DE19640282A1

DE19640282A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Pfades für eine Maschine zwischen einer vorbestimmten Route und einer Endposition

Info

Publication number: DE19640282A1
Application number: DE19640282A
Authority: DE
Inventors: Jagannathan Sarangapani
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1997-04-10
Also published as: GB2305749A; GB2305749B; US5752207A; JPH09138828A; GB9615501D0

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf autonome bzw. eigenständige Systeme und insbesondere auf ein Verfahren zum Bestimmen des Pfades für eine Maschine mit nichtholo nomischen Einschränkungen.

Hintergrund

In der Erdbewegungsindustrie sind kürzlich Forschungen und Entwicklungen bei der Automatisierung von Erdbewe gungsmaschinen vorgenommen worden. Beispielsweise offen bart das US-Patent 5,375,059, ausgegeben am 20. Dezember 1994 an Kyrtsos u. a. (′059) ein System und ein Verfahren zum Vorsehen einer autonomen bzw. eigenständigen Maschi ne. Die eigenständigen Maschinen folgen vorbestimmten Routen. Die Position der Maschinen wird überprüft und un ter Verwendung des Global-Positionierungssystems bzw. Global Positioning System (GPS) korrigiert. Im allgemei nen sind die Routen vorbestimmt. In ′059 werden die Rou ten beispielsweise im allgemeinen durch das Fahren des Lastwagens entlang der gewünschten Route und durch Auf nahme von Positionsauslesungen bestimmt. Die vorbestimmte Route wird dann unter Verwendung der Positionsauslesungen bestimmt.

Während des Betriebs der Maschine kann es erforderlich sein, daß die Maschine einen Pfad bzw. Weg oder ein Pfad segment überquert, welches kein Teil der vorbestimmten Route ist. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Ma schine, die die Route überquert bzw. entlangfährt, eine Transportmaschine ist, die von einer Lade- bzw. Laderma schine beladen wird. Damit die Lademaschine die Trans portmaschine in wirkungsvollster Weise belädt, wäre es wünschenswert, daß die Transportmaschine an einer spezi ellen Stelle mit einem speziellen Steuerkurs bzw. in ei ner speziellen Ausrichtung positioniert ist.

Die gewünschte Stelle ändert sich jedoch abhängig von der Stelle der Lademaschine und ihres Betriebs. Somit können die gewünschte bzw. Soll-Position der Transportmaschine und daher das Pfadsegment zur gewünschten Position nicht durch ein Fahren der Maschine entlang der Route vorbe stimmt werden.

Zusätzlich muß die Planung eines solchen Pfades oder Pfadsegmentes die Steuerkurs- bzw. Ausrichtungseinschrän kungen erfüllen, d. h. das Pfadsegment muß an einer An fangsposition (Stelle bzw. Ort und Ausrichtung) beginnen und muß an einer gewünschten bzw. Soll-Stelle mit der ge wünschten Ausrichtung enden.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der Probleme, wie oben dargelegt, zu über winden.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur automatischen Bestimmung und Modellierung eines Pfades zwischen einer Route und einer Endposition vorgesehen. Die Endposition weist eine Endstelle bzw. ei nen Endort und eine Endausrichtung auf. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Bestimmen einer Anfangsposi tion auf der Route, Bestimmen eines Satzes von Pfadglei chungen zwischen der Anfangsposition und der Endposition, Berechnen eines Satzes von Pfaddatenpunkten unter Verwen dung des Satzes von Pfadgleichungen, und Bestimmen eines Modells des Pfades, wie von den Pfaddatenpunkten defi niert. Die Anfangsposition weist eine Anfangsstelle und einen Anfangssteuerkurs auf. Das Verfahren weist auch folgende Schritte auf: Bestimmen der Krümmung des Pfades an jedem der Pfaddatenpunkte unter Verwendung des Modells und Bestimmen einer anderen Anfangsposition und eines Pfades, wenn die Krümmung an irgendeinem Pfaddatenpunkt größer als eine vorbestimmte Krümmung ist.

Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur automatischen Bestimmung und Mo dellierung eines Pfades zwischen einer Route und einer Endposition vorgesehen. Die Endposition weist eine End stelle bzw. einen Endort und eine Endausrichtung auf. Die Vorrichtung erzeugt ein Endpositionssignal, welches die Endposition anzeigt, und bestimmt eine Anfangsposition auf der Route. Die Anfangsposition weist eine Anfangs stelle und eine Anfangsausrichtung auf. Die Vorrichtung berechnet einen Satz von Pfaddatenpunkten zwischen der Anfangsposition und der Endposition, modelliert den Pfad, der von den Pfaddatenpunkten definiert wird, bestimmt die Krümmung des Pfades an jedem Pfaddatenpunkt unter Verwen dung des Modells und bestimmt eine andere Anfangsposition und einen anderen Pfad unter Verwendung der anderen An fangsposition, wenn die Krümmung an irgendeinem Pfad datenpunkt größer als eine vorbestimmte Krümmung ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Veranschaulichung einer ersten Erdbewegungsmaschine, die als Radlader gezeigt ist;

Fig. 2 ist eine schematische Veranschaulichung einer zweiten Erdbewegungsmaschine, die als Gelände lastwagen gezeigt ist;

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer Einrichtung zur Be stimmung eines Pfades für eine Maschine zwischen einer vorbestimmten Route und einer Endposition gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, welches die gewünschte Ausrichtung und Stelle einer Erdbewegungsmaschi ne veranschaulicht;

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, welches eine vorbestimmte Route und die bestimmte Route zwischen der zwei ten Maschine und der vorbestimmte Route veran schaulicht; und

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm, welches den Betrieb der Einrichtung der Fig. 3 gemäß eines Ausführungs beispiels der vorliegenden Erfindung veranschau licht.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Mit Bezug auf die Fig. 1-6 sieht die vorliegende Er findung ein System 300 vor, und zwar zur Verwendung in einer autonomen bzw. eigenständigen oder halbautonomen Minenbaustelle bzw. Mine. Das System 300 weist zumindest zwei Maschinen auf. Zu Zwecken der Besprechung wird die folgende Besprechung eine Lademaschine 102, beispielswei se einen Radlader (WL = wheel loader) und eine Transport maschine 202 aufweisen, beispielsweise einen Geländelast wagen.

Mit Bezug auf Fig. 1 ist eine Veranschaulichung eines Radladers 102 gezeigt. Der Radlader 102 weist eine Bedie nerkabine 104 und ein Arbeitswerkzeug 106 auf. Das Ar beitswerkzeug 106 ist geeignet, um Material zu graben/zu laden, und es in die Transportmaschine 202 fallen zu las sen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Ar beitswerkzeug 106 eine Schaufel 108 auf. Während sich die folgende Besprechung auf die Lademaschine 102 als einen Radlader bezieht, sei erwähnt, daß andere Bauarten von Lademaschinen, beispielsweise eine Grabmaschine oder eine Schaufel bzw. ein Schaufellader ersetzt bzw. eingesetzt werden, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung ab zu weichen.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist eine Veranschaulichung eines Geländelastwagens (OHT = off-highway truck) 202 gezeigt. Der OHT 202 weist eine Ladefläche 204 auf, um geladenes Material aufzunehmen bzw. zu speichern, zu tragen und zu transportieren.

Mit Bezug auf Fig. 3 sieht die vorliegende Erfindung ei ne Vorrichtung und ein Verfahren vor, um automatisch den Pfad zwischen einer vorbestimmten Route und einer ge wünschten oder Endposition zu bestimmen. Die gewünschte Position weist eine gewünschte Stelle bzw. einen ge wünschten Ort, vorzugsweise in kartesischen Koordinaten und eine gewünschte bzw. Soll-Ausrichtung auf (X_f, Y_f, Θ_f).

Das System 300 weist erste Positionierungs- bzw. Positi onsbestimmungsmittel 302 zur Bestimmung der Position der Lademaschine 102 auf, und um darauf ansprechend ein er stes Positionssignal zu erzeugen.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die ersten Po sitionierungs- bzw. Positionsbestimmungsmittel 302 ein Global-Positioning System bzw. Globales Positionierungs system (GPS) auf. Die ersten Positionierungsmittel 302 empfangen Signale von einer Konstellation von von Men schenhand hergestellten Satelliten, die um die Erde um laufen, und bestimmt die Position relativ zur Erde mit tels Triangulation. Vorzugsweise werden die NAVISTAR GPS- Satelliten der US-Regierung verwendet.

Die ersten Positionierungsmittel 302 weisen erste und zweite GPS-Antennen 304, 306 auf. Die ersten und zweiten GPS-Antennen 304, 306 sind in der Bedienerkabine 104 der Lademaschine 102 an zwei bekannten Stellen montiert, und zwar getrennt durch einen bekannten Abstand.

Die ersten Positionierungsmittel 302 weisen erste Aufnah me- bzw. Empfangsmittel 308 auf. Die ersten Empfangsmit tel 308 sind mit den ersten und zweiten GPS-Antennen 304, 306 gekoppelt, und sind geeignet, um die terrestrische Position der Lademaschine 102 zu bestimmen.

