DE69300324T2

DE69300324T2 - Entfernungsmessgerät für ein Fahrzeug, insbesondere für einen geländegängigen Roboter und mit solch einem Gerät ausgerüstetes Fahrzeug.

Info

Publication number: DE69300324T2
Application number: DE69300324T
Authority: DE
Inventors: Francois Richard; Pierre Tournassoud
Original assignee: Alcatel Alsthom Compagnie Generale dElectricite
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1992-06-18
Filing date: 1993-06-15
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2013-06-16
Also published as: DE69300324D1; FR2692667B1; EP0575240A1; FR2692667A1; US5410478A; EP0575240B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Messung der Bewegung eines Fahrzeugs, wie aus der Druckschrift FR-A-2 610 885 bekannt.
Insbesondere findet die Erfindung Anwendung, wenn das betrachtete Fahrzeug ein Roboter ist, der unter für den Menschen gefährlichen Bedingungen eingreifen soll. Diese Interventionen können beispielsweise Erkundungs-, Überwachungs-, Reparatur- oder Reinigungsoperationen sein. Um diese Operationen durchführen zu können, kann der Roboter geeignete Instrumente wie z.B. Videokameras, Meßgeräte und Werkzeuge tragen. Der Roboter kann beispielsweise nützlich sein in einer kerntechnischen Anlage, die starker ionisierender Strahlung nach einem Unfall ausgesetzt ist, in der chemischen Industrie angesichts von Explosionsgefahren, in der Landwirtschaft oder bei militärischen Aktivitäten.
Ein solcher Roboter muß sich auf einem Gelände mit Hindernissen bewegen können. Hierzu besitzt er Räder, Füße und/oder Kettenantriebe, die bezüglich des Fahrzeugkörpers fest oder beweglich sind.
Der Roboter soll auch, möglichst ohne Unterstützung durch eine Bedienungsperson, selbst ohne Fernsteuerung, seine Position orten können, d.h. möglichst genau in jedem Augenblick wissen, wo er sich befindet. Im allgemeinen kann er hierzu nicht auf Bezugsmarken im Gelände zurückgreifen. Eine Navigationsvorrichtung auf dem Roboter muß also seine Bewegung ab einem bekannten Anfangspunkt messen. Eine solche Messung erfolgt durch Integration der Komponenten eines Geschwindigkeitsvektors, der in jedem Augenblick gemessen wird.
Hierzu sind Vorrichtungen zur Geschwindigkeitsmessung bekannt, die mit Wegstreckenzählern zusammenwirkende Trägheitszentralen besitzen, um Geschwindigkeit und Lage eines Fahrzeugs mit vier Rädern oder mit zwei Kettenantrieben zu bestimmen. Diese Bestimmung erfolgt durch Verknüpfung von sogenannten Trägheits- oder Beschleunigungsinformationen mit Wegstreckeninformationen, die durch Zählen der Radumdrehungen erhalten werden. Diese Verknüpfung von Informationen wird aufgrund der Tatsache erforderlich, daß die Beschleunigungsinformationen ungenau sind und eine regelmäßige Nachbesserung der Lagemessungen erfordern, wenn letztere durch doppelte Integration der Beschleunigungsmessungen erhalten werden.
Trotz dieser Verknüpfung von Informationen bleiben die durch die bekannten Vorrichtungen erhaltenen Meßergebnisse mit erheblichen Fehlern unter üblichen Benutzungsbedingungen der oben angedeuteten Notfallroboter behaftet.
Die vorliegende Erfindung hat insbesondere zum Ziel, solche Fehler zu verringern.
Hierzu ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Messung der Bewegung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Roboters für schwieriges Gelände, wobei die Vorrichtung aufweist:
- ein Rollband, das eine Länge in einer geschlossenen Schleife bildet und so gestaltet ist, daß es in Längsrichtung bezüglich eines Geländes nicht gleitet, auf dem es aufliegt,
- ein Streckenmeßorgan, das dieses Rollband trägt und führt und in Längsrichtung auf einem Rollweg umlaufen läßt, der durch dieses Organ gebildet wird und das Band auf das Gelände aufdrücken kann,
- und eine Streckenmeßsonde, um eine Meßstrecke zu liefern, die die von dem Rollband durchlaufene Strecke in Längsrichtung auf den Rollweg bildet,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiter enthält:
- Mittel zur Definition einer Meßachse,
- Mittel zur Messung des Kontaktwinkels, die einen Kontaktneigungswinkel liefern, der bezüglich der Meßachse den Neigungswinkel der Tangente zum Rollweg in einem Kontaktpunkt darstellt, in dem das Rollband auf dem Gelände aufliegt,
