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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Bestimmung der relativen Position zwischen einer mobilen Einheit und einem Sender.
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Es ist allgemein bekannt, dass durch einen Sender ein Wellenfeld aussendbar ist und mittels eines Empfängers das Wellenfeld detektierbar ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einparkhilfe für ein mobiles Teil weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren nach den in Anspruch 1 und bei dem System nach den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren zur Bestimmung der relativen Position zwischen einer mobilen Einheit und einem Sender sind, dass der Sender zeitabschnittsweise einen Wellenzug mit einer Wellenlänge λ abstrahlt,
wobei die mobile Einheit zumindest drei Empfänger aufweist, die nicht in einer geraden Linie angeordnet sind und/oder die derart angeordnet sind, dass die Verbindungslinien zwischen je zwei der Empfänger einen nichtverschwindenden Winkel zueinander aufweisen und/oder die im Dreieck angeordnet sind,
wobei aus den Phasendifferenzen zwischen den von den Empfängern erzeugten Empfangssignalen der Abstand der mobilen Einheit relativ zum Sender und der Winkel zwischen der Fahrtrichtung der mobilen Einheit und der Verbindungslinie zwischen dem Sender und der mobilen Einheit, insbesondere und dem Schwerpunkt der Empfänger, insbesondere Messspulen, oder einem der Empfänger, insbesondere einer der Messspulen, bestimmt wird.
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Von Vorteil ist dabei, dass in einfacher Weise die Entfernung und Ausrichtung der mobilen Einheit zum Sender bestimmbar ist. Somit ist eine Einparkhilfe vorsehbar, welche die mobile Einheit schnellstmöglich zum Sender führt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der Sender ein Ultraschallsender und die Empfänger Ultraschall-Empfänger
oder der Sender ist eine mit einem Signalstrom beaufschlagbare Sendespule
und/oder die Empfänger umfassen Messspulen und/oder die von den Empfängern erzeugten Empfangssignale sind die in einer jeweiligen Messspule erzeugte induzierten Spannungen. Von Vorteil ist dabei, dass die Erfindung bei verschiedenen Arten von Wellenfeldern einsetzbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die mobile Einheit eine Lenkeinheit auf,
und dass die Antriebssteuerung der mobilen Einheit eine Reglereinheit aufweist, welcher die Phasendifferenz zwischen den Empfangssignalen zweier Empfänger, also eines ersten und eines zweiten Empfängers, als Istwert zugeführt wird,
wobei die Reglereinheit die Phasendifferenz auf einen Sollwert, insbesondere auf den Sollwert Null, hinregelt, indem sie den Lenkwinkel der Lenkeinheit entsprechend stellt,
insbesondere so dass die Fahrtrichtung der mobilen Einheit auf den Sender hin gerichtet ist,
insbesondere wobei die Reglereinheit einen linearen Regler umfasst, insbesondere einen P-Regler, einen PI-Regler oder einen PID-Regler, insbesondere mit oder ohne Vorsteuerung. Von Vorteil ist dabei, dass die Ausrichtung der mobilen Einheit zum Sender in einfacher Weise ermöglicht ist mittels eines Lenkwinkel-Reglers.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung steuert die Antriebssteuerung die Geschwindigkeit der mobilen Einheit abhängig vom bestimmten Abstand L, insbesondere bei Erreichen des minimalen Abstands zum Sender setzt sie die Geschwindigkeit auf Null,
wobei mit abnehmendem Abstand auch die Geschwindigkeit reduziert wird. Von Vorteil ist dabei, dass die mobile Einheit bei Erreichen des minimalen Abstandes zum Sender zum Halten kommt und somit die Position der stärksten Kopplung zwischen Sekundärwicklung und Primärleiter erreichbar ist
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Abstand L gemäß L = c1 + c2·φ + c3/(c4·φ + c5), bestimmt, wobei die Parameter c1, c2, c3, c4, c5 Konstanten sind, die von dem Abstand der Messspulen zueinander und der Wellenlänge des vom Sender ausgesandten Wellenfeldes und wobei φ die Phasendifferenz zwischen dem ersten und einem dritten Empfänger ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine wenig rechenintensive, also einfache, Formel zur Bestimmung verwendbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Empfänger Messspulen, insbesondere gleichartig aufgebaute Messspulen oder derartig aufgebauten Messspulen, dass die von einem homogenen Wechsel-Magnetfeld jeweils induzierten Spannungen gleiche Amplitude, Frequenz und Phase aufweisen. Von Vorteil ist dabei, dass ein einfacher Aufbau vorsehbar ist. Insbesondere sind die Messspulen auf einer Leiterplatte vorsehbar, insbesondere als auf der Leiterplatte angeordnete, insbesondere aus Leiterbahnen der Leiterplatte zusammengesetzte, Flachwicklung
