车辆位置确定设备 本发明涉及用于确定移动车辆相对于一个固定地点标志设备的位置的设备。该地点标志设备包括加能的线圈，该线圈能发射磁场，装在移动车辆上的传感器单元检测该磁场，并产生最好以X和Y坐标值的形式表示该标志设备和传感单元的相对位置的地点信息。
该地点标志设备可以是从交流(AC)电源加能的一个线圈；另一方案，该地点标志设备可以是一个转发器(transpon-der)，它是有一个线圈的一个惰性装置，当由AC磁场(通常来自移动车辆的发射机)感应激励时，变为加能。转发器是市场上可买到的，它除了发射磁场外，还产生一个唯一的识别信号。这种装置称为编码转发器并且可任选地与本发明一起使用，以确定移动车辆相对于一个确定地点的位置。这里所用的术语“移动车辆”不仅意味着车辆本身，如自动导向车辆(AGV)；而且还表示在这种车辆上的可移动设备，如在铲车上的抓斗或者在拖挂车上的可移动的车钩。
本发明提供用于确定移动车辆相对于一个固定地点标志设备位置的设备，其中该地点标志设备包括有一个中央纵向轴的线圈，激励装置(exciter means)用于使该线圈发射确定频率的和由径向延伸的且弧形地来自该线圈纵轴的末端的磁通构成地磁场。该设备包括安装在移动车辆上的一个传感器单元。这个传感器单元包括四个相同的检测线圈，每个线圈响应所述磁场的频率，而且每个线圈有一个主轴。该传感器单元包括用于支持分成两对的检测线圈的装置，每对线圈的两主轴放置在定位于所述移动车辆上的两个平行平面中，因而横向地延伸到该标志设备的纵轴，每对检测线圈的其中一个的主轴横卧在两平面之一中，而每对的另一个检测线圈的主轴横卧在两平面的另一平面中。每对检测线圈的主轴安排成X型，其中每对的一个线圈的主轴垂直地延伸到每对的一另一个检测线圈的主轴，且其中每对的主轴在其长度中点交叉以确定每对检测线圈的中心。这些检测线圈对的中心是沿一条基线隔开一个固定的基准距离，该基线与每对的每个检测线圈的主轴以45度角交叉。响应其通过该地点标志设备的磁场，电路装置从每个检测线圈得到一个位置信号，还有一种装置，它根据所述位置信号和根据在所述检测线圈Y和X坐标值之间的角度关系进行计算，这两坐标值指示该检测单元相对于所述地点标志设备的位置。
最好是，检测线圈对都安装在具有相对地面对的基本平行的表面的一个平板上，所述两对中的每一对的一个检测线圈定位在所述平行表面之一上，而所述两对中的每一对的另一个检测线圈定位在所述平行表面的另一表面上。这个板可由电路板构成，在该电路板上至少用于从所述检测线圈之一获得位置信号的电路装置的一部分安装在其上。
当地点标志设备包括一个转发器时，激励装置由该移动车辆携带，和包括一个天线用于发送适于感应地激励所述转发器的线圈的一个频率信号。该天线最好在电路板上形成和由检测线圈周围的连续环路构成。
在本发明的设备用于检测移动车辆本身的位置的情况下，该检测线圈的主轴所在的平行平面最好垂直于地点标志设备的纵轴放置。
从下面的附图中所示的目前的优选实施例的叙述中，本发明的上述的和其它特性就更清楚。
图1是地点标志设备的线圈的平面视图，用图表示所发射的磁场的图形；
图2是以转发器的形式的地点标志设备的侧视图，用图表示由其线圈发射的磁场的图形；
图3是本发明的检测单元的平面视图，用图表示检测线圈、它们之间的角度关系和地点标志设备的磁场与检测单元之间的特定关系；
图3A是一个三角形，用于说明检测线圈和标志设备的磁场之间的数学上的关系；
图4是图3的检测单元的侧视图；
图5是说明与本发明的检测单元一起使用的电路元件的简图；
图6是说明安装在一个移动车辆如AGV上的本发明的传感器单元的平面视图；和
图7是说明与其它部件组合用于控制AGV运动的本发明的检测单元的侧视图。
图1表示包含一个线圈的地点标志设备10，该线圈有一个纵轴12垂直向该视平面伸展。当该线圈由经导线15和16接到该线圈的AC电源14激励时，该线圈发射由磁通线18构成的磁场，该磁通线径向伸展并从纵轴12的末端弧形地向外。这些磁通线的弧形图进一步由图2表示。在图1中只示出这些磁通线的几条。实际上，这些磁通线是无法计数的，而且当顶部观看时，如在图1中那样，形成一个磁场，该磁场具有不明确大小的并且是零直径的中心的圆形。
