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Dokumentenidentifikation DE69621738T2 24.10.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0769735
Titel Bewegungsabtastgerät für unbemanntes Fahrzeug
Anmelder Jervis B. Webb International Co., Farmington Hills, Mich., US
Erfinder Alofs cornel W., Petoskey, US;
Drenth Ronald D., Petoskey, US
Vertreter BOEHMERT & BOEHMERT, 28209 Bremen
DE-Aktenzeichen 69621738
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.10.1996
EP-Aktenzeichen 961168119
EP-Offenlegungsdatum 23.04.1997
EP date of grant 12.06.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.10.2002
IPC-Hauptklasse G05D 1/00
IPC-Nebenklasse G05D 1/02   B25B 33/00   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft ein Navigations- und Steuerungssystem für ein Fahrzeug, welches eine Vorrichtung zum Messen und Berücksichtigen der seitlichen Bewegung des Fahrzeuges aufweist, und ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeuges, das dieses benutzt. Genauer betrifft diese Erfindung schwenkbare Laufräder, die mit Dreh- und Schwenkwinkel- Meßsensoren ausgestattet sind, welche an einem fahrerlosen Fahrzeug angeordnet sind, so daß die seitliche Bewegung des Fahrzeuges erfaßt und von dem Navigations- und Steuerungssystem des Fahrzeuges berücksichtigt werden kann.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Navigations- und Führungssteuerungen für automatisch gesteuerte Fahrzeuge sind in der GB- A-2 158 965 und in den US 4 847 769, 4 816 998 und 5 175 415 beschrieben. Sowohl die GB-A-2 158 965 als auch die US 4 847 769 beschreiben beide Fahrzeuge, bei denen die Bewegung durch ein Koppelnavigationssystem vorhergesagt wird, welches die Position des Fahrzeuges zu irgendeiner gegebenen Zeit bestimmt, indem der Lenkwinkel und der Drehwinkel eines gesteuerten Lenk-Laufrades während eines kurzen Zeitintervalls abgefühlt wird. Die US 4 847 769 beschreibt weiter ein System, bei dem die vorhergesagte Position oftmals überprüft und in eine tatsächliche Position korrigiert wird, die von einem an dem Fahrzeug angebrachten Laserabtaster und einem an einem Referenzrahmen angebrachten Zielsystem bestimmt wird. Der Fehler zwischen der vorhergesagten Position und der tatsächlichen Position wird benutzt, um einen mittleren Gangwinkel festzulegen, der durch eine Kalman-Filter- Berechnung läuft und als ein Korrekturfaktor beim Berechnen der nächsten vorhergesagten Position des Fahrzeuges benutzt wird. Die US 4 847 769 ist zum Formulieren des einleitenden Teiles des Patentanspruchs 1 verwendet worden.

Die US 4 816 998 diskutiert ein Fahrzeug, welches ein Lenkrad benutzt, das sowohl einen Winkelmeßsensor als auch einen Raddrehmeßsensor hat, um es dem Navigations- und Steuersystem zu ermöglichen, eine zurückgelegte mittlere Entfernung, eine Änderung im Winkel einer Achse auf dem Fahrzeug und eine Fahrzeugvortriebänderung zu berechnen, wobei die ideale Bewegung entlang einem gekrümmten Weg mit festem Radius angenommen wird.

Die US 5 175 415 diskutiert eine Vorrichtung zum Messen der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung eines Fahrzeuges, indem ein getrenntes Codierrad in der Nähe jedes nicht verschwenkten Antriebsrades angeordnet wird.

Die US 5 058 023 offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen der Fahrzeugposition, welche die Position des Fahrzeuges aus Messungen zweier getrennter Radsensoren berechnet, welche die zurückgelegte Entfernung und/oder Änderungen im Fahrzeugvortrieb und zwei weitere unabhängige Referenzpunkte, nämlich eine Ablesung aus einem globalen Positioniersystem und einem elektronischen oder magnetischen Kompaß messen.

