DE3490712C2

DE3490712C2 - Fahrzeugsteuerungs- und -leitsystem

Info

Publication number: DE3490712C2
Application number: DE3490712A
Authority: DE
Inventors: Peter Joseph Reeve; Michael Philip Robins; Malcolm Thomas Roberts
Original assignee: Cegelec Controls Ltd; Cegelec Projects Ltd
Current assignee: GE Power Conversion Brazil Holdings Ltd
Priority date: 1984-05-16
Filing date: 1984-10-19
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2004-10-20
Also published as: IE842728L; JPS61502149A; SE8600169D0; WO1985005474A1; SE8600169L; CA1230399A; GB2158965B; FR2564614A1; IE55783B1; CH667930A5; DE3490712T1; FR2564614B1; SE457023B; GB8412425D0; KR920008053B1; GB2158965A; KR860700161A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeugsteuerungs- und -leitsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Obwohl die Position eines Fahrzeugs an bestimmten Standorten durch an Bord befindliche Fühler und externe Positionsmarkie rungen genau bestimmt werden kann, ergeben sich Schwierig keiten bei dem Versuch, die Bewegung eines Fahrzeugs auf stetige (weiche) und ökonomische Weise genau zu steuern. Im allgemeinen kann sich ein unbemanntes Fahrzeug nur auf einer vorbestimmten Bahn bewegen, indem entweder feste Schienen verwendet werden, an denen die Räder anliegen, oder Kabel (oder ähnliche metallische Leitungen), die unter der einzu haltenden Bahn eingegraben sind. Derartige Einrichtungen mit Schienen oder Kabeln sind kostspielig und unzweckmäßig dauerhaft, weil die Bahnen (Routen) dadurch ein für allemal festliegen.

Aus der FR 2 526 181 A1 ist ein automatisches Fahrzeugleitsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem eine Koppelnavigationseinrichtung periodisch durch ein Fahrzeug sender/Bakensystem erneut geeicht wird. Dabei bestimmt das Fahrzeug periodisch seine Position anhand des Bakensystems. Sobald das Fahrzeug seine Position anhand des Bakensystems ermittelt hat, wird diese in einem Fahrzeugspeicher dem durch die Koppelnavigationseinrichtung ermittelten Wert überlagert. Dort kann mithin weder ein Vergleich durchgeführt, noch eine Abweichung festgestellt werden. Zur Berechnung der Fahrzeug position sind zwei Peilwinkelmessungen erforderlich, sofern das Fahrzeug nicht drei Fühler aufweist. Diese Art der Er mittlung der Fahrzeugposition ist aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeugsteue rungs- und -leitsystem der eingangs genannten Art für ein frei manövrierbares unbemann tes Fahrzeug anzugeben, das eine Lenkung eines Fahrzeugs auf einer gewünschten Bahn auf einfache Weise ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan spruch 1 gekennzeichnet.

Bei dieser Lösung wird die Fahrzeugposition nicht extern bestimmt. Es braucht lediglich der Peilwinkel der Bake (des Ziels) bestimmt zu werden. Mithin ist lediglich eine einzige Peilwinkelmessung ausreichend. Dieser Ist-Peilwinkel wird mit dem durch das Koppelnavigationssystem ermittelten Peilwinkel verglichen, und der resultierende Fehler (die resultierende Abweichung) wird zur Korrektur sowohl des Fahrzeugkurses als auch der Fahrzeugposition verwendet.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugsteuerungs- und -leitsystems anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Fahrzeugbahn auf einer begrenzten Fläche eines Fabrikbodens,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, das längs einer vorbestimmten Bahn geleitet und gesteuert werden soll,

Fig. 3 und 4 Diagramme der Position und Ausrichtung des Fahr zeugs auf der Fabrikbodenfläche in bezug auf Fabrikkoordi natenachsen,

Fig. 5 und 6 schematisch die Bahn eines Fahrzeugs, die freie Bahnbreite des Fahrzeugs und Abbiegungen in der Bahn,

Fig. 7 ein Blockschaltbild des Systems,

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines Kalman-Filterpro zesses des Systems,

Fig. 9 ein Diagramm, das Weg- und Richtungsfehler des Fahrzeugs darstellt, und

Fig. 10 ein Diagramm einer Transformation zwischen "Fabrikrahmen"-Koordinaten und "Fahrzeugrahmen"- Koordinaten zur Bestimmung von Positionsfehlern.

Unter "Koppelnavigationseinrichtung" soll hier eine Einrichtung zur Navigation in Abhängigkeit von der Feststellung einer Relativbewegung zwischen Fahrzeug und Boden verstanden werden.