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Wichtige Merkmale bei dem System sind, dass das System eine mobile Einheit und zumindest einen Sender aufweist,
insbesondere wobei der Sender zeitabschnittsweise einen Wellenzug mit einer Wellenlänge λ abstrahlt,
wobei die mobile Einheit zumindest drei Empfänger aufweist, die nicht in einer geraden Linie angeordnet sind und/oder die derart angeordnet sind, dass die Verbindungslinien zwischen je zwei der Empfänger einen nichtverschwindenden Winkel zueinander aufweisen und/oder die im Dreieck angeordnet sind,
wobei die von den Empfängern erzeugten Empfangssignale einer Signalelektronik zugeführt werden, welche Phasendifferenzen zwischen den Empfangssignalen bestimmt und aus einer ersten der Phasendifferenzen den Abstand der mobilen Einheit relativ zum Sender bestimmt,
wobei eine andere der bestimmten Phasendifferenzen einem Regler zugeführt wird, der den Lenkwinkel der mobilen Einheit als Stellgröße aufweist,
insbesondere so dass diese Phasendifferenz auf Null regelbar ist und somit der Winkel zwischen der Fahrtrichtung der mobilen Einheit und der Verbindungslinie zwischen dem Sender und der mobilen Einheit, insbesondere und dem Schwerpunkt der Empfänger, insbesondere Messspulen, oder einem der Empfänger, insbesondere einer der Messspulen, verschwindet.
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Von Vorteil ist dabei, dass das Einparken, also das Auffinden der optimalen Position für die elektrische Beladung der mobilen Einheit in einfacher und schneller Weise erfolgt. Das System ist auch als Einparkhilfe für einen Fahrer einer mobilen Einheit verwendbar, wobei dem Fahrer die Entfernung und Richtung zum Sender angezeigt wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jeder der Sender oder je zwei Sender jeweils einer Ladestation, insbesondere Ladematte, zugeordnet, welche einen Primärleiter (20) aufweist, an den eine an der mobilen Einheit angeordnete Sekundärwicklung induktiv koppelbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass die mobile Einheit bei Hinfahrt zum Primärleiter von vorne zum ersten Sender leitbar ist und bei Hinfahrt zum Primärleiter von hinten jeweils mit einem unterschiedlichen Sender auf die optimale Position leitbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung steuert eine übergeordnete Steuerung die Sender derart an, dass in einem jeweiligen Zeitabschnitt jeweils nur ein einziger Sender abstrahlt, insbesondere dass also die Sender zeitlich nacheinander ohne Überschneidung einzeln abstrahlen, insbesondere einen Wellenzug. Von Vorteil ist dabei, dass die mobile Einheit zu dem nächstbenachbarten Sender führbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird jeder Primärleiter aus einer jeweils ihm zugeordneten Einspeisung gespeist, die aus einer Stromquelle versorgt wird, wobei auf der von der Stromquelle zur Einspeisung führenden Leitung Stromanteile zweier separater Frequenzbänder vorgesehen sind, insbesondere wobei das niederfrequentere der Frequenzbänder zur Leistungsübertragung und das höherfrequentere der beiden Frequenzbänder zur Signalübertragung verwendet ist. Von Vorteil ist dabei, dass keine weiteren Leitungen notwendig sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jede Einspeisung als Busteilnehmer eines Datenbusses ausgeführt ist, wobei die von der Stromquelle zur Einspeisung führenden Leitung die Datenbusleitung ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Zeitabschnitte für die Aktivität der Sender von einer übergeordneten Steuerung vorgebbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Primärleiter der Ladestationen aus einer gemeinsamen Einspeisung speisbar,
wobei die den Sendern zugeführten Signale von der Einspeisung mittels einer Leitung zugeführt werden, die Stromanteile zweier separater Frequenzbänder führt, insbesondere wobei das niederfrequentere der Frequenzbänder zur Leistungsübertragung an die Primärleiter und das höherfrequentere der beiden Frequenzbänder zur Signalübertragung an den jeweiligen Sender verwendet ist. Von Vorteil ist dabei, dass nur eine einzige Einspeisung für alle Ladestationen verwendbar ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In der 1 ist ein erstes erfindungsgemäßes System mit Ladematten (L1, L2, Ln) und Messsystem 8 gezeigt.
