无人驾驶车辆及其导行系统和方法

1．一种用于导引无人驾驶车辆的导行系统，它包括：检测上述车辆在X方向 和Y方向上的位置的装置，该装置包括：
一个脚轮组件，该脚轮组件具有一个轮子转动传感器和一个脚轮摆动传感 器；以及
一个用于检测上述车辆方位的角度运动传感器。
2．如权利要求1所述的系统，其特征在于，上述脚轮组件包括一个转动的脚 轮，可以自由摆动。
3．如权利要求1所述的系统，其特征在于，上述角度运动传感器包括一个陀 螺仪。
4．如权利要求1所述的系统，其特征在于，上述装置包括一台与上述角度运 动传感器、轮子转动传感器、和脚轮摆动传感器在电气上连通的计算机，该计算 机计算：
Ym上述车辆在Y方向上的位置变化；以及
Xm上述车辆在X方向上的位置变化。
5．如权利要求4所述的系统，其特征在于，上述Ym和Xm的计算中包括 下列变量中的至少一个：
Rm是根据上述轮子转动传感器所提供的信息的一部分计算的距离；
SA是根据上述脚轮摆动传感器所提供的信息的一部分计算的平均脚轮 转动角度；以及
Pm是根据上述角度运动传感器和上述脚轮摆动传感器所提供的一部 分信息计算的车辆的运动。
6．如权利要求5所述的系统，其特征在于：
Ym=Rm·Cos(SA)-Pm·Sin(SA)-Cx·Hc 式中：
Cx是一个常数，而
Hc是上述车辆方位的变化。
7．如权利要求6所述的系统，其特征在于：
Xm=Rm·Sin(SA)+Pm·Cos(SA)+Cy·Hc
式中：
Cy是一个常数，而
Hc是上述车辆方位的变化。
8．如权利要求5所述的系统，其特征在于：
Xm=Rm·Sin(SA)+Pm·Cos(SA)+Cy·Hc
式中：
Cy是一个常数，而
Hc是上述车辆方位的变化。
9．如权利要求1所述的系统，其特征在于，它还包括一个操纵机构。
10．如权利要求9所述的系统，其特征在于，上述装置根据计算出的上述车辆 位置控制上述操纵机构。
11．如权利要求10所述的系统，其特征在于，上述装置使用的计算出的上述 车辆位置是由计算机提供的。
12．一种无人驾驶车辆，它包括：
若干轮子；以及
上述任一项权利要求中所述的导行系统，所述导行系统引导上述无人驾 驶车辆运动。
13．一种导引无人驾驶车辆的方法，它包括根据由一个角度运动传感器和一个 脚轮组件所提供的部分信息计算上述无人驾驶车辆的运动，其中，脚轮组件具有 一个轮子转动传感器和一个脚轮摆动传感器。
14．如权利要求13所述的方法，其特征在于，上述计算包括计算：
Ym上述车辆在Y方向上的位置变化；
Xm上述车辆在X方向上的位置变化。
15．如权利要求14所述的方法，其特征在于，利用下式计算Ym和Xm：
Ym=Rm·Cos(SA)-Pm·Sin(SA)-Cx·Hc
Xm=Rm·Sin(SA)+Pm·Cos(SA)+Cy·Hc 式中：
Rm是根据上述轮子转动传感器所提供的信息的一部分计算的距离；
SA是根据上述脚轮摆动传感器所提供的信息的一部分计算的平均脚轮 转动角度；
Pm是根据上述角度运动传感器和上述脚轮摆动传感器所提供的一部 分信息计算的车辆的运动；
Cy是一个常数；
Cx是一个常数；以及
Hc是根据上述角度运动传感器提供的信息决定的上述车辆方位的变 化。

本发明涉及包括测量和计算车辆的侧向移动的装置在内的导行系统，和使用 该系统为车辆导行的方法。更具体的说，本发明涉及一个安装在无人驾驶车辆上 的装有测量转动和摆动角度的传感器的摆转脚轮，以便使车辆的侧向运动能由上 述车辆的导行系统检测和计算。