In einem Ausführungsbeispiel weisen die ersten Empfangs mittel 308 zwei GPS-Empfänger auf, wobei einer mit jeder der ersten und zweiten GPS-Antennen 304, 306 verbunden ist. Jeder GPS-Empfänger bestimmt die terrestrische Posi tion einer jeweiligen Antenne 304, 306.

In einem anderen Ausführungsbeispiel weisen die ersten Empfangsmittel 308 einen einzigen GPS-Empfänger auf, der sowohl mit den ersten als auch den zweiten GPS-Antennen 304, 306 verbunden ist. Der GPS-Empfänger schaltet zwi schen jeder Antenne um und bestimmt abwechselnd die Posi tion von jeder.

Vorzugsweise ist die terrestrische Position der Ladema schine 102 als die Mitte der Schaufel oder der Ladema schine 102 definiert. Somit übertragen die ersten Emp fangsmittel 308 die bestimmte Position von zumindest ei ner der Antennen auf die Position der Mitte der Schaufel. Dies wird unter Verwendung der bekannten Geometrie der Lademaschine und der Relativpositionen der Verbindung durchgeführt, die die Schaufel mit der Lademaschine ver bindet. Die Geometrie der Verbindung wird durch zumindest einen Linear- oder Drehpositionssensor (nicht gezeigt) bestimmt.

Zusätzlich können durch Bestimmen der terrestrischen Po sition von sowohl der ersten als auch der zweiten GPS- Antennen 304, 306 der Steuerkurs bzw. die Ausrichtung (Orientierung) der Lademaschine bestimmt werden.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die ersten GPS- Empfangsmittel 308 auch einen mikroprozessorbasierten Controller bzw. eine Steuervorrichtung auf, um Signale von dem (den) GPS-Empfänger(n) zu empfangen, und um dar auf ansprechend die terrestrische Position und den Steu erkurs bzw. die Ausrichtung der Lademaschine zu bestim men. Die Steuervorrichtung kann auch geeignet sein, um Signale von einem oder mehreren Pseudoliten bzw. Positi onssendern und/oder einer Basisstation zu empfangen, um die Genauigkeit der Positionsbestimmungen zu vergrößern. Ein geeignetes GPS-System ist im US-Patent Nr. 5,375,059 offenbart, welches am 20. Dezember 1994 an Kyrtsos u. a. ausgegeben wurde, betitelt: "Vehicle Position Determina tion System and Method (Fahrzeugpositionsbestimmungs system und -verfahren)".

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das System 300 auch erste Verarbeitungsmittel 310 auf, um das erste Po sitionssignal zu empfangen, um eine gewünschte Position der zweiten Maschine 202 als eine Funktion des ersten Po sitionssignals zu bestimmen, und um darauf ansprechend ein gewünschtes bzw. Soll-Positionssignal zu erzeugen. Ein solches System ist in der US-Patentanmeldung Serien- Nummer 08/177,040 offenbart, eingereicht am 4. Januar 1994 durch Gudat u. a., welche hierin durch Bezugnahme aufgenommen sei.

Alternativ, wenn die erste Maschine 102 halbautonom oder manuell betrieben wird, kann ein Bediener die gewünschte Position eingeben.

Übertragungsmittel 312 empfangen das erste gewünschte Po sitionssignal bzw. Soll-Positionssignal und übertragen darauf ansprechend ein Soll-Positionsradiosignal über ei ne Übertragungsantenne 314. Die Übertragungsmittel 312 weisen einen Radiofrequenz- bzw. Kurzwellenüberträger mit geringer Leistung auf. Vorzugsweise ist der Radiofre quenzüberträger mit geringer Leistung ein Schmalbandüber träger bzw. -transmitter oder ein Spreizspektrumtransmit ter.

Steuermittel 320 an Bord der Transportmaschine 202 weisen zweite Positionsmittel 322 auf. Die zweiten Positionsmit tel 322 bestimmen die Position der zweiten Maschine 202 und erzeugen darauf ansprechend ein zweites Positions signal. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die zwei ten Positionierungsmittel 322 ein Differential- oder Ki nematik-GPS-System. Die zweiten Positionsmittel bzw. Po sitionsbestimmungsmittel 322 weisen eine dritte GPS- Antenne 324 auf, um elektromagnetische Signale von dem GPS-Satelliten zu empfangen. Zweite GPS-Empfangsmittel 326 sind mit der dritten GPS-Antenne 324 verbunden. Die GPS-Empfangsmittel 324 weisen einen GPS-Empfänger auf.