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In der 2 ist ein schematischer Querschnitt durch eine Ladematte L1 gezeigt, wobei Ferritteile und Befestigungsteile sowie weitere Details weggelassen sind.
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In der 3 ist ein zweites erfindungsgemäßes System gezeigt.
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In der 4 sind zwei relativ zur Sendespule 6 verschiedene Ausrichtungen und Positionen der Messeinheit 9 gezeigt
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Wie in der 1 und 2 gezeigt, weist ein erfindungsgemäßes System mehrere Ladematten (L1, L2, Ln) auf, die jeweils einen Primärleiter 20, insbesondere als Primärwicklung ausgeführten Primärleiter 20, aufweisen und mehrere, insbesondere zwei, Sendespulen (6, 10) zur Aussendung eines Wellenfeldes, insbesondere eines magnetischen Wechselfeldes.
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Der Primärleiter 20 wird von der Einspeisung 2 mit einem Wechselstrom zwischen 10 kHz und 1 MHz beaufschlagt, wobei eine mobile Einheit 7, insbesondere Elektroauto, Elektrofahrzeug, fahrerloses Transportsystem oder AGV, also automated guided vehicle, eine Sekundärwicklung aufweist, die parallel zum Primärleiter 20, ausgerichtet ist, wobei vorzugswiese die Sekundärwicklung und der Primärleiter 20, insbesondere also die Leistungsspule, als zueinander parallele Flachwicklungen angeordnet sind.
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Der Sekundärwicklung der mobilen Einheit 7 ist eine Kapazität derart parallel oder in Reihe zugeschaltet, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Frequenz des in den Primärleiter eingeprägten Wechselstroms entspricht. Aus der Sekundärwicklung wird ein Enegiespeicher der mobilen Einheit gespeist, so dass in der optimalen Position eine Beladung des Energiespeichers ermöglicht ist. Aus dem Energiespeicher ist der Antrieb der mobilen Einheit, insbesondere ein Elektromotor, versorgbar.
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Zur Auffindung der optimalen Parkposition oder zumindest einer Position im Beriech der Ladematte (L1, L2, Ln) weist die mobile Einheit eine Messeinheit auf, welche zumindest drei Messspulen (M1, M2, M3, M4) aufweist.
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Die Leistungsversorgung des Primärleiters 20 erfolgt über die Leitung 4 aus der Einspeisung, die wiederum über eine Versorgungsleitung 1 versorgt ist, beispielsweise mit Drehstrom mit Versorgungsnetzfrequenz, insbesondere 50 Hz oder 60 Hz. Zusätzlich ist ein Kommunikationskanal mit der Versorgungsleitung 1 verbunden, so dass Daten übertragbar sind zu den Einspeisungen 2. Vorzugsweise ist der Kommunikationskanal durch auf die Versorgungsleitung 1 aufmodulierte höher frequente Stromanteile. Bei Realisierung einer solchen „Powerline”-Versorgungsleitung 1 entfallen Aufwendungen zur Verlegung von Kommunikationsleitungen in der Anlage oder auf dem Parkplatz.
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Jede Ladematte ist einem jeweiligen Parkplatz der mobilen Einheit 8 zugeordnet.
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Die Einspeisung weist also einen AC-AC-Wandler auf, der aus dem Versorgungsstrom mit Netzfrequenz einen höher frequenten in den Primärleiter 20 eingeprägten Strom erzeugt.
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Darüber hinaus weist diese Einspeisung 2 auch jeweils eine Signalelektronik auf, die einen Signalstrom erzeugt, welcher über die Signalleitung 3 den Sendespulen (6, 10) zuleitbar ist.
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Dabei werden die Sendespulen (6, 10) nur alternativ mit dem Signalstrom beaufschlagt. Dies gilt für alle Sendspulen (6, 10) aller Ladematten (L1, L2, Ln). Dies bedeutet, dass im gesamten System nur eine aller Sendespulen (6, 10) mit dem Signalstrom beaufschlagt wird und daher die Sendspulen (6, 10) nur zeitlich nacheinander mit dem Signalstrom beaufschlagt werden.
