專利名稱：腳輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括測量和計算車輛的側(cè)向移動的裝置在內(nèi)的導(dǎo)行系統(tǒng)，和使用該系統(tǒng)為車輛導(dǎo)行的方法。更具體的說，本發(fā)明涉及一個安裝在無人駕駛車輛上的裝有測量轉(zhuǎn)動和擺動角度的傳感器的擺轉(zhuǎn)腳輪，以便使車輛的側(cè)向運動能由上述車輛的導(dǎo)行系統(tǒng)檢測和計算。
在專利文獻GB-A-2,158,965和US 4,847,769、4,816,998和5,175,415中公開了自動導(dǎo)行車輛的導(dǎo)行和控制裝置。GB-A-2,158,965和US 4,847,769這兩篇專利文獻描述了用一個固定的位置判斷系統(tǒng)來預(yù)測運動狀態(tài)的車輛，該系統(tǒng)是在一段很短的時間內(nèi)，借助于檢測轉(zhuǎn)向角度和一個受控制的轉(zhuǎn)向腳輪的轉(zhuǎn)動角度，來確定車輛在某一給定時間的位置的。US 4,847,769還描述了一個不斷地根據(jù)由車載激光掃描儀和裝在基準框架上的目標系統(tǒng)所確定的實際位置校核并改正預(yù)測位置的裝置。預(yù)測位置與實際位置之間的誤差用來確定一個平均偏角，該平均偏角通過卡爾曼篩選計算，用作計算車輛的下一個預(yù)測位置的校正系數(shù)。
專利文獻US 4,816,998描述了一種利用腳輪的車輛，腳輪上有角度測量傳感器，也有測量輪子轉(zhuǎn)動的傳感器，以便使導(dǎo)行系統(tǒng)能計算行駛的平均距離，車輛上一根軸線的角度變化，和車輛沿著一條假定的理想的固定半徑的弧形路線行駛的方位的變化。
專利文獻US 5,175,415描述了一種測量車輛前進和后退運動的裝置，方法是在各不擺動的驅(qū)動輪附近設(shè)置一個單獨的編碼器輪子。
以往的所有導(dǎo)行系統(tǒng)的作用都是有限的，因為沒有一種系統(tǒng)是借助于測量和計算車輛的側(cè)向運動來決定其當時的位置的。車輛的側(cè)向運動常常是指偏行，剎車時的拉帶或側(cè)滑。車輛的側(cè)向運動決定于車輛的轉(zhuǎn)動中心點。這個點通常位于導(dǎo)行系統(tǒng)沿著所選擇的路線引導(dǎo)車輛的縱向中心線上。車輛可能由于多種原因而發(fā)生側(cè)向運動，例如在下列情況下1)前輪定位失調(diào)；2)轉(zhuǎn)彎時，此時車輪擺動、扭曲和/或滑動；3)故意向側(cè)面轉(zhuǎn)彎。因此，以往的系統(tǒng)的綜合跟蹤精度，由于不能測量和計算車輛改變位置時的側(cè)向運動分量，而被損害了。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種帶有能確定車輛位置的變化，而與車輛行駛的方向無關(guān)的系統(tǒng)的車輛。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有能夠測量和確定車輛向前、向后或者任何側(cè)面方向的運動的系統(tǒng)的車輛。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種帶有能對車輛的側(cè)向運動作出反應(yīng)，調(diào)整車輛的駕駛的導(dǎo)行和控制系統(tǒng)的車輛。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種帶有車載導(dǎo)行系統(tǒng)的車輛，這種導(dǎo)行系統(tǒng)在駕駛車輛時把車輛的側(cè)向運動考慮在內(nèi)，而不需要利用車外的定位器、反射器或參照標志。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種裝備角度運動傳感器和一個自由轉(zhuǎn)動的腳輪的車輛，上述腳輪上有一個自由轉(zhuǎn)動的跟蹤輪，用來檢測車輛以車架為基準的兩個坐標方向上的運動。