DK169004B1 - Fremgangsmåde og apparat til laser-optisk navigering - Google Patents

Description

i DK 169004 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til laseroptisk navigering samt et apparat til udøvelse af fremgangsmåden.

Inden for landbrug og skovbrug er der et ønske om at kunne lette arbejdet med de forekommende arbejdsredskaber derved, 5 at der opnås en automatisk og nøjagtig styring og kontrol af placeringen af arbejdsredskabet under fremdrivningen af dette. Landbrugs- eller skovarbejderens opmærksomhed kan dermed i stedet anvendes til andre mere væsentlige ting, såsom regulering og kontrol af arbejdsredskab og arbejdsre-10 sultatet ved f.eks. gødskning, såning eller ved høst. Det er tillige i regelen meget trættende for føreren af et arbejdskøretøj at fremføre køretøjet meget nøjagtigt f.eks. ude på en ager med største nøjagtighed over et længere tidsrum og langs en så ret linie som muligt trods et ujævnt 15 underlag, hvilket kræves ved f.eks. gødskning, såning eller ved høst.

Der kendes forskellige navigationssystemer, der har til formål kontinuerligt at bestemme positionen af et bevægeligt objekt, såsom et fartøj. Flere sådanne systemer arbej-20 der ved hjælp af radiopejling og er bedst egnet ved navigering over store åbne flader med store eller forholdsvis store afstande mellem sender og modtagerenheder. Dette gælder således først og fremmest fartøjer på havet eller fly. Også inden for offshore-industrien til positionsbe-25 stemmelse af bore- eller beboelsesplatforme, f.eks. ved hjælp af satellitter, er forskellige radiopejlingssystemer velegnede. Til navigering inden for et mere begrænset område, f.eks. et felt på nogle hektars størrelse, er imidlertid sådanne systemer ikke specielt hensigtsmæssige, 30 eftersom man ikke har mulighed (tilladelse) på grund af "trængsel i etheren" til at udnytte en så bred båndbredde, som er ønskværdig for opnåelse af så høj præcision i positionsbestemmelsen, som tilstræbes, dvs. en brøkdel af en meter. Ved pejling med lille båndbredde kompliceres i ste-35 det sender- og modtageudstyret, der derved bliver bekosteligt.

DK 169004 B1 2

Også andre faktorer, såsom refleksions- og interferensproblemer, begrænser anvendelsen af radionavigeringssystemer ved positionsbestemmelse med den ovenfor angivne nøjagtighed. Dette system anvendes i stedet fortrinsvis ved områder 5 af størrelsesordenen et par hundrede kilometer, og de mere sofistikerede udrustninger kan opnå en nøjagtighed af nogle få meter over en havoverflade og fra 10 til 100 meter over land.

10 Navigationssystemer, der arbejder med mikrobølger, kendes ligeledes. Man har derfor prøvet at anvende mikrobølgetek-nik til ^navigering også inden for de mere begrænsede områder, der er tale om ved landbrug og skovbrug. Denne teknik kræver imidlertid en forholdsvis dyr og kompliceret ud-15 rustning, og den har derfor sin begrænsning i anvendelsen allerede i denne henseende.

Hverken radio- eller mikrobølgenavigeringssystemer indebærer en sikker attitudebestemmelse, hvilket kræves ved nøj-20 agtig kontrol og styring af et arbejdsredskab i marken samt for styring af førerløse køretøjer.

Fra US-A-4 225 226 kendes et laserbaseret system til at føre et luftfartøj over en mark, hvor et vifteformet laser-25 strålebundt skanderer 360°, og x og y koordinaterne for det med laseren forsynede fartøj bestemmes ud fra skanderingsmekanismens drejningsvinkler, der måles ved hver detekteret reflektorpassage. På grund af det vifteformede laserstrålebundt kan reflektorer detekteres, selv om fartøjet har en 30 begrænset hældningsvinkel, eksempelvis på grund af en hældende bane eller oscillerende bevægelser.

Fra GB-A-2 143 395 kendes et tilsvarende system, hvori et laserstrålebundt også skanderer 360°. x og y koordinaterne 35 samt kursen, som alle er definerede i det horisontale plan, bestemmes ved anvendelse af målingerne af drejningsvinklen DK 169004 Bl 3 for føleren ombord på fartøjet ved reflektorpassagerne.