- und Bewegungsrechenmittel, die von der Streckenmeßsonde und von den Mitteln zur Winkelmessung gespeist werden und zumindest indirekt eine Multiplizierung dieser gemessenen Strecke mit dem Kosinus des Neigungswinkels durchführen, um eine für die Bewegung des Streckenmeßorgans bezüglich des Geländes entlang der Meßachse repräsentative korrigierte Streckenlänge zu liefern.
Vorzugsweise ist die Wegstrecke eine Elementarstrekke, die in einer entsprechenden Zeiteinheit gemessen wird. Der Kontaktneigungswinkel wird während dieser Zeitdauer gemessen und entspricht auch dieser Zeitdauer. Die korrigierte Streckenlänge ist eine korrigierte elementare Wegstrecke entsprechend dieser Zeitdauer. In diesem Fall enthält das Fahrzeug Mittel zur Integration, um die Summe der korrigierten Elementarstrecken entsprechend den Zeitdauern zu liefern, die eine kontinuierliche Folge von einem Anfangszeitpunkt bis zu einem Meßzeitpunkt bilden, so daß diese Summe der Bewegung des Streckenmeßorgans gemäß der Meßachse zwischen diesen beiden Zeitpunkten entspricht.
Für das Verständnis des Umfangs dieser Erfindung sind folgende Punkte beachtenswert:
- Das Rollband kann auf verschiedene Arten realisiert sein, insbesondere als eine nachgiebige Kette, die auf einem nicht kreisförmigen Rollweg umläuft, der bezüglich eines Fahrzeugkörpers feststeht. Das Rollband kann auch durch das äußere Band des Reifens eines um eine Achse rotierenden Rads gebildet sein, das auf einem Lager geführt wird, wobei dann der Rollweg kreisförmig ist, umläuft und vom Rest des Rads gebildet wird.
- Im allgemeinen ist es günstig, wenn das Rollband bezüglich des Geländes weder in Längsrichtung noch in Querrichtung gleitet. Für die Implementierung dieser Erfindung ist jedoch nur das Gleiten dieses Bandes in Längsrichtung von Bedeutung, das die Messung verfälschen würde.
- Im allgemeinen ist es günstig, wenn das Streckenmeßorgan einen wesentlichen Teil des Fahrzeuggewichts trägt, um das Rollband fest auf den Boden zu drücken. Für die Implementierung der vorliegenden Erfindung genügt es, wenn die Anpreßkraft des Rollbands auf dem Gelände groß genug ist, um ein Gleiten des Bands bezüglich des Geländes in Längsrichtung zu verhindern.
- Die Meßachse kann auf mehrere verschiedene Arten definiert werden. Sie kann insbesondere vollständig bezüglich des Fahrzeugs definiert werden. Es handelt sich dann beispielsweise um die Längsachse des Fahrzeugs. Sie kann aber auch vollständig bezüglich des Geländes definiert sein. Dann handelt es sich beispielsweise um die waagrechte Nord- Süd-Achse. Schließlich kann sie teilweise bezüglich des Fahrzeugs und teilweise bezüglich des Geländes definiert sein. Dann handelt es sich beispielsweise um die Projektion der Längsachse des Fahrzeugs auf eine waagrechte Ebene. Für die Navigation eines Fahrzeugs, das seine Richtung ggf. ändert, sind mindestens zwei vom Gelände abhängige Meßachsen erforderlich.
- Die Mittel zur Messung des Kontaktwinkels können unterschiedlich ausgebildet sein. Insbesondere können sie eine Folge von Kontaktsonden besitzen, die über einen Teil des Rollwegs einer Kette verteilt sind, um den Punkt zu erfassen, an dem die Kette auf dem Gelände aufliegt, oder man kann eine mechanische oder optische Sonde zur örtlichen Messung der Neigung des Geländes bezüglich des Fahrzeugkörpers oder eine Kamera verwenden, die ein Bild des Rollbands und des Geländes erzeugt, gefolgt von Bildanalysemitteln, oder auch Kraftmeßsonden, die nach Lage und Richtung die Gesamtheit der Auflagekräfte messen können, die zwischen dem Rollband und dem Gelände auftreten. Solche Kraftmeßsonden sind im französischen Patent 2 653 731 und der US-Patentanmeldung SN 604 624 (Argouarc'h) beschrieben, wobei letztere ein Notfallfahrzeug offenbart, auf das die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