Alle die zuvor genannten Navigations- und Steuerungssysteme sind eingeschränkt, da keines dieser Systeme seine gegenwärtige Position durch Messen und Berücksichtigen der seitlichen Bewegung des Fahrzeuges bestimmt. Die seitliche Bewegung des Fahrzeuges wird oftmals als Gang, Lenkrollen oder Seitenschlupf bezeichnet. Die seitliche Bewegung des Fahrzeuges wird in bezug auf den Schwenkpunkt des Fahrzeuges festgelegt. Dies ist typischerweise ein Ort entlang der längs verlaufenden Mittellinie des Fahrzeuges, wobei das Navigations- und Steuerungssystem versucht, ihn entlang dem ausgewählten Pfad zu führen. Ein Fahrzeug kann seitliche Bewegung aus einer Vielfalt von Gründen erfahren, zum Beispiel, wenn das Fahrzeug i) falsch ausgerichtet ist, ii) gedreht wird, wobei sich die Räder verschwenken, verdrehen und/oder rutschen, und iii) absichtlich seitlich gelenkt wird. Demgemäß wird die gesamte Spurhaltegenauigkeit der hier zuvor beschriebenen Systeme durch ihre Unfähigkeit gestört, die Komponente der seitlichen Bewegung bei der Positionsänderung des Fahrzeuges zu messen und zu berücksichtigen.

Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeug mit einem System zu versehen, welches die Änderung der Position des Fahrzeuges ungeachtet der Richtung, in der sich das Fahrzeug bewegt, bestimmt.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeug mit einem System zu versehen, das die Bewegung des Fahrzeuges in der Richtung vorwärts, rückwärts oder in irgendeine seitliche Richtung bestimmt.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeug mit einem Navigations- und Steuerungssystem zu versehen, welches das Lenken des Fahrzeuges in Antwort auf die seitliche Bewegung des Fahrzeuges anpaßt.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeug mit einem Navigations- und Steuerungssystem an Bord des Fahrzeugs zu versehen, welches das Fahrzeug lenkt, wobei die seitliche Bewegung des Fahrzeuges berücksichtigt wird, ohne ein absolutes Positionsreferenzsystem zu erfordern, das Positionsidentifizierer, Reflektoren oder Referenzmarkierungen von außerhalb her benutzt.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, welches mit einem Winkelbewegungssensor und einem frei verschwenkbaren Lenkrad mit einem frei schwenkbaren Laufrad zum Abfühlen der Bewegung des Fahrzeuges in zwei Dimensionen in bezug auf die Referenz des Fahrzeugrahmens ausgestattet ist.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeug mit einem Navigations- und Steuerungssystem zur Verfügung zu stellen, das mit einem Gyroskop und mit einem frei verschwenkenden federbelasteten Laufrad mit einer sphärisch geformter Kontaktfläche ausgestattet ist, welches die Änderung der Position des Fahrzeuges in zwei Dimensionen abfühlt, um eine bessere Steuerung des Fahrzeuges zur Verfügung zu stellen.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeug mit einem Navigations- und Steuerungssystem zur Verfügung zu stellen, das mit einem Gyroskop und mit einem Laufrad, das die durchfahrene Entfernung und Fahrzeugdrehung abfühlt, ausgestattet ist, wobei es möglich sein soll, daß das Laufrad an irgendeinem Ort auf dem Fahrzeug angebracht wird.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, das durch ein Navigations- und Steuerungssystem gesteuert wird, welches mit einem Sensor für die Winkelbewegung und einem freilaufenden, frei verschwenkten, keine Last tragenden Spurlaufrad ausgestattet ist, welches die Bewegung des Fahrzeuges in zwei Dimensionen erfaßt, in bezug auf die Referenz des Fahrzeugsrahmens, um eine genauere Steuerung des Fahrzeuges zur Verfügung zu stellen.

Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden leicht nach dem Studieren und Verstehen der vorliegenden Erfindung, wie sie hiernach beschrieben wird, deutlich.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Aufgaben werden durch eine Navigations- und Steuerungssystem gelöst, wie es in Anspruch 1 definiert ist. Ein Verfahren zum Navigieren und Steuern eines Fahrzeuges mit einem solchen Navigations- und Steuerungssystem ist in Anspruch 3 angegeben. Eine Verwendung eines solchen Navigations- und Steuerungssystems ist in Anspruch 5 angegeben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines an beiden Enden zu steuernden fahrerlosen Fahrzeuges, welches mit einem Spurlaufrad gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.

