SE451770B - Sett for navigering av en i ett plan rorlig farkost, t ex en truck, samt truck for utovning av settet - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 451 770 vinklarna i det nämnda planet från en referenspunkt på 'farkosten till fasta punkter relativt en referensrikt- ning på farkosten, varvid åtminstone tre av vinklarna användes för trigonometrisk bestämning av position och riktning i ett beräkningsorgan.

I ett känt system för fri navigering av förarlösa truckar använder man sig av en laserstråle, som avkän- ner reflektorer, vilka är fast anordnade i lokalen, där trucken rör sig. Detta system benämnes TURTLE och är beskrivet i The FMS Magazine, July l983, pp 232 - 236.

Det är baserat på att trucken för varje positionsbes- tämning som skall göras "ser" ett antal fast anordnade reflektorer i lokalen och att dessa reflektorer kan identifieras, vilket sker genom att den från varje ref- lektor avgivna optiska signalen är kodad. Detta åstad- kommes genom att laserstrålen, som utsändes från truc- ken, sveper över 3600 och vid sin passage över en reflektor ger upphov till en streckkodad reflekterad signal.

Ett annat känt system, som är beskrivet i Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control Vol. 105, September 1983, pp 152 - 155, är baserat på en typ av positionsbestämning, vilken är densamma som vid TURTLE-systemet men med den skillnaden, att ultraljud istället för laserljus användes för uppsökning och identifiering av de fasta punkterna i rummet. Från var- je fast punkt utsändes därvid en ljudsignal med en för- utbestämd frekvens, som är specifik för den ifrågavar- ande punkten. Det senare systemet är likt det som besk- rives i Robotics Age, Mar/Apr 1983, pp 31 - 33, och även utgör föremål för amerikanska patentet 4 328 545, men därvid är i de fasta punkterna anordnade fyrar för utsändning av ljus med viss kodning, så att mottagare på trucken kan identifiera den fyr som ljussignalen kommer ifrån. 10 15 20 25 30 35 i451 770 Såvitt uppfinnaren till föreliggande uppfinning känner till, är kända system för fri navigering av förarlösa truckar baserade på att de signaler, som mot- tages av trucken för att användas till bestämning av den aktuella positionen för trucken, är specifika för de punkter som de kommer ifrån och kan användas för identifiering av dessa punkter. Detta utgör en begräns- ning hos de kända systemen, och ändamålet med uppfin- ningen är nu att möjliggöra användningen av enkla och billiga från de fasta punkterna i rummet utan att dessa sig- reflektorer för åstadkommande av signalerna naler behöver kodas för att därigenom kunna identifi- eras, samtidigt som det möjliggöres att positionen bes- tämmes, även om några av de fasta punkterna skulle vara temporärt dold eller det skulle förekomma reflexer, som inte hör till systemet.

I angivet syfte har sättet enligt uppfinningen er- hållit de kännetecken som framgår av patentkravet 1.

För närmare förklaring av uppfinningen hänvisas till bifogade ritningar, på vilka FIG l är en planvy av en lokal, genom vilken en förarlös truck skall navigera genom tillämpning av sättet enligt uppfinningen, FIG 2 är en sidovy av trucken, FIG 3 är en horisontalsektionsvy av trucken i FIG 2 efter linjen III - III, FIG 4 är en schematisk sidovy av det optiska sys- temet för utsändning av en avsökande laserstråle, FIG 5 är en geometrisk figur för beräkning av far- kostens position och riktning med ledning av vink- larna till tre fasta referenspunkter, FIG 6 är ett blockschema över ett elektroniskt system för utövning av sättet enligt uppfinningen, FIG 7 är ett mera detaljerat blockschema över den del av det elektroniska systemet, till trucken, som är förlagd 451 770 10 15 20 25 30 35 FIG 8 är en schematisk frontalvy av en för använd- ning i systemet lämpad detektor, FIG 9 är en schematisk planvy, som åskådliggör av- sökningen av en reflektor med användning av detek- torn i FIG 8, och FIG 10 är ett diagram, som visar den vid avsök- ningen enligt FIG 9 erhållna signalen från detek- torn.

