引导无人驾驶车辆的方法和设备

1.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设备，所述导向缆线输送一个电 流，从而在该导向缆线周围的空间中产生了一个电磁场，所 述设备包括：
检测器装置，用于检测该电磁场的方向和幅度；
所述检测器装置包括彼此分开的第一和第二检测线圈， 这些检测线圈以“X”方式设置安装在所述车辆上，从而使线 圈的主轴相交并相对于所述道路表面成+/-45度角；
各个检测线圈检测所述磁场的径向和环向场矢量；以及
与所述第一和第二检测线圈相连的装置，用于将该径向 矢量的幅度与环向矢量的幅度相比较，从而确定所述检测器 装置相对于所述导向缆线的横向位置。
2.根据权利要求1的设备，其中所述第一和第二线圈 具有铁芯长度和铁芯直径，且其中所述线圈之间的所述间隔 至少等于一个铁芯长度。
3.根据权利要求1的设备，进一步包括一个安装板，该 板具有第一和第二侧，用于以+45度将所述第一检测线圈 安装在所述安装板的第一侧上，并以-45度将所述第二检 测线圈安装在所述第二侧上，且其中所述安装板被固定在所 述车辆上。
4.根据权利要求2的设备，其中所述比较装置用该环 向矢量除检测到的电磁场径向矢量，从而使该比值与所述检 测器的水平位移同所述检测器在所述缆线上的高度的比值 成正比。
5.根据权利要求4的设备，进一步包括用于车辆驾驶的 装置，该装置与所述比较装置相连，用于响应于所述比较装 置处理的输出而对所述车辆进行驾驶。
6.根据权利要求5的设备，其中所述驾驶装置是数字 驾驶系统。
7.根据权利要求5的设备，其中所述驾驶装置是模拟驾 驶系统。
8.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，所述导向缆线携带有电流，从 而在导向缆线周围的空间中产生一个电磁场，所述方法包括 以下步骤：
安装一个第一线圈，它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所述轴相 交；
用各个线圈检测该电磁场的径向和环向场矢量；
将各个线圈的径向矢量幅度与环向矢量的幅度相比较， 从而确定所述线圈的轴的交点相对于导向缆线的横向位置， 以表明所述车辆相对于所述路径的横向偏移。
9.根据权利要求8的方法，其中所述第二线圈的所述 安装步骤包括使所述线圈相距至少一个线圈铁芯长度。
10.根据权利要求9的方法，进一步包括将所述横向偏 移信息传送到一个控制器以进行车辆驾驶的步骤。
11.根据权利要求8的方法，其中所述线圈的轴的交点 的横向位置由以下公式确定：
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)
其中：
距离(+/-)＝从缆线至线圈中心的水平距离
高度＝从缆线至线圈能够在其中运动的水平平面的纵 向距离。

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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n为实现上述目的，本发明的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设备，所 述导向缆线输送一个电流，从而在该导向缆线周围的空间中 产生了一个电磁场，所述设备包括：检测器装置，用于检测 该电磁场的方向和幅度；所述检测器装置包括彼此分开的 第一和第二检测线圈，这些检测线圈以“X”方式设置安装在 所述车辆上，从而使线圈的主轴相交并相对于所述道路表 面成+/-45度角；各个检测线圈检测所述磁场的径向和环 向场矢量；以及与所述第一和第二检测线圈相连的装置，用 于将该径向矢量的幅度与环向矢量的幅度相比较，从而确定 所述检测器装置相对于所述导向缆线的横向位置。\n在本发明的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：\n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；\n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；\n用各个线圈检测电磁场的径向和环向场矢量；\n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\n将该信息传送到一个驾驶组件，以对该车辆进行驾驶。\n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。\n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；\n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；\n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\n图4是本发明的一个实施例的示意框图。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n参见图2，以下的公式适用：\n线圈1的信号＝K1×sin(β线圈1)\n线圈2的信号＝K1×sin(β线圈2)\n因此：\n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)\n以下是上述线性测量公式的数学证明。\n其中定义：\n从竖直方向沿顺时针(CW)方向的角度为正。\n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。\n电流被定义为导线中的电流。\n频率被定义为电流的频率。\n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。\n距离d(+/-)是从缆线至线圈的中心的水平距离。\nα线圈1是线圈1(+45)的偏离垂直角。\nα线圈2是线圈2(-45)的偏离垂直角。\nθ是半径与高度之间的误差角。\nK1与电流、频率和电感成正比并与半径成反比\n线圈1的信号＝K1×sin(β线圈1)(公式1)\n线圈2的信号＝K1×sin(β线圈2)(公式2)\n如图2所示：\nβ线圈1＝θ-α线圈1\n且\nβ线圈2＝θ-α线圈2\n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\n因此：\n线圈1的信号＝K1×sin(θ-α线圈1)(公式3)\n线圈2的信号＝K1×sin(θ-α线圈2)(公式4)\n从sin(A-B)＝sin(A)cos(B)-cos(A)sin(B)，公式3 和4能够被展开如下：\n线圈1的信号＝K1×(sinθ×cosα线圈1-\ncosθ×sinα线圈1)(公式5)\n线圈2的信号＝K1×(sinθ×cosα线圈2-\ncosθ×sinα线圈2)(公式6)\n由于按照定义：\nα线圈1＝+45度，且α线圈2＝-45度\n我们看到：sinα线圈1＝cosα线圈1＝-sinα线圈2\n＝cosα线圈2\n而所有的幅度都等于(2的平方根)/2，即等于0.707 ……\n仍然参见图2所示的几何设置，可以看到：\nsinθ＝距离/半径＝d/r\n且\ncosθ＝高度/半径＝h/r\n借助以下替换，公式5和6能够得到简化：  \n线圈1的信号＝K1×(d/r×0.707-h/r×0.707)\n线圈1的信号＝K1×(d/r×0.707-h/r×(-0.707))\n或者，当\nK’＝(K1×0.707)/r时\n线圈1的信号＝K’×(d-h)\n线圈2的信号＝K’×(d+h)\n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：\n(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\n因此：\n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)\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。