图2中所示的地点标志设备20的另一个形式包括一个转发器，该转发器有一个线圈22和任选地包括一个微电路24，用于调节线圈22的输出。通常，转发器是惰性单元。当线圈22由一个适当频率的外部源感应地激励时，磁场被发射和由从线圈22的相对端伸展的磁通26构成。微电路24装入编码型的转发器中并且使一个唯一的信息信号至少周期地发送。这种编码转发器在市场上可买到，例如Telsor公司的产品TELSOR，Model 1787。当地点标志设备10或20用于车辆导航系统时，通常以其纵轴垂直于车辆运动的表面28(图2)安装。
本发明的检测单元30示于图3和4中。这个检测单元30包括四个相同的检测线圈A—D，每个线圈响应于该标志设备磁场的频率，并且每个线圈有一个主轴32。这些检测线圈支撑在平面34(最好是电路板)上，分成A与B和C与D两对。检测线圈A—D的主轴32放置在两个平行平面35和36上(图4)，当检测单元安装在移动的车辆上时，这些主轴横向地向该标志设备的纵轴伸展。每个线圈A和D的主轴放在这两个平行平面之一中，而每个线圈B和C的主轴放在这两个平行平面的另一个平面中。在图3和4所示的结构中，平面34有相对面对的基本上平行的表面38和39，线圈B和C安装在这两平面之一的38，而线圈A和D安装在这两平面的另一平面39。
每对的检测线圈A—B和C—D的主轴以X形安排，其中每对的一个线圈的主轴垂直于每对的另一线圈的主轴伸展。而且，线圈A和B的主轴在其长度的中心互相交叉以确定检测线圈A和B对的中心40。类似地，线圈C的主轴在其长度的中心交叉于线圈的主轴以确定线圈C和D对的中心42。线圈对的中心40和42沿着基线44间隔开一个固定距离，该基线44被每个检测线圈的主轴以45度的角度交叉。
当使用转发器20形式的标志设备时，要求激励器能量，以使转发器20发送其信号。这个能量最好由天线46或电路板34上形成激励器环路提供。因此天线46基本上与检测线圈A—D的主轴是共同平面的，而由该天线产生的能量线基本上垂直于板34的平面。该天线环路围绕检测线圈A—D，由于电路板34的平面横向地向转发器线圈的主轴伸展，转发器可在检测单元的检测区内激活。
为了进一步图解和说明本发明，图3的板34已被规定在基于8″×16″选择的检测区域的矩形坐标中。两对线圈的中心40和42之间的基线44距离的中点48(在本例中代表8″的距离)是X坐标的零点。垂直地位于这点48之上的是以线圈B和C的主轴之间的交点确定的轨迹50。这个轨迹50代表在该坐标的Y轴上的4″点。最大的信号将由任一个检测线圈A—D直接从与该线圈的主轴成一直线的磁源接收。而最小信号从垂直于该线圈的主轴的磁源接收。
为了保持从四个线圈来的信号并将它们的符号分开，每个线圈的“前向”方向被规定为与该芯的主轴成一直线并且进入板34的所要求的检测区。这个前向方向在图3中以箭头52表示。从在线圈A的前面并到线圈B的左面(入口)中的一个信号源收到任何信号规定线圈A信号的符号为负的。同样地，从在线圈D的前面并到线圈C的右面(右侧)中的一个信号源收到的任何信号规定D信号的符号为负的。如果信号源是在B的前面并到线圈A的右面(右侧)中，则从线圈B来的信号的符号是正的。如果该信号源是在线圈C的前面并到线圈D的左面(入中)中，则线圈C来的信号的符号是正的。
根据这四个线圈信号A、B、C和D的值和符号以及两个三角恒等式，“X”位移(加或减8″)和“Y”位移(0至8″)可被计算出，如在下面结合图3A所说明的。其中所示的三角形有一个底边距离，它等于线圈A—B对和C—D对的中心40和42之间的距离。换句话说，标记“距离”的这条线与图3中的底线44相同。
所用的第一个三角恒等式表示三角形的高可从其底边的尺寸和它的两个底角求出：假定三角形的高代表所要求的Y位移，而其底边是检测线圈对之间的已知的8英寸距离。如果两个底角α和β是已知的，可计算Y位移。但是在这个问题中，这些角的每个角都是两个角的组合，即如图3所示的：
α＝45°＋γ左侧
