DE69033907T2

DE69033907T2 - Integriertes Fahrzeugpositionier- und -navigationssystem, dessen Vorrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE69033907T2
Application number: DE69033907T
Authority: DE
Inventors: House Eldon Street Ate; Walter J Bradbury; Dana A Christensen; Richard G Clow; Lonnie J Devier; Douglas W Friedrich; Adam J Gudat; Carl A Kemner; Karl W Kleimenhagen; Craig L Koehrsen; Christos T Kyrtsos; Norman K Lay; Joel L Peterson; Prithvi N Rao; Larry E Schmidt; James W Sennott; Gary K Shaffer; Wenfan Shi; Dong Hun Shin; Sanjiv J Singh
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1989-12-11
Filing date: 1990-12-10
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2010-12-11
Also published as: JP3321115B2; DE69034068D1; DE69033929T2; EP0996047A1; WO1991009275A3; DE69033973D1; DE69026274D1; JP3336005B2; EP0936517B1; DE69033973T2; EP0936520A3; DE69033597T2; JP2003208221A; EP0936516B1; EP0936518B1; DE69033831D1; EP0679973A2; AU5083290A; DE69033898T2; EP0936516A3

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Positionsbestimmungssysteme und insbesondere auf ein Positionsbestimmungssystem und ein Verfahren zur Bestimmung der terrestrischen Position eines autonomen Fahrzeuges auf oder nahe der Erdoberfläche.

2. Verwandte Technik

Verschiedene nationale Regierungen, einschließlich der Vereinigten Staaten von Amerika (USA) entwickeln gegenwärtig ein terrestrisches Positionsbestimmungssystem, auf das im allgemeinen als globales Positionsbestimmungssystem (GPS) Bezug genommen wird. Bei einem GPS wird eine Anzahl von Satelliten in einer Umlaufbahn um den Planeten Erde angeordnet. Die GPS-Satelliten sind ausgelegt, um elektromagnetische Signale zu senden. Aus diesen elektromagnetischen Signalen kann die absolute terrestrische Position (Position mit Bezug auf den Erdmittelpunkt) von irgendeinem Empfänger auf oder nahe der Erdoberfläche absolut bestimmt werden.
Die US-Regierung hat ihr GPS "NAVSTAR" genannt. Das NAVSTAR-GPS wird von der US-Regierung 1993 als betriebsbereit erklärt. Darüber hinaus entwickelt die Regierung der Union der sozialistischen Sowjetrepubliken (USSR) ein GPS, welches als "GLONASS" bekannt ist, welches im wesentlichen dem NAVSTAR-GPS ähnlich ist.
Beim NAVSTAR-GPS ist vorgesehen, daß gier umlaufende GPS-Satelliten in jeder von sechs getrennten Umlaufbahnen existieren. Eine Gesamtzahl von 24 GPS-Satelliten wird in der Umlaufbahn sein, und zwar zu jedem gegebenen Zeitpunkt mit 21 GPS-Satelliten im Betrieb und drei GPS-Satelliten, die als Ersatz dienen. Die drei GPS-Satellitenumlaufbahnen werden gegenseitig senkrechte Ebenen relativ zur Erde haben. Die GPS-Satellitenumlaufbahnen werden weder Polarumlaufbahnen noch Äquatorialumlaufbahnen sein. Darüber hinaus werden die GPS-Satelliten einmal alle 12 Stunden um die Erde laufen.
Unter Verwendung des NAVSTAR-GPS kann die Relativposition von umlaufenden GPS-Satelliten mit Bezug auf irgendeinen Erdempfänger aus den elektromagnetischen Signalen bestimmt werden. Die Relativposition wird im allgemeinen als "Pseudobereich" bezeichnet. Darüber hinaus kann die Relativposition von zwei Verfahren berechnet werden.
Ein Verfahren ist es, die Fortpflanzungszeitverzögerungen zwischen der Aussendung und dem Empfang der sich fortpflanzenden elektromagnetischen Signale zu messen. In dem NAVSTAR-GPS werden die elektromagnetischen Signale kontinuierlich mit der Zeit codiert, mit der die Signale von den GPS-Satelliten ausgesandt werden. Es ist klar, daß man die Aufnahmezeit aufzeichnen kann und die codierte Sendezeit davon abziehen kann, um Zeitverzögerungen abzuleiten. Aus den berechneten Zeitverzögerungen und daraus, daß man die Geschwindigkeit kennt, mit der elektromagnetische Wellen durch die Atmosphäre laufen, können Pseudobereiche genau abgeleitet werden. Pseudobereiche, die unter Verwendung des vorangegangenen Verfahrens berechnet wurden, werden im Zusammenhang mit dieser Schrift als "tatsächliche" Pseudobereiche bezeichnet.
Ein weiteres Verfahren berücksichtigt Satellitenpositionsdaten, die in den elektromagnetischen Signalen codiert sind, die von den umlaufenden Satelliten ausgesandt werden. Almanachdaten bezüglich der Satellitenpositionsdaten des NAVSTAR-GPS sind öffentlich verfügbar. Eine Bezugnahme auf diese Almanachdaten bezüglich der in den elektromagnetischen Signalen codierten Signale gestattet eine genaue Ableitung der Pseudobereiche. Pseudobereiche, die unter Verwendung des vorangegangenen Verfahrens berechnet werden, werden im Zusammenhang mit diesem Dokument als "abgeschätzte" Pseudobereiche bezeichnet.
Jedoch mit Bezug auf das vorherige Verfahren des Ableitens von abgeschätzten Pseudobereichen sei bemerkt, daß die Satellitenpositionsdaten beim GPS-Satelliten nur einmal pro Stunde auf diese Stunde aktualisiert werden. Folglich nimmt die Genauigkeit des abgeschätzten Pseudobereiches mit der Zeit nach jeder vollen Stunde bis zur nächsten Stunde ab, wenn ein neu abgeschätzter Pseudobereich unter Verwendung der aktualisierten Satellitenpositionsdaten berechnet wird.
Während man weiter die Relativposition von mindestens drei der umlaufenden GPS-Satelliten kennt, kann die absolute terrestrische Position (d. h. Länge, Breite und Höhe mit Bezug auf den Erdmittelpunkt) von irgendeinem Erdempfänger über einfache geometrische Theorien berechnet werden, die Triangulationsverfahren einschließen. Die Genauigkeit der terrestrischen Positionsabschätzung hängt teilweise von der Anzahl der umlaufenden GPS- Satelliten ab, die aufgenommen bzw. empfangen werden. Die Verwendung von mehr GPS-Satelliten bei der Berechnung kann die Genauigkeit der terrestrischen Positionsabschätzung steigern.
Herkömmlicherweise werden vier GPS-Satelliten gesampelt bzw. aufgenommen, um jede terrestrische Positionsabschätzung zu bestimmen, und zwar wegen Fehlern, die durch Schaltungstaktdifferenzen zwischen dem Erdempfänger und den verschiedenen GPS-Satelliten beigetragen werden. Taktdifferenzen können mehrere Millisekunden sein. Wenn die Uhr des Erdempfängers mit der der GPS-Satelliten synchronisiert wäre, dann müßten nur drei GPS-Satelliten aufgenommen werden, um die Lage des Erdempfängers genau festzustellen.
Bei dem NAVSTAR-GPS werden elektromagnetische Signale kontinuierlich von allen GPS-Satelliten auf einer einzigen Trägerfrequenz übertragen. Jedoch hat jeder der GPS-Satelliten ein anderes Modulationsschema, wodurch eine Unterscheidung der Signale gestattet wird. Beim NAVSTAR-GPS wird die Trägerfrequenz unter Verwendung eines Pseudozufallsignals moduliert, welches für jeden GPS-Satelliten einzigartig ist. Folglich können die umlaufenden GPS-Satelliten beim NAVSTAR-GPS identifiziert werden, wenn die Trägerfrequenzen demoduliert werden.
Weiterhin sieht das NAVSTAR-GPS zwei Betriebszustände zur Modulierung der Trägerwelle unter Verwendung von Pseudozufallszahl-(PRN-)Signalen vor. In einem Betriebszustand, der als "Grob/Aufnahme-Betriebszustand" (C/A-Betriebszustand, C/A = coarse/acquisition) ist das PRN-Signal eine Goldcodesequenz mit einer Chip- bzw. Taktrate von 1,023 MHz. Die Goldcodesequenz ist in der Technik eine wohlbekannte herkömmliche Pseudozufallssequenz. Ein Chip ist ein individueller Impuls des Pseudozufallscodes. Die Chiprate einer Pseudozufallscodesequenz ist die Rate, mit der die Chips in der Sequenz erzeugt werden. Folglich ist die Chiprate gleich der Codewiederholungsrate geteilt durch die Anzahl der Glieder im Code. Entsprechend existiert mit Bezug auf den Grob/Aufnahme- bzw. Grob/Suchbetriebszustand des NAVSTAR-GPS 1023 Chips in jeder Goldcodesequenz, und die Sequenz wird jede Millisekunde wiederholt. Die Verwendung der Goldcodesequenz mit 1,023 MHz von vier umlaufenden GPS-Satelliten, ermöglicht, daß die terrestrische Position eines Erdempfängers mit einer angenäherten Genauigkeit von innerhalb 60 bis 300 Metern bestimmt wird.
Der zweite Modulationsbetriebszustand im NAVSTAR-GPS wird im allgemeinen als der "präzise" oder "geschützte" (P-) Betriebszustand bezeichnet. Im geschützten Betriebszustand hat der Pseudozufallscode eine Chiprate von 10,23 MHz. Darüber hinaus sind die Sequenzen im geschützten Betriebszustand extrem lang, so daß die Sequenzen sich nicht öfter als einmal alle 267 Tage wiederholen. Als eine Folge kann die terrestrische Position von irgendeinem Erdempfänger auf innerhalb einer ungefähren Genauigkeit von 16 bis 30 Metern bestimmt werden.
Jedoch sind die Sequenzen im geschützten Betriebszustand klassifiziert und werden von der Regierung der Vereinigten Staaten nicht öffentlich verfügbar gemacht. In anderen Worten ist der geschützte Betriebszustand nur zur Anwendung von Erdempfängern vorgesehen, die von der Regierung der Vereinigten Staaten autorisiert sind.
Damit die Erdempfänger die verschiedenen C/A-Signale von den anderen umlaufenden GPS-Signalen unterscheiden, weisen die Erdempfänger gewöhnlicherweise eine Vielzahl von unterschiedlichen Goldcodequellen auf, um lokal Goldcodesequenzen zu erzeugen. Jede lokal abgeleitete Goldcodesequenz entspricht mit jeder einzigartigen Goldcodesequenz jedem der GPS-Satelliten.
Die lokal abgeleiteten Goldcodesequenzen und die übertragenen Goldcodesequenzen werden miteinander in Querbeziehung bzw. Kreuzkorrelation gebracht und zwar über Goldcodesequenzintervalle von einer Millisekunde. Die Phase der lokal abgeleiteten Goldcodesequenzen variiert auf einer Basis von Chip zu Chip, und dann innerhalb eines Chips, bis die maximale Querbeziehungsfunktion bzw. Kreuzkorrelationsfunktion erhalten wird. Da die Querbeziehung bzw. Kreuzkorrelation für zwei Goldcodesequenzen, die eine Länge von 1023 Bits hat, ungefähr 16 mal so groß ist, wie die Kreuzkorrelationsfunktion von irgendeiner der anderen Kombinationen der Goldcodesequenzen, ist es relativ einfach, die lokal abgeleitete Goldcodesequenz auf die gleiche Goldcodesequenz zu verriegeln, die von einem der GPS-Satelliten übertragen wurde.
Die Goldcodesequenzen von mindestens vier der GPS-Satelliten im Blickfeld eines Erdempfängers werden in dieser Weise unter Verwendung eines einzigen Kanals getrennt, der sequentiell auf jede der lokal abgeleiteten Goldcodesequenzen anspricht, oder alternativ durch Verwendung von parallelen Kanälen, die simultan auf die unterschiedlichen Goldcodesequenzen ansprechen. Nachdem vier lokal abgeleitete Goldcodesequenzen in einer Phase mit den Goldcodesequenzen verriegelt worden sind, die von vier GPS- Satelliten im Sichtfeld eines Erdempfängers empfangen wurden, kann die Relativposition des Erdempfängers mit einer Genauigkeit von ungefähr 60 bis 300 Metern bestimmt werden.
Die vorangegangene ungefähre Genauigkeit des NAVSTAR-GPS wird beeinflußt durch (1) die Anzahl der GPS-Satelliten, die Signale übertragen, auf die der Erdempfänger effektiv anspricht, (2) die variablen Amplituden der empfangenen Signale und (3) die Größe der Kreuzkorrelationsspitzen zwischen den empfangenen Signalen von den unterschiedlichen GPS- Satelliten.
Da mehrere PRN- bzw. Pseudozufallszahlsignale simultan beim Erdempfänger empfangen werden, existiert ein gemeinsames Zeitintervall, in dem einige der Codes in Konflikt kommen können. In anderen Worten bewirken die Codes eine Verschlechterung der Messungen der Ankunftszeit von jeder empfangenen Pseudozufallszahl, und zwar wegen den Kreuzkorrelationen zwischen empfangenen miteinander in Konflikt stehenden Signalen.
Die Ankunftszeitmessung für jedes PRN-Signal wird durch Bestimmung der Zeit einer Spitzenamplitude einer Kreuzkorrelation zwischen der Goldcodesequenz des empfangenen PRN-Signals und dem lokal abgeleiteten PRN- Signal vorgenommen. Wenn ein lokal abgeleitetes PRN-Signal über ein empfangenes PRN-Signal überlagert wird, wodurch die Durchschnittszeit ihrer Kreuzkorrelation vergrößert wird, sinkt der durchschnittliche Rauschbeitrag. Da jedoch Kreuzkorrelationsfehler zwischen den empfangenen PRN- Signalen periodisch sind, hat eine Vergrößerung der Durchschnittszeit genauso Vergrößerungen von sowohl dem Fehlersignal als auch dem Kreuzkorrelationswert zwischen den empfangenen Pseudozufallszahlen zur Folge. Folglich werden Fehler bezüglich der Ankunftszeit der PRN-Signale nicht durch die Kreuzkorrelation reduziert.
Zusätzlich zum GPS ist in der herkömmlichen Technik bekannt, Trägheitssysteme bei Navigationssystemen zu verwenden, um eine Positionsabschätzung der Fahrzeuge zu erhalten. Eine solche Trägheitsreferenzeinheit (IRU = inertial reference unit) erhält spezielle Kraftmessungen von Beschleunigungsmessern in einem Referenzkoordinatenrahmen, der von Gyroskopen oder Gyrovorrichtungen stabilisiert wird. Eine Trägheitsreferenzeinheit kann von mehreren Bauarten sein, wie beispielsweise Laser, Mechanik oder Faseroptik. In einem nicht unterstützten Navigationssystem unter Verwendung einer Trägheitsreferenzeinheit wird die spezifische Kraft (korrigiert bezüglich der Effekte der Erdschwerkraft) wie von einem Beschleunigungsmesser gemessen, in eine mathematische Navigationsgleichung integriert, um die Geschwindigkeit und die Position des Fahrzeugs zu erzeugen.
Die Instrumentenmessungen der Trägheitsreferenzeinheit können in einem anderen rechteckigen Koordinatenrahmen als dem Referenznavigationsrahmen festgelegt werden, und zwar abhängig von der Plattformeinrichtung. Der am meisten verwendete Referenznavigationsrahmen für die Navigation nahe der Erdoberfläche ist der Lokalniveaurahmen (Breite-Länge- Vertikalposition). Mehrere Kardanplattformeinrichtungen existieren bei dem vorangegangenen Referenznavigationsrahmen.
Bei einer kardanartig aufgehängten die Nordrichtung suchenden Lokalniveauträgheitsreferenzeinheit werden die Gyroskope und Beschleunigungsmesser auf einer Plattform montiert, die verdreht wird, um das Platfformniveau und den Azimuth auf nordweisend zu halten. Die Plattform ist die Referenzebene. Im Gegensatz dazu wird bei einer kardanartig aufgehängten im Azimuth wandernden Lokalniveauträgheitsreferenzeinheit die Plattform auf dem Niveau gehalten, wird jedoch nicht um die Vertikalachse verdreht.
Weiterhin werden bei einer abgespeckten bzw. Strap-Down- Trägheitsreferenzeinheit die Gyroskope und Beschleunigungsmesser direkt auf dem Fahrzeugkörper montiert. Sie messen die Linear- und Winkelbewegung des Fahrzeugs relativ zum Trägheitsraum. Die Bewegung wird in Fahrzeugkoordinaten ausgedrückt. Daher ist es bei einer Strap-Down-Trägheitsreferenzeinheit nötig, zuerst die Höhe des Fahrzeugs zum Bezugsnavigationsrahmen zu berechnen. Dann wird die berechnete Höhe verwendet, um die Beschleunigungsmessungen in den Referenzrahmen zu transformieren. Nachdem die Beschleunigungsmessdaten einer Strap-Down-Trägheitsreferenzeinheit in dem Referenzrahmen extrapoliert worden sind, ist die Lösung der zuvor erwähnten Navigationsgleichungen identisch sowohl bei der kardanartig aufgehängten Trägheitsreferenzeinheit als auch bei der Strap- Down-Trägheitsreferenzeinheit.
Bei der Strap-Down-Trägheitsreferenzeinheit werden die Höhenberechnungen, die erforderlich sind, um die Beschleunigungsmessungen aufzulösen, mit einer hohen Rate ausgeführt. Die Berechnungen leiden unter numerischen Fehlern, und zwar wegen der begrenzten Computerbitgröße und Durchgangsverfügbarkeit. Diese Berechnungsfehler hängen von dem Frequenzansprechen der Sensorschleife, von der Datenrate und der Auflösung und der Größe der Sensorausgangsgröße bei der Aufnahmezeit ab.
Jedoch erwachsen beträchtliche Vorteile aus der Verwendung der Strap- Down-Trägheitsreferenzeinheit anstelle der kardanartig aufgehängten Trägheitsreferenzeinheit. Die Strap-Down-Trägheitsreferenzeinheiten sind billiger. Darüber hinaus sind die Strap-Down-Trägheitsreferenzeinheiten im allgemeinen bezüglich der physikalischen Größe kleiner. Somit kann das Potential zur Verwirklichung von Größen- und Kosteneinsparungen bei den Trägheitsreferenzeinheiten die Strap-Down-Trägheitsreferenzeinheiten sowohl für militärische als auch für kommerzielle Anwendungen attraktiv machen.
Die Leistung von Navigationssystemen, die Trägheitsreferenzeinheiten verwenden, ist in erster Linie durch Fehler begrenzt, die von den verschiedenen anteiligen Sensoren innerhalb der Trägheitsreferenzeinheiten beigetragen werden. Gyroskope zeigen einen Drift bzw. eine Abweichung. Beschleunigungsmesser haben innewohnende Vorspannungen. Weitere Fehler werden von ungenauen Skalierungsfaktoren und ungenauen Trägheitsreferenzeinheitsausrichtungswinkeln beigetragen. Typischerweise bewirken die vorhergehenden Fehler Ungenauigkeiten bei den Abschätzungen der Fahrzeugpositionen, der Geschwindigkeit und der Höhe, die sich mit der Zeit ansammeln, wenn eine Fahrzeugmission voranschreitet. In gewissem Ausmaß hängen die Fehler von den dynamischen Vorgängen des Anwenders ab.
Wenn ein sehr genaues Navigationssystem für ein Fahrzeug erforderlich ist, können hochpräzise Gyroskope und Beschleunigungsmesser verwendet werden, um diese Notwendigkeit zu erfüllen. Jedoch steigern solche hochpräzisen Ausrüstungsgegenstände die Komplexität und die Kosten des Fahrzeugs.
EP-A-0181012 offenbart ein Fahrzeugpositionsabschätzungssystem, welches GPS- und Trägheitsnavigationssysteme kombiniert. IEEE Position Location und Navigation Symposium, 4.-7. November 1986 offenbart ein Trägheitsnavigationssystem im Vergleich mit dem GPS.
DE-A-33 10 111 offenbart ein Navigationssystem mit Drift- bzw. Abweichungskompensation. US-A-3630079 offenbart ein Navigationssystem, welches mehrere Sensoren und die Fehlerkorrektur verwendet.
EP-A-221643 offenbart ein Sichtnavigationssystem für einen freilaufenden mobilen Roboter, bei dem der Roboter eine Vielzahl von Leuchtfeuern besitzt, die montiert sind, um seine Lage für feste über Kopf liegende Sichtkameras zu identifizieren. Das System sieht ein hierarchisches Steuersystem vor. IEEE General of Robotics and Automation, Vol. 4, Nr. 3, Juni 1988 offenbart eine hierarchische Steuervorrichtung für einen unbemannten Roboter mit einer mit einer Aufgabe in Bezug stehenden Steuerung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Multi-Task-Navigationssystem 406 (Navigationssystem mit mehreren gleichzeitig ausgeführten Aufgaben) für ein autonomes landbasiertes Fahrzeug 102 vorgesehen, das folgendes aufweist:
(1) Hauptaufgabenmittel 5316 zur Koordination von Kommunikationsvorgängen zwischen den Aufgaben, die Mittel aufweisen, um eine Entscheidungsfindung auf hohem Niveau auszuführen;
(2) Überwachungsfahrzeugzustandsaufgabenmittel 5308 zum Lesen eines Kommunikationsanschlusses 5326 in das Fahrzeug 102, die Mittel aufweisen, um Fahrzeugbetriebszustandsveränderungen zu melden, und Mittel zum Melden des Zustandes der Kommunikation vom System zum Fahrzeug an die Hauptaufgabenmittel 5316 und die weiter Mittel zum Schreiben einer Fahrzeugzustandsnachricht an eine globale Speicherstruktur 5400 aufweisen;
(3) Scanner- bzw. Abtastvorrichtungsaufgabenmittel 5310 zum Liefern von Daten von einem Hindernisdetektionssystem 40 zu den Hauptaufgabenmitteln 5316;
(4) ittel 5320 zum Holen von Anweisungsaufgaben zur Schnittstellenbildung des Systems 406 mit einem Host (-computer) 4020, die Mittel aufweisen, um zu empfangen, und Mittel, um Nachrichten von dem Host 402 zu dekodieren, und Mittel zur Übermittelung einer empfangenen und dekodierten Nachricht an andere Aufgabenmittel;
(5) Mittel 5318 für eine Aufgabe einer Nachricht an den Host zur Schnittstellenbildung des Systems 406 mit dem Host 402, die Mittel aufweisen, um Nachrichten zu bilden und Mittel um Nachrichten von dem System zum Host zu übermitteln;
(6) V.S.-Positionsaufgabenmittel 5322 zur Schnittstellenbildung eines Fahrzeugpositionsbestimmungssystems 1000 mit dem System 406, die Mittel aufweisen, um eine Ausgangsgröße aus dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem 1000 zu lesen, weiter Checksummenmittel zum Überprüfen der Ausgangsgröße bezüglich der Korrektheit;
Schreibmittel zum Übermitteln der überprüften Ausgangsgröße an die globale Speicherstruktur 5400, und Fehleranzeigemittel zum Senden einer Nachricht an die Hauptaufgabenmittel 5316, immer dann wenn ein Positionsfehler auftritt;
(7) V.S.-Lageaufgabenmittel 5324 zur Überwachung der Fahrzeugposition, während das Fahrzeug 102 eine Spur zieht, die Mittel aufweisen, um eine Vielzahl von Lagen bzw. Ausrichtungen in einem Ausrichtungspuffer 5410 der globalen Speicherstruktur 5400 zu halten; und
(8) Verfolgungsvorrichtungsaufgabenmittel 5306 zur Berechnung der Lenk- und Geschwindigkeitskorrekturen für das Fahrzeug 102, die Mittel aufweisen, um Positionsinformationen vom Positionspuffer 5412 der globalen Speicherstruktur 5400 zu lesen, weiter Mittel zum Lesen von Ausrichtungsinformationen von dem Ausrichtungspuffer 5410 der globalen Speicherstruktur 5400 und Mittel zum Senden der Lenk- und Geschwindigkeitskorrekturen an das Fahrzeug 102 zur Steuerung des Fahrzeugkurses.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren vor, um ein Multi-Task- Navigationssystem 406 für ein autonomes landbasiertes Fahrzeug 102 zu betreiben, das folgende Schritte aufweist:
(9) Koordinieren 5316 der Kommunikationsvorgänge zwischen den Aufgaben;
(10) Ausführen 5316 einer Entscheidungsfindung auf hohem Niveau;
(11) Auslesen 5308 eines Kommunikationsanschlusses 5326 in das Fahrzeug 102;
(12) Meldung 5308 von Fahrzeugbetriebszustandsveränderungen an eine Hauptaufgabe 5316;
(13) Melden 5308 eines Zustandes der Kommunikation vom System zum Fahrzeug an eine Hauptaufgabe 5316;
(14) Schreiben 5308 einer Fahrzeugzustandsnachricht in eine globale Speicherstruktur 5400;
(15) Liefern 5310 von Daten von einem Hindernisdetektionssystem 40 zur Hauptaufgabe 5316;
(16) Schnittstellenbildung 5320 des Systems 406 mit einem Host (- computer) 402 durch Aufnahme und Dekodierung von Nachrichten vom Host 402 und Übermittlung einer aufgenommenen und dekodierten Nachricht an eine andere Aufgabe;
(17) Schnittstellenbildung 5318 des Systems 406 mit dem Host 402 durch Bilden von Nachrichten und Übermittlung von Nachrichten von dem System 406 zum Host 402;
(18) Schnittstellenbildung 5322 eines Fahrzeugpositionsbestimmungssystems 1000 mit dem System 406 durch Lesen eines Ausgangs von dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem 1000, Checksummenüberprüfung der Ausgangsgröße bezüglich der Korrektheit, Schreiben der überprüften Ausgangsgröße in einen Positionspuffer 5412 in einer globalen Speicherstruktur 5400 und Fehleranzeige durch Senden einer Nachricht an die Hauptaufgabe 5316, immer dann wenn ein Positionsfehler auftritt;
(19) Überwachung 5324 der Fahrzeugposition, während das Fahrzeug eine Spur zieht, und zwar durch Halten einer Vielzahl von Ausrichtungen in einem Ausrichtungspuffer 5410 der globalen Speicherstruktur 5400; und
(20) Berechnung 5306 von Lenk- und Geschwindigkeitskorrekturen für das Fahrzeug 102 durch Lesen von Positionsinformationen aus dem Positionspuffer 5412 der globalen Speicherstruktur 5400, Lesen der Ausrichtungsinformation aus dem Ausrichtungspuffer 5410 der globalen Speicherstruktur 5400, und Berechnen und Absenden der Lenk- und Geschwindigkeitskorrekturen an das Fahrzeug 102 zur Steuerung des Fahrzeugkurses.
Die autonomen Fahrzeuge können stationär oder beweglich sein. Darüber hinaus können die autonomen Fahrzeuge auf oder nahe der Erdoberfläche sein. Anders gesagt sieht die vorliegende Erfindung eine sehr genaue und schnelle Verfolgung von irgendeinem terrestrischen Fahrzeug vor. Sie sieht sowohl Vorrichtungen als auch Verfahren vor, die eine überlegene Positionierungs- bzw. Positionsbestimmungsfähigkeit und folglich eine flexible autonome Navigationsfähigkeit gestatten.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann in der Technik bei der Untersuchung der folgenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung offensichtlich werden. Es wird beabsichtigt, daß irgendwelche zusätzlichen Merkmale und Vorteile hier miteingeschlossen seien.
In den Zeichnungen kann die vorliegende Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, besser mit Bezug auf den Text und die folgenden Zeichnungen verstanden werden.
Fig. 1 veranschaulicht ein Blockdiagramm des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1A ist ein Blockdiagramm 100A der in Betrieb befindlichen GPS- Satelliten beim NAVSTAR-GPS;
Fig. 2 veranschaulicht vier gleichzeitige Navigationsgleichungen, die vier GPS-Satelliten des NAVSTAR-GPS betrachten bzw. behandeln;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer typischen autonomen Arbeitsstelle bzw. Baustelle;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm der Beziehungen zwischen einem Navigator, einer VPS- bzw. Fahrzeugpositionsbestimmungssystem- Architektur und Fahrzeugsteuerungen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, welches die Elemente in einem autonomen Steuersystem veranschaulicht;
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm des Betriebs eines GPS;
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm eines GPS-Verarbeitungssystems des bevorzugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 8 ist ein Flußdiagramm des GPS-Verarbeitungssystems der Fig. 7;
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm eines MPS, und zwar einschließlich eines Odometers bzw. Wegmessers 902 und einer Trägheitsreferenzeinheit (IRU = inertial reference unit) 904;
Fig. 10 ist ein Blockdiagramm des VPS (Fahrzeugpositionsbestimmungssystems);
Fig. 11 ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels des Ausrichtungsringpuffers;
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm einer Fahrtverfolgungssteuerarchitektur/Hardware;
Fig. 13 ist ein Diagramm, das relevante Ausrichtungen in einem Lenkplanzyklus zeigt;
Fig. 14 ist ein Diagramm, das zeigt, wie ein Fehlervektor berechnet wird, der eine Krümmung mit einschließt;
Fig. 15 ist ein Diagramm, das zeigt, wie ein Fehlervektor, der eine Krümmung mit einschließt, mit dem eingebundenen Fahrzeugpfad berechnet wird;
Fig. 16 ist ein Kontextdiagramm des Navigators der vorliegenden Erfindung;
Fig. 17 ist ein Kontextdiagramm einer Pfadverfolgungsstruktur;
Fig. 18A bis 18D sind Datenflußzusammenfassungen des Navigators 406;
Fig. 19 ist eine Darstellung eines auf einem Fahrzeug montierten Scanners 404 (Abtastvorrichtung).
Fig. 20 ist ein Blockdiagramm 4300 eines Steuersystems für ein autonomes Bergbaufahrzeug;
Fig. 21 ist ein Zustandsdiagramm, das die Übergänge zwischen den Betriebszuständen des Steuersystems der Fig. 20 zeigt;
Fig. 22 ist ein Blockdiagramm der Geschwindigkeitssteuerung auf hohem Niveau;
Fig. 23 ist ein Blockdiagramm einer Service- bzw. Betriebsbremsensteuerschaltung der Geschwindigkeitssteuerung auf hohem Niveau;
Fig. 24 ist ein Blockdiagramm einer Regelungssteuerschaltung der Geschwindigkeitssteuerung des bevorzugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 25 ist ein Blockdiagramm einer Lenksteuerschaltung;
Fig. 26 ist ein Kommunikationsdiagramm, das die Aufgaben eines Navigators zeigt;
Fig. 27 ist ein Kommunikationsdiagramm, das einen vom Navigator gemeinsam verwendeten Speicher eines Navigators zeigt;
Fig. 28 ist ein Flußdiagramm, das sich auf Ausführungsentscheidungen bezieht;
Fig. 29 ist ein Flußdiagramm der Beziehung/Verbindung von Ausführungsflußdiagrammen 5600A bis 5600D der jeweiligen Fig. 26A bis 30D.
Fig. 23A bis 29D sind Ausführungsflußdiagramme 5600A- 5600D jeweils von dem Ausführungsflußdiagramm auf hohem Niveau;
Fig. 30A bis 30R sind jeweilige Flußdiagramme 5700A bis 5700R, die jeweils "Wirke-auf-Blöcke" der Ausführungsflußdiagramme zeigen;
Fig. 31 ist ein Flußdiagramm auf hohem Niveau der Beziehung der jeweiligen Fig. 31A bis 31C; und
Fig. 31A bis 31C sind jeweilige Flußdiagramme 5800A bis 5800C, die den "Wirke-auf-Zustand-Block" in jedem der Ausführungsflußdiagramme 5700A bis 5700Q zeigen.
(1) "Absolute Position" bezieht sich im Zusammenhang mit diesem Dokument auf eine Position bezüglich dem Erdmittelpunkt. Im allgemeinen wird eine absolute Position in Bezug zu einem Fahrzeug oder einer Basisstation sein, sowohl auf als auch nahe der Erdoberfläche. Erste, zweite und dritte Positionsabschätzungen sind alle absoluten Positionen im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
(2) "Tatsächlicher Pseudobereich" bedeutet eine Annäherung an die Distanz zwischen (1) einem Bezugspunkt und (2) einer Quelle eines terrestrischen Positionsbestimmungssystems. In diesem Dokument beziehen sich die tatsächlichen Pseudobereiche gewöhnlicherweise auf eine Annäherung der Distanz zwischen (1) einem Erdempfänger und (2) GPS-Satelliten und/oder Pseudoliten. Tatsächliche Pseudobereiche werden angenähert, indem man zuerst die Fortpflanzungszeitverzögerungen zwischen der Übertragung und dem Empfang der elektromagnetischen Signale mißt, die aus den GPS- Satelliten und/oder Pseudoliten herauskommen. Tatsächliche Pseudobereiche können leicht berechnet werden durch Multiplizieren der berechneten Zeitverzögerungen mit der Lichtgeschwindigkeit oder mit 2,9979245898 108 m/s.
(3) "Antiselektive Verfügbarkeit" bezieht sich auf ein Verfahren/eine Technikleinen Prozeß zum Detektieren und Kompensieren von korrupten bzw. zerstörten GPS-Daten im Grob/Such-(C/A-)Modulationsbetriebszustand.
(4) "Autonom" wird in diesem Dokument im herkömmlichen Sinne verwendet. Es zeigt den Betrieb an, der entweder vollständig automatisch oder im wesentlichen automatisch oder ohne beträchtliches Einbeziehen eines Menschen im Betrieb ist. Im allgemeinen bedeutet ein autonomes Fahrzeug ein nicht bemanntes Fahrzeug im Betrieb oder ein Fahrzeug im Betrieb ohne einen menschlichen Fahrer oder Beifahrer. Jedoch kann ein autonomes Fahrzeug automatisch gefahren werden oder in anderer Weise betrieben werden und kann genauso einen (mehrere) menschlichen (menschliche) Passagier(e) haben.
(5) "Basiskorrelationsableitung" bedeutet eine räumliche Ableitung, die gemäß des Flußdiagrammes 1700A der Fig. 17A abgeleitet wurde.
(6) "Basiskorrelationsableitungstechnik" meint ein Verfahren/Prozeß zur Berechnung der Basiskorrelationsableitungen.
(7) "Abgeschätzte Basisposition" oder "BEP" bezieht sich auf die relative Position der Basisstation mit Bezug auf ein Fahrzeug. Die abgeschätzte Basisposition wird in der Basiskorrelationsableitungstechnik des Teils II.F.2.d. dieser Schrift verwendet.
(8) "Bekannte Basisposition" oder "BKP" ist die absolute Position der Basisstation (verwendet als Referenzpunkt) die bekannt ist. Die bekannte Basisposition kann selbst eine Abschätzung sein, die von irgendeinem genauen Positionsbestimmungssystem abgeleitet wird. Es wird angenommen, daß die bekannte Basisposition eine genauere Abschätzung der absoluten Position der Basisstation als irgendeine andere Positionsabschätzung ist.
(9) "Basispositionsabschätzung" bedeutet die Abschätzung der absoluten Position der Basisstation, wie sie von dem GPS-Verarbeitungssystem innerhalb des Host-Verarbeitungssystems abgeleitet wurde. Die Basispositionsabschätzung ist im wesentlichen ähnlich wie die erste Positionsabschätzung, die von dem GPS-Verarbeitungssystem in dem Fahrzeug abgeleitet wurde. Die Basispositionsabschätzung wird in der Basisresiduenableitungstechnik im Teil II.F.2.c. dieser Schrift berechnet.
(10) "Basisresiduenableitung" bedeutet eine räumliche Ableitung, die die effektive Differenz der bekannten Basisposition (BKP) der Basisstation und der Positionsabschätzung der Basisstation ist, die von dem Host-Verarbeitungssystem berechnet wird.
(11) "Basisresiduenableitungstechnik" bezieht sich auf ein Verfahren zur Ableitung von Basisresiduenableitungen.
(12) "Ableitung" ("Bias") bezieht sich auf eine Differenz zwischen zwei Messungen, gewöhnlicherweise Positionsabschätzungen (räumliche Ableitungen) oder Clock- bzw. Takt-Raten (Clock-Ableitung bzw. Clock-Bias). Da bekannt ist, daß eine Messung gewöhnlicherweise genauer ist als die andere, wird die Ableitung oft als "Fehler" bezeichnet.
(13) "Taktableitung" (Clock-Ableitung) bedeutet die Differenz der Taktzeiten zwischen (1) der Übertragungsschaltung der GPS-Satelliten und/oder GPS- Pseudoliten und (2) der Aufnahmeschaltung eines Erdempfängers. Wenn man eine Taktableitung in der Berechnung einer räumlichen Ableitung verwendet, wird die Taktableitung mit der Lichtgeschwindigkeit oder mit 2,998 10&sup8; Metern pro Sekunde multipliziert. Folglich wird die Taktableitung in Längeneinheiten umgewandelt.
(14) "Konstellation" bezieht sich auf eine Gruppe, die aus GPS-Satelliten und/oder Pseudoliten besteht, deren Signale verwendet werden, um eine absolute Positionsabschätzung des Punktes auf oder nahe der Erdoberfläche abzuleiten. Siehe unten "optimale Konstellation".
(15) "Konstellationseffektverfahren" meint eine Technik oder einen Prozeß, wodurch eine optimale Konstellation von GPS-Satelliten aus einer größeren Gruppe von GPS-Satelliten im Sichtfeld eines Fahrzeuges ausgewählt wird.
(16) "Datenfunk" bezieht sich auf einen Sender, Empfänger, Sender/Empfänger oder irgendeine Kombination davon zur Übertragung von Daten bei Funkfrequenzen (RF = Radiofrequenzen).
(17) "Erdempfänger" bezieht sich auf irgendeine Einrichtung oder Vorrichtung oder irgendeinen Teil davon, der Signale von einem GPS und/oder Pseudoliten empfängt und verarbeitet. Erdempfänger können auf oder nahe der Erdoberfläche gelegen sein. Darüber hinaus können Erdempfänger beispielsweise die Form eines Fahrzeuges oder einer Basisstation annehmen.
(18) "Abgeschätzter Pseudobereich" bezieht sich auf die Annäherung der Distanz zwischen (1) einem Referenzpunkt und (2) einer Quelle eines terrestrischen Positionsbestimmungssystems. In dieser Schrift beziehen sich die aktuellen Pseudobereiche gewöhnlicherweise auf eine Annäherung der Distanz zwischen (1) einem Erdempfänger und (2) GPS-Satelliten und/oder Pseudoliten. Abgeschätzte Pseudobereiche werden aus GPS-Daten berechnet, die in den elektromagnetischen Signalen kodiert sind, die von den GPS- Satelliten und/oder den Pseudoliten übertragen werden. Almanachgleichungen zur Berechnung von abgeschätzten Pseudobereichen aus den GPS- Daten des NAVSTAR-GPS sind öffentlich verfügbar.
(19) "Erste Positionsabschätzung" oder "FPE" oder "FPE (i)" (FPE = first position estimate) bezieht sich auf eine abgeschätzte absolute Position von irgendeinem Fahrzeug, die in irgendeiner Form aus dem GPS ausgegeben wird. Die erste Positionsabschätzung und die zweite Positionsabschätzung werden in der vorliegenden Erfindung unabhängig abgeleitet. Darauf folgend werden diese Abschätzungen kombiniert und gefiltert, um eine dritte Positionsabschätzung abzuleiten. Folglich beeinflußt die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzung die Genauigkeit der dritten Positionsabschätzung.
(20) "GLONASS-GPS" bezieht sich auf das GPS, welches von der USSR konstruiert worden ist und gegenwärtig von ihr eingesetzt wird.
(21) "Globales Positionsbestimmungssystem" oder "GPS" ist eine Art eines terrestrischen Positionsbestimmungssystems. Bei einem GPS wird eine Anzahl von Satelliten in einer Umlaufbahn um den Planeten Erde angeordnet. Die GPS-Satelliten sind ausgelegt, um elektromagnetische Signale zu senden. Aus diesen elektromagnetischen Signalen kann die absolute terrestrische Position (Position mit Bezug auf den Erdmittelpunkt) von irgendeinem Empfänger auf oder nahe der Erdoberfläche ultimativ bestimmt werden. Die US-Regierung hat ihr GPS "NAVSTAR" genannt. Die Regierung der USSR hat ihr GPS "GLONASS" genannt.
(22) "GPS-Daten" bedeutet alle Daten, die auf Signalen codiert wurden, die von GPS-Satelliten eines GPS übertragen wurden. GPS-Daten weisen beispielsweise Ephemeridendaten und Zeitdaten auf.
(23) "GPS-Verarbeitungssystem" bezieht sich auf das System der vorliegenden Erfindung zur Aufnahme von Signalen von einem terrestrischen Positionsbestimmungssystem und zur Ableitung von ersten Positionsabschätzungen von Fahrzeugen aus den aufgenommenen Signalen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel empfängt das GPS-Verarbeitungssystem elektromagnetische Signale von den GPS-Satelliten eines GPS und/oder von Pseudoliten.
(24) "Host-Verarbeitungssystem" bezieht sich auf ein Computersystem, das an der Basisstation zur Ausführung von Verfahren und Techniken arbeitet, die die Genauigkeit der Positionsabschätzungen der Fahrzeuge verbessern. Daten, die aus diesen Verfahren und Techniken abgeleitet werden, werden zu Fahrzeugen übertragen, so daß die Fahrzeuge die Daten verwenden können, wenn sie erste, zweite und dritte Positionsabschätzungen berechnen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Architektur/Hardware (Komponenten) des Host-Verarbeitungssystems im wesentlichen ähnlich der Architektur/Hardware des Fahrzeugpositionsbestimmungssystems.
(25) "Trägheitsreferenzeinheit" oder "IRU" (IRU = inertial reference unit) bezieht sich auf ein System, gewöhnlicherweise an Bord eines Fahrzeuges, um der Ableitung einer zweiten Positionsabschätzung des Fahrzeuges beizuhelfen. Eine Trägheitsreferenzeinheit erhält spezifische Kraftmessungen von Beschleunigungsmessern in einem Referenzkoordinatenrahmen, der von Gyroskopen oder Gyroskopmitteln stabilisiert wird. Eine Trägheitsreferenzeinheit kann von einer Laserbauart oder von einer mechanischen Bauart sein. In einem nicht unterstützten Navigationssystem, welches eine Trägheitsreferenzeinheit verwendet, wird die spezifische Kraft (korrigiert bezüglich der Effekte der Erdschwerkraft) wie von dem Beschleunigungsmesser gemessen, in eine mathematische Navigationsgleichung integriert, um die Fahrzeugposition und -geschwindigkeit zu erzeugen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Trägheitsreferenzeinheit Teil des Bewegungspositionsbestimmungssystems.
(26) "Kalmanfilter" wird im herkömmlichen Sinne verwendet. Dies bezieht sich auf ein Softwareprogramm zum herausfiltern von Rauschen oder Fehlern in den Daten. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein GPS- Kalman-Filter verwendet, um Rauschen oder Fehler im GPS-Verarbeitungssystem herauszufiltern, um die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen zu verbessern. Es wird auch ein VPS- bzw. Fahrzeugpositionsbestimmungs-Kalman-Filter verwendet, um das Rauschen in dem Fahrzeugspositionsbestimmungssystem herauszufiltern, um die Genauigkeit der zweiten Positionsabschätzungen zu verbessern.
(27) "Bewegungspositionsbestimmungssystem" oder "MPS" (MPS = motion positioning system) bedeutet ein System, welches zumindest eine Trägheitsreferenzeinheit und einen Fahrzeugwegmesser aufweist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel leitet das Bewegungspositionsbestimmungssystem die zweite Positionsabschätzung von irgendeinem Fahrzeug auf oder nahe der Erdoberfläche ab. Darüber hinaus muß ein Bewegungspositionsbestimmungssystem nicht an der Basisstation vorhanden sein, und zwar aufgrund ihrer stationären Natur.
(28) "Optimale Konstellation" bedeutet eine Satellitenkonstellation, bei der die Relativpositionen der GPS-Satelliten im Raum überlegene Triangulationsfähigkeiten erfordert, um die genaueste Abschätzung eines Punktes auf oder nahe der Erdoberfläche abzuleiten.
(29) "Ursprüngliche Ableitung" bedeutet eine räumliche Ableitung, berechnet durch Subtrahieren von sowohl abgeschätzten Pseudobereichen als auch Taktableitungen (in Längeneinheiten) von den tatsächlichen Pseudobereichen. Taktableitungen werden in Längeneinheiten umgewandelt, indem man sie mit der Lichtgeschwindigkeit oder mit 2,9979245898·10&sup8; Metern pro Sekunde multipliziert.
(30) "Technik der ursprünglichen Ableitung" ist ein Verfahren zur Berechnung der ursprünglichen Ableitungen.
(31) "NAVSTAR-GPS" bedeutet das GPS, welches von der US-Regierung konstruiert worden ist und gegenwärtig von dieser eingesetzt wird.
(32) "Navigationssystem" bezieht sich auf irgendwelche Systeme und/oder Verfahren zum Leiten eines Fahrzeuges auf oder nahe der Erdoberfläche. Die Navigationssysteme können an Bord eines Fahrzeugs sein. Das Fahrzeugpositionsbestimmungssystem der vorliegenden Erfindung kann das Navigationssystem des Fahrzeugs mit einer sehr genauen dritten Positionsabschätzung des Fahrzeugs versorgen, so daß das Navigationssystem dadurch präzise das Fahrzeug führen kann.
(33) "Parabolische Ableitung" ist eine räumliche Ableitung, die durch den Aufbau von parabolischen Modellen für die tatsächlichen Pseudobereiche von jedem beobachteten GPS-Satelliten berechnet wird, und durch Extrapolieren von Werten aus den parabolischen Modellen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die parabolischen Ableitungen die tatsächlichen Pseudobereiche abzüglich dem Wert, der aus den konstruierten parabolischen Modellen extrapoliert wurde, und abzüglich den Taktableitungen (in Längeneinheiten durch Multiplizieren mit der Lichtgeschwindigkeit).
(34) "Parabolische Ableitungstechnik" ist ein Verfahren zur Berechnung von parabolischen Ableitungen von jedem der GPS-Satelliten, die verwendet werden.
(35) "Bevorzugtes Ausführungsbeispiel" bezieht sich auf den besten Weg zur Einrichtung der vorliegenden Erfindung. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist nur beispielhaft. Die vorliegende Erfindung sollte nicht so interpretiert werden, daß sie auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel eingeschränkt ist.
(36) "Pseudolit" bezieht sich auf ein Strahlungssystem oder Sendesystem auf oder nahe der Erdoberfläche zur Emulation eines GPS-Satelliten. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden elektromagnetische Signale, ähnlich jenen von den GPS-Satelliten, von landbasierten Pseudoliten übertragen. Einer oder mehrere Pseudoliten können verwendet werden, um GPS- Satelliten zu emulieren, um die Berechnung der ersten Positionsabschätzungen zu verbessern.
(37) "Pseudolitendaten" bedeutet alle Daten, die in Signalen kodiert sind, die von den Pseudoliten aufgenommen wurden. Die Pseudolitendaten ähneln den GPS-Daten in vieler Hinsicht und weisen ähnliche Informationen auf.
(38) "Pseudobereich" meint die Distanz zwischen einer Quelle eines terrestrischen Positionsbestimmungssystems und einem Punkt auf oder nahe der Erdoberfläche. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel können die Quellen GPS-Satelliten und/oder Pseudoliten sein. Das terrestrische Positionsbestimmungssystem kann ein GPS sein, das mit Pseudoliten verwendet wird, falls vorhanden. Weiterhin kann der Punkt auf oder nahe der Erdoberfläche die Basisstation und/oder Fahrzeuge sein.
(39) "Satellitenpositionsvorhersage" ist ein Verfahren zur Bestimmung der zukünftigen Positionen der GPS-Satelliten. Das Verfahren gestattet die vorzeitige Auswahl von optimalen Konstellationen.
(40) "Zweite Positionsabschätzung" oder "SPE" (SPE = second position estimate) bezieht sich auf eine abgeschätzte absolute Position von irgendeinem Fahrzeug, die in irgendeiner Form vom Bewegungspositionsbestimmungssystem bzw. MPS ausgegeben wurde. Die zweiten Positionsabschätzungen weisen mindestens eine Positionsinformation von einer Trägheitsreferenzeinheit auf. Die zweite Positionsabschätzung könnte Positionsinformationen von einem Fahrzeugwegmesser aufweisen, der auf einem Fahrzeug gelegen ist.
(41) "Räumliche Ableitung" bezieht sich auf eine Ableitung, die sich auf Annäherungen der Positionen in einem zweidimensionalen oder dreidimensionalen Raum bezieht. Räumliche Ableitungen werden verwendet, um eine Positionsabschätzung zu versetzen (offset) um die Genauigkeit der Positionsabschätzung zu verbessern. Räumliche Ableitungen können durch eine Anzahl von unterschiedlichen Verfahren der vorliegenden Erfindung berechnet werden. Bei diesen Verfahren sind beispielsweise eine Originalableitungstechnik 1500 (Teil II.F.2.a), eine parabolische Ableitungstechnik 1600 (Teil II.F.2.b), eine Basisresiduenableitungstechnik 1700 (Teil II.F.2.c) und eine Basiskorrelationsableitungstechnik 1700A (Teil II.F.2.d) eingeschlossen.
(42) "System" wird für den Zweck verwendet, eine Vorrichtung, ein Verfahren oder eine Kombination von sowohl einer Vorrichtung als auch einem Verfahren zu bedeuten. Darüber hinaus könnte es Programme, Hardware bzw. Komponenten oder eine Kombination aus Hardware und Programmen aufweisen.
(43) "Positionsbestimmungssystem" bedeutet irgendein System mit Quellen, die Signale ausstrahlen, die von einem Empfänger der Signale verwendet werden können, um die relative Distanz zwischen den Quellen und dem Empfänger abzuschätzen. Die Signale können beispielsweise in Form von elektromagnetischen Wellen, Percussionswellen und/oder Schallwellen sein.
(44) "Terrestrisches Positionsbestimmungssystem" bedeutet irgendein Positionsbestimmungssystem, welches verwendet werden kann, um ultimativ die terrestrische Position eines Erdempfängers abzuschätzen. Die Signale können beispielsweise in Form von elektromagnetischen Wellen, Percussionswellen und/oder Schallwellen sein. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das terrestrische Positionsbestimmungssystem das NAVSTAR-GPS.
(45) "Dritte Positionsabschätzung" oder "TPE" (TPE = third position estimate) bezieht sich auf eine abgeschätzte absolute Position von irgendeinem Fahrzeug, die in irgendeiner Form vom Fahrzeugpositionsbestimmungssystem ausgegeben wurde. Die dritten Positionsabschätzungen sind genauere Positionsabschätzungen der Fahrzeugpositionen im Vergleich zu den ersten und zweiten Positionsabschätzungen. Die dritte Position wird von den ersten und zweiten Positionsabschätzungen durch das VPS-Verarbeitungssystem abgeleitet.
(46) "Fahrzeug" bedeutet irgendeinen Träger zum Transport von physischen Dingen. Fahrzeuge können die Form von Bergbaulastwägen, Baulastwägen, Farmtraktoren, Automobilen, Schiffen, Booten, Eisenbahnen, Ballons, Raketen oder Flugzeugen annehmen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein 785 PFF-Straßenlastwagen von Caterpillar Inc. verwendet.
(47) "Fahrzeugpositionsbestimmungssystem" oder "VPS" (VPS = vehicle positioning system) bezieht sich auf das System der vorliegenden Erfindung zum Ableiten von Positionsabschätzungen von irgendeinem Fahrzeug. Die Positionsabschätzungen von dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem sind extrem genau und können von einem Navigationssystem auf irgendeinem Fahrzeug verwendet werden, um genau das Fahrzeug zu führen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden Positionsabschätzungen von dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem als dritte Positionsabschätzungen bezeichnet.
(48) "VPS-Verarbeitungssystem" bedeutet das Verarbeitungssystem des Fahrzeugpositionsbestimmungssystems bzw. des VPS. Das VPS- Verarbeitungssystem leitet dritte Positionsabschätzungen von den ersten und zweiten Positionsabschätzungen ab. Die Architektur ist in den Fig. 10 und 11 abgebildet.
(49) "Gewichtete Kombination" bezieht sich auf ein spezielles Softwareprogramm, das Daten verarbeitet. Die eingegebenen Daten werden einem vorbestimmten Gewichtungsfaktor zugeordnet, und zwar basierend auf der abgeschätzten Genauigkeit der Daten und der Technik, die verwendet wird, um die Daten zu sammeln. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die erste Positionsabschätzung des GPS-Signals 716 beispielsweise schwerer gewichtet als die zweite Positionsabschätzung des Trägheitsreferenzeinheitssignals 910, da ersteres inhärent genauer ist. Weiterhin kann die Geschwindigkeit, die von der Trägheitsreferenzeinheit gemessen wurde, schwerer gewichtet werden, als die Geschwindigkeit, die von dem GPS-Verarbeitungssystem gemessen wird, da erstere genauer ist. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Geschwindigkeit, die von dem GPS- Verarbeitungssystem gemessen wird, überhaupt nicht verwendet, könnte jedoch in anderen Aufbauten verwendet werden.
(50) "Technik der gewichteten Pfadhistorie" ist ein Verfahren oder ein Prozeß zur Steigerung der Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen, die aus dem GPS-Verarbeitungssystem ausgegeben werden. Die Technik verwendet frühere erste Positionsabschätzungen, um ein Fahrzeugpfadmodell abzuleiten, um die Gültigkeit der zukünftigen ersten Positionsabschätzungen zu testen. Die Anwendung der Technik der gewichteten Pfadhistorie hat eine Verringerung des Wanderns der ersten Positionsabschätzungen und eine verbesserte Immunität gegenüber falschen Positionsberechnungen zur Folge.