Fig. 1 stellt eine Fabrikbodenfläche 1 mit darauf montierten, ein Koordinatensystem bildenden Koordi natenachsen X und Y dar. Die Koordinaten eines Punk tes (oder Standortes) auf dieser Fläche werden nach stehend als "Fabrikkoordinaten" im Unterschied zu "Fahrzeugkoordinaten" bezeichnet.

Ein Fahrzeug T, bei dem es sich um ein flaches Transportfahrzeug handeln kann, soll unbemannt auf der Fläche 1 zwischen Stationen A, B, C und D längs einer Bahn fahren, die durch die Fabrikkoordinaten dieser Stationen bestimmt ist. Die dargestellte Bahn dient lediglich der Erläuterung und kann wesentlich komplizierter sein.

Nach Fig. 2 hat das Fahrzeug Antriebsräder 3 mit einem Differentialgetriebe, soweit dies erforderlich ist, und ein schwenkbares Rad 5 an dem einen oder beiden Enden, dessen Lenkwinkel steuerbar ist und das einen (nicht dargestellten) Lenkwinkel-Umformer und einen den zurückgelegten Weg messenden (nicht dargestellten) Weg-Umformer zur Rückführung eines Wegistwertsignals aufweist, um es mit einem Wegsoll wert zu vergleichen.

Die Antriebsräder 3 sind drehzahlgeregelt und werden über ein Getriebe und einen Gleichspannungswandler aus einer Batterie 7 in an sich bekannter Weise ge speist.

Die wesentlichen Merkmale des Fahrzeugs sind, daß es eine den Lenkwinkel und die Geschwindigkeit steuernde bzw. regelnde Antriebseinrichtung auf weist. Die mechanische Einrichtung kann erfindungs gemäß optimiert werden, ist jedoch nicht kritisch. So kann das Lenken alternativ auch durch eine Dif ferentialsteuerung der beiden Antriebsräder statt durch Antriebssteuerung eines schwenkbaren Rades bewirkt werden. Der mechanische Aufbau der Fahrzeug einrichtung braucht daher nicht näher beschrieben zu werden.

Eine Antriebssteuerungs- und -lenkelektronik 9 er hält Weg- und Lenkwinkelsignale vom schwenkbaren Rad 5 und erzeugt Lenkwinkel-Steuersignale und Ge schwindigkeitssteuersignale, wie noch näher be schrieben wird.

Die soweit beschriebene Einrichtung ist für ein Kop pelnavigationssystem erforderlich, bei dem der Fahr zeugstandort auf inkrementeller Basis aus der be kannten Größe eines zurückgelegten Weges und einer eingeschlagenen Richtung bestimmt wird. Bei derarti gen Systemen können - obwohl sie in einigen Anwen dungsfällen, bei denen die Wege (Wegstrecken) klein sind - kumulative Fehler aufgrund eines Radschlup fes, unebener Oberflächen, einer Abnutzung usw. auf treten. Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist daher ein Überwachungsbezugs- und Korrektursystem vorge sehen, das auf der Feststellung fester Bezugspunkte und des Standorts des Fahrzeugs relativ zu ihnen beruht. Das Fahrzeug ist mit einer Laserquelle 11 versehen, die so gelagert ist, daß sie ständig um eine vertikale Achse rotiert. Der Laserstrahl hat eine geringe Breite und dehnt sich in der Höhe aus, so daß eine dünne vertikale Beleuchtungslinie auf einem in den Strahlengang gelangenden Ziel entsteht. Auf der Fläche 1 sind mehrere Ziele 13 in verschie denen Positionen fest installiert, so daß das Fahr zeug - soweit als möglich - von jedem Standort auf der Fläche aus ein oder mehrere Ziele "sehen" kann. Natürlich kann es in einer Fabrik vorkommen, daß Einrichtungen und Aufbewahrungsvorrichtungen umher bewegt werden und ein oder mehrere Ziele von be stimmten Standorten aus verdecken. In solchen Fällen kann das Koppelnavigationssystem wenigstens kurz zeitig "sich selbst überlassen" sein.

Die Ziele 13 sind aus Retro-Reflektoren gebildet, die auftreffendes Licht in der Einfallsrichtung re flektieren. Sie können aus vertikalen Streifen aus retroreflektivem Material hergestellt sein, die in der Breite oder durch die An- und Abwesenheit ko diert sind, um ihre Kennung darzustellen. Zweckmäßi gerweise sind sie auf Regalen in oder über Kopf höhe angeordnet, um zu verhindern, daß der Laser strahl durch auf dem Boden befindliche Gegenstände unterbrochen wird. Der abtastende Laserstrahl kann dem entsprechend nach oben gerichtet werden und eine so große vertikale Winkelausdehnung aufweisen, daß er Zie le in den in Frage kommenden Entfernungen erfassen kann.