在专利文献GB-A-2,158,965和US 4,847,769、4,816,998和5,175,415中公 开了自动导行车辆的导行和控制装置。GB-A-2,158,965和US 4,847,769这两篇 专利文献描述了用一个固定的位置判断系统来预测运动状态的车辆，该系统是在 一段很短的时间内，借助于检测转向角度和一个受控制的转向脚轮的转动角度， 来确定车辆在某一给定时间的位置的。US 4,847,769还描述了一个不断地根据由 车载激光扫描仪和装在基准框架上的目标系统所确定的实际位置校核并改正预 测位置的装置。预测位置与实际位置之间的误差用来确定一个平均偏角，该平均 偏角通过卡尔曼筛选计算，用作计算车辆的下一个预测位置的校正系数。
专利文献US 4,816,998描述了一种利用脚轮的车辆，脚轮上有角度测量传感 器，也有测量轮子转动的传感器，以便使导行系统能计算行驶的平均距离，车辆 上一根轴线的角度变化，和车辆沿着一条假定的理想的固定半径的弧形路线行驶 的方位的变化。
专利文献US 5,175,415描述了一种测量车辆前进和后退运动的装置，方法是 在各不摆动的驱动轮附近设置一个单独的编码器轮子。
以往的所有导行系统的作用都是有限的，因为没有一种系统是借助于测量和 计算车辆的侧向运动来决定其当时的位置的。车辆的侧向运动常常是指偏行，刹 车时的拉带或侧滑。车辆的侧向运动决定于车辆的转动中心点。这个点通常位于 导行系统沿着所选择的路线引导车辆的纵向中心线上。车辆可能由于多种原因而 发生侧向运动，例如在下列情况下：1)前轮定位失调；2)转弯时，此时车轮摆 动、扭曲和/或滑动；3)故意向侧面转弯。因此，以往的系统的综合跟踪精度， 由于不能测量和计算车辆改变位置时的侧向运动分量，而被损害了。
因此，本发明的一个目的是提供一种带有能确定车辆位置的变化，而与车辆 行驶的方向无关的系统的车辆。
本发明的另一个目的是提供一种具有能够测量和确定车辆向前、向后或者任 何侧面方向的运动的系统的车辆。
本发明的又一个目的是提供一种带有能对车辆的侧向运动作出反应，调整车 辆的驾驶的导行和控制系统的车辆。
本发明的再一个目的是提供一种带有车载导行系统的车辆，这种导行系统在 驾驶车辆时把车辆的侧向运动考虑在内，而不需要利用车外的定位器、反射器或 参照标志。
本发明的再一个目的是提供一种装备角度运动传感器和一个自由转动的脚轮 的车辆，上述脚轮上有一个自由转动的跟踪轮，用来检测车辆以车架为基准的两 个坐标方向上的运动。
本发明的又一个目的是提供一种带有导行系统的车辆，这种导行系统上装有 陀螺仪和一个用弹簧加载的，自由转动的，具有球形接触表面的脚轮，用于检测 车辆在两个坐标方向上位置的变化，以便更好的控制车辆。
本发明的又一个目的是提供一种带有导行系统的车辆，这种导行系统上装有 陀螺仪和检测行驶距离和车辆转动的脚轮，并且上述脚轮可以安装在车辆的任何 位置上。
本发明的又一个目的是提供一种由导行系统控制的车辆，这种导行系统装备 了角度运动传感器和一个能自由转动，自由摆动，无载支承的跟踪脚轮，上述脚 轮检测车辆以车架为基准的两个坐标方向上的运动，为车辆提供更精确的控制。
在阅读和理解了下面对本发明的详细描述之后，本发明的上述以及其他目的 将会变得十分明了。
本发明提供一种车辆，它包括一个根据第一装置和第二装置所提供的信息为 车辆导行的导行系统，上述第一装置检测车辆方位的变化，上述第二装置测量车 辆沿着行驶表面的所有的运动。
具体而言，本发明提供一种用于导引无人驾驶车辆的导行系统，它包括：检 测上述车辆在X方向和Y方向上的位置的装置，该装置包括：一个脚轮组件， 该脚轮组件具有一个轮子转动传感器和一个脚轮摆动传感器；以及一个用于检测 上述车辆方位的角度运动传感器。