Fig. 2a ist eine perspektivische Ansicht einer Spurlaufradanordnung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2b ist eine Seitenansicht der Spurlaufradanordnung, die in Fig. 2a veranschaulicht ist.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges, das mit einem Spurlaufrad gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht eines absoluten Codierers, welcher mit einer elektrischen Schlupfringanordnung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versehen ist.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bevor die Erfindung in Einzelheiten erläutert wird, soll verstanden werden, daß die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten des Aufbaus und die Anordnung der Komponenten beschränkt ist, wie sie in der folgenden Beschreibung ausgeführt sind oder in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Die Erfindung ist zu weiteren Ausführungsformen in der Lage, und sie kann in verschiedenen Wegen in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Auch soll verstanden werden, daß die Satzanordnung und die Wortwahl, wie sie hierin benutzt werden, dem Zwecke der Beschreibung dient und nicht als beschränkend angesehen werden sollte.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein fahrerloses Fahrzeug, welches ein Navigations- und Steuerungssystem aufweist, das einen Sensor für die Winkelbewegung und eine Spurlaufradanordnung hat, welche mit einem Nachlauf-Schwenksensor für das Laufrad und einem Drehsensor für Räder ausgestattet ist, um die relative Position des Fahrzeuges zu bestimmen, indem im wesentlichen die gesamte Bewegung des Fahrzeuges entlang der Oberfläche, auf der sich das Fahrzeug bewegt, berücksichtigt wird. Diese Sensoren ermöglichen es dem Navigationssystem, genauer die gegenwärtige Position festzustellen, und ermöglichen es dem Steuerungssystem, das Fahrzeug zu führen.

Fig. 1 veranschaulicht ein an beiden Enden zu lenkendes fahrerloses Fahrzeug 10, welches ein Navigations- und Steuerungssystem aufweist, das mit einem Sensor 12 für die Winkelbewegung, einer Spurlaufradanordnung 40, wenigstens einem Computerprozessor 16 und einem vorderen und einem hinteren Lenkmechanismus 18 bzw. 20 ausgestattet ist. Das Fahrzeug 10 kann irgendein Fahrzeug sein, das für diesen Zweck geeignet ist, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf fahrerlose, an einem Ende oder an beiden Enden zu lenkende, am Draht geführte oder drahtlose Fahrzeuge. In ähnlicher Weise können der Computerprozessor und der Lenkmechanismus welche irgendeines bekannten Typs sein, die für diesen Zweck benutzt werden sollen.

Der Winkelbewegungssensor wird benutzt, um Information über den gegenwärtigen Vortrieb des Fahrzeuges zu liefern. Typischerweise ist der Winkelbewegungssensor ein Gyroskop, das irgendein Typ Gyroskop sein kann, der für diesen Zweck geeignet ist und so ausgewählt werden kann, daß er auf die bestimmte Anwendung paßt. Bevorzugt wird das Gyroskop ein Typ Festkörperraten-Gyroskop sein.

Die Spurlaufradanordnung 40, am besten in den Fig. 2 (a & b) dargestellt, weist auf ein freilaufendes Kontaktrad 42, eine Montageplatte 44, eine frei verschwenkbare Laufradunteranordnung 46, einen Raddrehsensor 48 und einen Laufradschwenksensor 50. Die Gestaltung der Spurlaufradanordnung 40 wird von den Einzelheiten der Anwendung abhängen, jedoch sollten die Kriterien für die Gestaltung versuchen, die Traktion des Kontaktrades 42 zu optimieren, während seine Schwenkreibung minimiert wird.

Das Kontaktrad 42 kann mit einem Reifen 52 ausgestattet sein, um bessere Eigenschaften hinsichtlich des Kontaktes zu erzielen. Ein weicher Reifen bietet bessere Traktion, während ein härterer Reifen zu einer geringeren Reibung beim Verschwenken führt. Daher ist ein Reifen bevorzugt, der Eigenschaften hat, die einen Kompromiß zwischen diesen beiden in Konkurrenz stehenden Faktoren zeigt. Obwohl das Laufflächenprofil des Reifens 52 basierend auf den Besonderheiten einer bestimmten Anwendung ausgewählt werden kann, ist ein bevorzugtes Laufflächenprofil kugelförmig geformt, um die Radbelastung symmetrisch um den Kontaktpunkt zu verteilen.