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Von der Sendespule 6 wird somit nur ein Wellenzug für einen jeweiligen Zeitabschnitt von beispielsweise 10 μs gesendet, wobei eine Frequenz zwischen 100 kHz und 1 Ghz, vorzugsweise zwischen 1 MHz und 10 MHz, verwendet wird.
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Wie in 2 gezeigt ist das von der Sendspule erzeugte Hauptfeld senkrecht zu dem von dem Primärleiter 20 erzeugten Hauptfeld gerichtet. Die Wicklungsachsen der Sendespule 6 und des Primärleiters 20 sind vorzugsweise senkrecht zueinander.
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Die auf der mobilen Einheit 7 angeordnete Messeinheit 8 weist zumindest drei Messspulen (M1, M2, M3) auf, wobei die Verbindungslinien je zwei dieser Messspulen senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
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Somit wird eine Bestimmung der relativen Position der mobilen Einheit 7 zur Ladematte L1 ermöglicht, insbesondere also die Bestimmung des Abstands zur Ladematte L1 und des Winkels α zwischen der Fahrtrichtung der mobilen Einheit und der Verbindungslinie zwischen mobiler Einheit 7 und Sendespule 6.
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Wie in 4 gezeigt, wird die Ausrichtung der Messeinheit 8 im von der Sendespule 6 erzeugten Wellenfeld anhand der Äquipotentiallinien 40 des Wellenfeldes, insbesondere des Magnetfeldes, bestimmt. Da die mobile Einheit 7 nur innerhalb der Verfahrebene verfahrbar ist, genügt die zweidimensionale Betrachtung und somit müssen keine Äquipotentialflächen sondern nur Äquipotentiallinien bei der Bestimmung der Ausrichtung berücksichtigt werden.
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Die Messspulen (M1, M2, M3, M4) sind derart ausgeführt und angeordnet, dass in ihnen jeweils dieselbe Spannung induziert wird, wenn ein homogenes Wechselmagnetfeld vorliegen würde. Insbesondere sind also die Wicklungszahl, die umwickelte Fläche und der Winkel zu einer gemeinsamen Ebene aufeinander abgestimmt, vorzugsweise jeweils gleich. Im am einfachsten zu realisierenden Fall sind die Messspulen gleichartig ausgeführt.
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Bei der in 4 mit Winkel α zur Sendespule 6 hin ausgerichteten Messeinheit 8 ist jede der vier gezeigten Messspulen (M1, M2, M3, M4) in einer anderen Äquipotentiallinie des von der Sendespule 6 ausgesendeten Wellenfeldes angeordnet. Somit weisen die in den Messspulen induzierten Spannungen zueinander jeweils eine nichtverschwindende Phasendifferenz auf. In 4 lässt sich die Phasenlage 41 anhand der dort gezeichneten punktierten Linien 40 abschätzen.
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Aus den Phasendifferenzen wird in einer ersten Ausführung des Bestimmungsverfahrens direkt der Abstand L zwischen Sendespule 6 und Messeinheit 8 sowie die Winkeldifferenz der Fahrtrichtung, also eine an der Messeinheit 8 festgelegte Richtung, der mobilen Einheit zur Sendespule 6 bestimmt. Hierzu ist eine geschlossene Formel im Speicher der Signalelektronik der mobilen Einheit hinterlegt, bei der die Wellenlänge λ des Wellenfeldes und die geometrische Anordnung der Messspulen, also deren Relativpositionen zueinander, berücksichtigt werden. Bei einer Ausführung nach 5 wird also die Information über die rechtwinklige Anordnung der Messspulen im Quadrat sowie die Seitenlänge des Quadrats verwendet.
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Somit wird. also bei dieser ersten Ausführung aus den gemessenen Phasendifferenzen zwischen den in den Messspulen (M1, M2, M3, M4) induzierten Spannungen die Entfernung und Richtung der Messeinheit 8 zur Sendespule 6 bestimmt.
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Diese Werte sind dann verwendbar für eine Antriebssteuerung der mobilen Einheit 7, wobei der Lenkwinkel und die Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechend der bestimmten Parameter gesteuert werden.