本发明还提供一种无人驾驶车辆，它包括：若干轮子；以及上述的导行系统， 所述导行系统引导上述无人驾驶车辆运动。
本发明还提供一种导引无人驾驶车辆的方法，它包括根据由一个角度运动传 感器和一个脚轮组件所提供的部分信息计算上述无人驾驶车辆的运动，其中，脚 轮组件具有一个轮子转动传感器和一个脚轮摆动传感器。
下面参照附图详细描述本发明的实施例。附图中：
图1是一辆双联操纵无人驾驶车辆的立体图，车上装有按照本发明的跟踪脚 轮；
图2a是按照本发明的优选实施例的一个跟踪脚轮组件的立体图；
图2b是图2a中的跟踪脚轮组件的侧视图；
图3是按照本发明的优选实施例的装有跟踪脚轮的车辆的示意图；
图4是按照本发明的优选实施例的装有一个电滑环组件的独立编码器的剖视 图。
在详细说明本发明之前，应该理解，本发明并不仅限于下面所描述的，或附 图所表示的结构细节和零件布置。本发明还可以有其他的实施例，或者以各种不 同的方式实施。同样，也应该理解，在说明书中所用的措辞和术语只是为了说明， 而不是为了限制。
本发明的一个优选实施例是一辆无人驾驶车辆，它包括具有一个角度运动传 感器和一个跟踪脚轮组件的导行系统，上述脚轮组件上装有一个脚轮摆动传感器 和一个轮子转动传感器，以确定车辆的相对位置，并且基本上考虑了车辆沿着行 驶表面上的所有运动。这些传感器能使导行系统更精确地确定车辆的当前位置， 并且能使导行系统为车辆导向。
图1中表示一辆双联操纵的无人驾驶车辆10，它包括一个装有角度运动传感 器12的导行系统，一个跟踪脚轮组件40，至少一个计算机处理器16，和一个前 操纵机构18与后操纵机构20。上述车辆10可以是适合于上述目的的任何车辆， 包括无人驾驶车辆，单联或双联操纵的车辆，有线或无线导向的车辆，但并不仅 限于这些车辆。同样，上述计算机处理器和操纵机构可以是任何公知的用于上述 目的的普通类型。
上述角度运动传感器用于提供有关车辆当前的方位的信息。通常，上述角度 运动传感器是一个陀螺仪，可以是适用于上述目的的任何类型的陀螺仪，也可以 选择专门用于上述目的的。最好，上述陀螺仪是固定速率陀螺仪。
上述跟踪脚轮组件40在图2a和图2b中表示得最清楚，它包括：一个自由转 动接触轮42，一块安装板44，一个自由摆动脚轮分组件46，一个轮子转动传感 器48，和一个脚轮摆动传感器50。跟踪脚轮组件40的结构决定于所用车辆的具 体情况，但设计的原则应该是使接触轮42的跟踪性能最佳，同时使摆动摩擦最 小。
在接触轮42上可以安装一个轮胎52，以提高其接触性能。软轮胎的跟踪性能 好，而硬轮胎的摆动摩擦小。因此，最好是具有介于这两种对抗因素之间的折中 性能的轮胎。虽然轮胎52的胎面轮廓可以根据具体应用情况来选择，但优选的 胎面轮廓是球面形状，以便使载荷能在轮子的接触点周围对称分布。
上述自由摆动脚轮分组件46通常在脚轮支柱64与接触轮轴线66之间有一个 水平的偏置距离，有时称之为“脚轮偏置距离”或“脚轮前置距离”。这个水平 的偏置距离减小了使脚轮摆动所需要的力。上述分组件46有时可选择使用一种 用弹簧加载的枢轴连接件68和叉子70，使得接触轮42与分组件的连接方式能让 接触轮42相对于安装板44上下运动，这样，接触轮42就能适应波浪形的表面。 上述轮子转动传感器48可以是任何一种能提供反映接触轮的转动的信号的传 感器，它可以是光学的，磁的，或者电一机械式之类的传感器。通常，轮子转动 传感器48是设置在接触轮轴66周围的一个增量轴编码器。更好一些，上述增量 轴编码器是正交型的，还能够提供转动的方向。此外，上述脚轮摆动传感器50 可以是任何能提供反映脚轮分组件46相对于脚轮安装板44的摆动的信号的传感 器。通常，这种脚轮摆动传感器50是一种设置在脚轮支柱64上的独立轴编码器， 如图4所示。一个独立轴编码器可提供标明被测量的轴的绝对位置的信号。