Die frei schwenkbare Laufradunteranordung 46 weist typischerweise eine horizontale Versetzung, manchmal als eine "Laufradversetzung" oder "Laufradvorlauf' bezeichnet, zwischen dem Steg 64 des Laufrades und der Achse 66 des Kontaktrades auf. Diese horizontale Versetzung verringert die Kraft, die erforderlich ist, damit das Laufrad verschwenkt. Die Unteranordnung 46 kann gegebenenfalls mit einer durch eine Feder belasteten Schwenkverbindung 78 und einer Gabel 70, die das Kontaktrad 42 mit der Unteranordnung in einer Weise verbindet, die es dem Kontaktrad 42 ermöglicht, sich in bezug auf die Montageplatte 44 nach oben und unten zu bewegen, ausgelegt sein, um es zu ermöglichen, daß das Kontaktrad 42 Unebenheiten in der Oberfläche ausgleicht.

Der Sensor 48 für die Drehung des Rades kann irgendeine Vorrichtung sein, welche eine Signal zur Verfügung stellt, das auf die Drehbewegung des Kontaktrades antwortet, wobei optische, magnetische, elektromechanische Sensoren oder dergleichen umfaßt sein können. Bevorzugt ist der Sensor 48 für die Drehung des Rades ein inkremental arbeitender Wellencodierer, der um die Achse 66 des Kontaktrades angeordnet ist. Weiter bevorzugt wird der inkremental arbeitende Wellencodierer vom Quadratur-Typ sein, der zusätzlich die Richtung der Drehung zur Verfügung stellt. Zusätzlich kann der Schwenksensor 50 für das Laufrad irgendeine Vorrichtung sein, welche ein Signal zur Verfügung stellt, das auf die Drehbewegung der Laufradunteranordnung 46 in bezug auf die Montageplatte des Laufrades antwortet. Bevorzugt ist der Schwenksensor 50 für das Laufrad ein absolut arbeitender Wellencodierer, wie in Fig. 4 dargestellt, der auf dem Steg 64 des Laufrades angeordnet ist. Ein absolut arbeitender Wellencodierer liefert ein Signal, das die absolute Position der gemessenen Welle identifiziert.

Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform werden der Steg 64 des Laufrades und der absolut arbeitende Wellencodierer eine hohle Welle 72 haben, und der Körper des absoluten Codierers wird eine Öffnung durch die Mittelachse des Körpers 74 haben, die hinauf zu einer elektrischen Schlupfringanordnung 76 führt, wie in Fig. 4 gezeigt, um Signaldrähte von dem Sensor 48 für die Drehung des Rades unterzubringen. Ein elektrischer Schlupfring ist eine Vorrichtung, welche die elektrische Kommunikation zwischen Verbindungen auf einem ersten Element, üblicherweise als der Rotor bezeichnet, der sich in bezug auf ein zweites Element dreht, üblicherweise als der Stator bezeichnet, und der entsprechenden Verbindung auf dem zweiten Element aufrecht erhält. Die Signaldrähte von dem Sensor 48 für die Drehung des Rades werden durch den hohlen Steg 64 des Laufrades, die absolut arbeitende Codiererwelle 72, den Körper des Codieres 74 geleitet und mit der Rotorseite der Schlupfringanordnung 76 verbunden. Obwohl das Signal von dem Sensor 48 für die Drehung des Rades zu dem Navigations- und Steuerungssystem in einer Vielfalt von Arten kommuniziert werden kann, abhängig von der Gestaltung des Fahrzeuges, erlaubt diese spezielle Ausgestaltung eine unbeschränkte Schwenkdrehung des Laufrades in jeder Richtung.