GPS-Verarbeitungsmittel 332 empfangen Signale vom GPS- Empfänger und vorzugsweise von einer Basisstation und/oder von Pseudoliten und bestimmen darauf ansprechend die Position der Transportmaschine 202.

Die Steuermittel 320 weisen auch eine erste RF- Empfangsantenne 327 auf, um das Soll-Positionsradiosignal zu empfangen, welches von den ersten Positionierungsmit teln 302 übertragen wird. Die RF-Empfangsantenne 327 ist mit RF-Empfangsmitteln 328 gekoppelt. Die RF- Empfangsmittel 328 weisen vorzugsweise einen RF-Empfänger auf.

Navigationsmittel 330 empfangen ein Positionssignal, wel ches die Position der Transportmaschine 202 anzeigt, und zwar von den zweiten Positionsmitteln 322, und das Soll- Stellensignal von den RF-Empfangsmitteln 328 und erzeugen darauf ansprechend einen Pfad.

Mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren vor, um automatisch den Pfad zwi schen einer vorbestimmten Route und einer gewünschten Po sition zu bestimmen. Die gewünschte Position weist eine gewünschte bzw. Soll-Stelle, vorzugsweise in kartesischen Koordinaten (X_f, Y_f) und eine gewünschte Ausrichtung (Θ_f) auf.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 4 ge zeigt, werden die Stellen bzw. Orte in kartesischen Koor dinaten mit Bezug auf einen vorbestimmten Punkt auf einer Maschine 402 gemessen. Die Maschine 402 weist in die Richtung, die durch den Pfeil 404 gezeigt ist. Die Aus richtung der Maschine wird- als der Winkel (Θ) zwischen dem Pfeil 404 und einer Linie parallel mit der X-Achse gemessen.

Mit Bezug auf Fig. 5 ist die zweite Maschine 202 geeig net, einer vorbestimmten Route 502 zu folgen. Die vorlie gende Erfindung ist geeignet, den Pfad 504 zwischen einer Anfangsposition 506 und einer Endposition 508 zu bestim men. Die Anfangsposition 506 weist eine Anfangsstelle auf, die durch kartesische Koordinaten (X₀, Y₀) und eine Anfangsausrichtung (Θ₀) definiert ist. Im veranschaulich ten Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß die zweite Maschine 202 rückwärts in die Soll-Position 508 fährt. Jedoch kann die Erfindung angepaßt werden, um es der Ma schine zu gestatten, vorwärts in die Soll-Position zu fahren.

Mit Bezug auf Fig. 6 wird im bevorzugten Ausführungsbei spiel die vorliegende Erfindung in Software verkörpert. Vorzugsweise wird die Software auf einem mikroprozessor basierten Steuermodul betrieben, beispielsweise die Navi gationsmittel 330 an Bord der zweiten Maschine 202.

Das in Fig. 6 gezeigte Flußdiagramm veranschaulicht den allgemeinen Betrieb der Software gemäß eines Ausführungs beispiels der vorliegenden Erfindung.

In einem ersten Steuerblock 602 werden die Anfangs- und Endpositionen bestimmt und die Design- bzw. Auslegungspa rameter werden vorgewählt. Die Auslegungsparameter weisen beispielsweise die maximale Krümmung, den maximalen Ab stand, die maximale Ausrichtungsdifferenz und die Maximalanzahl der Punkte auf dem Pfad, wie unten verwen det, auf.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Endposition durch eine externe Quelle vorgegeben. Beispielsweise kann die Endposition an die zweite Maschine 202 von einer ent fernten Basisstation oder von der ersten Maschine 102 übertragen werden.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Anfangsposi tion als eine Funktion der Endposition und der Route 502 ausgewählt. Vorzugsweise wird die Route 502 mathematisch modelliert, beispielsweise durch ein B-Spline. Zuerst wird der Punkt (S₀) auf der Route 502 bestimmt, der am nächsten zur Soll-Position (X_f, Y_f, Θ_f) ist. Die Ausrich tung der zweiten Maschine 202 bei S₀ wird auch bestimmt.

Die erste Stelle 508, wie in Fig. 5 gezeigt, erscheint an der rechten Seite der Route 502, jedoch kann die End stelle 508 auch an der linken Seite der Route 502 er scheinen.