Das Laserabtastsystem ist Gegenstand der GB-Patentanmel dung 8 313 339 und wird daher hier nicht ausführlicher beschrieben.

Das Fahrzeug ist mit einem Empfänger ausgerüstet, der den von einem Ziel 13 reflektierten Strahl empfängt und ein die Richtung des reflektierten Strahls und damit der Zielrichtung relativ zum Fahrzeugkurs darstellendes Zeichen bildet.

Der zuletzt genannte Parameter ist der Winkel, den die Fahrzeuglängsachse mit der X-Achse des Fabrikkoordina tensystems einschließt. Der "Kurs" ist nicht notwendi gerweise die Fahrtrichtung, da das Lenkrad in dem be treffenden Augenblick nicht geradeausstehen muß.

Die Fahrzeugeinrichtung enthält ferner eine Mikroprozes sor- und Datenspeichereinrichtung 19. Zu den vor Beginn einer Fahrt gespeicherten Daten gehört eine Bahn-"Karte" in Form der Koordinaten der Punkte A, B, C und D. Die Bahn kann Abschnitte aufweisen, bei denen eine verrin gerte Fahrzeuggeschwindigkeit erforderlich ist, und die Grenzgeschwindigkeit für jeden geraden Abschnitt (Seg ment oder Vektor) A bis B usw. ist vorgeschrieben und gespeichert.

Zusätzlich zu Grenzwerten bezüglich der Geschwindigkeit längs jedes Bahnvektors kann es sein, daß sich die Tole ranzen einer Querabweichung des Fahrzeugs von der Bahn linie von Vektor zu Vektor ändern. So gibt es praktisch eine "freie" (frei verfügbare) Bahnbreite für jeden Vek tor, die durch das Fahrzeug nicht überschritten werden darf, und diese Bahnbreite kann sich an Vektorübergängen ändern. Für jeden Vektor ist die Bahnbreite ebenfalls vor jeder Fahrt gespeichert.

Die obige Information, Bahndaten (Koordinaten von Über gangspunkten), zulässige Geschwindigkeit bei jedem Vek tor und Bahnbreite jedes Vektors kann im Fahrzeug-Daten speicher durch manuelle Eingabe eines Programms gespei chert sein oder von einer Basisstation 15 zu einer Kom munikationsantenne 17 auf dem Fahrzeug übertragen wer den, wobei die Antenne die Daten empfängt und in die Fahrzeugdatenspeicher- und Mikroprozessoreinrichtung 19 überträgt. Die Übertragungs- oder Kommunikationsein heit kann regelmäßig die augenblickliche Fahrzeugposi tion an die Basisstation übermitteln oder für den glei chen Zweck abgefragt werden.

Die hierbei durchgeführten Rechen- und Verarbeitungsope rationen werden nachstehend anhand der folgenden Figuren zusätzlich erläutert. Fig. 3 stellt die Fahrzeugnaviga tionskoordinaten dar, wobei die Position durch die "Fabrik"-Koordinaten x und y angegeben wird, der Fahr zeugkurs der Winkel ψ, d. h. der Winkel zwischen der Fahrzeugachse und der X-Achse, die Vorwärtsgeschwindig keit V und die Drehgeschwindigkeit, d. h. Winkelgeschwin digkeit des Fahrzeugs, U ist.

Fig. 4 stellt außerdem die Fahrzeug-Ziel-Koordinaten dar. Der Ziel-Reflektor R mit den Fabrik-Koordinaten x_i und y_i wird unter einem Winkel θ_i zum Fahrzeugkurs festgestellt, wobei das Fahrzeug selbst zu einer be stimmten Zeit t die Positionskoordinaten x und y und den Kurs ψ hat.

Fig. 5 zeigt den Übergang (die Verbindungsstelle) zweier Vektoren, wo die freien Bahnbreiten, die durch die ge speicherten Daten bestimmt sind, gleich sind. Für einen "weichen" Betrieb ist es wesentlich, daß die Bahn an Vektorübergängen kontinuierlich und nicht winklig ist. Daher wird eine gekrümmte Bahn oder ein gekrümmtes Seg ment (Kurve) berechnet, um die Kreuzung entsprechend anzupassen. Hierbei muß die Krümmung so klein wie mög lich, d. h. der Krümmungsradius möglichst groß sein, um die in der Kurve (Abbiegung) auf das Fahrzeug einwirken den Kräfte möglichst klein zu halten und gleichzeitig sicherzustellen, daß die Bahnbreite nirgends kleiner als die kleinere der beiden Bahnbreiten ist. Nach Fig. 5 ist der Krümmungsradius daher gleich der halben gemein samen Bahnbreite. Nach Fig. 6, die Vektorübergänge mit verschiedenen Bahnbreiten darstellt, haben die angepaß ten Kurven an den Punkten E und F jedoch jeweils einen Radius von pw_a/2 und pw_b/2.