Disse kendte systemer til positions- og kursbestemmelse ved detektion af lys, som reflekteres af et antal reflektorer, 5 er i princippet alle begrænsede til kun at måle vinklerne omkring en enkelt akse, hvorved den resulterende bestemmelse af positionen er begrænset til et todimensionelt koordinatpar i et enkelt plan, og af fartøjets tre attitudevinkler bestemmes kun kursen for fartøjet, idet denne er defineret 10 som vinklen med en hovedakse for fartøjet projiceret på et plan og en i forhold til jorden fast akse i det samme plan.

y

Det er på baggrund af denne kendte teknik hensigten med opfindelsen at tilvejebringe en fremgangsmåde og et apparat 15 til laseroptisk navigering, hvormed de ovennævnte mangler ved den kendte teknik er afhjulpet. Dette opnås ifølge opfindelsen ved en fremgangsmåde af den i indledningen til krav 1 nævnte art, som er ejendommelig ved de i den kendetegnende del af krav 1 angivne foranstaltninger og ved et 20 apparat af den i indledningen til krav 3 nævnte art, som er ejendommeligt ved det i den kendetegnende del af krav 3 angivne.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere og under 25 henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 viser et lodret snit gennem apparatet ifølge opfindelsen, 30 fig. 2 apparatet i skrå afbildning, fig. 3 en skematisk afbildning af apparatets elektroniske opbygning, 35 fig. 4 i perspektiv et eksempel på et køretøj, der er forsynet med apparatet ifølge opfindelsen, og 4 0 DK 169004 B1 fig. 5 en plan afbildning af et felt nær en gård og med et med apparatet forsynet køretøj stående ude i feltet.

Apparatet placeres i et hus 1, der består af en fast del 2 5 og en drejelig del 3. Den drejelige del 3 er forbundet med og drives rundt af rotoren 4 i en såkaldt motor med udvendig rotor, med en fast stator 5.

I huset l's drejelige del 3 er der foroven placeret en i 10 apparatet indgående sensorenhed. Denne består af en opstilling af laserdioder 6, der med hver sin tilhørende strålesamlende, linse 6a er monteret den ene over den anden langs en krum linie bag ved en for alle laserdioder fælles, i sideretningen kollimerende linse 7. Denne placering af 15 laserdioder 6 har til formål at udsende et pulserende lysbundt 8 (se fig. 3) under rotationen, hvilket lysbundt rammer anbragte reflektorer 9, der reflekterer lyset til et i sensorenheden indgående, medroterende kamera 10. Af kameraet modtagne lyspulser opfanges af en i kameraet indgående 20 lineær fotodiodestabel 11, der måler højdevinkelen til reflektorerne 9 og skal beskrives nærmere i det følgende.

I apparatet indgår endvidere en vinkel generator 12, der består af en kodeskive, der angiver den roterende sensoren-25 heds momentane vinkelplacering.

I måleudstyret indgår derved en første computer 13, benævnt billedcomputeren, der har til formål at hurtigbehandle indkomne informationer, og en anden, større navigeringscom-30 puter 14, der indeholder fuldstændig information om rumkoordinaterne x, y og z for alle udsatte reflektorer 9, og som udfører alle beregninger for såvel koordinater som kurs-, hælde- og rulningsvinkel for korrigering af bevægelser og/eller hastighed ved et med apparatet forsynet 35 køretøj. Til navigeringscomputeren 14 er tilsluttet et interfacemodul 15, der tjener som identificeringsenhed mellem vinkelgeneratoren 12 og denne computer og en man- 5 DK 169004 B1 øvrerings- og præsentationsenhed 16, der viser positionen for køretøjet, og som afgiver fra computeren 14 modtagne styreinformationer.

5 Signaloverføring i den ene eller den anden retning sker ved hjælp af en dobbeltrettet IR-kobling mellem to enheder 17 og 18.

I fig. 4 er der vist et eksempel på et specielt udformet 10 køretøj 19, som er forsynet med et apparat ifølge opfindelsen, og som er indrettet til ved fjernkontrol at fremføres over et^felt, og som er forsynet med et arbejdsredskab af vilkårlig art, f.eks. en plov eller en harve.