Beginnend bei S₀ wird ein Sammel- bzw. Aufnahmepunkt in kartesischen Koordinaten entlang der Route 502 bestimmt. Die Ausrichtung der Maschine am Aufnahmepunkt wird aus dem Modell der Route 502 bestimmt. Der Aufnahmepunkt und die Ausrichtung bilden die Aufnahmeposition.

Der Aufnahmepunkt muß dann bewertet werden. Der Aufnahme punkt ist gültig, wenn entweder die Aufnahmeausrichtung von der Ausrichtung bei S₀ um mehr als einen vorbestimm ten Winkel abweicht, beispielsweise 5 oder 10 Grad, oder wenn der Abstand zwischen dem Aufnahmepunkt und S₀ größer oder gleich einem vorbestimmten Abstand ist, beispiels weise 15 Meter. Wenn der Aufnahmepunkt nicht gültig ist, wird ein anderer Aufnahmepunkt ausgewählt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Aufnahmepunkte um 5 Meter entlang der Route getrennt.

Beispielsweise wird in Fig. 5 der erste Aufnahmepunkt (S₁) als der Punkt gewählt, der 5 Meter von S₀ entfernt ist. Wenn S₁ nicht gültig ist, dann wird ein Punkt (S₂) weiter entlang des vorbestimmten Pfades ausgewählt. Wenn die Ausrichtung der Maschine 202 bei S₁ oder S₂ nicht von der Ausrichtung der Maschine bei S₀ um mehr als den vor bestimmten Winkel abweicht, dann sind die Aufnahmepunkte nicht gültig, da der Abstand zwischen den Aufnahmepunkten und S₀ geringer als 15 Meter ist. Wenn jedoch die Aus richtungsdifferenz der zweiten Maschine 202 bei S₃ gerin ger als der vorbestimmte Winkel ist, dann ist der Aufnah mepunkt gültig, da der Abstand von S₀ gleich 15 Metern ist.

Sobald ein gültiger Aufnahmepunkt ausgewählt worden ist, wird die Anfangsstelle als der gültige Aufnahmepunkt ge setzt bzw. eingestellt. Die Ausrichtung der zweiten Ma schine 202 beim gültigen Sammelpunkt wird als die An fangsausrichtung gesetzt.

Nachdem die Anfangs- und Endpositionen bestimmt worden sind, geht die Steuerung weiter zu einem zweiten Steuer block 604. Im zweiten Steuerblock 604 wird ein Satz von Pfadgleichungen definiert.

Radfahrzeuge sind nichtholonomische Systeme, was bedeu tet, daß die bei dem System vorhandenen Einschränkungen nicht durch integrale oder integrierbare Gleichungen aus gedrückt werden können.

Die nichtholonomische Einschränkungsgleichung für das Rad der Maschine 102 kann wie folgt ausgedrückt werden:

sinΘ + cosΘ = 0
Gleichung 1.

Das Bewegungsplanproblem ist als das Auffinden von drei Funktionen χ(t), y(t), Θ(t) definiert, wobei diese Funk tionen die folgenden Bedingungen erfüllen müssen:

(1) Nichtholonomische Einschränkungen: sin Θ cos Θ = 0
Gleichung 2.
(2) Anfangsbedingungen: χ(t₀) = χ₀, y(t₀) = y₀ and Θ(t₀) = Θt₀Gleichungen 3A, 3B und 3C.
(3) Endbedingungen: χ (t_f) = χt_p y(t_f) = y_t and Θ_f = Θ_f
Gleichungen 4A, 4B und 4C.

Das Pfadplanproblem mit den nichtholonomischen Einschrän kungen kann als das Problem bezeichnet werden, die Steu ereingaben r₁ und r₂ zu erhalten, so daß die Zustände des Systems, die durch die Gleichung 2 beschrieben werden, sich von einer Anfangsstelle (x₀, y₀, Θ₀) zu einer End- oder Soll-Stelle (X_f, y_f, Θ_f) bewegt.

Unter Verwendung der Gleichung 1 und der obigen Annahmen kann das System wie folgt beschrieben werden:

wobei r₁ und r₂ die zwei Steuereingaben sind, d. h. die Lineargeschwindigkeit bzw. die Winkelgeschwindigkeit.