Fig. 7 veranschaulicht in Form eines Blockschaltbildes die auf dem Fahrzeug durchgeführten Navigationsverarbei tungsoperationen.

Die Koordinatenpunkte auf der Bahn und die Bahnbreiten der verschiedenen Bahnvektoren darstellende Daten werden empfangen und gespeichert (21). Der Prozessor berechnet dann (23) die an den Vektorübergängen erforderlichen weichen Kurven auf der Basis der Bahnbreiten, wie be reits erwähnt wurde. Die in den Fig. 5 und 6 dargestell ten Kurven mit konstantem Radius sind in der Praxis nicht erreichbar, da der Übergang von einer geraden Bahn auf eine Kreisbahn eine augenblickliche Änderung der Winkelgeschwindigkeit von null auf einen endlichen Wert und damit eine unendlich hohe Beschleunigung und Kraft bedeuten würde. Bei einer idealen Kurve müßte die Krüm mung linear zu- und dann abnehmen.

Eine Annäherung an diese Kurve ergibt sich durch Ver wirklichung der folgenden Gleichung:

Darin sind α der Bruchteil, in den die Abbiegung unter teilt ist, d. h. Zehntel, Fünfzehntel oder ein beliebiger anderer Bruchteil,
₂ ein Vektor, der die Koordinaten eines Übergangspunk tes darstellt,
₁ und ₃ Vektoren, die die Koordinaten der Punkte am Anfang und Ende der Kurve darstellen, und
der laufende Vektor, der die Koordinaten der Punkte auf der Kurve nach jedem Bruchteil α darstellt.

Durch Einsetzen von ein Zehntel, zwei Zehntel, drei Zehntel usw. für α erhält man daher die Koordinaten auf einanderfolgender Punkte auf der Kurve. Dieser Prozeß wird bei 23 in Fig. 7 mit einem Wert für α durchgeführt, der in der nachstehend erläuterten Weise bestimmt wird.

Dieses Prinzip einer inkrementellen Zusammensetzung der Kurven gilt auch für die geraden Abschnitte, wobei für die Koordinaten aufeinanderfolgender Punkte auf dem ge raden Abschnitt gilt

wobei x₀ und x₁ die Koordinaten von Punkten am Anfang und Ende des geraden Abschnitts sind.

Während die Länge der geraden Abschnitte etwa 20 bis 30 m betragen kann, kann jeder inkrementelle Vektor eine Länge von etwa 5 cm haben. Der Bruchteil α beträgt dann 1/500.

Die Bildung der inkrementellen Vektoren erfolgt im Block 25 aus den Anfangsdaten (27), die die Geschwindigkeits grenzwerte für die verschiedenen Bahnvektoren darstel len.

Jeder inkrementelle Vektor ist durch die Koordinaten des Punktes (des "Bezugspunktes") an seinem vorderen Ende bestimmt. Die Ermittlung des Bezugspunktes erfolgt einmal pro Grundzeitspanne (mit etwa 20 Hz), die durch einen Taktimpulsgenerator des Systems bestimmt wird. Da die (maximale) Geschwindigkeit für jeden Vektor vor bestimmt ist und die Zeitspanne festliegt, ist damit die maximale Länge jedes inkrementellen Vektors be stimmt. Bei einer Geschwindigkeit von 1 m/s beträgt die Länge des inkrementellen Vektors daher 5 cm. Nachdem die maximale Länge auf diese Weise bestimmt worden ist, kann sie etwas verringert werden, um eine gerade Anzahl inkrementeller Vektoren im Bahnvektor zu erhalten, von der α den reziproken Wert darstellt.

Wenn die Länge des inkrementellen Vektors kleiner als ihr maximal zulässiger Wert gewählt wird, verringert sich die Geschwindigkeit des Fahrzeugs in diesem Ab schnitt der Bahn entsprechend. Auf diese Weise ergibt sich eine dynamische Regelung der Geschwindigkeit.

Bei der Zusammensetzung der Kurve in der erwähnten Weise durch Berechnung aufeinanderfolgender Bezugspunkte wird der inkrementierte Bezugskurs ψ_r als der Winkel ermit telt, den die Linie zwischen aufeinanderfolgenden Be zugspunkten mit der Fabrik-X-Achse einschließt.

Die so berechneten Bezugspunkte, die die gewünschte Bahn im Gegensatz zu der tatsächlich verfolgten Bahn darstel len, werden einmal pro Basiszeitspanne erzeugt und für einen Vergleich mit den durch das Fahrzeug eingenomme nen Ist-Positionen gespeichert. Diese Ist-Positionen sind praktisch Schätzwerte, die durch das Koppelnaviga tionssystem, nach Prüfung und Korrektur durch das Laser- Ziel-Bezugssystem, ermittelt werden.