II. Allgemeiner Überblick

Fig. 1 veranschaulicht ein High-Level-Blockdiagramm 100 des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Um den genauen autonomen Betrieb eines Fahrzeugs 102 auf oder nahe der Erdoberfläche vorzusehen, weist die vorliegende Erfindung sowohl ein Fahrzeugpositionierungssystem (VPS = vehicle positioning system) 1000 als auch ein Navigationssystem 1022 auf. Diese beiden Systeme weisen eine Vorrichtung, Verfahren und Techniken auf, die, wenn sie zusammen integriert sind, eine hochgenaue Steuerung von unbemannten Fahrzeugen vorsehen.

A. Fahrzeugpositionsbestimmungssystem (VPS)

Die Aufgabe, das autonome Fahrzeug 102 entlang eines vorbeschriebenen Pfades zu führen, erfordert u. a. eine genaue Schätzung der augenblicklichen bzw. laufenden bzw. Ist-Fahrzeugposition, relativ zu einem Referenzpunkt. Sobald die laufende bzw. Ist-Position bekannt ist, kann das Fahrzeug 102 angewiesen werden, zu seiner nächsten Bestimmung voranzugehen bzw. zu fahren.
Unter Verwendung der VPS 1000 der vorliegenden Erfindung können Positionsschätzungen des Fahrzeugs 102 mit extremer Genauigkeit bestimmt werden. Das VPS 1000 empfängt GPS-Daten von GPS-Satelliten 104 von einem GPS, wie beispielsweise dem NAVSTAR-GPS oder dem GLONASS GPS.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das NAVSTAR-GPS verwendet. Fig. 1A veranschaulicht das NAVSTAR-GPS. GPS-Satelliten 130-168 laufen um die Erde 172 in sechs Orbitalen bzw. Umlaufbahnen 174-184.
Mit Bezug auf Fig. 1 kann das VPS 1000 auch Pseudolitdaten von Pseudolit(en) 105 empfangen. Der Ausdruck "Pseudolit" im Zusammenhang mit diesem Dokument bedeutet eine strahlungsaussendende bzw. strahlende Vorrichtung auf oder nahe der Erdoberfläche, um einen GPS-Satelliten zu emulieren bzw. nachzubilden.
Aus den GPS-Daten und/oder den Pseudolit-Daten leitet das VPS 1000 genaue Schätzungen der Position des Fahrzeugs 102 ab. Die GPS-Daten und/oder die Pseudolit-Daten werden signifikant über zahlreiche erfindungsgemäße Techniken und Verfahren der vorliegenden Erfindung verbessert bzw. verstärkt, um die Genauigkeit der Fahrzeugpositionsschätzung zu verbessern.
Insbesondere ist das VPS 1000 des bevorzugten Ausführungsbeispiels ein Positionierungs- bzw. Positionsbestimmungssystem, basierend auf der Verwendung bzw. dem Einschluß von GPS-Daten vom NAVSTAR-GPS 104 und von einem Bewegungspositionierungs- bzw. Bewegungspositionsbestimmungssystem 900. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Bewegungspositionierungssystem 900 eine Trägheitsreferenzeinheit (IRU = inertial reference unit) 904 und/oder ein Fahrzeugodometer bzw. -wegmesser 902 auf. Die IRU 904 weist ein oder mehrere Lasergyroskope 106 und einen oder mehrere Beschleunigungsmesser 108 auf, die verwendet werden können, um die Position, die Geschwindigkeit, die Querneigung bzw. Rollneigung, die Höhe und die Gierungs- bzw. Neigungsdaten zu erzeugen. Der Fahrzeugswegmesser 902 erzeugt Daten über die vom Fahrzeug 102 gelaufene Distanz.
Eine erste Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 wird durch das GPS- Verarbeitungssystem 700 von den GPS-Daten abgeleitet, die von den GPS- Satelliten 104 und von den Pseudolit-Daten empfangen werden, die von dem (den) Pseudolit(en) 105 empfangen werden. Um die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung zu vergrößern, implementiert bzw. verwendet die vorliegende Erfindung eine Anzahl von Verfahren, die unten im Detail besprochen werden. Zusätzlich wird eine zweite Positionsschätzung durch den MPS- Kommunikationsprozessor 906 des Bewegungspositionssystems 900 abgeleitet, welches die IRU 904 und/oder den Fahrzeugswegmesser 902 aufweist.
Wie durch die jeweiligen Pfeile 112 und 114 gezeigt, werden die erste Positionsschätzung und die zweite Positionsschätzung dann durch ein VPS- Verarbeitungssystem 116 kombiniert und gefiltert. Das Ergebnis, wie durch einen Ausgabepfeil 118 gezeigt, ist eine genauere dritte Positionsschätzung.