Med hänvisning till FIG l visas där en tänkbar rutt l0 som en förarlös truck ll skall bringas att föl- ja med tillämpning av sättet enligt uppfinningen, Rut- ten sträcker sig genom ett fritt utrymme i en lokal, vilket begränsas av lokalens väggar och/eller däri fö- refíntliga föremål, såsom maskiner, lagerställ eller liknande, här generellt betecknade med 12. Det fria ut- rymmet som trucken kan röra sig genom behöver i och för sig inte vara begränsat av fasta föremål eller vara in- neslutet av väggar, utan rörelseutrymmet för trucken kan vara begränsat till visst område med viss form och utsträckning i horisontalplanet av andra skäl. I rörel- seutrymmet skall vid tillämpning av sättet enligt upp- finningen ett flertal reflektorer l3 vara uppsatta, som kan vara av enklaste och billigaste slag och lämpligen utgöres av reflekterande tejp, exempelvis av den typ som marknadsföres av 3M Svenska AB under det registre- rade varumärket SCOTCH LITE. Tejpen kan anbringas di- _rekt på väggar eller föremål eller kan vara anbragt på utplacerade vertikalt stående pinnar med en diameter av storleksordningen 20 mm. Tejpen bör ha viss utsträck- ning i vertikalled. Bakom reflektorerna bör finnas en mörk bakgrund, för att reflektorerna skall skarpt av- teckna sig mot bakgrunden.

På trucken är anordnat ett optiskt system 14 för utsändning av en laserstråle, som sveper över 3600.

För anbringning av det optiska systemet är trucken kon- struerad på ett speciellt sätt, FIG 2 och 3. Sålunda I: 210 15 20 25 30 35 451 770 innefattar den ett chassi 15, som på två ståndare eller pelare 16 och två flänsar eller liv 17 uppbär truckens överbyggnad 18 under kvarlämnande av en spalt 19 mellan chassi och överbyggnad. systemet 14 monterat så att flänsarna eller liven *l7 sträcker sig radiellt mot den vertikala axeln 20 för sveprörelsen. Därigenom finns ett i det närmaste obru- tet fritt fält runt axeln 20 på en nivå nära golvet el- ler marken för den svepande laserstrâlen. Även om denna stråle i och för sig är ofarlig, har många människor den föreställningen, att varje laserstråle, även om den är svag, är farlig för ögonen. Med det beskrivna ar- rangemanget befinner sig strålen långt nedanför ögon- höjd, fördelaktig även ur den synpunkten, och denna placering av det optiska systemet är att överbyggnaden och därav uppburen last inte vid något tillfälle skär- mar av laserstrålen under dess sveprörelse, vilket inte är det minst viktiga för en säker och tillförlitlig na- vigering.

Truckens överbyggnad 18 kan innefatta lämplig lyftanordning eller annan lasthanteringsanordning samt utrymmen för elektronisk utrustning, batterier etc.

Principiellt kan det optiska systemet vara utfört pä det sätt som är schematiskt visat i FIG 4. En laser- generator 21, vilken kan utgöras av en gaslaser (He-Ne) för synligt ljus eller av en halvledarlaser för IR- strålning, som kan vara pulsad, riktar sin stråle mot en spegel 22, vilken i sin tur riktar strålen genom ett hål 23 i en spegel 24 mot en spegel 25. Den sistnämnda spegeln uppbäres av ett roterbart lagrat svänghjul 26, som över en drivrem är kopplat till en drivmotor 27 för att roteras med ett konstant varvtal av storleksord- ningen 2 à 3 varv/sek. Svänghjulet är kopplat till en vinkelmätare 28, som arbetar med mycket stor noggrann- het, eller till en anordning för mätning av tiden som det tar för svänghjulet att med jämn hastighet vrida I denna spalt är det optiska_ 451 770 10 H15 20 25 30 35 sig från ett referensläge till ett visst läge, vars* vinkelläge skall anges. Sådan tidmätning kan utföras med. mycket stor noggrannhet och med användning av en enklare och billigare anordning än den som en vinkelgi- vare med stor noggrannhet utgör.

När laserstrålen träffar en reflektor l3, reflek- teras den tillbaka till spegeln 25, som skickar den reflekterade strålen vidare till spegeln 24, varifrån den reflekterade strålen riktas via lämplig optik 29 mot en detektor 30 för att fokuseras på denna.

I FIG 5 är 'trucken visad i ett koordinatsystem, och för identifiering av truckens position i ett visst ögonblick måste koordinaterna x och y för axeln 20 samt vinkeln m bestämmas. Vinkeln Q är därvid vinkeln mellan* x-axeln och en referenslinje L hos farkosten, vanligt- vis farkostens längdaxel. Denna bestämning kan ske med användning av tre fasta punkter, dvs med hjälp-av tre reflektorer, som trucken ser från den ifrågavarande positionen. På basis av vinklarna w 1, mellan syftlinjerna från truckens referenspunkt 20 till de tre reflektorerna med koordinaterna (xlyl), (x2y2) och (x3y3) och referenslinjen L, kan truckens position och rörelseriktning bestämmas med tillämpning av konventionell trigonometri, såsom är tidigare i och för sig känt och är beskrivet i den ovan nämnda publikationen Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, September 1983, Vol. 105/153.

