用于在扩展区域中操作的自动驾驶车辆的无线控制系统的制作方法

1.本公开涉及用于自动驾驶车辆的无线控制系统的领域。特别是，它提供了一种紧急停止机制，其效果超出了单个发射机的覆盖范围。


背景技术：

2.虽然自动驾驶车辆(av)被设计为在很少或没有人类交互的情况下操作，但公认的安全标准不仅需要监控，而且还需要高度可靠的紧急停止机制的可用性。在av操作期间，可以例如基于传感器信号自动或由操作员命令这种紧急停止。对于重型av、自主建筑设备和类似机械，安全标准特别严格。
3.在设计无线av控制系统时，必须考虑无线电通信的故障倾向性。实际上，如果假定发射器始终拥有到移动av的工作无线电链路，且发射器可以在需要时通过该无线电链路发射紧急停止消息，则紧急停止机制在本质上是不安全的。相反，如果无线av控制系统通过不再发送授权信号来命令紧急停止，则可以消除无线电链路故障的风险。从av的角度来看，只有当车辆按预期例如以指定的时间间隔接收到授权信号时才允许移动。如果av失去与发射器的无线电链路，它必须中止。
4.在这种“授权信号”范式下的无线av控制系统中的紧急停止机制通常可以被设计成具有令人满意的安全特性。对于av在单个无线电发射器无法覆盖的工作场所操作的用例，期望提供具有等效紧急停止机制的av控制系统。当工作场所具有大的物理范围、存在反射或吸收表面或必须管理对其他发射器的干扰时，需要多个无线电发射器。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种用于在单个无线电覆盖区域之外操作的av的紧急停止机制。本发明由独立权利要求限定。
6.本发明的第一方面提供了一种用于控制av的无线控制系统，包括多个本地站和链接本地站的通信网络。本地站对应于不同但不一定不相交的无线电覆盖区域。
7.第二方面提供了用于无线控制系统的本地站。本地站可以包括无线电发射器和紧急停止开关。无线电发射器可操作以发射持久状态信号，该信号授权av在其接收信号时移动。可以使用紧急停止开关中断状态信号的传输。根据第二方面，本地站还包括用于与一个或多个另外的本地站通信的通信元件，该本地站通过通信网络链接到该一个或多个另外的本地站，并且该一个或多个另外的本地站被类似地配备。通信元件被配置为指令另外的本地站中的至少一个中断它们的状态信号的传输。相反，通信元件被配置成如果它从另外的本地站之一接收到中断状态信号的指令，它将执行该指令。
8.如本文所用，如果两个本地站具有根据第二方面的结构和功能特性，则它们被“类似地配备”。这定义了最小的相似度。本地站不需要相同地被实现，并且本地站中的任一个可以包括附加结构或功能。
9.包括根据第二方面的本地站的无线控制系统对于朝向每个av的无线电链路的故
障本质上是安全的。由一个本地站中的紧急停止开关触发的紧急停止通过通信网络传播到另外的本地站，也就是说，不依赖于朝向av的所述无线电链路。该传播将中断来自控制系统中所有本地站的状态信号的传输，从而命令所有av中止。
10.第三方面涉及一种由无线av控制系统中的本地站实施的方法。根据该方法，紧急停止开关的激活不仅使本地站中断其状态信号，而且还指令无线控制系统中的一个或多个本地站中断它们的状态信号。
11.配置有根据第三方面的逻辑的本地站可以充当具有固有安全的全局紧急停止功能的无线av控制系统的元件。
12.第四方面提供了一种用于执行所述方法的计算机程序。
13.进一步的有利实施例由从属权利要求限定并且将在下面详细描述。
14.通常，除非本文另有明确定义，权利要求中使用的所有术语均应根据其在技术领域中的普通含义进行解释。所有对“一个/一/该元件、设备、组件、装置、步骤等”的引用除非另有明确说明，否则应公开解释为指代元件、设备、组件、装置、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，不必按照公开的精确顺序执行本文公开的任何方法的步骤。