Wenn die erzeugten Bezugspunkte aufgrund von Massenträg heiten usw. vor dem Fahrzeug herlaufen, kann die Posi tionsdifferenz zwischen dem letzten Bezugspunkt und dem Fahrzeug als Wegfehler betrachtet werden, den das Fahr zeug zu verringern sucht. Je größer dieser Wegfehler ist, umso größer sollte die Geschwindigkeit des Fahr zeugs sein (innerhalb der für den betreffenden Bahnvek tor oder die betreffende Biegung vorgegebenen Grenze), um ihn zu verringern. Umgekehrt sollte die Geschwindig keit verringert werden, wenn die erzeugten Bezugspunkte unmittelbar vor der Fahrzeugposition liegen. Dieser zu letzt genannte Fall tritt auf, wenn sich das Fahrzeug einer Haltstation am Ende eines Bahnvektors nähert. Die Anzahl der Bezugspunkte, die "in Wartestellung liegen", ist daher ein Maß der erforderlichen Geschwindigkeit, und der Fahrzeugantriebsmotor wird entsprechend ge steuert.

Die erzeugten Bezugspunkte und der zugehörige inkremen telle Bezugskurs ψ werden zur Positions- und Kursfehler bestimmung (29) passiert, und zwar jeweils ein Paar auf einmal.

Der Schätzwert der Fahrzeugposition und des Fahrzeugkur ses wird durch einen Kalman-Filter-Prädiktor-Prozeß 37 nach Fig. 7 ermittelt. Dabei werden Zielfeststellungs- Eingangssignale θ_i (Fig. 4) verwendet, die durch das Laser-Reflektor-System 33 gebildet wurden. Den durch das Fahrzeug zurückgelegten Weg und den Lenkwinkel dar stellende Signale werden durch die bereits erwähnten Umformer 35 nach Fig. 7 gebildet. Der Kalman-Prädiktor- Prozeß selbst (37) ist ausführlicher in Fig. 8 darge stellt.

Nach Fig. 8 ist der erste durchzuführende Prozeß die Abschätzung der Position und des Kurses am Ende einer Basiszeitspanne (Δt) aus den tatsächlichen oder abge schätzten Vorwärts- und Drehgeschwindigkeiten des Fahr zeugs während dieser Zeitspanne und der Position am An fang dieser Zeitspanne.

Die durch den Umformer in den Positionsprädiktorprozeß eingegebenen Signale stellen den durch das schwenkbare Rad gemessenen Lenkwinkel Φ und den durch das schwenk bare Rad gelenktes Rad zurückgelegten, in Form von Wegzähl impulsen dargestellten Weg dar. Das Weginkrement und das Inkrement Δt ergeben die Geschwindigkeit in Richtung des schwenkbaren Rades, aus der die Vorwärtsgeschwindig keit V des Fahrzeugs in seiner Kursrichtung durch Multi plikation mit dem Cosinus des Lenkwinkels Φ ermittelt wird. Die Winkelgeschwindigkeit U des Fahrzeugs wird durch Multiplikation der Lenkradgeschwindigkeit mit dem Sinus des Lenkwinkels Φ entsprechend der Geometrie der Fahrzeugräder ermittelt. Die Geschwindigkeiten V und U werden in jeder Zeitspanne unter der Annahme berech net, daß die Geschwindigkeiten und der Lenkwinkel in dieser (kurzen) Zeitspanne Δt konstant sind.

Die bei dem Prozeß des Positionsprädiktors 39 nach Fig. 8 verwirklichten Gleichungen sind nachstehend abgelei tet. So lassen sich anhand von Fig. 3 für die Änderungs geschwindigkeiten der Positionskoordinaten x und y und den Kurswinkel Ψ die nachstehenden Gleichungen angeben:

Durch Integration dieser drei Gleichungen über die Zeit Δt ergeben sich die folgenden Gleichungen:

Nach der ersten dieser Gleichungen ist der Wert ψ zur Zeit (t+Δt) gleich dem Wert von ψ zur Zeit t plus dem Winkel, um den sich das Fahrzeug in der Zeitspanne Δt gedreht hat. In der zweiten und dritten Gleichung haben t und (t+Δt) die gleiche Bedeutung wie in der ersten Gleichung.

Diese Gleichungen können für die Schätzwerte umgeschrie ben werden zu:

Der Zirkumflex über einem Parameter bezeichnet einen Schätzwert, und das Symbol "|t" bedeutet "ausgewertet zur Zeit t".