Das Umwandeln von Gleichung 2 in Integralgleichungen läßt folgendes übrig:

Der nächste Schritt weist das Definieren einer Kosten funktion auf, welche die beiden Steuereingaben minimiert, und wird durch folgendes gegeben:

Die beiden Steuereingaben bzw. Eingangsgrößen werden durch Minimieren der Kostenfunktion unter Verwendung der in den Gleichungen 2, 3A, 3B, 3C, 4A, 4B und 4C gegebenen Einschränkungen erhalten. Die Lagrange-Funktion ist wie folgt definiert:

L (r₁₁ y₂) = r₁² + r₂² + λ₁ r₁ cosΘ + λ₂ r₁ sinΘ + λ₃ r₂
Gleichung 10.

wobei λ₁, λ₂ und λ₃ Konstanten sind. Durch Ersetzen bzw. Einsetzen der obigen Gleichung in die Lagrange-Euler- Gleichungen werden die beiden Steuereingaben bzw. -eingangsgrößen wie folgt gegeben:

r₁ = γ₁₁ sinΘ + γ₂₂ cosΘ
Gleichung 12.

wobei γ₁₁ und γ₂₂ Konstanten sind.

Unter Verwendung der Randbedingungen ist die gewünschte bzw. Soll-Trajektorie bzw. Soll-Kurve in kartesischen Ko ordinaten wie folgt gegeben:

Vorzugsweise ist die Anzahl der Punkte entlang des Pfades 504 vorbestimmt. Aus der Anzahl der Punkte können die Zeitintervalle bestimmt werden.

Die Lösung des nichtholonomischen Pfadplanungsproblems, welches durch die Gleichungen 13 und 14 dargestellt wird, ist genauer in "Path Planning and Control of a Mobile Ba se with Nonholonomic Constraints" (Pfadplanung und -steuerung einer mobilen Basis mit nichtholonomischen Einschränkungen) Robotica, Vol. 12, Seiten 529-539, be sprochen, welche hierin durch Bezugnahme aufgenommen sei. Diese Lösung ist nur eine mögliche Lösung. Andere Lösun gen können, ohne vom Geiste der Erfindung abzuweichen, eingesetzt werden.

Im dritten Steuerblock 606 werden die kartesischen Koor dinaten der Punkte entlang des Pfades 504 bestimmt, und zwar unter Verwendung der Zeitintervalle und der Glei chungen 13 und 14.

In einem vierten Steuerblock 608 wird der Pfad 504 mathe matisch modelliert, und zwar unter Verwendung der erzeug ten Pfadpunkte. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Pfad 504 unter Verwendung von B-Splines modelliert. Jedoch können andere Modellierungstechniken verwendet werden, ohne vom Geiste der Erfindung abzuweichen. Eine B-Spline-Modellierung ist in der Technik wohlbekannt und wird daher nicht weiter besprochen.

In einem fünften Steuerblock 610 wird ein Steuerblock auf den ersten Pfadpunkt entlang des Pfades 504 initiali siert. In einem sechsten Steuerblock 612 wird die Krüm mung des Pfades 504 am Steuerpunkt bestimmt. Im bevorzug ten Ausführungsbeispiel wird der Pfad durch ein B-Spline modelliert und die Krümmung wird wie folgt bestimmt:

wobei dx/dt, dy/dt, d²x/dt² und d²y/dt² die ersten und zweiten Zeitableitungen der B-Spline bezeichnen.

In einem ersten Entscheidungsblock 614 wird die bestimmte Krümmung am Steuerpunkt mit einer Maximalkrümmung vergli chen, und zwar basierend auf der Geometrie der zweiten Maschine 202. Wenn die Krümmung der B-Spline am Steuer punkt größer als das Maximum ist, dann schreitet die Steuerung zu einem siebten Steuerblock 616 fort. Wenn die Krümmung geringer oder gleich der Maximalkrümmung ist, schreitet die Steuerung zu einem achten Steuerblock 618 fort.

Im achten Steuerblock 618 wird der Steuerpunkt inkremen tiert oder weitergeschaltet, und zwar zum nächsten Pfadpunkt entlang des Pfades 504. In einem zweiten Ent scheidungsblock 620, wenn die Krümmung des letzten Steu erpunktes schon bewertet worden ist, wird dann der gesam te Pfad, wie durch das B-Spline definiert, gültig und die Steuerung endet. Anderenfalls kehrt die Steuerung zum sechsten Steuerblock 612 zurück.

Wenn im ersten Entscheidungsblock 614 die Krümmung am Steuerpunkt größer als die maximale Krümmung war, geht die Steuerung weiter zum siebten Steuerblock 616. Somit ist der erzeugte Pfad nicht gültig. Eine neue Anfangs stelle entlang der Route 502 muß bestimmt werden, und ein neuer Pfad 504 von der neuen Anfangsstelle zur Endstelle muß bestimmt und bewertet werden.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel, wenn die Original- Anfangsposition als eine Funktion des Abstandes definiert worden ist, dann wird die neue Anfangsposition als der vorbestimmte Abstand von der letzten Anfangsposition be stimmt. Wenn die Originalposition als eine Funktion des Winkels bestimmt worden ist, dann wird die neue Position so eingestellt bzw. gesetzt, daß sie eine vorbestimmte Ausrichtungsdifferenz von der letzten Anfangsposition be sitzt.

