[发明专利]相对车辆导航系统

说明书

技术领域

本发明涉及相对车辆导航系统，更具体地说，涉及供地下通道或隧道，例如地下矿井里使用的控制车辆运动的系统。

下面将关于地下矿井中的遥控采矿车说明本发明，不过应理解本发明并不局限于该实施例。

背景技术

在自动化意义上，地下采矿环境是非结构化的，但是在布局上又是高度结构化的。它由矿井确定的通道(具有墙壁的隧道)、交叉口、矿堆和放矿道组成。

这种环境中车辆的导航可与集中强化驾驶的任务相比，在集中强化驾驶中，驾驶仪和导航仪共同参与车辆的导航。驾驶仪只关心向前开动车辆，并使车辆始终保持在道路上，而导航仪使用步速记录(pace note)对其对地标的关注进行排序，并向驾驶仪提供和在交叉口选择路线有关的指令。

成功地驾驶并不需要绝对精确的位置数据。只有在必须做出抉择的交叉口处才需要车辆位置。幸运地，这些交叉口的真实本性使得它们易于被识别(结合从地图得到的测距数据和预计值)，并且能够根据交叉口几何形状，可靠地确定车辆的位置。

这种方法的优点在于它能够容许：环境内的各种变化；机械性能，即轮胎和重量的变化；以及不精确的初始化和地图绘制。图1中表示了驾驶仪和导航仪之间的相互作用。

传统的导航系统以绝对参照系为基础，在所述绝对参照系中，利用相对于外部参照系的距离确定车辆的位置。这种导航系统被称为绝对导航系统(ANS)。

在车辆路线受到墙壁限制的许多情况下，一种更为适当的方法是采用以相对参照系为基础的导航系统。这种系统被称为相对导航系统(RNS)。图2图解说明了ANS和RNS之间的主要差别。

在ANS中，按照外部坐标系，存在车辆要遵守的预定路线。如果车辆偏离该路线(稍许偏移)，则对车辆施加局部路线校正。在RNS中，不存在预定路线，只存在一些远隔的目的地。车辆的理想路线是产生的使车辆免于碰撞墙壁的局部(local)路线。虽然这些系统可产生类似的“车辆路线”，但是用于产生这些路线的控制系统完全不同。

图3图解说明了使用ANS的车辆控制。该系统需要地图和全局路线。地图含有用于帮助确定车辆位置的地标的位置。通过把矿山平面图中的地标与来自位置传感器的数据(例如反射信标的位置)进行比较，并且把该信息与推算定位法(dead reckoning)结合。位置传感器可以是必须放置在矿井中已知位置的反射信标。全局路线是相对于外部坐标系的一组点，确定穿过矿井的预定路线。通过比较何处为(x，y)和何处应为(x′，y′)，实现局部路线规划。这告知我们应去往何处。校正值被送入运动模型，把所述运动模型与车辆的状态(速度、加速度)相结合，估计航向和速度方面的变化，即航向变化(dα)和速度变化(dv)。

ANS实际上是盲目的-根据车辆的位置，而不是根据传感器告知的环境情况推断车辆的控制。如果定位存在任何误差，则车辆很可能碰撞墙壁。

本发明的目的是提供一种在地下环境中引导车辆的装置，所述装置不依赖于ANS。

一方面，本发明在于一种在不存在定位基础设施(这指的是外部环境中添加的用于帮助确定车辆位置的基础设施；它可包括主动和被动信标)或外部控制的情况下，通过确定墙壁相对于车辆的相对位置和方向，沿着由在车载传感器范围内的墙壁(所述墙壁不必是真实的墙壁；它可以是概念上的墙壁-它仅仅是车辆可去和不可去地方之间的边界)所限定的路线，引导(IEEE词典：“驱动车辆，使之到达预定目的地的过程”)自主车辆的装置，所述装置包括：

在不存在定位的情况下控制车辆(设置转向角和车速)的装置，所述装置包括实现下述功能的硬件和装置：

(a)使用距离数据(range data)确定车辆前面的自由空间，

(b)使用有效等高线(或蛇形线)产生理想路线，

(c)沿着例如弧线和开放区域，使用驾驶提示引导所述蛇形线，和/或

(d)例如在交叉口，使用转向提示把蛇形线限制在自由空间的特定范围中，和

(e)使用理想路线产生转向要求和速度。

另一方面，本发明在于一种车辆导航方法，所述方法包括产生有效等高线(或蛇形线)，以便产生车辆的理想路线，利用驾驶提示引导所述蛇形线和/或使用转向提示，把蛇形线限制在自由空间的特定范围。

距离数据可由车载传感器产生，所述车载传感器发出并接收电-磁/超声波辐射，以便确定墙壁的距离和方位。

产生理想路线的有效等高线可以是这样的，以便：

I理想路线必须避开墙壁，并且最好使弯度达到最小。