Die Arbeitsweise eines Fahrzeuges, das mit einer Spurlaufradanordnung versehen ist, wie in den Fig. 2 (a & b) dargestellt ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, kann wie folgt beschrieben werden und wird am besten durch Bezugnahme auf Fig. 3 verstanden. Das Navigations- und Steuerungssystems des Fahrzeugs auf dem Fahrzeug arbeitet auf eine herkömmlichen Weise, indem Daten von verschiedenen Sensoren in kurzen Zeitintervallen abgenommen werden und das Fahrzeug in Antwort auf Information gelenkt wird, die aus diesen Eingaben erhalten wurde. Genauer versucht das Navigations- und Steuerungssystem, einen Punkt auf dem Fahrzeug zu führen, der als der Schwenkpunkt P bezeichnet wird, entlang einem ausgewählten Weg oder in Richtung auf einen bestimmten Ort.

Der Schwenkpunkt P ist typischerweise ein Ort entlang der längs verlaufenden Mittellinie des Fahrzeuges. Die Auswahl dieses Punktes kann aus der Gestaltung und/oder der Dynamik des Fahrzeuges bestimmt werden.

Der Schwenkpunkt P wird als Referenzpunkt oder Ursprung zum Berechnen der Fahrzeugbewegung in bezug auf das Koordinatensystem des Fahrzeuges benutzt, oftmals als Referenzrahmen des Fahrzeuges bezeichnet. Die Berechnungen von Ym, der Komponente der Änderung der Position des Fahrzeuges in der Vor- und Rückwärtsrichtung (Y-Richtung) und Xm, der Komponente der Änderung der Position des Fahrzeuges in der seitlichen Richtung (X- Richtung), sind alle in bezug auf ein X, Y-Koordinatensystem angegeben, das den Schwenkpunkt P als den Ursprung hat.

Die Spurlaufradanordnung ist an irgendeinem beliebigen oder zweckmäßigen Ort auf dem Fahrzeug angebracht. Die Position der Laufradanordnung, insbesondere das Zentrum der Schwenkachse 64 des Laufrades relativ zu dem Schwenkpunkt, wird gemessen. Die gemessene Entfernung zwischen den beiden Punkten wird als Cy, der Entfernung in der Y-Richtung, und Cx, der Entfernung in der X-Richtung, aufgezeichnet, beide mit Bezug auf den Referenzrahmen des Fahrzeuges. Zusätzlich werden der Radius Wr des Kontaktrades 42 des Laufrades mit Reifen 52 und der Abstand S1 der horizontalen Versetzung gemessen und aufgezeichnet. Diese Konstanten werden als ein Teil der Berechnung von Ym und Xm benutzt.

Wenn sich das Fahrzeug bewegt, wird der Sensor 48 für die Drehung des Rades und/oder der Sensor 50 für die Verschwenkung des Laufrades, abhängig von der Bewegungsrichtung des Fahrzeuges, die Bewegung abfühlen und ein entsprechendes Signal an den Computerprozessor 16 des Navigations- und Steuerungssystems übertragen. Die Bewegung des Fahrzeuges Rm, wie sie mit dem Sensor 48 für die Drehung des Rades abgefühlt wird, ist das Produkt des Drehwinkels Wa des Rades, in Radian, direkt abgeleitet aus Information, die von dem Sensor für die Drehung des Rades geliefert wird und dem Radradius Wr. Die Bewegung des Fahrzeuges Pm, wie sie mit dem Sensor 50 für das Verschwenken des Laufrades abgefühlt wird, ist das Produkt der Änderung im Schwenkwinkel (Endwinkel Sf - Anfangswinkel Si) des Laufrades abzüglich der Änderung des Vortriebs Hc des Fahrzeuges, wie sie von dem Sensor für die Winkelbewegung bestimmt sind, und dem Abstand der horizontalen Versetzung S1 des Laufrades. Der mittlere Laufradwinkel Sa zwischen zwei Meßintervallen ist der Anfangswinkel Si plus der Hälfte der Änderung des Schwenkwinkels über das Meßintervall.

Wenn einmal die Messungen und Berechnungen dieser Variablen festgelegt sind, sollte klar sein, daß

Xm = Rm·Sin(SA) + Pm·Cos(SA) + Cy·Hc und

Ym = Rm·Cos(SA) - Pm·Sin(SA) - Cx·Hc.

