專利名稱：無人駕駛車輛導(dǎo)向系統(tǒng)和方法
相關(guān)申請的交叉引用本申請請求于2001年12月12日遞交的、申請?zhí)枮?0/341,195的美國臨時申請的利益，該申請的整個公開部分被認(rèn)為是本申請所公開內(nèi)容的一部分，在此被合并參考。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種沿由磁標(biāo)記限定的路徑導(dǎo)引無人駕駛車輛的裝置和方法，該磁標(biāo)記例如可為一條磁帶、帶磁性的漆或粘結(jié)的磁粉。
具有自動導(dǎo)向系統(tǒng)的無人駕駛車輛在工業(yè)上的應(yīng)用變得越來越普遍。這些車輛用于在設(shè)備中沿預(yù)定的導(dǎo)向路徑運輸物料。在本領(lǐng)域中，能夠使用各種方法來導(dǎo)引車輛，例如，航位推測法、電氣化的導(dǎo)向線(electrified guidewire)、光學(xué)的或磁的標(biāo)記，以及慣性系統(tǒng)等。然而，這些系統(tǒng)的每一個均具有與下述方面相關(guān)的缺點，例如系統(tǒng)費用和復(fù)雜性、安裝費用、導(dǎo)向路徑修改的柔性(guide path revision flexibility)、以及運行精度等。這些缺陷的根源涉及到大量的系統(tǒng)零件，包括導(dǎo)向路徑標(biāo)記的類型以及定位或跟蹤該導(dǎo)向路徑的其他系統(tǒng)零件或傳感器。例如，在電氣化的導(dǎo)向線系統(tǒng)中，導(dǎo)線埋入到設(shè)備的工作面中。該車輛導(dǎo)向系統(tǒng)感測和跟蹤由電流穿過該埋入的導(dǎo)線而產(chǎn)生的磁場。這些電氣導(dǎo)向線系統(tǒng)在運行中具有較高的精度，但是，如果需要修正該導(dǎo)向路徑時，則需將新的導(dǎo)向線埋入工作面中，所以該系統(tǒng)具有昂貴的安裝費用和較低的導(dǎo)向路徑修改柔性。相反地，慣性導(dǎo)向系統(tǒng)使用旋轉(zhuǎn)編碼器(wheel encoder)和陀螺儀能夠提供較高的導(dǎo)向路徑柔性，但是更昂貴和復(fù)雜。
近年來，在物料輸送工業(yè)中使用無人駕駛車輛的技術(shù)有所增加。因此，相應(yīng)地增加了低費用無人駕駛車輛的需求，特別是用于輕載應(yīng)用中的車輛。這些輕載應(yīng)用通常要求將車輛設(shè)計成比傳統(tǒng)的無人駕駛車輛具有較低的堅固性。然而，導(dǎo)向精確、可靠和柔性的需求不會隨著車輛尺寸一同縮減。事實上，由于在較低費用的車輛中導(dǎo)向系統(tǒng)占用了整個車輛費用的很大的百分比，所以對于導(dǎo)向系統(tǒng)的柔性和成本效率的需求通常更迫切。因此，鑒于大多精確和柔性的導(dǎo)向系統(tǒng)通常也較為復(fù)雜和昂貴的事實，存在對可用于較低堅固性的車輛設(shè)計中的一種可靠、柔性和具成本效率的自動導(dǎo)向系統(tǒng)的需求。
自動導(dǎo)向車(AGC)是這一增長市場的代表。AGC用于在整個組裝設(shè)備中傳輸各種較輕的貨物。由于其較小的尺寸和較低的車輛成本，用戶通常需要較低導(dǎo)軌標(biāo)記安裝費用和修改該車的導(dǎo)軌的柔性，以適應(yīng)工廠布局或裝配流程的變動。有各種導(dǎo)向路徑標(biāo)記技術(shù)用于滿足此需要。例如，可以將磁帶設(shè)置在設(shè)備的工作面上以標(biāo)記該導(dǎo)軌?，F(xiàn)有技術(shù)中用于沿磁路徑導(dǎo)引無人駕駛車輛的傳感器組件包括霍耳效應(yīng)開關(guān)的陣列，以磁性地感測標(biāo)記了的路徑。這些現(xiàn)有技術(shù)的例子包括專利號為4,990,841的美國專利，其出版于1991年2月5日，名稱為“磁性導(dǎo)向車輛”，以及專利號為5,434,781的美國專利，其出版于1995年7月18日，名稱為“使用傳感器跟蹤發(fā)射電磁場的電纜而導(dǎo)向無人駕駛車輛的方法和裝置”。

發(fā)明內(nèi)容
一種車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，用于沿一磁標(biāo)記導(dǎo)向車輛，包括具有一感測軸的一第一磁性傳感器，該第一傳感器測量一第一磁場。一第二磁性傳感器具有一感測軸，該第二傳感器測量一第二磁場。該第二磁性傳感器的感測軸與該第一磁性傳感器的感測軸交叉于一車輛導(dǎo)向點上。一處理器配置為接收表征由該第一和第二傳感器測量的磁場數(shù)據(jù)，以基于該測量的磁場計算在導(dǎo)向點和磁標(biāo)記之間的橫向偏移。
本發(fā)明還提供了一種用于響應(yīng)具有磁場的標(biāo)記而導(dǎo)向一車輛的方法。該方法的步驟包括測量接近該標(biāo)記的磁場強度，測量遠(yuǎn)離該標(biāo)記的背景磁場強度，通過從該接近的磁場強度中去除該遠(yuǎn)離的磁場強度來將該背景磁場無效化，使用該無效化了的磁場強度計算車輛和標(biāo)記之間的偏移或橫向位移，以及響應(yīng)該車輛和該標(biāo)記之間的橫向位移來導(dǎo)向該車輛。