B. Navigationssystem

Das Navigationssystem 1022 empfängt die dritte Positionsschätzung vom VPS 1000. Das Navigationssystem 1022 verwendet die präzise dritte Positionsschätzung, um das Fahrzeug 102 genau zu navigieren. Ein primärer Zweck des Navigationssystems 1022 ist es, das Fahrzeug 102 zwischen Punkten entlang eines vorbestimmten oder dynamisch erzeugten Pfades zu führen.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Navigationssystem 1022 im Fahrzeug 102 selbst gelegen. In anderen Worten ist es im wesentlichen ein "On-Board"- bzw. an Bord befindliches System. Darüberhinaus kann das Navigationssystem 1022 ausgelegt bzw. konstruiert sein, um in das Fahrzeug 102 wieder eingepaßt zu werden.
So daß das Navigationssystem 1022 das Fahrzeug 102 führen kann, um voreingestellten oder dynamisch erzeugten Pfaden zu folgen, werden verschiedene Modelle oder konzeptionelle Darstellungen erzeugt und verwendet. Beispielsweise können Linien und Kurven bzw. Bögen verwendet werden, um Fahrzeugpfade zwischen Objektpunkten einzurichten. Mathematische B-Splines oder Clothoidkurven können verwendet werden, um den tatsächlichen Pfad bzw. Weg zu modellieren, wo das Fahrzeug 102 navigieren muß. Diese mathematischen Kurven werden im Detail später in diesem Dokument besprochen werden.
Die Verwendung der obigen Modelierungs- oder Darstellungstechniken sieht verbesserte Datenkommunikationen, -speicherung und -behandlung des Fahrzeugs 102 vor. Die Techniken gestatten weiter eine Vereinfachung der Überwachungsaufgaben durch das Vorsehen einer Hierarchie von Steuerung und Kommunikation. Je höher ein Steuerpegel im hierarchischen Steuerschema existiert, desto einfacher ist die Aufgabe und desto kompakter sind die Befehle.
Das Navigationssystem 1022 sieht weiterhin die Steuerung der mechanischen Systeme des Fahrzeugs vor, wie beispielsweise Bremsen, Lenkung und Motor und Getriebe, um die notwendigen physikalischen Vorgänge bzw. Handlungen vorzunehmen, die erforderlich sind, um das Fahrzeug 102 zu bewegen, zu stoppen und zu lenken.
Das Navigationssystem 1022 überprüft auch die tatsächliche bzw. Ist- Position des Fahrzeugs 102 gegen die gewünschte bzw. Soll-Position, um die Fahrzeugsteuerung gemäß der gewünschten Position zu korrigieren. Das Navigationssystem 1022 kann Mehrfach-Status-Modelle bzw. Mehrzustandsmodelle laufen lassen, um diese Überprüfungsfähigkeit zu verbessern. Das Navigationssystem 1022 überprüft auch Fehler oder Versagen im System selbst und in Fahrzeugkomponenten. Wenn Fehler oder Versagen detektiert bzw. ermittelt werden, kann das Navigationssystem 1022 für einen versagenssicheren Shutdown bzw. Systemabschluß sorgen, und zwar dadurch, daß es das Fahrzeug 102 zu einem vollständigen Stop bring.
Das Navigationssystem 1022 sieht weiter verschiedene Betriebszustände zum Steuern des Fahrzeugs 102 vor. Diese weisen folgende auf: (1) Einen vollständig autonomen bzw. automatischen Modus, wo die Navigation des Fahrzeugs 102 automatisch durch das Navigationssystem 1022 behandelt wird; (2) einen Tele- oder Remote-Steuermodus, wo ein entfernter menschlicher (nicht gezeigter) Bediener die Richtung und Bewegung usw. des Fahrzeugs 102 steuern kann; und (3) einen manuellen Modus, bei dem ein menschlicher Bediener, der im Fahrzeug 102 sitzt, die Steuerung des Fahrzeugs 102 übernehmen kann und es manuell fahren kann.
Im autonomen Modus ist die Hindernisdetektion kritisch, da, wenn das Fahrzeug 102 nicht unter Kontrolle bzw. Steuerung ist, es großen Sachschaden und starke Verletzungen von Lebewesen erzeugen könnte. Das Navigationssystem 1022 kann effizient bzw. wirkungsvoll Hindernisse detektieren. Steine, Tiere, Menschen, Bäume oder andere Hindernisse können unerwartet in den Pfad bzw. Weg des Fahrzeugs 102 eintreten. Das Navigationssystem 1022 ist fähig, diese Hindernisse zu detektieren, und zwar entweder durch Stoppen oder durch das Ziehen bzw. Entwerfen eines Pfades um das Hindernis herum und durch Zurückbringen des Fahrzeugs 102 auf seinen Originalweg, wenn der Weg als sicher angesehen wird.
Eine genaue Verfolgung des gewünschten bzw. Soll-Wegs bzw. der Soll- Route ist eine weitere Funktion des Navigationssystems 1022. Das Funktionieren und die Architektur des Navigationssystems 1022 ist für eine Echtzeitverfolgung der Fahrzeugpfade ausgelegt bzw. konstruiert worden, und zwar bei Geschwindigkeit bis zu ungefähr 30 Meilen pro Stunde (mph).

C. Basisstation

Die vorliegende Erfindung kann ein Host- bzw. Hauptverarbeitungssystem 186 in einer Basisstation 188 aufweisen. Das Host-Verarbeitungssystem 186 führt Funktionen für sowohl das VPS 100 als auch für das Navigationssystem 1022 aus.
Mit Bezug auf das VPS 1000 empfängt das Host-Verarbeitungssystem 186 GPS-Daten und/oder Pseudolit-Daten, wie durch die jeweiligen Pfeile 190 und 192 gezeigt. Im Endeffekt kann das Host-Verarbeitungssystem 186 genauso wie die Basisstation 188 als ein bekannter Referenzpunkt funktionieren, um die Genauigkeit der Fahrzeugpositionsschätzungen zu verbessern, wie unten im Detail besprochen.
Das Host-Verarbeitungssystem 186 implementiert eine Anzahl von Verfahren zum Verbessern der Genauigkeit der Fahrzeugpositionsschätzungen. Das Satellitenpositionsvorhersageverfahren 1800 (Teil II.G.), welches oben besprochen wurde, wird auch durch das Host-Verarbeitungssystem 186 implementiert bzw. eingerichtet. Das Host-Verarbeitungssystem 186 wird die gleiche Satellitenkonstellation erkennen, die vom Fahrzeug 102 beobachtet wird.
Berechnungen werden an den GPS-Daten und/oder den Pseudolit-Daten ausgeführt, um Auslenkungen bzw. Ableitungen (biases) abzuleiten. Der Ausdruck "Ableitung" ("bias") im Zusammenhang mit diesem Dokument bezieht sich auf eine Differenz bzw. einen Unterschied zwischen zwei Messungen, gewöhnlicherweise Positionsschätzungen (räumliche Ableitung) oder Clock- bzw. Taktraten (Taktableitung). Weil eine Messung gewöhnlicherweise als genauer bekannt ist als die andere, wird auf die Ableitung bzw. den Bias oft als ein "Fehler" ("error") Bezug genommen.
Um räumliche Ableitungen zu berechnen, implementiert das Host- Verarbeitungssystem 186 eine Anzahl von Verfahren. Unter diesen Verfahren sind beispielsweise folgende vorgesehen: Eine originale Ableitungstechnik 1500 (Teil II.F.2.a.), eine parabolische Ableitungstechnik 1600 (Teil II.F.2.b.), eine Basisresiduen-Ableitungstechnik 1700 (Teil II.F.2.c.), und eine Basiskorrelations-Ableitungstechnik 1700A (Teil II.F.2.d.).
Die vorangegangenen Differential- bzw. Differenzkorrekturtechniken kompensieren Datenfehler. In anderen Worten zeigen die Ableitungen bzw. Biases, die im Host-Verarbeitungssystem 186 berechnet werden, Datenfehler an. Wie durch einen Pfeil 194 gezeigt, werden die Ableitungen zum GPS- Verarbeitungssystem 700 des Fahrzeugs 102 übertragen. Das GPS- Verarbeitungssystem 700 verwendet diese Biases bzw. Ableitungen, um Fehler in den Fahrzeugpositionsschätzungen zu eliminieren.
Das Host-Verarbeitungssystem 186 sieht weiter Funktionen vor, die sich auf das Navigationssystem 1022 der vorliegenden Erfindung beziehen. Das Host-Verarbeitungssystem 186 dient als das höchste Steuerniveau des Navigationssystems 1022, wie durch einen Pfeil 196 angezeigt. Es behandelt die Zeitplanung und -einteilung des Fahrzeugs 102 mit genau den gleichen Ergebnissen wie ein menschlicher Fahrdienstleiter bzw. Einteiler erreichen würde. Folglich kann das Host-Verarbeitungssystem 186 dadurch den Arbeitszyklus des Fahrzeugs 102 bestimmen.
Das Host-Verarbeitungssystem 186 befiehlt dem Fahrzeug 102, aus einer laufenden bzw. Ist-Position in eine zukünftige bzw. Soll-Position voranzuschreiten bzw. zu fahren, und zwar über eine festgelegte Route, so daß das Fahrzeug 102 seine Arbeitsziele durchführen kann. Das Host- Verarbeitungssystem 186 kann die Fahrzeugrouten durch den Namen festlegen, anstelle durch Auflisten eines jeden Punktes entlang der Route, wie es in herkömmlicher Weise der Fall ist. Dementsprechend schaut das an Bord gelegene Navigationssystem 1022 des Fahrzeugs die benannte Fahrzeugroute nach und überträgt die benannte Fahrzeugroute in Sätze von Knoten und Segmenten entlang der genannten Fahrzeugroute.

III. Fahrzeugpositionsbestimmungssystem

A. Überblick

Die folgende Besprechung mit Bezug auf das VPS 1000 wird insbesondere Bezug auf die Fig. 7 bis 10 nehmen. Die Fig. 10 zeigt die Architektur/Hardware des VPS 1000. Das VPS 1000 ist ein hochgenaues Positionsbestimmungssystem, für ein sich bewegendes oder stationäres Fahrzeug 102 auf oder nahe der Erdoberfläche.
Es sei daran erinnert, daß das VPS 1000 das GPS-Verarbeitungssystem 700 und das MPS 900 aufweist, die in den jeweiligen Fig. 7 und 9 gezeigt sind. Weiter sei daran erinnert, daß das MPS 900 die IRU 904 und den Fahrzeugwegmesser 902 aufweist, die beide in Fig. 9 gezeigt sind. Im Endeffekt sind diese Systeme durch die vorliegende Erfindung verbessert und integriert worden, um ein hocheffektives Positionsbestimmungssystem zu erzeugen.
Mit Bezug auf Fig. 7 weist das GPS-Verarbeitungssystem 700 eine Antenne 702 auf, die mit einem GPS-Empfänger 706 verbunden ist. Wenn die GPS-Satelliten 104 im Blickfeld der Antenne 702 mehrfache GPS-Satelliten 200-206 aufweisen, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, liest der GPS- Empfänger 706 alle ihre GPS-Daten zusammen mit irgendwelchen Pseudolit-Daten von irgendeinem (irgendwelchen) Pseudolit(en) 105 im Blickfeld der Antenne 702. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der GPS-Empfänger 706 für die Berechnung der ersten Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 aus den GPS-Daten und/oder den Pseudolit-Daten verantwortlich.
Um die Genauigkeit des ersten Positions- bzw. Positionsbestimmungsverfahrens zu vergrößern, wird das Satellitenpositionsvorhersageverfahren 1800 durch einen GPS-Prozessor 710 des GPS-Verarbeitungssystem 700 implementiert bzw. eingerichtet. Das Satellitenpositionsvorhersageverfahren 1800 sagt die Position von irgendeinem GPS-Satelliten zur laufenden bzw. augenblicklichen Zeit oder für irgendeine zukünftige Zeit voraus.
Unter Verwendung der Satellitenpositionsinformation kann das GPS- Verarbeitungssystem 700 die optimale GPS-Satellitenkonstellation zum Erkennen bestimmen, und zwar unter Verwendung eines Konstellationseffekt- Verfahrens 1300. Das Konstellationseffekt-Verfahren 1300 wird auch vom GPS-Prozessor 710 im bevorzugten Ausführungsbeispiel implementiert bzw. eingerichtet. Gemäß des Konstellationseffekt-Verfahrens 1300 wird eine beste Konstellation aus den Datenquellen ausgewählt, die die GPS-Satelliten 200-206 und Pseudolit(e) 105 aufweisen.
Der GPS-Prozessor 706 berechnet eine erste Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 basierend auf der besten Konstellation und auf Geometrie/Triangulations-Verfahren. Die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung ist teilweise abhängig von der bei der Berechnung verwendeten Anzahl von GPS-Satelliten. Jeder zusätzliche verwendete GPS-Satellit kann die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung vergrößern. Nach der Berechnung wird die erste Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 an einen VPS- Hauptprozessor 1002 der Fig. 10 übertragen.
Mit Bezug auf Fig. 9 weist die IRU 904 Lasergyroskope und Beschleunigungsmesser auf, die Positions-, Geschwindigkeits-, Roll- bzw. Längsneigungs-, Höhen- und Neigungsdaten erzeugen. Die IRU 904 kombiniert diese Information in eine zweite Positionsschätzung des Fahrzeugs 102. Der Wegmesser 902 kann implementiert werden, um die vom Fahrzeug 102 gelaufene bzw. gefahrene Distanz zu messen. Die Daten von der IRU 904 und vom Wegmesser 902 werden auch über den MPS- Kommunikationsprozessor 906 an den VPS-Hauptprozessor 1002 übertragen, und zwar wie in Fig. 10 gezeigt.
Der VPS-Hauptprozessor 1002 kombiniert die zweite Positionsschätzung vom MPS 900 (die IRU 904 und vielleicht der Wegmesser 902) mit der ersten Positionsschätzung vom GPS-Verarbeitungssystem 700, um eine genauere dritte Positionsschätzung zu erzeugen.
Das VPS 1000 implementiert weiter ein Verfahren zum Eliminieren von irrtümlichen oder falschen dritten Positionsschätzungen, die ein "Fahrzeugabwandern" bzw. ein "Fahrzeugabweichen" bewirken können. Dieses Verfahren wird Verfahren mit gewichteter Pfadhistorie genannt. Im wesentlichen wird die Pfadhistorie bzw. Pfadgeschichte des Fahrzeugs 102 verwendet, um statistisch die Genauigkeit von zukünftigen Schätzungen der Position des Fahrzeugs 102 zu bestimmen.
Mit Bezug auf die Fig. 1 und 3 sieht eine Basisstation 188 einen geographischen nahen Referenzpunkt für das VPS 1000 vor. Die Basisstation 188 weist ein Host-Verarbeitungssystem 186 auf. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Host-Verarbeitungssystem 186 eine ähnliche Architektur auf, und führt die gleichen Funktionen wie das GPS-Verarbeitungssystem 700 aus. Jedoch führt das Host-Verarbeitungssystem 700 zusätzliche Funktionen zum Vergrößern der Genauigkeit der ersten Positionsschätzungen aus.
Das Satellitenpositionsvorhersageverfahren 1800 wird durch das Host- Verarbeitungssystem 186 implementiert bzw. eingerichtet, und zwar zusätzlich zu dem oben besprochenen GPS-Verarbeitungssystem 700. Dementsprechend wird das Host-Verarbeitungssystem 186 die gleiche GPS- Satellitenkonstellation erkennen, die vom Fahrzeug 102 beobachtet wird, oder wird den gleichen GPS-Satelliten in einer größeren Konstellation aufweisen.
Berechnungen werden dann an den GPS-Daten und/oder den Pseudolit- Daten ausgeführt, um Ableitungen (Biases) abzuleiten, und zwar einschließlich räumlicher Ableitungen und Taktableitungen. Um räumliche Ableitungen zu berechnen, implementiert das Host-Verarbeitungssystem 186 eine Anzahl von Verfahren.
Wie von einem Pfeil 194 gezeigt, werden die räumlichen Ableitungen und Taktableitungen an das GPS-Verarbeitungssystem 700 des Fahrzeugs 102 übertragen. Das GPS-Verarbeitungssystem 700 verwendet diese Ableitungen, um Fehler bei den Fahrzeugpositionsschätzungen zu eliminieren.

B. GPS-Verarbeitungssystem

Das GPS-Verarbeitungssystem 700 verwendet die Fahrzeugpositionsdaten von einem terrestrischen Positionsbestimmungssystem, um die erste Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 abzuleiten. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das terrestrische Positionsbestimmungssystem das NAVSTAR-GPS auf, welches gegenwärtig von der US-Regierung entwickelt wird, und/oder erdbasierte Pseudoliten.

1. NAVSTAR-GPS

Wie in Fig. 1A gezeigt, sind 24 von Menschenhand hergestellte elektronische GPS-Satelliten 132-170 in sechs Orbitalen bzw. Umlaufbahnen 174- 184 gegenwärtig für das NAVSTAR-GPS vorgesehen. Sie werden zum Einsatz im Jahre 1993 geplant. Wie gegenwärtig vorgesehen, werden die GPS- Satelliten 132-170 die Erde 172 in einer Höhe von ungefähr 14.000 Meilen umlaufen und den Globus zweimal am Tag umlaufen. Unter Verwendung des C-Modus bzw. C-Betriebszustands des NAVSTAR-GPS, wie unten besprochen werden wird, wird es möglich sein, terrestrische Positionen innerhalb 15 Meter zu bestimmen, und zwar bei jedem Wetter, zu jeder Zeit und in den meisten Gebieten der Erde 172.
Zum Zeitpunkt der Einreichung dieses Dokuments sind sechs experimentale und sieben einsatzbereite GPS-Satelliten im Umlauf um die Erde 172 bekannt. Weiter ist es bekannt, daß mehrere Hersteller gerade GPS- Empfänger konstruieren und herstellen, wie beispielsweise den GPS- Empfänger 706 der Fig. 7. Da mehr und mehr GPS-Satelliten gestartet bzw. eingesetzt und betriebsbereit sind, nehmen die Zeitperioden zu, in denen drei oder mehr der experimentellen GPS-Satelliten jeden Tag zur Positionsverfolgung verfügbar sind.
Darüberhinaus ist die Lage der experimentellen GPS-Satelliten (und alle anderen, sobald sie im Einsatz sind) sehr vorhersagbar. Die Relativposition oder der "Pseudobereich" bzw. "pseudorange" dieser GPS-Satelliten mit Bezug auf den GPS-Empfänger 706 am Fahrzeug 102 kann durch zwei Verfahren aus den elektromagnetischen Signalen bestimmt werden.
Ein Verfahren ist, die Fortpflanzungszeitverzögerungen zwischen Übertragung und Empfang der herauslaufenden elektromagnetischen Signale zu messen. Beim NAVSTAR-GPS sind die elektromagnetischen Signale kontinuierlich mit der Zeit codiert, zu der die Signale von den GPS-Satelliten übertragen werden. Es ist nicht nötig, zu erwähnen, daß man eine Aufzeichnung der Empfangszeit machen kann und die codierte Übertragungszeit abziehen kann, um die Zeitverzögerungen abzuleiten. Aus den berechneten Zeitverzögerungen und daraus, daß man die Geschwindigkeit kennt, mit der die elektromagnetischen Wellen durch die Atmosphäre laufen, können Pseudobereiche bzw. -entfernungen genau abgeleitet werden. Auf Pseudobereiche, die unter Verwendung des vorangegangenen Verfahrens berechnet werden, wird im Zusammenhang mit diesem Dokument als "tatsächliche" Pseudobereiche Bezug genommen.
Ein anderes Verfahren umfaßt Satellitenpositionsdaten, die in den elektromagnetischen Signalen codiert sind, die von den umlaufenden GPS- Satelliten übertragen werden. Almanach- bzw. Verzeichnisdaten, die sich auf die GPS-Satellitenpositionsdaten des NAVSTAR-GPS beziehen, sind öffentlich verfügbar. Eine Referenz dieser Verzeichnisdaten mit Bezug auf Daten, die in den elektromagnetischen Signalen codiert sind, gestattet eine genaue Ableitung von Pseudobereichen bzw. Pseudoentfernungen, wenn die Lage des Empfängers bekannt ist. Auf unter Verwendung des vorangegangenen Verfahrens berechnete Pseudobereiche wird im Zusammenhang mit diesem Dokument als "geschätzte" Pseudobereiche Bezug genommen.
Jedoch sei bemerkt, daß mit Bezug auf das vorangegangene Verfahren zum Ableiten von geschätzten Pseudobereichen die Satellitenpositionsdaten mit dem GPS-Satelliten nur einmal in der Stunde zur vollen Stunde aktualisiert werden. Folglich nimmt ein geschätzter Pseudobereich an Genauigkeit über die Zeit ab, und zwar nach jeder Stunde bis zur nächsten vollen Stunde, wo ein neuer geschätzter Pseudobereich berechnet wird, und zwar unter Verwendung der aktualisierten Satellitenpositionsdaten.
Es sei wieder Bezug auf die Fig. 1A der Zeichnungen genommen, wo die Konfiguration des voll betriebsfähigen NAVSTAR-GPS schematisch veranschaulicht ist. Jeder der 24 GPS-Satelliten 132-170 überträgt elektromagnetische Signale, die verwendet werden können, um die absolute terrestrische Position des Fahrzeugs 102 zu bestimmen (d. h. Länge, Breite und Höhe mit Bezug auf den Mittelpunkt der Erde 172).
Insbesondere kann durch das Bekanntsein der relativen Position von zumindest drei der umlaufenden GPS-Satelliten 132-170 die absolute terrestrische Position des Fahrzeugs 102 berechnet werden, und zwar über eine einfache geometrische Theorie, die Triangulationsverfahren umfaßt. Die Genauigkeit der terrestrischen Positionsschätzung hängt teilweise von der Anzahl der umlaufenden GPS-Satelliten 132-170 ab, die vom Fahrzeug 102 gesampelt bzw. empfangen werden. Das Sampeln bzw. Empfangen von mehr GPS- Satelliten 132-170 in der Berechnung vergrößert die Genauigkeit der terrestrischen Positionsschätzung. Herkömmlicherweise werden vier GPS- Satelliten anstelle von dreien gesampelt bzw. empfangen bzw. aufgenommen, um jede terrestrische Positionsschätzung zu bestimmen, und zwar wegen Fehlern, die durch Schaltungs-Clock- bzw. Schaltungs-Takt-Differenzen zwischen der Schaltung des Fahrzeugs 102 und der verschiedenen GPS- Satelliten 132-170 beigetragen werden.
Beim NAVSTAR-GPS werden elektromagnetische Signale kontinuierlich von allen GPS-Satelliten 132-170 übertragen, und zwar auf einer einzelnen Carrier- bzw. Trägerfrequenz. Jedoch besitzt jeder der GPS-Satelliten 132-170 ein unterschiedliches Modulationsschema, wodurch eine Differenzierung bzw. Unterscheidung der elektromagnetischen Signale gestattet wird. Beim NAVSTAR-GPS wird die Trägerfrequenz unter Verwendung eines Pseudo- Zufalls-Binärcodesignals moduliert (Datenbitstrom), welches für jeden GPS- Satellit einzigartig ist. Das Pseudo-Zufalls-Binärcodesignal wird verwendet, um zweiphasig die Trägerfrequenz zu modulieren bzw. eine Zweiphasenmodulation auszuführen. Folglich können die umlaufenden GPS-Satelliten im NAVSTAR-GPS identifiziert werden, wenn die Trägerfrequenzen demoduliert werden.
Darüberhinaus sieht das NAVSTAR-GPS zwei Modulationsmodi bzw. - betriebszustände der Trägerwelle vor, und zwar unter Verwendung eines Pseudo-Zufalls-Zahlsignals (PRN = pseudorandom number). In einem Modus bzw. Betriebszustand, auf den als "coarse/acquisition"-(C/A) bzw. "Grob/Aufnahme"-Modus Bezug genommen wird, ist das PRN-Signal eine Gold-Codesequenz mit einer Chiprate von 1,023 MHz. Die Gold- Codesequenz ist eine wohlbekannte herkömmliche Pseudo-Zufallssequenz in der Technik. Ein Chip ist ein individueller bzw. einzelner Impuls des Pseudo-Zufallcodes. Die Chiprate einer Pseudo-Zufallcodesequenz ist die Rate bzw. Geschwindigkeit, mit der die Chips in der Sequenz erzeugt werden. Folglich ist die Chiprate gleich der Codewiderholungsrate geteilt durch die Anzahl der Glieder im Code. Dementsprechend gibt es mit Bezug auf den coarse/acquisition bzw. Grob/Aufnahme-Modus des NAVSTAR-GPS 1023 Chips in jeder Gold-Codesequenz und die Sequenz wird einmal jede Millisekunde wiederholt. Die Verwendung der 1023 MHz-Gold-Codesequenz von vier umlaufenden GPS-Satelliten ermöglicht, daß die terrestrische Position des Fahrzeugs 102 mit einer angenäherten Genauigkeit von innerhalb 60 bis 300 Metern bestimmt werden kann.
Der zweite Modulationsmodus bzw. -betriebszustand beim NAVSTAR-GPS wird im allgemeinen als der "präzise" oder "geschützte" bzw. "protected" (P)- Modus genannt. Im P-Modus besitzt der Pseudo-Zufallscode eine Chiprate von 10,23 MHz. Darüberhinaus sind die P-Modussequenzen extrem lang, so daß die Sequenzen sich nicht öfter als einmal alle 267 Tage wiederholen. Als eine Folge kann die terrestrische Position des Fahrzeugs 102 auch innerhalb einer angenäherten Genauigkeit von 16 bis 30 Metern bestimmt werden.
Jedoch sind die P-Modussequenzen klassifiziert und werden nicht von der Regierung der Vereinigten Staaten öffentlich verfügbar gemacht. In anderen Worten ist der P-Modus nur zur Verwendung von Erdempfängern vorgesehen, die von der Regierung der Vereinigten Staaten autorisiert sind.
Damit die Erdempfänger die verschiedenen C/A-Signale von den verschiedenen umlaufenden GPS-Satelliten unterscheiden, weisen die Erdempfänger gewöhnlicherweise eine Vielzahl von unterschiedlichen Gold- Codequellen auf, um lokal Gold-Codesequenzen zu erzeugen. Jede lokal abgeleitete Gold-Codesequenz entspricht jeder einzigartigen Gold- Codesequenz von jedem der GPS-Satelliten.
Die lokal abgeleiteten Gold-Codesequenzen und die übertragenen Gold- Codesequenzen werden miteinander kreuz- bzw. querkorreliert, und zwar über Gold-Codesequenzintervalle von einer Millisekunde. Die Phase der lokal abgeleiteten Gold-Codesequenzen variiert auf einer Basis von Chip zu Chip und dann innerhalb eines Chips, bis die maximale Querkorrelationsfunktion erhalten wird. Da die Kreuz- bzw. Querkorrelation für zwei Gold- Codesequenzen mit eine Länge von 1023 Bits ungefähr 16 mal so groß ist wie die Querkorrelationsfunktion von irgendeiner der anderen Kombinationen von Gold-Codesequenzen, ist es relativ einfach, die lokal abgeleitete Gold- Codesequenz in die gleiche Gold-Codesequenz zu verriegeln bzw. einzuhängen, die von einem der GPS-Satelliten übertragen wurde.
Die Gold-Codesequenzen von zumindest vier der GPS-Satelliten im Blickfeld eines Erdempfängers werden in dieser Weise getrennt, und zwar unter Verwendung eines einzelnen Kanals, der sequentiell bzw. aufeinanderfolgend auf jede der lokal abgeleiteten Gold-Codesequenzen anspricht, oder alternativ unter Verwendung von parallelen Kanälen, die simultan bzw. gleichzeitig auf die verschiedenen Gold-Codesequenzen ansprechen. Nachdem vier lokal abgeleitete Gold-Codesequenzen in Phase mit den Gold- Codesequenzen verriegelt bzw. eingehängt sind, die von vier GPS-Satelliten im Blickfeld des Erdempfängers empfangen werden, kann die Relativposition des Erdempfängers mit einer Genauigkeit von ungefähr 60 bis 300 Metern bestimmt werden.
Die vorangegangene angenäherte Genauigkeit des NAVSTAR-GPS wird durch folgendes beeinträchtigt: (1) Die Anzahl der GPS-Satelliten, die Signale übertragen, auf die der Erdempfänger effektiv anspricht, (2) die variablen Amplituden der empfangenen Signale, und (3) die Größe der Querkorrelationsspitzen bzw. -peaks zwischen den empfangenen Signalen von den unterschiedlichen GPS-Satelliten.
Mit Bezug auf Fig. 7 verarbeitet das GPS-Verarbeitungssystem 700 die GPS-Daten von den GPS-Satelliten 132-170 und den Pseudolit-Daten von irgendeinem (irgendwelchen) Pseudolit(en) 105. Darüberhinaus decodiert der GPS-Empfänger 706 die C/A-Signale von den verschiedenen GPS- Satelliten 132-170.
Fig. 2 veranschaulicht Navigationsgleichungen 212, die vier GPS-Satelliten 200-206 des NAVSTAR-GPS in Betracht ziehen. Die vier GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 besitzen jeweilige Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 und weisen die laufende bzw. Ist-Konstellation der GPS-Satelliten 132- 170 auf, die vom Fahrzeug 102 erkannt wird.
Die Navigationsgleichungen 212 weisen die Clock- bzw. Taktableitung (Clock-Bias) Cb zwischen den GPS-Satelliten 200-206 und dem Fahrzeug 102 auf. Die Navigationsgleichungen 212 werden verwendet, um die Länge und Breite des Fahrzeugs 102 unter Verwendung der Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 zu berechnen.
Wie im Beschreibungsblock 208 gezeigt, überträgt jeder der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 GPS-Daten, die Zeitsteuerungsdaten (GPS-Zeit) und Ephemeriden- bzw. Himmelsstellungsdaten aufweisen. Unter Verwendung der Navigationsgleichungen 212, die in der herkömmlichen Technik wohlbekannt sind, und der vorangegangenen Zeitsteuerdaten können die Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 bestimmt werden (tatsächliche Pseudobereiche genannt), und zwar durch das GPS-Verarbeitungssystem 700. Darüberhinaus können die vorangegangenen Ephemeriden- bzw. Himmelsstellungsdaten und Almanach- bzw. Verzeichnisdaten auf der Erde 172 die Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 geschätzt werden (geschätzte Pseudobereiche genannt), und zwar durch das GPS-Verarbeitungssystem.