Wie man sieht, genügen diese Gleichungen zur Abschätzung der Position und des Kurses des Fahrzeugs zur Zeit (t+Δt), wenn die geschätzte Position und der geschätzte Kurs zur Zeit t bekannt sind. Die Ausgangssignale des Blocks 39 sind daher die geschätzten Koordinaten x und y und der geschätzte Kurs ψ des Fahrzeugs nach einer weiteren Zeitspanne Δt, die bis auf die Eingangsgröße 41 nur auf dem Koppelnavigationssystem des zurückgeleg ten Weges und des durchlaufenen Winkels beruhen.

Nach Fig. 4 kann der abgeschätzte Winkel eines Ziel reflektors R in Form des Fahrzeugkurses ψ und der Koordi naten des Fahrzeugs und des Ziels nach folgender Glei chung ermittelt werden:

In dieser Gleichung ist _i der geschätzte Zielwinkel zur Zeit (t+Δt), ausgewertet zur Zeit t. Die Koordina ten x_i und y_i des Ziels sind durch die Anordnung der Ziele auf dem Fabrik-Boden vorbestimmt. Die geschätzten Werte x und y des Fahrzeugs und der geschätzte Wert ψ des Kurses werden in dem Prozeß 39 ermittelt. Die Glei chung wird somit in einem Zielpeilungsprädiktor 43 ver arbeitet, der die Ausgangsgröße _i bildet.

Das Ausgangssignal des Laser-Zielfeststellsystems 33 ist eine genaue Darstellung des Zielwinkels θ_i, die mit dem Schätzwert _i in einem Prozeß 45 verglichen wird, um einen Zielschätzfehler θ_i - _i zu ermitteln.

Dieses Fehlersignal wird durch das Kalman-Filter 47 ver arbeitet, das den Fehler jeweils mit Kalman-Verstär kungsfaktoren k_r, k_x und k_y multipliziert. Die Korrek turprodukte werden dann in einem Prozeß 49 zu den Kop pelnavigationsvorhersagen des Prozesses 39 nach den fol genden Gleichungen addiert, um korrigierte Schätzwerte von Fahrzeugkurs und -position zu erhalten:

Die Ableitung der Kalman-Korrekturprodukte und die Wir kungsweise der Kalman-Filter ist in dem Buch "Optimi sation of Stochastic Systems" von M. Aoki, herausgege ben von Academic Press 1967, angegeben.

Auf diese Weise werden korrigierte Schätzwerte des Kur ses und der Position zur Zeit (t+Δt), ausgewertet zur Zeit t+Δt, aus den Schätzwerten des Kurses und der Position ermittelt, die zur Zeit t ermittelt und durch den Kalman-Filterprozeß korrigiert wurden. Diese besten Schätzwerte werden in den Fehlerbestimmungsprozeß 29 nach Fig. 7 und auch als "augenblickliche" Eingangsgrößen 41 in den Positionsprädiktor 39 nach Fig. 8 einge geben, um aus diesen den nächsten Bezugspunkt vorauszu sagen. Wenn daher ein oder mehrere Zielbezugskorrektu ren ausfallen, beispielsweise weil die Ziele verdeckt sind, dann wird der nächste Bezugspunkt durch Koppelna vigation aus dem letzten Bezugspunkt vorausberechnet, bei dem eine Zielfeststellungskorrektur durchgeführt wurde.

Anhand von Fig. 7 wird nachstehend die Ermittlung von Weg- und Kursfehlern beschrieben. Die beiden Eingangs größen des Prozesses 39 sind a) die erzeugte Folge von Bezugspunkten, die die ideale Bahn definieren, und b) der beste Schätzwert des Kurses und der Position des Fahrzeugs, der durch den Kalman-Prozeß nach Fig. 8 er mittelt wurde.

Fig. 9 zeigt aufeinanderfolgende inkrementelle Vektoren IV1 und IV2 und ihre zugehörigen Bezugspunkte RP1 und RP2, die nach dem Prozeß 25 (Fig. 7) ermittelt wurden. Fehler bei der Navigation des Fahrzeugs T werden in Form des senkrechten Abstands d_e des Fahrzeugmittelpunkts vom örtlichen inkrementellen Vektor und als Winkelfeh ler θ_e zwischen dem Fahrzeugkurs und der Richtung des örtlichen inkrementellen Vektors dargestellt.