β＝45°＋γ右侧从两对检测线圈的输出(A、B、C或D)知道：
COT(γ左侧)＝B/－A
COT(γ右侧)＝C/－D
所用的第二个三角恒等式表示：如果使用这些角的负值，则根据γ左侧和γ右侧的余切(COT)，这个恒等式将给出所要求的α和β的余切。
COT(－γ左侧)＝B/A
COT(－γ右侧)＝C/D则：COT(α)＝COT(45－(－γ左侧))=(B/A)+1(B/A)-1]]>=(B+A)/A(B-A)/A]]>=B+AB-A]]>和：COT(β)＝COT(45－(－Y右侧))=(C/D)+1(C/D)-1]]>=(C+D)/D(C-D)/D]]>=C+DC-D]]>因此：由于三角形底边的距离是以英寸为单位的，而检测线圈的输出是无量纲的，所以得到的Y值也是英寸。
由于Y是已知的，值X可按以下计算：
COT(α)＝ΔX/Y，其中(根据图3)
X＝ΔX－4或者ΔX＝X＋4，而且：
COT(β)＝ΔX′/Y，其中(根据图3)：
X＝4－ΔX′或者ΔX′＝4－X进行替换：
Y·COT(α)＝X＋4或X＝(Y·COT(α))－4
Y·COT(β)＝4－X或X＝4－(Y·COT(β))当α或β变得很小为了提高精确度，α和β方程式相加，其结果除以2求出X：
2·X＝(Y·COT(α))－4＋4－(Y·COT(β))
X＝(Y/2)(COT(α)－COT(β))因此：X=Y2•(B+AB-A-C+DC-D)]]>
图5用简图表示响应其通过标志设备的磁场从每个的检测线圈A—D得到位置信号的电路装置。由于由线圈A—D检测的磁场在与激励器磁场相比时是很小的，滤波器和放大器安装在传感器电路板34上以在它们被发送到信号处理电路板54之前改善该线圈信号。一个天线环路电源56和校正电路58也被装在传感器电路板34上。线圈A—D来的四个信号通过在信号处理板54上的其它滤波器。在该标志设备是编码转发器的情况下，从线圈A—D来的四个信号在放大器60相加在一起产生第五信号，用于提取该转发器的唯一识别码。然后这个信号通过一个宽带滤波器62以保持频率编码信息。从线圈A—D来的四信号通过四个独立的窄带滤波器64，仅保持从该标志设备来的位置信息。然后四个位置信号利用一个四信道模数变换器66同步地被检测。第五信号被用作变换器66的相位基准。这个过程得到四个位置信号的幅度与符号。
编码转发器20被编程以发送一个单独频率，它跟随频率码。这个单独频率在该码被再发送前保持一个短时间。这个单独频率允许精确的测量四个位置信号。安装在信号处理板54上的微计算机66在测量这四个位置信号之前问码首先检测该转发器码。为了提高精度，位置信号的多个测量值在一个频率时间期间一起进行平均。然后微计算机66利用上面叙述的算术三角式确定转发器20的位置。然后微计算机66发送转发器码和位置的X、Y坐标到一个导航计算机，或根据移动车辆的特性和其要被控制的其元件可使用的其它设备。
图6和7表示本发明应用到AGV的控制。在图6中，示出传感器电路板34，它安装在具有一个前面方向盘71的三轮AGV的后轮70后面。在图7中示出AGV的侧视图，传感器电路板34接到信号处理电路板54，其微计算机68的输出加到运动控制板72。这个运动控制板72也从驾驶编码器74接收输入信号，该信号给出方向盘71的角位置，和从距离编码器76接收输入信号，该信号给出该车辆从起点移动的距离。当传感器电路板34接近一个转发器20时，从检测线圈A—D得到的信号被处理并且在信号处理电路板54中进行平均。在本发明的应用中，输出信号通常被确定何时坐标信号值大约是4″，因为这表示何时该传感器电路34的几何中心或轨迹50最接近转发器20的纵轴。得到的X和Y坐标值加到运动控制板72，它确定对AGV的任何合适的过程校正和将这个信息加到转向机构。
在本发明的其它应用中，X和Y坐标值可用于控制运动车辆的单独部件。例如，如果想将本发明用于定位有关装备一个转发器的负载或货架的铲车，则X坐标输出信号值可用于相对于该负载转向或对准车辆。Y坐标信号可用于使铲车垂直地对准一个要求的位置，以便铲起该负载。
本发明的其它可能用途本领域的技术人员是清楚的。