引导无人驾驶车辆的方法和设备

摘要

用于沿着由设置在道路表面上的导向缆线限定的路径引导无人驾驶车辆的方法和设备，包括：安装一个第一线圈，该线圈具有与所述车辆的水平方向成+45度的线圈主轴；安装一个第二线圈，它具有与所述车辆的水平方向成-45度的线圈主轴，从而使所述第一和第二线圈的主轴相交；用各个线圈检测电磁场的径向和环向场矢量；比较各个线圈的径向矢量幅度和环向矢量幅度，从而确定线圈的主轴的交点相对于导向缆线的横向位置，以表明车辆相对于所述路径的横向偏移。

说明书

本发明涉及用于沿着埋置在道路表面上的导向缆来引导无人驾驶车辆的设备和方法，且更具体地说，是涉及两个检测线圈的使用，这两个检测线圈以X配置被设置在车辆中，以检测与空间独立的电磁场方向矢量和电磁场幅度—这些信息被用来测量车辆相对于导向缆的横向偏移，以对车辆进行导向，从而使其沿着导向缆。

在无人驾驶车辆上，已经设置了垂直设置的线圈，用于检测导向缆周围的电磁场，以沿着缆线自动地引导无人驾驶车辆。在已知的设备中，一个线圈被垂直地设置，而另一个线圈被水平地设置。在线圈中感应出的电压得到比较，并被用来确定线圈相对于导向缆的横向位置。这种位置信息受到处理，并被用于引导车辆。

与这些线圈有关的输出电压，与导向缆中的电流频率、导向缆电流幅度、距导向缆的径向距离、线圈铁芯的大小、线圈匝数以及线圈主轴与从缆至线圈中心之间的线的夹角(称为角β)成正比地改变。

当各个线圈在垂直于产生磁场的缆线的平面中转动时，其输出将在线圈铁芯与圆周方向的磁力线平行时达到最大。其输出将在线圈铁芯与磁力线垂直(即指向或指离连线)时达到最小(零)。因此，线圈的相对效率以角β的正弦函数的形式改变。

该sinβ项，反映了在各个线圈位置检测到的径向与环向场的比值，并影响着检测输出。因此，两个线圈所检测的幅度的差，是取决于该径向项、各个线圈之间的相应距离以及缆线电流的。这些因素中任何一个的改变，都对输出信号有显著的影响。另外，根据角β，与传统设备有关的径向和/或环向场信息必须被舍弃，从而使信/噪比不那么理想。传统线圈配置的另一个缺点，是线圈提供的信息只表示了相对于导向缆的近似横向偏移，而不是对横向偏移的距离的测量。因此，只能沿着与偏移相反的方向进行车辆引导校正，而没有精确性。

本发明的一个目的，是提供一种用于沿着设置在道路表面的导向缆线引导无人驾驶车辆的设备，它测量车辆对导向缆线的横向偏移。

本发明的另一个目的，是提供一种用于沿着设置在道路表面上的导向缆线引导无人驾驶车辆的设备，其缆线的“视场”比传统设备中的大。

本发明的另一个目的，是提供一种设备，它包括垂直设置的线圈，这些线圈用于提供偏离中心位移测量信息，以根据检测到的距设置在道路表面上的导向缆线的横向偏移，来引导无人驾驶车辆，其中该检测横向偏移只从一个电磁场方向矢量确定并与所有电磁场幅度分量无关。

本发明的又一个目的，是提供一种用于在一个单个的空间点检测电磁场方向矢量的方法，用于提供一个误差信号，该误差信号确定了一个测量结果，以用于在设置在道路表面上的导向缆线上引导无人驾驶车辆。

在实现上述目的和其他目的中，该设备沿着由设置在道路表面上的导向缆线限定的路径引导无人驾驶车辆，其中该导向缆线携带着一个电流，而该电流在导向缆线周围的空间中产生电磁场，该设备包括用于检测缆线周围的电磁场的幅度和方向的检测器。该检测器由在空间上分开的第一和第二检测线圈组成，这些线圈具有主轴并以X线圈配置被安装在所述车辆上，从而使该主轴与电流的方向相交，并与道路表面大体上成+/-45度的角度。各个检测线圈检测给定点的磁场的径向和环向场矢量，且一个与该第一和第二检测线圈相连的处理器将该径向矢量的幅度与环向矢量的幅度相比较，从而确定检测器的横向位置相对于所述导向缆线的测量结果。

在一种用于沿着由设置在水平道路表面上的导向缆线限定的路径引导无人驾驶车辆的方法中，一个电流在导向缆线周围的空间中产生电磁场，该方法包括以下步骤：

在所述车辆上安装一个第一线圈，该第一线圈的主轴与水平方向成+45度；

在所述车辆上安装一个第二线圈，该第二线圈的主轴与水平方向成-45度，从而使第一和第二线圈的轴沿着电流的方向相交；

用各个线圈检测电磁场的径向和环向场矢量；

将径向矢量的幅度与环向矢量的幅度相比较，以建立线圈的轴的相交点的横向位置相对于路径的偏离中心偏移信息；以及

将该信息传送到一个驾驶组件，以对该车辆进行驾驶。

通过以下结合附图对本发明的最佳实施例所进行的详细描述，可以容易地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点。

