DE69033929T2

DE69033929T2 - Integriertes Fahrzeugpositionier- und -navigationssystem, dessen Vorrichtung und Verfahren

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Publication number: DE69033929T2
Application number: DE69033929T
Authority: DE
Inventors: House Eldon Street Ate; Walter J Bradbury; Dana A Christensen; Richard G Clow; Lonnie J Devier; Douglas W Friedrich; Adam J Gudat; Carl A Kemner; Karl W Kleimenhagen; Craig L Koehrsen; Christos T Kyrtsos; Norman K Lay; Joel L Peterson; Prithvi N Rao; Larry E Schmidt; James W Sennott; Gary K Shaffer; Wenfan Shi; Dong Hun Shin; Sanjiv J Singh
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1989-12-11
Filing date: 1990-12-10
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2010-12-11
Also published as: EP0604404B1; EP0679973A2; DE69033907T2; EP0679904B1; EP0604404A3; DE69033831D1; EP0936516B1; DE69033973T2; DE69033753T2; JP2000029518A; EP0936516A2; EP0679976A2; EP0507845A1; AU5083290A; EP0679975A3; EP0936521A3; EP0679904A2; JP2000028699A; WO1991009375A1; JP3442687B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Positionsbestimmungssysteme und insbesondere auf ein Positionsbestimmungssystem und ein Verfahren zur Bestimmung der terrestrischen Position eines autonomen Fahrzeuges auf oder nahe der Erdoberfläche.
Verschiedene nationale Regierungen, einschließlich der Vereinigten Staaten von Amerika (USA) entwickeln gegenwärtig ein terrestrisches Positionsbestimmungssystem, auf das im allgemeinen als globales Positionsbestimmungssystem (GPS) Bezug genommen wird. Bei einem GPS wird eine Anzahl von Satelliten in einer Umlaufbahn um den Planeten Erde angeordnet. Die GPS-Satelliten sind ausgelegt, um elektromagnetische Signale zu senden. Aus diesen elektromagnetischen Signalen kann die absolute terrestrische Position (Position mit Bezug auf den Erdmittelpunkt) von irgendeinem Empfänger auf oder nahe der Erdoberfläche absolut bestimmt werden.
Die US-Regierung hat ihr GPS "NAVSTAR" genannt. Das NAVSTAR-GPS wird von der US-Regierung 1993 als betriebsbereit erklärt. Darüber hinaus entwickelt die Regierung der Union der sozialistischen Sowjetrepubliken (USSR) ein GPS, welches als "GLONASS" bekannt ist, welches im wesentlichen dem NAVSTAR-GPS ähnlich ist.
Beim NAVSTAR-GPS ist vorgesehen, daß vier umlaufende GPS- Satelliten in jeder von sechs getrennten Umlaufbahnen existieren. Eine Gesamtzahl von 24 GPS-Satelliten wird in der Umlaufbahn sein, und zwar zu jedem gegebenen Zeitpunkt mit 21 GPS-Satelliten im Betrieb und drei GPS- Satelliten, die als Ersatz dienen. Die drei GPS-Satellitenumlaufbahnen werden gegenseitig senkrechte Ebenen relativ zur Erde haben. Die GPS-Satellitenumlaufbahnen werden weder Polarumlaufbahnen noch Äquatorialumlaufbahnen sein. Darüber hinaus werden die GPS-Satelliten einmal alle 12 Stunden um die Erde laufen.
Unter Verwendung des NAVSTAR-GPS kann die Relativposition von umlaufenden GPS-Satelliten mit Bezug auf irgendeinen Erdempfänger aus den elektromagnetischen Signalen bestimmt werden. Die Relativposition wird im allgemeinen als "Pseudobereich" bezeichnet. Darüber hinaus kann die Relativposition von zwei Verfahren berechnet werden.
Ein Verfahren ist es, die Fortpflanzungszeitverzögerungen zwischen der Aussendung und dem Empfang der sich fortpflanzenden elektromagnetischen Signale zu messen. In dem NAVSTAR-GPS werden die elektromagnetischen Signale kontinuierlich mit der Zeit codiert, mit der die Signale von den GPS-Satelliten ausgesandt werden. Es ist klar, daß man die Aufnahmezeit aufzeichnen kann und die codierte Sendezeit davon abziehen kann, um Zeitverzögerungen abzuleiten. Aus den berechneten Zeitverzögerungen und daraus, daß man die Geschwindigkeit kennt, mit der elektromagnetische Wellen durch die Atmosphäre laufen, können Pseudobereiche genau abgeleitet werden. Pseudobereiche, die unter Verwendung des vorangegangenen Verfahrens berechnet wurden, werden im Zusammenhang mit dieser Schrift als "tatsächliche" Pseudobereiche bezeichnet.
Ein weiteres Verfahren berücksichtigt Satellitenpositionsdaten, die in den elektromagnetischen Signalen codiert sind, die von den umlaufenden Satelliten ausgesandt werden. Almanachdaten bezüglich der Satellitenpositionsdaten des NAVSTAR-GPS sind öffentlich verfügbar. Eine Bezugnahme auf diese Almanachdaten bezüglich der in den elektromagnetischen Signalen codierten Signale gestattet eine genaue Ableitung der Pseudobereiche. Pseudobereiche, die unter Verwendung des vorangegangenen Verfahrens berechnet werden, werden im Zusammenhang mit diesem Dokument als "abgeschätzte" Pseudobereiche bezeichnet.
Jedoch mit Bezug auf das vorherige Verfahren des Ableitens von abgeschätzten Pseudobereichen sei bemerkt, daß die Satellitenpositionsdaten beim GPS-Satelliten nur einmal pro Stunde auf diese Stunde aktualisiert werden. Folglich nimmt die Genauigkeit des abgeschätzten Pseudobereiches mit der Zeit nach jeder vollen Stunde bis zur nächsten Stunde ab, wenn ein neu abgeschätzter Pseudobereich unter Verwendung der aktualisierten Satellitenpositionsdaten berechnet wird.
Während man weiter die Relativposition von mindestens drei der umlaufenden GPS-Satelliten kennt, kann die absolute terrestrische Position (d. h. Länge, Breite und Höhe mit Bezug auf den Erdmittelpunkt) von irgendeinem Erdempfänger über einfache geometrische Theorien berechnet werden, die Triangulationsverfahren einschließen. Die Genauigkeit der terrestrischen Positionsabschätzung hängt teilweise von der Anzahl der umlaufenden GPS-Satelliten ab, die aufgenommen bzw. empfangen werden. Die Verwendung von mehr GPS-Satelliten bei der Berechnung kann die Genauigkeit der terrestrischen Positionsabschätzung steigern.
Herkömmlicherweise werden vier GPS-Satelliten gesampelt bzw. aufgenommen, um jede terrestrische Positionsabschätzung zu bestimmen, und zwar wegen Fehlern, die durch Schaltungstaktdifferenzen zwischen dem Erdempfänger und den verschiedenen GPS-Satelliten beigetragen werden. Taktdifferenzen können mehrere Millisekunden sein. Wenn die Uhr des Erdempfängers mit der der GPS-Satelliten synchronisiert wäre, dann müßten nur drei GPS-Satelliten aufgenommen werden, um die Lage des Erdempfängers genau festzustellen.
Bei dem NAVSTAR-GPS werden elektromagnetische Signale kontinuierlich von allen GPS-Satelliten auf einer einzigen Trägerfrequenz übertragen. Jedoch hat jeder der GPS- Satelliten ein anderes Modulationsschema, wodurch eine Unterscheidung der Signale gestattet wird. Beim NAVSTAR- GPS wird die Trägerfrequenz unter Verwendung eines Pseudozufallsignals moduliert, welches für jeden GPS-Satelliten einzigartig ist. Folglich können die umlaufenden GPS-Satelliten beim NAVSTAR-GPS identifiziert werden, wenn die Trägerfrequenzen demoduliert werden.
Weiterhin sieht das NAVSTAR-GPS zwei Betriebszustände zur Modulierung der Trägerwelle unter Verwendung von Pseudozufallszahl-(PRN-)Signalen vor. In einem Betriebszustand, der als "Grob/Aufnahme-Betriebszustand" (C/A-Betriebszustand, C/A = coarse/acquisition) ist das PRN-Signal eine Goldcodesequenz mit einer Chip- bzw. Taktrate von 1,023 MHz. Die Goldcodesequenz ist in der Technik eine wohlbekannte herkömmliche Pseudozufallssequenz. Ein Chip ist ein individueller Impuls des Pseudozufallscodes. Die Chiprate einer Pseudozufallscodesequenz ist die Rate, mit der die Chips in der Sequenz erzeugt werden. Folglich ist die Chiprate gleich der Codewiederholungsrate geteilt durch die Anzahl der Glieder im Code. Entsprechend existiert mit Bezug auf den Grob/Aufnahme- bzw. Grob/Suchbetriebszustand des NAVSTAR-GPS 1023 Chips in jeder Goldcodesequenz, und die Sequenz wird jede Millisekunde wiederholt. Die Verwendung der Goldcodesequenz mit 1,023 MHz von vier umlaufenden GPS-Satelliten, ermöglicht, daß die terrestrische Position eines Erdempfängers mit einer angenäherten Genauigkeit von innerhalb 60 bis 300 Metern bestimmt wird.
Der zweite Modulationsbetriebszustand im NAVSTAR-GPS wird im allgemeinen als der "präzise" oder "geschützte" (P-) Betriebszustand bezeichnet. Im geschützten Betriebszustand hat der Pseudozufallscode eine Chiprate von 10,23 MHz. Darüber hinaus sind die Sequenzen im geschützten Betriebszustand extrem lang, so daß die Sequenzen sich nicht öfter als einmal alle 267 Tage wiederholen. Als eine Folge kann die terrestrische Position von irgendeinem Erdempfänger auf innerhalb einer ungefähren Genauigkeit von 16 bis 30 Metern bestimmt werden.
Jedoch sind die Sequenzen im geschützten Betriebszustand klassifiziert und werden von der Regierung der Vereinigten Staaten nicht öffentlich verfügbar gemacht. In anderen Worten ist der geschützte Betriebszustand nur zur Anwendung von Erdempfängern vorgesehen, die von der Regierung der Vereinigten Staaten autorisiert sind.
Damit die Erdempfänger die verschiedenen C/A-Signale von den anderen umlaufenden GPS-Signalen unterscheiden, weisen die Erdempfänger gewöhnlicherweise eine Vielzahl von unterschiedlichen Goldcodequellen auf, um lokal Goldcodesequenzen zu erzeugen. Jede lokal abgeleitete Goldcodesequenz entspricht jeder einzigartigen Goldcodesequenz jedem der GPS-Satelliten.
Die lokal abgeleiteten Goldcodesequenzen und die übertragenen Goldcodesequenzen werden miteinander in Querbeziehung bzw. Kreuzkorrelation gebracht und zwar über Goldcodesequenzintervalle von einer Millisekunde. Die Phase der lokal abgeleiteten Goldcodesequenzen variiert auf einer Basis von Chip zu Chip und dann innerhalb eines Chips, bis die maximale Querbeziehungsfunktion bzw. Kreuzkorrelationsfunktion erhalten wird. Da die Querbeziehung bzw. Kreuzkorrelation für zwei Goldcodesequenzen, die eine Länge von 1023 Bits hat, ungefähr 16 mal so groß ist, wie die Kreuzkorrelationsfunktion von irgendeiner der anderen Kombinationen der Goldcodesequenzen, ist es relativ einfach, die lokal abgeleitete Goldcodesequenz auf die gleiche Goldcodesequenz zu verriegeln, die von einem der GPS- Satelliten übertragen wurde.
Die Goldcodesequenzen von mindestens vier der GPS-Satelliten im Blickfeld eines Erdempfängers werden in dieser Weise unter Verwendung eines einzigen Kanals getrennt, der sequentiell auf jede der lokal abgeleiteten Goldcodesequenzen anspricht, oder alternativ durch Verwendung von parallelen Kanälen, die simultan auf die unterschiedlichen Goldcodesequenzen ansprechen. Nachdem vier lokal abgeleitete Goldcodesequenzen in einer Phase mit den Goldcodesequenzen verriegelt worden sind, die von vier GPS-Satelliten im Sichtfeld eines Erdempfängers empfangen wurden, kann die Relativposition des Erdempfängers mit einer Genauigkeit von ungefähr 60 bis 300 Metern bestimmt werden.
Die vorangegangene ungefähre Genauigkeit des NAVSTAR-GPS wird beeinflußt durch (1) die Anzahl der GPS-Satelliten, die Signale übertragen, auf die der Erdempfänger effektiv anspricht, (2) die variablen Amplituden der empfangenen Signale und (3) die Größe der Kreuzkorrelationsspitzen zwischen den empfangenen Signalen von den unterschiedlichen GPS-Satelliten.
Da mehrere PRN- bzw. Pseudozufallszahlsignale simultan beim Erdempfänger empfangen werden, existiert ein gemeinsames Zeitintervall, in dem einige der Codes in Konflikt kommen können. In anderen Worten bewirken die Codes eine Verschlechterung der Messungen der Ankunftszeit von jeder empfangenen Pseudozufallszahl, und zwar wegen den Kreuzkorrelationen zwischen empfangenen miteinander in Konflikt stehenden Signalen.
Die Ankunftszeitmessung für jedes PRN-Signal wird durch Bestimmung der Zeit einer Spitzenamplitude einer Kreuzkorrelation zwischen der Goldcodesequenz des empfangenen PRN-Signals und dem lokal abgeleiteten PRN-Signal vorgenommen. Wenn ein lokal abgeleitetes PRN-Signal über ein empfangenes PRN-Signal überlagert wird, wodurch die Durchschnittszeit ihrer Kreuzkorrelation vergrößert wird, sinkt der durchschnittliche Rauschbeitrag. Da jedoch Kreuzkorrelationsfehler zwischen den empfangenen PRN- Signalen periodisch sind, hat eine Vergrößerung der Durchschnittszeit genauso Vergrößerungen von sowohl dem Fehlersignal als auch dem Kreuzkorrelationswert zwischen den empfangenen Pseudozufallszahlen zur Folge. Folglich werden Fehler bezüglich der Ankunftszeit der PRN-Signale nicht durch die Kreuzkorrelation reduziert.
Zusätzlich zum GPS ist in der herkömmlichen Technik bekannt, Trägheitssysteme bei Navigationssystemen zu verwenden, um eine Positionsabschätzung der Fahrzeuge zu erhalten. Eine solche Trägheitsreferenzeinheit (IRU = inertial reference unit) erhält spezielle Kraftmessungen von Beschleunigungsmessern in einem Referenzkoordinatenrahmen, der von Gyroskopen oder Gyrovorrichtungen stabilisiert wird. Eine Trägheitsreferenzeinheit kann von mehreren Bauarten sein, wie beispielsweise Laser, Mechanik oder Faseroptik. In einem nicht unterstützten Navigationssystem unter Verwendung einer Trägheitsreferenzeinheit wird die spezifische Kraft (korrigiert bezüglich der Effekte der Erdschwerkraft) wie von einem Beschleunigungsmesser gemessen, in eine mathematische Navigationsgleichung integriert, um die Geschwindigkeit und die Position des Fahrzeugs zu erzeugen.
Die Instrumentenmessungen der Trägheitsreferenzeinheit können in einem anderen rechteckigen Koordinatenrahmen als dem Referenznavigationsrahmen festgelegt werden, und zwar abhängig von der Plattformeinrichtung. Der am meisten verwendete Referenznavigationsrahmen für die Navigation nahe der Erdoberfläche ist der Lokalniveaurahmen (Breite-Länge-Vertikalposition). Mehrere Kardanplattformeinrichtungen existieren bei dem vorangegangenen Referenznavigationsrahmen.
Bei einer kardanartig aufgehängten die Nordrichtung suchenden Lokalniveauträgheitsreferenzeinheit werden die Gyroskope und Beschleunigungsmesser auf einer Plattform montiert, die verdreht wird, um das Plattformniveau und den Azimuth auf nordweisend zu halten. Die Plattform ist die Referenzebene. Im Gegensatz dazu wird bei einer kardanartig aufgehängten im Azimuth wandernden Lokalniveauträgheitsreferenzeinheit die Plattform auf dem Niveau gehalten, wird jedoch nicht um die Vertikalachse verdreht.
Weiterhin werden bei einer abgespeckten bzw. Strap-Down- Trägheitsreferenzeinheit die Gyroskope und Beschleunigungsmesser direkt auf dem Fahrzeugkörper montiert. Sie messen die Linear- und Winkelbewegung des Fahrzeugs relativ zum Trägheitsraum. Die Bewegung wird in Fahrzeugkoordinaten ausgedrückt. Daher ist es bei einer Strap-Down- Trägheitsreferenzeinheit nötig, zuerst die Höhe des Fahrzeugs zum Bezugsnavigationsrahmen zu berechnen. Dann wird die berechnete Höhe verwendet, um die Beschleunigungsmessungen in den Referenzrahmen zu transformieren. Nachdem die Beschleunigungsmessdaten einer Strap-Down-Trägheitsreferenzeinheit in dem Referenzrahmen extrapoliert worden sind, ist die Lösung der zuvor erwähnten Navigationsgleichungen identisch sowohl bei der kardanartig aufgehängten Trägheitsreferenzeinheit als auch bei der Strap-Down- Trägheitsreferenzeinheit.
Bei der Strap-Down-Trägheitsreferenzeinheit werden die Höhenberechnungen, die erforderlich sind, um die Beschleunigungsmessungen aufzulösen, mit einer hohen Rate ausgeführt. Die Berechnungen leiden unter numerischen Fehlern, und zwar wegen der begrenzten Computerbitgröße und Durchgangsverfügbarkeit. Diese Berechnungsfehler hängen von dem Frequenzansprechen der Sensorschleife, von der Datenrate und der Auflösung und der Größe der Sensorausgangsgröße bei der Aufnahmezeit ab.
Jedoch erwachsen beträchtliche Vorteile aus der Verwendung der Strap-Down-Trägheitsreferenzeinheit anstelle der kardanartig aufgehängten Trägheitsreferenzeinheit. Die Strap-Down-Trägheitsreferenzeinheiten sind billiger. Darüber hinaus sind die Strap-Down-Trägheitsreferenzeinheiten im allgemeinen bezüglich der physikalischen Größe kleiner. Somit kann das Potential zur Verwirklichung von Größen- und Kosteneinsparungen bei den Trägheitsreferenzeinheiten die Strap-Down-Trägheitsreferenzeinheiten sowohl für militärische als auch für kommerzielle Anwendungen attraktiv machen.
Die Leistung von Navigationssystemen, die Trägheitsreferenzeinheiten verwenden, ist in erster Linie durch Fehler begrenzt, die von den verschiedenen anteiligen Sensoren innerhalb der Trägheitsreferenzeinheiten beigetragen werden. Gyroskope zeigen einen Drift bzw. eine Abweichung. Beschleunigungsmesser haben innewohnende Vorspannungen. Weitere Fehler werden von ungenauen Skalierungsfaktoren und ungenauen Trägheitsreferenzeinheitsausrichtungswinkeln beigetragen. Typischerweise bewirken die vorhergehenden Fehler Ungenauigkeiten bei den Abschätzungen der Fahrzeugpositionen, der Geschwindigkeit und der Höhe, die sich mit der Zeit ansammeln, wenn eine Fahrzeugmission voranschreitet. In gewissem Ausmaß hängen die Fehler von den dynamischen Vorgängen des Anwenders ab.
Wenn ein sehr genaues Navigationssystem für ein Fahrzeug erforderlich ist, können hochpräzise Gyroskope und Beschleunigungsmesser verwendet werden, um diese Notwendigkeit zu erfüllen. Jedoch steigern solche hochpräzisen Ausrüstungsgegenstände die Komplexität und die Kosten des Fahrzeugs.
EP-A-0181012 offenbart ein Fahrzeugpositionsabschätzungssystem, welches GPS- und Trägheitsnavigationssysteme kombiniert. IEEE Position Location und Navigation Symposium, 4.-7. November 1986 offenbart ein Trägheitsnavigationssystem im Vergleich mit dem GPS.
DE-A-3310111 offenbart ein Navigationssystem mit Drift- bzw. Abweichungskompensation. US-A-3630079 offenbart ein Navigationssystem, welches mehrere Sensoren und die Fehlerkorrektur verwendet.
US-A-4786164 offenbart ein Hindernisdetektionsabtastsystem mit zylindrischer Abtastung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Abtastsystem vorgesehen, um Hindernisse in einem Pfad eines Fahrzeuges zu detektieren, wobei das System auf dem Fahrzeug montiert ist und folgendes aufweist:
Mittel zur Erzeugung eines Energiestrahls;
Mittel zum Abtasten des Energiestrahls über einen erwünschten Bereich von Winkeln relativ zu dem Fahrzeug in den Zyklen; und
Mittel zum detektieren von reflektierter Energie;
gekennzeichnet durch
Mittel zum Speichern von Informationen während jedes der Abtastzyklen, die mit der reflektierten, detektierten Energie asoziiert sind; und
Mittel zur Berechnung der Distanz, über die die reflektierte detektierte Energie gelaufen ist, und zwar durch Verarbeitung der assoziierten Informationen, die während jedes der Abtastzyklen gespeichert werden; und
Mittel zur Erzeugung eines Energiestrahls während eines Teils des Abtastzyklus, so daß nur ein Bruchteil des Gesamtsichtfeldes abgetastet wird, wobei die gesamte übertragene Datenmenge minimiert wird.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Abtastverfahren vor, um Hindernisse in einem Pfad eines Fahrzeugs unter Verwendung eines auf dem Fahrzeug montierten Scanners bzw. einer Abtastvorrichtung zu detektieren, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Erzeugung eines Energiestrahls;
Führen des Energiestrahls über einen erwünschten Bereich von Winkeln relativ zu dem Fahrzeug in Zyklen;
Messen von Abständen zwischen dem Fahrzeug und Objekten im Pfad des Fahrzeugs, wobei dies folgende Schritte aufweist:
Detektieren von reflektierter Energie; und
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Speichern von Informationen, die mit der reflektierten detektierten Energie während jedes der Abtastzyklen assoziiert sind;
Berechnung der Distanz, über die die reflektierte detektierte Energie gelaufen ist, und zwar durch Verarbeitung der assoziierten Informationen, die während jedes der Abtastzyklen gespeichert wurden; und
Erzeugung eines Energiestrahls während eines Teils des Abtastzyklus, so daß nur ein Bruchteil des gesamten Sichtfeldes abgetastet wird, wobei die gesamte übertragene Datenmenge minimiert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann bei der Untersuchung der folgenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung offensichtlich.
Es ist beabsichtigt, daß irgendwelche zusätzlichen Merkmale und Vorteile hier mit eingeschlossen werden.
Die vorliegende Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, ist besser verständlich mit Bezugnahme auf den Text und auf die folgenden Zeichnungen.
Fig. 1 veranschaulicht ein Blockdiagramm des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1A ist ein Blockdiagramm 100A der in Betrieb befindlichen GPS-Satelliten beim NAVSTAR-GPS;