Die Genauigkeit dieser Berechnungen wird vergrößert, wenn das Zeitintervall zwischen Meßpunkten verkleinert wird.

Die Werte von Xm und Ym werden dann von dem Navigations- und Steuerungssystem benutzt, um den gegenwärtigen Ort des Fahrzeuges zu berechnen, so daß das Steuerungssystem festlegen kann, wie das Fahrzeug entlang einem gewünschten Weg oder in Richtung auf einen gewünschten Ort zu führen ist.

BEISPIELE

Die folgenden theoretischen Beispiele liefern ein weiteres Verständnis für diese Berechnungen.

Beispiel 1

Ein Fahrzeug bewegt sich entlang einem geraden Weg, kehrt dann die Richtung ohne seitliche Bewegung (Xm = 0) und ohne Änderung des Vortriebes (Hc = 0) um.

Dann ist:

Xm = Rm·Sin(SA) + Pm·Cos(SA) = 0

Ym = Rm·Cos(SA) - Pm·Sin(SA)

Es gilt anfangs:

SA = 0 Grad und Ym = Rm.

Man bemerke, daß das Vorzeichen von Ym negativ ist, da Rm negativ ist (das Rad dreht sich rückwärts). Dies ist eine instabile Bedingung, die theoretisch unendlich fortdauern könnte. Die Laufradbewegung beginnt, wenn eine Störung bewirkt, daß SA sich ändert.

Während der Geradeausbewegung ist die Bewegung eingeschränkt durch:

RM/PM = -Cos(SA)/Sin(SA)

Wenn SA = (+ oder -) 90 Grad, hält das Rad die Drehung an und:

YM = (+ oder -)Pm

Die Geradeausbewegung des Laufrades wird unendlich fortgeführt, wenn SA sich 180 Grad annähert. Eine praktische Grenze ist durch die Auflösung des Codierers für das Verschwenken des Laufrades definiert. Die Gradeausbewegung des Laufrades ist beendet, wenn als Laufradschwenkwinkel 180 Grad gemessen wird.

Schließlich ist:

SA = 180 Grad und Ym = -Rm.

Man bemerke, daß das Vorzeichen von Ym negativ ist, da Cos(SA) = -1.

Beispiel 2

Ein Fahrzeug wird zur Seite geschoben, so daß die gesamte Bewegung seitlich ist (Ym = 0), ohne Änderung im Vortrieb (Hc = 0).

Dann ist:

Xm = Rm·Sin(SA) + Pm·Cos(SA)

Ym = Rm·Cos(SA) - Pm·Sin(SA) = 0

Anfangs ist:

SA = 0 Grad und Xm = Pm.

Es sei angemerkt, daß sich das Rad nicht bewegt und die Anfangsbewegung nur als Schwenkbewegung des Laufrades erfaßt wird. Jedoch bewirkt das Verschwenken des Laufrades, daß sich SA ändert, und die Geradeausbewegung des Laufrades beginnt sofort.

Während der Geradeausbewegung ist die Bewegung eingeschränkt durch:

RM/PM = Sin(SA)/Cos(SA)

Die Geradeausbewegung des Laufrades wird unendlich durchgeführt, wenn sich SA (+ oder -) 90 Grad nähert. Die praktische Vorwärtsbewegung des Laufrades wird beendet, wenn der Sensor für die Schwenkbewegung des Laufrades (+ oder -) 90 Grad mißt.

Schließlich ist:

SA = (+ oder -) 90 Grad und Xm = (+ oder -) Rm

Es sei angemerkt, daß Rm immer positiv ist und das Vorzeichen von Xm durch Sin(SA) definiert ist.

Beispiel 3

Ein Fahrzeug wird gezwungen, sich um den Punkt des Radkontaktes zu drehen, ohne Raddrehung (Rm = 0) und mit einem festen Schwenkwinkel des Laufrades (SA = Sf = Si = 0 Grad).

Dann ist:

Xm = Pm + Cy·Hc = -S1·HC + Cy·Hc = (Cy - S1)·Hc

Ym = -Cx·Hc

Es sei angemerkt, daß die gesamte Bewegung durch die Änderung des Vortriebes multipliziert mit einer festen Dimensionsversetzungen hervorgerufen wird.