- Auch die Bewegungsrechenmittel können sehr unterschiedlich ausgebildet sein. Es ist insbesondere möglich, aber nicht notwendig, daß ein Rechenschritt explizit den Wert des Kontaktneigungswinkels oder seiner Kosinusfunktion ergibt. Es ist lediglich notwendig, daß die Rechnung die von den Kontaktwinkelmeßmitteln gelieferten Informationen so berücksichtigt, daß die korrigierte Strecke tatsächlich dem Produkt aus der gemessenen Strecke mit dem Kosinus des Neigungswinkels entspricht.
Mit Hilfe der beiliegenden schematischen Zeichnungen, die jeweils nicht die Erfindung beschränken, wird nun gezeigt, wie die Erfindung ins Werk gesetzt werden kann. Wenn ein Element in mehreren Figuren vorkommt, trägt es dasselbe Bezugszeichen.
Figur 1 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Fahrzeug von der Seite und dient der Darstellung des Prinzips dieser Erfindung.
Figur 2 zeigt das gleiche Fahrzeug von oben um die Meßachsen festzulegen, entlang denen die Bewegung des Fahrzeugs gemessen wird.
Figur 3 zeigt in Perspektive ein zweites erfindungsgemäßes Fahrzeug, das in schwierigem Gelände operieren kann.
Figur 4 zeigt von der Seite einen Kettenantrieb dieses zweiten Fahrzeugs.
Figur 5 zeigt dieses zweite Fahrzeug in einem Hanggelände.
Figur 6 zeigt dieses zweite Fahrzeug während eines Manövers, bei dem die Wanne des Fahrzeugs angehoben werden soll.
Figur 7 zeigt ein Blockschaltbild der Bewegungsmeßvorrichtung dieses zweiten Fahrzeugs.
Nun werden ganz allgemein verschiedene Maßnahmen erläutert, die für beide als Ausführungsbeispiel für die vorliegenden Erfindung herangezogenen Fahrzeuge gelten.
Wenn zwei Elemente entsprechende Funktionen in diesen beiden Fahrzeugen bzw. in Verbindung mit diesen beiden Fahrzeugen erfüllen, trägt das Element im ersten Fahrzeug 5 eine Bezugszahl unter 50 und im zweiten Fahrzeug eine um 50 bezüglich der ersten Bezugszahl erhöhte Bezugszahl.
Unter den Maßnahmen, die für beide Fahrzeuge gelten, sind einige bereits bei älteren Fahrzeugen bekannt. Gemäß diesen bekannten Maßnahmen besitzt ein Fahrzeug einen Fahrzeugkörper 2, 52 und eine Gruppe von Bewegungsorganen 4, 6, 8, 54, 56, 58, die auf einem Gelände 10, 60 aufliegen, um den Fahrzeugkörper zu tragen und ihm seine Bewegung zu erlauben.
Mindestens ein Organ dieser Gruppe bildet ein Strekkenmeßorgan 4, 54 und enthält seinerseits die folgenden Elemente:
- Ein Rollband 12, 62, in Form einer geschlossenen Schleife. Dieses Band ist so gestaltet, daß es in Längsrichtung bezüglich des Geländes nicht gleitet, wenn es auf 20 dem Gelände aufliegt.
- Einen Kern 14, 64, der für dieses Band einen Rollweg bildet. In den Figuren ist dieser Rollweg als mit dem Band zusammenfallend gezeichnet und wird daher mit der gleichen Bezugszahl versehen. Der Kern hält das Band auf seinem Weg, ohne seinen Umlauf in Längsrichtung durch nennenswerte Reibung zu beeinträchtigen. Der Kern bringt das Band mit dem Gelände in einem Kontaktpunkt 16, 66 in Berührung.
- Schließlich ein Verbindungsorgan 18, 19, 68, das den Kern mit dem Fahrzeugkörper verbindet.
Das Fahrzeug enthält weiter eine Bewegungsmeßvorrichtung mit einer Streckenmeßsonde 20, 70, die eine Strekkenlänge entsprechend der durch das Rollband des Streckenmeßorgans in Längsrichtung auf dem Rollweg durchlaufenen Strecke liefert.
Auf dem ersten Fahrzeug bestehen die Bewegungsorgane aus vier Rädern, die je einzeln aufgehängt sind.
Eines dieser Räder bildet das Streckenmeßorgan 4, und sein Aufhängungsorgan ist symbolisch durch ein Teleskopträgerbein 19, das senkrecht und reibungsfrei um Körper 2 gleitet, sowie durch eine Feder 17 angedeutet, die eine permanente vertikale Anpreßkraft des Rades auf dem Gelände trotz der Hindernisse 11 auf diesem Gelände gewährleistet.
Es wird davon ausgegangen, daß der Antrieb des 10 Fahrzeugs durch nicht dargestellte Mittel gewährleistet wird. Die Streckenmeßsonde 20 mißt die Drehung dieses Rads.
Die Bewegungsorgane des zweiten als Beispiel angegebenen Fahrzeugs werden von vier Kettenantrieben wie 54 gebildet. Die das Rollband dieses Antriebs bildende Kette 62 wird von einem Antriebsritzel 100 in Bewegung versetzt, das seinerseits über eine Kette 103 von einem mit einem nicht dargestellten und im Körper des Fahrzeugs befindlichen Motor gekoppelten Antriebsritzel 102 angetrieben wird. Die Strekkenmeßsonde 70 mißt die Drehung dieses Motorritzels und kann sich im Körper des Fahrzeugs befinden.