從以下的具體實施方式
、權(quán)利要求書和附圖中，本發(fā)明的其他應(yīng)用范圍將變得更明顯。然而，應(yīng)知道表明本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明和特定例子僅用作說明，因為在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種改變和改型對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來講，將變得很明顯。


從下面給出的具體實施方式
、附加的權(quán)利要求書以及附圖中，本發(fā)明將會變得更全面地被理解，其中圖1是位于與工作面上的磁標(biāo)記成一直線的操作位置的無人駕駛車輛的立體圖；圖2是沿圖1的線2-2的局部剖視圖，示出了車輛內(nèi)部與該磁標(biāo)記成一直線位置的磁導(dǎo)向系統(tǒng)；圖3是磁導(dǎo)向系統(tǒng)的電氣原理圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器組件，包括導(dǎo)向系統(tǒng)傳感器、信號處理器以及運動控制器；圖4是示出了該導(dǎo)向系統(tǒng)傳感器典型輸出的曲線圖；圖5是說明該導(dǎo)向系統(tǒng)的操作范圍的曲線圖；以及圖6是無人駕駛車輛位于與具有叉狀或Y交叉點的磁標(biāo)記成一直線的操作位置的立體圖。
具體實施例方式
本發(fā)明大體上涉及一種無人駕駛車輛，包括用于跟蹤磁標(biāo)記路徑的改進(jìn)的導(dǎo)向系統(tǒng)。在附圖，特別是在圖1至圖3示出的實施例中，顯示了本發(fā)明具有一導(dǎo)向系統(tǒng)12的無人駕駛車輛10，該導(dǎo)向系統(tǒng)12具有傳感器組件14、信號處理器16以及運動或操縱控制器(steering controller)18。如圖1所示，該車輛10配置成跟隨固定在工作面22上的磁導(dǎo)向路徑或標(biāo)記20。如圖3所示，該導(dǎo)向系統(tǒng)12允許沿路徑或標(biāo)記20的主動跟蹤。具體地，正如將在下面詳細(xì)描述的那樣，該信號處理器16接收從該傳感器組件14的輸出信號，并確定該車輛10自該路徑或標(biāo)記20的偏移或橫向位移。該信號處理器16將操縱控制信息傳輸給該運動控制器18，然后，該運動控制器18調(diào)節(jié)該車輛10的運動，以跟蹤該路徑或標(biāo)記20。本發(fā)明的改進(jìn)大體上在于該傳感器組件14和該信號處理器16，以便提高相對于該路徑或標(biāo)記20的車輛定位精度。
與現(xiàn)有的無人駕駛車輛的導(dǎo)向系統(tǒng)不同，本發(fā)明的導(dǎo)向系統(tǒng)12包括傳感器組件14，其具有多個高靈敏度的磁場傳感器，每個傳感器都提供一模擬輸出。該磁場傳感器優(yōu)選具有近似于16(mV/V)/(kA/m)的靈敏度。此外，該磁場傳感器優(yōu)選可檢測1高斯或更小的磁場變化，更優(yōu)選是10毫高斯或更小。在示出的實施例中，該磁場傳感器是巨磁阻(GMR)傳感器(giantmagnetoresistive sensor)。通常已知多種此類傳感器應(yīng)用于該車輛導(dǎo)向之外的領(lǐng)域中，本發(fā)明將這些高靈敏度的磁場傳感器結(jié)合到車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，以改善現(xiàn)有的導(dǎo)向系統(tǒng)。在本領(lǐng)域中有多種巨磁阻傳感器可用，并可以用于本發(fā)明中，所描述的實施例包括菲利普半導(dǎo)體公司(Philips Semiconductors)供給的磁場傳感器，其總部在荷蘭的艾恩德霍芬，部件號為KMZ51和KMZ52。KMZ51和KMZ52傳感器均提供了近似于16(mV/V)/(kA/m)的未補償?shù)撵`敏度。KMZ52磁場傳感器是雙惠斯通電橋(dual Wheatstone bridge)傳感器，其具有垂直的主H場(major H-field)或感測軸，而KMZ51磁場傳感器是單惠斯通電橋(single Wheatstone bridge)傳感器。在本領(lǐng)域很容易得到這些和類似的傳感器的操作性能的詳細(xì)描述，包括通過菲利普網(wǎng)站(www.semiconductors.philips.com)的產(chǎn)品信息。除了上述巨磁阻傳感器KMZ51和KMZ52，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以看出，在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)，還可以選擇使用其他的高靈敏度的磁場傳感器，包括霍耳效應(yīng)裝置。