2. Betrieb

Mit Bezug auf Fig. 6 ist eine repräsentative GPS-Konstellation im Betrieb gezeigt. Vier GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 übertragen GPS-Daten. Sowohl das Fahrzeug 102 als auch die Basisstation 188 empfangen diese Signale von jedem der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 auf ihren jeweiligen GPS-Antennen 312 und 316. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden sowohl der C/A-Code und die Trägerfrequenz an den GPS-Antennen 312 und 316 zur Verarbeitung empfangen.
Zusätzlich zu den in der Fig. 6 gezeigten vier GPS-Satelliten gibt es den Pseudoliten 105. Der (die) Pseudolit(e) 105 kann (können) strategisch um den Umkreis bzw. Umfang von irgendeiner Minengrube angeordnet werden, und können die GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206, wie in Fig. 6 gezeigt, emulieren bzw. nachbilden. Diese Anordnung kann außerordentlich nützlich in Situationen, wie beispielsweise einer Minengrube, einem Hohlraum oder ähnlichem sein, bei denen Minen- bzw. Bergbaufahrzeuge aus dem Blickfeld von einem oder mehreren der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 sind, und zwar wegen topographischen Merkmalen, wie beispielsweise hohe Minengrubenwände. Der (die) bodenbasiert(e) Pseudolit(e) 105 sieht (sehen) zusätzliche Bereichssignale vor und können somit die Verfügbarkeit und Genauigkeit der Positionsfähigkeit bzw. Positionsbestimmungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung verbessern.
Der (die) Pseudolit(e) 105 ist (sind) mit den GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 synchronisiert und besitzt (besitzen) eine Signalstruktur, die, obwohl sie unterschiedlich ist, mit den GPS-Satelliten 200, 202, 204, und 206 kompatibel ist. Darüberhinaus wird der Abstand (Bereich) zwischen dem Fahrzeug 102 und dem (den) Pseudolit(e) 105 berechnet, und zwar ähnlich wie der Abstand zwischen dem Fahrzeug 102 und einem der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206. Mit Pseudolit(en) 105 weist der Bereichsfehler keine ionosphärischen Fehler oder Fehler aufgrund selektiver Verfügbarkeit auf. Jedoch müssen andere Fehler für einen solchen in Betracht gezogen werden, wie beispielsweise troposphärische, Pseudolit-Takt-Fehler und Multipath- bzw. Mehrfachpfadfehler.
Beim Minenbetrieb in einer tiefen Grubenoberfläche kann das Blickfeld bzw. die Sicht des Himmels vom Fahrzeug 102 in der Mine durch die Minenwände begrenzt sein. Folglich kann eine adequate Anzahl von GPS-Satelliten nicht innerhalb des GPS-Verarbeitungssystems 700 sein, um ordnungsgemäß eine erste Positionsschätzung abzuleiten. In einem solchen Fall kann in der vorliegenden Erfindung einer oder mehrere Pseudoliten 105 als Sekundärquellen dienen. Der (die) Pseudolit(e) können am Rand der Mine oder irgendwo sonst angeordnet werden. Der (die) Pseudolit(e) 105 kann (können) vom Fahrzeug 102 in Verbindung mit irgendwelchen sichtbaren GPS- Satelliten verwendet werden, um genaue erste Positionsschätzungen zu erhalten.
Es ist auch vorgesehen, daß andere Formen von Sekundärquellen implementiert bzw. eingerichtet werden, um den GPS-Satelliten zu helfen, oder um vollständig die Notwendigkeit GPS-Daten von den GPS-Satelliten zu empfangen, zu eliminieren. Darüberhinaus kann eine Laser-Abtast- bzw. Laser-Scanning-Technik verwendet werden, um lokalisierte bzw. örtliche Bereichsdaten an das Fahrzeug 102 von einer zweiten Referenzquelle zu geben.
Der Kommunikationskanal 618 stellt die Kommunikationsverbindung zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102 dar. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Kommunikationskanal 618 eine elektromagnetische Verbindung auf, die von Daten-Radios bzw. -sendern 620 und 622 aufgestellt wird, die Überträger bzw. Transceiver sind. Der Kommunikationskanal 618 wird verwendet, um Daten zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102 zu übertragen. Es ist vorgesehen, daß andere Formen von Kommunikationsmedien verwendet werden können. Beispielsweise kann eine Laser-Abtasttechnik verwendet werden, um Informationen von der Basisstation 188 zum Fahrzeug 102 zu liefern.
Die Daten-Radios bzw. -sender 620 und 622 sind in der Basisstation 188 bzw. im Fahrzeug 102 gelegen. Die Radios 620 und 622 sind zum Datenaustausch zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102 verantwortlich. Die ausgetauschte Datenart wird unten weiter besprochen werden.
Ein Radiotransceiver bzw. Radioüberträger, der im bevorzugten Ausführungsbeispiel geeignet als die Datenradios 620 und 622 funktioniert, ist im Handel von Dataradio Ltd., Montreal, Kanada, unter der Modelnummer DR- 4800BZ erhältlich.
Mit Bezug auf Fig. 7 ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel eines GPS- Verarbeitungssystems 700 gezeigt. Das GPS-Verarbeitungssystem 700 des Fahrzeugs 102 weist eine GPS-Antenne 702 auf. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel nimmt die GPS-Antenne 702 das Radiospektrum von elektromagnetischer Strahlung auf. Jedoch bezieht die vorliegende Erfindung auch den Empfang von irgendeinem Signal in Erwägung, durch welches GPS- Satelliten 132-170 Daten codieren könnten. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die GPS-Antenne 702 die im Handel erhältiche Antenne mit der Modell-Nummer CA3224 von Chu Associates Inc., Littleton, Massachusetts.
Die GPS-Antenne 702 ist mit einem Vorverstärker 704 gekoppelt, so daß die Signale, die an der GPS-Antenne 702 empfangen werden, zum Vorverstärker 704 übertragen werden können. Der Ausdruck "Koppeln" bzw. "Kupplung" im Zusammenhang mit diesem Dokument bedeutet irgendein System und Verfahren zum Einrichten einer Kommunikation. Das Koppeln von Systemen und Verfahren kann beispielsweise elektronische, optische und/oder Geräusch- bzw. Tontechniken aufweisen, genauso wie andere hier nicht ausdrücklich beschriebene. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Kupplung im allgemeinen elektronisch und entspricht irgendeinem von zahlreichen elektronischen Industriestandard-Interfaces bzw. -Schnittstellen.
Der Vorverstärker 704 verstärkt und konvertiert die GPS-Daten herunter, die von der GPS-Antenne 702 empfangen werden, so daß die GPS-Daten verarbeitet oder decodiert werden können. Die vorliegende Erfindung zieht irgendein Verfahren in Erwägung, durch welches die empfangenen Signale verstärkt werden können. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Vorverstärker 704 der kommerziell bzw. im Handel erhältliche Vorverstärker mit der Modell-Nummer 5300, Serie GPS Rf/IF von Stanford Telecommunications Inc. (STel), Santa Clara, Kalifornien. Der Vorverstärker 704 ist mit einem GPS-Empfänger 706 gekoppelt. Der GPS-Empfänger 706 verarbeitet die GPS-Daten, die von den GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 im Blickfeld der GPS-Antenne 702 gesendet worden sind. Der GPS-Empfänger 706 berechnet die tatsächlichen Pseudobereiche für jeden der GPS- Satelliten 200, 202, 204 und 206. Tatsächliche Pseudobereiche werden in diesem Dokument als eine Schätzung der Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 definiert, was von der Zeitverzögerung zwischen der Übertragung der elektromagnetischen Signale von dem GPS-Satelliten und dem Empfang der elektromagnetischen Signale durch das GPS-Verarbeitungssystem 700 abgeleitet wird. Darüberhinaus kann im bevorzugten Ausführungsbeispiel der GPS-Empfänger 706 parallel alle der tatsächlichen Pseudobereiche für die GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 verarbeiten.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzeugt der GPS-Empfänger 706 diese Daten, wenn vier oder mehr GPS-Satelliten sichtbar sind.
Das GPS-Verarbeitungssystem 700 (im GPS-Prozessor 710) kann die erste Positionsschätzung berechnen, und zwar mit einer Genauigkeit von ungefähr 25 Metern, wenn eine optimale Konstellation von vier GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 im Blickfeld ist. Wenn eine optimale Konstellation von fünf GPS-Satelliten (nicht gezeigt) im Sichtfeld ist, kann das GPS- Verarbeitungssystem 700 des bevorzugten Ausführungsbeispiels die erste Positionsschätzung mit einer Genauigkeit von ungefähr 15 Metern berechnen. Eine "optimale" Konstellation ist eine, wobei die Relativpositionen der GPS-Satelliten im Raum eine höhere bzw. bessere Triangulationsfähigkeit erfordern, wobei die Triangulationstechnologie in der Technik wohlbekannt ist.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel gibt der GPS-Empfänger 706 tatsächliche Pseudobereiche aus und die Anzahl der GPS-Satelliten 132-170, die augenblicklich gesampelt bzw. aufgenommen oder empfangen werden. In Fällen, in denen die Anzahl der gesehenen bzw. empfangenen GPS- Satelliten 132-170 für eine Serie von ersten Positionsschätzungen geringer als vier ist, verwendet die VPS-Gewichtungskombinationsvorrichtung 1204 im bevorzugten Ausführungsbeispiel nicht die ersten Positionsschätzungen, die vom GPS-Verarbeitungssystem 700 empfangen werden (insbesondere vom GPS-Prozessor 710), bei der Berechnung der dritten Positionsschätzung.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der GPS-Empfänger 706 einen Empfänger mit der Modell-Nummer 5305-NSI auf, der im Handel von Stanford Telecommunications Inc. erhältlich ist. Jedoch kann irgendein Empfänger verwendet werden, der fähig ist, tatsächliche Pseudobereiche und die Anzahl der gesampelten bzw. empfangenen GPS-Satelliten zu liefern.
Wegen der verwendeten Empfängerbauart im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der GPS-Empfänger 706 mit einem GPS-Kommunikationsprozessor 708 gekoppelt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kommunikations- bzw. Interkommunikationsprozessor 708 der kommerziell erhältliche 68000 Mikroprozessor von Motorola Inc., Schaumburg, Illinois, USA. Irgendein Prozessor alleine oder in Kombination mit dem GPS-Empfänger 706 zum Durchführen desselben Zweckes, wie unten beschrieben, kann verwendet werden.
Der GPS-Kommunikationsprozessor 708 ist weiter mit einem GPS-Prozessor 710 und einer GPS-Konsole 1 712 verbunden. Der GPS- Kommunikationsprozessor 708 koordiniert den Datenaustausch zwischen diesen drei Vorrichtungen. Insbesondere empfängt der GPS- Kommunikationsprozessor 708 Pseudobereich-Daten vom GPS-Empfänger 706, der sie zum GPS-Prozessor 710 weitergibt. Die Pseudobereichsdaten weisen beispielsweise die tatsächlichen Pseudobereiche auf, die vom GPS- Empfänger 706 berechnet wurden, die Zahl der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206, die laufend bzw. gegenwärtig vom GPS-Empfänger 706 gesehen werden und andere GPS-Daten, die vom GPS-Prozessor 710 benötigt werden, um die geschätzten Pseudobereiche für jeden der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 zu berechnen. Der GPS-Interkommunikations- bzw. GPS-Kommunikationsprozessor 708 überträgt auch Statusinformation, die den GPS-Empfänger 706 und den GPS-Prozessor 710 betreffen, auf die GPS-Konsole 1 712.
Der GPS-Kommunikationsprozessor 708 überträgt die obige Information zum GPS-Prozessor 710. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der GPS- Prozessor 710 den 68020 Mikroprozessor auf, der im Handel von Motorola Inc. erhältlich ist. Fig. 8 ist ein Low-Level-Flußdiagramm 800, welches die Funktion der Software im GPS-Prozessor 710 veranschaulicht.
Der GPS-Prozessor 710 verwendet eine Anzahl von Algorithmen und Verfahren, um die Daten zu verarbeiten, die er empfängt, einschließlich beispielsweise eines GPS-Kalman-Filters 802, der in Fig. 8 gezeigt ist. Der Kalman-Filter 802 ist in der herkömmlichen Technik wohlbekannt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der GPS-Kalman-Filter 802 ein Modul in der Software des GPS-Prozessors 710.
Für den besten Weg der vorliegenden Erfindung variiert die Schwelle des GPS-Kalman-Filter 802 nicht kontinuierlich oder in sehr kleinen getrennten Intervallen. Vielmehr sind die Intervalle größere getrennte bzw. diskrete Intervalle und daher weniger genau als ein kontinuierlich variierender Filter. Jedoch ist der GPS-Kalman-Filter 802 der vorliegenden Erfindung leicht zu implementieren bzw. vorzusehen, kostengünstiger und erfordert weniger Berechnungszeit als mit einem kontinuierlich variierenden Filter. Jedoch sei bemerkt, daß die Verwendung eines kontinuierlich variierenden Filters möglich ist und daß es beabsichtigt ist, sie hierin einzuschließen.
Zum Betrieb muß dem GPS-Kalman-Filter 802 ein Anfangswert beim Systemstart gegeben werden. Vom Anfangswert und von den GPS-Daten, die vom GPS-Empfänger 706 gesammelt werden, extrapoliert der GPS-Kalman- Filter 802 einen laufenden bzw. Ist-Zustand (der die erste Positionsschätzung und die Fahrzeuggeschwindigkeit für Nordrichtung, Ostrichtung und Höhe aufweist). Der GPS-Kalman-Filter 802 arbeitet in einer zyklischen Weise. In anderen Worten, es wird angenommen, daß der extrapolierte laufende bzw. Ist-Zustand der Anfangswert für die nächste Iteration ist. Er wird kombiniert/gefiltert mit neuen GPS-Daten (einer Aktualisierung), um einen neuen laufenden bzw. Ist-Zustand abzuleiten.
Die Weise, in der die GPS-Daten verwendet werden, hängt von einer zuvor gespeicherten Datei ab, die Steuerdatei 820 genannt wird. Die Steuerdatei 820 wird folgendes bestimmen: (1) Die Rauschschwelle, (2) die Ansprechgeschwindigkeit, (3) die Anfangszustände von Fahrzeugposition und - geschwindigkeit, (4) das Ausmaß der Abweichung, bevor ein Reset bzw. Rücksetzen des GPS-Kalman-Filters 802 auftritt, (5) die Anzahl der gestatteten schlechten Messungen und/oder (6) die Zeit, die zwischen Messungen verteilt wird.
Der GPS-Prozessor 710 berechnet dann die geschätzten Pseudobereiche, die erste Positionsschätzung und die Fahrzeuggeschwindigkeit (von der Doppler-Verschiebung), und zwar unter Verwendung des obigen laufenden bzw. Ist-Zustandes und von irgendwelchen Ableitungen einschließlich der Clock-Ableitungen und der räumlichen Ableitungen. Jedoch legt der GPS- Prozessor 710 die berechneten Geschwindigkeitsdaten ab, wenn der C/A- Code anstelle der Trägerfrequenz durch den GPS-Empfänger 706 verwendet wird, um die Fahrzeuggeschwindigkeit abzuleiten. Die Erklärung zum Ablegen der Fahrzeuggeschwindigkeit ist, daß experimentelle Ergebnisse gezeigt haben, daß sie nicht adäquat genau ist, wenn sie vom C/A-Code abgeleitet wird.
Fahrzeuggeschwindigkeiten, die von der Trägerfrequenz abgeleitet werden (Doppler-Verschiebung) sind viel genauer als die Geschwindigkeiten, die vom C/A-Code abgeleitet werden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die erste geschätzte Position (und die Fahrzeuggeschwindigkeit, wenn sie von der Trägerfrequenz abgeleitet wird) im GPS-Signal 716 codiert und werden an den VPS-Hauptprozessor 1002 gesandt, der in Fig. 10 gezeigt ist.
Wie zuvor besprochen, analysiert der GPS-Prozessor 710 sowohl die Trägerfrequenz als auch den C/A-Code. Anders als Daten, die vom C/A-Code demoduliert werden, können Daten von der Trägerfrequenz durch den GPS- Empfänger 706 bei ungefähr 50 Hz wiederaufgefunden bzw. aufgenommen werden (nicht ungefähr 2 Hz, wie es der Fall für die Demodulierung eines C/A-Codes ist). Diese vergrößerte Geschwindigkeit gestattet es der vorliegenden Erfindung, genauere Positions- und Geschwindigkeitsbestimmungen mit einem geringeren Fehler zu erzeugen.
Fig. 8 veranschaulicht andere Funktionen des GPS-Prozessors 710 im bevorzugten Ausführungsbeispiel. Jedoch zieht die vorliegende Erfindung irgendein Verfahren in Erwägung, durch welches GPS-Daten verarbeitet werden können, um Pseudobereiche zu bestimmen. Wie in einem Flußdiagrammblock 816 gezeigt, steuert eine Konsolenfunktion den Betrieb der GPS-Konsole 2. Die Konsolenfunktion reguliert den Betrieb des GPS- Kalman-Filters 802 durch das Vorsehen eines Bedienerinterfaces bzw. einer Bedienerschnittstelle in den Filter.
Die VPS-Kommunikationsfunktion 818 steuert die Ausgänge bzw. Ausgangsgrößen des GPS-Kalman-Filters 802, die an das VPS 1000 geleitet werden. Im Flußdiagrammblock 806 ist gezeigt, daß der GPS-Kalman-Filter 802 Daten vom GPS-Empfänger 706 anfordert und decodiert, wobei diese Daten durch eine IPROTO-Funktion 804 geleitet werden, wie bei einem Flußdiagrammblock 806 gezeigt.
Wie gezeigt, residiert bzw. liegt die IPROTO-Funktion 804 im GPS- Kommunikationsprozessor 708 und führt Aufgaben aus, die mit dem GPS- Kommunikationsprozessor 708 assoziiert sind. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die IPROTO-Funktion 804 das Modell Nr. XVME-081, welches im Handel von Xycom Inc. erhältlich ist.
Wie bei einem Flußdiagrammblock 810 gezeigt, treten die Daten, die über den Kommunikationskanal 618 übertragen werden, in die IPROTO-Funktion 804 ein. Viele dieser Daten sind letztendlich für den GPS-Kalman-Filter 802 bestimmt. Die bei einem Flußdiagrammblock 808 gezeigte Kommunikationsmanagerfunktion koordiniert die hereinkommenden Daten von der IPROTO-Funktion. Die Kommunikationsmanagerfunktion 808 koordiniert auch die Daten, die von einer ICC-Funktion empfangen werden, die in einem Flußdiagrammblock 812 gezeigt ist. Die ICC-Funktion 812 tauscht Daten mit dem Datenradio 714 aus (über die GPS-Interkommunikations- bzw. GPS- Kommunikationsprozessoren 720) und mit der GPS- Datensammelvorrichtung 718, wie gezeigt.
Die GPS-Konsole 712 ist in der Technik wohlbekannt. Viele Bauarten von Vorrichtungen sind im Handel erhältlich, die die gewünschte Funktion vorsehen. Eine solche Vorrichtung ist im Handel erhältlich von Digital Equipment Corporation, Maynard, Massachusetts, unter der Model-Nr. VT220. Die GPS- Konsole 712 bildet Prozessoraktivitätsdaten ab, die den GPS- Kommunikationsprozessor 708 und den GPS-Prozessor 710 betreffen.
Der GPS-Prozessor 710 ist mit einer GPS-Konsole 722 und einem GPS- Kommunikationsinterface- bzw. GPS-Kommunikations- Schnittstellenprozessor 720 gekoppelt. Die GPS-Konsole 722 ist in der Technik wohlbekannt. Viele Bauarten von Vorrichtungen sind im Handel erhältlich, die die gewünschte Konsolenfunktion vorsehen. Eine solche Vorrichtung ist im Handel erhältlich von Digital Equipment Corporation, Maynard, Massachusetts, unter der Model-Nr. VT220. Die GPS-Konsole 722 sieht das Bedienerinterface- bzw. die Bedienerschnittstelle vor, von der der GPS- Prozessor 710 aktiviert und überwacht werden kann.
Der GPS-Kommunikations-Schnittstellenprozessor 720 ist im wesentlichen ein I/O- bzw. Eingabe/Ausgabe-Board. Es ist mit einem Datenradio 714 und einer GPS-Datensammelvorrichtung 718 gekoppelt. Der GPS- Kommunikations-Schnittstellenprozessor 720 koordiniert den Datenaustausch zwischen dem GPS-Prozessor 710 und sowohl dem Datenradio 714 als auch der GPS-Datensammelvorrichtung 718. Der Kommunikations- Schnittstellenprozessor 720 im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Modell Nr. MVME331, welches von Motorola Inc. USA, im Handel erhältlich ist.
Das Datenradio 714 richtet eine Kommunikationsverbindung zwischen dem GPS-Prozessor 710 beim Fahrzeug 102 (durch den GPS-Kommunikations- Schnittstellenprozessor 720) und einem ähnlichen Datenradio 714 ein, welches bei der Basisstation 188 gelegen ist (siehe Fig. 6). Im bevorzugten Ausführungsbeispiel kommuniziert das Datenradio 714 synchron bei 9600 Baud unter Verwendung von RF-Frequenzen (Radiofrequenz bzw. Hoch- Frequenz). Das Datenradio 714 an der Basisstation 188 liefert periodische Aktualisierungen des Ausmaßes an räumlicher Ableitung und Takt-Ableitung für jeden Satelliten an das Datenradio 714 beim Fahrzeug 102, und zwar mit einer Rate von 2 Hz (zweimal pro Sekunde). Räumliche und Clock- Ableitungen, die von der Basisstation 188 berechnet werden, werden unten weiter besprochen werden.
Die GPS-Datensammelvorrichtung 718 kann irgendeine von zahlreichen herkömmlichen elektronischen Verarbeitungs- und Speichervorrichtungen sein, wie beispielsweise ein Desktop-Computer. Irgendein Personal Computer (PC), der von der International Business Machines Corporation (IBM), Boca Raton, Florida, USA, hergestellt wird, kann implementiert bzw. verwendet werden.

C. Bewegungspositionsbestimmungssystem (MPS)

Das MPS 900 (MPS = motion positioning system) des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist in Fig. 9 veranschaulicht. Das MPS 900 leitet die zweite Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 ab. Gewöhnlicherweise wird diese zweite Positionsschätzung mit der ersten Positionsschätzung kombiniert und gefiltert, um dadurch eine genauere dritte Positionsschätzung abzuleiten. Jedoch ist es vorgesehen, daß in manchen Beispielen die zweite Positionsschätzung exclusiv bzw. außerordentlich als dritte Positionsschätzung verwendet werden kann, wenn die erste Positionsschätzung für vollkommen ungenau gehalten wird.
Für das MPS 900 sieht das bevorzugte Ausführungsbeispiel die Kombination des Wegmessers 902 und der IRU 904 vor. Jedoch könnte die IRU 904 ohne den Wegmesser 902 verwendet werden. Der Wegmesser und die IRU 904 sind an einen MPS-Kommunikationsprozessor 906 gekoppelt, um dadurch das MPS 900 aufzuweisen bzw. vorzusehen. IRUs und Wegmesser sind in der Technik wohlbekannt und sind im Handel erhältlich, und zwar von Honeywell Inc., Minneapolis, Minnesota, unter der Modell-Nr. HG1050-SR01 bzw. von Caterpillar Inc., Peoria, Illinois, unter der Teil-Nr. 7T6337.
Die IRU 904 weist Ring-Laser-Gyroskope und Beschleunigungsmesser von bekannter Konstruktion auf. Die IRU 904, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet wird, ist eine Replik bzw. Nachbau des Systems, das von den Boeing 767-Flugzeugen verwendet wird, um die Flugzeugposition zu bestimmen, außer daß die IRU 904 modifiziert worden ist, um den geringen Dynamiken bzw. dynamischen Effekten (beispielsweise Geschwindigkeit) Rechnung zu tragen, die das Fahrzeug 102 relativ zu denen eines 767- Flugzeugs zeigt.
Die IRU 904 kann die Fahrzeugposition bei 5 Hz, die Geschwindigkeit bei 10 Hz, die Längsneigung bei 50 Hz, die Höhe bei 50 Hz und die Neigungsdaten bei 50 Hz ausgeben. Darüberhinaus kann der Fahrzeugswegmesser 902 im bevorzugten Ausführungsbeispiel die vom Fahrzeug 102 gefahrene Distanz bei 20 Hz ausgeben.
Den Laser-Gyroskopen der IRU 904 muß, damit sie ordentlich funktionieren, zuerst eine Schätzung der Länge, Breite und Höhe des Fahrzeugs 102 gegeben werden. Unter Verwendung dieser Daten als eine Grundlinienpositionsschätzung verwenden die Gyroskope dann eine vorbestimmte Kalibrierung in Verbindung mit Kräften, die mit der Drehung der Erde 172 assoziiert sind, um eine Schätzung der laufenden bzw. Ist-Position des Fahrzeugs 102 zu bestimmen.
Diese Information wird dann durch die IRU 904 mit den Daten kombiniert, die von den Beschleunigungsmessern der IRU 904 aufgenommen wurden, um eine genauere zweite Positionsschätzung der Fahrzeug-Ist-Position zu erzeugen. Die zweite Positionsschätzung von der IRU 904 und den Daten vom Fahrzeugwegmeser 902 werden an den MPS-Kommunikationsprozessor 906 übertragen, wie durch die jeweiligen Pfeile 910 und 908 der Fig. 9 gezeigt. Der Pfeil 114 der Fig. 1 umfaßt die Pfeile 908 und 910.
Bei Experimenten ist bestimmt worden, daß die IRU 904 irrtümliche Schätzungen der zweiten Position des Fahrzeugs 102 liefern kann, und zwar aufgrund von unpräzise zusammengestellten Teilen. Insbesondere ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel beobachtet worden, daß die direkte Ausgabe der IRU 904 entgegen des Uhrzeigersinns von der Nordrichtung während des Betriebes abgedriftet ist. Die Drift bzw. Abweichung hängt von der Richtung ab, in welcher das Fahrzeug 102 und folglich die IRU 904 fährt bzw. läuft.
Darüberhinaus kann die Abweichung bzw. Drift durch eine IRU- Abweichungsgleichung definiert werden. Die IRU-Abweichungsgleichung kann ähnlich der Konstruktion der Pfadgleichungen abgeleitet werden, die mit Bezug auf die Technik mit gewichteter Pfadhistorie bzw. Pfadverlauf beschrieben sind oder ähnlich der Konstruktion der parabolischen Gleichungen, die mit Bezug auf die parabolische Ableitungstechnik beschrieben sind. Nachdem sie abgeleitet worden ist, kann die IRU-Drift- bzw. IRU- Abweichungsgleichung verwendet werden, um genauere zweite Positionsschätzung zu extrapolieren.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Kommunikationsprozessor 1002 den im Handel erhältlichen 68000 Mikroprozessor von Motorola Inc. auf. Der Kommunikationsprozessor 1002 koordiniert den Datenaustausch zwischen dem MPS 900 und dem VPS 1000. Irgendein Prozessor mit einer ähnlichen Funktion bzw. Funktionsweise, wie hier beschrieben, kann verwendet werden.