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種帶有導(dǎo)行系統(tǒng)的車輛，這種導(dǎo)行系統(tǒng)上裝有陀螺儀和一個用彈簧加載的，自由轉(zhuǎn)動的，具有球形接觸表面的腳輪，用于檢測車輛在兩個坐標方向上位置的變化，以便更好的控制車輛。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種帶有導(dǎo)行系統(tǒng)的車輛，這種導(dǎo)行系統(tǒng)上裝有陀螺儀和檢測行駛距離和車輛轉(zhuǎn)動的腳輪，并且上述腳輪可以安裝在車輛的任何位置上。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種由導(dǎo)行系統(tǒng)控制的車輛，這種導(dǎo)行系統(tǒng)裝備了角度運動傳感器和一個能自由轉(zhuǎn)動，自由擺動，無載支承的跟蹤腳輪，上述腳輪檢測車輛以車架為基準的兩個坐標方向上的運動，為車輛提供更精確的控制。
在閱讀和理解了下面對本發(fā)明的詳細描述之后，本發(fā)明的上述以及其他目的將會變得十分明了。
本發(fā)明提供一種車輛，它包括一個根據(jù)第一裝置和第二裝置所提供的信息為車輛導(dǎo)行的導(dǎo)行系統(tǒng)，上述第一裝置檢測車輛方位的變化，上述第二裝置測量車輛沿著行駛表面的所有的運動。
下面參照附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。附圖中

圖1是一輛雙聯(lián)操縱無人駕駛車輛的立體圖，車上裝有按照本發(fā)明的跟蹤腳輪；圖2a是按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例的一個跟蹤腳輪組件的立體圖；圖2b是圖2a中的跟蹤腳輪組件的側(cè)視圖；圖3是按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例的裝有跟蹤腳輪的車輛的示意圖；圖4是按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例的裝有一個電滑環(huán)組件的獨立編碼器的剖視圖。
在詳細說明本發(fā)明之前，應(yīng)該理解，本發(fā)明并不僅限于下面所描述的，或附圖所表示的結(jié)構(gòu)細節(jié)和零件布置。本發(fā)明還可以有其他的實施例，或者以各種不同的方式實施。同樣，也應(yīng)該理解，在說明書中所用的措辭和術(shù)語只是為了說明，而不是為了限制。
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例是一輛無人駕駛車輛，它包括具有一個角度運動傳感器和一個跟蹤腳輪組件的導(dǎo)行系統(tǒng)，上述腳輪組件上裝有一個腳輪擺動傳感器和一個輪子轉(zhuǎn)動傳感器，以確定車輛的相對位置，并且基本上考慮了車輛沿著行駛表面上的所有運動。這些傳感器能使導(dǎo)行系統(tǒng)更精確地確定車輛的當前位置，并且能使導(dǎo)行系統(tǒng)為車輛導(dǎo)向。
圖1中表示一輛雙聯(lián)操縱的無人駕駛車輛10，它包括一個裝有角度運動傳感器12的導(dǎo)行系統(tǒng)，一個跟蹤腳輪組件40，至少一個計算機處理器16，和一個前操縱機構(gòu)18與后操縱機構(gòu)20。上述車輛10可以是適合于上述目的的任何車輛，包括無人駕駛車輛，單聯(lián)或雙聯(lián)操縱的車輛，有線或無線導(dǎo)向的車輛，但并不僅限于這些車輛。同樣，上述計算機處理器和操縱機構(gòu)可以是任何公知的用于上述目的的普通類型。
上述角度運動傳感器用于提供有關(guān)車輛當前的方位的信息。通常，上述角度運動傳感器是一個陀螺儀，可以是適用于上述目的的任何類型的陀螺儀，也可以選擇專門用于上述目的的。最好，上述陀螺儀是固定速率陀螺儀。