這一點在下面有更詳細(xì)的描述，本發(fā)明檢測從該標(biāo)記的路徑20的偏移或橫向位移，其特征是由該傳感器組件14感測到的最強的極化DC磁場。在例舉的實施例中，該傳感器組件14包括示意性地顯示在圖2中的雙橋巨磁阻(GMR)裝置24，以包括磁場傳感器28、30，其優(yōu)選但不必要地安裝并構(gòu)造成“X”形布局、或“X”構(gòu)造，這樣，該第一磁場傳感器28的主感測軸32被定向為相對于該車輛10的橫向中心線26呈正四十五度(+45°)，并且該第二磁場傳感器30的主感測軸36被定向為相對于該車輛10的橫向中心線26呈負(fù)四十五度(-45°)，該主感測軸32和36相交以限定車輛導(dǎo)向點38。如下面更詳細(xì)的描述，車輛導(dǎo)向點38是車輛10計算從該路徑或標(biāo)記20偏移的參考點。該GMR裝置24可以被定位在該車輛10上，以便使該車輛導(dǎo)向點38與車輛10的橫向中心線26成一直線，如圖2中所示，或與該車輛橫向中心線26間隔開。在后面的實施例中，當(dāng)該車輛導(dǎo)向點38與該路徑或標(biāo)記20成一直線時，該車輛橫向中心線26與該路徑或標(biāo)記20間隔開。因此，該傳感器組件14的橫向位置或該車輛導(dǎo)向點38可以與該車輛橫向中心線26分隔開，從而，如果與該車輛橫向中心線26成一直線時，轉(zhuǎn)向輪將不壓在和磨損路徑20。該GMR裝置24可以位于車輛10的前面、中間或后面。換句話說，該GMR裝置24可以位于沿該車輛10的長度的任意縱向點。在示出的實施例中，GMR裝置24包括菲利普KMZ52磁場傳感器。然而，還可以使用一對KMZ51磁場傳感器，或類似的單橋傳感器，或高靈敏度的霍耳效應(yīng)裝置。該GMR裝置24的非線性輸出傳送給信號處理器16，然后，該信號處理器16再提供一線性結(jié)果，該結(jié)果描述了該強極化的DC磁場的位置，作為相對于該車輛導(dǎo)向點38的偏移，該強極化的DC磁場由該路徑或標(biāo)記20的極化DC磁場表征。
除了磁場傳感器28和30，本發(fā)明的傳感器組件14還包括一對背景磁場傳感器(ambient magnetic field sensors)40和42，其在該車輛導(dǎo)向點38的兩端以一預(yù)定的距離44橫向隔開(一個背景場傳感器40在該車輛10的左舷，而另一背景場傳感器42在該車輛10的右舷)。此兩個背景場傳感器40和42還優(yōu)選設(shè)置于從該車輛導(dǎo)向點38向外成四十五度角(45°)，如圖2所示。在示出的實施例中，每個背景場傳感器40和42與該車輛導(dǎo)向點38之間的距離近似為兩(2)英寸，并且優(yōu)選是一又四分之三(1.75)英寸。該距離44取決于該路徑或標(biāo)記20的寬度以及包括傳感器高度46的其他參數(shù)，本發(fā)明例舉的實施例包括兩(2)英寸的距離44，用于具有兩(2)英寸寬度的路徑或標(biāo)記20，以及具有兩(2)英寸的傳感器高度46。
如下面更全面的描述，背景場傳感器40和42提供磁場測量，用于無效化(nulling)或補償在周圍運行背景中產(chǎn)生的、以及由車輛框架產(chǎn)生的任何磁場中的背景磁場，以更精確地跟蹤該路徑或標(biāo)記20的中心，在需要時，沿該磁化路徑20的邊緣48和50導(dǎo)向車輛10。在第一個例子中，來自該背景場傳感器40和/或42的測量值用于校正從該GMR裝置24獲得的數(shù)據(jù)，其方法是從該數(shù)據(jù)中減去或無效化任何一致的背景DC磁場和車輛框架DC磁場或其一部分。該無效化的特征進(jìn)一步使分別來自該磁場傳感器28和30的輸出信號A和B的增益增加，并使得能夠分辨該磁場和背景場傳感器28、30、40和42之間磁場強度的微小差別。導(dǎo)向系統(tǒng)12通過將該高靈敏度的磁場傳感器28和30與背景磁場無效化的特征相結(jié)合，而辨別在該磁場和背景場傳感器28、30、40及42之間的微小磁場強度差異的能力，提供了允許使用例如磁性浸漬的涂層、漆、帶、粘合磁粉等的具有較低磁場強度的磁標(biāo)記的導(dǎo)向系統(tǒng)12。這些低強度的磁標(biāo)記通常安裝成本低并易于適應(yīng)路徑改變，因此大大地降低了安裝成本和時間。而且，該傳感器組件14可主動地檢測該磁化的路徑或標(biāo)記20，并因此降低了車輛10被背景磁場改變方向的機率，該背景磁場可能由其他工作面22內(nèi)的不明原因的磁化材料引起。
作為例子而不是限制，本發(fā)明的優(yōu)點在于包括一系統(tǒng)，該系統(tǒng)使得背景磁場無效化(nullify)，以允許該車輛10能夠沿相對于現(xiàn)有技術(shù)較低強度的磁場而被導(dǎo)向。具體地，但不是相對于未在現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)現(xiàn)的其他特征和優(yōu)點而限制本發(fā)明的范圍，與先前應(yīng)用的磁阻傳感器技術(shù)不同，本發(fā)明(a)無效化地球磁場和/或其他一致的(uniform)背景磁場以辨別標(biāo)記路徑或標(biāo)記20的存在，并防止錯誤的磁場檢測；(b)將該磁場和背景場傳感器28、30、40和42定向，以感測在水平面上的磁介質(zhì)；(c)使用輸出相位來建立可接受的運行區(qū)域；以及(d)使用伺服回路中的輸出來操縱(steering)。