D. Fahrzeugpositionsbestimmungssystem (VPS)

Mit Bezug auf Fig. 10 ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Architektur des VPS 1000 (VPS = vehicle positioning system = Fahrzeugpositionierungs- bzw. Fahrzeugpositionsbestimmungssystem) abgebildet.
Das GPS-Verarbeitungssystem 700 und das MPS 900 sind unabhängig mit dem VPS-Hauptprozessor 1002 gekoppelt. Die unabhängige Kupplung ist ein wichtiges neuartiges Merkmal der vorliegenden Erfindung. Da sie unabhängig sind, wird das Versagen eines der Systeme nicht bewirken, daß das andere außer Betrieb gerät. Wenn somit das GPS-Verarbeitungssystem 700 nicht im Betrieb ist, können immer noch Daten vom MPS 900 gesammelt und verarbeitet werden und folglich auch vom VPS 1000. Das GPS- Verarbeitungssystem 700 und das MPS 900 übertragen Signale 716, 908, 910 an den VPS-Hauptprozessor 1002, wie gezeigt. Diese Signale enthalten Positions-, Geschwindigkeits-, Zeit-, Höhen-, Längsneigungs- bzw. Roll-, Neigungs- bzw. Gierungs- und Distanzdaten (siehe Fig. 7 und 9 und die assoziierten Besprechungen).
Der VPS-Hauptprozessor 1002 ist mit dem VPS I/O-Prozessor 1004 gekoppelt. Der VPS-Hauptprozessor 1002 überträgt ein Signal 1008 an einen VPS I/O-Prozessor 1004, wie gezeigt. Das Signal 1008 weist die dritte Positionsschätzung auf. Die dritte Positionsschätzung wird von den GPS-, IRU- und Wegmesserdaten abgeleitet, wie oben bemerkt und insbesondere den ersten und zweiten Positionsschätzungen des Fahrzeugs 102.
Die vorliegende Erfindung zieht irgendein System und irgendein Verfahren in Bewegung, durch welches die Signale, die durch die Pfeile 716, 908 und 910 angezeigt sind, vom VPS-Hauptprozessor 1002 des GPS- Verarbeitungssystems 700 und vom MPS-System 900 empfangen werden können und an den VPS-Hauptprozessor 1002 geliefert werden können. Der VPS-Hauptprozessor 1002 ist der 68020 Mikroprozessor, der von Motorola Inc., USA, im Handel erhältlich ist.
Der VPS I/O-Prozessor 1004 ist mit einem VPS-Kommunikationsschnittstellenprozessor 1020 gekoppelt. Der Kommunikationsschnittstellenprozessor 1020 ist der MVME331-Prozessor, der von Motorola, Inc., USA, im Handel erhältlich ist. Irgendein Prozessor, der denselben Zweck wie unten beschrieben durchführt, kann verwendet werden.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der VPS-Kommunikations- Schnittstellenprozessor 1020 mit drei unterschiedlichen Vorrichtungen gekoppelt: (1) einer VPS-Konsole 1012, (2) einer Datensammelvorrichtung 1014 und (3) dem Navigationssystem 1022. Der VPS-Kommunikations- Schnittstellenprozessor 1020 leitet die Daten, einschließlich der dritten Positionsschätzung, die in der Ausgabe bzw. Ausgangsgröße 1016 enthalten sind an die obigen drei Vorrichtungen mit einer Rate von 20 Hz.
Die VPS-Konsole 1012 ist in der Technik wohlbekannt und ist von Digital Equipment Corporation, Minneapolis, Minnesota, unter der Model-Nr. VT220 erhältlich. Diese VPS-Konsole 1012 wird verwendet, um den Ist-Zustand des VPS I/O-Prozessors 1004 abzubilden.
Die VPS-Datensammelvorrichtung 1014 kann irgendeine von zahlreichen im Handel erhältlichen elektronischen Verarbeitungs- und Speichervorrichtungen sein, beispielsweise ein Desktop PC. Irgendein Macintosh PC von Apple Computer, Cupertino, Kalifornien, erhältlich, kann erfolgreich verwendet werden, um diesen Zweck zu erreichen.
Das Navigationssystem 1022 weist die mit der Navigation des Fahrzeugs 102 assoziierten Merkmale auf. Das VPS 1000 überträgt die dritte Positionsschätzung an das Navigationssystem 1022, so daß das Navigationssystem 1022 genau und sicher das autonome bzw. automatische Fahrzeug 102 leiten kann.

E. Basisstation

Mit Bezug auf Fig. 7 weist das Host-Verarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 das GPS-Verarbeitungssystem 700 der Fig. 7 auf. Die Zwecke bzw. Aufgaben des Host-Verarbeitungssystems 186 an der Basisstation 188 sind folgende: (1) Überwachen des Betriebs des Fahrzeugs 102, (2) Vorsehen eines bekannten terrestrischen Referenzpunktes, von dem räumliche Ableitungen erzeugt werden können, und (3) Vorsehen bzw. Liefern irgendeiner anderen Information an das Fahrzeug 102, falls nötig, und zwar über den Hochgeschwindigkeitsdatenkommunikationskanal 618.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Basisstation 188 nahe des Fahrzeugs 102 gelegen sein, vorzugsweise innerhalb von 20 Meilen. Die enge geographische Beziehung wird eine effektive bzw. wirksame Radiokommunikation bzw. Funkverbindung zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102 über den Kommunikationskanal 618 vorsehen. Sie wird auch einen genauen Referenzpunkt vorsehen zum Vergleichen der Satellitenübertragungen, die vom Fahrzeug 102 empfangen werden mit jenen, die von der Basisstation 188 empfangen werden.
Ein geographischer naher Referenzpunkt wird benötigt, um ordnungsgemäße bzw. genaue räumliche Ableitungen zu berechnen. Räumliche und Clock- bzw. Taktableitungen sind effektiv das Allgemeinmodus- bzw. Gesamtrauschen, das inherent bzw. innewohnend in dem NAVSTAR-GPS und dem GPS-Verarbeitungssystem 700 existiert. Sobald sie in der Basisstation 188 berechnet worden sind, werden die räumlichen bzw. Raum- und Clockableitungen dann an das Fahrzeug 102 unter Verwendung des Datenradius 714 gesandt, wie in Fig. 7 gezeigt. Die räumlichen Ableitungen werden unter Verwendung verschiedener Verfahren berechnet, die unten weiter besprochen werden.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung koordiniert das Host-Verarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 weiter die autonomen bzw. eigenständigen Aktivitäten des Fahrzeugs 102 und bietet eine Schnittstelle für das VPS 1000 mit den menschlichen Überwachern.

F. Satellitenbasierte Genauigkeitsverbesserungen

Die vorliegende Erfindung verbessert die Genauigkeit der Positionsschätzungen des Fahrzeugs 102 über eine Anzahl von Differentialkorrekturtechniken. Diese Differentialableitungstechniken werden verwendet, um die ersten, zweiten und dritten Positionsschätzungen zu verbessern.
Mehrere dieser Differentialkorrekturtechniken sind dazu ausgelegt, direkt Fehler (Rauschen oder Interferenzen) bei der Berechnung der Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 zu entfernen (sowohl tatsächliche als auch geschätzte Pseudobereiche). Die Entfernung dieser Fehler hat eine präzisere erste Positionsschätzung zur Folge, die vom GPS-Verarbeitungssystem 700 an das VPS 1000 ausgegeben wird, und schließlich hat sie eine präzisere dritte Positionsschätzung zur Folge, die vom VPS 1000 an das Navigationssystem 1022 ausgegeben wird.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Host-Verarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 für die Ausführung dieser Differential- bzw. Unterschiedstechniken verantwortlich und zum Liefern der Ergebnisse an das Fahrzeug 102. Es sei daran erinnert, daß das Host-Verarbeitungssystem 186 das GPS-Verarbeitungssystem 700 ebenso wie das Fahrzeug 102 aufweist. Der Ausdruck "Differential" wird verwendet, da die Basisstation 188 und das Fahrzeug 102 ein unabhängiges, jedoch im wesentlichen identisches GPS- Verarbeitungssystem 700 verwenden. Weiterhin, da die Basisstation 188 stationär ist und ihre Absolutposition bekannt ist, dient sie als ein Referenzpunkt, von dem elektronische Fehler (Rauschen oder Interferenz) und andere phänomen- bzw. abweichungserzeugende Fehler zu messen sind.

IV. Navigationssystem

A. Überblick

Bei der Betrachtung der Einrichtung eines autonomen Navigationssystems gibt es gewisse grundlegende Fragen, die irgendein autonomes System beantworten können muß, um erfolgreich vom Punkt A zum Punkt B zu navigieren. Die erste Frage ist "Wo sind wir (das Fahrzeug) jetzt?". Die erste Frage wird beantwortet durch den Positionsbestimmungssystemteil der vorliegenden Erfindung, wie oben im Abschnitt II besprochen.
Die nächste oder zweite Frage ist "Wohin fahren wir und wie kommen wir dort hin?". Diese zweite Frage fällt in die Domäne des Navigationssystemteils der vorliegenden Erfindung, der in diesem Abschnitt (III) besprochen wird.
Eine weitere (dritte) Frage, eigentlich eine Verfeinerung der zweiten, ist "Wie bewegen wir tatsächlich physisch das Fahrzeug, beispielsweise welche Betätigungsvorrichtungen (Lenkung, Geschwindigkeit, Bremse usw.) sind beteiligt, um dorthin zu kommen?". Dies ist der Bereich des Fahrzeugsteueruntersystems des Navigationssystems, der auch unten besprochen wird.
Wie implizit oben besprochen wurde, kann die autonome Navigation von beispielsweise einem Bergbaufahrzeug gewisse signifikante Vorteile gegenüber der herkömmlichen Navigation bieten. Unter Ihnen ist eine gesteigerte Produktivität eines 24stündigen Betriebes des Fahrzeuges rund um die Uhr. Die Probleme, die von gefährlichen Arbeitsumgebungen oder von Arbeitsumgebungen, wo die Sicht schlecht ist, dargestellt werden, sind insbesondere gut zur Lösung durch ein autonomes System geeignet.
Es gibt beispielsweise einige Bergbau- bzw. Tagebaugelände, wo die Sicht so schlecht ist, daß eine Arbeit für 200 Tage des Jahres nicht möglich ist. Es gibt andere Gebiete, die für menschliches Leben gefährlich sind, da sie durch industrielle oder nukleare Verschmutzung verunreinigt sind. Ein Gebiet kann so abgelegen oder verwüstet sein, daß wenn es erforderlich wäre, daß Menschen dort arbeiten, dies starke Einschränkungen mit sich bringen würde oder unpraktisch sein würde. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung könnte in vorhersehbarer Weise Betriebsvorgänge außerhalb der Erde mit einschließen, beispielsweise Bergbau auf dem Mond, vorausgesetzt, daß die notwendigen GPS-Satelliten in die Umlaufbahn des Mondes gebracht werden.
Bei einer typischen Anwendung der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 3 gezeigt, gibt es mit Bezug auf die Navigation eines Bergbaufahrzeuges auf einem Bergbaugelände drei grundlegende Arbeitsgebiete: die Beladungsstelle, das Liefersegment und die Abladestelle. An der Beladungsstelle kann ein Lieferfahrzeug mit Erz auf eine Vielzahl von Arten beladen werden, beispielsweise durch von Menschen bediente Schaufellader, die entweder direkt oder durch Fernsteuerung gesteuert werden, oder durch autonome Schaufellader. Das Lieferfahrzeug muß dann über ein Gebiet fahren, das Liefersegment genannt wird, welches nur ein paar hundert Meter sein kann oder mehrere Kilometer sein kann. Am Ende des Liefersegmentes liegt die Abladestelle, wo das Erz aus dem Lieferfahrzeug ausgeladen wird, um beispielsweise zerkleinert zu werden oder in anderer Weise bearbeitet zu werden. Bei der vorliegenden Erfindung kann die autonome Positionsbestimmung und Navigation verwendet werden, um das Lieferfahrzeug entlang des Liefersegmentes zu steuern. Autonom navigierte Tankfahrzeuge und Instandhaltungsfahrzeuge werden auch in Betracht gezogen.
Mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 umfaßt die Navigation des autonomen Bergbaulastwagens (AMT = Autonomous Mining Truck) verschiedene Systeme, Vorrichtungen und/oder Funktionen. Das Untersystem des Fahrzeugpositionsbestimmungssystems 1000 des gesamten autonomen Bergbaulastwagensystems wie oben besprochen gibt Positionsdaten aus, die anzeigen, wo das Fahrzeug gelegen ist, die beispielsweise die Nord- bzw. Längen- und die Ost- bzw. Breitenposition aufweisen.
Mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 werden Positionsdaten, die vom Fahrzeugspositionsbestimmungssystem ausgegeben werden, von einem Navigator 406 aufgenommen. Der Navigator bestimmt, wo das Fahrzeug hinfahren möchte (aus den Routendaten) und wie es dort hin kommt, und gibt wiederum Daten aus, die aus Lenk- und Geschwindigkeitsbefehlen an einen Fahrzeugsteuerfunktionsblock 408 zusammengesetzt sind, um das Fahrzeug zu bewegen.
Der Fahrzeugsteuerblock gibt dann Befehle auf niedrigem Niveau an die verschiedenen Systeme des Fahrzeugs 102 aus, wie beispielsweise an die Regelungsvorrichtung (governor) die Bremsen und das Getriebe. Wenn das Fahrzeug sich zu seinem Bestimmungsort hin bewegt, blockieren die Fahrzeugsteuerungen, und das Fahrzeugpositionsbestimmungssystem empfängt Rückkoppelungsinformationen von dem Fahrzeug, die beispielsweise irgendwelche Fehlerzustände in den Fahrzeugsystemen, die gegenwärtige Geschwindigkeit usw. anzeigen.
Die Navigation muß auch eine Hindernisbehandlungsfähigkeit (Detektion und Vermeidung) aufweisen, um mit dem Unerwarteten fertig zu werden. Ein Abtastsystem bzw. Scannersystem 404 detektiert Hindernisse in der projizierten Laufbahn des Fahrzeuges, genauso wie Hindernisse, die sich von den Seiten nähern können, und informiert den Navigator darüber.
Es kann erforderlich sein, daß der Navigator dann entscheidet, ob eine Handlung erforderlich ist, um an dem Hindernis vorbeizufahren. Wenn eine Handlung erforderlich ist, entscheidet der Navigator, wie das Hindernis zu vermeiden ist. Und nach dem das Hindernis vermieden bzw. umfahren worden ist, entscheidet der Navigator, wie das Fahrzeug zurück auf einen Pfad zu seinem Bestimmungsort hin kommen soll.
Mit Bezug auf Fig. 16, die als Kontextdiagramm bezeichnet wird, und mit Bezug auf Fig. 18A-18D sind Definitionen der Kommunikationsvorgänge, die als Kreise mit Zahlen darin gezeigt sind, unten beschrieben:

502. Host-Befehle und Anfragen:

Befehle, die von dem Host an den Fahrzeugmanager gegeben werden. Diese Befehle könnten von verschiedener Art sein:
Versorgungsparameter;
Nothandlungen; und
Anweisungen
Die Anforderungen fragen nach dem Zustand von verschiedenen Teilen des Navigators.

504. Antworten an den Host:

Dieses sind Antworten auf die Fragen, die von dem Host gestellt wurden.

432. Positionsdaten:

Dies ist eine strömende bzw. nicht abreißende Information, die von dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem (VPS) geliefert wird.

416. Bereichsdaten:

Dies sind Bereichsdaten von dem Linienlaserscanner.

432. VPS-Steuerung:

Dies sind Befehle, die dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem gegeben wurden, um es einzuschalten bzw. hochzufahren abzuschalten bzw. herunterzufahren und zwischen Betriebszuständen umzuschalten.

416. Scannersteuerung:

Dies sind Befehle, die an den Laserscanner gesandt werden, um eine Bewegung einzuleiten und das Folgegeschwindigkeitsprofil einzustellen.

420. Lenk- und Geschwindigkeitsbefehle:

Dies sind Befehle, die an das Fahrzeug ausgegeben werden, um die Lenkung und Geschwindigkeit zu steuern. Diese Befehle werden mit einer Rate von 2 bis 5 Hertz ausgegeben.
Mit Bezug auf Fig. 5 sind im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben sowohl das Fahrzeugpositionsbestimmungssystem als auch der Navigator auf dem Fahrzeug gelegen und kommunizieren mit der Basisstation 188 zur Aufnahme von GPS- Positionsinformationen auf hohem Niveau und Anweisungen von einem Host-Verarbeitungssystem 186, wie unten besprochen. Das System gewinnt GPS-Positionsinformationen von den GPS-Satelliten 200-206 an der Basisstation und an Bord des Fahrzeugs, so daß ein gemeinsamer Betriebszustandsfehler entfernt werden kann und die Genauigkeit verbessert werden kann. In einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können Teile des Fahrzeugpositionsbestimmungssystems und des Navigators an der Basisstation gelegen sein.
Der Host an der Basisstation kann den Navigator anweisen, beispielsweise von einem Punkt A zum Punkt B zu fahren, und kann eine von einem Satz von festen Routen zur Anwendung anweisen. Der Host behandelt auch andere typische Einteilungs- und Zeitplanungsaktivitäten, wie beispielsweise die Koordination von Fahrzeugen und Ausrüstungsgegenständen, um den Wirkungsgrad zu maximieren, Kollisionen zu vermeiden, Instandhaltungen einzuplanen, Fehlerzustände zu detektieren usw. Der Host hat auch eine Betriebsschnittstelle für einen menschlichen Manager.
Es ist herausgefunden worden, daß es wünschenswert ist, den Host an der Basisstation anzuordnen und den Navigator am Fahrzeug, um einen Engpass bei der Kommunikation zu vermeiden, und eine daraus resultierende Verschlechterung der Leistung und des Ansprechens. Da der Host Befehle auf relativ hohem Niveau und vereinfachte Daten an den Navigator sendet, erfordert er relativ wenig Kommunikationsbandbreite. In Situationen jedoch, wo eine Breitbandkommunikation für die vorliegende Erfindung verfügbar ist, kann dies kein Faktor sein.
Ein weiterer Faktor bei der Bestimmung der speziellen Lage von Elementen des Systems der vorliegenden Erfindung ist die Empfindlichkeit der autonomen Navigation für die Zeit. Das Navigationssystem muß kontinuierlich seine absolute und relative Lage überprüfen, um nicht akzeptable Ungenauigkeiten bei der Verfolgung einer Route zu vermeiden. Die erforderliche Frequenz der Überprüfung der Lage steigt mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, und die Kommunikationsgeschwindigkeit kann ein einschränkender Faktor auch bei einer relativ moderaten Fahrzeuggeschwindigkeit werden.
Bei Anwendungen jedoch wo eine maximale Fahrzeuggeschwindigkeit nicht ein primärer Betrachtungspunkt ist, und/oder wo ein hoher Grad an Verfolgungsgenauigkeit der Straße nicht kritisch ist, kann dieser Kommunikationsfaktor unwichtig sein. Beispielsweise kann es bei einem relativ schnellen Überfahren von großen Ausdehnungen von offenem flachen Land auf einem relativ geraden Pfad nicht nötig sein, die Position so oft auf der Reise zu überprüfen, wie es bei der Navigation während einer Reise entlang einer kurvigen Bergstraße nötig wäre.
Konzeptionell können die Navigationsaspekte der vorliegenden Erfindung willkürlich in die folgenden Hauptfunktionen aufgeteilt werden:
Routenplanung/Pfaderzeugung;
Pfadverfolgung; und
Hindernisbehandlung.
Die Funktion der vorliegenden Erfindung wird unten besprochen.

B. Routenplanung/Pfaderzeugung

1. Einleitung

Die Navigation eines automatischen Fahrzeuges gemäß der vorliegenden Erfindung besteht konzeptionell aus zwei Unterproblemen, der Pfaderzeugung und der Pfadverfolgung, die getrennt gelöst werden.
Die Pfaderzeugung verwendet Zwischenziele von einer Niveauplanungsvorrichtung, um einen detaillierten Pfad zu erzeugen, dem das Fahrzeug 102 folgen soll. Es gibt einen gewissen Abstrich zwischen der Vereinfachung der Darstellung von solchen Ebenen und der Leichtigkeit, mit der sie ausgeführt werden können. Beispielsweise ist es ein einfaches Schema, einen Pfad in gerade Linien und kreisförmige Kurven zu zerlegen. Jedoch können solche Pfade nicht präzise in einfacher Weise verfolgt werden, und zwar wegen Ungleichmäßigkeiten der Krümmung an Übergangspunkten von Segmenten, die plötzliche Beschleunigungen erfordern.
Folgend auf die Pfaderzeugung nimmt die Pfadverfolgung als Eingangsgrößen den detaillierten erzeugten Pfad auf und steuert das Fahrzeug 102, so daß es dem Pfad so präzise wie möglich folgt. Es ist nicht genug, einfach einer zuvor aufgestellten Liste von Lenkungsbefehlen zu folgen, da wenn man dabei versagt, die erforderlichen Lenkbewegungen genau zu erreichen, dies Versetzungsfehler im stetigen Zustand (steady state) zur Folge hat. Die Fehler sammeln sich mit der Zeit an. Eine globale Positionsrückkoppelung 432 kann verwendet werden, um weniger als ideale Betätigungsvorrichtungen zu kompensieren. Es sind Verfahren für die vorliegende Erfindung entwickelt worden, die von dem traditionellen Fahrzeugsteuerschemata abweichen, bei denen eine Zeithistorie der Position (eine Laufbahn bzw. Trajektorie) in dem Plan vorgesehen ist, der für das Fahrzeug 102 festgelegt wird.
Diese Verfahren werden in geeigneter Weise "Pfadverfolgung" bezeichnet, und zwar dahingehend, daß die Lenkbewegung von der Zeit entkoppelt ist; d. h. Lenkbewegungen sind direkt in Bezug zur geometrischen Natur des festgelegten Pfades, was die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 102 zu einem unabhängigen Parameter macht.
Mit Bezug auf Fig. 3 kann ein autonomes Fahrzeug 102 erforderlich sein, um ein Liefersegment 320 zu einer Abladestelle 322 zu überqueren, und nachdem es seine Last abgeladen hat, über ein weiteres Liefersegment zu einer Werkstatt 324 zu fahren, und zwar unter der Anweisung des Host- Verarbeitungssystems 186. Das Host-Verarbeitungssystem 186 bestimmt die Bestimmungsorte des Fahrzeugs 102, was "Zyklusplanung" genannt wird. Die Bestimmung, welche Routen genommen werden sollten, um zu einem erwünschten Bestimmungsort zu kommen, müssen durch "Routenplanung" erreicht werden.
"Routenplanung" ist die Bestimmung, welche Pfadsegmente zu nehmen sind, um zu einem erwünschten Bestimmungsort zu kommen. Im allgemeinen kann eine Route als eine Abstraktion oder Darstellung eines Satzes von Punkten zwischen zwei definierten Lagen auf hohem Niveau angesehen werden. Wie man zu einem menschlichen Fahrer sagen kann "Nimm die Route 95 nach Süden von Lobster, Maine nach Miami, Florida", und der Fahrer die Anweisung in eine Abfolge von Operationen übersetzen werden wird (die das Starten des Fahrzeugs 102, das Lösen der Bremse 4406, das Einlegen des Getriebes 4610, die Beschleunigung auf die angewiesene Geschwindigkeitsbegrenzung, das Lenken des Lenkrades 4910, das Umfahren von Hindernissen 4002 usw. miteinschließen können), arbeitet das autonome Navigationssystem der vorliegenden Erfindung in ähnlicher Weise. Wie sie in dem System der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist eine "Route" eine Abfolge von aneinander liegenden "Segmenten" zwischen dem Beginn und dem Ende einer Reise.
Ein autonomes Fahrzeug 102 kann an irgendeiner Position in der Sequenz beginnen und über die Route in jeder Richtung fahren. Ein "Segment" ist der "Pfad" zwischen "Knoten". Ein "Knoten" ist eine "Ausrichtung" auf einem Pfad, die eine Entscheidung erfordert. Beispiele von Knoten sind Beladungsstellen 3318, Abladestellen 322 und Schnittstellen 326.
Es gibt verschiedene Arten von Segmenten. Beispielsweise gibt es lineare und kreisförmige Segmente. Die linearen Segmente (Linien) sind durch zwei Knoten definiert. Kreisförmige Segmente (Bögen) werden durch drei Knoten definiert.
"Lagen" (Postures) werden verwendet, um beispielsweise Teile einer Route, Pfade und Knoten zu modellieren. Lagen können aus einer Position, einer Richtung, einer Krümmung, einer maximalen Geschwindigkeit und anderen Informationen für einen gegebenen Punkt auf dem Pfad bestehen. Ein "Pfad" ist eine Abfolge von aufeinander folgenden Lagen.
Ein Segment ist daher eine Abfolge von aneinanderfolgenden Lagen zwischen Knoten. Alle Segmente haben eine damit assoziierte Geschwindigkeit, die die maximale Geschwindigkeit festlegt, mit der das Fahrzeug 102 über dieses Segment fahren kann. Der Navigator 406 kann langsamere Geschwindigkeiten anweisen, um andere Anforderungen zu erfüllen, falls nötig.
Die Bestimmung, welche Lagen erforderlich sind, um ein Pfadsegment durch analytische Verfahren, experimentelle Verfahren oder eine Kombination von beiden zu definieren, wird "Pfadplanung" gemäß der vorliegenden Erfindung genannt. Um die Besprechung zu vollenden, wird eine Abfolge von aneinander liegenden Routen, wie oben erwähnt, als "Zyklus" bezeichnet, und die Arbeitsziele eines Fahrzeuges 102 bestimmen seinen "Zyklus".
Um daher eine Route zu definieren, muß man zuerst die Knoten und Segmente definieren. Als nächstes müssen die Knoten und Segmente angewiesen werden. Schließlich müssen die Routen definiert werden durch Festlegen, wo in dem angewiesenen Satz eine Route beginnen soll, und in welcher Richtung der angewiesene Satz zu überfahren ist (siehe Fig. 22, die diese Konzepte der vorliegenden Erfindung veranschaulicht).
Das zuvor erwähnte Verfahren zur Definition von Routen wurde für eine Speichereffizienz in der vorliegenden Erfindung entwickelt. Es ist auch ein bequemer Weg zur Definition von vielen Routen auf einen speziellen Satz von Knoten und Segmenten.
Bei einem Beispiel der vorliegenden Erfindung aus der wirklichen Welt kann ein Bild eines Geländes vorgesehen werden, wo es viele sich schneidende Straßen 326 gibt. Ein Routenprogrammierer würde Knoten an den Schnittpunkten definieren und Segmente, um die Straßen zwischen den Schnittpunkten zu definieren. Die Routen würden daher durch Straßen und Schnittpunkte bestimmt werden. Es wird jedoch viele Wege geben, um vom Punkt A zum Punkt B (viele Routen) mit einem festen Satz von Schnittpunkten und Straßen zu kommen.
Das Pfadverfolgungsverfahren der vorliegenden Erfindung (das unten besprochen wird) verwendet die Routenkrümmung zur Lenkung des Fahrzeugs. Die Verfahren der Routendefinition, die Linien und Bögen verwenden, liefern keine kontinuierliche Krümmung. Clothoid-Kurven sind ein weiterer Weg zur Definition von Routen.
Ein weiteres Verfahren zur Definition von Routen, die von den Erfindern entwickelt werden, paßt B-Splines in die Fahr- bzw. Wegdaten. B-Splines bieten eine kontinuierliche Krümmung und verbessern daher die Verfolgungsleistungen. Da zusätzlich B-Splines frei von Kurven sind, kann eine Route durch eine einfache B-Splinekurve definiert werden. Durch Verwendung von Freiformkurven wird ein robusteres Verfahren (halbautomatisch) zur Einpassung von Routen auf Daten, die durch das Fahren von dem Fahrzeug über die Routen gesammelt werden, durch die vorliegende Erfindung verwendet.
Mit Bezug auf Fig. 4 weist im Betrieb das Host-Verarbeitungssystem 186 von der Basisstation 188 ein identifiziertes Fahrzeug 102 an, die Route N von der gegenwärtigen Stelle zu nehmen. Der Navigator 406 wirkt dahingehend, daß er einen Pfad erzeugt, und zwar durch Umsetzen von "Route 1" in eine Reihe von Segmenten, die jeweils eine "angewiesene" oder assoziierte maximale Geschwindigkeitsbegrenzung haben, die zusammen einen erzeugten Pfad bilden, dem das Fahrzeug zu folgen versuchen soll. Durch Festlegen von Routen und Anweisen des autonomen Fahrzeugs 102 mit Befehlen auf hohem Niveau in dieser Weise werden enorme Anforderungen von Daten und Ineffizienzen in der vorliegenden Erfindung beim Geben von Anweisungen vermieden.
Der Navigator 406 speichert die Routen als eine verbundene Liste von Pfadsegmenten anstelle des Satzes von Abfolgen von Sätzen der einzelnen Punkte. Diese Segmente sind auch Abstraktionen des Satzes von Punkten zwischen definierten Stellen oder Knoten.

