信號，一個與超聲檢測器(28)和IR接收機(30)連接的第二處理器(19)，用來對需由一個RF信號承載發(fā)送給跟蹤器(12)供跟蹤器確定導引器相對跟蹤器的距離和方向的導引器(14)根據超聲信號得到的信息和導引器(14)接收到的是哪幾個IR信號的信息進行編碼，一個與第二處理器(19)連接的RF發(fā)射機(26)，用來將編碼RF信號發(fā)送給跟蹤器(12)的RF接收機(18)。
10．一種如在權利要求9中所明確的自動化的目標跟隨系統(tǒng)(10)，其中所述RF發(fā)射機(26)只在超聲和IR兩種信號都接收到時才產生一個RF信號。
11．一種如在權利要求9中所明確的自動化的目標跟隨系統(tǒng)(10)，其中所述跟蹤器(12)和所述導引器(14)至少有一個包括一個在由于失去跟蹤條件或發(fā)生其他故障不能正常工作而沒有產生RF信號時觸發(fā)的報警器(49，89)。
12．一種如在權利要求9中所明確的自動化的目標跟隨系統(tǒng)(10)，其中所述產生編碼超聲信號的裝置(16a，16b)每個都是一個超聲傳感器。
13．一種如在權利要求12中所明確的自動化的目標跟隨系統(tǒng)(10)，其中所述超聲傳感器(16a，16b)每個都能接收回波或從一個橫在跟蹤器和導引器(14)之間的障礙物反射回跟蹤器(12)的超聲信號，而所述跟蹤器包括一個與第一處理器(15)連接的、在接收到回波時觸發(fā)的報警器(89)。
14．一種如在權利要求9中所明確的自動化的目標跟隨系統(tǒng)(10)，其中所述導引器(14)包括輸入需由編碼RF信號承載的遙控命令以便人工控制跟蹤器(92)的裝置(50，52，54，56，58，60，62，64，66，68，70)。
15．一種將一個配有跟蹤器(12)的跟隨裝置(34)導向一個配有導引器(14)的活動被跟目標的方法，其特征是所述方法包括下列步驟在跟蹤器(12)產生至少兩個都導向導引器(14)的編碼超聲信號，每個編碼超聲信號來自一個與其他源分隔配置的各別源(16)，每個編碼超聲信號載有信號源標識和信息；在導引器(14)接收編碼超聲信號，根據編碼超聲信號產生一個編碼RF信號發(fā)回給跟蹤器(12)，以便將跟隨裝置(34)導向被跟目標，所述編碼RF信號載有根據超聲信號得到的距離和方向信息；以及在跟蹤器(12)根據編碼RF信號承載的信息確定導引器(14)相對跟蹤器的位置，以便操縱跟隨裝置(34)。
16．一種如在權利要求15中所明確的方法，其中所述產生至少兩個編碼超聲信號的步驟包括以一個為跟蹤器(12)和導引器(14)所知的預定順序一次一個地產生每個信號的步驟，以便使導引器可以確定接收到的一個超聲信號的源。
17．一種如在權利要求15中所明確的方法，其特征是所述方法還包括下列步驟在跟蹤器(12)產生多個都導向導引器(14)的編碼紅外(IR)信號，每個IR信號載有信號源標識信息，導向相對其他IR信號稍有不同的方向；以及在導引器接收編碼IR信號；而其中所述產生編碼RF信號的步驟包括承載根據超聲信號承載的信息和根據導引器接收到的是哪幾個IR信號得到的被跟目標相對跟隨裝置(34)的距離和方向信息的步驟。
18．一種如在權利要求17中所明確的方法，其中所述產生多個IR信號的步驟包括以一個為跟蹤器(12)和導引器(14)所知的預定順序一次一個地產生每個信號的步驟，以便使導引器可以確定一個接收到的IR信號的源。
19．一種如在權利要求17中所明確的方法，其中所述產生編碼RF信號的步驟只是在接收到超聲和IR兩種信號時才執(zhí)行。
20．一種如在權利要求15中所明確的方法，其特征是所述方法還包括在由于丟失跟蹤條件或發(fā)生其他故障不能正常工作而沒有產生RF信號時由跟蹤器(12)和導引器(14)至少其中之一觸發(fā)一個報警條件的步驟。
21．一種如在權利要求15中所明確的方法，其特征是所述方法還包括在跟蹤器(12)檢測是否任何超聲信號有回波或從一個橫在跟蹤器和導引器(14)之間的障礙物反射的步驟和在檢測到回波時由跟蹤器和導引器至少其中之一觸發(fā)報警條件的步驟。
22．一種如在權利要求15中所明確的方法，其特征是所述方法還包括在通過導引器(14)的一個用戶接口接收到響應信息時產生需由編碼RF信號承載的遙控命令的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種自動化的目標跟隨系統(tǒng)(10),包括一個與跟隨(34)配合的跟蹤器(12)和一個與需跟隨的目標配合的導引器(14)。跟蹤器包括一個第一處理器(15)和至少兩個傳感器(16a,16b),用來產生編碼超聲信號。每個傳感器都有一個與第一處理器連接的控制輸入端,根據來自第一處理器的命令信號都向導引器發(fā)射一個編碼超聲信號。這些編碼超聲信號都載有信號源標識信息。射頻(RF)接收機(18)與第一處理器連接,用來從導引器接收載有導引器相對跟蹤器的距離和方向信息的編碼RF信號,以便操縱跟隨裝置朝向需跟隨的目標。
文檔編號G01S15/74GK1289936SQ00129089
公開日2001年4月4日 申請日期2000年9月29日 優(yōu)先權日1999年9月29日
發(fā)明者張銳明, 穆仲立 申請人:Vi與T集團公司