In einem dritten Entscheidungsblock 622 wird die Anfangs stelle gegen eine oder mehr Maximaleinschränkungen bewer tet. Beispielsweise kann die neue Anfangsposition gegen eine Maximaldistanz von der S₀-Einschränkung und/oder ei ne Maximalausrichtungsdifferenzeinschränkung gewertet werden. Wenn die Maximaleinschränkungen verletzt werden, dann existiert kein gültiger Pfad für die Endstelle und -ausrichtung und der Route und die Steuerung geht zu einem achten Steuerblock 624 weiter.

Wenn die Maximaleinschränkungen zufriedengestellt bzw. erfüllt werden, dann ist die neue Anfangsposition gültig und die Steuerung kehrt zum zweiten Steuerblock 604 zu rück. Der Prozeß wird dann wiederholt, bis ein gültiger Pfad bestimmt wird.

Der erzeugte Pfad kann angezeigt und/oder zur automati schen Navigation der zweiten Maschine verwendet werden.

Industrielle Anwendbarkeit

Mit Bezug auf die Figuren und den Betrieb ist die vorlie gende Erfindung geeignet, um automatisch einen Pfad zwi schen einer vorbestimmten Route und einer Endposition zu bestimmen und zu modellieren. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung in einer Situation verwendet wer den, in der ein erstes Fahrzeug 102 (eine Lademaschine) verwendet wird, um Material in eine zweite Maschine 202 zu laden. Die zweite Maschine 202 ist vorzugsweise eine autonome bzw. eigenständige Maschine und ist geeignet, um einer vorbestimmten Route zu folgen. Die erste Maschine 102 arbeitet in einem lokalen bzw. örtlichen Gebiet und erzeugt, wenn geeignet bzw. wenn erforderlich, eine Soll- Endposition für die zweite Maschine 202. Die Soll- Endposition stellt die Position dar, an der es für die erste Maschine 102 am wirkungsvollsten ist, die zweite Maschine 202 zu beladen. Im allgemeinen ist die Soll- Endposition nicht auf der vorbestimmten Route und somit muß der Pfad von der Route zur Soll-Endposition erzeugt werden.

Die Soll-Endposition wird in der Maschine 102 erzeugt und wird von der ersten Maschine 102 an die zweite Maschine 202 übertragen. Die zweite Maschine 202 empfängt die Soll-Endposition und erzeugt automatisch einen Pfad, der zu fahren ist, der an einer Anfangsposition auf der Route zur Soll-Endposition beginnt. Die Anfangsposition und die Soll-Endposition weisen kartesische Koordinaten und eine Ausrichtung auf.

Unter Verwendung des oben besprochenen Prozesses erzeugt die vorliegende Erfindung einen Pfad und modelliert den Pfad, den die zweite Maschine 202 überqueren kann.

Andere Aspekte, Ziele und Merkmale der vorliegenden Er findung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Of fenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Ein Verfahren und eine Vorrichtung, um automatisch einen Pfad zwischen einer Route und einer Endposition zu be stimmen und zu modellieren, ist vorgesehen. Eine Anfangs position auf der Route und ein Satz von Pfadgleichungen zwischen der Anfangsposition und der Endposition wird be stimmt. Ein Satz von Pfaddatenpunkten wird unter Verwen dung des Satzes von Pfadgleichungen berechnet, und der Pfad, wie durch die Pfaddatenpunkte definiert wird, mo delliert. Die Krümmung des Pfades an jedem Punkt wird un ter Verwendung des Modells bestimmt und gegen eine Refe renzkrümmung bewertet.