15 I fig. 5 er der vist et situationsbillede af en ager eller et felt 20, hørende til en gård 21. I feltet står ar-bejdskøretøjet 19. Rundt omkring feltet 20 langs dettes grænser står reflektorer 9 opsat på stolper 22 (se fig. 3). Disse reflektorer 9 er hensigtsmæssigt kugleformede og har 20 en diameter på omkring 1 meter.

Ved opbygningen af navigeringssystemet placeres først et par reflektorer 9 ved et par punkter, der har kendte koordinater, der aflæses fra et matrikelkort, f.eks. et par 25 hjørner af feltet 20. Disse koordinater indlagres i navigeringscomputeren 14. Et vilkårligt antal reflektorer 9 placeres dernæst, således som det er anskue liggjort i fig. 5. Det er en fordel, at reflektorerne, som vist på fig. 5, er uregelmæssigt placerede, og at man sikrer sig, at fartøjet 30 altid har mindst tre reflektorer inden for synsfeltet, idet disse ikke alle må befinde sig på samme rette linie. Køretøjet 5 køres derefter ud i feltet 20 og skal stå stille en kort periode, medens systemet sættes i gang. Under sensorenhedens rotation udsendes af rækken af laserdioder 6 et 35 pulsstyret lysbundt 8 i form af en roterende lodret skive. Dette lysbundt reflekteres af reflektorerne 9 og opfanges DK 169004 B1 6 af det medroterende kamera 10 og ledes videre til den lineære fotostak 11. Denne består af en langs en lodret linie arrangeret kæde af fotodioder 23 med hukommelseskredse 24, 25 på hver side. Når lyspulser træffer særskilte fotodioder 22 i 5 kæden, sker der en overføring af ladninger til hukommelseskredsene 24, 25, der siden sender elektriske signalimpulser til billedcomputeren 13. I denne sker der en hurtig bearbejdning af modtagen information for højdevinkelbereg-ning, hvorved pulsernes amplitude afføles mod et af com-10 puteren 13 afgivet tærskelniveau for eliminering af eventuelle indkommende fejlagtige reflekslyspulser fra andre objekter, end reflektorerne 9.

Via IR-enhederne 17, 18 overføres i billedcomputeren 13 15 frembragte resultatmeddelelser til den større navigeringscomputer 14, der udfører beregninger af modtagne værdier på foretagne, såvel højdevinkel- som sidevinkelsmålin-ger. Computeren 14 lagrer på denne måde positionsoplysninger om alle placerede reflektorer 9 og køretøjet 19's 20 stilling i forhold til dem. Når køretøjet 19 siden startes, måler sensorenheden kontinuerligt hver ændring af koordinaterne i side- og højderetningen, og køretøjet modtager fortløbende af computeren 14 beregnede korrigeringsanvisninger.

25

Sensorenhedens rotationshastighed er relativ høj, ca. 10 omdrejninger pr. sekund. Herved opnås opdateringer af pejlings- og høj de vinke linf ormat ioner med korte mellemrum. Ved normale køretøjsbevægelser er denne opdateringshastighed så 30 høj, at køretøjets position i et vist øjeblik bliver nøjagtigt bestemt af et antal bagud i tiden liggende målinger, som anvendes til at beregne den aktuelle position og attitude.

35 Denne mulighed tilgodeses af apparatet, der indeholder et ikke vist såkaldt Kalmanfilter for beregning af aktuel og forud fastlagt position og attitude udgående fra udover den DK 169004 B1 7 o seneste måling tillige også et antal bagud i tiden liggende målinger.

Gennem dette prædikterende filter kan også navigeringssik-5 kerheden forøges betydeligt, fordi tilgængelig laserenergi og computerkapacitet kan koncentreres til et mindre søgeområde for hver ny reflektorpassage. Herved undgås i høj grad falske signaler, f.eks. fra stærkt reflekterende punkter i naturen eller lyskilder med meget høj lysintensitet.