图1是在导向缆线上的无人驾驶车辆的前视或后视示意图；

图2显示了根据本发明的第一和第二线圈、携带有交流电的导向缆线产生的电磁场的磁力线和电压，这些线圈相对于水平大体成+/-45度地安装；

图3是框图，显示了检测线圈中的各种电压和由它们转换成的的输出偏离中心距离测量信号；且

图4是本发明的一个实施例的示意框图。

参见图1，其中显示了一个无人驾驶车辆10的前或后视图，该无人驾驶车辆10沿着设置在水平道路表面14上的导向缆线12移动。在车辆10上，安装有一个检测器16，该检测器16由两个检测线圈18、20组成。一个线圈18与道路表面14成+45度，而另一个线圈20则成-45度。+45和-45表示线圈的轴或其芯与道路表面14或水平方向的夹角。线圈16、18的轴沿着电流流动的方向相交。导向缆线12携带有交流电流，而当该交流电流没有受到干扰时，它产生具有圆形磁力线的电磁场，该电磁场在线圈18和20中产生出电压，这些电压可以被用来测量车辆10相对于导向缆线12的横向偏离中心位置，并随后被用于沿着缆线驾驶车辆。

现在参见图2-4描述无人驾驶车辆10在缆线12上得到引导的方式。图2中的虚线，代表导向缆线12周围的磁场的环向矢量。这些磁力线代表缆线12附近的区域不受铁磁物体和其他电流输送体的影响的情况(这些影响将使磁力线的圆形横截面发生畸变)。检测线圈18、20的高度h保持不变。

由于线圈18、20的几何安装设置—其中各个主轴与水平成+/-45度，各个线圈产生的输出电压，是导向缆线12的柱形电磁场的水平和纵向部分的矢量和。当检测器16的中心位于缆线的上方时，各个线圈18、20感觉到的水平和纵向信号的幅度是相等的。然而，各个信号的符号相反，因为各个线圈18、20看见的源位于它们的主轴的不同侧。当检测器16沿着横向移到导向缆线12的左或右侧时，各个线圈18、20的输出，作为其对水平平面的取向(+/-45度)与在纵向平面中的误差角度θ之和的函数而变化。

各个线圈的信号或电压，当其主轴与导向缆线12相垂直时，达到最大，且当其主轴指向导向缆线时为最小。由于这些线圈18、20在与缆线12平行的平面中移到，同时切割其柱形电磁场，因此它们的输出信号与(β_线圈1或β_线圈2)的正弦函数成正比地变化。

因此，通过用线圈18、20检测到的环向矢量之和除径向矢量之差，得到检测器16的真正位置或用于以下描述的反馈环的误差位置信息。实际的符号，表明它是被除以环向矢量之差的径向矢量之和，但为了保存硬件相位比较器操作以监测“引导保险”，线圈18、20的极性得到适当选取，以便当检测器16的中心位于缆线12上方时，线圈的输出的相位相差180度。因此，当检测器16的中心位于缆线12上方时，矢量相等但符号相反，分子中的径向矢量彼此抵消，同时在分母中环向矢量相加而得到加倍。由于高度h保持为正，即检测器16停留在缆线12之上，所以该分母将不会变成零而使除运算无效。

参见图2，以下的公式适用：

线圈1的信号＝K1×sin(β_线圈1)

线圈2的信号＝K1×sin(β_线圈2)

因此：

距离(+/-Err)＝高度×(线圈2的信号+线圈1的信号)/(线圈2的信号-线圈1的信号)

以下是上述线性测量公式的数学证明。

其中定义：

从竖直方向沿顺时针(CW)方向的角度为正。

半径r被定义为线圈18、20的中心与缆线12的中心之间的线段/距离。

电流被定义为导线中的电流。

频率被定义为电流的频率。

高度h是从缆线至其中线圈18、20能够移动的水平平面的纵向距离。

距离d(+/-)是从缆线至线圈的中心的水平距离。

α_线圈1是线圈1(+45)的偏离垂直角。

α_线圈2是线圈2(-45)的偏离垂直角。

θ是半径与高度之间的误差角。

K1与电流、频率和电感成正比并与半径成反比

线圈1的信号＝K1×sin(β_线圈1)(公式1)

线圈2的信号＝K1×sin(β_线圈2)(公式2)

如图2所示：

β_线圈1＝θ－α_线圈1

且

β_线圈2＝θ－α_线圈2

由于当θ＝α_线圈1，β_线圈1变成零且当θ＝α_线圈2时β_线圈2变成零

因此：

线圈1的信号＝K1×sin(θ－α_线圈1)(公式3)