Med användning av det optiska systemet på trucken mätes sålunda vinklarna (pl, sis av dessa vinklar ekvationen för de båda cirklar, som i FIG 5 har lagts genom de tre punkterna och truc- kens position, för bestämning av truckens position och riktning. Eftersom detta är i och för sig känd teknik, skall de trigonometriska beräkningarna inte återges här. Emellertid föreligger mellan det här beskrivna 10 15 20 25 30 35 451 770 systemet och de system som är tidigare kända och be- skrives i de inledningsvis angivna hänvisningarna en väsentlig skillnad: de tre punkter som behövs för be- räkningen har inte identifierat sig själva genomfkod- ning. Trucken kan se flera fasta punkter än tre, och det gäller sålunda att på något sätt identifiera dessa punkter.

'Rörelseområdet med reflektorer och rörelsebana är Inläggningen- i det inlagt i ett elektroniskt minne. elektroniska minnet kan ske genom känd teknik. En metod som kan tillämpas är användningen av ett CAD-system, med vars exempelvis AutoCAD, vilket är ett ritprogram, hjälp vilken ritning som helst kan framställas i en mikrodator. Med användning av detta program kan sålunda den i FIG l visade planen över truckens rörelseområde inprogrammeras i en mikrodator. För inläggning av den avsedda banan för trucken kan som ett alternativ till inläggning via AutoCAD-programmet trucken köras längs denna bana och dess position relativt reflektorerna kontinuerligt upplagras i programmet. Reflektorernas positioner bestämmas genom tillämpning av konventionell lantmäteriteknik, och de uppmätta positionerna lägges in i programmet. Alternativt kan bestämningen av ref- positioner ske genom att trucken köres lektorernas längs en känd bana och inmätningen av positionerna âstadkommes med användning av det optiska systemet och ett i truckens datasystem inlagt program.

När trucken därefter skall bringas att automatiskt följa den fastlagda banan, måste först en position och en riktning för trucken fastläggas för att sedan tjäna som bas för identifieringen av efterföljande positioner och riktningar. Detta kan göras på olika sätt. En metod består i att trucken placeras på ett förutbestämt stäl- le i en förutbestämd riktning, som är från början tidi- fastställda. En består gare annan metod 10 15 20 25 30 35 451 770 i att position och riktning fastställes med ledning av tre fasta punkter i taget under antagande, att dessa har vissa identiteter, och att detta upprepas med avse- ende på alla fasta punkter som trucken ser i en viss position. Detta ger ett flertalf positioner -och rikt- ningar för varje tre punkter som lägges till grund för bestämningen. Man beräknar variansen för de erhållna resultaten och upprepar sedan beräkningarna med ett an- nat antagande om punkternas identitet. När man funnit det antagande, som ger den minsta variansen, är punk- terna identifierade.

Efter hand som trucken rör sig, göres i varje en- skild position fortlöpande bestämningar av truckens po- sítion och rörelseriktning på basis av de med apparaten 14 utförda vinkelmätningarna till de reflektorer, som trucken ser i den aktuella positionen, med ledning av inprogrammerade hinder. Varje ny positionering av truc- ken kommer sålunda att bygga på tidigare erhållna in- formationer med avseende på truckens position och rörelseriktning.

Det skall observeras, att det i varje position hos trucken kan komma att utföras- flera bestämningar av truckens position och riktning beroende på hur många reflektorer som trucken ser från den ifrågavarande po- sitionen. Eftersom reflektorerna är av enkel och billig beskaffenhet och inte behöver ge kodad reflektione- signal, kan man vara generös med utplacering av detek- itorerna och på så sätt uppnå stor noggrannhet i posi- tions- och riktningsbestämningen.