從該兩個磁場傳感器28和30的輸出傳遞到信號處理器16(圖3)，其被配置為處理此傳感器輸出并給運動控制器18提供控制值，該控制值與距平面52的距離(圖2)成比例，該平面52與該路徑或標(biāo)記20的表面垂直并與該路徑或標(biāo)記20的長度平行。這樣，傳感器組件14可以用于測量該車輛導(dǎo)向點38相對于該路徑或標(biāo)記20的偏移或橫向位移，其可用于伺服回路之中來控制車輛操縱。圖2中示出了相對于位于路徑或標(biāo)記20中心的平面52的代表性的偏移O。然而，如下面更詳細(xì)的描述，該傳感器組件14還可以跟蹤該路徑20的邊緣48或50。
通常，如圖3所示，信號處理器16處理傳感器數(shù)據(jù)以提供表征偏移或橫向位移的運動控制測量值，以用于伺服回路操縱系統(tǒng)。信號處理器16的輸入包括分別來自該磁場傳感器28和30的輸出信號A和B，如圖4所示，以及分別來自該背景場傳感器40和42的輸出信號C和D，也如圖4所示，以便分辨來自該磁場傳感器28和30的有效磁場信號。如下面更詳細(xì)的描述，此兩個磁場傳感器28和30的非線性輸出傳遞到信號處理器16，該信號處理器16處理傳感器輸出并提供表征車輛導(dǎo)向點38相對于路徑或標(biāo)記20的偏移或橫向位移的線性結(jié)果。該傳感器組件14的方位和操作以及本發(fā)明的計算處理有些類似于“X-線圈”感應(yīng)接收，其被描述于專利號為5,434,781的、受讓人的美國專利，1995年7月18日授權(quán)，名稱為“使用傳感器跟蹤發(fā)射電磁場的電纜而導(dǎo)向無人駕駛車輛的方法和裝置”，此處引用其所公開的內(nèi)容作為參考。與’781專利中使用的交變電流的X-線圈感應(yīng)檢測相比，本發(fā)明依賴于惠斯通電橋的磁阻效應(yīng)，以檢測磁標(biāo)記路徑的DC磁場。’781專利和本發(fā)明的其他顯著的不同包括’781專利中描述的裝置提供正弦波形，其被濾波并被同步解調(diào)以為處理器提供DC電平，而本發(fā)明的磁性傳感器電橋的輸出提供一方波，其是關(guān)于一偏置點調(diào)制的DC電壓。由于本發(fā)明直接感測DC場，因此不需要濾波。本發(fā)明的信號處理器16通過感測方波的高低電壓，并將其與驅(qū)動磁場和背景場傳感器28、30、40和42翻轉(zhuǎn)的主控制時鐘信號進(jìn)行比較，來進(jìn)行解調(diào)，而’781專利中描述的裝置相對于一個傳感器的相位解調(diào)傳感器。此外，由于該背景場傳感器28、30感測的DC磁場可能由背景磁場導(dǎo)致的，該傳感器組件14包括附加的背景場傳感器40、42，以從相對較高的一致或背景磁場中辨別有效的路徑或標(biāo)記20。
現(xiàn)參考磁場及背景場傳感器28、30、40和42輸出信號或測量值，描述由本發(fā)明執(zhí)行的計算處理，所述輸出信號或測量值在圖4中分別用輸出信號A、B、C、D表示。通過分別測量磁場及背景場傳感器28、30、40和42的峰值到峰值的輸出，對輸出信號A、B、C、D進(jìn)行測量，并參考傳感器的翻轉(zhuǎn)線圈信號指定每個傳感器輸出的正極性或負(fù)極性。該測量為下面的計算定義了輸出信號A、B、C、D。當(dāng)跟隨該路徑或標(biāo)記20的中心時，信號處理器16根據(jù)如下公式確定車輛導(dǎo)向點38和路徑或標(biāo)記20中心之間的偏移(O)O＝G(A-B)/(A+B)，其中G＝1需注意的是，上述公式并沒有將GMR裝置24安裝在路徑或標(biāo)記20上方的距離，即傳感器的高度46計算在內(nèi)，如在’781專利所描述的方式。已經(jīng)確定對于傳感器高度46的改變，該改變基本上與磁場傳感器28和30的操作信號范圍相等，在偏移計算中只有很小的變化。該很小的變化至少部分可歸因于路徑20的寬度相對于傳感器高度46的小比率。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以看出，在不脫離由所附的權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以在上述的公式中結(jié)合高度因子或傳感器高度46。例如，可以基于名義傳感器高度和介質(zhì)場強度來經(jīng)驗性地確定該比例系數(shù)G，以校正該傳感器輸出為等于和成比例于該偏移的測量值。
當(dāng)車輛10跟隨該路徑或標(biāo)記20的右或右舷邊緣50時，根據(jù)如下公式確定車輛導(dǎo)向點38和路徑或標(biāo)記20的右側(cè)邊緣50之間的右邊緣偏移(OR)OR＝G(D-B)/(D+B)+K其中G是比例增益(傾斜度)，取決于右或右舷磁場傳感器30和右或右舷背景場傳感器42之間的距離44，其中對于一又四分之三(1.75)英寸的距離44，該比例增益G等于一(1)；K是偏移，取決于該路徑或標(biāo)記20的寬度和傳感器距離44，以提供與上面的路徑中心偏移計算(O)相同的零位置，其中，對于路徑寬度為二(2)英寸并且傳感器高度46為二(2)英寸的情況，偏移K是等于一點五(1.5)英寸。