Beispiel 4

Ein Fahrzeug wird gezwungen, sich um den Steg des Laufrades zu drehen, ohne Drehung des Rades (Rm = 0), und der Schwenkwinkel des Laufrades ist durch die Änderung des Vortriebes eingeschränkt (Sf - Si = Hc).

Dann ist:

Pm = S1·(Sf - Si - Hc) = 0

Und:

Xm = Cy·Hc

Ym = -Cx·Hc

Es sei wieder angemerkt, daß die gesamte Bewegung durch die Veränderung des Vortriebes multipliziert mit festen Dimensionsversetzungen hervorgerufen wird.

Beispiel 5

Ein Fahrzeug bewegt sich entlang einem geraden Weg, stoppt dann und leitet ein Wendemanöver um 45 Grad ein (Xm = Ym), ohne Änderung im Vortrieb (Hc = 0).

Dann ist:

Xm = Rm·Sin(SA) + Pm·Cos(SA)

Ym = Rm·Cos(SA) - Pm·Sin(SA)

Anfangs ist:

SA = 0 Grad und Xm = Rm = Ym = Pm

Es sei angemerkt, daß die Drehbewegung des Rades und die Schwenkbewegung des Laufrades gleich sind. Jedoch bewirkt das Schwenken des Laufrades, daß sich SA ändert, und die Vorwärtsbewegung des Laufrades beginnt unmittelbar. Während der Vorwärtsbewegung ist die Bewegung eingeschränkt durch:

Rm·Sin(SA) + Pm·Cos(SA) = Rm·Cos(SA) - Pm·Sin(SA)

Die Vorwärtsbewegung des Mittelpunkts wird unendlich durchgeführt, wenn sich SA an 45 Grad annähert. Praktisch ist die Vorwärtsbewegung beendet, wenn der Sensor für das Verschwenken des Laufrades 45 Grad mißt.

Schließlich ist:

SA = 45 Grad und Pm = 0

Xm = Rm·Sin(SA)Ym = Rm·Cos(SA)

Es sei angemerkt, daß die gesamte Bewegung durch die Drehung des Rades hervorgerufen wird, multipliziert mit einer Konstante, die von SA abgeleitet ist. Eine ähnliche Analyse gilt für jeden Wendewinkel.


Anspruch[de]

1. Navigations- und Steuerungssystem für ein Fahrzeug (10), welches die relative Position des Fahrzeugs in der X- und Y-Richtung bestimmt, gekennzeichnet durch eine Laufradanordnung (40), aufweisend einen Laufdrehgelenksensor (50) und einen Laufrad-Drehbewegungssensor (48), wobei das System weiterhin einen Winkelbewegungssensor (12) aufweist, welcher Informationen betreffend den aktuellen Kurs des Fahrzeuges liefert.

2. Navigations- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, wobei der Winkelbewegungsensor (12) ein Gyroskop aufweist.

3. Verfahren zum zeitweisen Navigieren und Steuern eines Fahrzeugs mittels eines Navigations- und Steuerungssystems entsprechend einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laufdrehgelenksensor (50) den relativen Drehwinkel der Laufanordnung (40) zum Fahrzeug (10) bestimmt, der Raddrehbewegungssensor (48) die Umdrehungen des Rades (42) bestimmt und der Winkelbewegungssensor (12) den Kurs des Fahrzeugs bestimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Messungen des Laufdrehgelenksensors (50), des Raddrehbewegungssensors (48) und des Winkelbewegungssensors (12) für eine rechnerunterstützte Berechnung einer Positionsänderung des Fahrzeugs in einer Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Fahrzeugs und für eine Positionsänderung des Fahrzeugs in der lateralen Richtung des Fahrzeugs verwendet werden.

5. Verwendung eines Navigations- und Steuerungssystems entsprechend einem der Ansprüche 1 oder 2 zum Berechnen der Relativbewegung des Fahrzeugs (10).

6. Verwendung nach Anspruch 5, wobei das Fahrzeug unter Verwendung der Berechnung der Relativbewegung des Fahrzeugs ohne einen direkten menschlichen Eingriff gesteuert wird.







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