Fig. 2 veranschaulicht vier gleichzeitige Navigationsgleichungen, die vier GPS-Satelliten des NAVSTAR-GPS betrachten bzw. behandeln;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer typischen autonomen Arbeitsstelle bzw. Baustelle;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm der Beziehungen zwischen einem Navigator, einer VPS- bzw. Fahrzeugpositionsbestimmungssystem-Architektur und Fahrzeugsteuerungen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, welches die Elemente in einem autonomen Steuersystem veranschaulicht;
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm des Betriebs eines GPS;
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm eines GPS-Verarbeitungssystems des bevorzugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 8 ist ein Flußdiagramm des GPS-Verarbeitungssystems der Fig. 7;
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm eines Bewegungspositionsbestimmungssystems (MPS), und zwar einschließlich eines Odometers bzw. Wegmessers 902 und einer Trägheitsreferenzeinheit (IRU = inertial reference unit) 904;
Fig. 10 ist ein Blockdiagramm des VPS (Fahrzeugpositionsbestimmungssystems);
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm der VPS-Architektur der Fig. 10;
Fig. 12 ist ein Diagramm von Fahrzeugroutendefinitionen;
Fig. 13 ist ein Diagramm, das die erneute Planung eines Pfades zeigt;
Fig. 14 ist ein Diagramm, das zeigt, wie ein Fehlervektor berechnet wird, der eine Krümmung mit einschließt;
Fig. 15 ist ein Diagramm, welches zeigt, wie ein Fehlervektor berechnet wird, der eine Krümmung einschließt, wobei der Fahrzeugpfad mit eingeschlossen ist;
Fig. 16 ist ein Kontextdiagramm des Navigators der vorliegenden Erfindung;
Fig. 17 ist ein Kontextdiagramm einer Pfadverfolgungsstruktur;
Fig. 18A-18D sind Datenflusszusammenfassungen des Navigators 406;
Fig. 19A ist eine Darstellung eines auf einem Fahrzeug montierten Scanners bzw. einer Abtastvorrichtung 404;
Fig. 19B ist eine Darstellung eines autonomen Fahrzeuges, das bezügl. eines Hindernisses scannt, bzw. tastet;
Fig. 20 ist ein Diagramm von ausgewählten Abtastlinien in einem Laserabtastsystem;
Fig. 21 ist ein Diagramm eines autonomen Fahrzeugs, das Hindernisse vermeidet;
Fig. 22 ist eine Darstellung eines Hindernisses;
Fig. 23 ist ein Blockdiagramm, eines Laserscannersystems, das zur Hindernisdetektion verwendet wird;
Fig. 24 ist ein Blockdiagramm 4300 eines Steuersystems für ein autonomes Bergbaufahrzeug;
Fig. 25 ist ein Zustandsdiagramm, das die Übergänge zwischen den Betriebszuständen des Steuersystems der Fig. 24 zeigt;
Fig. 26 ist ein Kommunikationsdiagramm, das die Aufgaben eines Navigators zeigt.
(1) "Absolute Position" bezieht sich im Zusammenhang mit diesem Dokument auf eine Position bezüglich dem Erdmittelpunkt. Im allgemeinen wird eine absolute Position in Bezug zu einem Fahrzeug oder einer Basisstation sein, sowohl auf als auch nahe der Erdoberfläche. Erste, zweite und dritte Positionsabschätzungen sind alle absolute Positionen.
(2) "Tatsächlicher Pseudobereich" bedeutet eine Annäherung an die Distanz zwischen (1) einem Bezugspunkt und (2) einer Quelle eines terrestrischen Positionsbestimmungssystems. In diesem Dokument beziehen sich die tatsächlichen Pseudobereiche gewöhnlicherweise auf eine Annäherung der Distanz zwischen (1) einem Erdempfänger und (2) GPS-Satelliten und/oder Pseudoliten. Tatsächliche Pseudobereiche werden angenähert, indem man zuerst die Fortpflanzungszeitverzögerungen zwischen der Übertragung und dem Empfang der elektromagnetischen Signale mißt, die aus den GPS-Satelliten und/oder Pseudoliten herauskommen. Tatsächliche Pseudobereiche können leicht berechnet werden durch Multiplizieren der berechneten Zeitverzögerungen mit der Lichtgeschwindigkeit oder mit 2,9979245898 · 10&sup8; m/s.
(3) "Antiselektive Verfügbarkeit" bezieht sich auf ein Verfahren/eine Technik/einen Prozeß zum Detektieren und Kompensieren von korrupten bzw. zerstörten GPS-Daten im Grob/Such-(C/A-)Modulationsbetriebszustand.
(4) "Autonom" wird in diesem Dokument im herkömmlichen Sinne verwendet. Es zeigt den Betrieb an, der entweder vollständig automatisch oder im wesentlichen automatisch oder ohne beträchtliches Einbeziehen eines Menschen im Betrieb ist. Im allgemeinen bedeutet ein autonomes Fahrzeug ein nicht bemanntes Fahrzeug im Betrieb oder ein Fahrzeug im Betrieb ohne einen menschlichen Fahrer oder Beifahrer. Jedoch kann ein autonomes Fahrzeug automatisch gefahren werden oder in anderer Weise betrieben werden und kann genauso einen (mehrere) menschlichen (menschliche) Passagier(e) haben.
(5) "Basiskorrelationsableitung" bedeutet eine räumliche Ableitung, die gemäß des Flußdiagrammes 1700A der Fig. 17A abgeleitet wurde.
(6) "Basiskorrelationsableitungstechnik" meint ein Verfahren/Prozeß zur Berechnung der Basiskorrelationsableitungen.
(7) "Abgeschätzte Basisposition" oder "BEP" bezieht sich auf die relative Position der Basisstation mit Bezug auf ein Fahrzeug. Die abgeschätzte Basisposition wird in der Basiskorrelationsableitungstechnik verwendet.
(8) "Bekannte Basisposition" oder "BKP" ist die absolute Position der Basisstation (verwendet als Referenzpunkt) die bekannt ist. Die bekannte Basisposition kann selbst eine Abschätzung sein, die von irgendeinem genauen Positionsbestimmungssystem abgeleitet wird. Es wird angenommen, daß die bekannte Basisposition eine genauere Abschätzung der absoluten Position der Basisstation als irgendeine andere Positionsabschätzung ist.
(9) "Basispositionsabschätzung" bedeutet die Abschätzung der absoluten Position der Basisstation, wie sie von dem GPS-Verarbeitungssystem innerhalb des Host-Verarbeitungssystems abgeleitet wurde. Die Basispositionsabschätzung ist im wesentlichen ähnlich wie die erste Positionsabschätzung, die von dem GPS-Verarbeitungssystem in dem Fahrzeug abgeleitet wurde. Die Basispositionsabschätzung wird in der Basisresiduenableitungstechnik berechnet.
(10) "Basisresiduenableitung" bedeutet eine räumliche Ableitung, die die effektive Differenz der bekannten Basisposition (BKP) der Basisstation und der Positionsabschätzung der Basisstation ist, die von dem Host-Verarbeitungssystem berechnet wird.
(11) "Basisresiduenableitungstechnik" bezieht sich auf ein Verfahren zur Ableitung von Basisresiduenableitungen.
(12) "Ableitung" ("Bias") bezieht sich auf eine Differenz zwischen zwei Messungen, gewöhnlicherweise Positionsabschätzungen (räumliche Ableitungen) oder Clock- bzw. Takt-Raten (Clock-Ableitung bzw. Clock-Bias). Da bekannt ist, daß eine Messung gewöhnlicherweise genauer ist als die andere, wird die Ableitung oft als "Fehler" bezeichnet.
(13) "Taktableitung" (Clock-Ableitung) bedeutet die Differenz der Taktzeiten zwischen (1) der Übertragungsschaltung der GPS-Satelliten und/oder GPS-Pseudoliten und (2) der Aufnahmeschaltung eines Erdempfängers. Wenn man eine Taktableitung in der Berechnung einer räumlichen Ableitung verwendet, wird die Taktableitung mit der Lichtgeschwindigkeit oder mit 2,998 · 10$ Metern pro Sekunde multipliziert. Folglich wird die Taktableitung in Längeneinheiten umgewandelt.
(14) "Konstellation" bezieht sich auf eine Gruppe, die aus GPS-Satelliten und/oder Pseudoliten besteht, deren Signale verwendet werden, um eine absolute Positionsabschätzung des Punktes auf oder nahe der Erdoberfläche abzuleiten. Siehe unten "optimale Konstellation".
(15) "Konstellationseffektverfahren" meint eine Technik oder einen Prozeß, wodurch eine optimale Konstellation von GPS-Satelliten aus einer größeren Gruppe von GPS- Satelliten im Sichtfeld eines Fahrzeuges ausgewählt wird.
(16) "Datenfunk" bezieht sich auf einen Sender, Empfänger, Sender/Empfänger oder irgendeine Kombination davon zur Übertragung von Daten bei Funkfrequenzen (RF = Radiofrequenzen).
(17) "Erdempfänger" bezieht sich auf irgendeine Einrichtung oder Vorrichtung oder irgendeinen Teil davon, der Signale von einem GPS und/oder Pseudoliten empfängt und verarbeitet. Erdempfänger können auf oder nahe der Erdoberfläche gelegen sein. Darüber hinaus können Erdempfänger beispielsweise die Form eines Fahrzeuges oder einer Basisstation annehmen.
(18) "Abgeschätzter Pseudobereich" bezieht sich auf die Annäherung der Distanz zwischen (1) einem Referenzpunkt und (2) einer Quelle eines terrestrischen Positionsbestimmungssystems. In dieser Schrift beziehen sich die aktuellen Pseudobereiche gewöhnlicherweise auf eine Annäherung der Distanz zwischen (1) einem Erdempfänger und (2) GPS-Satelliten und/oder Pseudoliten. Abgeschätzte Pseudobereiche werden aus GPS-Daten berechnet, die in den elektromagnetischen Signalen kodiert sind, die von den GPS-Satelliten und/oder den Pseudoliten übertragen werden. Almanachgleichungen zur Berechnung von abgeschätzten Pseudobereichen aus den GPS-Daten des NAVSTAR-GPS sind öffentlich verfügbar.
(19) "Erste Positionsabschätzung" oder "FPE" oder "FPE (i)" (FPE = first position estimate) bezieht sich auf eine abgeschätzte absolute Position von irgendeinem Fahrzeug, die in irgendeiner Form aus dem GPS ausgegeben wird. Die erste Positionsabschätzung und die zweite Positionsabschätzung werden in der vorliegenden Erfindung unabhängig abgeleitet. Darauf folgend werden diese Abschätzungen kombiniert und gefiltert, um eine dritte Positionsabschätzung abzuleiten. Folglich beeinflußt die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzung die Genauigkeit der dritten Positionsabschätzung.
(20) "GLONASS-GPS" bezieht sich auf das GPS, welches von der USSR konstruiert worden ist und gegenwärtig von ihr eingesetzt wird.
(21) "Globales Positionsbestimmungssystem" oder "GPS" ist eine Art eines terrestrischen Positionsbestimmungssystems. Bei einem GPS wird eine Anzahl von Satelliten in einer Umlaufbahn um den Planeten Erde angeordnet. Die GPS-Satelliten sind ausgelegt, um elektromagnetische Signale zu senden. Aus diesen elektromagnetischen Signalen kann die absolute terrestrische Position (Position mit Bezug auf den Erdmittelpunkt) von irgendeinem Empfänger auf oder nahe der Erdoberfläche ultimativ bestimmt werden. Die US-Regierung hat ihr GPS "NAVSTAR" genannt. Die Regierung der USSR hat ihr GPS "GLONASS" genannt.
(22) "GPS-Daten" bedeutet alle Daten, die auf Signalen codiert wurden, die von GPS-Satelliten eines GPS übertragen wurden. GPS-Daten weisen beispielsweise Ephemeridendaten und Zeitdaten auf.
(23) "GPS-Verarbeitungssystem" bezieht sich auf ein System zur Aufnahme von Signalen von einem terrestrischen Positionsbestimmungssystem und zur Ableitung von ersten Positionsabschätzungen von Fahrzeugen aus den aufgenommenen Signalen. Das GPS-Verarbeitungssystem kann elektromagnetische Signale von den GPS-Satelliten eines GPS und/oder von Pseudoliten empfangen.
(24) "Host-Verarbeitungssystem" bezieht sich auf ein Computersystem, das an der Basisstation zur Ausführung von Verfahren und Techniken arbeitet, die die Genauigkeit der Positionsabschätzungen der Fahrzeuge verbessern. Daten, die aus diesen Verfahren und Techniken abgeleitet werden, werden zu Fahrzeugen übertragen, so daß die Fahrzeuge die Daten verwenden können, wenn sie erste, zweite und dritte Positionsabschätzungen berechnen. Die Architektur/Hardware (Komponenten) des Host-Verarbeitungssystems sind im wesentlichen ähnlich der Architektur/Hardware des Fahrzeugpositionsbestimmungssystems.
(25) "Trägheitsreferenzeinheit" oder "IRU" (IRU = inertial reference unit) bezieht sich auf ein System, gewöhnlicherweise an Bord eines Fahrzeuges, um der Ableitung einer zweiten Positionsabschätzung des Fahrzeuges beizuhelfen. Eine Trägheitsreferenzeinheit erhält spezifische Kraftmessungen von Beschleunigungsmessern in einem Referenzkoordinatenrahmen, der von Gyroskopen oder Gyroskopmitteln stabilisiert wird. Eine Trägheitsreferenzeinheit kann von einer Laserbauart oder von einer mechanischen Bauart sein. In einem nicht unterstützten Navigationssystem, welches eine Trägheitsreferenzeinheit verwendet, wird die spezifische Kraft (korrigiert bezüglich der Effekte der Erdschwerkraft) wie von dem Beschleunigungsmesser gemessen, in eine mathematische Navigationsgleichung integriert, um die Fahrzeugposition und -geschwindigkeit zu erzeugen. Die Trägheitsreferenzeinheit kann ein Teil des Bewegungspositionsbestimmungssystems sein.
(26) "Kalmanfilter" wird im herkömmlichen Sinne verwendet. Dies bezieht sich auf ein Softwareprogramm zum herausfiltern von Rauschen oder Fehlern in den Daten. Ein GPS-Kalman-Filter wird verwendet, um Rauschen oder Fehler im GPS-Verarbeitungssystem herauszufiltern, um die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen zu verbessern. Es wird auch ein VPS- bzw. Fahrzeugpositionsbestimmungs- Kalman-Filter verwendet, um das Rauschen in dem Fahrzeugspositionsbestimmungssystem herauszufiltern, um die Genauigkeit der zweiten Positionsabschätzungen zu verbessern.
(27) "Bewegungspositionsbestimmungssystem" oder "MPS" (MPS = motion positioning system) bedeutet ein System, welches zumindest eine Trägheitsreferenzeinheit und einen Fahrzeugwegmesser aufweist. Das Bewegungspositionsbestimmungssystem leitet die zweite Positionsabschätzung von irgendeinem Fahrzeug auf oder nahe der Erdoberfläche ab. Darüber hinaus muß ein Bewegungspositionsbestimmungssystem nicht an der Basisstation vorhanden sein, und zwar aufgrund ihrer stationären Natur.
(28) "Optimale Konstellation" bedeutet eine Satellitenkonstellation, bei der die Relativpositionen der GPS- Satelliten im Raum überlegene Triangulationsfähigkeiten erfordert, um die genaueste Abschätzung eines Punktes auf oder nahe der Erdoberfläche abzuleiten.
(29) "Ursprüngliche Ableitung" bedeutet eine räumliche Ableitung, berechnet durch Subtrahieren von sowohl abgeschätzten Pseudobereichen als auch Taktableitungen (in Längeneinheiten) von den tatsächlichen Pseudobereichen. Taktableitungen werden in Längeneinheiten umgewandelt, indem man sie mit der Lichtgeschwindigkeit oder mit 2,9979245898·10&sup8; Metern pro Sekunde multipliziert.
(30) "Technik der ursprünglichen Ableitung" ist ein Verfahren zur Berechnung der ursprünglichen Ableitungen.
(31) "NAVSTAR-GPS" bedeutet das GPS, welches von der US- Regierung konstruiert worden ist und gegenwärtig von dieser eingesetzt wird.
(32) "Navigationssystem" bezieht sich auf irgendwelche Systeme und/oder Verfahren zum Leiten eines Fahrzeuges auf oder nahe der Erdoberfläche. Die Navigationssysteme können an Bord eines Fahrzeugs sein. Das Fahrzeugpositionsbestimmungssystem der vorliegenden Erfindung kann das Navigationssystem des Fahrzeugs mit einer sehr genauen dritten Positionsabschätzung des Fahrzeugs versorgen, so daß das Navigationssystem dadurch präzise das Fahrzeug führen kann.
(33) "Parabolische Ableitung" ist eine räumliche Ableitung, die durch den Aufbau von parabolischen Modellen für die tatsächlichen Pseudobereiche von jedem beobachteten GPS-Satelliten berechnet wird, und durch Extrapolieren von Werten aus den parabolischen Modellen. Die parabolischen Ableitungen sind die tatsächlichen Pseudobereiche abzüglich dem Wert, der aus den konstruierten parabolischen Modellen extrapoliert wurde, und abzüglich den Taktableitungen (in Längeneinheiten durch Multiplizieren mit der Lichtgeschwindigkeit).
(34) "Parabolische Ableitungstechnik" ist ein Verfahren zur Berechnung von parabolischen Ableitungen von jedem der GPS-Satelliten, die verwendet werden.
(35) "Bevorzugtes Ausführungsbeispiel" bezieht sich auf den besten Weg zur Einrichtung der vorliegenden Erfindung. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist nur beispielhaft. Die vorliegende Erfindung sollte nicht so interpretiert werden, daß sie auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel eingeschränkt ist.
(36) "Pseudolit" bezieht sich auf ein Strahlungssystem oder Sendesystem auf oder nahe der Erdoberfläche zur Emulation eines GPS-Satelliten. Elektromagnetische Signale werden, ähnlich jenen von den GPS-Satelliten, von landbasierten Pseudoliten übertragen. Einer oder mehrere Pseudoliten können verwendet werden, um GPS-Satelliten zu emulieren, um die Berechnung der ersten Positionsabschätzungen zu verbessern.
(37) "Pseudolitendaten" bedeutet alle Daten, die in Signalen kodiert sind, die von den Pseudoliten aufgenommen wurden. Die Pseudolitendaten ähneln den GPS-Daten in vieler Hinsicht und weisen ähnliche Informationen auf.
(38) "Pseudobereich" meint die Distanz zwischen einer Quelle eines terrestrischen Positionsbestimmungssystems und einem Punkt auf oder nahe der Erdoberfläche. Die Quellen können GPS-Satelliten und/oder Pseudoliten sein. Das terrestrische Positionsbestimmungssystem kann ein GPS sein, das mit Pseudoliten verwendet wird, falls vorhanden. Weiterhin kann der Punkt auf oder nahe der Erdoberfläche die Basisstation und/oder Fahrzeuge sein.
(39) "Satellitenpositionsvorhersage" ist ein Verfahren zur Bestimmung der zukünftigen Positionen der GPS-Satelliten. Das Verfahren gestattet die vorzeitige Auswahl von optimalen Konstellationen.
(40) "Zweite Positionsabschätzung" oder "SPE" (SPE = second position estimate) bezieht sich auf eine abgeschätzte absolute Position von irgendeinem Fahrzeug, die in irgendeiner Form vom Bewegungspositionsbestimmungssystem bzw. MPS ausgegeben wurde. Die zweiten Positionsabschätzungen weisen mindestens eine Positionsinformation von einer Trägheitsreferenzeinheit auf. Die zweite Positionsabschätzung könnte Positionsinformationen von einem Fahrzeugwegmesser aufweisen, der auf einem Fahrzeug gelegen ist.
(41) "Räumliche Ableitung" bezieht sich auf eine Ableitung, die sich auf Annäherungen der Positionen in einem zweidimensionalen oder dreidimensionalen Raum bezieht. Räumliche Ableitungen werden verwendet, um eine Positionsabschätzung zu versetzen (offset) um die Genauigkeit der Positionsabschätzung zu verbessern. Räumliche Ableitungen können durch eine Anzahl von unterschiedlichen Verfahren der vorliegenden Erfindung berechnet werden. Bei diesen Verfahren sind beispielsweise eine Originalableitungstechnik 1500, eine parabolische Ableitungstechnik 1600, eine Basisresiduenableitungstechnik 1700 und eine Basiskorrelationsableitungstechnik 1700A eingeschlossen.
(42) "System" wird für den Zweck verwendet, eine Vorrichtung, ein Verfahren oder eine Kombination von sowohl einer Vorrichtung als auch einem Verfahren zu bedeuten. Darüber hinaus könnte es Programme, Hardware bzw. Komponenten oder eine Kombination aus Hardware und Programmen aufweisen.
(43) "Positionsbestimmungssystem" bedeutet irgendein System mit Quellen, die Signale ausstrahlen, die von einem Empfänger der Signale verwendet werden können, um die relative Distanz zwischen den Quellen und dem Empfänger abzuschätzen. Die Signale können beispielsweise in Form von elektromagnetischen Wellen, Percussionswellen und/oder Schallwellen sein.
(44) "Terrestrisches Positionsbestimmungssystem" bedeutet irgendein Positionsbestimmungssystem, welches verwendet werden kann, um ultimativ die terrestrische Position eines Erdempfängers abzuschätzen. Die Signale können beispielsweise in Form von elektromagnetischen Wellen, Percussionswellen und/oder Schallwellen sein. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das terrestrische Positionsbestimmungssystem das NAVSTAR-GPS.
(45) "Dritte Positionsabschätzung" oder "TPE" (TPE = third position estimate) bezieht sich auf eine abgeschätzte absolute Position von irgendeinem Fahrzeug, die in irgendeiner Form vom Fahrzeugpositionsbestimmungssystem ausgegeben wurde. Die dritten Positionsabschätzungen sind genauere Positionsabschätzungen der Fahrzeugpositionen im Vergleich zu den ersten und zweiten Positionsabschätzungen. Die dritte Position wird von den ersten und zweiten Positionsabschätzungen durch das VPS-Verarbeitungssystem abgeleitet.
(46) "Fahrzeug" bedeutet irgendeinen Träger zum Transport von physischen Dingen. Fahrzeuge können die Form von Bergbaulastwägen, Baulastwägen, Farmtraktoren, Automobilen, Schiffen, Booten, Eisenbahnen, Ballons, Raketen oder Flugzeugen annehmen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein 785 PFF-Straßenlastwagen von Caterpillar Inc. verwendet.