Claims

1. Verfahren, um automatisch einen Pfad zwischen einer Route und einer Endposition zu bestimmen und zu modellie ren, wobei die Endposition eine Endstelle und eine Endausrichtung aufweist, wobei das Verfahren folgendes vorsieht:

(a) Bestimmen einer Anfangsposition auf der Route, wobei die Anfangsposition eine Anfangsstelle und eine An fangsausrichtung aufweist;
(b) Bestimmen eines Satzes von Pfadgleichungen zwi schen der Anfangsposition und der Endposition;
(c) Berechnen eines Satzes von Pfaddatenpunkten un ter Verwendung des Satzes von Pfadgleichungen;
(d) Bestimmen eines Modells des Pfades, wie durch die Pfaddatenpunkte definiert;
(e) Bestimmen der Krümmung des Pfades an jedem der Pfaddatenpunkte unter Verwendung des Modells;
(f) Bestimmen einer anderen Anfangsposition und Wie derholen der Schritte (a) bis (f), wenn die Krümmung an irgendeinem Pfaddatenpunkt größer als eine vorbestimmte Krümmung ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Be stimmung einer Anfangsposition auf der Route folgende Schritte aufweist:

(a) (1) Bestimmen des Punktes auf der Route (S₀), der am nächsten zur Endposition liegt;
(a) (2) Bestimmen eines Sammel- bzw. Aufnahmepunktes mit einem ersten vorbestimmten Abstand von S₀ entlang der Route;
(a) (3) Bewerten des Aufnahmepunktes;
(a) (4) Auswählen eines weiteren Aufnahmepunktes und Wiederholen des Schrittes (a) (3), wenn der Aufnahmepunkt nicht bewertet wird; und
(a) (5) Gleichsetzen bzw. Einstellen der Anfangspo sition gleich einem bewerteten Aufnahmepunkt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt (a) (3) den Schritt aufweist, den Sammelpunkt bzw. Auf nahmepunkt zu bewerten, wenn eine der folgenden Tatsachen zutrifft: eine Ausrichtung am ersten Aufnahmepunkt vari iert von einer Ausrichtung bei S₀ um zumindest einen vor bestimmten Winkel und der Aufnahmepunkt ist um einen zweiten vorbestimmten Abstand von S₀ entlang der Route entfernt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei der Satz von Pfad datenpunkten im Schritt (c) von vorbestimmter Anzahl ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei das Modell des Pfades des Schrittes (d) ein B-Spline ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei die andere Anfangspo sition des Schrittes (f) als ein Punkt bestimmt ist, der um einen vorbestimmten Abstand von der vorherigen An fangsposition entfernt ist.

7. Vorrichtung, um automatisch einen Pfad zwischen ei ner Route und einer Endposition zu bestimmen und zu mo dellieren, wobei die Endposition eine Endstelle und eine Endausrichtung besitzt, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
Mittel zur Erzeugung eines Endpositionssignals, welches die Endposition anzeigt; und
Mittel zum Bestimmen einer Anfangsposition auf der Route, wobei die Anfangsposition eine Anfangsstelle und eine Anfangsausrichtung aufweist; Berechnen eines Satzes von Pfaddatenpunkten zwischen der Anfangsposition und der Endposition; Modellieren des Pfades, der durch die Pfad datenpunkte definiert wird; Bestimmen der Krümmung des Pfades an jedem Datenpunkt unter Verwendung des Modells, und Bestimmen einer anderen Anfangsposition und eines an deren Pfades unter Verwendung der anderen Anfangsposi tion, wenn die Krümmung an irgendeinem Pfaddatenpunkt größer als eine vorbestimmte Krümmung ist.

8. Vorrichtung, um automatisch einen Pfad zwischen ei ner Route und einer Endposition zu bestimmen und zu mo dellieren, wobei die Endposition eine Endstelle und eine Endausrichtung aufweist, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
eine erste Maschine;
Mittel, die auf der ersten Maschine gelegen sind, um ein Endpositionssignal zu erzeugen, welches die Endposi tion anzeigt, und
Mittel, die auf der zweiten Maschine gelegen sind, um das Endpositionssignal zu übertragen;
eine zweite Maschine, wobei die zweite Maschine ge eignet ist, um auf der vorbestimmten Route zu laufen bzw. sie zu überqueren;
Mittel, die auf der zweiten Maschine gelegen sind, um das Endpositionssignal zu empfangen;
Mittel, die auf der zweiten Maschine gelegen sind, um eine Anfangsposition auf der Route zu bestimmen, wobei die Anfangsposition eine Anfangsstelle und eine Anfangs ausrichtung aufweist; Berechnen eines Satzes von Pfad datenpunkten zwischen der Anfangsposition und der Endpo sition; Modellieren des Pfades, der durch die Pfaddaten punkte definiert wird; Bestimmen der Krümmung des Pfades an jedem Pfaddatenpunkt unter Verwendung des Modells und Bestimmen einer anderen Anfangsposition und eines anderen Pfades unter Verwendung der anderen Anfangsposition, wenn die Krümmung an irgendeinem Pfaddatenpunkt größer als ei ne vorbestimmte Krümmung ist.