更好的设计如图4所示，脚轮支柱64和独立轴编码器有一根空心轴72，而上 述独立轴编码器的主体有一个穿过上述主体74中心轴线，向上通到一个电滑环 组件76的孔口，以容纳从轮子转动传感器48过来的信号线。电滑环是一种在相 对于第二构件(通常称之为定子)转动的第一构件(通常称之为转子)与第二构 件的接触点之间保持通电的装置，一般连接在第二构件上。上述从轮子转动传感 器48过来的信号线穿过空心的脚轮支柱64，独立编码器轴72，编码器74的主 体，连接在滑环组件76的转子一侧。虽然从轮子转动传感器48传来的信号可以 根据车辆的结构用各种不同的方式传到导行系统上，但这种优选的结构能使脚轮 在任何方向的摆动都不受限制。
根据本发明的一个优选实施例，下面描述装有如图2a和图2b所示的跟踪脚轮 组件的车辆的动作过程，而且，参照图3将会更加明白。车辆上的车辆导行系统， 借助于在车辆的行驶和操纵的一段很短的时间里，各种传感器接收到的各种反映 在车辆上的输入信号而传过来的抽样数据，按照常规方式进行工作。更具体的 说，导行系统的目的是要沿着一条经过选择的路线，或向着一个指定的地点，引 导车辆上的一个以枢轴点P表示的点。所选择的这个点P通常位于车辆的纵向中 心线上。所选择的这个点可以由车辆的结构和/或动力学来确定。
上述枢轴点P用作计算车辆相对于车辆的坐标系统(常常是指车架的参照系) 运动的基准点或原点。计算车辆在前后方向(Y方向)位置改变的分量Ym，和 计算车辆在侧向(X方向)位置改变的分量Xm，都要参照以枢轴点P为原点的 X-Y坐标系统。
上述跟踪脚轮组件可以装在车辆上任选的或者方便的位置上。测量出上述跟 踪脚轮组件，具体的说是脚轮枢轴64的中心相对于枢轴点的位置。所测得的这 两点之间的距离记为Cy和Cx,Cy是沿Y方向的距离，Cx是沿X方向的距离， 这两个距离都是相对于车架的参照系的。此外，测量并记录脚轮的带有轮胎52 的接触轮42的半径Wr和水平偏移距离S1。这些常数是用来计算Ym和Xm的 一部分数据。
当车辆运动时，随着车辆行驶方向的不同，上述轮子转动传感器48和/或脚轮 摆动传感器50会检测到上述运动，并把一个相应的信号传到导行系统的计算机 处理器16上。由轮子转动传感器48检测到的车辆的行程是轮子的转动角度(以 弧度计)Wa与轮子半径Wr的乘积，上述角度Wa直接由轮子转动传感器所提供 的信息确定。车辆的脚轮摆动传感器50检测到的行程Pm，是脚轮摆动角度的变 化(最后的角度Sf减去原始的角度Si)除去车辆的方位变化Hc(由角运动传感 器确定)，与脚轮的水平偏移距离S1的乘积。两个测量时间间隔之间的平均脚 轮角度SA是原始的角度Si加上摆动角度的变化被测量时间间隔除的一半。一当 测量和计算出这些变量之后，就能得出：
Xm=Rm·Sin(SA)+Pm·Cos(SA)+Cy·Hc以及
Ym=Rm·Cos(SA)+Pm·Sin(SA)+Cx·Hc。
当两次测量取样之间的时间间隔减小时，计算的准确度就增大。
然后，上述导行系统利用Xm和Ym的数值，计算车辆此时的位置，于是导行 系统就能确定，如何使车辆沿着一条所要求的路线或者向着一个既定的位置前 进。
实 例
下面的理论计算实例，能使你进一步理解这些计算公式。
实例1
一辆车辆沿着一条直线路径行驶，然后以既无侧向运动(Xm=0)也无方位 变化(Hc=0)的方式向相反方向行驶。 则：