(47) "Fahrzeugpositionsbestimmungssystem" oder "VPS" (VPS = vehicle positioning system) bezieht sich auf das System, das Positionsabschätzungen von irgendeinem Fahrzeug ableitet. Die Positionsabschätzungen von dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem sind extrem genau und können von einem Navigationssystem auf irgendeinem Fahrzeug verwendet werden, um genau das Fahrzeug zu führen. Positionsabschätzungen werden von dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem als dritte Positionsabschätzungen bezeichnet.
(48) "VPS-Verarbeitungssystem" bedeutet das Verarbeitungssystem des Fahrzeugpositionsbestimmungssystems bzw. des VPS. Das VPS-Verarbeitungssystem leitet dritte Positionsabschätzungen von den ersten und zweiten Positionsabschätzungen ab. Die Architektur ist in den Fig. 10 und 11 abgebildet.
(49) "Gewichtete Kombination" bezieht sich auf ein spezielles Softwareprogramm, das Daten verarbeitet. Die eingegebenen Daten werden einem vorbestimmten Gewichtungsfaktor zugeordnet, und zwar basierend auf der abgeschätzten Genauigkeit der Daten und der Technik, die verwendet wird, um die Daten zu sammeln. Beispielsweise wird die erste Positionsabschätzung des GPS-Signals 716 schwerer gewichtet als die zweite Positionsabschätzung des Trägheitsreferenzeinheitssignals 910, da ersteres inhärent genauer ist. Weiterhin kann die Geschwindigkeit, die von der Trägheitsreferenzeinheit gemessen wurde, schwerer gewichtet werden, als die Geschwindigkeit, die von dem GPS- Verarbeitungssystem gemessen wird, da erstere genauer ist. Die Geschwindigkeit, die von dem GPS-Verarbeitungssystem gemessen wird, überhaupt nicht verwendet, könnte jedoch in anderen Aufbauten verwendet werden.
(50) "Technik der gewichteten Pfadhistorie" ist ein Verfahren oder ein Prozeß zur Steigerung der Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen, die aus dem GPS-Verarbeitungssystem ausgegeben werden. Die Technik verwendet frühere erste Positionsabschätzungen, um ein Fahrzeugpfadmodell abzuleiten, um die Gültigkeit der zukünftigen ersten Positionsabschätzungen zu testen. Die Anwendung der Technik der gewichteten Pfadhistorie hat eine Verringerung des Wanderns der ersten Positionsabschätzungen und eine verbesserte Immunität gegenüber falschen Positionsberechnungen zur Folge.
Fig. 1 veranschaulicht ein High-Level-Blockdiagramm 100 eines beispielhaften Positionsbestimmungssystems. Um den genauen autonomen Betrieb eines Fahrzeugs 102 auf oder nahe der Erdoberfläche vorzusehen, weist das Beispiel sowohl ein Fahrzeugpositionsbestimmungssystem (VPS = vehicle positioning system) 1000 als auch ein Navigationssystem 1022 auf. Diese beiden Systeme weisen eine Vorrichtung, Verfahren und Techniken auf, die, wenn sie zusammen integriert sind, eine hochgenaue Steuerung von unbemannten Fahrzeugen vorsehen.
Die Aufgabe, das autonome Fahrzeug 102 entlang eines vorbeschriebenen Pfades zu führen, erfordert u. a. eine genaue Schätzung der augenblicklichen bzw. laufenden bzw. Ist-Fahrzeugposition, relativ zu einem Referenzpunkt. Sobald die laufende bzw. Ist-Position bekannt ist, kann das Fahrzeug 102 angewiesen werden, zu seiner nächsten Bestimmung voranzugehen bzw. zu fahren.
Unter Verwendung der VPS 1000 können Positionsschätzungen des Fahrzeugs 102 mit extremer Genauigkeit bestimmt werden. Das VPS 1000 empfängt GPS-Daten von GPS-Satelliten 104 von einem GPS, wie beispielsweise dem NAVSTAR-GPS oder dem GLONASS GPS.
Das NAVSTAR-GPS kann verwendet werden. Fig. 1A veranschaulicht das NAVSTAR-GPS. GPS-Satelliten 130-168 laufen um die Erde 172 in sechs Orbitalen bzw. Umlaufbahnen 174- 184.
Mit Bezug auf Fig. 1 kann das VPS 1000 auch Pseudolitdaten von Pseudolit(en) 105 empfangen. Der Ausdruck "Pseudolit" im Zusammenhang mit diesem Dokument bedeutet eine strahlungsaussendende bzw. strahlende Vorrichtung auf oder nahe der Erdoberfläche, um einen GPS-Satelliten zu emulieren bzw. nachzubilden.
Aus den GPS-Daten und/oder den Pseudolitendaten leitet das VPS 1000 genaue Schätzungen der Position des Fahrzeugs 102 ab. Die GPS-Daten und/oder die Pseudolitendaten werden signifikant über zahlreiche erfindungsgemäße Techniken und Verfahren verbessert bzw. verstärkt, um die Genauigkeit der Fahrzeugpositionsschätzung zu verbessern.
Insbesondere ist das VPS 1000 ein Positionierungs- bzw. Positionsbestimmungssystem, basierend auf der Verwendung von GPS-Daten vom NAVSTAR-GPS 104 und von einem Bewegungspositionierungs- bzw. Bewegungspositionsbestimmungssystem 900. Das Bewegungspositionierungssystem 900 weist eine Trägheitsreferenzeinhelt (IRU = inertial reference unit) 904 und/oder ein Fahrzeugodometer bzw. -wegmesser 902 auf. Die IRU 904 weist ein oder mehrere Lasergyroskope 106 und einen oder mehrere Beschleunigungsmesser 108 auf, die verwendet werden können, um die Position, die Geschwindigkeit, die Querneigung bzw. Rollneigung, die Höhe und die Gierungs- bzw. Neigungsdaten zu erzeugen. Der Fahrzeugswegmesser 902 erzeugt Daten über die vom Fahrzeug 102 gelaufene Distanz.
Eine erste Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 wird durch das GPS-Verarbeitungssystem 700 von den GPS-Daten abgeleitet, die von den GPS-Satelliten 104 und von den Pseudolitendaten empfangen werden, die von dem (den) Pseudolit(en) 105 empfangen werden. Um die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung zu vergrößern, kann eine Anzahl von Verfahren verwendet werden. Zusätzlich wird eine zweite Positionsschätzung durch den MPS-Kommunikationsprozessor 906 des Bewegungspositionssystems 900 abgeleitet, welches die IRU 904 und/oder den Fahrzeugswegmesser 902 aufweist.
Wie durch die jeweiligen Pfeile 112 und 114 gezeigt, werden die erste Positionsschätzung und die zweite Positionsschätzung dann durch ein VPS-Verarbeitungssystem 116 kombiniert und gefiltert. Das Ergebnis, wie durch einen Ausgabepfeil 118 gezeigt, ist eine genauere dritte Positionsschätzung.
Das Navigationssystem 1022 empfängt die dritte Positionsschätzung vom VPS 1000. Das Navigationssystem 1022 verwendet die präzise dritte Positionsschätzung, um das Fahrzeug 102 genau zu navigieren. Ein primärer Zweck des Navigationssystems 1022 ist es, das Fahrzeug 102 zwischen Punkten entlang eines vorbestimmten oder dynamisch erzeugten Pfades zu führen.
Das Navigationssystem 1022 ist im Fahrzeug 102 selbst gelegen. In anderen Worten ist es im wesentlichen ein "On- Board"- bzw. an Bord befindliches System. Darüberhinaus kann das Navigationssystem 1022 ausgelegt bzw. konstruiert sein, um in dem Fahrzeug 102 nachgerüstet zu werden.
So daß das Navigationssystem 1022 das Fahrzeug 102 führen kann, um voreingestellten oder dynamisch erzeugten Pfaden zu folgen, werden verschiedene Modelle oder konzeptionelle Darstellungen erzeugt und verwendet. Beispielsweise können Linien und Kurven bzw. Bögen verwendet werden, um Fahrzeugpfade zwischen Objektpunkten einzurichten. Mathematische B-Splines oder Clothoidkurven können verwendet werden, um den tatsächlichen Pfad bzw. Weg zu modellieren, wo das Fahrzeug 102 navigieren muß.
Die Verwendung der obigen Modelierungs- oder Darstellungstechniken sieht verbesserte Datenkommunikationen, - speicherung und -behandlung des Fahrzeugs 102 vor. Die Techniken gestatten weiter eine Vereinfachung der Überwachungsaufgaben durch das Vorsehen einer Hierarchie von Steuerung und Kommunikation. Je höher ein Steuerpegel im hierarchischen Steuerschema existiert, desto einfacher ist die Aufgabe und desto kompakter sind die Befehle.
Das Navigationssystem 1022 sieht weiterhin die Steuerung der mechanischen Systeme des Fahrzeugs vor, wie beispielsweise Bremsen, Lenkung und Motor und Getriebe, um die notwendigen physikalischen Vorgänge bzw. Handlungen vorzunehmen, die erforderlich sind, um das Fahrzeug 102 zu bewegen, zu stoppen und zu lenken.
Das Navigationssystem 1022 überprüft auch die tatsächliche bzw. Ist-Position des Fahrzeugs 102 gegen die gewünschte bzw. Soll-Position, um die Fahrzeugsteuerung gemäß der gewünschten Position zu korrigieren. Das Navigationssystem 1022 kann Mehrfach-Status-Modelle bzw. Mehrzustandsmodelle laufen lassen, um diese Überprüfungsfähigkeit zu verbessern. Das Navigationssystem 1022 überprüft auch Fehler oder Versagen im System selbst und in Fahrzeugkomponenten. Wenn Fehler oder Versagen detektiert bzw. ermittelt werden, kann das Navigationssystem 1022 für einen versagenssicheren Shutdown bzw. Systemabschluß sorgen, und zwar dadurch, daß es das Fahrzeug 102 zu einem vollständigen Stop bringt.
Das Navigationssystem 1022 sieht weiter verschiedene Betriebszustände zum Steuern des Fahrzeugs 102 vor. Diese weisen folgende auf: (1) Einen vollständig autonomen bzw. automatischen Modus, wo die Navigation des Fahrzeugs 102 automatisch durch das Navigationssystem 1022 behandelt wird; (2) einen Tele- oder Remote-Steuermodus, wo ein entfernter menschlicher (nicht gezeigter) Bediener die Richtung und Bewegung usw. des Fahrzeugs 102 steuern kann; und (3) einen manuellen Modus, bei dem ein menschlicher Bediener, der im Fahrzeug 102 sitzt, die Steuerung des Fahrzeugs 102 übernehmen kann und es manuell fahren kann.
Im autonomen Modus ist die Hindernisdetektion kritisch, da, wenn das Fahrzeug 102 nicht unter Kontrolle bzw. Steuerung ist, es großen Sachschaden und starke Verletzungen von Lebewesen erzeugen könnte. Das Navigationssystem 1022 kann effizient bzw. wirkungsvoll Hindernisse detektieren. Steine, Tiere, Menschen, Bäume oder andere Hindernisse können unerwartet in den Pfad bzw. Weg des Fahrzeugs 102 eintreten. Das Navigationssystem 1022 ist fähig, diese Hindernisse zu detektieren, und zwar entweder durch Stoppen oder durch das Ziehen bzw. Entwerfen eines Pfades um das Hindernis herum und durch Zurückbringen des Fahrzeugs 102 auf seinen Originalweg, wenn der Weg als sicher angesehen wird.
Eine genaue Verfolgung des gewünschten bzw. Soll-Wegs bzw. der Soll-Route ist eine weitere Funktion des Navigationssystems 1022. Das Funktionieren und die Architektur des Navigationssystems 1022 ist für eine Echtzeitverfolgung der Fahrzeugpfade ausgelegt bzw. konstruiert worden, und zwar bei Geschwindigkeit bis zu ungefähr 30 Meilen pro Stunde (mph).
Das Beispiel kann ein Host- bzw. Hauptverarbeitungssystem 186 in einer Basisstation 188 aufweisen. Das Host-Verarbeitungssystem 186 führt Funktionen für sowohl das VPS 1000 als auch für das Navigationssystem 1022 aus.
Mit Bezug auf das VPS 1000 empfängt das Host-Verarbeitungssystem 186 GPS-Daten und/oder Pseudolitendaten, wie durch die jeweiligen Pfeile 190 und 192 gezeigt. Im Endeffekt kann das Host-Verarbeitungssystem 186 genauso wie die Basisstation 188 als ein bekannter Referenzpunkt funktionieren, um die Genauigkeit der Fahrzeugpositionsschätzungen zu verbessern, wie unten im Detail besprochen.
Die folgende Besprechung mit Bezug auf das VPS 1000 wird insbesondere Bezug auf die Fig. 7 bis 10 nehmen. Die Figure 10 zeigt die Architektur/Hardware des VPS 1000. Das VPS 1000 ist ein hochgenaues Positionsbestimmungssystem, für ein sich bewegendes oder stationäres Fahrzeug 102 auf oder nahe der Erdoberfläche.
Es sei daran erinnert, daß das VPS 1000 das GPS-Verarbeitungssystem 700 und das MPS 900 aufweist, die in den jeweiligen Fig. 7 und 9 gezeigt sind. Weiter sei daran erinnert, daß das MPS 900 die IRU 904 und den Fahrzeugwegmesser 902 aufweist, die beide in Fig. 9 gezeigt sind. Im Endeffekt sind diese Systeme verbessert und integriert worden, um ein hocheffektives Positionsbestimmungssystem zu erzeugen.
Mit Bezug auf Fig. 7 weist das GPS-Verarbeitungssystem 700 eine Antenne 702 auf, die mit einem GPS-Empfänger 706 verbunden ist. Wenn die GPS-Satelliten 104 im Blickfeld der Antenne 702 mehrfache GPS-Satelliten 200-206 aufweisen, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, liest der GPS- Empfänger 706 alle ihre GPS-Daten zusammen mit irgendwelchen Pseudolitendaten von irgendeinem (irgendwelchen) Pseudolit(en) 105 im Blickfeld der Antenne 702. Der GPS- Empfänger 706 ist für die Berechnung der ersten Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 aus den GPS-Daten und/oder den Pseudolitendaten verantwortlich.
Um die Genauigkeit des ersten Positions- bzw. Positionsbestimmungsverfahrens zu vergrößern, wird das Satellitenpositionsvorhersageverfahren 1800 durch einen GPS-Prozessor 710 des GPS-Verarbeitungssystem 700 implementiert bzw. eingerichtet. Das Satellitenpositionsvorhersageverfahren 1800 sagt die Position von irgendeinem GPS-Satelliten zur laufenden bzw. augenblicklichen Zeit oder für irgendeine zukünftige Zeit voraus.
Unter Verwendung der Satellitenpositionsinformation kann das GPS-Verarbeitungssystem 700 die optimale GPS-Satellitenkonstellation zum Erkennen bestimmen, und zwar unter Verwendung eines Konstellationseffekt-Verfahrens 1300. Das Konstellationseffekt-Verfahren 1300 wird auch vom GPS-Prozessor 710 implementiert bzw. eingerichtet. Gemäß des Konstellationseffekt-Verfahrens 1300 wird eine beste Konstellation aus den Datenquellen ausgewählt, die die GPS-Satelliten 200-206 und Pseudolit(e) 105 aufweisen.
Der GPS-Prozessor 710 berechnet eine erste Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 basierend auf der besten Konstellation und auf Geometrie/Triangulations-Verfahren. Die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung ist teilweise abhängig von der bei der Berechnung verwendeten Anzahl von GPS-Satelliten. Jeder zusätzliche verwendete GPS-Satellit kann die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung vergrößern. Nach der Berechnung wird die erste Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 an einen VPS- Hauptprozessor 1002 der Fig. 10 übertragen.
Mit Bezug auf Fig. 9 weist die IRU 904 Lasergyroskope und Beschleunigungsmesser auf, die Positions-, Geschwindigkeits-, Roll- bzw. Längsneigungs-, Höhen- und Neigungsdaten erzeugen. Die IRU 904 kombiniert diese Information in eine zweite Positionsschätzung des Fahrzeugs 102. Der Wegmesser 902 kann implementiert werden, um die vom Fahrzeug 102 gelaufene bzw. gefahrene Distanz zu messen. Die Daten von der IRU 904 und vom Wegmesser 902 werden auch über den MPS-Kommunikationsprozessor 906 an den VPS-Hauptprozessor 1002 übertragen, und zwar wie in Fig. 10 gezeigt.
Der VPS-Hauptprozessor 1002 kombiniert die zweite Positionsschätzung vom MPS 900 (die IRU 904 und vielleicht der Wegmesser 902) mit der ersten Positionsschätzung vom GPS- Verarbeitungssystem 700, um eine genauere dritte Positionsschätzung zu erzeugen.
Das VPS 1000 implementiert weiter ein Verfahren zum Eliminieren von irrtümlichen oder falschen dritten Positionsschätzungen, die ein "Fahrzeugabwandern" bzw. ein "Fahrzeugabweichen" bewirken können. Dieses Verfahren wird Verfahren mit gewichteter Pfadhistorie genannt. Im wesentlichen wird die Pfadhistorie bzw. Pfadgeschichte des Fahrzeugs 102 verwendet, um statistisch die Genauigkeit von zukünftigen Schätzungen der Position des Fahrzeugs 102 zu bestimmen.
Mit Bezug auf die Fig. 1 und 3 sieht eine Basisstation 188 einen geographischen nahen Referenzpunkt für das VPS 1000 vor. Die Basisstation 188 weist ein Host- Verarbeitungssystem 186 auf. Das Host-Verarbeitungssystem 186 weist eine ähnliche Architektur auf, und führt die gleichen Funktionen wie das GPS-Verarbeitungssystem 700 aus. Jedoch führt das Host-Verarbeitungssystem 186 zusätzliche Funktionen zum Vergrößern der Genauigkeit der ersten Positionsschätzungen aus.
Das Satellitenpositionsvorhersageverfahren 1800 wird durch das Host-Verarbeitungssystem 186 implementiert bzw. eingerichtet, und zwar zusätzlich zu dem oben besprochenen GPS-Verarbeitungssystem 700. Dementsprechend wird das Host-Verarbeitungssystem 186 die gleiche GPS-Satellitenkonstellation erkennen, die vom Fahrzeug 102 beobachtet wird, oder wird den gleichen GPS-Satelliten in einer größeren Konstellation aufweisen.
Berechnungen werden dann an den GPS-Daten und/oder den Pseudolitendaten ausgeführt, um Ableitungen (Biases) abzuleiten, und zwar einschließlich räumlicher Ableitungen und Taktableitungen. Um räumliche Ableitungen zu berechnen, implementiert das Host-Verarbeitungssystem 186 eine Anzahl von Verfahren.
Das GPS-Verarbeitungssystem 700 verwendet die Fahrzeugpositionsdaten von einem terrestrischen Positionsbestimmungssystem, um die erste Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 abzuleiten. Das terrestrische Positionsbestimmungssystem weist das NAVSTAR-GPS auf, welches gegenwärtig von der US-Regierung entwickelt wird, und/oder erdbasierte Pseudoliten.
Wie in Fig. 1A gezeigt, sind 24 von Menschenhand hergestellte elektronische GPS-Satelliten 132-170 in sechs Orbitalen bzw. Umlaufbahnen 174-184 gegenwärtig für das NAVSTAR-GPS vorgesehen. Sie werden zum Einsatz im Jahre 1993 geplant. Wie gegenwärtig vorgesehen, werden die GPS- Satelliten 132-170 die Erde 172 in einer Höhe von ungefähr 14.000 Meilen umlaufen und den Globus zweimal am Tag umlaufen. Unter Verwendung des C-Modus bzw. C-Betriebszustands des NAVSTAR-GPS, wie unten besprochen werden wird, wird es möglich sein, terrestrische Positionen innerhalb 15 Meter zu bestimmen, und zwar bei jedem Wetter, zu jeder Zeit und in den meisten Gebieten der Erde 172.
Zum Zeitpunkt der Einreichung dieses Dokuments sind sechs experimentale und sieben einsatzbereite GPS-Satelliten im Umlauf um die Erde 172 bekannt. Weiter ist es bekannt, daß mehrere Hersteller gerade GPS-Empfänger konstruieren und herstellen, wie beispielsweise den GPS-Empfänger 706 der Fig. 7. Da mehr und mehr GPS-Satelliten gestartet bzw. eingesetzt und betriebsbereit sind, nehmen die Zeitperioden zu, in denen drei oder mehr der experimentellen GPS-Satelliten jeden Tag zur Positionsverfolgung verfügbar sind.
Darüberhinaus ist die Lage der experimentellen GPS- Satelliten (und alle anderen, sobald sie im Einsatz sind) sehr vorhersagbar. Die Relativposition oder der "Pseudobereich" bzw. "pseudorange" dieser GPS-Satelliten mit Bezug auf den GPS-Empfänger 706 am Fahrzeug 102 kann durch zwei Verfahren aus den elektromagnetischen Signalen bestimmt werden.
Ein Verfahren ist, die Fortpflanzungszeitverzögerungen zwischen Übertragung und Empfang der herauslaufenden elektromagnetischen Signale zu messen. Beim NAVSTAR-GPS sind die elektromagnetischen Signale kontinuierlich mit der Zeit codiert, zu der die Signale von den GPS- Satelliten übertragen werden. Es ist nicht nötig, zu erwähnen, daß man eine Aufzeichnung der Empfangszeit machen kann und die codierte Übertragungszeit abziehen kann, um die Zeitverzögerungen abzuleiten. Aus den berechneten Zeitverzögerungen und daraus, daß man die Geschwindigkeit kennt, mit der die elektromagnetischen Wellen durch die Atmosphäre laufen, können Pseudobereiche bzw. -entfernungen genau abgeleitet werden. Auf Pseudobereiche, die unter Verwendung des vorangegangenen Verfahrens berechnet werden, wird im Zusammenhang mit diesem Dokument als "tatsächliche" Pseudobereiche Bezug genommen.
Ein anderes Verfahren umfaßt Satellitenpositionsdaten, die in den elektromagnetischen Signalen codiert sind, die von den umlaufenden GPS-Satelliten übertragen werden. Almanach- bzw. Verzeichnisdaten, die sich auf die GPS- Satellitenpositionsdaten des NAVSTAR-GPS beziehen, sind öffentlich verfügbar. Eine Referenz dieser Verzeichnisdaten mit Bezug auf Daten, die in den elektromagnetischen Signalen codiert sind, gestattet eine genaue Ableitung von Pseudobereichen bzw. Pseudoentfernungen, wenn die Lage des Empfängers bekannt ist. Auf unter Verwendung des vorangegangenen Verfahrens berechnete Pseudobereiche wird im Zusammenhang mit diesem Dokument als "geschätzte" Pseudobereiche Bezug genommen.
Jedoch sei bemerkt, daß mit Bezug auf das vorangegangene Verfahren zum Ableiten von geschätzten Pseudobereichen die Satellitenpositionsdaten mit dem GPS-Satelliten nur einmal in der Stunde zur vollen Stunde aktualisiert werden. Folglich nimmt ein geschätzter Pseudobereich an Genauigkeit über die Zeit ab, und zwar nach jeder Stunde bis zur nächsten vollen Stunde, wo ein neuer geschätzter Pseudobereich berechnet wird, und zwar unter Verwendung der aktualisierten Satellitenpositionsdaten.
Es sei wieder Bezug auf die Fig. 1A der Zeichnungen genommen, wo die Konfiguration des voll betriebsfähigen NAVSTAR-GPS schematisch veranschaulicht ist. Jeder der 24 GPS-Satelliten 132-170 überträgt elektromagnetische Signale, die verwendet werden können, um die absolute terrestrische Position des Fahrzeugs 102 zu bestimmen (d. h. Länge, Breite und Höhe mit Bezug auf den Mittelpunkt der Erde 172).