2. Routenerzeugung und Speicherung

a. Einleitung

In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden Daten zuerst von dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem 1000 gesammelt und gespeichert, um Routen für ein Gelände 300 zu erzeugen, während ein Mensch das Fahrzeug 102 über das Straßensystem des Arbeitsgeländes 300 fährt. Knoten und Segmente werden dann in die gespeicherten abgefahrenen bzw. Fahrdaten eingepaßt und in Routen für das zuvor erwähnte Verfahren organisiert.
Eine Anwendung auf einer Apollo-Computerworkstation (nun Hewlett- Packard, Palo Alto, Kalifornien) (ein nicht gezeigtes grafisches Anzeigesystem) wurde entwickelt, um grafisch Routendaten auf die gespeicherten abgefahrenen Daten einzupassen und weiter Routen zu definieren (d. h., Geschwindigkeiten, Abfolgen, einen Startpunkt, eine Querrichtung). Irgend eine Grafikworkstation bzw. ein Grafikcomputer, der dem Apollo äquivalent ist, könnte verwendet werden.
Sobald die Routen für ein Gelände definiert sind, werden die Routendaten in eine permanente Speichervorrichtung geschrieben. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die verwendete Speichervorrichtung eine Blasenspeicherkartusche 5302 mit einer assoziierten Lese/Schreibvorrichtung. Die Blasenspeichervorrichtung 5302 ist dauerhaft und hält die Daten, wenn die Leistungsversorgung abgetrennt wird. Die Apollo- Anwendung kann Daten auf eine Kartusche 5302 schreiben und Daten von einer Kartusche 5302 lesen.
Wie oben erklärt, können Routen in der vorliegenden Erfindung vordefiniert werden, oder sie können dynamisch erzeugt werden.
Bei Bergbauanwendungen wird im allgemeinen ein Gelände 300 überwacht und Straßen werden vorgeplant, in sorgfältiger Weise ausgelegt und gebaut. Die Routen, die von dem Navigationssystem verwendet werden, können dann entweder aus einer manuell erzeugten Computerdatenbank erhalten werden (speziell erzeugt, um durch das Navigationssystem verwendet zu werden), oder alternativ kann ein Fahrzeug physisch über die tatsächlichen Routen auf dem Gelände gefahren werden, um die Routen zu lernen, wie oben beschrieben. Bei dem Lernverfahren können verschiedene Fahrten über eine gegebene Route ausgeführt werden. Dann werden die Veränderungen der Daten (beispielsweise aufgrund dessen, daß der Fahrer wackelt) zu einem Durchschnitt zusammengefaßt und eine geglättete beste Einpassung wird entwickelt.

b. Routendefinition

In einem Ausführungsbeispiel der folgenden Erfindung wird das folgende Verfahren zur Routendefinition verwendet.
1. Definiere Knoten und Segmente, aus denen die Routen aufgebaut sind. Bringe die Knoten- und Segmentdaten in eine Anordnung, die "Routendatenanordnung" genannt wird. Jede Aufzeichnung in der Anordnung enthält die folgende Information:
1. Art des Teils (d. h. Knoten, lineares Segment, kreisförmiges Segment und Markierung des Routenendes)
2. Falls es ein Knotenteil ist, definiere die Längen- und Breitenkoordinaten des Knotens.
Sonst, wenn es ein lineares Segmentteil ist, definiere die Geschwindigkeit entlang des Segmentes.
Sonst, wenn es ein kreisförmiges Segmentteil ist, definiere die Längen- und Breitenkoordinaten der Mitte, den Radius, die Richtung, in der der Kreis durchfahren wird (d. h. im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) und die Geschwindigkeit entlang des Segmentes)
Sonst, wenn es eine Markierung des Routenendes ist, gibt es keine weitere Information.
2. Verbinde die Knoten- und Segmentdaten miteinander in Abfolgen. Die Abfolgen bzw. Sequenzen sind einfach eine Anordnung von Indizes in der Routendatenanordnung. Jede Abfolge muß mit einer Markierung des Routenendes beginnen, gefolgt durch einen Knoten, dann wird der Rest der Sequenz zwischen Segmenten und Knoten abwechseln, bis die Sequenz durch eine andere Markierung des Routenendes beendet wird. Eine beispielhafte Sequenz wäre, 1, 6, 3, 4, 7, 9, 10, 23, 78, 1 wobei die ganzen Zahlen Indizes in der Routendatenanordnung sind.
3. Schließlich definiere eine Route durch Festlegen eines Index in der Abfolgeanordnung, und definiere, ob durch die Sequenz in der positiven oder negativen Richtung indexmäßig zu laufen ist. Setze den Index und die Indexrichtung in eine Anordnung, die "Routenbeschreibungsanordnung" (routespec-Anordnung) genannt wird. Ein Teil in der Routenbeschreibungsanordnung kann wie folgt aussehen:
6,1 diese Beschreibung definiert eine Route, die beim Knoten 6 beginnt und in der positiven Richtung indiziert ist.
78, -1 diese Beschreibung definiert eine Route, die am Knoten 78 beginnt und in negativer Richtung indiziert ist.
Ein Anwender sagt dem Fahrzeug einfach, welches Teil in der Routenbeschreibungsanordnung als Route zu verwenden ist.
4. Die zuvor erwähnten Daten werden in der Speichervorrichtung in der Reihenfolge gespeichert, in der sie in den Schritten 1 bis 3 definiert wurden.

C. Navigatorroutenverwendung

Im folgenden wird beschrieben, wie der Navigator 406 die definierten Routen aus dem obigen Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet.
Wenn der Navigator 406 eingeschaltet wird, liest er die Routeninformationen aus der Speichervorrichtung 5302 und speichert sie in dem RAM bzw. Arbeitsspeicher (RAM = Random Access Memory) in der schon dargestellten Syntax.
Als nächstes legt der Bediener eine Route fest, der dem Fahrzeug 102 folgen soll. Wiederum ist die Route einfach ein Index bzw. Zeiger zu der Routenbeschreibungsanordnung.
Wenn der Navigator 406 entscheidet, daß alle Systeme zum automatischen Betrieb bereit sind, sendet er eine Nachricht an die VPS_Lage-Aufgabe 5324, um sie zum Betrieb zu veranlassen.
Die VPS_Lage-Aufgabe 5324 bestimmt dann die Position entlang der Route, die am nächsten zur gegenwärtigen Position 2812 des Fahrzeugs 102 ist. Die Suche nach der nächsten Position 284 auf der Route verläuft wie folgt:
1. Ein Zeiger (pointer) wird auf das erste Segment in der Route gesetzt.
2. Die senkrechte Distanz von der Fahrzeugposition zu dem Segment wird bestimmt.
3. Der Zeiger wird zum nächsten Segment in der Route bewegt.
4. Die senkrechte Distanz von der Fahrzeugposition zum nächsten Segment wird bestimmt.
5. Wiederholung der Schritte 3 und 4 bis die Markierung 2218 des Routenendes erreicht wurde.
6. Bestimmung der Distanz von der Fahrzeugposition zu den Endpunkten 2218 der Route.
7. Setzen eines Zählers auf das Routensegment, welches die nächste Distanz hatte, und Speicherung der Koordinaten der nächsten Distanz.
Die VPS_Lage-Aufgabe 5324 verwendet dann die Beschreibung der Route (Linien, Bögen und Geschwindigkeiten) um eine Lage in Intervallen von einem Meter zu erzeugen. Die Aufgabe 5324 erzeugt eine vordefinierte Distanz von Lagen plus einem Sicherheitsrahmen und bringt die Lagen in einen Puffer 3000. Zur Erzeugung einer Lage, die einen Meter von einer gegebenen Lage entfernt ist, verwendet die VPS_Lage-Aufgabe 5324 das folgende Verfahren:
1. Bestimmung der Art des Segmentes, aus dem die gegebene Lage erzeugt wurde.
2. Anwendung der ordnungsgemäßen Formel für die Art des Segmentes, um die Veränderung der Länge und Breite pro Meter der Segmentlänge zu bestimmen.
3. Addieren der Veränderung der Länge und Breite pro Meter zu der letzten gegebenen Lage.
4. Wenn die erzeugte Lage über dem Ende des gegenwärtigen Segmentes hinaus gelegen ist, Setzen eines Zeigers auf das nächste Segment und Wiederholung der Schritte 2 und 3, sonst Rückkehr zur erzeugten Lage.
Die VPS_Lage-Aufgabe 5324 informiert dann die Exekutive 5316, daß sie bereit zur Verfolgung ist.
Wenn das autonome Fahrzeug 102 sich entlang der Lage in dem Puffer 3000 bewegt, wird der Sicherheitsrahmen 3006 entleert bzw. gelöscht.
Wenn der Sicherheitsrahmen unter einer festgelegten Größe ist, erzeugt die VPS_Lage-Aufgabe 5324 einen weiteren Sicherheitsrahmen 3006 von Lagen und hängt sie an den gegenwärtigen Puffer 3000 an. Die VPS_Lage- Aufgabe 5324 leert den Lagepuffer 3000 durch Überwachung der gegenwärtigen Position 2812 des Fahrzeugs 102 und durch Bewegung eines Zeigers bzw. Pointers 3002 in den Puffer 3000 zur nächsten Lage. Der Lagepuffer 3000 ist als Ring aufgebaut, der im Uhrzeigersinn durchlaufen wird (siehe Fig. 30, Lageringpuffer). D. h., Lagen werden in dem Ring so angeordnet, daß die Richtung einer Fahrzeugbewegung dem Durchlaufen des Lageringpuffers 3000 im Uhrzeigersinn entspricht. Wenn daher sich das Fahrzeug 102 bewegt, wird der Zeiger 3002 zur nächsten Lage im Puffer 3000 im Uhrzeigersinn bewegt werden. Wenn der Zeiger 3002 im Uhrzeigersinn bewegt wird, ist der Speicher in dem Ring hinter der Lage (vom Zeiger aus gegen den Uhrzeigersinn) frei, um überschrieben zu werden.
Der Schritt 7 (in der Suchroutine oben) ist in Aktion, bis die Markierung 2218 für das Routenende zurückgesetzt wird, wobei zu diesem Zeitpunkt die VPS_Lage-Aufgabe 5324 aufhört, eine Lage zu erzeugen, und die Exekutive 5316 informiert wird, daß das Ende der Route erreicht wurde.
Wie oben erwähnt, ist ein Pfad wie eine Reihe oder Abfolge von aneinander liegenden "Lagen". Die Lage schließt die Geschwindigkeit und den Längswinkel ein, die verfolgt werden müssen. Eine Lage kann die Breite, Länge, Ausrichtung, Krümmung (1/Krümmungsradius), die maximale Geschwindigkeit und die Distanz zur nächsten Lageinformation aufweisen.

3. Lageerzeugung

Das Verfolgungsverfahren der vorliegenden Erfindung erfordert gewisse Informationen über die Route, die verfolgt wird. Die Informationen sind in einem Paket enthalten, das "Lage" 3314 genannt wird. Eine einzige Lage 3314 kann eine Position enthalten (Längen- und Breitenkoordinaten), eine Ausrichtung und Krümmungsdaten für eine spezielle Stelle auf der Route. Daher ist ein Weg zur Erzeugung von Lagedaten aus der Routenbeschreibung gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich.
Unter den Navigatoraufgaben (die unten besprochen werden) ist eine Aufgabe, die die Routeninformationen ausliest und Lagen in Intervallen entlang der Route (beispielsweise in Intervallen von einem Meter) erzeugt, die von dem Verfolgungsverfahren verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfordert jede Lage 36 Bytes Speicher, was ungefähr 36 K Speicher für jeden Kilometer der Route ergibt. Um die Speicheranforderungen zu verringern puffert der Navigator die Lagedaten.
Die Aufgabe, die die Lagen erzeugt, liest die gegenwärtige Position des Fahrzeugs 102 aus, findet den nächsten Punkt auf der Route zur gegenwärtigen Position, erzeugt dann eine festgelegte Anzahl von Lagen vor dem Fahrzeug 102. Die Anzahl der erzeugten Lagen ist abhängig von der maximalen Stopp- bzw. Anhaltedistanz (Bremsweg) des Fahrzeugs 102.
D. h., es sollte immer genug Lagen im Puffer 3000 geben, um das Fahrzeug 102 zu einem Anhaltepunkt zu führen.
In dem Ansatz mit B-Splines zur Routendefinition gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch wird die Notwendigkeit eines Lagepuffers eliminiert, da das Verfolgungsverfahren direkt Lageinformationen aus der B-Spline-Kurve erzeugen kann.

C. Pfadverfolgung

1. Einleitung

Die Pfadspurbildung oder Pfadverfolgung (tracking) ist ein kritischer Aspekt der Fahrzeugnavigation gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Technik der vorliegenden Erfindung verwendet eine positionsbasierte Navigation (anstelle einer sichtbasierten Navigation, die bei herkömmlichen Navigationssystemen verwendet wird) um sicher zu stellen, daß der korrekte Pfad 3312 des autonomen Fahrzeugs verfolgt wird. Die vorliegende Erfindung ist auch dahingehend neu, daß sie eine getrennte Steuerung des Lenkwinkels 3316 und der Fahrzeuggeschwindigkeit 3318 bietet. Fig. 17 veranschaulicht grafisch das Pfadverfolgungssystem 3102 der vorliegenden Erfindung.
Für ein autonomes Fahrzeug 102 gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verfolgung von festgelegten Pfaden ist es nötig, Referenzeingaben für die Fahrzeug-Servo-Steuervorrichtungen zu erzeugen. Somit kann eine Pfadverfolgung als ein Problem angesehen werden, einen Referenzlenkwinkel bzw. einen in Bezug gebrachten Lenkwinkel und eine Referenzgeschwindigkeit für den nächsten Zeitintervall zu erhalten, um auf den Referenzpfad vor der gegenwärtig abgewichenen Position zurückzukommen.
Allgemein gesagt bestimmt die Pfadverfolgung die Befehle des autonomen Fahrzeuges (Geschwindigkeit, Lenkwinkel) die erforderlich sind, um einem gegebenen Pfad zu folgen. Bei einem gegebenen zuvor festgelegten Lenkwinkel, gefahrenen Radgeschwindigkeitswerten und Fehlerkomponenten werden die Lenkbefehls- und Antriebseingaben in der vorliegenden Erfindung berechnet.

2. Betrachtungen

a. globale Positionsrückkoppelung

Der zu verfolgende Pfad wird in kartesischen Koordinaten festgelegt. Wenn das Steuerschema aus nur einer Servosteuerung besteht, um auf Lenkbefehle Bezug zu nehmen, sammeln sich Fahrzeugpositions- und Ausrichtungsfehler an. Die Position und Ausrichtung resultieren aus der Integration der gesamten Historie der Lenkung und der Fahrvorgänge. Somit ist es nötig, die Fahrzeugposition 3304 und die Ausrichtung 3318 im kartesischen Raum rückzukoppeln.
Folglich werden Referenzeingaben in die Servo-Steuervorrichtungen in Echtzeit erzeugt, und zwar basierend auf einer Positionsrückkoppelung 3114 (wie in Fig. 17 gezeigt).

b. getrennte Lenkungs- und Fahrsteuerung

Die Lenk- und Fahrreferenzeingaben werden bei der vorliegenden Erfindung aus dem gegebenen Pfad bzw. der Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet. Dies ermöglicht eine einfache Integration der Pfadverfolgung mit anderen Modulen der vorliegenden Erfindung wie beispielsweise mit der Kollisionsvermeidung.

3. Ausführungsbeispiele

a. Verfolgungssteuerstruktur (Fig. 12)

Eine der Herausforderungen der Autonomie von Fahrzeugen ist es, die Lenkungseingangsgrößen zu bestimmen, die erforderlich sind, um einen festgelegten Pfad zu verfolgen. Für herkömmlich gelenkte Fahrzeuge kann bei der vorliegenden Erfindung der erwünschte Pfad und die erwünschte Geschwindigkeit entlang des Pfades getrennt verfolgt werden, was das Problem auf das eine der Steuerung der Lenkung reduziert. (Ein Pfad für diese Besprechung ist dabei eine geometrische Kurve die von der Zeit unabhängig ist, und zwar im Gegensatz zu einer Laufbahn, die eine Zeithistorie bzw. zeitliche Abfolge von Positionen ist.)
Lenkwinkel werden aus dem erwünschten Pfad 3312 und abgefühlten Fahrzeugpositionen geplant. Diese Winkel werden dem Fahrzeug über eine Lenksteuervorrichtung 3104 angewiesen.
Das funktionelle Blockdiagramm in Fig. 12 zeigt eine Verfolgungssteuerstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bei kinematischen Lenkschemata werden Fehler bezüglich der Position, der Ausrichtung und der Krümmung basierend auf der Geometrie der Fehler reduziert, und zwar ohne Betrachtung einer Sättigung der Betätigungsvorrichtung, der Erfüllung, irgend einer Reibung oder von Massenausdrücken. Einstellungswerte, wie beispielsweise die Vorausschaudistanz und die Auswahl einer Krümmung des Pfades, werden durch empirische Versuche und Simulationen ausgewählt, um eine gute Leistung zu erreichen.
In einem manuell angetriebenen Fahrzeug ist die Vorausschaudistanz die Distanz 3310 vor einem Fahrzeug, die ein Fahrer während des Fahrens sieht. Die Vorausschaudistanz bei der vorliegenden Erfindung ist die Distanz, durch welche die Fehler in der Position, der Ausrichtung und der Krümmung planmäßig auf Null herunter gebracht werden. Dies variiert mit der Geschwindigkeit des herkömmlichen oder autonomen Fahrzeuges.
Das Variieren der Vorausschaudistanz variiert das Ausmaß, in dem Lenkungseinstellungen vorgenommen werden müssen, um eine Veränderung des Kurses zu bewirken. Die Vorausschaudistanz wird genauer in einem folgenden Abschnitt besprochen.
Jedoch weichen wirkliche Fahrzeuge von einer kinematischen Idealisierung ab, und ihr Steueransprechen weicht entsprechend ab. Wie die Fahrzeuggeschwindigkeit weichen die Masse und die Pfadzustände ab, das tatsächliche Fahrzeugansprechen weicht noch weiter von einer kinematischen Idealisierung ab. Daher ist die kinematische Idealisierung im allgemeinen nur bei geringen Geschwindigkeiten mit konstanten Zuständen gültig.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet ein Modell, welches Betrachtungen bezüglich der Steifigkeit, der Masse und eines Gleitwinkels aufweist. Das Steuerproblem wird als lineares quadratisches optimales Verfolgungsproblem formuliert, wo Fehler bezüglich der Position, der Ausrichtung und der Krümmung basierend auf dem Fahrzeugsteuermodell minimiert werden.
Der optimale Pfad und die Steuerungen werden aus dem erwünschten Pfad 3312 und der gegenwärtig abgefühlten Fahrzeugposition unter Verwendung der gegenwärtigen Fehler als Anfangszustände für das optimale Steuerproblem berechnet. Einige wenige berechnete Lenkwinkel entlang des Anfangsteils des optimalen Pfades werden als Bezüge für die Lenksteuervorrichtung auf niedrigem Niveau für das nächste Abfühlzeitintervall verwendet.
Diese vorhersehende optimale Lenkungsplanung hat den Vorteil, eine Stabilität und optimale Ausführung mit Bezug auf den gegebenen Leistungsindex zu garantieren. Das optimale Voraussichtsteuerverfahren der vorliegenden Erfindung ist zentral für die Lenkplanung eines autonomen Fahrzeugs.
Wiederum mit Bezug auf Fig. 12 wird die innere Schleife 3116 der Lenkungssteuerung 3104 in der Größenordnung von 10 Millisekunden ausgeführt, während die äussere Schleife 3114 mit der Rate von 0,25 bis 0,5 Sekunden geschlossen wird.
Das folgende Verfahren wird verwendet, um die Schleife-an-Position zu schließen. Nach dem Abfühlen der gegenwärtigen Position Pa,k) 3210 wird die Lage am Ende des gegenwärtigen Zeitintervalls (Pa,k+1) 3216 erwartet.
Dann wird die erwünschte Ausrichtung am Ende des nächsten Zeitintervalls (Pd,k+2) 3218 in einem Referenzlenkwinkel zwischen (Pa,k+1) 3216 und (Pd, k+2) 3218 berechnet, die bestimmt sind.
Wie oben erwähnt entkoppeln in signifikanter Weise diese Fahrzeug- und Pfadtechniken der vorliegenden Erfindung die Lenkungssteuerung von der Geschwindigkeitssteuerung des Fahrzeugs.

b. quintisches Verfahren

In dem Navigatoraufgabendiagramm gezeigt, Fig. 26, welches unten genauer besprochen wird, ist ein funktioneller Block, der Verfolgungsvorrichtung (tracker) 5306 genannt wird. Die Verfolgungsvorrichtung 5306 arbeitet dahingehend, daß sie einen sanften Pfad zum erwünschten oder korrekten Pfad hin aufbaut. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wie es oben erwähnt wird, wird ein quintisches Verfahren verwendet. Dies sieht eine Kurve fünfter Ordnung in dem Fehlerraum für die Lenkungsbefehle vor.
Der Parameter L3310 (Vorausschaudistanz) kann eingestellt werden, um das Ansprechen des Fahrzeugs zu modifizieren, und der Wert L3310 kann basierend auf Versuch und Irrtum ausgewählt werden. Dieses Schema hat gute Ergebnisse bei Geschwindigkeiten bis ungefähr 28 km/h geliefert, und zwar zu dem Zeitpunkt, zu dem die Offenbarung dieser Anmeldung vorbereitet wurde.
Das von der Verfolgungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendete Verfahren ist folgendes:
(1) Abschätzen der nächsten Position entweder durch Durchschnittsbildung oder Bewertung der Zustände der Position;
(2) Kompensation von Verzögerungen unter Verwendung von irgend einem der Abschätzungsverfahren
(3) dynamische Vorausschauveränderungen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten - die Koeffizienten des quintischen Verfahrens: Vorausschaudistanz.

c. Latenz und langsames Systemansprechen

Ein zusätzliches Ausführungsbeispiel zur Pfadverfolgung der vorliegenden Erfindung verwendet verschiedene Kompensationstechniken zur Verbesserung der Fahrzeugansprechcharakteristiken. Dies wird in Verbindung mit dem quintischen Polynomverfahren verwendet, um eine verbesserte Verfolgungsleistung zu verwirklichen.
Einige Fahrzeugansprechcharakteristiken weisen eine Latenz der Fahrzeugsteuerbefehle, langsames Systemansprechen und dynamische Fahrzeugcharakteristiken auf, die eine Gegenwirkung von Fahrzeug und Erdboden (VGI = vehicle ground interaction) aufweisen (Rutschwinkel und Untersteuern/Übersteuern).
Die Latenz der Fahrzeugbefehle wurde in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kompensiert durch Modifikation der Fahrzeugsteuerkomponenten zur Verringerung von Zeitverzögerungen und durch Verwendung eines Verfahrens, welches Steuerbefehle weit genug voraussetzt, um existierende Verzögerungen zu kompensieren.
Die Verringerung der Zeitverzögerung zwischen dem Zeitpunkt, wenn die Fahrzeugposition abgefühlt wird, und dem, wenn der Befehl ausgegeben wird, verringert Vorhersagefehler, wobei die Verringerung erforderlich ist, um Lenkwinkel zu planen, und hat eine bessere Verfolgungsleistung zur Folge.
Eine mit der Geschwindigkeit variierende Vorausschaudistanz verbessert auch die Verfolgungsleistung im Vergleich zu der konstanten Vorausschaudistanz.
Ein Verfolgungsverfahren gibt Lenkungs- und Geschwindigkeitsbefehle über eine serielle Verbindung zu einem Fahrzeugsteuersystem aus. Das Fahrzeugsteuersystem ist ein Multi-Task-System bzw. ein System für mehrere gleichzeitig ablaufende Aufgaben mit mehreren Prozessoren, das auf einer Eingangsschleife für die Kommunikation zwischen den Aufgaben beruht.
Diese Eingangsreihe (mailbox queue) besteht aus zwei Arten von Reihen, einer Hochleistungsreihe und einer Überflußreihe. Während großen Datenflußraten von der Verfolgungsaufgabe laufen die Hochleistungsreihen in die Überflußreihe über, was die Leistung der Kommunikation zwischen den Aufgaben verschlechtert. Dies kann Gesamtlatenzzeiten zwischen der Verfolgungsaufgabe und den tatsächlichen Lenkungsbetätigungsvorrichtungsbefehlen zur Folge haben, die in der Größenordnung von Sekunden liegen.
Die dynamischen Verhaltensweisen der Lenkung können als ein Verzögerungssystem erster Ordnung modelliert werden. Man benötigt eine Periode äquivalent zu einer Zeitkonstante für ein Verzögerungsansprechen erster Ordnung, um ungefähr 63% des erwünschten letztendlichen Wertes zu erreichen. Wie klar sein wird, kann für langsame Systeme mit großen Zeitkonstanten die Ansprechzeit beträchtlich sein.
Um die Latenz- und Ansprechprobleme zu lösen, kann die Hardware bzw. die Komponenten eingestellt werden, so daß sie in enger Verbindung mit dem Verfolgungsverfahren verwendet werden können, um die Fahrzeuglenkung zu steuern, und ein neues Steuerschema kann in Betracht gezogen werden, um eine einfache Zeitverzögerung und ein schlechtes Ansprechen zu kompensieren.
Die Komponenten können beispielsweise so eingestellt werden, daß sie in der gleichen Rückenebene liegen wie der Prozessor, der das Verfolgungsverfahren ausführt und das Fahrzeuglenksystem direkt steuert. Dies dient dazu, Verzögerungen aufgrund der seriellen Verbindung und Reihenbildung zu eliminieren.
Um die restlichen Verzögerungen zu kompensieren (Verzögerungen aufgrund der Verarbeitungszeit des Verfolgungsverfahrens und der Kommunikation zwischen den Aufgaben innerhalb des Verfolgungssystems) wird ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, welches Geschwindigkeits- und Lenkungsbefehle zuvor sendet, um irgendwelchen Verzögerungen entgegen zu wirken. Das Verfahren kann wie folgt ausgeführt werden:
Abfühlen der gegenwärtigen Position Pist
(Initialisierung: Pist = P[0] = P[1] = ... = P[d_index+1])
Berechnung des Fehlers zwischen der vorhergesagten und der abgefühlten Position:
Pe = Pist - P(0) für i = 0, d_index
P[i] = P[i+1) + Pe
Berechnung der Position auf dem Pfad entsprechend der Position des Anfangs des Zeitintervalls: Aufrufen von Pon(P[d_index], Pon)
Aufrufen des Anfangszustandes: Fehler (0) = P[d_index] - Pon
Berechnung einer quintischen Polynomkurve bzw. Polynomkurve fünfter Ordnung im Fehlerraum [1]
Vorhersage einer Position am Ende des Planungszeitintervalls;
Aufrufen von despos (Pon, ds, P+d_index+1)
P[d+index+1] + = Fehler (ds)
Um beispielsweise ein System zu kompensieren, das Zeitverzögerungen in der Größenordnung von zwei Planungsintervallen (in der Größenordnung von 250 ms) besitzt, wird die Variable d index auf 2,0 gesetzt.
Die Verfolgungsleistung verbessert sich, wenn der Kompensationsindex (d_index) so vergrößert wird, daß er zu den Verzögerungen paßt, die dem System innewohnen.
Die Verfolgungsleistung ist gemäß der vorliegenden Erfindung verbessert worden durch Untersuchung und Verständnis der dynamischen Verhaltensweisen des Fahrzeugs und des Steuersystems und durch Auslegen von Kompensationsverfahren unter der Voraussetzung dieser Einsichten.
Eine verschlechterte Leistung des Verfolgungsverfahrens ist auf die Latenz von Fahrzeugsteuerbefehlen, auf langsames Systemansprechen und dynamische Fahrzeugcharakteristiken zurückzuführen. Es ist möglich, jedem dieser Effekte entgegen zu wirken.
Die Latenz von Fahrzeugbefehlen, ein dominanter Effekt, kann in erfolgreicher Weise kompensiert werden durch Modifikation der Fahrzeugsteuerkomponenten (Hardware) und durch Verwendung eines Verfahrens, welches Steuerbefehle weit genug voraussetzt, um die Verzögerungen zu kompensieren. Die Verringerung der Zeitverzögerung zwischen der Fahrzeugposition wird abgefühlt, und wenn der Fehler ausgegeben wird, verringert dies die Vorhersagefehler. Dies ist erforderlich, um Lenkwinkel zu planen und hat eine bessere Verfolgungsleistung zur Folge.
Das Variieren der Vorausschaudistanz mit der Geschwindigkeit verbessert auch die Verfolgungsleistung im Vergleich zur Verwendung einer konstanten Vorausschaudistanz.
Allgemein gesagt ist dann die Pfadverfolgung die Funktion dessen, daß man auf dem Kurs bleibt. Bei der Pfadverfolgung in der vorliegenden Erfindung wie sie oben besprochen wird, sind einige der berücksichtigten Punkte Fehler bezüglich der Distanz, der Ausrichtung und der Krümmung, Verzögerungen im System, die Verarbeitungsverzögerungen und Verzögerungen des Fahrzeugansprechens auf Betätigungsvorrichtungen usw. mit einbeziehen, die dynamische Vorausschaudistanz, die gewichtete Pfadhistorie und eine Extrapolation.