附图说明
15.现在参考附图以示例的方式描述方面和实施例，在附图上：
16.图1示出了其中部署了具有多个本地站的av控制系统的示例工作场所；
17.图2示出了通过具有线性总线拓扑的通信网络链接的两个本地站；
18.图3示出了由具有菊花链拓扑结构的通信网络链接的三个本地站以及在这些本地站之间交换的消息；
19.图4示出了示例av；以及
20.图5是在本地站中实现的方法的流程图。
具体实施方式
21.现在将在下文中参考附图更全面地描述本公开的各方面，在附图中示出了本发明的某些实施例。
22.然而，这些方面可以以许多不同的形式体现，并且所描述的实施例不应被解释为限制性的；相反，这些实施例是以示例的方式提供的，以便本公开将彻底和完整，并且将本发明的所有方面的范围完全传达给本领域技术人员。贯穿说明书相同的数字指代相同的元素。
23.图1示意性地描绘了工作场所的一部分，其中，多个av 20、21、22在无线控制系统10的监督下操作。av可以是汽车，特别是卡车41、公共汽车42、轻型或重型机械43，如图4所示。工作场所的街道具有复杂的几何形状，且两旁是无线电波无法穿透的建筑物和其他物体。为了在工作场所的所有区域中实现可工作的无线电条件，已经部署了多个本地站1a、1b、1c、1d，每个本地站限定了各自的无线电覆盖区域9a、9b、9c、9d。注意，图1中的虚线圆圈指示每个无线电覆盖区域9a、9b、9c、9d的最大范围，就好像不存在阻挡物体一样。本地站1a、1b、1c、1d通过通信网络链接，如后续图中的项目11所示。
24.通信网络11是有线(包括光纤)网络或无线网络。取决于本地站的间隔，通信网络
11的无线实现方式可以在局域或蜂窝频率下操作，或者可以是根据gsm、umts、lte或nr标准或更高标准的现有蜂窝网络的覆盖。通信网络11应该优选地比本地站1和每个av 20、21、22之间的无线电链路更可靠；该要求通常使有线实现方式成为首选。然而，考虑到物理上静止的节点之间存在稳定的无线电条件，本地无线电台可以以高功率发射，除非它们是电池供电的并且可能具有足够的处理资源来应用复杂的解码和多天线技术等，则即使具有作为节点的本地站的无线通信网络11也可以被使得很可靠。
25.在正常操作期间，每个本地站1发射授权av 20、21、22移动的持久无线电状态信号。如本文所用，移动不仅包括驾驶，而且包括自卸车、臂或其他潜在危险的工具的操作。无线电状态信号可以根据预定义的时频模式进行发射，该时频模式可以是专有的或标准化的。例如，状态信号可以是在预定频带中周期性地发射的参考信号。为了避免无线电覆盖区域重叠的站间干扰，可以将不同的频带分配给不同的本地站，其中，一旦av 20、21、22从任何本地站1接收到状态信号，它们就被授权移动。在应用该授权规则的情况下，当av 20、21、22移动到不同的无线电覆盖区域9时，可以在不需要专用切换过程的情况下实施根据本发明的紧急停止机制，就像在许多已知的蜂窝通信系统中一样。状态信号的周期ts与最大可接受的紧急停止延迟具有相同的数量级：如果av中的每个都被配置为在未能接收到预定义数量n的状态信号传输时停止移动，则当前被第一本地站1a发射的状态信号授权移动的第一av 20将在第一本地站1a中断状态信号之后最多nts秒停止。
26.注意，移出覆盖范围的av 20、21、22将被自动中止。因此，系统10的所有无线电覆盖区域9a、9b、9c、9d的联合限定了授权av移动的工作场所的范围。