Xm=Rm·Sin(SA)+Pm·Cos(SA)=0
Ym=Rm·Cos(SA)-Pm·Sin(SA) 最初：
SA=0度，    而Ym=Rm。
应该指出，Ym的符号是负的，因为Rm是负的(轮子向后转动)。这是一个 不稳定状态，从理论上说，它能无限期地延续下去。当有干扰使SA变化时，脚 轮便开始平移。
在平移的过程中，运动要受下式限制： $\frac{\mathrm{RM}}{\mathrm{PM}}=-\frac{\mathrm{Cos}\left(\mathrm{SA}\right)}{\mathrm{Sin}\left(\mathrm{SA}\right)}$ 当SA=(+或-)90度时，轮子停止转动，并且：
YM=(+或-)Pm。
当SA接近180度时，脚轮的平移无限期延续。实际上的限制是由脚轮摆动编 码器来判定的。当测得脚轮的摆动角为180度时，脚轮的平移完成。
最后：
SA=180度，而Ym=-Rm。
应该指出，Ym的符号是负的，因为Cos(SA)=-1。 实例2
车辆被向侧向推动，所以全部运动都是横向的(Ym=0)，方位不改变(Hc =0)。 于是：
Xm=Rm·Sin(SA)+Pm·Cos(SA)
Ym=Rm·Cos(SA)-Pm·Sin(SA)=0 最初： SA=0度，而Xm=Pm。
应该指出，轮子并没有转动，所测得的最初的运动只是脚轮的摆动。但是， 脚轮的摆动使得SA改变，于是脚轮立即开始平移。
在平移的过程中，运动由下式限定： $\frac{\mathrm{RM}}{\mathrm{PM}}=\frac{\mathrm{Sin}\left(\mathrm{SA}\right)}{\mathrm{Cos}\left(\mathrm{SA}\right)}$
当SA接近(+或-)90度时，脚轮的平移无限期地延续。当脚轮摆动传感 器测得的角度为(+或-)90度时，脚轮的实际平移完成。最后：
SA=(+或-)90度，而Xm=(+或-)Rm。
应该指出，Rm始终是正的，Xm的符号决定于Sin(SA)。
实例3
一辆车在轮子不转动(Rm=0)和脚轮的摆动角固定(SA=Sf=Si=0度)的 情况下，被迫绕轮子的接触点转动， 于是：
Xm=Pm+Cy·Hc=-S1·Hc+Cy·Hc=(Cy-S1)·Hc
Ym=-Cx·Hc
应该指出，所有的运动都是由于固定的尺寸偏移而加倍的方位变化。
实例4
一辆车在轮子不转动(Rm=0)和脚轮的摆动角被方位的改变所限制(Sf-Si =Hc)的情况下，被迫绕脚轮的支柱转动。 于是：
Pm=S1·(Sf-Si-Hc)=0 并且：
Xm=Cy·Hc
Ym=-Cx·Hc
再一次指出，所有的运动都是由于固定的尺寸偏移而加倍的方位变化。
实例5
一辆车沿着直线路径行驶，然后停止，并且发生45度的侧滑(Xm=Ym)， 而方位不变(Hc=0)。 于是：
Xm=Rm·Sin(SA)+Pm·Cos(SA)
Ym=Rm·Cos(SA)-Pm·Sin(SA) 最初： SA=0度，并且Xm=Rm=Ym=Pm
应该指出，轮子的转动运动与脚轮的摆动运动相等。但，脚轮的摆动使得SA 改变，立即开始脚轮的平移。
在平移时，运动由下式限制：
Rm·Sin(SA)+Pm·Cos(SA)=Rm·Cos(SA)-Pm·Sin(SA)当 SA接近45度时，中心的平移无限地延续。当脚轮摆动传感器测得45度时，实 际平移完成。
最后：
SA=45度，而Pm=0
Xm=Rm·Sin(SA)；Ym=Rm·Cos(SA)
应该指出，所有的运动都是因为由SA推导出来的常数所加倍的轮子的转动。 对于任何侧滑角度都能作同样的分析。