Insbesondere kann durch das Bekanntsein der relativen Position von zumindest drei der umlaufenden GPS-Satelliten 132-170 die absolute terrestrische Position des Fahrzeugs 102 berechnet werden, und zwar über eine einfache geometrische Theorie, die Triangulationsverfahren umfaßt. Die Genauigkeit der terrestrischen Positionsschätzung hängt teilweise von der Anzahl der umlaufenden GPS-Satelliten 132-170 ab, die vom Fahrzeug 102 gesampelt bzw. empfangen werden. Das Sampeln bzw. Empfangen von mehr GPS- Satelliten 132-170 in der Berechnung vergrößert die Genauigkeit der terrestrischen Positionsschätzung. Herkömmlicherweise werden vier GPS-Satelliten anstelle von dreien gesampelt bzw. empfangen bzw. aufgenommen, um jede terrestrische Positionsschätzung zu bestimmen, und zwar wegen Fehlern, die durch Schaltungs-Clock- bzw. Schaltungs-Takt-Differenzen zwischen der Schaltung des Fahrzeugs 102 und der verschiedenen GPS-Satelliten 132-170 beigetragen werden.
Beim NAVSTAR-GPS werden elektromagnetische Signale kontinuierlich von allen GPS-Satelliten 132-170 übertragen, und zwar auf einer einzelnen Carrier- bzw. Trägerfrequenz. Jedoch besitzt jeder der GPS-Satelliten 132-170 ein unterschiedliches Modulationsschema, wodurch eine Differenzierung bzw. Unterscheidung der elektromagnetischen Signale gestattet wird. Beim NAVSTAR-GPS wird die Trägerfrequenz unter Verwendung eines Pseudo-Zufalls- Binärcodesignals moduliert (Datenbitstrom), welches für jeden GPS-Satellit einzigartig ist. Das Pseudo-Zufalls- Binärcodesignal wird verwendet, um zweiphasig die Trägerfrequenz zu modulieren bzw. eine Zweiphasenmodulation auszuführen. Folglich können die umlaufenden GPS- Satelliten im NAVSTAR-GPS identifiziert werden, wenn die Trägerfrequenzen demoduliert werden.
Darüberhinaus sieht das NAVSTAR-GPS zwei Modulationsmodi bzw. -betriebszustände der Trägerwelle vor, und zwar unter Verwendung eines Pseudo-Zufalls-Zahlsignals (PRN = pseudorandom number). In einem Modus bzw. Betriebszustand, auf den als "coarse/acquisition"- (C/A-) bzw. "Grob/Aufnahme"-Modus Bezug genommen wird, ist das PRN- Signal eine Gold-Codesequenz mit einer Chiprate von 1,023 MHz. Die Gold-Codesequenz ist eine wohlbekannte herkömmliche Pseudo-Zufallssequenz in der Technik. Ein Chip ist ein individueller bzw. einzelner Impuls des Pseudo- Zufallcodes. Die Chiprate einer Pseudo-Zufallcodesequenz ist die Rate bzw. Geschwindigkeit, mit der die Chips in der Sequenz erzeugt werden. Folglich ist die Chiprate gleich der Codewiderholungsrate geteilt durch die Anzahl der Glieder im Code. Dementsprechend gibt es mit Bezug auf den coarse/acquisition bzw. Grob/Aufnahme-Modus des NAVSTAR-GPS 1023 Chips in jeder Gold-Codesequenz und die Sequenz wird einmal jede Millisekunde wiederholt. Die Verwendung der 1,023 MHz-Gold-Codesequenz von vier umlaufenden GPS-Satelliten ermöglicht, daß die terrestrische Position des Fahrzeugs 102 mit einer angenäherten Genauigkeit von innerhalb 60 bis 300 Metern bestimmt werden kann.
Der zweite Modulationsmodus bzw. -betriebszustand beim NAVSTAR-GPS wird im allgemeinen als der "präzise" oder "geschützte" bzw. "protected" (P-)Modus genannt. Im P- Modus besitzt der Pseudo-Zufallscode eine Chiprate von 10,23 MHz. Darüberhinaus sind die P-Modussequenzen extrem lang, so daß die Sequenzen sich nicht öfter als einmal alle 267 Tage wiederholen. Als eine Folge kann die terrestrische Position des Fahrzeugs 102 innerhalb einer angenäherten Genauigkeit von 16 bis 30 Metern bestimmt werden.
Jedoch sind die P-Modussequenzen klassifiziert und werden nicht von der Regierung der Vereinigten Staaten öffentlich verfügbar gemacht. In anderen Worten ist der P-Modus nur zur Verwendung von Erdempfängern vorgesehen, die von der Regierung der Vereinigten Staaten autorisiert sind.
Fig. 2 veranschaulicht Navigationsgleichungen 212, die vier GPS-Satelliten 200-206 des NAVSTAR-GPS in Betracht ziehen. Die vier GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 besitzen jeweilige Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 und weisen die laufende bzw. Ist-Konstellation der GPS- Satelliten 132-170 auf, die vom Fahrzeug 102 erkannt wird.
Die Navigationsgleichungen 212 weisen die Clock- bzw. Taktableitung (Clock-Bias) Cb zwischen den GPS-Satelliten 200-206 und dem Fahrzeug 102 auf. Die Navigationsgleichungen 212 werden verwendet, um die Länge und Breite des Fahrzeugs 102 unter Verwendung der Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 zu berechnen.
Wie im Beschreibungsblock 208 gezeigt, überträgt jeder der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 GPS-Daten, die Zeitsteuerungsdaten (GPS-Zeit) und Ephemeriden- bzw. Himmelsstellungsdaten aufweisen. Unter Verwendung der Navigationsgleichungen 212, die in der herkömmlichen Technik wohlbekannt sind, und der vorangegangenen Zeitsteuerdaten können die Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 bestimmt werden (tatsächliche Pseudobereiche genannt), und zwar durch das GPS-Verarbeitungssystem 700. Darüberhinaus können die vorangegangenen Ephemeriden- bzw. Himmelsstellungsdaten und Almanach- bzw. Verzeichnisdaten auf der Erde 172 die Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 geschätzt werden (geschätzte Pseudobereiche genannt), und zwar durch das GPS- Verarbeitungssystem.
Mit Bezug auf Fig. 6 ist eine repräsentative GPS- Konstellation im Betrieb gezeigt. Vier GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 übertragen GPS-Daten. Sowohl das Fahrzeug 102 als auch die Basisstation 188 empfangen diese Signale von jedem der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 auf ihren jeweiligen GPS-Antennen 312 und 316. Sowohl der C/A-Code als auch die Trägerfrequenz werden an den GPS-Antennen 312 und 316 zur Verarbeitung empfangen.
Zusätzlich zu den in der Fig. 6 gezeigten vier GPS- Satelliten gibt es den Pseudoliten 105. Der (die) Pseudolit(en) 105 kann (können) strategisch um den Umkreis bzw. Umfang von irgendeiner Minengrube angeordnet werden, und können die GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206, wie in Fig. 6 gzeigt, emulieren bzw. nachbilden. Diese Anordnung kann außerordentlich nützlich in Situationen, wie beispielsweise einer Minengrube, einem Hohlraum oder ähnlichem sein, bei denen Minen- bzw. Bergbaufahrzeuge aus dem Blickfeld von einem oder mehreren der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 sind, und zwar wegen topographischen Merkmalen, wie beispielsweise hohe Minengrubenwände. Der (die) bodenbasiert(e) Pseudolit(en) 105 sieht (sehen) zusätzliche Bereichssignale vor und können somit die Verfügbarkeit und Genauigkeit der Positionsfähigkeit bzw. Positionsbestimmungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung verbessern.
Der (die) Pseudolit(en) 105 ist (sind) mit den GPS- Satelliten 200, 202, 204 und 206 synchronisiert und besitzt (besitzen) eine Signalstruktur, die, obwohl sie unterschiedlich ist, mit den GPS-Satelliten 200, 202, 204, und 206 kompatibel ist. Darüberhinaus wird der Abstand (Bereich) zwischen dem Fahrzeug 102 und dem (den) Pseudolit(en) 105 berechnet, und zwar ähnlich wie der Abstand zwischen dem Fahrzeug 102 und einem der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206. Mit Pseudolit(en) 105 weist der Bereichsfehler keine ionosphärischen Fehler oder Fehler aufgrund selektiver Verfügbarkeit auf. Jedoch müssen andere Fehler für einen solchen in Betracht gezogen werden, wie beispielsweise troposphärische, Pseudolit-Takt-Fehler und Multipath- bzw. Mehrfachpfadfehler.
Beim Minenbetrieb in einer tiefen Grubenoberfläche kann das Blickfeld bzw. die Sicht des Himmels vom Fahrzeug 102 in der Mine durch die Minenwände begrenzt sein. Folglich kann eine adequate Anzahl von GPS-Satelliten nicht innerhalb des GPS-Verarbeitungssystems 700 sein, um ordnungsgemäß eine erste Positionsschätzung abzuleiten. In einem solchen Fall kann einer oder mehrere Pseudoliten 105 als Sekundärquellen dienen. Der (die) Pseudolit(e) können am Rand der Mine oder irgendwo sonst angeordnet werden. Der (die) Pseudolit(e) 105 kann (können) vom Fahrzeug 102 in Verbindung mit irgendwelchen sichtbaren GPS-Satelliten verwendet werden, um genaue erste Positionsschätzungen zu erhalten.
Es ist auch vorgesehen, daß andere Formen von Sekundärquellen implementiert bzw. eingerichtet werden, um den GPS-Satelliten zu helfen, oder um vollständig die Notwendigkeit GPS-Daten von den GPS-Satelliten zu empfangen, zu eliminieren. Darüberhinaus kann eine Laser-Abtast- bzw. Laser-Scanning-Technik verwendet werden, um lokalisierte bzw. örtliche Bereichsdaten an das Fahrzeug 102 von einer zweiten Referenzquelle zu geben.
Der Kommunikationskanal 618 stellt die Kommunikationsverbindung zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102 dar. Der Kommunikationskanal 618 weist eine elektromagnetische Verbindung auf, die von Daten-Radios bzw. - sendern 620 und 622 aufgestellt wird, die Überträger bzw. Transceiver sind. Der Kommunikationskanal 618 wird verwendet, um Daten zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102 zu übertragen. Es ist vorgesehen, daß andere Formen von Kommunikationsmedien verwendet werden können.
Beispielsweise kann eine Laser-Abtasttechnik verwendet werden, um Informationen von der Basisstation 188 zum Fahrzeug 102 zu liefern.
Die Daten-Radios bzw. -sender 620 und 622 sind in der Basisstation 188 bzw. im Fahrzeug 102 gelegen. Die Radios 620 und 622 sind für den Datenaustausch zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102 verantwortlich. Die ausgetauschte Datenart wird unten weiter besprochen werden.
Ein Radiotransceiver bzw. Radioüberträger, der als die Datenradios 620 und 622 geeignet ist, ist im Handel von Dataradio Ltd., Montreal, Kanada, unter der Modellnummer DR-4800BZ erhältlich.
Mit Bezug auf Fig. 7 ist ein GPS-Verarbeitungssystem 700 gezeigt. Das GPS-Verarbeitungssystem 700 des Fahrzeugs 102 weist eine GPS-Antenne 702 auf. Die GPS-Antenne 702 nimmt das Radiospektrum von elektromagnetischer Strahlung auf. Jedoch zieht das beispielhafte System auch den Empfang von irgendeinem Signal in Erwägung, durch welches GPS-Satelliten 132-170 Daten codieren könnten. Die GPS- Antenne 702 ist die im Handel erhältliche Antenne mit der Modell-Nummer CA3224 von Chu Associates Inc., Littleton, Massachusetts.
Die GPS-Antenne 702 ist mit einem Vorverstärker 704 gekoppelt, so daß die Signale, die an der GPS-Antenne 702 empfangen werden, zum Vorverstärker 704 übertragen werden können. Der Ausdruck "Koppeln" bzw. "Kupplung" im Zusammenhang mit diesem Dokument bedeutet irgendein System und Verfahren zum Einrichten einer Kommunikation. Das Koppeln von Systemen und Verfahren kann beispielsweise elektronische, optische und/oder Geräusch- bzw. Tontechniken aufweisen, genauso wie andere hier nicht ausdrücklich beschriebene. Die Kupplung ist im allgemeinen elektronisch und entspricht irgendeinem von zahlreichen elektronischen Industriestandard-Interfaces bzw. -Schnittstellen.
Der Vorverstärker 704 verstärkt und konvertiert die GPS- Daten herunter, die von der GPS-Antenne 702 empfangen werden, so daß die GPS-Daten verarbeitet oder decodiert werden können. Das beispielhafte System zieht irgendein Verfahren in Erwägung, durch welches die empfangenen Signale verstärkt werden können. Der Vorverstärker 704 ist der im Handel erhältliche Vorverstärker mit der Modell- Nummer 5300, Serie GPS RF/IF von Stanford Telecommunications Inc. (STel), Santa Clara, Kalifornien. Der Vorverstärker 704 ist mit einem GPS-Empfänger 706 gekoppelt. Der GPS-Empfänger 706 verarbeitet die GPS-Daten, die von den GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 im Blickfeld der GPS-Antenne 702 gesendet worden sind. Der GPS-Empfänger 706 berechnet die tatsächlichen Pseudobereiche für jeden der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206. Tatsächliche Pseudobereiche werden in diesem Dokument als eine Schätzung der Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 definiert, was von der Zeitverzögerung zwischen der Übertragung der elektromagnetischen Signale von dem GPS-Satelliten und dem Empfang der elektromagnetischen Signale durch das GPS- Verarbeitungssystem 700 abgeleitet wird. Darüberhinaus kann der GPS-Empfänger 706 parallel alle der tatsächlichen Pseudobereiche für die GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 verarbeiten.
Der GPS-Empfänger 706 erzeugt diese Daten, wenn vier oder mehr GPS-Satelliten sichtbar sind. Unter Verwendung der in dieser Schrift beschriebenen Differentialkorrekturtechniken kann das GPS-Verarbeitungssystem 700 (im GPS- Prozessor 710) die erste Positionsschätzung berechnen, und zwar mit einer Genauigkeit von ungefähr 25 Metern, wenn eine optimale Konstellation von vier GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 im Blickfeld ist. Wenn eine optimale Konstellation von fünf GPS-Satelliten (nicht gezeigt) im Sichtfeld ist, kann das GPS-Verarbeitungssystem 700 die erste Positionsschätzung mit einer Genauigkeit von ungefähr 15 Metern berechnen. Eine "optimale" Konstellation ist eine, wobei die Relativpositionen der GPS- Satelliten im Raum eine höhere bzw. bessere Triangulationsfähigkeit erfordern, wobei die Triangulationstechnologie in der Technik wohlbekannt ist.
Der GPS-Empfänger 706 gibt tatsächliche Pseudobereiche aus und die Anzahl der GPS-Satelliten 132-170, die augenblicklich gesampelt bzw. aufgenommen oder empfangen werden. In Fällen, in denen die Anzahl der gesehenen bzw. empfangenen GPS-Satelliten 132-170 für eine Serie von ersten Positionsschätzungen geringer als vier ist, verwendet die VPS-Gewichtungskombinationsvorrichtung 1204 im bevorzugten Ausführungsbeispiel nicht die ersten Positionsschätzungen, die vom GPS-Verarbeitungssystem 700 empfangen werden (insbesondere vom GPS-Prozessor 710), bei der Berechnung der dritten Positionsschätzung.
Der GPS-Empfänger 706 weist einen Empfänger mit der Modell-Nummer 5305-NSI auf, der im Handel von Stanford Telecommunications Inc. erhältlich ist. Jedoch kann irgendein Empfänger verwendet werden, der fähig ist, tatsächliche Pseudobereiche und die Anzahl der gesampelten bzw. empfangenen GPS-Satelliten zu liefern.
Der GPS-Empfänger ist 706 mit einem GPS-Kommunikationsprozessor 708 gekoppelt. Der Kommunikations- bzw. Interkommunikationsprozessor 708 ist der kommerziell erhältliche 68000 Mikroprozessor von Motorola Inc., Schaumburg, Illinois, USA. Irgendein Prozessor alleine oder in Kombination mit dem GPS-Empfänger 706 zum Durchführen desselben Zweckes, wie unten bschrieben, kann verwendet werden.
Der GPS-Kommunikationsprozessor 708 ist weiter mit einem GPS-Prozessor 710 und einer GPS-Konsole 1 712 verbunden. Der GPS-Kommunikationsprozessor 708 koordiniert den Datenaustausch zwischen diesen drei Vorrichtungen. Insbesondere empfängt der GPS-Kommunikationsprozessor 708 Pseudobereich-Daten vom GPS-Empfänger 706, der sie zum GPS-Prozessor 710 weitergibt. Die Pseudobereichsdaten weisen beispielsweise die tatsächlichen Pseudobereiche auf, die vom GPS-Empfänger 706 berechnet wurden, die Zahl der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206, die laufend bzw. gegenwärtig vom GPS-Empfänger 706 gesehen werden und andere GPS-Daten, die vom GPS-Prozessor 710 benötigt werden, um die geschätzten Pseudobereiche für jeden der GPS- Satelliten 200, 202, 204 und 206 zu berechnen. Der GPS- Interkommunikations- bzw. GPS-Kommunikationsprozessor 708 überträgt auch Statusinformationen, die den GPS-Empfänger 706 und den GPS-Prozessor 710 betreffen, auf die GPS- Konsole 1 712.
Der GPS-Kommunikationsprozessor 708 überträgt die obige Information zum GPS-Prozessor 710. Der GPS-Prozessor 710 weist den 68020 Mikroprozessor auf, der im Handel von Motorola Inc. erhältlich ist. Fig. 8 ist ein Low-Level- Flußdiagramm 800, welches die Funktion der Software im GPS-Prozessor 710 veranschaulicht.
Der GPS-Prozessor 710 verwendet eine Anzahl von Algorithmen und Verfahren, um die Daten zu verarbeiten, die er empfängt, einschließlich beispielsweise eines GPS-Kalman- Filters 802, der in Fig. 8 gezeigt ist. Der Kalman- Filter 802 ist in der herkömmlichen Technik wohlbekannt.
Der GPS-Kalman-Filter 802 ist ein Modul in der Software des GPS-Prozessors 710.
Teilweise ist es die Funktion des Kalman-Filters 802, Rauschen heraus zu filtern, das mit den Pseudobereichsdaten assoziiert ist.
Der GPS-Prozessor 710 berechnet dann die geschätzten Pseudobereiche, die erste Positionsschätzung und die Fahrzeuggeschwindigkeit (von der Doppler-Verschiebung), und zwar unter Verwendung des obigen laufenden bzw. Ist- Zustandes und von irgendwelchen Ableitungen einschließlich der Clock-Ableitungen und der räumlichen Ableitungen. Jedoch legt der GPS-Prozessor 710 die berechneten Geschwindigkeitsdaten ab, wenn der C/A-Code anstelle der Trägerfrequenz durch den GPS-Empfänger 706 verwendet wird, um die Fahrzeuggeschwindigkeit abzuleiten. Der Grund zum Ablegen der Fahrzeuggeschwindigkeit ist, daß experimentelle Ergebnisse gezeigt haben, daß sie nicht adäquat genau ist, wenn sie vom C/A-Code abgeleitet wird.
Fahrzeuggeschwindigkeiten, die von der Trägerfrequenz abgeleitet werden (Doppler-Verschiebung) sind viel genauer als die Geschwindigkeiten, die vom C/A-Code abgeleitet werden. Die erste geschätzte Position (und die Fahrzeuggeschwindigkeit, wenn sie von der Trägerfrequenz abgeleitet wird) werden im GPS-Signal 716 codiert und werden an den VPS-Hauptprozessor 1002 gesandt, der in Fig. 10 gezeigt ist.
Wie zuvor besprochen, analysiert der GPS-Prozessor 710 sowohl die Trägerfrequenz als auch den C/A-Code. Anders als Daten, die vom C/A-Code demoduliert werden, können Daten von der Trägerfrequenz durch den GPS-Empfänger 706 bei ungefähr 50 Hz wiederaufgefunden bzw. aufgenommen werden (nicht ungefähr 2 Hz, wie es der Fall für die Demodulierung eines C/A-Codes ist). Diese vergrößerte Geschwindigkeit gestattet es der vorliegenden Erfindung, genauere Positions- und Geschwindigkeitsbestimmungen mit einem geringeren Fehler zu erzeugen.
Fig. 8 veranschaulicht andere Funktionen des GPS- Prozessors 710. Jedoch zieht die vorliegende Erfindung irgendein Verfahren in Erwägung, durch welches GPS-Daten verarbeitet werden können, um Pseudobereiche zu bestimmen. Wie in einem Flußdiagrammblock 816 gezeigt, steuert eine Konsolenfunktion den Betrieb der GPS-Konsole 2. Die Konsolenfunktion reguliert den Betrieb des GPS-Kalman- Filters 802 durch das Vorsehen eines Bedienerinterfaces bzw. einer Bedienerschnittstelle in den Filter.
Die VPS-Kommunikationsfunktion 818 steuert die Ausgänge bzw. Ausgangsgrößen des GPS-Kalman-Filters 802, die an das VPS 1000 geleitet werden. Im Flußdiagrammblock 806 ist gezeigt, daß der GPS-Kalman-Filter 802 Daten vom GPS- Empfänger 706 anfordert und decodiert, wobei diese Daten durch eine IPROTO-Funktion 804 geleitet werden, wie bei einem Flußdiagrammblock 806 gezeigt.
Wie gezeigt, residiert bzw. liegt die IPROTO-Funktion 804 im GPS-Kommunikationsprozessor 708 und führt Aufgaben aus, die mit dem GPS-Kommunikationsprozessor 708 assoziiert sind. Die IPROTO-Funktion 804 ist das Modell Nr. XVME-081, welches im Handel von Xycom Inc. erhältlich ist.
Die GPS-Konsole 712 ist in der Technik wohlbekannt. Viele Bauarten von Vorrichtungen sind im Handel erhältlich, die die gewünschte Funktion vorsehen. Eine solche Vorrichtung ist im Handel erhältlich von Digital Equipment Corporation, Maynard, Massachusetts, unter der Modellnr. VT220. Die GPS-Konsole 712 bildet Prozessoraktivitätsdaten ab, die den GPS-Kommunikationsprozessor 708 und den GPS- Prozessor 710 betreffen.
Der GPS-Prozessor 710 ist mit einer GPS-Konsole 722 und einem GPS-Kommunikationsinterface- bzw. GPS-Kommunikations-Schnittstellenprozessor 720 gekoppelt. Die GPS- Konsole 722 ist in der Technik wohlbekannt. Viele Bauarten von Vorrichtungen sind im Handel erhältlich, die die gewünschte Konsolenfunktion vorsehen. Eine solche Vorrichtung ist im Handel erhältlich von Digital Equipment Corporation, Maynard, Massachusetts, unter der Modellnr. VT220. Die GPS-Konsole 722 sieht das Bedienerinterface- bzw. die Bedienerschnittstelle vor, von der der GPS- Prozessor 710 aktiviert und überwacht werden kann.