In beiden Fahrzeugen gemäß der vorliegenden Erfindung berücksichtigt die Bewegungsmeßvorrichtung getrennt eine kontinuierliche Folge von Einzelstrecken. Diese Einzelstrecken bilden die primären Elementarstrecken und werden je während einer entsprechenden Zeitdauer durchlaufen. Diese Zeitdauern folgen kontinuierlich aufeinander zwischen einem Anfangszeitpunkt und einem Meßzeitpunkt.
Die Bewegungsvorrichtung enthält weiter folgende Elemente:
- Mittel zur Messung des Kontaktwinkels, die in jeder dieser Zeitdauern einen Kontaktneigungswinkel messen, der der Winkel der Tangente zum Rollweg im Kontaktpunkt bezüglich einer Meßachse während dieser Zeitdauer ist. Mehrere Meßachsen können definiert sein, die entweder mit dem Fahrzeug verknüpft sind, wie die Achse j für das erste Fahrzeug oder die Achsen i, j, k für das zweite Fahrzeug, oder mit dem Gelände verknüpft sind, wie z.B. die Achsen x, y für das erste Fahrzeug und x, y, z für das zweite Fahrzeug. Diese Meßmittel werden weiter unten erläutert.
-Mittel zur Berechnung der Bewegung, die Mittel zur Streckenlängenkorrektur 28, 78 besitzen, um jede primäre Elementarstrecke mit einem Koeffizienten gleich dem Kosinus des entsprechenden Neigungswinkels zu versehen, so daß sich eine korrigierte Elementarstrecke ergibt, die für die Bewegung des Streckenmeßorgans bezüglich des Geländes während der entsprechenden Zeitdauer in Richtung der Meßachse repräsentativ ist.
- Schließlich Integrationsmittel 28, 78, die die Summe dieser korrigierten Elementarstrecken liefern, welche eine Bewegung des Streckenmeßorgans repräsentativ für die Bewegung des Streckenmeßorgans entlang dieser Meßachse zwischen dem Anfangszeitpunkt und dem Meßzeitpunkt bildet.
Genauer betrachtet enthalten die Mittel zur Messung des Kontaktwinkels zum einen primäre Kontaktwinkelmeßmittel 22, 72, 24, 74, um einen primären Neigungswinkel zu messen, der der Tangente des Rollwegs im Kontaktpunkt 16, 66 bezüglich einer mit dem Körper des Fahrzeugs 2, 52 verknüpften Fahrzeugachse ist. Diese Fahrzeugachse verläuft parallel zu einer Rollebene j, k, die die Ebene ist, in der sich die Länge des Rollwegs erstreckt. Sie ist insbesondere die Längsachse j, entlang der sich das Fahrzeug normalerweise bewegt. Diese Kontaktwinkelmeßmittel enthalten weiter eine Sonde zur Messung der Absolutrichtung 25, 75, um eine Ausrichtung der Fahrzeugachse j bezüglich mindestens einer Achse im Gelände x, y oder z zu liefern, die eine Meßachse bildet. Schließlich enthalten die Winkelmeßmittel Mittel zur Winkelkombination 27, 76, die den primären Neigungswinkel mit der Orientierung der Fahrzeugachse kombinieren und den Kontaktneigungswinkel liefern. Diese Mittel zur winkelmäßigen Kombination sind durch die Schaltung 27 in Figur 1 bezüglich des ersten Fahrzeugs symbolisch angedeutet. Im zweiten Fahrzeug sind sie (siehe Figur 7) in die Bewegungsrechenmittel 76 integriert.
Diese primären Kontaktwinkelmeßmittel enthalten:
- mindestens einen Verbindungskraftsensor 22, 72, der einen Meßwert für die Verbindungskraft entsprechend mindestens teilweise einem System von Verbindungskräften liefern soll, die von dem Verbindungsorgan zwischen dem Kern 14, 64 des Streckenmeßorgans und dem Fahrzeugkörper 2, 52 übertragen werden,
- und primäre Neigungsrechenmittel 24, 74, die diesen Kraftmeßwert verwenden, um den primären Kontaktneigungswinkel zu liefern.
Das Eigengewicht des Streckenmeßorgans und der Rollweg sind bekannt, so daß die vollständige Kenntnis des Systems von Verbindungskräften die Rechenmittel 24, 74 in die Lage versetzt, vollständig die Kraft zu kennen, die zwischen dem Gelände und dem Rollband auftritt, also insbesondere im Kontaktpunkt 16 oder 66, der den Punkt bildet, an dem diese Kraft den Rollweg, d.h. die Neigung der Tangente an diesem Weg, schneidet. Es ist jedoch nicht notwendig, daß Kraftmeßsonden die sechs Komponenten dieses Kräftesystems messen. Es genügt, die drei Komponenten zu kennen, die die Kraft definieren, welche sich in der Rollebene ausbildet, beispielsweise eine vertikale Komponente gemäß der Achse k, eine horizontale Komponente gemäß der Achse j und ein Drehmoment um die Achse i. Die Realisierung der geeigneten Rechenmittel bietet dem Fachmann keine Schwierigkeiten.