上述跟蹤腳輪組件40在圖2a和圖2b中表示得最清楚，它包括一個自由轉(zhuǎn)動接觸輪42，一塊安裝板44，一個自由擺動腳輪分組件46，一個輪子轉(zhuǎn)動傳感器48，和一個腳輪擺動傳感器50。跟蹤腳輪組件40的結(jié)構(gòu)決定于所用車輛的具體情況，但設(shè)計的原則應(yīng)該是使接觸輪42的跟蹤性能最佳，同時使擺動摩擦最小。
在接觸輪42上可以安裝一個輪胎52，以提高其接觸性能。軟輪胎的跟蹤性能好，而硬輪胎的擺動摩擦小。因此，最好是具有介于這兩種對抗因素之間的折中性能的輪胎。雖然輪胎52的胎面輪廓可以根據(jù)具體應(yīng)用情況來選擇，但優(yōu)選的胎面輪廓是球面形狀，以便使載荷能在輪子的接觸點周圍對稱分布。
上述自由擺動腳輪分組件46通常在腳輪支柱64與接觸輪軸線66之間有一個水平的偏置距離，有時稱之為“腳輪偏置距離”或“腳輪前置距離”。這個水平的偏置距離減小了使腳輪擺動所需要的力。上述分組件46有時可選擇使用一種用彈簧加載的樞軸連接件68和叉子70，使得接觸輪42與分組件的連接方式能讓接觸輪42相對于安裝板44上下運動，這樣，接觸輪42就能適應(yīng)波浪形的表面。
上述輪子轉(zhuǎn)動傳感器48可以是任何一種能提供反映接觸輪的轉(zhuǎn)動的信號的傳感器，它可以是光學的，磁的，或者電-機械式之類的傳感器。通常，輪子轉(zhuǎn)動傳感器48是設(shè)置在接觸輪軸66周圍的一個增量軸編碼器。更好一些，上述增量軸編碼器是正交型的，還能夠提供轉(zhuǎn)動的方向。此外，上述腳輪擺動傳感器50可以是任何能提供反映腳輪分組件46相對于腳輪安裝板44的擺動的信號的傳感器。通常，這種腳輪擺動傳感器50是一種設(shè)置在腳輪支柱64上的獨立軸編碼器，如圖4所示。一個獨立軸編碼器可提供標明被測量的軸的絕對位置的信號。
更好的設(shè)計如圖4所示，腳輪支柱64和獨立軸編碼器有一根空心軸72，而上述獨立軸編碼器的主體有一個穿過上述主體74中心軸線，向上通到一個電滑環(huán)組件76的孔口，以容納從輪子轉(zhuǎn)動傳感器48過來的信號線。電滑環(huán)是一種在相對于第二構(gòu)件(通常稱之為定子)轉(zhuǎn)動的第一構(gòu)件(通常稱之為轉(zhuǎn)子)與第二構(gòu)件的接觸點之間保持通電的裝置，一般連接在第二構(gòu)件上。上述從輪子轉(zhuǎn)動傳感器48過來的信號線穿過空心的腳輪支柱64，獨立編碼器軸72，編碼器74的主體，連接在滑環(huán)組件76的轉(zhuǎn)子一側(cè)。雖然從輪子轉(zhuǎn)動傳感器48傳來的信號可以根據(jù)車輛的結(jié)構(gòu)用各種不同的方式傳到導(dǎo)行系統(tǒng)上，但這種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)能使腳輪在任何方向的擺動都不受限制。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，下面描述裝有如圖2a和圖2b所示的跟蹤腳輪組件的車輛的動作過程，而且，參照圖3將會更加明白。車輛上的車輛導(dǎo)行系統(tǒng)，借助于在車輛的行駛和操縱的一段很短的時間里，各種傳感器接收到的各種反映在車輛上的輸入信號而傳過來的抽樣數(shù)據(jù)，按照常規(guī)方式進行工作。更具體的說，導(dǎo)行系統(tǒng)的目的是要沿著一條經(jīng)過選擇的路線，或向著一個指定的地點，引導(dǎo)車輛上的一個以樞軸點P表示的點。所選擇的這個點P通常位于車輛的縱向中心線上。所選擇的這個點可以由車輛的結(jié)構(gòu)和/或動力學來確定。
上述樞軸點P用作計算車輛相對于車輛的坐標系統(tǒng)(常常是指車架的參照系)運動的基準點或原點。計算車輛在前后方向(Y方向)位置改變的分量Ym，和計算車輛在側(cè)向(X方向)位置改變的分量Xm，都要參照以樞軸點P為原點的X-Y坐標系統(tǒng)。