D. Hindernisbehandlung

1. Einleitung

Die Hindernisbehandlung sieht mindestens drei Hauptfunktionen vor Detektieren von Hindernissen 4002, Vermeidung von Hindernissen 4002 und Rückkehr zum Pfad 3312. Die Funktion des Zurückkehrens zum Pfad ist ähnlich wie die Pfaderzeugung und -verfolgung wie oben beschrieben.
Zusätzlich zur Pfadverfolgung (Verfolgung) erfordert die erfolgreiche Navigation des Fahrzeugs 102, daß das Fahrzeug 102 Hindernisse 4002 in seinem Pfad erkennen kann, was somit gestattet, daß das Fahrzeug stoppt oder in anderer Weise ein solches Hindernis vermeidet, bevor eine Kollision auftritt.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Infrarotlaserscanner bzw. eine Infrarotabtastvorrichtung 404 mit einer einzigen Linie (siehe Fig. 19) in einer Konfiguration verwendet, wo die Abtastung bzw. der Scan horizontal ist (nicht gezeigt). Die Abtastlinie 3810 berührt nicht den Erdboden, so daß irgendwelche Ungleichheiten in den Bereichsdaten den Objekten 4002 in der Umgebung zugeordnet werden können.
Da ein Referenzpfad 3312 verfügbar ist, und die Fahrzeugposition relativ zum Referenzpfad bekannt ist, werden nur die Bereichsdaten und eine Regionsabgrenzung des Referenzpfades 3312 für bedrohliche Objekte 4002 verarbeitet. Die Objekte außerhalb dieser Region oder Grenzzone werden ignoriert. Die Breite der (nicht gezeigten) Grenzzone ist gleich der Fahrzeugbreite zuzüglich einem gewissen ausgewählten Sicherheitspuffer, um Spur- und Positionsbestimmungsfehler auszugleichen. Dieses Verfahren ist bezüglich seiner Nützlichkeit eingeschränkt und wird als "Freiraumüberprüfung" bezeichnet.

E. Fahrzeugsteuersysteme

1. Einleitung

Mit Bezug auf Fig. 20 bestehen die Fahrzeugsteuerungen aus vier funktionellen Blöcken auf niedrigem Niveau.
Einer wird "Fahrzeugmanager" (4302) genannt. Ein zweiter wird "Geschwindigkeitssteuerung" (4304) genannt. Der dritte wird "Lenkungssteuerung" (4306) genannt. Der vierte wird "Überwachung/Hilfssteuerung" genannt (abgebildet als zwei getrennte Blöcke 4310 und 4308). Diese werden wiederum unten beschrieben.
Sie werden alle durch einen seriellen Hochgeschwindigkeitsdatenbus 4314 verbunden. Der Bus 4314 ist eine Datenkollision detektierendes Paketweiterleitungssystem.
Jede dieser funktionellen Blöcke hat getrennte Mikroprozessoren, beispielsweise die 16-Bit-Serie Motorola 68000. Jeder dieser Mikroprozessoren spricht mit den anderen über den Bus 4314 und hört auch darüber von diesen.
Während jeder funktionelle Block eine mehr oder weniger spezielle Funktion hat, wirkt der Fahrzeugmanager 4302 als ein Kommunikationshub bzw. Kommunikationsverteiler. Er sendet Nachrichten zum Navigator 406 über eine serielle R5-422-Verbindung 4316 mit 9.600 Baud und empfängt auch Nachrichten davon. Er hört auch auf die Fernsteuerung oder die "Teletafel" 401 über eine FM-Funkkommunikationsverbindung 4318 und sendet an diese.

2. Fahrzeugmanager (Betriebszustände)

Wie oben erwähnt nimmt der Fahrzeugmanager 4302 Befehle von einer Fernsteuertafel 410 und dem Navigator 406 auf Er entscheidet dann, in welchem Betriebszustand "A, M, T oder R" (für autonom, manuell, tele oder bereit (ready)) das Fahrzeug 102 sein sollte.

a. Bereit-Betriebszustand (ready)

Es wird nun Bezug genommen auf Fig. 21, die die Zustände (Betriebszustände) zeigt, und wie das Fahrzeug 102 zwischen den Zuständen wechselt. Der Navigator 406 kann nicht selbst den Betriebszustand einstellen. Es sei bemerkt, daß das Fahrzeug 102 beispielsweise nicht direkt von Tele auf Automatik schalten kann. Es muß in diesem Fall zuerst durch den Bereit- Betriebszustand (ready) 4404 laufen.
Der Bereit-Betriebszustand 4404 bringt das Fahrzeug 102 in einem bekannten Zustand zum Anhalten. Dies kommt daher, daß es schwierig sein würde, einen sanften Übergang von beispielsweise dem automatischen Betriebszustand 4408 in den Telebetriebszustand 4406 vorzunehmen, während sich das Fahrzeug 102 bewegt. Der Telesteuertafel-Bedienhebel 4502, 4504 müßte genau in der richtigen Position sein, wenn die Steuerung umgeschaltet wird.
Wenn man vom Telebetriebszustand 4406 auf den automatischen Betriebszustand 4408 geht, gibt es die Überlegung, daß der Navigator 406 initialisieren muß. Er muß beispielsweise bestimmen, wo er mit Bezug auf eine Route ist, bevor er die Steuerung übernimmt, was eine gewisse begrenzte Zeit dauert, während der das Fahrzeug 102 andernfalls in unkontrollierter Weise ausbrechen könnte.

b. Telebetriebszustand

Der Telesteuerbetriebszustand 4406, der auch als Telebetrieb, Fernsteuerung oder Funksteuerungsbetriebszustand bezeichnet wird, bietet einen Weg zur Steuerung des Fahrzeugs 102 von einer entfernten Stelle aus, während das Fahrzeug 102 im Sichtfeld gehalten wird.
Werkstattpersonal würde beispielsweise den Telebetriebszustand 4406 verwenden, um das Fahrzeug 102 beispielsweise im Hofzu bewegen. Vorteilhafterweise müßte dieser Betriebszustand auch von einem Schaufellader- oder Laderbediener verwendet werden, um das Fahrzeug in eine Position zur Beladung oder Entladung zu manövrieren und das Fahrzeug an eine Stelle zu bewegen, wo der autonome Betriebszustand 4408 eine Steuerung erneut aufnehmen würde.
Im Telebetriebszustand 4406 hätte jedes Fahrzeug 102 an einer autonomen Arbeitsstelle 300 seinen eigenen einzigartigen Identifikationscode, der auf einer Funksteuertafel 410 ausgewählt würde, um eine Kommunikation nur mit dem korrekten Fahrzeug und eine Steuerung von nur diesem sicherzustellen. Das Fahrzeug 102 würde nur auf die Telebetriebsbefehle 4318 ansprechen, wenn sein einzigartiger Identifikationscode übertragen wird. Irgendein Konflikt zwischen den Betriebszuständen, wie beispielsweise zwischen dem manuellen Betriebszustand 4402 und dem Telebetriebszustand 4406 würde aus offensichtlichen Sicherheitsüberlegungen im Zweifelsfalle für den manuellen Betriebszustand 4402 gelöst werden.
Der Navigator 406 verfolgt, wo das Fahrzeug 102 ist, während es im Telebetriebszustand 4406 betrieben wird, auch wenn das Fahrzeug im Telebetriebszustand weit weg von einer bekannten Route manövriert werden kann.

c. manueller Betriebszustand

Der manuelle Betriebszustand 4402 kann erforderlich sein, wenn das Fahrzeug 102 in sehr engen Umgebungen manövriert wird, beispielsweise in einer Reparaturwerkstatt, in einem Betriebshof usw., oder wenn ein Steueruntersystem zur Reparatur oder Instandhaltung entfernt werden muß.
Dieser Steuerbetriebszustand kann eingerichtet werden, um immer dann aufgerufen zu werden, wenn ein menschlicher Bediener irgendeine der manuellen Steuerungen aktiviert. Der einfache Vorgang des Tretens auf die Bremsen 4708, der Bewegung des Schalthebels aus einer gewissen vorbestimmten Position für den autonomen Betriebszustand oder beispielsweise das Greifen des Lenkrades 4910 würde dem Steuersystem sofort signalisieren, daß der manuelle Steuerbetriebszustand 4402 erwünscht ist, und das System würde sofort auf den manuellen Betriebszustand gehen.
Während es im manuellen Betriebszustand ist, würde das autonome System kontinuierlich die Fahrzeugbewegung überwachen und eine aktualisierte Aufzeichnung der Fahrzeugposition halten bzw. speichern, so daß wenn und falls ein autonomer Betriebszustand 4408 erwünscht ist, ein schnellerer und wirkungsvollerer Übergang vorgenommen werden könnte.
Wenn der autonome Betriebszustand 4408 wiederum erwünscht ist, würde der menschliche Bediener dann in bestätigender Weise einwirken, um den autonomen Betriebszustand 4408 einzuschalten, in dem er physisch einen Schalter oder einen Hebel beispielsweise in den autonomen Steuerbetriebszustand bewegt. Eine Zeitverzögerung würde vorzugsweise dahingehend aufgebaut werden, daß der menschliche Bediener die Möglichkeit hätte, das Fahrzeug 102 zu verlassen, falls erwünscht. Am Ende der Zeitverzögerung würde das System dann verschiedene Warnstufen durchlaufen, wie beispielsweise Lichter, Hupe oder ähnliches, was anzeigt, daß die autonome Übernahme des Fahrzeugs 102 bevorsteht.

d. autonomer Betriebszustand

In den autonomen Betriebszustand 4408 wird aus dem Bereit- Betriebszustand 4404 (ready) eingetreten. Im autonomen Betriebszustand 4408 ist das Fahrzeug 102 unter der Steuerung des autonomen Navigationssystems.
In diesem Betriebszustand nimmt das Fahrzeugsteuersystem Nachrichten vom Navigator 406 auf, wie oben besprochen, und zwar durch den Fahrzeugmanager 4302. Der Fahrzeugmanager 4302 ist im Grunde genommen wie besprochen die Kommunikations- und Befehlsknotenstelle für den Rest der Steuervorrichtungen.
Der Fahrzeugmanager 4302 und die anderen funktionellen Steuerblöcke stehen alle ebenso in Verbindung mit den Abschaltschaltungen 4312. Die Abschaltschaltungen 4312 werden unten genauer besprochen.

3. Geschwindigkeitssteuerung

Das Geschwindigkeitssteueruntersystem 4302 kann organisiert werden, so daß es eine Geschwindigkeitsbefehlsanalysevorrichtung, Regelungsschleifensteuerungen (closed loop) 4800 für den Motor 4614, Getriebe und Bremsen 4700, 5000, ein Echtzeitsimulationsmodell des Geschwindigkeitssteuersystems und einen Monitor 4310 enthält, der an ein unabhängiges Fahrzeugabschaltsystem 4312 gebunden ist. Es ist ausgelegt, um parallel zu dem Produktionssystem im Fahrzeug 102 angeordnet zu werden.
Der funktionelle Block 4304 zur Geschwindigkeitssteuerung erfüllt drei grundlegende Funktionen. Er steuert die Überwachungsvorrichtung (governor) des Motors 4614. Er steuert das Bremsensystem 4606. Und er steuert das Getriebe 4610 über den Produktionsgetriebesteuerblock 4616.
Der Produktionsgetriebesteuerblock 4616 steht in Schnittstellenverbindung mit dem Geschwindigkeitssteuerblock 4304 in einer parallelen Nachrüstung des autonomen Systems in dem Produktionssystem, wie in Fig. 24 gezeigt. Der Produktionsgetriebesteuerblock 4616 ist ein Mikroprozessorbasiertes System, das in erster Linie die Geschwindigkeit und Gangschaltung entsprechend überwacht.
Der Geschwindigkeitssteuerblock 4304 des autonomen Systems speist den Getriebesteuerblock 4616 mit dem maximal erwünschten Gang. Wenn beispielsweise das Fahrzeug 102 mit 15 mph fahren soll, könnte der größte Gang der dritte Gang sein. Der Produktionsgetriebesteuerblock 4616 wird alle Schaltungen steuern, die nötig sind, um in geeigneter Weise zu diesem Gang zu gelangen.
Die Überwachungsvorrichtung 4626 (Fig. 22) steuert die Brennstoffmenge, die zum Motor 4616 geliefert wird. Somit steuert sie die Motordrehzahl. Das autonome System kann parallel zu dem Produktionsüberwachungssteuersystem nachgerüstet werden, und zwar in ähnlicher Weise wie oben mit Bezug auf das Getriebesystem beschrieben wurde.
Das Bremsensystem ist in Fig. 23 gezeigt. Das autonome System kann auch in dem Produktionsbremsensystem nachgerüstet werden.
Das folgende bespricht die Fahrzeugsysteme, die in den Fig. 22, 23, 24 und 25 gezeigt sind. Diese Systeme beziehen sich auf die Systeme des Fahrzeugantriebsstrangs 4600 und der Lenkung 4900.
Mit Bezug auf Fig. 22 steuert eine Überwachungsvorrichtung 4626 die Motordrehzahl 4222, die wiederum die Fahrzeuggeschwindigkeit 4624 steuert. Die Motorleistung wird auf die Antriebsräder durch den Antriebsstrang 4600 übertragen, der aus folgendem besteht:
Drehmomentwandler 4612
Getriebe 4610
Endantrieb 4608
Bremssystem 4606
Räder 4604.
Die Funktion dieser Systeme ist in der Technik wohl bekannt.
Verschiedene Schlüsselsysteme wurden gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert, um eine autonome Steuerung zu bewirken. Die Hauptsysteme waren die Geschwindigkeitssteuerung (Motordrehzahl, Getriebe, Fahrzeuggeschwindigkeit und Bremsen) und Lenksysteme. Jedes Schlüsselsystem ist mit einer manuellen Übersteuerungs- bzw. Eingriffsfähigkeit als Sicherheitsmaßnahme ausgelegt. In allen Fällen hat die manuelle Steuerung Priorität, so daß wenn das Fahrzeug autonom arbeitet, und ein Bediener eine Steuerung über eine der Fahrzeugfunktionen übernimmt, die Steuerung automatisch zum Bediener zurückgegeben wird.
Das System sieht auch einen (nicht gezeigten) Notübersteuerungsknopf vor (der auch als "Panikknopf" bezeichnet wird), der alle elektronisch gesteuerten Systeme abschaltet, wenn er aktiviert wird, und das Fahrzeug 102 zur manuellen Steuerung 4402 zurückleitet.
Das System sieht auch eine Abfühlung des Pneumatikdruckes vor, der ein Schlüsselteil der Betätigung von einigen der Schlüsselsysteme ist. Wenn dieser Druck unter eine gewisse voreingestellte Schwelle fällt, wird angenommen, daß es ein Problem gibt, und das Fahrzeugsteuersystem schaltet um zur manuellen Steuerung 4402 und das Fahrzeug 102 wird gestoppt.
Fig. 24 bildet das System ab, das zur Steuerung der Motordrehzahl verwendet wird. Dieses System verwendet elektronisch gesteuerte Ventile 4808 und 4812 zur Regelung des Pneumatikdruckes parallel zu einem Pedal 4806, welches manuell betätigt werden kann, um die elektronische Steuerung der Motordrehzahl 4622 zu übersteuern. Der Drucksensor 4802 und der Motordrehzahlsensor 4622 bieten die notwendige Rückkoppelung für das elektronische Drehzahlsteuersystem 4304.
Es ist zur Steuerung der Fahrzeuggeschwindigkeit auch eine Getriebesteuerung 4616 erforderlich. Das grundlegende Steuersystem ist leicht für das zu diesem Zweck verwendete spezielle Fahrzeug verfügbar.
Zusätzlich zur Steuerung der Motordrehzahl 4622 als Mittel zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit, ist es auch nötig, die Fahrzeugbetriebsbremsen 4606 zu steuern. Dieses System ist in Fig. 23 gezeigt und ist nötig, um das normale Anhalten oder Verlangsamen des Fahrzeugs 102 zu bewirken. Dieses System verwendet elektronisch gesteuerte pneumatische Ventile 4712 und 4716 parallel zu einem manuell betriebenen Bremspedal 4708 und/oder einem Retarder- bzw. Verzögerungshebel 4710 zur Regelung der Bremskraft. Diese zwei manuellen Eingänge können das elektronische Steuersystem übersteuern bzw. überstimmen, wenn sie betätigt werden. Der Drucksensor 4702 und der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 4624 sehen die notwendige Rückkoppelung zur Regelung der Bremskraft vor.
Die Steuerung der Fahrzeuglenkung ist auch erforderlich, damit das Fahrzeug autonom arbeitet. Das System, welches diese Funktion ausführt, ist in Fig. 25 gezeigt. Das System besteht aus einem Proportionalhydraulikventil 4912 von Rexroth, welches elektronisch betätigt werden kann, um einen Fluß zu den Hydraulikzylindern 4914 und 4916 zu liefern, die an der Fahrzeuglenkverbindung angebracht sind. Das System weist auch eine manuell betreibbare Handzumeßeinheit oder HMU (HMU = hand metering unit) 4918, die parallel zu dem elektronisch gesteuerten System ist. Das manuelle System kann das elektronische System als Sicherheitsmaßnahme übersteuern, falls erforderlich. Auch sieht das System einen Schalter 4920 an der Handzumeßeinheit vor, um zu Detektieren, wann das manuelle Lenkrad 4910 von der Mittelposition abweicht. Wenn es nicht zentriert ist, nimmt das autonome System an, daß das System manuell 4402 betrieben wird und schaltet die autonome Steuerung des Fahrzeugs 102 ab.
Die elektronische Steuerung der Fahrzeugparkbremse bzw. Fahrzeugfeststellbremse ist auch als zusätzliches Sicherheitsmerkmal vorgesehen.

4. Lenkungssteuerung

Wiederum mit Bezug auf Fig. 20 ist der Lenkungssteuerfunktionsblock 4306 verantwortlich für die Steuerung des Lenkungswinkels der Fahrzeugräder. Er sendet Befehle an ein Ventil 4912 aus, um den Lenkungswinkel zu steuern und nimmt Informationen von einem (nicht gezeigten) Resolver auf, der an dem Zugstangensystem montiert ist, so daß er weiß, wie der tatsächliche Radwinkel ist.
Der Lenkungswinkel kann mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von einem halben Grad gesteuert werden, und der Resolver bzw. Winkelmesser ist genau bis zu einer geringfügig kleineren Größe in der Größenordnung von einem Achtel Grad.
An einem gewissen Punkt in der Nutzungslebensdauer des Fahrzeugs 102 kann der Resolver von der Einstellung abweichen. Wenn dies geschieht, wird das Fahrzeug nicht ordnungsgemäß den Pfad 3312 verfolgen können.
Jedoch überwacht der Navigator 406 konstant das Fahrzeug 102, um zu bestimmen, wie weit das Fahrzeug 102 vom erwünschten Pfad 3312 entfernt ist. (Das Fahrzeug 102 ist immer in gewissem Ausmaß entfernt vom erwünschten Pfad 3812, und das System korrigiert konstant.) Wenn das Fahrzeug 102 mehr als eine gewisse Distanz, beispielsweise um mehrere Meter, vom erwünschten Pfad 3312 entfernt ist, stoppt der Navigator 406 das Fahrzeug als Sicherheitsvorkehrung.
Das Lenkungssteuersystem 4306 führt auch immer eine Überprüfung aus, um sicherzustellen, daß der Resolver genau ist, und daß die empfangenen Lenkbefehle 420 nicht durch ein (nicht gezeigtes) Rauschen oder andere Fehlerquellen gestört worden sind. Ein Lenkungssimulationsmodell kann auch als eine zusätzliche Überprüfung des Systems eingerichtet werden.
Das autonome Lenksystem 4900 kann ausgelegt werden, um parallel zu einem manuellen Lenksystem eingerichtet zu werden und kann an dem Fahrzeug 102 in ähnlicher Weise wie das Geschwindigkeitssteuersystem nachgerüstet werden.
Wie in Fig. 25 gezeigt, hat das existierende oder manuelle Produktionslenksystem ein manuelles Lenkrad 4910, welches eine Handzumeßeinheit oder HMU 4918 dreht. Die Handzumeßeinheit 4918 steuert ein Ventil 4912, welches den Fluß von Hydraulikströmungsmittel zu den Lenkzylindern 4914, 4916 steuert, die wiederum die (nicht gezeigten) Räder drehen.
Ein Schalter 4920 an der Handzumeßeinheit 4918 detektiert die Position des Lenkrades 4910 außerhalb der Mitte als eine Anzeige zur Veränderung zur manuellen Steuerung der Lenkung. Ein Bediener, der in der Kabine mitfährt, kann nur das Lenkrad 4910 drehen, um die autonome Lenkungssteuerung 4408 auszuschalten.
Unter der autonomen Lenkungssteuerung 4408 bleibt das manuelle Lenkrad 4910 in der Kabine zentriert, egal in welche Position die autonome Lenkungssteuerung die Räder gedreht hat. Es gibt keine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad 4910 und den Rädern selbst.
Natürlich kann ein Fahrzeug 102 ohne irgendein manuelles Lenksystem überhaupt am Fahrzeug hergestellt werden, falls erwünscht. Um das Fahrzeug manuell anzutreiben, könnte die Teletafel bzw. Fernbedienung 410 verwendet werden, oder eine gewisse Art einer Teletafel bzw. Fernbedienung könnte in die Seite des Fahrzeugs 102 gesteckt werden, um es ohne eine Funkverbindung 4506 beispielsweise in engen Umgebungen zu steuern. Ein Sitz kann für einen Bediener in solchen Situationen vorgesehen werden.
Eine gewisse Besprechung des entwickelten Lenkungsmodells kann ein besseres Verständnis der vorliegende Erfindung erleichtern.

a. Lenkungsmodell

Die Grundlage für die Lenkungsplanungsvorrichtung ist ein Lenkungsmodell mit drei Zyklen, das in Fig. 5.1 gezeigt ist. Dieses Modell gestattet die Berechnung des erforderlichen Lenkungswinkels unabhängig von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs.
Φ = tan&supmin;¹ LC Pfad
Um dieses Modell zu verwenden muß der erwünschte Pfad 3312 die Krümmung des zu verfolgenden Pfades enthalten. Die Krümmung ist der Kehrwert des augenblicklichen Krümmungsradiusses an dem Punkt der Kurve.
f(s)/p: Position Kurve
f'(s)/p: Tangente an die Kurve oder Ausrichtungen
f"(s)/p: Krümmung an diesem Punkt
Dies ist auch äquivalent der zweiten Pfadableitung an diesem Punkt.
Im allgemeinen und wie in Fig. 14 gezeigt ist erforderlich, daß der Pfad 3812 lagekontinuierlich ist, wenn eine Lage 3314 als das Quadrupel bzw. vierfache der Parameterposition 3320, der Ausrichtung 3318 und der Krümmung 3316 (x, y, 0, c) erwünscht ist. Zusätzlich steht das Ausmaß, in dem die Lenkbewegungen wahrscheinlich das Fahrzeug 102 auf dem erwünschten Pfad 3312 halten, in Beziehung mit der Linearität der Schärfe des Pfades, da eine lineare Krümmung entlang eines Pfades eine lineare Lenkgeschwindigkeit bedeutet, wenn man sich entlang des Pfades bewegt.
Gewisse Spline-Kurven garantieren eine Lagekontinuität. Jedoch garantieren diese Spline-Kurven keine linearen Krümmungsgradienten entlang der Kurven. Clothoid-Kurven 2602 haben die "gute" Eigenschaft, daß ihre Krümmung linear mit der Distanz entlang der Kurve variiert. Pfade, die aus (a) Bögen und geraden Linien oder (b) Clothoid-Segmenten zusammengesetzt sind, sind entwickelt worden.
Ein Pfad, der Ungleichmäßigkeiten in der Krümmung hat, hat größere Verfolgungsfehler im stetigen Zustand zur Folge. Dies ist insbesondere der Fall, wo die Betätigungsvorrichtungen langsam sind.
Die Pfaddarstellung muß ausreichende Informationen enthalten, um den Lenkungswinkel 3112 (siehe Fig. 12) zu berechnen, der benötigt wird, um den erwünschten Pfad 3312 zu fahren, d. h. er muß aus mindestens der Position, der Ausrichtung, der Krümmung und der Geschwindigkeit bestehen. Eine Position auf dem erwünschten Pfad 3312 ist als Lage 3314 (posture) definiert worden, und die Struktur der Lage in der vorliegenden Erfindung wird wie folgt gegeben:

c. Lagedefinition

Länge: erwünschte Längenkoordinate
Breite: erwünschte Breitenkoordinate
Ausrichtung: erwünschte Ausrichtung
Krümmung: erwünschte Krümmung
Geschwindigkeit: erwünschte Fahrgeschwindigkeit
Distanz: erwünschte Distanz zwischen der gegenwärtigen Lage und der vorherigen Lage.

d. Positionsinformationen

Die Positionsinformationen 3322 werden von dem VPS 1000 erhalten und sind beispielsweise 71 Datenbits. Die Struktur der verwendeten Information zur Verfolgung des erwünschten Pfades 3312 ist ein Untersatz der VPS- Ausgabe von 71 Bit und wird durch die unten gezeigte VPS-Kurzdefinition gegeben.

e. VPS-Kurzdefinition

Zeit: GPS-Zeit
Länge: WGS84_Länge
Breite: WHGS84_Breite
Ausrichtung: Kompaßrichtung, in der sich das Fahrzeug bewegt
Krümmung: berechnet von einer anderen Variablen
N_Geschwindigkeit: Längengeschwindigkeit
E_Geschwindigkeit: Breitengeschwindigkeit
Schwenkrate: Veränderungsrate der Ausrichtung
G_Geschwindigkeit: Fahrgeschwindigkeit, gefahrene Distanz

f. Lenkungsverfahren

Die Lenkungsplanungsvorrichtung berechnet den benötigten Lenkungswinkel, um dem erwünschten Pfad zu folgen. Wenn das Fahrzeug 102 auf dem erwünschten Pfad 3312 war, ist der Lenkungswinkel wie folgt:
Auf dem Pfad Φ Lenkung = f(Csoll) = tat&supmin;¹ LC
Wenn das Fahrzeug 102 vom erwünschten Pfad 3312 entfernt ist, dann ist der Lenkungswinkel folgender:
Vom Pfad entfernt Φ Lenkung = f(Csoll + Cfehler)
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung, das zur Berechnung von Cfehler verwendet wird, ist ein quintisches Verfahren. Die Quintik ist ein Polynom fünfter Ordnung in einem Fehlerraum, das einen glatten Pfad zurück zum erwünschten Pfad 3312 definiert. Der Grad des Polynoms wird definiert durch die benötigten Daten, d. h. Cfehler und die bekannten Endeinschränkungen. Polynom im Fehlerraum:
Bei S = 0:
Fehler (0) Position = gegenwärtige Soll-Position minus gegenwärtige Ist- Positionsbestimmungssystem
Fehler' (0) Ausrichtung = gegenwärtige Soll-Ausrichtung minus gegenwärtige Ist-Ausrichtung
Fehler" (0) Krümmung = gegenwärtige Soll-Krümmung minus gegenwärtige Ist-Krümmung
Bei S = L (L = Voraussachdistanz):
Fehler (L) Position = 0
Fehler (L) Ausrichtung = 0
Fehler (L) Krümmung = 0
Die Koeffizienten des (der) Polynomfehler sind Funktionen von L, die Distanz bei der die Fehler auf 0 gehen.
Fehler (0) = a&sub0;
Fehler' (0) = a&sub1;
Fehler" (0) = 2a&sub2;
Fehler (L) = a&sub0;+a&sub1;L+a&sub2;L²+a&sub3;L³+a&sub4;L&sup4;+a&sub5;L&sup5;
Fehler' (L) = a&sub1;+2a&sub2;L++3a&sub3;L²+4a&sub4;L³+5a&sub5;L&sup4;
Fehler" (L) = 2a&sub2;+6a&sub3;L+12a&sub4;L²+20a&sub5;L³
Diese fünf Gleichungen werden symbolisch für die Koeffizienten a&sub0;, a&sub1;, ..., a&sub5; gelöst. Dann kann jeder Koeffizient einfach für einen vernünftigen Satz von Grenzzuständen bestimmt werden.
Sobald die Koeffizienten des Polynoms erhalten wurden, kann (können) der (die) Fehler" für einige aufgenommene_s(picked_s bewertet werden, was einer Distanz entlang des erwünschten Pfades von s = 0 entspricht und gegenwärtig wie folgt definiert ist:
Saufgenommen = Fahrgeschwindigkeit·Planungsintervall
um den Korrekturausdruck zu erhalten:
Cfehler = Fehler" (Saufgenommen)Krümmung
Um den neuen Lenkungswinkel zu berechnen gilt:
Φ Lenkung = tan&supmin;¹ [(Csoll + Cfehler@_aufgenommen)L]
Diese Berechnung wird bei jedem Planungsintervall ausgeführt, das gegenwärtig 0,25 Sekunden ist (dt_Plan).

5. Überwachung/Hilfsfunktion

Mit Bezug auf Fig. 20 erledigen die Überwachung/Hilfsfunktionsblöcke 4308 und 4310 gewisse verschiedene Funktionen, die nicht von den anderen Blöcken des Fahrzeugsteuersystems ausgeführt werden. Beispielsweise den Motor 4616 zu starten oder auszuschalten, die Hupe ertönen zu lassen, die Lademulde anzuheben oder abzusenken, die Feststellbremse an oder auszuschalten, die Lichter an oder auszuschalten sind einige ihrer Funktionen.
Der Überwachungsblock 4310 überprüft auch die Befehle, die von den anderen Funktionsblöcken auf dem Bus 4314 gesandt werden oder zu diesen gesandt werden, um zu sehen, ob sie gültig sind. Wenn ein Fehler detektiert wird, wird er den Abschaltschaltungsblock 4312 benachrichtigen, und das System wird herunterfahren, wie unten besprochen.