10

Det på tegningen viste køretøj 19 er indrettet til at være ubemandet, hvorved en til navigeringsindretningen tilsluttet terminal indgår i en fjernbetjeningsenhed ved hjælp af hvilken den person, der betjener køretøjet, kan modtage og 15 afgive styreinformation. Den nævnte terminal kan tillige være placeret i styrehuset på et køretøj, f.eks. en traktor, hvor føreren på en monitor kan få informationer for udførelse af nødvendige korrigeringsbevægelser ved køretøjet.

20

Apparatet ifølge opfindelsen kan betegnes som et udmærket og relativt ukompliceret navigeringssystem til anvendelse inden for et forholdsvis begrænset område. De enkle reflektorer 9 anbringes af den enkelte bruger på kort tid. Navi-25 geringssystemet giver trods sin relative enkelthed en nøjagtighed i positionsbestemmelsen på omkring 0,1 meter og giver ikke nogen negative effekter, såsom interferens mellem flere køretøjer eller med andre nært placerede systemer. Apparatet har god anvendelse ved forskellige terræn-30 forhold, såvel ved bearbejdning af jorden på agre som ved brydning af tørv i moser eller ved arbejde i skovrydninger.

35

Claims (3)

8 DK 169004 B1 PATENTKRAV.

1. Fremgangsmåde til laseroptisk navigering- af fartøjer i bevægelse, hvorved positionskoordinater x, y og z og at- 5 titudevinkler kurs, hældning og rulning for et i forhold til fartøjet fast koordinatsystem bestemmes i sand tid i forhold til et i forhold til jorden fast koordinatsystem på basis af registrering af tilbagekastet lys ved hjælp af en på fartøjet (19) anbragt, aktiv laseroptisk sensorenhed (6, 10 10, 11), som udsender et roterende laserstrålebundt (8), og at laserstrålebundtet (8) udsendes i form af et smalt vifteformet strålebundt, som roterer omkring den vertikale akse i det i forhold til fartøjet faste koordinatsystem, og at det registrerede lys modtages som refleksioner af dele af 15 dette strålebundt (8) fra i ét antal på mindst tre og ikke på en ret linie placerede reflektorer (9) med kendte koordinater x(i), y(i), z(i), i = 1, 2, 3----i det i forhold til jorden faste koordinatsystem, kendetegnet ved, at det fra reflektorerne (9) tilbagekastede lys detek-20 teres af en i sensorenheden (6, 10, 11) indbygget række af fotodioder (23) , hvorved det af sensorheden (6, 10, 11) registrerede lys anvendes til såvel højde som sidevinkelmåling af reflektorernes (9) position i det i forhold til fartøjet faste koordinatsystem, og at disse vinkelmålinger databe-25 handles for fastlæggelse af det i forhold til fartøjet faste koordinatsystems positionskoordinater og attitudevinkler i det i forhold til jorden faste koordinatsystem.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, 30 at laserstrålebundtet (8) udsendes i impulser for at skelne afstandsmæssigt mellem reflektorerne (9).

3. Apparat til laseroptisk navigering ifølge krav 1, i hvilket apparat indgår en roterende sensorenhed (6, 10, 11) med 35 organer (4, 6, 6a, 7) til udsendelse af et laserstrålebundt (8) i form af et vertikalt vifteformet strålebundt, i større DK 169004 B1 9 eller mindre afstand fra sensorenheden (6, 10, 11) placerede reflektorer (9) til at tilbagekaste reflekteret lys til sensorenheden (6, 10, 11), en vinkelgiver (12) til at udføre sidevinkelmålinger til reflektorerne (9) samt dels en første 5 computer (13) for gennemførelse af billedanalyse og en anden computer (14), som er indrettet til at behandle de informationer, der modtages fra den første computer (13) vedrørende bl.a. reflektorernes (9) side- og højdevinkelposition i det i forhold til fartøjet faste koordinatsystem, k e n-10 detegnet ved, at der i sensorenheden indgår organer, såsom et kameraobjektiv (10), til modtagelse af indkommende reflekteret stråling og en herefter placeret, i den belyste rumvinkel detekterende, lineær fotodiodestak (11) til samtidig med ovennævnte sidevinkelmålinger at udføre højdevin-15 kelmålinger for den på et bestemt tidspunkt belyste reflektor (9)·