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Bei einer zweiten Ausführung weist die mobile Einheit 7 eine Antriebssteuerung auf, die einen Regler umfasst, welchem die Phasendifferenz zweier in den Messspulen M2 und M4 induzierten Spannungen als Istwert zugeführt wird. Der Sollwert ist auf Null gesetzt. Als Stellgröße des Reglers ist der Lenkwinkel vorgesehen. Somit wird der Lenkwinkel auf einen derartigen Wert hingeregelt, dass die Phasendifferenz verschwindet und somit die beiden Messspulen M2 und M4 auf einer selben Äquipotentiallinie 40 angeordnet sind. Die Fahrtrichtung erfolgt somit in Richtung des Gradienten des Wellenfeldes. Wenn die Äquipotentiallinien 40 kreisförmig sind und die Fahrrichtung stets senkrecht gerichtet ist zur Verbindungslinie der Messspulen M2 und M4, dann zielt die Fahrtrichtung auf die Sendespule 6.
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Wenn nun die Phasendifferenz im Wesentlichen verschwindet, wird durch die Bestimmung einer anderen Phasendifferenz, beispielsweise die Phasendifferenz φ zwischen den in den Messspulen M1 und M2 induzierten Spannungen, die Bestimmung der Entfernung L zur Sendspule 6 in besonders einfacher Weise ermöglicht. Denn die Entfernung L ist bei der quadratischen Anordnung nach 5 durch eine Formel ausdrückbar der Form L = c1 + c2·φ + c3/(c4·φ + c5), wobei c1, c2, c3, c4, c5 Parameter sind: Darüber hinaus muss die Seitenlänge a des Quadrats nach 5 kleiner sein als die Wellenlänge λ des von der Sendespule 6 gesendeten Wellenfeldes.
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Die Geschwindigkeit der mobilen Einheit wird von der Antriebssteuerung auf einen Wert hin geregelt, der abnimmt mit abnehmender Entfernung zwischen Messeinheit 8 und Sendespule 6.
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Bei weiteren Ausführungen sind die Äquipotentiallinien 40 bei kleiner Ausdehnung der Sendespule 6 im Vergleich zum Abstand L zwischen Messeinheit 8 und Sendspule 6 kreisförmig. Bei einer Anordnung mit nicht kreisförmigen Äquipotentiallinien wird wiederum die, Fahrtrichtung durch Nullen der Phasendifferenz zwischen M2 und M4 eingeregelt. Die Entfernungsbestimmung erfordert dann einen höheren numerischen Aufwand, da die obengenannte Formel für L nicht mehr gilt, und die Kenntnis des Verlaufs der Äquipotentiallinien 40, also die Beschaffenheit des Wellenfeldes. Die Entfernungsbestimmung ist dann prinzipiell ähnlich ausführbar.
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Wie in 5 gezeigt, sind bei der dort gezeigten, bevorzugten Ausführung vier, im Quadrat mit Seitenlänge a angeordnete Messspulen (M1, M2, M3, M4) verwendet.
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Wie in 3 gezeigt, ist auch eine zentrale Versorgung 30 der Ladematten (L1, L2, Ln) ausführbar, so dass den Primärleitern 20 der Ladematten (L1, L2, Ln) über die Leitung 4 der einzuprägende Wechselstrom zugeführt wird. Zusätzlich ist mit der Leitung 4 wiederum ein Kommunikationskanal vorgesehen, vorzugsweise realisiert durch aufmodulierte höher frequente Stromanteile.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist statt des genannten Magnetfeldes ein Ultraschallfeld oder ein anderes Wellenfeld verwendet, wobei dann die Sendespule 6 durch einen entsprechenden Wellensender, insbesondere Ultraschallsender ersetzt wird und analog die Messspulen M1 bis M4 durch entsprechende Detektoren, insbesondere Ultraschalldetektoren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Versorgungsleitung mit Energie und Kommunikationskanal
- 2
- Einspeisung für Primärleiter 20
- 3
- Kommunikationsleitung
- 4
- Leitung für Energie
- 6
- Sendespule
- 7
- Mobile Einheit
- 8
- Messeinheit
- 9
- Fahrtrichtung der mobilen Einheit 9
- 10
- Sendespule
- 20
- Primärleiter, Leistungsspule
- 30
- Einspeisung, Versorgung
- 40
- Äquipotentiallinien des Wellenfeldes, insbesondere des Magnetfeldes
- 41
- Phasenlage
- Λ
- Wellenlänge des von der Sendespule 6 gesendeten Wellenfeldes
- L1
- erste Ladematte
- L2
- zweite Ladematte
- Ln
- n-teLadematte