6. Sicherheitssystem (herunterfahren, shutdown)

a. Einleitung

Das Sicherheitssystem, das die Herunterfahrschaltungen (Shutdown- Schaltungen) 4312 mit einschließt (siehe Fig. 20) wirkt dahingehend, daß es das Fahrzeug 102 bei der Detektion einer Vielzahl von Fehlerzuständen stoppt, in dem die Feststellbremse eingestellt wird. Dies hat zur Folge, daß das Fahrzeug 102 in der kürzest möglichen Distanz zu einem sicheren Stopp kommt.
Da die Parkbremse ausgelegt ist, um normalerweise "eingestellt" oder "ein" zu sein, wirken die elektronischen Schaltungen dahingehend, daß sie sie lösen, d. h. bei einem Versagen des (der) elektronischen Steuersystem(e) wird die Leistung 5216 zu den Betätigungsvorrichtungen 5006 abgeschaltet, so daß es keine Leistung zur Betätigung von Ventilen gibt, und die Feststellbremse kehrt in ihre normale Position zurück, die "eingestellt" genannt wird.
Immer dann, wenn verschiedene fehlerhafte Befehle empfangen werden, oder immer dann, wenn die Geschwindigkeits- und/oder Lenkungssimulationsmodelle über eine akzeptable Toleranz hinaus von den Fahrzeugsensorausgangsgrößen 4622 und 4624 abweichen, sind dies Beispiele von Zuständen, die ein Herunterfahren des Systems zur Folge haben könnten. Das Herunterfahrsystem 4312 ist ein unabhängiges und von den anderen autonomen Steueruntersystemen getrenntes Untersystem (siehe Fig. 20).

b. Herunterfahrsteuerung

Ein Merkmal der Konstruktion des Fahrzeugsteuersystems 4312 ist, daß alle funktionellen Blöcke Fehler in den Ausgangsgrößen der anderen auf den seriellen Bus 4314 detektieren können. Wenn eines von ihnen somit abfühlt, daß ein anderes nicht korrekt funktioniert, kann es ein Signal an die Herunterfahrschaltungen 4312 senden, um das System herunterzufahren.
Beispielsweise schauen die Geschwindigkeits- und Lenkungsblöcke jeweils auf ihre empfangenen Befehle (die über den Fahrzeugmanager 4302 empfangen wurden, um sicherzustellen, daß sie gültig sind. Sie stellen auch sicher, daß das, was sie ausführen sollen, d. h., was sie befehlen sollen, innerhalb vorbestimmter Grenzen ist. Falls nicht, werden sie dahingehend wirken, daß das System heruntergefahren wird.
Das Sicherheitssystem kann auch Öl-, Hydraulik- und Pneumatikdrücke überwachen, und beispielsweise Temperaturen, was sicherstellt, daß sie ausreichend sind, um das Fahrzeug sicher zu betreiben und zu steuern.
Das Sicherheitssystem weist Schalter zum manuellen Übersteuern auf, die einen Panikstopp 5208, Schalter an dem Bremspedal 5202 und am Lenkrad 5206 aufweisen.

7. Busarchitektur

Der Bus 4314, der die funktionellen Einheiten 4302, 4304, 4306, 4308 und 4310 des Fahrzeugsteuersystems verbindet, ist ein gemeinsamer serieller Datenbus, der in einer Ringstruktur unter Verwendung eines Datenpaketkollisionsdetektionsschemas eingerichtet wird.

F. Funktionelle Beschreibungen/Verfahren

1. Navigator

Das folgende ist ein Beschreibung des Navigators 406, der in Fig. 26 gezeigt ist, die "Aufgabendiagramm" betitelt ist. Jede der diagrammartig dargestellten Aufgaben wird unten besprochen.

a. Haupt (executive)

In der Mitte der Fig. 26 ist eine Aufgabe mit "Haupt (executive)" 5316 bezeichnet. Diese Aufgabe 5316 koordiniert die Kommunikationsvorgänge zwischen den Aufgaben und für eine Entscheidungsfindung auf hohem Niveau für den Navigator 406 aus. Eine der Hauptentscheidungen, die die Aufgabe 5316 macht, ist, wann die Verfolgungsvorrichtung (tracker) 5306 einzuschalten (auszuschalten) ist, und zwar basierend auf Nachrichten, die von den anderen Aufgaben in dem System empfangen wurden.

b. Überwachung Fahrzeugzustand

Diese Aufgabe 5308 ist oben und rechts von der "Hauptaufgabe" (main) 5316 gezeigt. Sie wirkt dahingehend, daß sie den Fahrzeuganschluß 5326 ausliest und die Betriebszustandsveränderungen des Fahrzeugs und den Zustand der Kommunikation von Navigator und Fahrzeug an die "Hauptaufgabe" 5316 über die Ausführungsschleife (exec queue) 5328 meldet. Zusätzlich wird der Zustand des Fahrzeugs 102 in eine globale Speicherstruktur 5400 geschrieben (siehe Fig. 27).

c. Scanner/Abtastvorrichtung

In der unteren rechten Ecke des Aufgabendiagramms der Fig. 26 ist die Scanneraufgabe 5310 gezeigt, die eine Kommunikation zur "Hauptaufgabe" 5316 der Daten von dem Hindernisdetektionssystem 404 vorsieht.

d. Konsole und Konsolenzergliederung

Die Konsole 5312 und die Konsolenzergliederung 5314 sind genau unter der "Hauptaufgabe" 5316 im Aufgabendiagramm der Fig. 26 gezeigt. Diese Aufgaben wurden als ein Entstörungswerkzeug (debugging tool) während der Entwicklung des Systems entwickelt. Sie zeigen und manipulieren die Zustände des Navigators 406 gemäß der Anwendereingabe von einem Terminal 5302. Die Konsolenzerlegungsaufgabe 5314 wird auch verwendet, um die Verfolgungsparameter einzustellen.

e. Anweisungen holen

Diese Aufgabe 5320 ist in der oberen linken Ecke des Aufgabendiagramms der Fig. 26 gezeigt. Sie ist ein Teil der Host-Navigator-Schnittstelle 5330. Nachrichten von dem Host-Verarbeitungssystem 186 werden aufgenommen und von dieser Aufgabe 5320 dekodiert. Dann wird abhängig von der Nachricht die Nachricht entweder zu der "Hauptaufgabe" 5316 oder zu einer anderen Aufgabe übermittelt. Diese andere Aufgabe würde dann eine entsprechende Antwort vom Navigator 406 zum Host-Verarbeitungssystem 186 formulieren.

f. Nachricht an Host

Diese Aufgabe 5318, die gerade oberhalb und links von der "Hauptaufgabe" 5316 gezeigt ist, formuliert Nachrichten vom Navigator 406 zum Host- Verarbeitungssystem 186 und übermittelt sie an das Host- Verarbeitungssystem 186.

g. VPS Position

Diese Aufgabe 5322 ist an der linken Seite des Aufgabendiagramms der Fig. 26 gezeigt. Die VPS_Position-Aufgabe 5322 liest die Ausgabe (20 Hertz) aus dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem 1000. Die Daten werden bezüglich ihrer Richtigkeit überprüft (beispielsweise durch eine "Checksumme" bzw. Prüfsumme), und falls sie korrekt sind, werden sie in eine globale Speicherstruktur 5400 ausgegeben, den Positionspuffer (VPS_Position- Schlange) 5332. Die Aufgabe sendet eine Nachricht an die "Hauptaufgabe" 5316 immer dann, wenn ein Positionsfehler auftritt.

h. VPS Lage

Diese Aufgabe 5324 ist in der unteren linken Ecke des Aufgabendiagramms gezeigt. Wenn das Fahrzeug verfolgt (tracking) hält diese Aufgabe den Lagepuffer (VPS_Lage_Schlange) 5334. Die Aufgabe (5324) überwacht die Fahrzeugposition und behält ungefähr 50 Lagen von der gegenwärtigen Fahrzeugposition in Fahrtrichtung im Lagepuffer (3000).

i. Verfolgungsvorrichtung (tracker)

In der oberen rechten Ecke des Aufgabendiagramms der Fig. 26 liest die Aufgabe 5306 die gegenwärtige Position 5332 und die Lagepuffer 5334. Basierend auf der ausgelesenen Information berechnet die Aufgabe 5306 die Lenkungs- und Geschwindigkeitskorrekturen 420. Sie sendet sie an das Fahrzeug 102, wodurch der Kurs des Fahrzeugs gesteuert wird.

j. Navigator (geteilter) globaler Speicher

Wie oben mit Bezug auf die Navigatoraufgaben 5300 erwähnt, hat der Navigator 406 eine globale Speicherstruktur 5400, die verschiedene Aufgaben lesen und schreiben. Diese Speicherstruktur 5400 ist in Fig. 27 veranschaulicht.
Mit Bezug auf Fig. 27 sind die Aufgaben als Ellipsen abgebildet, wobei die speziellen Aufgaben dort hinein geschrieben sind. Der Speicher 5400 ist im Mittelabschnitt der Fig. 27 als ein Stapel von Kästen abgebildet. Der ungeschützte Speicher ist als eine einzige Box bzw. ein Kasten in dem Stapel von Kästen abgebildet. Ein semaphorengeschützter Speicher ist als ein Kasten innerhalb eines Kastens in dem Speicher abgebildet.
Ein Pfeil zeigt in Richtung der Datenübertragung zwischen den Aufgaben und den Speichern. Daher wird ein Schreibvorgang vom Speicher zu einer Aufgabe als eine Linie mit einem Pfeil gezeigt, der zu dem fraglichen Speicher von der Aufgabe her zeigt. Genauso wird ein Lesevorgang vom Speicher durch eine Aufgabe durch eine Linie mit einem Pfeil gezeigt, der zu der fraglichen Aufgabe vom Speicher her zeigt. Wo eine Zwei-Weg- Datenübertragung zwischen der Aufgabe und dem Speicher auftritt, ist eine Linie mit einem Pfeil an beiden Enden gezeigt.

k. Haupt(Exec)-Flußdiagramme

Fig. 28 und 29A-29D sind Flußdiagramme der Navigatorhaupt- oder -Exekutivaufgaben 5316.
Mit Bezug auf Fig. 28 ist diese ein Diagramm der allgemeinen Struktur des Haupt- oder Exekutivaufgabenflusses. Das folgende beschreibt verschiedene Flußdiagramme, die mit den Navigatorexekutivaufgaben 5316 assoziiert sind.
Mit Bezug auf Fig. 28, die ein Exekutiv- bzw. Ausführungsflußdiagramm ist, zeigt diese fünf Blöcke: Den Block 5502, der der Startblock ist; den Block 5504, der die Navigatorinitialisierung ist; den Block 5506, der der Warten- auf-Ausführungsschlange-Block ist, der Block 5506, der der Exekutiventscheidungsblock ist; und der Block 5510, der der Wirkung-auf-Zustand-Block ist.
Das Flußdiagramm der Fig. 28 beschreibt, wie die Exekutivaufgabe 5316 ihre Funktionen ausführt, und zwar beginnend vom Einschalten (Anschalten der elektrischen Leistung) des Navigators 406. Beim Einschalten bzw. Hochfahren beginnt die Exekutivaufgabe 5316 (oder die Exekutive) beim Startblock 5502 und schreitet sofort voran, um den Navigator 5504 zu initialisieren, wobei die Exekutive 5316 den Navigator 406 in einen bekannten Anfangszustand setzt. Die Exekutive schreitet dann zu der Warte auf- Ausführung-Schlange 5506 und wartet auf eine Nachricht von einer Anzahl von Quellen, die in ihrer Nachrichtenschlange 5328 ankommt. Beispielsweise könnte eine typische Nachricht eine Anfrage nach Informationen von dem Host-Verarbeitungssystem 186 sein.
Beim Empfang einer Nachricht in der Ausführungsschlange 5328 schreitet die Exekutive 5316 zum Exekutiventscheidungsblock 5508 voran. In diesem Block setzt die Exekutive 5316 eine Reihe von Zustands-Flags in bekannter Weise. Diese Flags bzw. Zeichen bringen den Navigator 406 in einen bekannten Zustand entsprechend der empfangenen Nachricht.
Sobald die Zustands-Flags ordnungsgemäß eingestellt worden sind, schreitet die Exekutive 5316 dann voran zu dem Wirke-auf-Zustand 5510, wo die notwendige Wirkung ausgeführt wird, und zwar entsprechend der empfangenen Anweisung.
Mit Bezug auf die Fig. 29A-29D zeigen diese den Fluß des "Exekutiventscheidungsblocks" 5508 des allgemeinen Strukturdiagramms der Fig. 9.
Die verschiedenen Antworten, die die Exekutivaufgabe 5316 einleiten kann, werden nun genauer besprochen. Es gibt einen bekannten Satz von Nachrichten, die innerhalb der Ausführungsschlange 5328 erwartet werden. Diese Nachrichten sind im Detail in den Fig. 29A-29D gezeigt. Fig. 29A bildet diagrammartig die Organisation der Fig. 29A-29D ab. Fig. 29A-29D beschreiben im Detail die Prozedur, die die Exekutive 5316 verwendet, um auf verschiedene Nachrichten anzusprechen.
Mit Bezug auf Fig. 29A wird die Wirkung der Exekutive 5316 auf spezielle Nachrichten beschrieben. Beim Empfang einer Nachricht auf der Ausführungsschlange 5328 verläßt der Programmfluß den Block 5506 und schreitet voran zum Block 5602, wo die Exekutive 5316 bestimmt, ob die Nachricht "Anweisung für neue Route" ist. Wenn die Nachricht "Anweisung_für_neue_Route" ist, dann schreitet die Exekutive 5316 voran zum Wirke-auf- "Anweisung_für_neue_Route"-Block 5604. Sobald eine Aktion speziell für die "Anweisung_für_neue_Route-Nachricht" erfolgreich vollendet worden ist, geht die Exekutive 5316 dann voran zum Wirke-auf-Zustand- Block 5510. Sobald die Wirkung bzw. Aktion vollendet worden ist, kehrt die Exekutive 5316 zurück zum Warte auf-Ausführungsschlange-Block 5506 zurück, um eine weitere Nachricht zu erwarten. Wenn die anfängliche Nachricht im Block 5602 nicht "Anweisung_für_neue_Route" ist, dann schreitet die Exekutive 5316 voran zum Block 5606, um zu bestimmen, ob die Nachricht "Anweisung_zum_Gangwechsel" ist.
Die Antwort auf Nachrichten wie "Anweisung_für_Gangwechsel", "Fahrzeugantwort", "Kein_Fahrzeugansprechen" und "Fahrzeugchecksummenfehler" folgen einer ähnlichen Prozedur wie die, die für die Nachricht "Anweisung_für_neue_Route" beschrieben worden ist. Jedoch sind die Aktionen bzw. Vorgänge, die in dem Wirke-auf-"..."-Blöcken 5604-5620 ausgeführt werden, anders für die anderen möglichen Nachrichten. Die verschiedenen Arten von gültigen Nachrichten und eine kurze Beschreibung von jeder sind wie folgt:
Anweisung_für_neue_Route: Setze die Routenzahl, der das Fahrzeug folgen soll.
Anweisung_zum_Gangwechsel: Weise einen maximal möglichen Gang an, für den das Fahrzeug einen speziellen Teil der Route überfahren kann.
Fahrzeugansprechen: Das Fahrzeug spricht auf Befehle ordnungsgemäß an, setze Navigatorzustands-Flags auf Gesund.
Kein_Fahrzeugansprechen: Das Fahrzeug spricht nicht auf Befehle an, Fahrzeug stoppen.
Fahrzeugchecksummenfehler: Das Fahrzeug empfängt/fühlt Daten nicht korrekt, Fahrzeug stoppen.
Tele, Manuell, Fertig oder Auto: Betriebszustand des Fahrzeugs in der ordnungsgemäßen Reihenfolge einstellen.
VPS_Zeitüberlauf: Das Fahrzeugpositionssystem sendet keine Daten, Fahrzeug stoppen.
VPS_Checksummenfehler: Das Fahrzeugpositionsbestimmungssystem (VPS) sendet verzerrte Daten, Fahrzeug stoppen.
VPS_Lage_fertig: Fertig zur Erzeugung von Pfadlagen.
VPS_Position fertig: Fahrzeugpositionsbestimmungssystemdaten sind verfügbar.
VPS_Position_Ausrichtung: Das Fahrzeugpositionsbestimmungssystem initialisiert, Fahrzeug nicht bewegen.
Routenende: Das Fahrzeug nähert sich dem Ende der gegenwärtigen Route, Host-Verarbeitungssystem informieren.
Abtastung_fertig: Das Abtastsystem ist fertig, nach Objekten im Pfad suchen.
Abtastung_alles_frei: Keine Objekte sind im Fahrzeugpfad detektiert worden, normal fortfahren.
Abtastung_Hindernis: Ein Objekt ist auf dem Fahrzeugpfad detektiert worden, Fahrzeug stoppen.
Verfolgungsvorrichtung_außer_Kurs: Das Fahrzeug folgt nicht dem erwünschten Pfad innerhalb der Toleranz, Fahrzeug stoppen.
Verfolgungsvorrichtung_Routenende: Verfolgungsvorrichtung hat das Ende des Pfades erreicht, Fahrzeug stoppen.
Verfolgungsvorrichtung_gestoppt: Benachrichtigung des Navigators, daß die Verfolgungsaufgabe das Fahrzeug gestoppt hat.
Die Antworten auf die Nachrichten "Tele", "Manuell", "Auto" und "Fertig" sind in gewisser Weise anders, da diese Nachrichten verwandt sind und in spezieller Reihenfolge ausgeführt werden müssen. Dies ist oben beschrieben worden. Der Programmfluß für diese Nachrichten ist in den Fig. 29A und 29B mit Bezug auf den Block 5622-5630 gezeigt.
Das Ansprechen auf darauffolgende Nachrichtenmöglichkeiten wird von den Blöcken 5632-5678 in den Fig. 29B-29D abgebildet. Diese Antworten sind ähnlich jenen, die für die Nachricht "Anweisung_für_neue_Route" beschrieben worden sind.
Wenn die empfangene Nachricht nicht eine der erwarteten Nachrichten ist, oder wenn die Nachricht verzerrt ist, dann wird die Exekutive 5316 zum Block 5680 geleitet, wo das Host-Verarbeitungssystem 186 über das Problem informiert wird. Die Exekutive 5316 kehrt dann zurück zur Ausführungsschlange 5506, um auf die nächste Nachricht in der Schlange anzusprechen.
Die Fig. 30A-30R zeigen die speziellen Prozeduren, die die Exekutive 5316 verwendet, um auf eine spezielle Nachricht anzusprechen. Beispielsweise zeigt Fig. 30A im Detail, wie die Exekutive 5316 auf eine "Anweisung_für_neue_Route"-Nachricht anspricht. Sobald diese Nachricht in der Ausführungsschlange 5328 ankommt, schreitet die Exekutive 5316 dann voran zu einem Flußdiagrammblock 5702, um zu bestimmen, was die Nachricht ist: In diesem Fall, "Anweisung_für_neue_Route". Wenn die Nachricht "Anweisung_für_neue_Route" ist, schreitet die Exekutive 5316 dann voran zu einem Flußdiagrammblock 5705, um auf die Nachricht anzusprechen. Anderenfalls schreitet sie zu einem Flußdiagrammblock 5704 voran, um zu bestimmmen, ob sie gültig ist (eine der anderen möglichen Nachrichten) oder ungültig.
Vorausgesetzt, daß die Nachricht eine "Anweisung_für_neue_Route" ist, folgt dann die Exekutive 5316 dem Prozeß, der in Fig. 30A beschrieben wird, um auf die Nachricht anzusprechen. Dieser Prozeß wird von den Blöcken 5706-5714 abgebildet. Bei dieser Prozedur (und bei Antworten auf andere Anweisungen) überprüft die Exekutive 5316 die Zustände der unterschiedlichen Aufgaben innerhalb des Navigators 406 und reagiert auf diese Zustände in bekannter vorbestimmter Weise.
Der Effekt dieses Ansprechens ist, eine Reihe von Zustands-Flags zu setzen, die darauf folgende Antworten von anderen Aufgaben im Navigator 406 bewirken, wenn die Exekutive 5316 den Wirke-auf-Zustand 5510 erreicht. Die tatsächlichen Prozeduren, die im Block 5510 eingerichtet sind, sind in Fig. 31 gezeigt.
Die Antworten der Exekutive 5316 auf andere gültige Nachrichten sind ähnlich jenen, die für die "Anweisung_für_neue_Route" beschrieben wurden. Der Effekt von jedem Ansprechen auf Anweisungen verändert zuerst einen Satz von Flags, was wiederum den Zustand des Navigators 406 beeinflußt. Die speziellen eingestellten Flags hängen von der speziellen Anweisung ab. Der Navigator 406 spricht auf die Veränderungen dieser Flags an, wenn die Exekutive 5316 sich zum Wirke-auf-Zustandsblock 5510 bewegt.
Die Fig. 31A-31C veranschaulichen den Fluß des "Wirke-auf-Zustand- Block" 5510.
Der "Wirke-auf-Zustand-Block" 5510 ist in den Fig. 31A-31 C gezeigt. Fig. 31 zeigt die Beziehung der Fig. 31A-31C, wobei jede dieser drei Figuren einen Teil des Wirke-auf-Zustand-Blocks 5510 abbildet.
Sobald die Exekutivaufgabe 5316 die entsprechenden Flags ansprechend auf eine spezielle Ausführungsnachricht eingestellt hat, schreitet die Exekutive 5316 dann voran, um Nachrichten an die entsprechenden Aufgaben oder Vorrichtungen zu senden, die über Veränderungen des Systems des Navigators 406 als eine Folge der Ausführungsnachricht informiert werden müssen.
Wenn beispielsweise die Exekutivaufgabe 5316 die Exekutivventscheidungen 5508 verläßt, und zuerst in den Wirke-auf-Zustand-Block 5510 eintritt, führt sie eine Überprüfung aus, um zu sehen, daß der Zustand so eingestellt ist, daß das Fahrzeug für den autonomen Betriebszustand bereit ist (beispielsweise Fahrzeugpositionsbestimmungssystem ist fertig, Fahrzeug kommuniziert ordnungsgemäß, eine ordnungsgemäße Route ist angewiesen worden, und das Fahrzeug ist fertig für den automatischen Betriebszustand). Siehe Block 5802. Wenn einer oder mehrere dieser Zustände nicht erfüllt wird, dann kehrt die Exekutive zurück, um auf eine weitere gültige Nachricht zu warten. Wenn alle diese Zustände erfüllt sind, dann führt die Exekutive 5316 eine Überprüfung aus, um zu sehen, daß der Pfadgenerator 5804 arbeitet. Falls dies so ist, schreitet die Exekutive 5316 dann voran zum Start der anderen Systeme, die für den autonomen Betrieb erforderlich sind.
Wenn das Pfaderzeugungssystem nicht arbeitet, dann sendet die Exekutivaufgabe 5316 die Nachricht "VPS_Lage_eingerichtet" an die VPS- Lageschlange 5334, um den Pfadgenerator zu starten. Die Exekutivaufgabe wird dann zu der Warte auf-Ausführung-Schlange 5506 zurückkehren, um auf eine weitere Anweisung zu warten, so daß ein ordnungsgemäßer Betrieb des Fahrzeugs 102 sichergestellt wird.

Claims

1. Multi-Task-Navigationssystem (406) für ein autonomes Landfahrzeug bzw. Land stationiertes Fahrzeug (102), das Folgendes aufweist:

(1) Haupt-Taskmittel bzw. Hauptaufgabenmittel (5316) für die Koordination von Kommunikationen zwischen Aufgaben, und zwar einschließlich von Mitteln zur Durchführung von Entscheidungsfällung auf hohem Niveau;

(2) Aufgabenmittel zur Überwachung des Fahrzeugstatus (5308) für das Auslesen eines Kommunikationsanschlusses (5326) zum Fahrzeug (102), und zwar einschließlich von Mitteln für das Berichten von Veränderungen des Fahrzeugmodus und Mitteln für das Berichten des Kommunikationsstatus vom System zum Fahrzeug (5316) an die Hauptaufgabenmittel und weiter einschließlich von Mitteln für das Schreiben einer Fahrzeugstatusnachricht an eine Globalspeicherstruktur (5400);

(3) Abtast-Aufgabenmittel (5310) für das Liefern von Daten von einem Hindernisdetektionssystem (40) an die Hauptaufgabenmittel (5316);

(4) Aufgabenmittel zum Holen von Weisungen (5320) für das schnittstellenverbinden des Systems (406) mit einem Host(-computer) (4020), und zwar einschließlich von Mitteln für den Empfang und Mitteln für das Decodieren von Nachrichten vom Host (402), und Mitteln für das Übertragen bzw. Kommunizieren einer empfangenen und decodierten Nachricht an andere Aufgabenmittel;

(5) Aufgabenmittel für Nachrichten an den Host (5318) für das schnittstellenverbinden des Systems (406) mit dem Host (402), und zwar einschließlich von Mitteln für das Bilden und Mitteln für das Übertragen von Nachrichten vom System zum Host;

(6) V.S.-Positionsaufgabenmittel (5322) für das schnittstellenverbinden eines Fahrzeugpositionsbestimmungssystems (1000) mit dem System (406), und zwar einschließlich von Mitteln für das Lesen einer Ausgabe aus dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem (1000), von Quer- bzw. Prüfsummenmitteln für das Überprüfen der Ausgabe hinsichtlich ihrer Richtigkeit, von Schreibmitteln für das Eingeben der überprüften Ausgabe in die Globalspeicherstruktur (5400) und von Fehleranzeigemitteln für das Senden einer Nachricht an die Hauptaufgabenmittel (5316) wann immer ein Positionsfehler auftritt;

(7) V.S.-Lageaufgabensmittel (5324) für das Überwachen der Fahrzeugposition während das Fahrzeug (102) der Spur folgt, und zwar einschließlich von Mitteln für das Halten einer Vielzahl von Lagen in einem Lagepuffer (5410) der Globalspeicherstruktur (5400); und

(8) Spur- bzw. Verfolgungsaufgabenmittel (5306) für das Berechnen von Lenkungs- und Geschwindigkeitskorrekturen für das Fahrzeug (102), und zwar einschließlich von Mitteln für das Lesen einer Positionsinformation aus dem Positionspuffer (5412) der Globalspeicherstruktur (5400), Mitteln für das Lesen der Lageinformation aus dem Lagepuffer (5410) der Globalspeicherstruktur (5400) und Mitteln für das Senden der Lenkungs- und Geschwindigkeitskorrekturen an das Fahrzeug (102) zur Steuerung des Fahrzeugkurses.

2. Verfahren für den Betrieb eines Mehrfachanweisungs- bzw. Multi- Task-Systems (406) für ein autonomes landstationiertes Fahrzeug bzw. Landfahrzeug (102), wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:

(1) Koordinieren (5316) von Kommunikationen zwischen den Aufgaben;

(2) Durchführen (5316) einer Entscheidungsfällung auf einem hohen Niveau;

(3) Lesen (5308) eines Kommunikationsanschlusses (5326) zum Fahrzeug (102);

(4) Berichten (5308) von Fahrzeugmodusveränderungen an eine Hauptaufgabe (5316);

(5) Berichten (5308) eines System-zu-Fahrzeug- Kommunikationsstatus an die Hauptaufgabe (5316);

(6) Schreiben (5308) einer Fahrzeugstatusnachricht in eine Globalspeicherstruktur (5400);

(7) Liefern (5310) von Daten aus einem Hindernisdetektionssystem (40) an die Hauptaufgabe (5316);

(8) Verbinden bzw. Schnittstellenverbinden (5320) des Systems (406) mit einem Host (402) durch Empfangen und decodieren von Nachrichten vom Host (402) und Übertragen bzw. Kommunizieren einer empfangenen und decodierten Nachricht an eine andere Aufgabe;

(9) Schnittstellenverbinden (5318) des Systems (406) mit dem Host (402) durch Bilden und Übertragen von Nachrichten vom System (406) zum Host (402);

(10) Schnittstellenverbinden (5322) eines Fahrzeugpositioniersystems (1000) mit dem System (406) durch Auslesen aus dem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem (1000), Überprüfen durch Quersummen- bzw. Prüfsummenbildung der Ausgabe hinsichtlich ihrer Richtigkeit, Schreiben der überprüften Ausgabe in einen Positionspuffer (5412) in einer Globalspeicherstruktur (5400) und Fehleranzeige durch Senden einer Nachricht an die Hauptaufgabe (5316) wann immer ein Positionsfehler auftritt;

(11) Überwachen (5324) der Fahrzeugposition während das Fahrzeug einer Spur folgt, und zwar durch Halten einer Vielzahl von Lagen in einem Lagepuffer (5410) der Globalspeicherstruktur (5400); und

(12) Berechnen (5306) von Lenkungs- und Geschwindigkeitskorrekturen für das Fahrzeug (102) durch Lesen einer Positionsinformation aus dem Positionspuffer (5412) der Globalspeicherstruktur (5400), Lesen einer LAgeinformation aus dem Lagepuffer (5410) der Globalspeicherstruktur (5400), und Berechnen und Senden der Lenkungs- und Geschwindigkeitskorrekturen an das Fahrzeug (102) zur Steuerung des Fahrzeugkurses.