För utövningen av sättet enligt uppfinningen genom de ovan nämnda beräkningarna användes ett datorsystem, som i princip är uppbyggt enligt FIG 6. En överordnad stationär dator 31, som kan vara gemensam för flera truckar, för inprogrammering av rörelseområdet och öns- kade rörelsebanor i detta område, exempelvis med an- f: 10 15 20 25 30 35 451 770 vändning av det ovan nämnda AutoCAD-programmet. Datorn 31 är också kopplad till en operatörskonsol 32 med tangentbord för möjliggörande av att tillfälliga in- grepp i det inlagda programmet göres manuellt. Datorn 31 är via ett kommunikationssystem 34, FIG 6, exempel- vis en trådlös länk (radio eller IR) kopplad till en mikrodator 35 på varje truck. i Datorn 3l_ fungerar som koordinator för flera truc- kar i ett system och lämnar via länken erforderliga in- formationer till datorn 35 på trucken. Datorn 35 kan vara en mikrodator av typ Motorola MC 68010, och den är kopplad till en annan mikrodator 36 på trucken, vilken också kan vara av typ Motorola MC 68010, som erhåller vinkelmätsignaler från det optiska systemet 14 och be- arbetar dessa signaler för att till datorn 35 lämna in- formation om truckens momentana position och riktning ~med tillämpning av det sätt som beskrivits ovan. I da- torn 35 sker sedan jämförelse med inprogrammerade data, och i beroende av resultatet av -jämförelsen lämnas styrsignaler till truckens drivsystem 37 för åstadkom- mande av den korrigering av truckens rörelse som kan erfordras för att trucken skall röra sig efter den för- utbestämda banan. Till datorn 35 är även anslutet lämp- ligt sensorsystem 38 för inhibering av truckens rörelse vid uppkommande risk* för kollision med personer eller föremål.

Noggrannheten i styrningen av trucken kan avsevärt förbättras genom användning av en detektor av den typ som är visad i FIG 8. Denna detektor är av känt utfö- rande och innefattar två kiselfotodioder, som är be- tecknade 39A och 39B. Varje diod har en bredd av stor- leksordningen 100 um och dioderna är inbördes åtskilda genom en spalt 40 av storleksordningen 10 pm. Avsök- ningen av reflektorerna 13 kan i princip betraktas som en projiciering av detektorn, dvs båda kiseldioderna, 10 15 20 25 30 35 ,av dioden 39A projicieras på reflektorn, 'efter erhålles ingen signal från detektorn, 451 770 10- på reflektorns yta. Detta är åskådliggjort i FIG 9. När den projicierade bilden av detektorn rör sig in över reflektorn i pilens 41 riktning, kommer först den ena kiseldioden 39A att befinna sig i reflektorns område och därefter den andra. Genom att signalerna från ki- seldioderna summeras med motsatt polaritet kommer de- tektorn att ge en signal sådan som visas i FIG 10, där horisontalaxeln anger avsökningsvinkeln och vertikal- axeln anger signalen från detektorn. När enbart bilden kommer signa- len från detektorn att stiga till ett största positivt värde för att sedan, när den andra dioden börjar röra sig in över reflektorn, åter sjunka ner mot noll, ef- tersom den signal, som lämnas från den andra dioden subtraheras från signalen från den första dioden. Där- förrän den nämnda första diodens projektion lämnar reflektorns yta, varvid signalen från den nämnda andra dioden avges från detektorn. Genom detta arrangemang erhålles med andra ord en skarpt markerad och lätt definierbar sig- nal, vilket innebär att vinkelbestämningen kan ske med stor noggrannhet med motsvarande stor noggrannhet i po- sitions- och riktningsbestämningen för trucken.

Positions- och riktningsbestämningen genom tillämpning av det ovan beskrivna sättet kan komplette- ras med odometri, innebärande att givare på truckens hjul och styrinrättning lämnar signaler som represen- terar tillryggalagd vägsträcka resp riktningen på den förekommande rörelsen, och dessa signaler därefter ut- nyttjas för beräkning av ändringen i truckens position och riktning, så att man även på basis härav genom be- räkningar, som kan utföras i datorn 36, kan erhålla upplysning om truckens aktuella position och riktning.

De härigenom erhållna värdena kan sedan bearbetas till- samman med dem som erhållits genom tillämpning av sät- 10 pß 20 25 30 35 n 451 77Û tet enligt uppfinningen.

Det är också möjligt att med utnyttjande av storheter, som representerar truckens rörelsehastighet och som lätt kan beräknas med kända metoder, kompensera för truckens mellan förflyttning mätningarna av vinklarna till de fasta punkterna. Trucken andra ord inte stilla under mätningarna, och även om rörelsen är liten, påverkar den positionsbestämningarna.

Medel kan vara anordnade för manuell styrning av trucken, exempelvis en manöverpulpet, som är ansluten till trucken medelst en kabel.

En viss mindre sidledsavvikelse kan inprogrammeras mellan den bana, som trucken följer vid ett tillfälle, och den som den följer i samma banavsnitt vid ett annat tillfälle, vilket kan vara till fördel, ken då inte nöter spår i underlaget (golvet) under rö- eftersom truc- _relse längs en oförändrad bana under lång tid.