Der GPS-Kommunikations-Schnittstellenprozessor 720 ist im wesentlichen ein I/O- bzw. Eingabe/Ausgabe-Board. Es ist mit einem Datenradio 714 und einer GPS-Datensammelvorrichtung 718 gekoppelt. Der GPS-Kommunikations-Schnittstellenprozessor 720 koordiniert den Datenaustausch zwischen dem GPS-Prozessor 710 und sowohl dem Datenradio 714 als auch der GPS-Datensammelvorrichtung 718. Der Kommunikations-Schnittstellenprozessor 720 im beispielhaften System ist das Modell Nr. MVME331, welches von Motorola Inc. USA, im Handel erhältlich ist.
Das Datenradio 714 richtet eine Kommunikationsverbindung zwischen dem GPS-Prozessor 710 beim Fahrzeug 102 (durch den GPS-Kommunikations-Schnittstellenprozessor 720) und einem ähnlichen Datenradio 714 ein, welches bei der Basisstation 188 gelegen ist (siehe Fig. 6). Das Datenradio 714 kommuniziert synchron bei 9600 Baud unter Verwendung von RF-Frequenzen (Radiofrequenz bzw. Hoch- Frequenz). Das Datenradio 714 an der Basisstation 188 liefert periodische Aktualisierungen des Ausmaßes an räumlicher Ableitung und Takt-Ableitung für jeden Satelliten an das Datenradio 714 beim Fahrzeug 102, und zwar mit einer Rate von 2 Hz (zweimal pro Sekunde). Räumliche und Clock-Ableitungen, die von der Basisstation 188 berechnet werden, werden unten weiter besprochen werden.
Die GPS-Datensammelvorrichtung 718 kann irgendeine von zahlreichen herkömmlichen elektronischen Verarbeitungs- und Speichervorrichtungen sein, wie beispielsweise ein Desktop-Computer. Irgendein Personal Computer (PC), der von der International Business Machines Corporation (IBM), Boca Raton, Florida, USA, hergestellt wird, kann implementiert bzw. verwendet werden.
Das MPS bzw. Bewegungspositionsbestimmungssystem 900 (MPS = motion positioning system) ist in Fig. 9 veranschaulicht. Das MPS 900 leitet die zweite Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 ab. Gewöhnlicherweise wird diese zweite Positionsschätzung mit der ersten Positionsschätzung kombiniert und gefiltert, um dadurch eine genauere dritte Positionsschätzung abzuleiten. Jedoch ist es vorgesehen, daß in manchen Beispielen die zweite Positionsschätzung exclusiv bzw. außerordentlich als dritte Positionsschätzung verwendet werden kann, wenn die erste Positionsschätzung für vollkommen ungenau gehalten wird.
Für das MPS 900 sieht das beispielhafte System die Kombination des Wegmessers 902 und der IRU 904 vor. Jedoch könnte die IRU 904 ohne den Wegmesser 902 verwendet werden. Der Wegmesser und die IRU 904 sind an einen MPS- Kommunikationsprozessor 906 gekoppelt, um dadurch das MPS 900 aufzuweisen bzw. vorzusehen. IRUs und Wegmesser sind in der Technik wohlbekannt und sind im Handel erhältlich, und zwar von Honeywell Inc., Minneapolis, Minnesota, unter der Modell-Nr. HG1050-SRO1 bzw. von Caterpillar Inc., Peoria, Illinois, unter der Teil-Nr. 7T6337.
Die IRU 904 weist Ring-Laser-Gyroskope und Beschleunigungsmesser von bekannter Konstruktion auf. Die IRU 904 ist eine Replik bzw. ein Nachbau des Systems, das von den Boeing 767-Flugzeugen verwendet wird, um die Flugzeugposition zu bestimmen, außer daß die IRU 904 modifiziert worden ist, um den geringen Dynamiken bzw. dynamischen Effekten (beispielsweise Geschwindigkeit) Rechnung zu tragen, die das Fahrzeug 102 relativ zu denen eines 767- Flugzeugs zeigt.
Die IRU 904 kann die Fahrzeugposition bei 5 Hz, die Geschwindigkeit bei 10 Hz, die Längsneigung bei 50 Hz, die Höhe bei 50 Hz und die Neigungsdaten bei 50 Hz ausgeben. Darüberhinaus kann der Fahrzeugswegmesser 902 die vom Fahrzeug 102 gefahrene Distanz bei 20 Hz ausgeben.
Den Laser-Gyroskopen der IRU 904 muß, damit sie ordentlich funktionieren, zuerst eine Schätzung der Länge, Breite und Höhe des Fahrzeugs 102 gegeben werden. Unter Verwendung dieser Daten als eine Grundlinienpositionsschätzung verwenden die Gyroskope dann eine vorbestimmte Kalibrierung in Verbindung mit Kräften, die mit der Drehung der Erde 172 assoziiert sind, um eine Schätzung der laufenden bzw. Ist-Position des Fahrzeugs 102 zu bestimmen.
Diese Information wird dann durch die IRU 904 mit den Daten kombiniert, die von den Beschleunigungsmessern der IRU 904 aufgenommen wurden, um eine genauere zweite Positionsschätzung der Fahrzeug-Ist-Position zu erzeugen. Die zweite Positionsschätzung von der IRU 904 und den Daten vom Fahrzeugwegmeser 902 werden an den MPS-Kommunikationsprozessor 906 übertragen, wie durch die jeweiligen Pfeile 910 und 908 der Fig. 9 gezeigt. Der Pfeil 114 der Fig. 1 umfaßt die Pfeile 908 und 910.
Bei Experimenten ist bestimmt worden, daß die IRU 904 irrtümliche Schätzungen der zweiten Position des Fahrzeugs 102 liefern kann, und zwar aufgrund von unpräzise zusammengestellten Teilen. Insbesondere ist im beispielhaften System beobachtet worden, daß die direkte Ausgabe der IRU 904 entgegen des Uhrzeigersinns von der Nordrichtung während des Betriebes abgedriftet ist. Die Drift bzw. Abweichung hängt von der Richtung ab, in welcher das Fahrzeug 102 und folglich die IRU 904 fährt bzw. läuft.
Darüberhinaus kann die Abweichung bzw. Drift durch eine IRU-Abweichungsgleichung definiert werden. Die IRU- Abweichungsgleichung kann ähnlich der Konstruktion der Pfadgleichungen abgeleitet werden, die mit Bezug auf die Technik mit gewichteter Pfadhistorie bzw. Pfadverlauf beschrieben sind oder ähnlich der Konstruktion der parabolischen Gleichungen, die mit Bezug auf die parabolische Ableitungstechnik beschrieben sind. Nachdem sie abgeleitet worden ist, kann die IRU-Drift- bzw. IRU-Abweichungsgleichung verwendet werden, um genauere zweite Positionsschätzungen zu extrapolieren.
Der Kommunikationsprozessor 1002 weist den im Handel erhältlichen 68000 Mikroprozessor von Motorola Inc. auf. Der Kommunikationsprozessor 1002 koordiniert den Datenaustausch zwischen dem MPS 900 und dem VPS 1000. Irgendein Prozessor mit einer ähnlichen Funktion bzw. Funktionsweise, wie hier beschrieben, kann verwendet werden.
Mit Bezug auf Fig. 10 ist die Architektur des VPS 1000 (VPS = vehicle positioning system = Fahrzeugpositionsbestimmungssystem) abgebildet. Fig. 11 zeigt detailliert ein Diagramm des VPS 1000, das mit dem GPS-Verarbeitungssystem 700 und dem MPS 900 verbunden ist.
Das GPS-Verarbeitungssystem 700 und das MPS 900 sind unabhängig mit dem VPS-Hauptprozessor 1002 gekoppelt. Die unabhängige Kupplung ist ein wichtiges neuartiges Merkmal der vorliegenden Erfindung. Da sie unabhängig sind, wird das Versagen eines der Systeme nicht bewirken, daß das andere außer Betrieb gerät. Wenn somit das GPS-Verarbeitungssystem 700 nicht im Betrieb ist, können immer noch Daten vom MPS 900 gesammelt und verarbeitet werden und folglich auch vom VPS 1000. Das GPS-Verarbeitungssystem 700 und das MPS 900 übertragen Signale 716, 908, 910 an den VPS-Hauptprozessor 1002, wie gezeigt. Diese Signale enthalten Positions-, Geschwindigkeits-, Zeit-, Höhen-, Längsneigungs- bzw. Roll-, Neigungs- bzw. Gierungs- und Distanzdaten (siehe Fig. 7 und 9 und die assoziierten Besprechungen).
Der VPS-Hauptprozessor 1002 ist mit dem VPS I/O-Prozessor 1004 gekoppelt. Der VPS-Hauptprozessor 1002 überträgt ein Signal 1008 an einen VPS I/O-Prozessor 1004, wie gezeigt. Das Signal 1008 weist die dritte Positionsschätzung auf. Die dritte Positionsschätzung wird von den GPS-, IRU- und Wegmesserdaten abgeleitet, wie oben bemerkt und insbesondere den ersten und zweiten Positionsschätzungen des Fahrzeugs 102.
Das beispielhafte System zieht irgendein System und irgendein Verfahren in Betracht, durch welches die Signale, die durch die Pfeile 716, 908 und 910 angezeigt sind, vom VPS-Hauptprozessor 1002 des GPS-Verarbeitungssystems 700 und vom MPS-System 900 empfangen werden können und an den VPS-Hauptprozessor 1002 geliefert werden können. Der VPS- Hauptprozessor 1002 ist der 68020 Mikroprozessor, der von Motorola Inc., USA, im Handel erhältlich ist.
Der VPS I/O-Prozessor 1004 ist mit einem VPS-Kommunikationsschnittstellenprozessor 1020 gekoppelt. Der Kommunikationsschnittstellenprozessor 1020 ist der MVME331- Prozessor, der von Motorola, Inc., USA, im Handel erhältlich ist. Irgendein Prozessor, der denselben Zweck wie unten beschrieben durchführt, kann verwendet werden.
Der VPS-Kommunikations-Schnittstellenprozessor 1020 ist mit drei unterschiedlichen Vorrichtungen gekoppelt: (1) einer VPS-Konsole 1012, (2) einer Datensammelvorrichtung 1014 und (3) dem Navigationssystem 1022. Der VPS- Kommunikations-Schnittstellenprozessor 1020 leitet die Daten, einschließlich der dritten Positionsschätzung, die in der Ausgabe bzw. Ausgangsgröße 1016 enthalten sind an die obigen drei Vorrichtungen mit einer Rate von 20 Hz.
Die VPS-Konsole 1012 ist in der Technik wohlbekannt und ist von Digital Equipment Corporation, Minneapolis, Minnesota, unter der Modellnr. VT220 erhältlich. Diese VPS- Konsole 1012 wird verwendet, um den Ist-Zustand des VPS I/O-Prozessors 1004 abzubilden.
Die VPS-Datensammelvorrichtung 1014 kann irgendeine von zahlreichen im Handel erhältlichen elektronischen Verarbeitungs- und Speichervorrichtungen sein, beispielsweise ein Desktop PC. Irgendein MacIntosh PC von Apple Computer, Cupertino, Kalifornien, erhältlich, kann erfolgreich verwendet werden, um diesen Zweck zu erreichen.
Das Navigationssystem 1022 weist die mit der Navigation des Fahrzeugs 102 assoziierten Merkmale auf. Das VPS 1000 überträgt die dritte Positionsschätzung an das Navigationssystem 1022, so daß das Navigationssystem 1022 genau und sicher das autonome bzw. automatische Fahrzeug 102 leiten kann.
Mit Bezug auf Fig. 7 weist das Host-Verarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 das GPS-Verarbeitungssystem 700 der Fig. 7 auf. Die Zwecke bzw. Aufgaben des Host- Verarbeitungssystems 186 an der Basisstation 188 sind folgende: (1) Überwachen des Betriebs des Fahrzeugs 102, (2) Vorsehen eines bekannten terrestrischen Referenzpunktes, von dem räumliche Ableitungen erzeugt werden können, und (3) Vorsehen bzw. Liefern irgendeiner anderen Information an das Fahrzeug 102, falls nötig, und zwar über den Hochgeschwindigkeitsdatenkommunikationskanal 618.
Die Basisstation 188 wird nahe des Fahrzeugs 102 gelegen sein, vorzugsweise innerhalb von 20 Meilen. Die enge geographische Beziehung wird eine effektive bzw. wirksame Radiokommunikation bzw. Funkverbindung zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102 über den Kommunikationskanal 618 vorsehen. Sie wird auch einen genauen Referenzpunkt vorsehen zum Vergleichen der Satellitenübertragungen, die vom Fahrzeug 102 empfangen werden mit jenen, die von der Basisstation 188 empfangen werden.
Ein geographischer naher Referenzpunkt wird benötigt, um ordnungsgemäße bzw. genaue räumliche Ableitungen zu berechnen. Räumliche und Clock- bzw. Taktableitungen sind effektiv das Allgemeinmodus- bzw. Gesamtrauschen, das inhärent bzw. innewohnend in dem NAVSTAR-GPS und dem GPS- Verarbeitungssystem 700 existiert. Sobald sie in der Basisstation 188 berechnet worden sind, werden die räumlichen bzw. Raum- und Clockableitungen dann an das Fahrzeug 102 unter Verwendung des Datenradius 714 gesandt, wie in Fig. 7 gezeigt. Die räumlichen Ableitungen werden unter Verwendung verschiedener Verfahren berechnet, die unten weiter besprochen werden.
Das Host-Verarbeitungssystem 186 koordiniert an der Basisstation 188 weiter die autonomen bzw. eigenständigen Aktivitäten des Fahrzeugs 102 und bietet eine Schnittstelle für das VPS 1000 mit den menschlichen Überwachern.
Das beispielhafte System verbessert die Genauigkeit der Positionsschätzungen des Fahrzeugs 102 über eine Anzahl von Differentialkorrekturtechniken. Diese Differentialableitungstechniken werden verwendet, um die ersten, zweiten und dritten Positionsschätzungen zu verbessern.
Mehrere dieser Differentialkorrekturtechniken sind dazu ausgelegt, direkt Fehler (Rauschen oder Interferenzen) bei der Berechnung der Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 zu entfernen (sowohl tatsächliche als auch geschätzte Pseudobereiche). Die Entfernung dieser Fehler hat eine präzisere erste Positionsschätzung zur Folge, die vom GPS-Verarbeitungssystem 700 an das VPS 1000 ausgegeben wird, und schließlich hat sie eine präzisere dritte Positionsschätzung zur Folge, die vom VPS 1000 an das Navigationssystem 1022 ausgegeben wird.
Das Host-Verarbeitungssystem 186 ist an der Basisstation 188 für die Ausführung dieser Differential- bzw. Unterschiedstechniken verantwortlich und zum Liefern der Ergebnisse an das Fahrzeug 102. Es sei daran erinnert, daß das Host-Verarbeitungssystem 186 das GPS-Verarbeitungssystem 700 ebenso wie das Fahrzeug 102 aufweist. Der Ausdruck "Differential" wird verwendet, da die Basisstation 188 und das Fahrzeug 102 ein unabhängiges, jedoch im wesentlichen identisches GPS-Verarbeitungssystem 700 verwenden. Weiterhin, da die Basisstation 188 stationär ist und ihre Absolutposition bekannt ist, dient sie als ein Referenzpunkt, von dem elektronische Fehler (Rauschen oder Interferenz) und andere phänomen- bzw. abweichungserzeugende Fehler zu messen sind.
Das beispielhafte System weist ein Verfahren auf, durch welches die zukünftigen Positionen der GPS-Satelliten 132-170 mit Bezug auf eine bekannte absolute Position der Basisstation 188 und/oder des Fahrzeuges 102 vorhergesagt werden können. Die zukünftigen Positionen basieren auf abgeschätzten Pseudobereichen, die von dem GPS-Prozessor 710 im Host-Verarbeitungssystem 188 und/oder dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem 1000 berechnet wurden. Darüber hinaus können die Berechnungen an der Basisstation 188 und/oder im Fahrzeug 102 ausgeführt werden und falls nötig irgendwo hin übertragen werden.
Durch Vorhersage der zukünftigen Positionen der GPS- Satelliten 132-170 können optimale Satellitenkonstellationen für das Fahrzeug 102 ziemlich weit vorherbestimmt werden. Somit kann das beispielhafte System eine Vorhersage der Verfügbarkeit oder der Nicht-Verfügbarkeit von den Satelliten in systematischer Weise liefern. Es gestattet weiter eine zukünftige Planung bezügl. des Betriebs, der Servicearbeiten und der Instandhaltung des Fahrzeuges 102.
Bei der Betrachtung der Einrichtung eines autonomen Navigationssystems gibt es gewisse grundlegende Fragen, die irgendein autonomes System beantworten können muß, um erfolgreich vom Punkt A zum Punkt B zu navigieren. Die erste Frage ist "Wo sind wir (das Fahrzeug) jetzt?". Die erste Frage wird beantwortet durch das Positionsbestimmungssystem, wie oben im Abschnitt III besprochen.
Die nächste oder zweite Frage ist "Wohin fahren wir und wie kommen wir dort hin?". Diese zweite Frage fällt in den Bereich des Navigationssystemteils, der in diesem Abschnitt (VI) besprochen wird.
Eine weitere (dritte) Frage, eigentlich eine Verfeinerung der zweiten, ist "Wie bewegen wir tatsächlich physisch das Fahrzeug, beispielsweise welche Betätigungsvorrichtungen (Lenkung, Geschwindigkeit, Bremse usw.) sind beteiligt, um dorthin zu kommen?". Dies ist der Bereich des Fahrzeugsteueruntersystems des Navigationssystems, der auch unten besprochen wird.
Wie implizit oben besprochen wurde, kann die autonome Navigation von beispielsweise einem Bergbaufahrzeug gewisse signifikante Vorteile gegenüber der herkömmlichen Navigation bieten. Unter Ihnen ist eine gesteigerte Produktivität eines 24stündigen Betriebes des Fahrzeuges rund um die Uhr. Die Probleme, die von gefährlichen Arbeitsumgebungen oder von Arbeitsumgebungen, wo die Sicht schlecht ist, dargestellt werden, sind insbesondere gut zur Lösung durch ein autonomes System geeignet.
Es gibt beispielsweise einige Bergbau- bzw. Tagebaugelände, wo die Sicht so schlecht ist, daß eine Arbeit für 200 Tage des Jahres nicht möglich ist. Es gibt andere Gebiete, die für menschliches Leben gefährlich sind, da sie durch industrielle oder nukleare Verschmutzung verunreinigt sind. Ein Gebiet kann so abgelegen oder verwüstet sein, daß wenn es erforderlich wäre, daß Menschen dort arbeiten, dies starke Einschränkungen mit sich bringen würde oder unpraktisch sein würde. Die Anwendung könnte in vorhersehbarer Weise Betriebsvorgänge außerhalb der Erde mit einschließen, beispielsweise Bergbau auf dem Mond, vorausgesetzt, daß die notwendigen GPS-Satelliten in die Umlaufbahn des Mondes gebracht werden.
Bei einer typischen Anwendung, wie in Fig. 3 gezeigt, gibt es mit Bezug auf die Navigation eines Bergbaufahrzeuges auf einem Bergbaugelände drei grundlegende Arbeitsgebiete: die Beladungsstelle, das Liefersegment und die Abladestelle. An der Beladungsstelle kann ein Lieferfahrzeug mit Erz auf eine Vielzahl von Arten beladen werden, beispielsweise durch von Menschen bediente Schaufellader, die entweder direkt oder durch Fernsteuerung gesteuert werden, oder durch autonome Schaufellader. Das Lieferfahrzeug muß dann über ein Gebiet fahren, das Liefersegment genannt wird, welches nur ein paar hundert Meter sein kann oder mehrere Kilometer sein kann. Am Ende des Liefersegmentes liegt die Abladestelle, wo das Erz aus dem Lieferfahrzeug ausgeladen wird, um beispielsweise zerkleinert zu werden oder in anderer Weise bearbeitet zu werden. Bei dem beispielhaften System kann die autonome Positionsbestimmung und Navigation verwendet werden, um das Lieferfahrzeug entlang des Liefersegmentes zu steuern. Autonom navigierte Tankfahrzeuge und Instandhaltungsfahrzeuge werden auch in Betracht gezogen.
Mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 umfaßt die Navigation des autonomen Bergbaulastwagens (AMT = Autonomous Mining Truck) verschiedene Systeme, Vorrichtungen und/oder Funktionen. Das Untersystem des Fahrzeugpositionsbestimmungssystems 1000 des gesamten autonomen Bergbaulastwagensystems wie oben besprochen gibt Positionsdaten aus, die anzeigen, wo das Fahrzeug gelegen ist, die beispielsweise die Nord- bzw. Längen- und die Ost- bzw. Breitenposition aufweisen.
Mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 werden Positionsdaten, die vom Fahrzeugspositionsbestimmungssystem ausgegeben werden, von einem Navigator 406 aufgenommen. Der Navigator bestimmt, wo das Fahrzeug hinfahren möchte (aus den Routendaten) und wie es dort hin kommt, und gibt wiederum Daten aus, die aus Lenk- und Geschwindigkeitsbefehlen an einen Fahrzeugsteuerfunktionsblock 408 zusammengesetzt sind, um das Fahrzeug zu bewegen.
Der Fahrzeugsteuerblock gibt dann Befehle auf niedrigem Niveau an die verschiedenen Systeme des Fahrzeugs 102 aus, wie beispielsweise an die Regelungsvorrichtung (governor) die Bremsen und das Getriebe. Wenn das Fahrzeug sich zu seinem Bestimmungsort hin bewegt, blockieren die Fahrzeugsteuerungen, und das Fahrzeugpositionsbestimmungssystem empfängt Rückkoppelungsinformationen von dem Fahrzeug, die beispielsweise irgendwelche Fehlerzustände in den Fahrzeugsystemen, die gegenwärtige Geschwindigkeit usw. anzeigen.
Die Navigation muß auch eine Hindernisbehandlungsfähigkeit (Detektion und Vermeidung) aufweisen, um mit dem Unerwarteten fertig zu werden. Ein Abtastsystem bzw. Scannersystem 404 detektiert Hindernisse in der projizierten Laufbahn des Fahrzeuges, genauso wie Hindernisse, die sich von den Seiten nähern können, und informiert den Navigator darüber.
Es kann erforderlich sein, daß der Navigator dann entscheidet, ob eine Handlung erforderlich ist, um an dem Hindernis vorbeizufahren. Wenn eine Handlung erforderlich ist, entscheidet der Navigator, wie das Hindernis zu vermeiden ist. Und nach dem das Hindernis vermieden bzw. umfahren worden ist, entscheidet der Navigator, wie das Fahrzeug zurück auf einen Pfad zu seinem Bestimmungsort hin kommen soll.
Mit Bezug auf Fig. 16, die als Kontextdiagramm bezeichnet wird, und mit Bezug auf Fig. 18A-18D sind Definitionen der Kommunikationsvorgänge, die als Kreise mit Zahlen darin gezeigt sind, unten beschrieben:
502. Host-Befehle und Anfragen:
Befehle, die von dem Host an den Fahrzeugmanager gegeben werden. Diese Befehle könnten von verschiedener Art sein: Einleitung/Ende;
Versorgungsparameter;
Nothandlungen; und
Anweisungen
Die Anforderungen fragen nach dem Zustand von verschiedenen Teilen des Navigators.
504. Antworten an den Host:
Dieses sind Antworten auf die Fragen, die von dem Host gestellt wurden.
432. Positionsdaten:
Dies ist eine strömende bzw. nicht abreißende Information, die von dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem (VPS) geliefert wird.
416. Bereichsdaten:
Dies sind Bereichsdaten von dem Linienlaserscanner. 432. VPS-Steuerung:
Dies sind Befehle, die dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem gegeben wurden, um es einzuschalten bzw. hochzufahren, abzuschalten bzw. herunterzufahren und zwischen Betriebszuständen umzuschalten.
416. Scannersteuerung:
Dies sind Befehle, die an den Laserscanner gesandt werden, um eine Bewegung einzuleiten und das Folgegeschwindigkeitsprofil einzustellen.
420. Lenk- und Geschwindigkeitsbefehle:
Dies sind Befehle, die an das Fahrzeug ausgegeben werden, um die Lenkung und Geschwindigkeit zu steuern. Diese Befehle werden mit einer Rate von 2 bis 5 Hertz ausgegeben.
Mit Bezug auf Fig. 5 sind wie oben beschrieben sowohl das Fahrzeugpositionsbestimmungssystem als auch der Navigator auf dem Fahrzeug gelegen und kommunizieren mit der Basisstation 188 zur Aufnahme von GPS-Positionsinformationen auf hohem Niveau und Anweisungen von einem Host- Verarbeitungssystem 186, wie unten besprochen. Das System gewinnt GPS-Positionsinformationen von den GPS-Satelliten 200-206 an der Basisstation und an Bord des Fahrzeugs, so daß ein gemeinsamer Betriebszustandsfehler entfernt werden kann und die Genauigkeit verbessert werden kann. Alternativ können Teile des Fahrzeugpositionsbestimmungssystems und des Navigators an der Basisstation gelegen sein.
Der Host an der Basisstation kann den Navigator anweisen, beispielsweise von einem Punkt A zum Punkt B zu fahren, und kann eine von einem Satz von festen Routen zur Anwendung anweisen. Der Host behandelt auch andere typische Einteilungs- und Zeitplanungsaktivitäten, wie beispielsweise die Koordination von Fahrzeugen und Ausrüstungsgegenständen, um den Wirkungsgrad zu maximieren, Kollisionen zu vermeiden, Instandhaltungen einzuplanen, Fehlerzustände zu detektieren usw. Der Host hat auch eine Betriebsschnittstelle für einen menschlichen Manager.
Es ist herausgefunden worden, daß es wünschenswert ist, den Host an der Basisstation anzuordnen und den Navigator am Fahrzeug, um einen Engpass bei der Kommunikation zu vermeiden, und eine daraus resultierende Verschlechterung der Leistung und des Ansprechens. Da der Host Befehle auf relativ hohem Niveau und vereinfachte Daten an den Navigator sendet, erfordert er relativ wenig Kommunikationsbandbreite. In Situationen jedoch, wo eine Breitbandkommunikation verfügbar ist, kann dies kein Faktor sein.
Ein weiterer Faktor bei der Bestimmung der speziellen Lage von Elementen des Systems ist die Empfindlichkeit der autonomen Navigation für die Zeit. Das Navigationssystem muß kontinuierlich seine absolute und relative Lage überprüfen, um nicht akzeptable Ungenauigkeiten bei der Verfolgung einer Route zu vermeiden. Die erforderliche Frequenz der Überprüfung der Lage steigt mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, und die Kommunikationsgeschwindigkeit kann ein einschränkender Faktor auch bei einer relativ moderaten Fahrzeuggeschwindigkeit werden.
Bei Anwendungen jedoch, wo eine maximale Fahrzeuggeschwindigkeit nicht ein primärer Betrachtungspunkt ist, und/oder wo ein hoher Grad an Verfolgungsgenauigkeit der Straße nicht kritisch ist, kann dieser Kommunikationsfaktor unwichtig sein. Beispielsweise kann es bei einem relativ schnellen Überfahren von großen Ausdehnungen von offenem, flachen Land auf einem relativ geraden Pfad nicht nötig sein, die Position so oft auf der Reise zu überprüfen, wie es bei der Navigation während einer Reise entlang einer kurvigen Bergstraße nötig wäre.
Konzeptionell können die Navigationsaspekte der vorliegenden Erfindung willkürlich in die folgenden Hauptfunktionen aufgeteilt werden:
Routenplanung/Pfaderzeugung;
Pfadverfolgung; und
Hindernisbehandlung.
Die Navigation eines automatischen Fahrzeuges besteht konzeptionell aus zwei Unterproblemen, der Pfaderzeugung und der Pfadverfolgung, die getrennt gelöst werden.
Die Pfaderzeugung verwendet Zwischenziele von einer Planungsvorrichtung auf hohem Niveau, um einen detaillierten Pfad zu erzeugen, dem das Fahrzeug 102 folgen soll. Es gibt einen gewissen Abstrich zwischen der Vereinfachung der Darstellung von solchen Ebenen und der Leichtigkeit, mit der sie ausgeführt werden können. Beispielsweise ist es ein einfaches Schema, einen Pfad in gerade Linien und kreisförmige Kurven zu zerlegen. Jedoch können solche Pfade nicht präzise in einfacher Weise verfolgt werden, und zwar wegen Ungleichmäßigkeiten der Krümmung an Übergangspunkten von Segmenten, die plötzliche Beschleunigungen erfordern.
Folgend auf die Pfaderzeugung nimmt die Pfadverfolgung als Eingangsgröße den detaillierten erzeugten Pfad auf und steuert das Fahrzeug 102, so daß es dem Pfad so präzise wie möglich folgt. Es ist nicht genug, einfach einer zuvor aufgestellten Liste von Lenkungsbefehlen zu folgen, da wenn man dabei versagt, die erforderlichen Lenkbewegungen genau zu erreichen, dies Versetzungsfehler im stetigen Zustand (steady state) zur Folge hat. Die Fehler sammeln sich mit der Zeit an. Eine globale Positionsrückkoppelung 432 kann verwendet werden, um weniger als ideale Betätigungsvorrichtungen zu kompensieren. Es sind Verfahren entwickelt worden, die von den traditionellen Fahrzeugsteuerschemata abweichen, bei denen eine Zeithistorie der Position (eine Laufbahn bzw. Trajektorie) in dem Plan vorgesehen ist, der für das Fahrzeug 102 festgelegt wird.
Diese Verfahren werden in geeigneter Weise "Pfadverfolgung" bezeichnet, und zwar dahingehend, daß die Lenkbewegung von der Zeit entkoppelt ist d. h. Lenkbewegungen sind direkt in Bezug zur geometrischen Natur des festgelegten Pfades, was die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 102 zu einem unabhängigen Parameter macht.
Mit Bezug auf Fig. 3 kann ein autonomes Fahrzeug 102 erforderlich sein, um ein Liefersegment 320 zu einer Abladestelle 322 zu überqueren, und nachdem es seine Last abgeladen hat, über ein weiteres Liefersegment zu einer Werkstatt 324 zu fahren, und zwar unter der Anweisung des Host-Verarbeitungssystems 186. Das Host-Verarbeitungssystem 186 bestimmt die Bestimmungsorte des Fahrzeugs 102, was "Zyklusplanung" genannt wird. Die Bestimmung, welche Routen genommen werden sollten, um zu einem erwünschten Bestimmungsort zu kommen, müssen durch "Routenplanung" erreicht werden.
"Routenplanung" ist die Bestimmung, welche Pfadsegmente zu nehmen sind, um zu einem erwünschten Bestimmungsort zu kommen. Im allgemeinen kann eine Route als eine Abstraktion oder Darstellung eines Satzes von Punkten zwischen zwei definierten Lagen auf hohem Niveau angesehen werden. Wie man zu einem menschlichen Fahrer sagen kann "Nimm die Route 95 nach Süden von Lobster, Maine nach Miami, Florida", und der Fahrer die Anweisung in eine Abfolge von Operationen übersetzen werden wird (die das Starten des Fahrzeugs 102, das Lösen der Bremse, das Einlegen des Getriebes, die Beschleunigung auf die angewiesene Geschwindigkeitsbegrenzung, das Lenken des Lenkrades, das Umfahren von Hindernissen 4002 usw. miteinschließen können), arbeitet das autonome Navigationssystem der vorliegenden Erfindung in ähnlicher Weise. Eine "Route" ist eine Abfolge von aneinander liegenden "Segmenten" zwischen dem Beginn und dem Ende einer Reise.
Ein autonomes Fahrzeug 102 kann an irgendeiner Position in der Sequenz beginnen und über die Route in jeder Richtung fahren. Ein "Segment" ist der "Pfad" zwischen "Knoten". Ein "Knoten" ist eine "Ausrichtung" auf einem Pfad, die eine Entscheidung erfordert. Beispiele von Knoten sind Beladungsstellen 3318, Abladestellen 322 und Schnittstellen 326.
Es gibt verschiedene Arten von Segmenten. Beispielsweise gibt es lineare und kreisförmige Segmente. Die linearen Segmente (Linien) sind durch zwei Knoten definiert. Kreisförmige Segmente (Bögen) werden durch drei Knoten definiert.
"Lagen" (Postures) werden verwendet, um beispielsweise Teile einer Route, Pfade und Knoten zu modellieren. Lagen können aus einer Position, einer Richtung, einer Krümmung, einer maximalen Geschwindigkeit und anderen Informationen für einen gegebenen Punkt auf dem Pfad bestehen.
Ein "Pfad" ist eine Abfolge von aufeinander folgenden Lagen.
Ein Segment ist daher eine Abfolge von aneinanderfolgenden Lagen zwischen Knoten. Alle Segmente haben eine damit assoziierte Geschwindigkeit, die die maximale Geschwindigkeit festlegt, mit der das Fahrzeug 102 über dieses Segment fahren kann. Der Navigator 406 kann langsamere Geschwindigkeiten anweisen, um andere Anforderungen zu erfüllen, falls nötig.
Die Bestimmung, welche Lagen erforderlich sind, um ein Pfadsegment durch analytische Verfahren, experimentelle Verfahren oder eine Kombination von beiden zu definieren, wird "Pfadplanung" genannt. Um die Besprechung zu vollenden, wird eine Abfolge von aneinander liegenden Routen, wie oben erwähnt, als "Zyklus" bezeichnet, und die Arbeitsziele eines Fahrzeuges 102 bestimmen seinen "Zyklus".
Um daher eine Route zu definieren, muß man zuerst die Knoten und Segmente definieren. Als nächstes müssen die Knoten und Segmente angewiesen werden. Schließlich müssen die Routen definiert werden durch Festlegen, wo in dem angewiesenen Satz eine Route beginnen soll, und in welcher Richtung der angewiesene Satz zu überfahren ist (siehe Fig. 12, die diese Konzepte der vorliegenden Erfindung veranschaulicht).
Das zuvor erwähnte Verfahren zur Definition von Routen wurde für eine Speichereffizienz entwickelt. Es ist auch ein bequemer Weg zur Definition von vielen Routen auf einen speziellen Satz von Knoten und Segmenten.
Bei einem Beispiel aus der wirklichen Welt kann ein Bild eines Geländes vorgesehen werden, wo es viele sich schneidende Straßen 326 gibt. Ein Routenprogrammierer würde Knoten an den Schnittpunkten definieren und Segmente, um die Straßen zwischen den Schnittpunkten zu definieren. Die Routen würden daher durch Straßen und Schnittpunkte bestimmt werden. Es wird jedoch viele Wege geben, um vom Punkt A zum Punkt B (viele Routen) mit einem festen Satz von Schnittpunkten und Straßen zu kommen.
Das Pfadverfolgungsverfahren verwendet die Routenkrümmung zur Lenkung des Fahrzeugs. Die Verfahren der Routendefinition, die Linien und Bögen verwenden, liefern keine kontinuierliche Krümmung. Clothoid-Kurven sind ein weiterer Weg zur Definition von Routen.
Ein weiteres Verfahren zur Definition von Routen, die von den Erfindern entwickelt werden, paßt B-Splines in die Fahr- bzw. Wegdaten. B-Splines bieten eine kontinuierliche Krümmung und verbessern daher die Verfolgungsleistungen. Da zusätzlich B-Splines frei von Kurven sind, kann eine Route durch eine einfache B-Splinekurve definiert werden. Durch Verwendung von Freiformkurven wird ein robusteres Verfahren (halbautomatisch) zur Einpassung von Routen auf Daten verwendet, die durch das Fahren von dem Fahrzeug über die Routen gesammelt werden.
Mit Bezug auf Fig. 4 und 12 weist im Betrieb das Host- Verarbeitungssystem 186 von der Basisstation 188 ein identifiziertes Fahrzeug 102 an, die Route N von der gegenwärtigen Stelle zu nehmen. Der Navigator 406 wirkt dahingehend, daß er einen Pfad erzeugt, und zwar durch Umsetzen von "Route 1" in eine Reihe von Segmenten, die jeweils eine "angewiesene" oder assoziierte maximale Geschwindigkeitsbegrenzung haben, die zusammen einen erzeugten Pfad bilden, dem das Fahrzeug zu folgen versuchen soll. Durch Festlegen von Routen und Anweisen des autonomen Fahrzeugs 102 mit Befehlen auf hohem Niveau in dieser Weise werden enorme Anforderungen von Daten und Ineffizienzen beim Geben von Anweisungen vermieden.
Der Navigator 406 speichert die Routen als eine verbundene Liste von Pfadsegmenten anstelle des Satzes von Abfolgen von Sätzen der einzelnen Punkte. Diese Segmente sind auch Abstraktionen des Satzes von Punkten zwischen definierten Stellen oder Knoten.
Ein LINKER (Verbindungsanordnungsvorrichtung) nimmt dann die gegebenen Pfadsegmente und erzeugt eine verbundene Liste der Steuerpunkte, was Flexibilität und wirksame Anordnung gestattet. Pfadsegmente werden gemeinsam von unterschiedlichen Routen verwendet, wie in Fig. 12 gezeigt.
Die Pfadsegmente werden in einem Speicher gespeichert, der TARGA 5302 genannt wird, und zwar als ein Satz von Bögen, Linien und Lagen. Beispielsweise erzeugt eine analytische Generatorfunktion Pfade unter Verwendung dieser Bögen, Linien und Lagen. In einem weiteren Beispiel werden B-Splines (Kurven) als eine mathematische Darstellung einer Route verwendet, wie oben erwähnt. In einem weiteren Beispiel werden "Clothoid-Kurven" bei der Erzeugung von Pfadsegmenten verwendet.
Es werden Daten zuerst von dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem 1000 gesammelt und gespeichert, um Routen für ein Gelände 300 zu erzeugen, während ein Mensch das Fahrzeug 102 über das Straßensystem des Arbeitsgeländes 300 fährt. Knoten und Segmente werden dann in die gespeicherten, abgefahrenen Daten bzw. Fahrdaten eingepaßt und in Routen für das zuvor erwähnte Verfahren organisiert.
Eine Anwendung auf einer Apollo-Computerworkstation (nun Hewlett-Packard, Palo Alto, Kalifornien) (ein nicht gezeigtes grafisches Anzeigesystem) wurde entwickelt, um grafisch Routendaten auf die gespeicherten abgefahrenen Daten einzupassen und weiter Routen zu definieren (d. h., Geschwindigkeiten, Abfolgen, einen Startpunkt, eine Querrichtung). Irgend eine Grafikworkstation bzw. ein Grafikcomputer, der dem Apollo äquivalent ist, könnte verwendet werden.
Sobald die Routen für ein Gelände definiert sind, werden die Routendaten in eine permanente Speichervorrichtung geschrieben. Die verwendete Speichervorrichtung kann eine Blasenspeicherkartusche 5302 mit einer assoziierten Lese/Schreibvorrichtung sein. Die Blasenspeichervorrichtung 5302 ist dauerhaft und hält die Daten, wenn die Leistungsversorgung abgetrennt wird. Die Apollo-Anwendung kann Daten auf eine Kartusche 5302 schreiben und Daten von einer Kartusche 5302 lesen.
Wie oben erklärt, können Routen vordefiniert werden, oder sie können dynamisch erzeugt werden.
Bei Bergbauanwendungen wird im allgemeinen ein Gelände 300 überwacht und Straßen werden vorgeplant, in sorgfältiger Weise ausgelegt und gebaut. Die Routen, die von dem Navigationssystem verwendet werden, können dann entweder aus einer manuell erzeugten Computerdatenbank erhalten werden (speziell erzeugt, um durch das Navigationssystem verwendet zu werden), oder alternativ kann ein Fahrzeug physisch über die tatsächlichen Routen auf dem Gelände gefahren werden, um die Routen zu lernen, wie oben beschrieben. Bei dem Lernverfahren können verschiedene Fahrten über eine gegebene Route ausgeführt werden. Dann werden die Veränderungen der Daten (beispielsweise aufgrund dessen, daß der Fahrer wackelt) zu einem Durchschnitt zusammengefaßt und eine geglättete beste Einpassung wird entwickelt.
Das Verfolgungsverfahren der vorliegenden Erfindung erfordert gewisse Informationen über die Route, die verfolgt wird. Die Informationen sind in einem Paket enthalten, das "Lage" 3314 genannt wird. Eine einzige Lage 3314 kann eine Position enthalten (Längen- und Breitenkoordinaten), eine Ausrichtung und Krümmungsdaten für eine spezielle Stelle auf der Route. Daher ist ein Weg zur Erzeugung von Lagedaten aus der Routenbeschreibung erforderlich.
Unter den Navigatoraufgaben (die unten besprochen werden) ist eine Aufgabe, die die Routeninformationen ausliest und Lagen in Intervallen entlang der Route (beispielsweise in Intervallen von einem Meter) erzeugt, die von dem Verfolgungsverfahren verwendet werden. In einem beispielhaften System erfordert jede Lage 36 Bytes Speicher, was ungefähr 36 K Speicher für jeden Kilometer der Route ergibt. Um die Speicheranforderungen zu verringern puffert der Navigator die Lagedaten.
Die Aufgabe, die die Lagen erzeugt, liest die gegenwärtige Position des Fahrzeugs 102 aus, findet den nächsten Punkt auf der Route zur gegenwärtigen Position, erzeugt dann eine festgelegte Anzahl von Lagen vor dem Fahrzeug 102. Die Anzahl der erzeugten Lagen ist abhängig von der maximalen Stopp- bzw. Anhaltedistanz (Bremsweg) des Fahrzeugs 102.
D. h., es sollte immer genug Lagen im Puffer 3000 geben, um das Fahrzeug 102 zu einem Anhaltepunkt zu führen.
In dem Ansatz mit B-Splines zur Routendefinition wird die Notwendigkeit eines Lagepuffers eliminiert, da das Verfolgungsverfahren direkt Lageinformationen aus der B- Spline-Kurve erzeugen kann.
Die Pfadspurbildung oder Pfadverfolgung (tracking) ist ein kritischer Aspekt der Fahrzeugnavigation in dem beispielhaften System. Die Technik der vorliegenden Erfindung verwendet eine positionsbasierte Navigation (anstelle einer sichtbasierten Navigation, die bei herkömmlichen Navigationssystemen verwendet wird) um sicher zu stellen, daß der korrekte Pfad 3312 des autonomen Fahrzeugs verfolgt wird. Die vorliegende Erfindung ist auch dahingehend neu, daß sie eine getrennte Steuerung des Lenkwinkels 3316 und der Fahrzeuggeschwindigkeit 3318 bietet.
Fig. 17 veranschaulicht grafisch ein Pfadverfolgungssystem 3102.
Für ein autonomes Fahrzeug 102 gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verfolgung von festgelegten Pfaden ist es nötig, Referenzeingaben für die Fahrzeug-Servo-Steuervorrichtungen zu erzeugen. Somit kann eine Pfadverfolgung als ein Problem angesehen werden, einen Referenzlenkwinkel bzw. einen in Bezug gebrachten Lenkwinkel und eine Referenzgeschwindigkeit für den nächsten Zeitintervall zu erhalten, um auf den Referenzpfad vor der gegenwärtig abgewichenen Position zurückzukommen.
Allgemein gesagt bestimmt die Pfadverfolgung die Befehle des autonomen Fahrzeuges (Geschwindigkeit, Lenkwinkel) die erforderlich sind, um einem gegebenen Pfad zu folgen. Bei einem gegebenen zuvor festgelegten Lenkwinkel, gefahrenen Radgeschwindigkeitswerten und Fehlerkomponenten werden die Lenkbefehls- und Antriebseingaben berechnet.
Die Hindernisbehandlung sieht mindestens drei Hauptfunktionen vor: Detektieren von Hindernissen 4002, Vermeidung von Hindernissen 4002 und Rückkehr zum Pfad 3312. Die Funktion des Zurückkehrens zum Pfad ist ähnlich wie die Pfaderzeugung und -verfolgung wie oben beschrieben.
Zusätzlich zur Pfadverfolgung (Verfolgung) erfordert die erfolgreiche Navigation des Fahrzeugs 102, daß das Fahrzeug 102 Hindernisse 4002 in seinem Pfad erkennen kann, was somit gestattet, daß das Fahrzeug stoppt oder in anderer Weise ein solches Hindernis vermeidet, bevor eine Kollision auftritt.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Infrarotlaserscanner bzw. eine Infrarotabtastvorrichtung 404 mit einer einzigen Linie (siehe Fig. 19) in einer Konfiguration verwendet, wo die Abtastung bzw. der Scan horizontal ist (nicht gezeigt). Die Abtastlinie 3810 berührt nicht den Erdboden, so daß irgendwelche Ungleichheiten in den Bereichsdaten den Objekten 4002 in der Umgebung zugeordnet werden können.
Da ein Referenzpfad 3312 verfügbar ist, und die Fahrzeugposition relativ zum Referenzpfad bekannt ist, werden nur die Bereichsdaten und eine Regionsabgrenzung des Referenzpfades 3312 für bedrohliche Objekte 4002 verarbeitet. Die Objekte außerhalb dieser Region oder Grenzzone werden ignoriert. Die Breite der (nicht gezeigten) Grenzzone ist gleich der Fahrzeugbreite zuzüglich einem gewissen ausgewählten Sicherheitspuffer, um Spur- und Positionsbestimmungsfehler auszugleichen. Dieses Verfahren ist bezüglich seiner Nützlichkeit eingeschränkt und wird als "Freiraumüberprüfung" bezeichnet.
Im einfachsten Falle der vorliegenden Erfindung kann der Laser 404 in einem Abtastbetriebszustand mit einer einzigen Linie mit darauf folgenden Bereichsmessungen verwendet werden, die in regelmäßigen Winkelintervallen gemacht werden, wenn der Laser über das Blickfeld schwenkt. Wiederum können zur Vereinfachung diese Abtastungen in regelmäßigen Zeitintervallen beginnen. Der Ausdruck "Freiraumüberprüfung" ist verwendet worden, um dieses Verfahren zu beschreiben. In dieser Version der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren auf die Verarbeitung von nur zweidimensionalen Daten eingeschränkt worden.