上述跟蹤腳輪組件可以裝在車輛上任選的或者方便的位置上。測量出上述跟蹤腳輪組件，具體的說是腳輪樞軸64的中心相對于樞軸點的位置。所測得的這兩點之間的距離記為Cy和Cx,Cy是沿Y方向的距離，Cx是沿X方向的距離，這兩個距離都是相對于車架的參照系的。此外，測量并記錄腳輪的帶有輪胎52的接觸輪42的半徑Wr和水平偏移距離S1。這些常數(shù)是用來計算Ym和Xm的一部分數(shù)據(jù)。
當車輛運動時，隨著車輛行駛方向的不同，上述輪子轉(zhuǎn)動傳感器48和/或腳輪擺動傳感器50會檢測到上述運動，并把一個相應(yīng)的信號傳到導(dǎo)行系統(tǒng)的計算機處理器16上。由輪子轉(zhuǎn)動傳感器48檢測到的車輛的行程是輪子的轉(zhuǎn)動角度(以弧度計)Wa與輪子半徑Wr的乘積，上述角度Wa直接由輪子轉(zhuǎn)動傳感器所提供的信息確定。車輛的腳輪擺動傳感器50檢測到的行程Pm，是腳輪擺動角度的變化(最后的角度Sf減去原始的角度Si)除去車輛的方位變化Hc(由角運動傳感器確定)，與腳輪的水平偏移距離S1的乘積。兩個測量時間間隔之間的平均腳輪角度SA是原始的角度Si加上擺動角度的變化被測量時間間隔除的一半。一當測量和計算出這些變量之后，就能得出Xm=Rm·Sin(SA)+Pm·Cos(SA)+Cy·Hc以及Ym=Rm·Cos(SA)+Pm·Sin(SA)+Cx·Hc。
當兩次測量取樣之間的時間間隔減小時，計算的準確度就增大。
然后，上述導(dǎo)行系統(tǒng)利用Xm和Ym的數(shù)值，計算車輛此時的位置，于是導(dǎo)行系統(tǒng)就能確定，如何使車輛沿著一條所要求的路線或者向著一個既定的位置前進。實例下面的理論計算實例，能使你進一步理解這些計算公式。實例1一輛車輛沿著一條直線路徑行駛，然后以既無側(cè)向運動(Xm=0)也無方位變化(Hc=0)的方式向相反方向行駛。
則Xm=Rm·Sin(SA)+Pm·Cos(SA)=0Ym=Rm·Cos(SA)-Pm·Sin(SA)最初SA=0度，而Ym=Rm。
應(yīng)該指出，Ym的符號是負的，因為Rm是負的(輪子向后轉(zhuǎn)動)。這是一個不穩(wěn)定狀態(tài)，從理論上說，它能無限期地延續(xù)下去。當有干擾使SA變化時，腳輪便開始平移。
在平移的過程中，運動要受下式限制RMPM=-Cos(SA)Sin(SA)]]>
當SA=(+或-)90度時，輪子停止轉(zhuǎn)動，并且YM=(+或-)Pm。
當SA接近180度時，腳輪的平移無限期延續(xù)。實際上的限制是由腳輪擺動編碼器來判定的。當測得腳輪的擺動角為180度時，腳輪的平移完成。
最后SA=180度，而Ym=-Rm。
應(yīng)該指出，Ym的符號是負的，因為Cos(SA)=-1。實例2車輛被向側(cè)向推動，所以全部運動都是橫向的(Ym=0)，方位不改變(Hc=0)。
于是Xm=Rm·Sin(SA)+Pm·Cos(SA)Ym=Rm·Cos(SA)-Pm·Sin(SA)=0最初SA=0度，而Xm=Pm。
應(yīng)該指出，輪子并沒有轉(zhuǎn)動，所測得的最初的運動只是腳輪的擺動。但是，腳輪的擺動使得SA改變，于是腳輪立即開始平移。
在平移的過程中，運動由下式限定RMPM=Sin(SA)Cos(SA)]]>
當SA接近(+或-)90度時，腳輪的平移無限期地延續(xù)。當腳輪擺動傳感器測得的角度為(+或-)90度時，腳輪的實際平移完成。
最后SA=(+或-)90度，而Xm=(+或-)Rm。
應(yīng)該指出，Rm始終是正的，Xm的符號決定于Sin(SA)。實例3一輛車在輪子不轉(zhuǎn)動(Rm=0)和腳輪的擺動角固定(SA=Sf=Si=0度)的情況下，被迫繞輪子的接觸點轉(zhuǎn)動，于是Xm=Pm+Cy·Hc=-S1·Hc+Cy·Hc=(Cy-S1)·HcYm=-Cx·Hc應(yīng)該指出，所有的運動都是由于固定的尺寸偏移而加倍的方位變化。實例4一輛車在輪子不轉(zhuǎn)動(Rm=0)和腳輪的擺動角被方位的改變所限制(Sf-Si=Hc)的情況下，被迫繞腳輪的支柱轉(zhuǎn)動。
于是Pm=S1·(Sf-Si-Hc)=0并且Xm=Cy·HcYm=-Cx·Hc