當(dāng)跟隨該路徑或標(biāo)記20的左或左舷邊緣48時，根據(jù)如下公式計算車輛導(dǎo)向點38和路徑或標(biāo)記20的左側(cè)邊緣48之間的左邊緣偏移(OL)OL＝G(A-C)/(A+C)-K其中G是比例增益(傾斜度)，取決于左或左舷磁場傳感器28和左或左舷背景場傳感器40之間的距離44，其中對于一又四分之三(1.75)英寸的距離44，該比例增益G等于一(1)；K是偏移，取決于該路徑或標(biāo)記20的寬度和傳感器距離44，以提供與上面的路徑中心偏移計算(O)相同的零位置，其中，對于路徑寬度為二(2)英寸并且傳感器高度46為二(2)英寸的情況，偏移K等于一點五(1.5)英寸。
具體地，對于傳感器偏移，使用二(2)英寸寬磁帶作為路徑或標(biāo)記20以及二(2)英寸的傳感器高度46，背景場傳感器40和42應(yīng)設(shè)置如下其主感測軸54和58以在標(biāo)記20的邊緣48和50的外部接近二(2)英寸的最小距離，分別穿過該標(biāo)記20的平面，以防止該背景場傳感器40和42接收標(biāo)記20發(fā)出的大量的信號。在此構(gòu)造中，該背景場傳感器40和42提供了表征背景磁場的測量值，雖然由于會接收來自路徑20的剩余磁場，它們可能比背景磁場略高，該剩余磁場與該磁場傳感器28和30的測量值的振幅相比通常足夠小，這樣，該信號可以用于辨別該磁場傳感器28和30是否正在感測表征路徑20的適當(dāng)?shù)妮^大信號。通常，隨著路徑寬度的增加，該背景場傳感器40和42的間隔也必須增加，以提供有代表性的背景讀數(shù)。如果從該背景場傳感器40和42的讀數(shù)被用于跟蹤該路徑20的邊緣48和50，距離44一定不能太大，否則，該背景場傳感器40和42將不能從該背景磁場中區(qū)分出該路徑20。
采用上述的路徑偏移公式(OR)的右邊緣和路徑偏移公式(OL)的左邊緣，該導(dǎo)向系統(tǒng)12可以確定該車輛10、更具體地說是該車輛導(dǎo)向點38從路徑或標(biāo)記20的邊緣48或50的偏移和橫向位移，因此允許沿邊緣48或50導(dǎo)向，有益于車輛10順利穿過路徑20分成兩個路徑段或合并了另一路徑段的區(qū)域。
根據(jù)上述內(nèi)容可以看出，可以多種方式辨別該背景磁場和該磁性路徑的有/無。例如，通過將傳感器組件14基本上設(shè)置在磁性路徑20之上居中并垂直于該路徑20，(A+B)的和將大于(C+D)?；谠摯判月窂?0的寬度以一合適距離44將背景場傳感器40和42與磁場傳感器28和40分隔開，在示出的實施例中是近似于兩(2)英寸，將導(dǎo)致背景場傳感器40和42的感測值略高于背景場。因此，此設(shè)置可以用于從該高背景(或一致)磁場中辨別有效的路徑信號。該設(shè)置還可以用于指示該導(dǎo)向系統(tǒng)12處于預(yù)定的安全操作窗口，也就是說，作為由上述的偏移公式(O)、(OR)和(OL)給出的距離計算的冗余測試。該窗口的寬度由GMR裝置24的背景場傳感器40和42的距離44、以及其他諸如傳感器高度46和路徑20的寬度等其他因素確定。
具體地，輸出信號C和D可以用于無效化電路，其有益于增加該傳感器組件14的靈敏度。例如，由信號處理器16檢測的輸出信號C和/或D的測量值可以用于同時控制通道A、B、C和D的補償線圈電流，直到補償線圈產(chǎn)生了與由通道C和/或D檢測到的背景場大小相等、極性相反的場。通過此方法，任何由C和/或D檢測到的、假定為背景的場，被無效化。類似地，通道A和B的等效的場也被無效化。假定在磁場與背景場傳感器28、30、40、42之間的該距離和環(huán)境導(dǎo)致在所有傳感器28、30、40、42之間的一致的背景場測量值，這將有效地?zé)o效化該背景場。一旦其被完成，所有通道A-D的增益可以使用自動增益控制來增加，以使得由于增強了路徑信號和背景場之間的可測量的差異，以感測具有相對較低磁場力該磁介質(zhì)。此過程的連續(xù)迭代將導(dǎo)致對于任何從該背景場偏離的場的較高的靈敏度。
該背景場無效化及通道增益處理還通過收回先前由背景場數(shù)據(jù)占據(jù)的信號帶寬，而增強了導(dǎo)向系統(tǒng)12的靈敏度。換句話說，對通道A、B、C、D的公共偏離的去除連同自動增益控制一起，允許更高的靈敏度和精度。例如，使用信號處理器16，模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換的分辨率和輸入振幅限定了所得出的磁場和背景場傳感器28、30、40、42測量值之間差異的精度。
輸出信號A和B的讀數(shù)可以與上述各項一起使用，或只是作為驗證有效路徑存在和位置的預(yù)定的原始閾值。例如，在圖4中包括的樣本數(shù)據(jù)中，可以經(jīng)驗性地定義極化場閾值的零值(0)，以識別輸出信號A或B必須具有大于此值的振幅以表示有效路徑信號。
此外，該補償線圈的行為，或減去校正偏離可以用于補償在傳感器組件14周圍的金屬，其對背景場具有相似的效果并會體現(xiàn)到測量到的背景場中。通過此方法，傳感器性能實際上不受通常在該傳感器組件14的上方和側(cè)面的安裝效果的影響。