Väsentligt i fråga om uppfinningen är det sätt, på vilket truckens position och rörelseriktning faststäl- les med användning av ett antal reflektorer, vilka av- ger anonyma reflektionssignaler. Det praktiska utföran- det av de mekaniska och elektroniska medel, varmed det- ta sätt realiseras, har här visats och beskrivits i det' för närvarande föredragna utförandet men kan modifieras eller ersättas med andra medel än de här beskrivna inom ramen för den i patentkraven angivna uppfinningstanken. står med

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 451 770 l2 PATENTKRAV

1. Sätt för navigering av en i huvudsakligen vid vilket åstadkommes bestämning av farkostens aktuella posi- ett plan rörlig farkost, t ex en truck, tion och riktning genom mätning av vinklarna i det nämnda planet från en referenspunkt på farkosten till fasta punkter relativt en referensriktning på farkosten, varvid åtminstone tre av vinklarna an- vändes för trigonometrisk bestämning av position och k ä nn e t e c k - riktning i ett beräkningsorgan, n a t av att ett flertal anonyma, godtyckligt ut- placerade men _lägesbestämda fasta punkter anordnas för navigeringen, att positionen för samtliga fasta punkter jämte förekommande sikthinder mellan far- kostens referenspunkt och de fasta punkterna upplag- ras i ett elektroniskt minne, att farkostens rörelse i det nämnda planet påbörjas i en position och med en riktning, som är kända, för identifiering av de fasta punkter, som är synliga från referenspunkten i den nämnda positionen, och att i varje position och riktning för farkosten under dess rörelse utnyttjas den senast kända positionen och riktningen för att med ledning av de upplagrade positionerna för sikt- hindren bestämma de för tillfället synliga fasta punkternas identitet.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att de fasta punkterna pejlas in genom utsändning av en i horisontalled svepande ljusstråle från far- kosten och reflektion av ljusstrålen från reflektor- er i de fasta punkterna samt mottagning av den ref- lekterade ljusstrålen på farkosten.

3. Sätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att upplagríngen av de fasta punkterna åstad- kommes genom reproducering av det nämnda planet med m 15 20 25 30 35 451 770 l3 sikthinder och de fasta punkterna i det elektroniska minnet.

4. Sätt enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att reproduceringen àstadkommes i ett CAD-system för visuell representation av det nämnda planet med sikthinder och de fasta punkterna, varvid den bana, längs vilken farkosten skall röra sig, inlägges i den visuella representationen.

5. Sätt enligt krav 2,'k ä n n e t e c k n a t av att bestämningen av de fasta punkternas position åstadkommas genom att farkosten köres längs en känd bana under mätning av vinklarna till de fasta punkt- erna med användning av det optiska systemet och pro- upplagring punkternas positioner i det elektroniska minnet. gramstyrd beräkning och av de fasta

6. Sätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att vinklarna bestämmes genom mätning av tiden för den i horisontalled med jämn hastighet svepande ljusstrålens rörelse från ett referensläge till det läge, i vilket den träffar en reflektor.

7. Sätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att den reflekterade ljusstrâlen detekteras med användning av två vid sidan om varandra anordnade fotodetektorer, vilkas utsignaler summeras med mot- satt polarítet och som efter varandra träffas av den reflekterade ljusstrålen.

8. Sätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av .att ljusstrålen utsändes nära golv- eller mark- planet.

9. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att farkosten under sin rörelse bibringas ett läge relativt en önskad rörelsebana, som är för- skjutet mera eller mindre åt ena eller andra sidan om den nominella banan vid på varandra följande tur- er längs denna bana. 10 15 20 25 30 35 451 770 14

10. Truck för utövning av sättet enligt något av kraven 1 - 9, innefattande ett chassi (15) och en överbyggnad (18), k ä n n e t e c k n a d av att överbyggnaden (18) uppbäres på chassit (15) på ett begränsat antal ställen under kvarlämnande av en spalt (19) mellan överbyggnad och chassi, att en an- ordning (14) för utsändning av en i horisontalled svepande ljusstråle är anbragt i spalten, varvid förekommande organ (16, 17) för uppbärning av över- byggnaden på chassit på de nämnda ställena har' be- gränsad utsträckning i banan för ljusstrålens svep- ande rörelse, att ett vinkelmätningsorgan (36) på trucken är anslutet till anordningen 14 för utsänd- ningen av en ljusstråle, och att ett till vinkelmät- ningsorganet (36) och truckens drivsystem (37) an- slutet minnes- styr- och beräkningsorgan (35) är an- ordnat på trucken. :lf