Im Rahmen eines sehr einfachen Beispiels sei die 30 Situation des ersten in Figur 1 gezeigten Fahrzeugs betrachtet, indem man davon ausgeht, daß das Rad 4 keiner Reibung unterliegt, was das Drehmoment um die Achse i eliminiert, und daß die Achse j horizontal verläuft.
Die Sonden wie z.B. 22 messen eine waagrechte Kraft, die bezüglich der vertikalen Kraft beispielsweise 1,732 mal größer ist. Eine einfache Rechnung zeigt dann, daß die Flanke des Hindernisses 11, das vom Rad angetroffen wird, eine Neigung von 600 bezüglich der Waagrechten hat, d.h. daß der primäre Kontaktneigungswinkel 600 beträgt. Die korrigierte Elementarstrecke ist also gegenüber der Meßachse j gleich der Hälfte der von der Streckenmeßsonde 20 gemessenen primären Elementarstrecke.
Diese Elementarstrecke wird ein erstes Mal bei 26 korrigiert. Um eine Bewegung im Koordinatensystem des Gelän-10 des zu liefern, wird diese Elementarstrecke weiter ein zweites Mal bei 27 ausgehend von Orientierungsinformationen korrigiert, die von einer Trägheitszentrale 25 geliefert werden.
Um zwei gemäß zwei Achsen x und y korrigierte Elementarbewegungen zu liefern, erfolgt diese zweite Korrektur zweimal parallel durch Multiplikation mit dem Kosinus des Winkels zwischen der Achse j und der Achse x und mit dem Kosinus des Winkels zwischen der Achse j und der Achse y. Die gemäß diesen beiden Achsen korrigierten Elementarbewe-20 gungen werden in Integrationsmitteln 28 integriert und liefern die Koordinaten X und Y des Fahrzeugs bezogen auf einen Ursprungspunkt.
Diese Koordinaten werden in einem Speicherorgan 30 registriert.
Entsprechende, wenn auch komplexere Berechnungen erfolgen im zweiten als Beispiel angegebenen Fahrzeug. In diesem zweiten Fahrzeug erlaubt das Verbindungsorgan 68 Bewegungen des Fahrzeugkörpers 52 bezüglich des Streckenmeßorgans 54, und die Lage und Orientierung des Fahrzeugkörpers müssen gemäß drei Achsen bekannt sein. Daher enthält dieses Fahrzeug eine Verbindungsbewegungssonde 124, um zumindest indirekt eine Relativbewegung des Fahrzeugkörpers bezüglich des Kerns 64 des Streckenmeßorgans 54 in einem Bezugssystem des Fahrzeugs bestehend aus drei Fahrzeugachsen i, j, k zu 35 messen. Die Mittel zur Berechnung der Bewegung 76 fügen diese relative Bewegung des Fahrzeugkörpers zur Bewegung des Streckenmeßorgans im Bezugssystem des Fahrzeugs hinzu, um eine primäre Bewegung des Fahrzeugkörpers in diesem Fahrzeugbezugssystem zu erhalten.
- Eine Orientierungssonde, die aus einer Trägheitszentrale besteht, liefert eine Orientierung dieses Fahrzeugbezugssystems in einem Geländebezugssystem, das durch die drei Geländeachsen x, y, z gebildet wird.
Die Bewegungsrechenmittel verwenden einerseits die 10 primäre Bewegung des Fahrzeugkörpers und andererseits die Orientierung des Fahrzeugbezugssystems, um Bewegungen des Fahrzeugs zu liefern, die für Bewegungen des Fahrzeugkörpers im Geländebezugssystem repräsentativ sind.
Diese relativen Bewegungen des Fahrzeugkörpers 52 stammen insbesondere von Neigungsbewegungen des Kerns 64 des Streckenmeßorgans 54 bezüglich des Fahrzeugkörpers um eine Neigungsachse 120, die mit diesem Organ verbunden ist und parallel zur Achse i liegt, die eine transversale Achse ist. Eine solche Bewegung ist durch einen Pfeil 122 in Figur 4 20 angedeutet. Genauer betrachtet liefert die Verbindungsbewegungssonde 124 einen Vektor der Neigungsgeschwindigkeit des Streckenmeßorgans, der entlang der Achse 120 ausgerichtet ist und eine für die Winkelgeschwindigkeit der Neigungsbewegung repräsentative Größe besitzt. Die Rollebene liegt senkrecht zu dieser Neigungsachse und schneidet diese Achse in einem Neigungszentrum 80. Der Rollweg weicht von einem Kreis ab, dessen Zentrum dieses Neigungszentrum wäre.
Die Kontaktwinkelmeßmittel mit den Sonden 74 liefern die Lage des Kontaktpunkts 66 im Fahrzeugbezugssystem.