作為通過計算該左邊緣偏移(O)或右邊緣偏移(OR)來跟隨該路徑或標(biāo)記20的左邊緣48或右邊緣50的另一種方式，該導(dǎo)向系統(tǒng)12可通過保持分別來自一個傳感器28或30的恒定的磁場讀數(shù)，來操作以跟蹤邊緣48或50。用這種方式，該導(dǎo)向系統(tǒng)12可以相對于一個邊緣48或50保持車輛10的位置。例如，為了跟蹤左邊緣48，該導(dǎo)向系統(tǒng)12操縱該車輛10，以保持左傳感器28的恒定磁場讀數(shù)。具體地，該導(dǎo)向系統(tǒng)12操縱該車輛10，以恒定地保持左傳感器磁場讀數(shù)，該讀數(shù)等于該左傳感器28的移動磁場平均值(running magnetic field average)。因此，如果該左傳感器28的移動磁場讀數(shù)平均值為89高斯，該導(dǎo)向系統(tǒng)12通過操縱車輛10，在一較短的移動距離保持車輛相對于該左邊緣48的位置，從而保持左傳感器讀數(shù)為89高斯。類似地，為了跟蹤該右邊緣50，該導(dǎo)向系統(tǒng)12操縱該車輛10，以恒定地保持等于右傳感器30的移動磁場平均值的右傳感器磁場讀數(shù)。因此，如果該右傳感器30的移動磁場讀數(shù)平均值為91高斯，該導(dǎo)向系統(tǒng)12通過操縱車輛10，在一較短的移動距離保持車輛相對于該右邊緣50的車輛位置，以保持右傳感器讀數(shù)為91高斯。
當(dāng)該車輛10通過如圖6所示的路徑或標(biāo)記20的叉狀或Y形交叉點時，這種跟蹤邊緣48和50的方法特別有效。當(dāng)該車輛要沿交叉點的左分支跟蹤時，該導(dǎo)向系統(tǒng)12操縱該車輛10，試圖保持恒定的左傳感器磁場讀數(shù)。因此，所以該車輛被限制而不會左偏太遠(yuǎn)，因為該左傳感器磁場讀數(shù)將會降低，并且該車輛被限制而不會右偏太遠(yuǎn)，因為這會使得場讀數(shù)增加。通過以相似的方式保持該右傳感器磁場讀數(shù)，該車輛可以被沿該交叉點的右分支被操縱。
如上所述，磁場傳感器28和30優(yōu)選是布置為“X”形結(jié)構(gòu)。另一種可選的配置是將磁場傳感器28和30布置為“T”形結(jié)構(gòu)，其中，一個磁場傳感器的主感測軸與該路徑20或工作面22平行，而另一磁場傳感器的主感測軸與該路徑20或工作面22垂直。該“T”形結(jié)構(gòu)也有益于車輛操縱，但相對于該“X”結(jié)構(gòu)有其局限性。例如，該操作范圍(左舷/右舷)被輸出模式重復(fù)的事實所限制，可能會引起超出線性輸出范圍的一偽零值(false null)。然而，GMR裝置24使用“T”形結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行相似的導(dǎo)向。類似地，一排緊密地分隔的GMR裝置，全部都位于平行于工作面22的平面內(nèi)，并垂直于該車輛移動的方向，可以用于實現(xiàn)增加的靈敏度，但是局限是僅僅提供與該傳感器組件14等寬的覆蓋范圍。
除了感測該磁化的標(biāo)記路徑20，本發(fā)明還可以通過定向該傳感器組件14來感測頭/尾的距離，來以較高的精確度測量或指示停止位置。在此改型中，本發(fā)明能夠感測磁化路徑20以發(fā)出一停止信號。此外，該實際停止位置可以基于該傳感器組件14的測量值來調(diào)整或預(yù)測，以通過控制車輛的速度回路來以較高的精度可靠定位該車輛10。該傳感器組件14還可以用作磁化的條形碼讀卡器以定位特征信息，包括目標(biāo)的尺寸以及目標(biāo)的其他特征。
此外，背景場傳感器40和42可以用于感測磁標(biāo)記，以提供有關(guān)該車輛的當(dāng)前位置的信息。例如，極化為該主路徑20的進(jìn)或出相位的、放置在路徑20一側(cè)的一較小的交叉帶，通過在通道C或D創(chuàng)建瞬時較大的極化讀數(shù)，可提供幾個可確定的位置。
如圖3所示，該信號處理器16包括一數(shù)字信號處理器(DSP)60，用于接收來自該磁場和背景場傳感器28、30、40和42的輸出信號A、B、C和D，并通過上述的偏移公式(O)(OR)(OL)計算偏移。運動控制器18接收與來自該數(shù)字信號處理器60的偏移計算成比例的信號，并作為響應(yīng)，通過功率放大器62和操縱馬達(dá)64提供操縱控制信號，以旋轉(zhuǎn)該轉(zhuǎn)向輪和連接到該轉(zhuǎn)向輪上的傳感器組件14。
上述的討論揭示并描述了本發(fā)明的代表實施例。從該討論中以及附圖和權(quán)利要求書中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以很容易看出，在不脫離由隨附的權(quán)利要求書限定的、本發(fā)明的實質(zhì)精神和適當(dāng)?shù)姆秶那闆r下，本發(fā)明可以做各種變化、改型和改變。
權(quán)利要求
1.一種車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，用于沿一磁標(biāo)記導(dǎo)向一車輛，其包括具有一感測軸的一第一磁性傳感器，所述第一傳感器測量一第一磁場；具有一感測軸的一第二磁性傳感器，所述第二傳感器測量一第二磁場，所述第二磁性傳感器的所述感測軸與所述第一磁性傳感器的所述感測軸交叉于一車輛導(dǎo)向點上；以及一處理器，其配置為接收表征由所述第一和第二傳感器測量的磁場的數(shù)據(jù)，并基于該測量的磁場計算所述導(dǎo)向點和該磁標(biāo)記之間的橫向偏移。