Die Messung dieser Fehler d_e und θ_e erfolgt durch eine Transformation des Istwerts der Fahrzeugposition in Fa brik-Koordinaten in eine Position in einem Fahrzeug-Be zugsrahmen, in dem der Nullpunkt mit dem Bezugspunkt des örtlichen inkrementellen Vektors und die neue X- Achse mit dem örtlichen inkrementellen Vektor zusammen fällt. Diese Transformation ist in Fig. 10 dargestellt, in der X und Y die Fabrik-Koordinatenachsen, X* und Y* die Fahrzeug-Rahmenachsen, x_r und y_r die Koordinaten des örtlichen inkrementalen Vektorbezugspunktes im Fa brik-Rahmen, x und y die Koordinaten des Fahrzeugs im Fabrik-Rahmen und x* und y* die Fahrzeug-Koordinaten im Fahrzeug-Rahmen sind.

Der Winkel ψ_r ist der Kurs bzw. die Richtung des inkre mentellen Vektors relativ zum Fabrik-Rahmen. Die nach stehenden Transformationsgleichungen lassen sich anhand von Fig. 10 durch einfache geometrische Betrachtungen ableiten:

x* = (x - x_r)cosψ_r + (y - y_r)sinψ_r
y* = (y - y_r)cosψ_r - (x - x_r)sinψ_r.

In diesem Fahrzeugbezugsrahmen ist der Abstands- oder Wegfehler d_e die y*-Koordinate des Fahrzeugmittelpunkts und der Winkelfehler θ_e dem direkte Transformationswin kel ψ_r.

Wenn das Fahrzeug den örtlichen Bezugspunkt x_r, y_r pas siert, ändert sich das Vorzeichen von x* von minus nach plus. Diese Änderung löst eine Löschung des augenblick lichen Fahrzeugbezugsrahmens und seine erneute Ausbil dung in der Weise aus, daß sein Nullpunkt mit dem fol genden Bezugspunkt und die x*-Achse mit dem nächsten inkrementellen Vektor zusammenfällt. Man sieht daher, daß der Fahrzeugrahmen synchron mit dem Fahrzeug fort schreitet.

Die Fehlerwerte d_e und θ_e werden daher zur Ableitung eines Lenkwinkel-Sollwertsignals θ_d als direkte Funktion dieser Fehlerwerte (direkt proportional zu diesen Feh lerwerten) verwendet. Der Sollwert der Winkelgeschwin digkeit U_d wird zuerst ermittelt als:

U_d = K₁ d_e + K₂ θ_e

in der K₁ und K₂ Verstärkungsfunktionen (Verstärkungs faktoren) sind, die durch die Dynamik des Fahrzeugs selbst bestimmt sind. Der Sollwert des Lenkwinkels wird dann aus der Fahrzeuggeometrie und dem Sollwert der Vor wärtsgeschwindigkeit des Fahrzeugs berechnet.

Wie bereits erwähnt wurde, wird die Fahrzeuggeschwindig keit durch Messung der Anzahl der inkrementellen Vekto ren zwischen dem Fahrzeug und dem zuletzt erzeugten ge steuert. Der zuletzt erzeugte liegt stets vor dem Fahr zeug und scheint das Fahrzeug "weiterzuziehen", wie wenn ein elastisches Band das Fahrzeug mit der zuletzt ermit telten Bezugsposition verbindet.

Aus einer stationären Position werden die Bezugspunkte mit einer linearen Geschwindigkeit von der "Ruhe"-Sta tion weg gebildet, so daß sie das erwähnte "elastische Band" praktisch strecken. Das Fahrzeug wird entsprechend dem Fehlabstand vom letzten Bezugspunkt und in Abhängig keit von seiner Massenträgheit und Leistung beschleu nigt, so daß der Fehler allmählich verringert wird, und zwar bis ein stationärer Zustand erreicht ist, in dem die Fahrzeuggeschwindigkeit gleich der Fortpflanzungs geschwindigkeit der Bezugspunkte ist.

Die Bezugspunktgeschwindigkeit und damit die Fahrzeug geschwindigkeit können während einer Fahrt während einer vorbestimmten Bahn dynamisch geändert werden, und zwar durch Änderung der Inkrementlänge (d. h. durch Änderung von α in Gleichung (1)) zwischen aufeinanderfolgenden Bezugspunkten.

Wenn die Erzeugung von Inkrementvektoren und Bezugspunk ten abgeschlossen ist, endet der letzte inkrementelle Vektor an der letzten Haltposition, die durch die ur sprüngliche Bahn vorgeschrieben ist, die ihrerseits in Koordinatenpositionsbestimmungsbahnvektoren vorgegeben ist. Die Fahrzeuggeschwindigkeit verringert sich mit abnehmendem Abstands- bzw. Wegfehler. Durch Beeinflus sung des Verhältnisses von Abstandsfehler zu Geschwin digkeitssollwert wird die Geschwindigkeit so geregelt, daß der Endpunkt ohne Überschwingung erreicht wird. Auch hier ist der Fahrzeugrahmen wieder unmittelbar anwend bar, da die x*-Koordinate der in dem Rahmen zurückzule gende Weg ist, und dies kann ohne weitere Rechnung über wacht werden.