Die Bewegungsrechenmittel 76 verwenden den Neigungsvektor des Streckenmeßorgans und die Lage des Kontaktpunkts, um eine Geschwindigkeit bezüglich des Neigungszentrums zu liefern, die für die Bewegungsgeschwindigkeit dieses Neigungszentrums bezüglich des Geländes unter der Wirkung der Neigungsbewegung im Fahrzeugbezugssystem repräsentativ ist.
Diese Geschwindigkeit ist das Vektorprodukt aus dem Neigungsvektor des Streckenmeßorgans mit einem Vektor, der das Neigungszentrum mit dem Kontaktpunkt verbindet. Eine Integration dieser Relativgeschwindigkeit ergibt die relative Neigungsbewegung, die der Bewegung des Rollorgans hinzugefügt wird, um eine Primärbewegung des Fahrzeugkörpers zu liefern.
Natürlich können die Lage und die Winkelstellung des Fahrzeugkörpers erst vollständig mit Hilfe weiterer Informationen ermittelt werden, beispielsweise der Kenntnis der Bewegungen von drei Neigungszentren dreier Streckenmeßorgane.
Die Neigungsbewegung wird durch die Tatsache ermöglicht, daß der Kern 64 des Streckenmeßorgans 54 drehbar um eine rohrförmige Nabe (68) montiert ist, die das oben erwähnte Verbindungsorgan bildet. Das Motorantriebsritzel 102 wird ausgehend vom Fahrzeugkörper über eine nicht dargestellte Antriebswelle angetrieben, die im Inneren dieser Nabe verläuft. Die Neigungsbewegung wird ebenfalls ausgehend vom Fahrzeugkörper über eine Neigungsachse angetrieben, die innerhalb der Antriebswelle verläuft und am Ende ein Neigungsmotorritzel 106 trägt. Letzteres treibt über eine Kette 108 ein Zahnrad 110 an, das um eine mit dem Kern 64 verbundene Zwischenachse 112 umläuft. Dieses Zahnrad treibt koaxial ein kleineres Zahnrad 114, das eine Kette 116 antreibt, die sich auf einem mit der Nabe 68 fest verbundenen Zahnrad 118 abstützt. Die Elemente 106 bis 118 bilden einen Untersetzer für die Neigungsgeschwindigkeit.
Die Verbindungskraftsonden 72 sind in die Nabe 68 so eingesetzt, daß die von dieser Nabe übertragenen Kräfte durch diese Sonden verlaufen.
Das dargestellte Fahrzeug besitzt vier Streckenmeßorgane wie 54, 56 und 58, um vier primäre Elementarstrecken zu liefern.
Die Bewegungsrechenmittel 76 enthalten Mittel zur Berechnung der gemessenen Wegstrecke, um mehrere korrigierte Elementarstrecken ausgehend von jeder dieser primären Elementarstrecken und ausgehend von jeder dieser korrigierten Strecken eine elementare Bewegungsabschätzung des Fahrzeugs zu liefern, die für die Bewegung des Fahrzeugkörpers 52 während der entsprechenden Zeitdauer repräsentativ ist.
Außerdem ist die jeweilige Zeitdauer so bestimmt, daß jede derartige elementare Bewegungsabschätzung des Fahrzeugs eine Abschätzung der Streckengeschwindigkeit ist, und die Trägheitszentrale 75 liefert für jede Zeitdauer eine Geschwindigkeitsabschätzung auf Trägheitsbasis, die sich durch Integration der Beschleunigungsmessungen ergibt und für mindestens eine Geschwindigkeit dieses Körpers repräsentativ ist.
Die Bewegungsrechenmittel 76 werden dann durch Mittel zur Kombination von Informationen 82 vervollständigt, um diese Geschwindigkeitsabschätzungen auf der Basis der Strekkenmessung und der Trägheitszentrale miteinander zu kombinieren, so daß sich eine globale Geschwindigkeitsabschätzung ergibt. Diese Mittel zur Kombination von Informationen 82 bilden beispielsweise gleichzeitig ein Kalman-Filter, um die auf Streckenmeßbasis und in der Trägheitszentrale erhaltenen Geschwindigkeitsabschätzungen zu filtern. Sie liefern getrennt einerseits mit Hilfe der Integrationsmittel 78 die Verschiebung eines Punktes des Fahrzeugkörpers, um die Lage des Fahrzeugs im Gelände zu kennen, und andererseits vor der Integration mit Hilfe eines Umwandlungsorgans 104 die Geschwindigkeiten der verschiedenen Antriebe im Fahrzeugbezugssystem.
Es versteht sich, daß die verschiedenen Rechenmittel wie 74, 76, 78, 82, 104 vorzugsweise in einem gemeinsamen Rechner in Form unterschiedlicher Programme oder eines gemeinsamen Programms implementiert sein können, das die verschiedenen oben angegebenen Funktionen zusammenfaßt.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Bewegung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Roboters für schwieriges Gelände, wobei die Vorrichtung aufweist:

- ein Rollband (12, 62), das eine Länge in einer geschlossenen Schleife bildet und so gestaltet ist, daß es in Längsrichtung bezüglich eines Geländes (10, 60) nicht gleitet, auf dem es aufliegt,

- ein Streckenmeßorgan (4), das dieses Rollband trägt und führt und in Längsrichtung auf einem Rollweg umlaufen läßt, der durch dieses Organ gebildet wird und das Band auf das Gelände aufdrücken kann,

- und eine Streckenmeßsonde (20, 70), um eine Strekkenlänge zu liefern, die die von dem Rollband durchlaufene Strecke in Längsrichtung auf den Rollweg bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiter enthält:

- Mittel zur Definition einer Meßachse (j),

- Mittel zur Messung des Kontaktwinkels (22, 24, 72, 74), die einen Kontaktneigungswinkel liefern, der bezüglich der Meßachse den Neigungswinkel der Tangente zum Rollweg in einem Kontaktpunkt (16, 66) darstellt, in dem das Rollband auf dem Gelände aufliegt,

- und Bewegungsrechenmittel (26, 76), die von der Streckenmeßsonde und von den Mitteln zur Winkelmessung gespeist werden und zumindest indirekt eine Multiplizierung dieser gemessenen Strecke mit dem Kosinus des Neigungswinkels durchführen, um eine für die Bewegung des Streckenmeßorgans bezüglich des Geländes entlang der Meßachse repräsentative korrigierte Strecke zu liefern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Meßstrecke eine Elementarstrecke ist, die in einer entsprechenden Zeitdauer gemessen wird und bei der der Kontaktneigungswinkel während dieser entsprechenden Zeitdauer gemessen wird, wobei die korrigierte Strecke eine korrigierte Elementarstrecke entsprechend dieser Zeitdauer ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiter Integrationsmittel (26, 76) aufweist, um die Summe von korrigierten Elementarstrecken entsprechend einer Anzahl von Zeitdauern zu liefern, die eine kontinuierliche Folge ab einem Ursprungszeitpunkt bis zum Meßzeitpunkt bilden, so daß diese Summe für die Verschiebung des Strekkenmeßorgans (4, 54) entlang der Meßachse (j) zwischen diesen beiden Zeitpunkten repräsentativ ist.

3. Fahrzeug, insbesondere ein Roboter für schwieriges Gelände,

- mit einem Fahrzeugkörper (2, 52),

- und mit einer Gruppe von Bewegungsorganen (4, 6, 8, 54, 56, 58), die sich auf dem Gelände (10, 60) abstützen, um den Körper zu tragen und ihn zu verschieben, wobei mindestens ein Organ dieser Gruppe ein Streckenmeßorgan (4, 54) bildet, das aufweist:

- ein Rollband (12, 62) mit einer bestimmten Länge in geschlossener Schleife, das so gestaltet ist, daß es in Längsrichtung bezüglich des Geländes nicht gleitet, wenn es auf diesem aufliegt,

- einen Kern (14, 64), der einen Rollweg für dieses Rollband bildet, um das Band zu halten und in seiner Längsrichtung auf diesem Weg umlaufen zu lassen, wobei dieser Rollweg das Band auf das Gelände in einem Kontaktpunkt (16, 66) aufdrückt,

- und ein Verbindungsorgan (18, 19, 68), das diesen Kern mit dem Fahrzeugkörper verbindet,

- wobei das Fahrzeug weiter eine Vorrichtung zur Bewegungsmessung aufweist, zu der eine Streckenmeßsonde (20, 70) gehört, um eine gemessene Streckenlänge zu liefern, die die von dem Rollband des Streckenmeßorgans in seiner Längsrichtung auf dem Rollweg durchlaufene Strecke ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Bewegungsmessung zur getrennten Messung einer kontinuierlichen Folge von Elementarstrecken ausgebildet ist, die primäre Elementarstrecken bilden und während je einer der entsprechenden Zeitdauern durchfahren werden, wobei diese Zeitdauern kontinuierlich ab einem Ursprungszeitpunkt bis zu einem Meßzeitpunkt aufeinanderfolgen,

- wobei die Bewegungsmeßvorrichtung weiter aufweist

- Mittel, um mindestens eine Meßachse zu definieren,

- Mittel zur Messung des Kontaktwinkels (22, 24, 25, 72, 74), die in jeder Zeitdauer einen Kontaktneigungswinkel messen, der der Winkel der Tangente des Rollwegs im Kontaktpunkt bezüglich einer der Meßachsen x, y, z) während dieser Zeitdauer ist,

- und Bewegungsrechenmittel, die enthalten:

- - Mittel zur Streckenlängenkorrektur (26, 27, 76), um jede primäre Elementarstreckenlänge mit einem Koeffizienten gleich dem Kosinus des entsprechenden Neigungswinkels zu multiplizieren, so daß sich eine korrigierte Elementarstreckenlänge ergibt, die für die Bewegung des Streckenmeßorgans bezüglich des Geländes während dieser entsprechenden Zeitdauer entlang der Meßachse repräsentativ ist,

- - und Integrationsmittel (28, 78), um die Summe dieser korrigierten Elementarstrecken zu liefern, die eine Bewegung des Streckenmeßorgans wiedergibt, wobei die Bewegung entlang der Meßachse zwischen dem Ursprungszeitpunkt und dem Meßzeitpunkt gemessen wird.