2.如權(quán)利要求1所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中還包括一操縱控制器，并且所述處理器進(jìn)一步確定與該橫向偏移成比例的操縱控制信號，并將所述操縱控制信號傳遞給所述控制器。
3.如權(quán)利要求1所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中所述第一和第二磁性傳感器具有等于或大于16(mV/V)/(kA/m)的非補償磁場強度靈敏度。
4.如權(quán)利要求1所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中所述第一和第二磁性傳感器分辨1高斯或更小的磁場變化。
5.如權(quán)利要求1所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中所述第一和第二磁性傳感器分辨10毫高斯或更小的磁場變化。
6.如權(quán)利要求1所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中所述第一和第二磁性傳感器是惠斯通電橋傳感器。
7.如權(quán)利要求1所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中包括限定所述第一和第二磁性傳感器的一雙橋巨磁阻裝置。
8.如權(quán)利要求1所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中所述處理器通過公式G(A-B)/(A+B)來計算所述橫向偏移，其中A是該第一磁性傳感器測量的磁場，B是該第二磁性傳感器測量的磁場。
9.如權(quán)利要求1所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中還包括與所述導(dǎo)向點橫向隔開的一第三傳感器，所述第三傳感器測量一第三磁場，所述處理器進(jìn)一步配置為接收表征由所述第三傳感器測量的磁場的數(shù)據(jù)，并在計算該橫向偏移時從該第一磁場中減去該第三磁場，以大致將該第三磁場無效化。
10.如權(quán)利要求9所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中該第三磁場近似等于該第三傳感器附近的背景磁場或來自該車輛的雜散磁場。
11.如權(quán)利要求10所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中該第三磁場近似等于該第三傳感器附近的背景磁場和來自該車輛的雜散磁場。
12.如權(quán)利要求9所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中所述處理器通過下面的公式計算該導(dǎo)向點從該標(biāo)記一側(cè)的橫向偏移G[(A-C)/(A+C)]±K，其中，A是由該第一傳感器測量的磁場，C是由該第三傳感器測量的磁場，K是取決于該標(biāo)記寬度的一偏移值。
13.如權(quán)利要求9所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中，所述第三磁場小于該第一和第二磁場。
14.如權(quán)利要求9所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中還包括從所述導(dǎo)向點沿與所述第三傳感器相反的方向橫向隔開的一第四傳感器，所述第四傳感器測量一第四磁場，所述處理器進(jìn)一步配置為接收表征由所述第四傳感器測量的磁場的數(shù)據(jù)，并在計算該橫向偏移時，從該第二磁場中減去該第四磁場，以大致將該第四磁場無效化。
15.如權(quán)利要求14所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中該第四磁場近似等于該第四傳感器附近的背景磁場或來自該車輛的雜散磁場。
16.如權(quán)利要求14所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中，該第四磁場近似等于該第四傳感器附近的背景磁場和來自該車輛的雜散磁場。
17.一種無人駕駛的車輛，配置為沿一磁標(biāo)記被導(dǎo)向，所述車輛包括具有一橫向中心線的一車輛；固定到該車輛上的一導(dǎo)向系統(tǒng)，所述導(dǎo)向系統(tǒng)包括具有一感測軸的一第一磁性傳感器，所述第一傳感器測量一第一磁場；具有一感測軸的一第二磁性傳感器，所述第二傳感器測量一第二磁場，所述第二磁性傳感器的所述感測軸與所述第一磁性傳感器的所述感測軸交叉于一車輛導(dǎo)向點上；以及一處理器，其配置為接收表征由所述第一和第二傳感器測量的磁場的數(shù)據(jù)，并基于該測量的磁場計算所述導(dǎo)向點和該磁標(biāo)記之間的橫向偏移。