Die elektromagnetische Peilungseinrichtung ist bei obi gem Ausführungsbeispiel ein Laser-System, durch das eine Richtungsmessung mittels eines azimutal abtastenden dün nen Laserstrahls bewirkt wird. Statt dessen können aber auch Radarstrahlen verwendet werden, die eine genaue Peilung durch Phasenvergleichsverfahren ermöglichen. Ferner können die Reflektoren durch Transponder (Ant wortgeräte) mit codierten Ausstrahlungen ersetzt werden.

Claims

1. Fahrzeugsteuerungs- und -Leitsystem mit einer Bewegungsan triebseinrichtung (3, 7, 9) zum Antreiben eines Fahrzeugs (T), einer Lenkeinrichtung (5, 9) zum Steuern der Bahn des Fahrzeugs (T), einer Koppelnavigationseinrichtung (35, 39) zum Berechnen der Position und des Kurses des Fahrzeugs (T) auf inkrementeller Basis, einer Einrichtung (21) zum Speichern einer gewünschten Bahn (ABCD) des Fahrzeugs (T), einer Einrichtung (29) zum Steuern der Fahrzeugan triebs- und -Lenkeinrichtung (3, 5, 7, 9), um das Fahrzeug (T) längs der gewünschten Bahn (ABCD) anzutreiben, und einer Einrichtung (19) zum Speichern der Position einer oder mehrerer ortsfester Bezugsziele (13), gekennzeichnet durch eine Verarbeitungsein richtung (43) zum Vorhersagen des Peilwinkels des Ziels oder der Ziele (13) aus der berechneten Fahrzeugposition und dem berechneten Fahrzeugkurs, eine elektromagnetische Peileinrich tung (33) zur Bestimmung des Ist-Peilwinkels des Ziels oder der Ziele (13), eine Einrichtung (45) zum Vergleichen des Ist-Peil winkels (θ_i) des Ziels oder der Ziele (13) mit dem vorhergesag ten Peilwinkel (_i) und eine Einrichtung (47, 49) zum Korrigie ren der Steuerung (29) dem Fahrzeugantriebs- und Lenk einrichtung (3, 5, 7, 9) in Abhängigkeit von einem Peilwinkelfehler (θ_i-_i).

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrigiereinrichtung (47, 49) aufweist: eine Kalman-Fil tereinrichtung (47) zum Erzeugen von Korrekturprodukten aus dem Peilwinkelfehler (θ_i-_i) und den Kalman-Verstärkungsfaktoren in bezug auf die Positionskoordinaten und den Fahrzeugkurs und eine Einrichtung (49) zum Summieren der Korrekturprodukte und entsprechen der Schätzwerte der Position und des Kurses, die durch die Koppelnavigationseinrichtung (35, 39) gebildet werden, wobei die Summen die besten Schätzwerte der Position und des Kurses des Fahrzeugs bilden.

3. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (19) zum Bestimmen einer gewünschten Bahn (ABCD), die eine Speichereinrichtung (21) zum Speichern der gewünschten Bahn in Form einer Folge geradliniger Segmente (E, F) und eine Einrichtung (23) zum Umwandeln des Übergangs der geradlinigen Segmente (E, F) in stetige, gekrümmte Übergangssegmente aufweist.

4. System nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Speichern einer zulässigen maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit (27) und einer zulässigen Bahnbreite für jedes gerade und gekrümmte Segment in Abhängigkeit von den örtlichen Bahnbedingungen.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Umwandeln des Übergangs (E, F) in gekrümmte Übergangssegmente eine Einrichtung zum Berechnen des Krümmungsradius (r_a, r_b) eines gekrümmten Segments als nicht weniger als die Hälfte des Wertes der Bahnbreite (pw_a) und, wenn verschiedene Bahnbreiten (pw_a, pw_b) an dem Übergang (E) vorhanden sind, die Hälfte des Wertes der größeren der beiden Bahnbreiten (pw_a, pw_b) aufweist.

6. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelnavigationseinrichtung (35, 39) eine Einrichtung zum Abschätzen der Position und des Kurses des Fahrzeugs (T) nach jeder Folge von Zeit- und Weginkrementen aus der Position und dem Kurs des Fahrzeugs (T) am Anfang des Inkrements und in Abhängigkeit von der Vorwärts- und Drehbewegung des Fahrzeugs (T) während dieses Inkrements aufweist.

7. System nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Vorhersagen des Peilwinkels des Bezugsziels (13) von dem Fahrzeugs (T) aus auf der Basis der abgeschätzten Position des Fahrzeugs (T) und der zuletzt bestimmten Position des Bezugs ziels (13).