Diese Art eines Hindernisdetektionsverfahrens ist auf die Überprüfung eingeschränkt, zu sehen, ob der Pfad 3312 frei ist, und zwar unter Verwendung eines Abtastbetriebszustandes mit einer einzigen Linie mit darauf folgenden Bereichsmessungen, die in regelmäßigen Winkelintervallen ausgeführt werden, wenn der Scanner bzw. die Abtastvorrichtung 404 über das Sichtfeld läuft. Es schließt nicht irgendwelche Verfahren zum Einrichten bzw. Überprüfen der Existenz von irgend einem Hindernis 4002 ein, noch erzeugt es einen Pfad um dieses herum, wenn der Pfad nicht frei ist. Diese Art eines Verfahrens wird nicht als ein speziell nützliches Hindernisdetektionsverfahren angesehen, außer in sehr genau überwachten bzw. gesteuerten Umgebungen, wie beispielsweise auf einem Fabrikboden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Hinderniserkennung der vorliegenden Erfindung verwendet einen Scanner bzw. eine Abtastvorrichtung 3804 mit mehreren Linien (siehe Fig. 19) dessen Abtastung 3810 den Erdboden in einer gewissen Distanz vor dem Fahrzeug 102 berührt. Da die Abtastlinie den Erdboden berührt, können Ungleichmässigkeiten der Bereichsdaten nicht länger bedrohlichen Objekten 4002 zugeordnet werden. Beispielsweise können Profile von natürlichen Objekten, wie beispielsweise Hügel und abfallende oder gewölbte Straßen, Ungleichmässigkeiten in den Bereichsdaten bewirken. Diese Technik der vorliegenden Erfindung kann Ungleichmässigkeiten in den Bereichsdaten zwischen bedrohlichen Objekten 4002 und (nicht gezeigten) natürlichen Objekten unterscheiden.
In diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Filterschema verwendet, um die verarbeitete Datenmenge zu verringern, und es ist unabhängig von der verwendeten Scanner- bzw. Abtastkonfiguration. Die Ränder der Grenzzone werden durch Übertragung der Bereichsdaten in einer Bildebenendarstellung 3900 (siehe Fig. 20) gefunden, wo jeder Bereichswert durch eine Zeilennummer 3908 und eine Spaltennummer 3910 lokalisiert wird (eine Matrixdarstellung).
Die Verarbeitungsbelastung wird minimiert durch Auswählen einer relativ kleinen Anzahl von Abtastlinien, die in einer Bereichsbilddarstellung 3900 verfügbar sind. Die Abtastlinien werden durch die Fahrzeuggeschwindigkeit ausgewählt und werden auf und über der Fahrzeugstoppdistanz konzentriert. Die ausgewählten Abtastlinien von aufeinanderfolgenden Datenrahmen können sich überlappen.
Wenn sich das Fahrzeug 102 schnell bewegt, sind bei diesem Verfahren die ausgewählten Abtastlinien 3906 weit vor dem Fahrzeug (nahe der Oberseite der Bereichsbilddarstellung 3900). Wenn das Fahrzeug langsam fährt, sind die selektiven Abtastlinien 3906 im Gegensatz dazu näher am Fahrzeug (nahe dem Unterteil der Bereichsbilddarstellung 3900).
Jede Abtastlinie besteht aus vielen Pixeln (Bildpunkten) von Daten. Jedes Pixel hat zwei damit assoziierte Parameter. Zuerst ist der tatsächliche Wert des Pixels der Bereichswert, der von dem Scanner 3804 zurückgebracht wird. Zweitens gibt die Lage des Pixels auf der Abtastlinie eine Anzeige des Winkels relativ zur Fahrzeugmittellinie, auf der der Bereichswert aufgezeichnet wurde. Dies entspricht einer Zylinderkoordinatenrahmenbeschreibung (R, Theta, Z).
Wenn man die zylindrische Beschreibung und die bekannte Scannerlage mit Bezug auf das Fahrzeug 102 gegeben hat, können die Bereichswerte in ein kartesisches Koordinatensystem (X, Y, Z) umgewandelt werden. Das Ergebnis ist eine Straßenprofilbeschreibung, die durch ein neuartiges Filterschema verwendet werden kann, um zu bestimmen, ob bedrohliche Objekte 4002 im Fahrzeugpfad 3812 vorhanden sind, während Effekte aufgrund von natürlichen Hügeln und Tälern auf einer typischen Straße ignoriert werden.
Nachdem die Scannerdaten in kartesische Koordinaten umgewandelt wurden, werden die Daten verarbeitet, um zu bestimmen, welcher Teil der Abtastung tatsächlich auf der Straße 3312 ist, und welcher Teil der Abtastlinie außerhalb des Fahrzeugpfades ist und daher in sicherer Weise ignoriert werden kann. Bei der gegebenen Fahrzeugposition und der Breite einer Grenze (die gleich der Fahrzeugbreite plus einem gewissen Sicherheitsrahmen ist) können die Koordinaten der Grenze auf jeder Seite des Fahrzeugpfades bestimmt werden. Die Koordinaten der Grenze können mit den Koordinaten von jedem Pixel auf der gegenwärtigen Abtastlinie verglichen werden. Die Pixel, die Koordinaten außerhalb der Grenze haben, werden ignoriert.
Das Filterschema baut eine Erwartung des Straßenprofils aus zuvor abgefühlten Straßenprofilen auf. Diese Erwartung basiert auf drei Parametern, von denen befunden wird, daß sie in adäquater Weise typische gepflasterte Straßen beschreiben. Diese drei Parameter sind folgende:
- Straßenkrümmung: Die Krümmung des Straßenquerschnittes (senkrecht zur Straßenmittellinie).
- Straßenneigung: Die "Neigung" des Straßenprofils (senkrecht zur Mittellinie).
- Straßenhöhe: Die Höhe der Straßenmittellinie über einer Referenzebene, die durch die Lage der vier Räder des Fahrzeugs 102 beschrieben wird.
Erwartete Werte der Straßenkrümmung und der Straßenneigung werden bestimmt durch Ausführung einer Standard- Kalman-Filtertechnik der kleinsten Quadrate an zuvor abgefühlten Scannerdaten. Der Kalman-Filter hält im Grunde genommen eine Art eines laufenden Mittelwertes der zwei Parameter basierend auf den Werten, die aus den vorherigen Daten bestimmt wurden.
Die erwartete Straßenhöhe für eine spezielle Abtastung (Scan) kann durch eines von zwei ähnlichen Verfahren bestimmt werden. Eines ist es, die Straßenhöhe bei jedem Pixel innerhalb der gegenwärtigen Abtastlinie zu mitteln, um eine charakteristische Höhe der fraglichen Abtastlinie zu bestimmen.
Das zweite Verfahren ist es, die Straßenhöhe unter Verwendung des Standard-Kalman-Filters zu filtern, und zwar ähnlich wie jenes, das verwendet wird, wenn die Erwartungen für die Krümmung und die Neigung bestimmt werden.
Diese drei Parameter können verwendet werden, um eine Gleichung zweiter Ordnung zu bestimmen, die das erwartete Straßenprofil beschreibt. Dieses erwartete Profil wird mit dem tatsächlichen Straßenprofil verglichen. Irgendwelche Abweichungen zwischen den beiden, die einen voreingestellten Schwellenwert überschreiten, sind vermutlich bedrohliche Objekte.
Dieses Schema ist durchführbar unter der Annahme, daß irgendwelche detektierten Objekte 4002 im Vergleich zur Breite der Straße klein sind. Wenn diese Mittelungsverfahren oder Verfahren der kleinsten Quadrate verwendet werden, sind die Effekte aufgrund von Objekten im Vergleich zu natürlichen Straßendaten vernachlässigbar.
Dieses Filterschema weist auch ein sehr einfaches Kanten- bzw. Randdetektionsverfahren auf, welches die ausgewählten Bereichsdaten mit einer einfachen Gewichtungsfunktion mit sieben Punkten in Verbindung bringt.
Eine zusätzliche Technik verarbeitet eine gesamte Bereichsbilddarstellung 3900 von einem Scanner bzw. einer Abtastvorrichtung 3804 mit mehreren Linien für Objekte. Dieses Verfahren erreicht drei Ziele:
1. Erkenne keine Hindernisse 4002, wenn keine vorhanden sind,
2. Erkenne Hindernisse 4002, wenn Hindernisse existieren, und
3. Erkenne die korrekten Hindernisse 4002, wenn Hindernisse existieren.
Die Hindernisextraktion ist eine Hindernisdetektion durch Anwendung von Fleckextraktion (blob extraction). Die Fleckextraktion ist in der Technik der Computergrafik wohl bekannt. Hindernisse werden gefunden durch Cluster- bzw. Haufenbildung von ähnlichen Pixeln zu Gruppen, die Flecken (blobs) genannt werden. Das Ziel der Hindernisextraktion ist es, Hindernisse als Einheiten zu speichern und zu verarbeiten und nicht als einzelne Pixel.
Die Hindernisextraktion kann ausgeführt werden durch Vorformung der folgenden Schritte in der Bildebene 3901:
1. Projeziere den Fahrzeugpfad auf die Bildebene 3901,
2. Wandle die Bereichsdaten in Höhendaten um,
3. Passe eine Kurve an die Höhe in der Mitte der Straße an (dies stellt die erwartete Straßenhöhe bei jeder Zeile dar),
4. Bilde die Schwelle der tatsächlichen Straßenhöhe gegenüber der Höhenerwartung, und
5. Extrahiere die Hindernisse (die durch Unterschiede der tatsächlichen und erwarteten Straßenhöhen angezeigt werden, die die Schwelle überschreiten).
Sobald ein Hindernis 4002 im Pfad des Fahrzeugs 102 detektiert wurde (siehe Fig. 40), muß es dann eine Kollision mit dem Objekt vermeiden. Gewisse Annahmen werden bezüglich des Hindernisvermeidungsproblems gemacht:
1. Die Hindernisumgebung ist mit Hindernissen 4002 bevölkert, die durch konvexe Polygone oder konvexe Linien dargestellt werden können;
2. Die Navigationsverfahren haben nur Zugang zu den Informationen über die lokale Umgebung in Form einer lokalen Karte, die alle sichtbaren Stirnseiten des Hindernisses von der Position des Fahrzeugs 102 aus darstellt, die von nicht verarbeiteten Laserbereichsdaten erhalten werden können oder von Daten, die durch Fleckextraktion verarbeitet wurden;
3. Das Fahrzeug 102 ist eine in herkömmlicher Weise gelenkte Bauart, die Beschränkungen bezüglich ihrer Geschwindigkeit und Beschleunigung hat, und Einschränkungen bezüglich des Lenkwinkels und der Veränderungsrate des Lenkwinkels.
Um mit dem Problem der Vermeidung von Hindernissen fertig zu werden, ist dieses Problem in zwei Unterprobleme aufgeteilt.
Erstens, die Unterscheidung, ob irgendwelche Hindernisse im Weg sind, und falls dies so ist, zu welcher Seite das Fahrzeug weiterfahren sollte. Dann die Auswahl eines Unterziels 4006, welches das Fahrzeug 102 um das Hindernis 4002 herumführen wird, was zu einem Ziel 4008 mit höherem Niveau führt, welches ist, auf den erwünschten Pfad zurückzukehren.
Zweitens, sobald ein Unterziel 4006 ausgewählt ist, eine Lenkentscheidung zu fällen, die das Fahrzeug 102 zu dem Unterziel 4006 hin fährt, während man um das Hindernis 4002 herumlenkt. Ein Unterzielauswahlverfahren und ein Lenkentscheidungsverfahren lösen diese zwei Unterprobleme.
Das beispielhafte System weist ein Verfahren auf, wie es diagrammartig in Fig. 21 gezeigt ist, wodurch ein sicherer Pfad um ein detektiertes Objekt 4002 herum aufgezeichnet wird und so navigiert wird, daß das Fahrzeug 102 wieder den Referenzpfad erreichen wird, nachdem es das Objekt 4002 vermieden hat.
Mit Bezug auf die Fig. 19 und 23 weist die vorliegende Erfindung auch ein Laserscannersystem 404 auf. Der Scanner 404 wird verwendet, um Hindernisse 4002 (siehe Fig. 21) zu finden, die sich zufälligerweise im Pfad des Fahrzeugs 102 ansammeln, wie zuvor besprochen.
Quellen von solchen Hindernissen 4002 können verschieden und zahlreich sein, und zwar abhängig von dem speziellen Arbeitsgelände. Sie können umgefallene Bäume und Zweige, Felsen, sich bewegende und parkende Fahrzeuge und Personen aufweisen.
Der Scanner 404 gibt dem autonomen Fahrzeug 102 die Fähigkeit, die umgebende Welt zu detektieren und mit ihr fertig zu werden, wie es die Umstände erfordern.
Die Hauptkomponenten des Laserscannersystems 404 sind in Fig. 23 abgebildet.
Ein Laserbereichsfinder 3804 verwendet einen Infrarotstrahl 3810, um die Distanzen zwischen der Bereichsfindereinheit 3804 und dem nächsten Objekt 4002 zu messen. Ein kurzer Impuls wird durch die Einheit 3804 übertragen, und die Zeit, die der Strahl 3810 benötigt, um von einem Objekt 4002 zu reflektieren und zurückzukehren, ergibt die Distanz.
Der Strahl 3810 vom Bereichsfinder 404 wird durch einen sich drehenden Spiegel 4222 reflektiert, was dem Bereichsfinder 404 eine 360º-Ansicht der Welt gibt. Die Spiegeldrehung wird durch einen Motor 4206 erreicht. Die Motordrehzahl wird über einen Anschluß 4210 gesteuert, der mit einer Motorverstärker- und Steuervorrichtung 4220 durch eine herkömmliche serielle RS232C-Verbindung 4224 in Verbindung steht. Die Synchronisation zwischen dem Laserfeuer und der Spiegelwinkelposition wird mit einem Encoder ausgeführt.
Entfernungsdaten auf einer Leitung 4226 vom Laserbereichsfinder 404 werden durch eine Schnittstellenschaltung 4228 aufgenommen, die die Daten differenziell zu einer Pufferschaltung 4214 überträgt. Einzelne Datenstücke werden durch die Pufferschaltung 4214 gesammelt, bis der Spiegel 4222 eine volle Umdrehung ausführt. Dieser Datensatz weist eine Abtastung (Scan) auf. Wenn eine Abtastung vollendet ist, signalisiert die Pufferschaltung 4214 einen Prozessor 4212, woraufhin Daten von der vollständigen Abtastung zum Prozessor 4212 zur Verarbeitung übertragen werden.
Die Schnittstellenschaltung 4228 hat drei Funktionen.
Zuerst wirkt sie als eine Sicherheitsüberwachungsvorrichtung. Eine Situation könnte auftreten, wo der Spiegel 4222 aufhören würde, sich zu drehen, wie beispielsweise in dem Fall, wenn der Antriebsriemen 4230 zwischen dem Motor 4206 und dem Spiegel 4222 kaputt geht. In diesem Zustand würde der Laser 4204 weiter feuern bzw. leuchten, und da der Spiegel 4222 stationär ist, würde er auf einen einzigen Punkt leuchten (gefährlich für jemanden, der direkt in den Laserstrahl schaut). Die Schnittstellenschaltung 4228 jedoch fühlt ab, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Spiegels 4222 unter eine halbe Umdrehung pro Sekunde fällt und stellt den Laser 4204 ab, wenn ein solcher Zustand auftritt.
Die zweite Funktion ist es, den Laser 4204 vom Feuern bzw. Leuchten für einen Teil des Abtastgebietes von 360 Grad auszuschalten. Typischerweise wird die Laserscannereinheit 404 am Vorderteil eines Fahrzeugs 102 montiert sein, und das interessante Feld ist in dem Gebiet von 180 Grad vor dem Fahrzeug. Das Fahrzeug selbst wird den Hinterteil des Abtastgebietes von 360 Grad blockieren. In diesem Fall wird die Schaltung 4228 verhindern, daß der Laser 4204 in das Fahrzeug leuchtet, was die Lebensdauer der Laserdiode verlängert, während Daten für das Gebiet vor dem Fahrzeug aufgenommen werden. Das Einschalten und Ausschalten des Laserbereichsfinders 4204 wird durch zwei (nicht gezeigte) Sensoren ausgeführt, die nahe dem Spiegelgehäuse 4222 montiert sind. Zu Testzwecken oder für Anwendungen, wo eine Abtastung von 360 Grad wünschenswert ist, kann das Ausschaltmerkmal durch einen DIP-Schalter ausgeschaltet werden.
Die dritte Funktion der Schaltung 4228 ist es, Signale zwischen einer einfach endenden und differenziellen Form umzuwandeln, TTL-Signale von der Lasereinheit 4204 werden differentiell zur Pufferschaltung 4214 übertragen, und die differenziell übertragenen Signale von der Pufferschaltung 4214 werden in TTL-Pegel umgewandelt. Dies verhindert eine Rauschstörung entlang dem Kabel 4226, das die zwei Schaltungen verbindet.
Die Funktion der Pufferschaltung 4214 ist es, die Feuer- bzw. Leuchtvorgänge des Lasers 404 mit der Winkelposition des Spiegels 4222 zu synchronisieren, um Daten für eine vollständige Abtastung zu sammeln und die Abtastung zum Computer 4214 zur Verarbeitung zu übertragen.
Die Winkelposition des Spiegels 4222 kann durch Signale bestimmt werden, die von dem Encoder 4208 gesandt werden. Die Pufferschaltung 4214 verwendet zwei Signale vom Encoder 4208: die Z- und A-Kanäle.
Der Z-Kanal ist der Encoderindex (Zeiger); wird einmal pro Umdrehung des Encoders 4208 eingestellt und wird verwendet, um den Beginn des Abtastgebietes zu signalisieren.
Der A-Kanal ist eine Leitung des Zwei-Leitung-Quadraturausgangs des Encoders 4208, und gibt tausend mal pro Umdrehung des Encoders Impulse. Dieser Kanal wird verwendet, um die Laserleuchtvorgänge auszulösen.
Ein zusätzliches Signal wird benötigt, um vollständig das Abtastfeld mit den Encodersignalen zu synchronisieren. Es gibt ein Übersetzungsverhältnis von 2 : 1 zwischen dem Encoder/Motor 4206 und dem Spiegel 4222. Zwei Umdrehungen des Encoders 4208 drehen den Spiegel 4222 einmal. Dies wird umgewandelt in 2 Z-Kanalimpulse und 2000 A-Kanalimpulse pro Umdrehung des Spiegels 4222 und die Unfähigkeit, den Beginn der ersten Hälfte der Abtastung von dem Beginn der zweiten Hälfte zu unterscheiden.
Um vollständig das Abtastfeld zu synchronisieren wird das DB-Signal (DB = dead band = Todband) verwendet, das von der Schnittstellenschaltung 4228 erzeugt wird. Das DB- Signal, das verwendet wird, um den Laser 4204 dahingehend abzuschalten, daß er im hinteren Teil der Abtastung feuert bzw. leuchtet, gestattet die Unterscheidung der vorderen und hinteren Hälften der Abtastung. Das Z-Signal und das DB-Signal zusammen signalisieren den Beginn des Abtastgebietes.
Die zweite Aufgabe der Pufferschaltung 4214 zum Sammeln von Daten für eine vollständige Abtastung wird durch den A-Kanal des Encoders 4208 erreicht. Die 2000 Impulse des Kanals werden entweder durch 2, 4, 8 oder 16 geteilt, und zwar ausgewählt durch DIP-Schalter (nicht gezeigt) auf der Leiterplatte 4228. Dies gestattet, daß die Anzahl der Datenpunkte pro Abtastung zwischen 1000, 500, 250 und 125 variiert wird. Das geteilte Signal wird verwendet, um den Laserbereichsfinder 4204 in geeigneten Winkelintervallen auszulösen und die daraus resultierenden Bereichsdaten im Speicher 4214 zu speichern.
Die Abfolge der Ereignisse ist wie folgt. W (write = schreiben) ist einem Taktzyklus auf einer ansteigenden Flanke des geteilten A-Signals zugeordnet. An diesem Punkt sind Daten von einem vorherigen T (Laserauslöser; Lasertrigger) verfügbar, und sind im Speicher 4214 gespeichert. T ist dem folgenden Taktzyklus zugeordnet, was den Laser auslöst und die daraus resultierenden Bereichsdaten in den Speichereingabebus 4226 eingibt. Diese Daten werden auf dem nächsten W-Impuls geschrieben, was den Zyklus wiederholt.
Die letztendliche Aufgabe der Pufferschaltung 4214 ist es, die Abtastdaten zu einem Computer 4212 zur Verarbeitung zu übertragen. Vollendete Abtastungen werden durch die Z- und DB-Signale signalisiert (der Beginn einer Abtastung ist auch das Ende einer vorherigen). Bei einer vollständigen Abtastung wird eine Interrupt- bzw. Unterbrechungsanforderungslinie zugeordnet, und bleibt zugeordnet, bis entweder der Spiegel 4222 eine halbe Umdrehung gemacht hat, oder der Prozessor 4212 die Unterbrechung bestätigt. In dem ersten Fall wird die halbe Umdrehung des Spiegels 4222 durch einen darauf folgenden Z- Impuls signalisiert und zeigt einen Timeout- bzw. Zeitüberlaufzustand an; der Prozessor 4212 hat versagt zu antworten, und die Daten gehen verloren.
Im normalen Fall wird die Unterbrechung anerkannt. Beim Empfang der Anerkennung wird STR (Datenimpuls, data strobe) zugeordnet und gehalten, bis IBF (Eingabepuffer voll; input buffer full) empfangen wird. Während dieser Zeit werden Daten auf den Datenbus 4230 gebracht und können vom Computer 4212 gelesen werden. Daten sind auf dem Bus 4230 gültig, bis IBF zugeordnet wird, wobei zu diesem Zeitpunkt STR nicht mehr zugeordnet wird, und die Daten vom Bus 4230 entfernt werden. Sobald der Prozessor 4212 die Entfernung von STR detektiert, entfernt er IBF. Dies bewirkt, daß STR für die nächsten Datenteile zugeordnet wird, was den Zyklus wiederholt.
Abtastdaten werden gesammelt und in zwei Speicherbänken 4214 gespeichert. Dies vermeidet Probleme mit einem geteilten Speicher und bezüglich der Synchronisation zwischen dem Abtastungsspeicher und der Abtastungsübertragung. Daten für eine neue Abtastung sind in einer Bank gespeichert, während die vorherige Abtastung von der anderen Bank übertragen wird.
Die Pufferschaltung 4214 nimmt dem Prozessor 4212 die Verantwortlichkeit, die Laserergebnisse mit der Spiegelposition zu synchronisieren und einzelne Datenteile zu sammeln. Sie gestattet eine wirkungsvollere Anwendung der CPU-Zeit, wenn Daten in Teilen von einer Größe einer Abtastung aufgenommen werden. Der Prozessor 4212 verbringt seine Zeit mit der Verarbeitung der Daten und nicht damit, sie zu sammeln.
Mit Bezug auf Fig. 24 bestehen die Fahrzeugsteuerungen aus vier funktionellen Blöcken auf niedrigem Niveau.
Einer wird "Fahrzeugmanager" 4302 genannt. Ein zweiter wird "Geschwindigkeitssteuerung" 4304 genannt. Der dritte wird "Lenkungssteuerung" 4306 genannt. Der vierte wird "Überwachung/Hilfssteuerung" genannt (abgebildet als zwei getrennte Blöcke 4310 und 4308).
Sie werden alle durch einen seriellen Hochgeschwindigkeitsdatenbus 4314 verbunden. Der Bus 4314 ist eine Datenkollision detektierendes Paketweiterleitungssystem.
Jeder dieser funktionellen Blöcke hat getrennte Mikroprozessoren, beispielsweise die 16-Bit-Serie Motorola 68000.
Jeder dieser Mikroprozessoren spricht mit den anderen über den Bus 4314 und hört auch darüber von diesen.
Während jeder funktionelle Block eine mehr oder weniger spezielle Funktion hat, wirkt der Fahrzeugmanager 4302 als ein Kommunikationshub bzw. Kommunikationsverteiler. Er sendet Nachrichten zum Navigator 406 über eine serielle R5-422-Verbindung 4316 mit 9600 Baud und empfängt auch Nachrichten davon. Er hört auch auf die Fernsteuerung oder die "Teletafel" 410 über eine FM-Funkkommunikationsverbindung 4318 und sendet an diese.