18.如權(quán)利要求17所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中還包括一操縱控制器，并且所述處理器進(jìn)一步確定與該橫向偏移成比例的一操縱控制信號，并將所述操縱控制信號傳遞給所述控制器。
19.如權(quán)利要求17所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中所述第一和第二磁性傳感器具有等于或大于16(mV/V)/(kA/m)的非補償磁場強度靈敏度。
20.如權(quán)利要求17所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中所述第一和第二磁性傳感器分辨1高斯或更小的磁場變化。
21.如權(quán)利要求17所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中還包括與所述導(dǎo)向點橫向隔開的一第三傳感器，所述第三傳感器測量一第三磁場，所述處理器還進(jìn)一步配置為接收表征由所述第三傳感器測量的磁場的數(shù)據(jù)，并在計算該橫向偏移時，從該第一磁場中減去該第三磁場，以大致將該第三磁場無效化。
22.如權(quán)利要求21所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中該第三磁場近似等于該第三傳感器附近的背景磁場或來自該車輛的雜散磁場。
23.如權(quán)利要求21所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中該第三磁場近似等于該第三傳感器附近的背景磁場和來自該車輛的雜散磁場。
24.一種車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，用于沿一磁標(biāo)記導(dǎo)向一車輛，包括具有一感測軸的一第一磁性傳感器，所述第一傳感器測量一第一磁場；具有一感測軸的一第二磁性傳感器，所述第二傳感器測量一第二磁場，所述第二磁性傳感器的所述感測軸與所述第一磁性傳感器的所述感測軸交叉于一車輛導(dǎo)向點上；以及一處理器，其配置為接收表征由所述第一和第二傳感器測量的磁場的數(shù)據(jù)，以計算該第一磁場和該第二磁場的移動平均值。
25.如權(quán)利要求24所述的車輛導(dǎo)向系統(tǒng)，其中還包括一操縱控制器，并且所述處理器進(jìn)一步確定與該第一磁場和該第二磁場的移動平均值成比例的操縱控制信號，并將所述操縱控制信號傳遞給所述控制器。
26.一種用于響應(yīng)具有磁場的標(biāo)記而導(dǎo)向一車輛的方法，其包括以下步驟測量接近該標(biāo)記的磁場強度；測量遠(yuǎn)離該標(biāo)記的背景磁場的強度；通過從該接近的磁場強度中去除該遠(yuǎn)離的磁場強度來將該背景磁場無效化；使用該無效化的磁場強度計算該車輛和該標(biāo)記之間的橫向位移；以及響應(yīng)該車輛和該標(biāo)記之間的該橫向位移來導(dǎo)向該車輛。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中包括測量磁場強度接近于16(mV/V)/(kA/m)或更小的該標(biāo)記的步驟。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其中該標(biāo)記具有一對相對的邊緣，并包括使用該無效化的磁場強度計算該車輛和該對相對的標(biāo)記邊緣的其中之一之間的一橫向位移的步驟，并沿該對相對的標(biāo)記邊緣的其中之一導(dǎo)向該車輛。
29.一種用于響應(yīng)具有磁場的標(biāo)記導(dǎo)向一車輛的方法，該方法包括以下步驟測量接近該標(biāo)記的磁場強度；計算該磁場強度的移動平均值；以及響應(yīng)該磁場強度的移動平均值來導(dǎo)向該車輛。
全文摘要
一種車輛導(dǎo)向系統(tǒng)(12)，用于沿一磁標(biāo)記(20)導(dǎo)向車輛(10)，包括具有一感測軸(32)的一第一磁性傳感器(28)，用于測量一第一磁場。具有一感測軸(36)的一第二磁性傳感器(30)，用于測量一第二磁場。該第二感測軸與該第一感測軸交叉于一車輛導(dǎo)向點(38)上。一處理器(16)配置為接收表征該磁場的數(shù)據(jù)，并基于該測量的磁場計算該導(dǎo)向點和該磁標(biāo)記之間的橫向偏移。一種用于導(dǎo)向車輛的方法，包括測量接近該標(biāo)記的磁場強度，測量遠(yuǎn)離該標(biāo)記的背景磁場強度，通過從該接近的磁場強度中去除該遠(yuǎn)離的磁場強度來將該背景磁場無效化，計算車輛和標(biāo)記之間的橫向位移，以及響應(yīng)該車輛和該標(biāo)記之間的橫向位移來導(dǎo)向該車輛。
文檔編號B62D1/28GK1602263SQ02824893
公開日2005年3月30日 申請日期2002年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月12日
發(fā)明者馬克·馬里諾, 埃爾文·K·霍尼 申請人:杰維斯·B·韋布國際公司