线圈2的信号＝K1×sin(θ－α_线圈2)(公式4)

从sin(A－B)＝sin(A)cos(B)－cos(A)sin(B)，公式3和4能够被展开如下：

线圈1的信号＝K1×(sinθ×cosα_线圈1－

cosθ×sinα_线圈1)(公式5)

线圈2的信号＝K1×(sinθ×cosα_线圈2－

cosθ×sinα_线圈2)(公式6)

由于按照定义：

α_线圈1＝+45度，且α_线圈2＝-45度

我们看到；sinα_线圈1＝cosα_线圈1＝-sinα_线圈2

＝cosα_线圈2

而所有的幅度都等于(2的平方根)/2，即等于0.707

仍然参见图2所示的几何设置，可以看到：

sinθ＝距离/半径＝d/r

且

cosθ＝高度/半径＝h/r

借助以下替换，公式5和6能够得到简化：

线圈1的信号＝K1×(d/r×0.707－h/r×0.707)

线圈1的信号＝K1×(d/r×0.707－h/r×(-0.707))

或者，当

K’＝(K1×0.707)/r时

线圈1的信号＝K’×(d-h)

线圈2的信号＝K’×(d+h)

为了以检测器的高度h解出所希望的误差距离(+/-d)，两个线圈的输出被按照以下的方式结合起来：

(线圈2的信号＋线圈1的信号)/(线圈2的信号－线圈1的信号)＝K’×((d＋h)＋(d－h))/(K’×((d＋h)－(d－h)))＝(d＋h＋d－h)/(d＋h－d＋h)＝d/h＝距离/高度

因此：

距离(+/-Err)＝高度×(线圈2的信号＋线圈1的信号)/(线圈2的信号－线圈1的信号)

对这个解的利用，与已知的用于驾驶无人驾驶车辆的装置相结合，能够以如图3所示的框图实施。

参见图3，可以看到单独的加、减、除和乘，都是获得该解所要求的，并可以通过模拟或数字电路来进行处理。其他的信号处理，即滤波、交流解调、A/D转换，能够方便地实现。

为了利用检测器16，线圈18、20的输出必须得到同步解调，以保存符号信息。

图4以框图形式显示了将“X线圈”检测器应用于无人驾驶车辆10的驾驶系统中的一种方法。

参见图4，上述“X线圈”配置的一个例子是为车辆10设计的，用于在高于100毫安引导缆线3英寸的工作高度上进行驾驶，给出+/-3英寸的硬件“引导保险”宽度。然而，对于其中检测器高度h更高或更低的情况，可以采用以下描述的软件“引导保险”特征，从而使检测器16能够方便地覆盖1至6英寸高度的范围。采用AGC，数字驾驶单元能够处理20至400毫安的缆线电流、1至6英寸的高度范围和+/-12英寸的水平偏离范围。

采用高Q值滤波器和同步解调器，频率和相位不同步的外部信号被拒绝。然而，不会被拒绝的一个信号，是附近的相同的导线，诸如路径中的“返回切入”情况。返回切入将使电磁场畸变，从而使检测器的零点漂移。这种畸变将造成一个零点漂移，该零点漂移与检测器至各个缆线的距离成正比，即如果高度为3英寸且返回切入为24英寸，零点将漂移整个输出位置(在3英寸高度时为3英寸)的3/24，或3/24×3＝3/8英寸，而漂移的方向取决于“返回切入”的相位。在两个缆线之间距离的一半处，当所产生的环向矢量变为零时，每一个指标都下降。在10至12英寸的范围，由于接近20英尺的返回切入，在10至12英寸的范围，线性也下降。由于这些原因，该电流单元在水平位移为+/-8英寸处将检测器的输出信号定标至+/-全范围。

因此，检测器16的视场将被大大增大，而不损失左和右侧的方向性。这改善了“偏离导线操纵”的回复过程。另外，借助线性的巨大改进，以及目前的车辆检测器高度设置，所有的输出都变成+/-8英寸的单一比值，从而提供了+/-4英寸的偏离导线驾驶调节，以应付“返回切入”和/或对准负载的中心。

较宽的“视场”和线性性，提供了可变的编程“引导保险”界限。这种特征已经被证明是在监测“偏离导线操纵”中有用的。内部的硬件相位比较器提供了初级的+/-“引导保险”输出。但该窗口并不是是为所有的检测器高度设定的。

借助这种“X线圈”配置，该+/-“引导保险”窗口变得等于导线上方的线圈18、20的高度h，即对于位于导线中心上方3英寸处的检测器16，该“引导保险”窗口将为+/-3英寸，并在导线深度改变+/-1/2英寸时改变+/-1/2英寸。在一个车辆微计算机的控制下，该数字驾驶软件将控制哪一个或两个“引导保险”信号将被激活。

虽然已经详细描述了本发明的最佳实施例，但本领域的技术人员应该能够理解所附权利要求书的范围之内的各种替换设计和实施例。