4. Fahrzeug nach Anspruch 3, in dem die Mittel zur Messung des Kontaktwinkels Mittel zur Messung des primären Kontaktwinkels (22, 72) enthalten, die einen primären Neigungswinkel messen, der der Tangente an den Rollweg im Kontakt punkt (16, 66) bezüglich einer mit dem Fahrzeugkörper (62, 52) verbundenen Fahrzeugachse (j) bildet.

5. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Messung des Kontaktwinkels außerdem mindestens eine Orientierungssonde (25, 75) aufweisen, die eine Orientierung der Fahrzeugachse (j) bezüglich eines Gelände- Bezugssystems (x, y, z) liefert, das mindestens eine mit dem Gelände verknüpfte Achse (60) enthält, die die Meßachse bildet, und daß weiter Winkelkombinationsmittel (27, 76) vorgesehen sind, um den primären Neigungswinkel mit der Orientierung der Fahrzeugachse zu kombinieren und den Kontaktneigungswinkel zu liefern.

6. Fahrzeug nach Anspruch 4, in dem der Rollweg (12, 62) eine Schleife in einer Rollebene (j, k) bildet, wobei die Fahrzeugachse (j) sich in dieser Ebene befindet.

7. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Messung des primären Kontaktwinkels aufweisen:

- mindestens eine Verbindungskraftmeßsonde (22, 72), die einen Meßwert der Verbindungskraft liefert, der mindestens teilweise ein System von Verbindungskräften darstellt, die von dem Verbindungsorgan zwischen dem Kern (14, 64) des Streckenmeßorgans und dem Fahrzeugkörper (2, 52) übertragen werden,

- und primäre Neigungsrechenmittel (24, 74), die diesen Verbindungskraftmeßwert verwenden, um den primären Kontaktneigungswinkel zu liefern.

8. Fahrzeug nach Anspruch 3, in dem das Verbindungsorgan (68) Bewegungen des Fahrzeugkörpers (2, 52) bezüglich des treckenmeßorgans (4, 54) erlaubt,

dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist:

- mindestens eine Verbindungsbewegungssonde (124), um mindestens indirekt eine Relativbewegung des Fahrzeugkörpers bezüglich des Kerns (64) des Streckenmeßorgans (54) in einem Fahrzeugbezugssystems (i, j, k) zu messen, das mit dem Fahrzeugkörper verbunden ist und aus den Meßachsen besteht,

- Rechenmittel (76), um diese Relativbewegung des Fahrzeugkörpers zur Bewegung des Streckenmeßorgans in dem Fahrzeugbezugssystem zu addieren, so daß sich eine primäre Bewegung des Fahrzeugkörpers im Fahrzeugbezugssystem ergibt,

- und eine Orientierungssonde (25, 75), um eine Ausrichtung dieses Fahrzeugbezugssystems zu einem mit dem Gelände verknüpften Bezugssystem zu liefern, das aus mindestens zwei Geländeachsen besteht, die weitere Meßachsen bilden,

- wobei die Bewegungsrechenmittel (76) einerseits die primäre Bewegung des Fahrzeugkörpers und andererseits die Ausrichtung des Fahrzeugbezugssystems verwenden, um eine Bewegung des Fahrzeugs zu liefern, die für die Bewegung des 15 Fahrzeugkörpers im Geländebezugssystem repräsentativ ist.

9. Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es mehrere Streckenmeßorgane (54, 56, 58) aufweist, um mehrere primäre Meßstrecken zu liefern, und daß die Bewegungsrechenmittel auf der Streckenmessung beruhende Rechenmittel (76) aufweisen, um mehrere korrigierte Elementarstrecken ausgehend von den primären Elementarstrecken zu liefern und ausgehend von jeder der Strecken eine Abschätzung der Elementarbewegung des Fahrzeugs entsprechend einer Bewegung des Fahrzeugkörpers (52) während der entsprechenden Zeitdauer zu liefern, wobei diese Zeitdauer so bestimmt ist, daß jede derartige Abschätzung der Elementarbewegung des Fahrzeugs eine Abschätzung der auf der Streckenmessung beruhenden Geschwindigkeit ist, und daß der Fahrzeugkörper eine Trägheitszentrale (75) trägt, die für jede Zeitdauer aufgrund von Beschleunigungsmessungen eine Geschwindigkeitsabschätzung auf der Basis der Trägheitsmessung liefert, die für mindestens eine Geschwindigkeit des Körpers repräsentativ ist, wobei die Bewegungsrechenmittel weiter Mittel zur Kombination von Informationen (28) aufweisen, die die Schätzwerte der aufgrund der Streckenmessung und aufgrund der Beschleunigungsmessung erhaltenen Schätzwerte kombinieren, so daß sich eine globale Geschwindigkeitsabschätzung ergibt.

10. Fahrzeug nach Anspruch 9, in dem die Mittel zur Kombination von Informationen (82) ein Kalman-Filter bilden, um die auf der Streckenmessung und der Beschleunigungsmessung beruhenden Schätzungen zu filtern.