再一次指出，所有的運動都是由于固定的尺寸偏移而加倍的方位變化。實例5一輛車沿著直線路徑行駛，然后停止，并且發(fā)生45度的側(cè)滑(Xm=Ym)，而方位不變(Hc=0)。
于是Xm=Rm·Sin(SA)+Pm·Cos(SA)Ym=Rm·Cos(SA)-Pm·Sin(SA)最初SA=0度，并且Xm=Rm=Ym=Pm應(yīng)該指出，輪子的轉(zhuǎn)動運動與腳輪的擺動運動相等。但，腳輪的擺動使得SA改變，立即開始腳輪的平移。
在平移時，運動由下式限制Rm·Sin(SA)+Pm·Cos(SA)=Rm·Cos(SA)-Pm·Sin(SA)當SA接近45度時，中心的平移無限地延續(xù)。當腳輪擺動傳感器測得45度時，實際平移完成。
最后SA=45度，而Pm=0Xm=Rm·Sin(SA)；Ym=Rm·Cos(SA)應(yīng)該指出，所有的運動都是因為由SA推導(dǎo)出來的常數(shù)所加倍的輪子的轉(zhuǎn)動。對于任何側(cè)滑角度都能作同樣的分析。
權(quán)利要求
1．一種腳輪，它包括把上述腳輪固定在一臺設(shè)備上的安裝裝置；一個具有在一根軸上轉(zhuǎn)動的自由轉(zhuǎn)動接觸輪的自由轉(zhuǎn)動接觸輪組件；用于檢測上述自由轉(zhuǎn)動接觸輪圍繞上述軸的轉(zhuǎn)動的第一裝置；用于將上述自由轉(zhuǎn)動接觸輪組件可旋轉(zhuǎn)地連接在上述安裝裝置上的擺動裝置，其中，上述擺動裝置使得上述自由轉(zhuǎn)動接觸輪組件能繞著一根與上述軸垂直的軸線轉(zhuǎn)動；用于檢測上述自由轉(zhuǎn)動接觸輪組件繞著上述軸線轉(zhuǎn)動的第二檢測裝置；該裝置還用于檢測自由轉(zhuǎn)動接觸輪沿表面運動時上述設(shè)備的側(cè)向運動；以及用于將上述第一裝置與固定在上述安裝裝置上的一個點在電氣上連接起來的連接裝置。
2．如權(quán)利要求1所述的腳輪，其特征在于，上述連接裝置包括一個電滑環(huán)，該滑環(huán)使得上述組件在任何方向都不受限制地繞著上述軸線轉(zhuǎn)動，同時在上述第一裝置與上述點之間保持電氣連接。
3．如權(quán)利要求2所述的腳輪，其特征在于，上述滑環(huán)以上述軸線為中心。
4．如權(quán)利要求1所述的腳輪，其特征在于，上述連接裝置包括一組導(dǎo)線，這組導(dǎo)線從上述第一裝置通過上述組件中的一個孔，并通過在上述第二裝置中的一個孔，通到設(shè)置在上述軸上的電滑環(huán)上，并與它連接，上述軸使得上述組件能在任何方向都不受限制地繞著上述擺動裝置轉(zhuǎn)動，同時還保持與一組仍然固定在上述安裝裝置上的端子在電氣上的連接；其中，上述這些孔的位置在上述軸的中心線上，并沿著上述軸的中心線延伸。
5．如權(quán)利要求1所述的腳輪，其特征在于，上述設(shè)備是無人駕駛的車輛。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種安裝在無人駕駛車輛上的轉(zhuǎn)動的腳輪,腳輪上裝有測量轉(zhuǎn)動和擺動的角度傳感器,從而能檢測出車輛的側(cè)向運動,并由車輛的導(dǎo)行系統(tǒng)進行計算。在一個無人駕駛車輛的優(yōu)選實施例中,包括一個導(dǎo)行系統(tǒng),該系統(tǒng)具有一角度運動傳感器,一裝有腳輪擺動傳感器的跟蹤腳輪組件,和一輪子轉(zhuǎn)動傳感器,從而能根據(jù)車輛在表面上行駛的全部運動情況,確定車輛的相對位置。這些傳感器使導(dǎo)行系統(tǒng)能更準確地確定車輛當前的位置,使導(dǎo)行系統(tǒng)更好地為車輛導(dǎo)行。
文檔編號B60B33/00GK1310107SQ00133329
公開日2001年8月29日 申請日期1996年10月18日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月18日
發(fā)明者康奈爾·W·阿洛茲, 羅納德·R·德倫斯 申請人:杰維斯B·韋布國際公司