Claims

1. Scan- oder Abtastsystem (404) zum Detektieren von Hindernissen (4002) in einem Pfad (3312) eines Fahrzeugs (102), das am Fahrzeug (102) angebracht ist, und das folgendes aufweist:

Mittel (4222) zum Erzeugen eines Energiestrahls;

Mittel (4206) zum Scannen des Energiestrahls durch einen gewünschten Winkelbereich relativ zum Fahrzeug in Zyklen; und

Mittel (4222) zum Detektieren reflektierter Energie;

gekennzeichnet durch:

Mittel (4212, 4214, 4226, 4228, 4230) zum Speichern von der detektierten reflektierten Energie zugeordneter Informationen während jedes der Scanzyklen; und

Mittel (4212) zum Berechnen der Distanz, die die detektierte reflektierte Energie zurückgelegt hat, durch das Verarbeiten der zugeordneten Information, die während jedes der Scanzyklen gespeichert wird; und

Mittel (4222) zum Erzeugen eines Energiestrahls während eines Teils des Scanzyklus, so daß nur ein Bruchteil des gesamten Sichtfelds gescannt wird, wobei die übertragene Gesamtdatenmenge minimiert wird.

2. Scansystem (404) nach Anspruch 1, das weiter Mittel (4228) zum Sperren der Mittel (4222) aufweist, um einen Energiestrahl zu erzeugen, wenn der Betrieb der Mittel (4206) zum Scannen des Energiestrahls durch einen gewünschten Winkelbereich relativ zum Fahrzeug in Zyklen im wesentlichen beeinträchtigt ist.

3. Scansystem (404) nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Messen der Distanzen (4212, 4214, 4222, 4228) zwischen dem Fahrzeug (102) und Objekten (4002) im Pfad des Fahrzeugs (102) des weiteren folgendes aufweisen:

Mittel (4228) zum Detektieren einer wesentlichen Beeinträchtigung der Mittel (4206) zum Scannen des Energiestrahls durch einen gewünschten Winkelbereich relativ zum Fahrzeug (102) in Zyklen.

4. Scansystem (404) nach Anspruch 1, das weiter Mittel (4210) aufweist, um die Scanzyklen in der Anzahl von Scans pro Zeiteinheit zu variieren.

5. Scansystem (404) nach Anspruch 1, das weiter Mittel (4210) aufweist, um die Abstandsmessungen pro Scan zu variieren und dadurch die Scannerauflösung zu variieren.

6. Scansystem (404) nach Anspruch 1, wobei die Mittel (4212, 4214, 4226, 4228, 4230) zum Speichern von Information, die der detektierten reflektierten Energie zugeordnet ist, weiterhin folgendes aufweisen:

Mittel (4228) zum Umwandeln von Signalen von TTL in Signale des Differentialtyps;

Mittel (4226) zum Übertragen der Signale des Differentialtyps zu einem temporären Speicherpuffer (4214); und

Mittel (4230) zum Übertragen der Signale des Differentialtyps vom Speicherpuffer (4214) zu einem Host- Verarbeitungssystem (4212)

7. Scanverfahren (4150) zum Detektieren von Hindernissen (4002) in einem Pfad (3312) eines Fahrzeugs (102) unter Verwendung eines an dem Fahrzeug (102) angebrachten Scanners (404), wobei das Scanverfahren die folgenden Schritte aufweist:

Erzeugen eines Energiestrahls;

Scannen des Energiestrahls durch einen gewünschten Winkelbereich relativ zum Fahrzeug in Zyklen;

Messen von Abständen bzw. Distanzen zwischen dem Fahrzeug und Objekten im Pfad des Fahrzeugs, das die folgenden Schritte aufweist.

Detektieren reflektierter Energie; und gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Speichern von der detektierten reflektierten Energie zugeordneter Information während jedes der Scanzyklen;

Berechnen der Distanz, die die detektierte reflektierte Energie zurückgelegt hat durch das Verarbeiten der zugeordneten Information, die während jedes der Scanzyklen gespeichert wird; und

Erzeugen eines Energiestrahls während eines Teils des Scanzyklus, so daß nur ein Bruchteil des gesamten Sichtfelds gescannt wird, wobei die übertragene Gesamtdatenmenge minimiert wird.