27.现在将参照图2描述本地站1的示例内部工作，其中，两个类似配备的本地站1被示为连接到通信网络11。在所示示例中，链接本地站1的通信网络11是有线网络，并且至少在图2所示的部分中，具有线性总线拓扑。线性总线拓扑通常允许每个节点直接与网络中的任何其他节点通信。本地站1包括处理器7和无线电发射器2。处理器7可以是可编程逻辑控制器(plc)或被包括在pcl中。无线电发射器2适于至少向av 20、21、22发射状态信号。为此，无线电发射器2可以包括基带电路、放大器和至少一个天线。无线电发射器2可以另外具有接收能力。
28.本地站1还包括紧急停止开关3，通过它可以中断状态信号的传输，从而使av 20、21、22中止。紧急停止开关3可以由操作员例如使用布置在本地站的紧急停止键5激活。替代地或附加地，紧急停止开关3可以由来自传感器6的信号激活。传感器6可以例如感测与本地站点1附近的av或由系统10作为一个整体者控制的av的安全相关的条件，诸如高温或低温、强风、未经授权的人员或动物在工作场所的存在。传感器6可以布置在本地站1的无线电覆盖区域内或否则布置在使得本地站是最方便的1连接点的位置。
29.本地站1可选地包括视觉指示8，其可被操作以可视化本地站1的紧急停止开关3已被激活。有利地，如果本地站1响应于通过通信网络11从不同本地站接收的指令而中断了状态信号的传输，则不激活视觉指示8。这有助于操作员将紧急停止的原因定位到确定的本地站1。在一个实施例中，视觉指示8可以在多种模式下操作。例如，视觉指示8可操作以产生表示正常操作的绿光、表示被自己的紧急停止开关中断的状态信号的红光以及表示被从另一本地站接收到的用于中断的传入指令中断的状态信号的琥珀色光。
30.本地站1配备有通信元件4，该通信元件4被配置为与通过通信网络11链接到的另
外的本地站进行通信。本地站1将指令另外的本地站中的至少一个在本地站1自身的紧急停止开关3被激活时中断状态信号。当通信网络11具有合适的拓扑，诸如图2中所示的总线拓扑或星形拓扑或类似拓扑时，本地站1可以自主地将该指令发送到所有另外的本地站。对于菊花链和其他拓扑结构，如下所述，本地站1可以向相邻本地站发送中断指令，但可能需要相邻和另外的本地站的帮助以便使指令到达系统10的所有本地站，其中，相邻本地站将指令传播到与其自身相邻的本地站。
31.在本地站1接收到中断状态信号的传入指令的情况下，其被配置为执行该指令。在星形或总线拓扑中，传入指令源自另一个本地站，其紧急停止开关3已被激活。在菊花链拓扑中，传入的中断指令可能源自已激活紧急停止开关的本地站，或者源自已从另一本地站传播此类指令的本地站。如前所述，如果状态信号响应于传入指令而中断，则不应激活视觉指示8。
32.本地站1可以被配置为通过通信网络11发射信号，该信号表示不存在或存在用于中断状态信号的传输的指令。如果通信网络11包括用于监控网络健康的单独实体和/或具有用于自动请求重传失败传输的机制，则可以以任何合适的格式对指令进行编码和以信号传送。实际上，监控或重传机制指示具有指令可能没有按预期到达其他本地站的可能影响的干扰的情况可能触发控制系统10中的安全措施，诸如全局紧急停止。在通信网络11不包括这种安全监控或重传机制——或者由于其他原因而除了网络11自己的安全层之外还需要一个安全层——的实现方式中可以使用以下信令：(1)没有中断状态信号的传输的指令对应于本地站1在通信网络11上发出心跳信号，以及(2)存在中断的指令对应于本地站1中断发出心跳信号。心跳信号可以是不太可能与诸如传输线上的备用电势或无线电信道上的干扰的通信网络11的背景信号混淆的任何合适的波形。具有预定周期和脉冲宽度的方波可以用作有线网络中的心跳信号。
33.可以通过命令本地站1再次开始发出心跳信号来恢复正常操作。为了在某个本地站的稍微延迟的激活被解释为要中断的新指令的情况下避免自阻塞，本地站1应该优选地以近似同时的方式重新激活。或者，可以定义专用的恢复过程命令，其包括日出期，其间允许本地站1发出心跳信号而不从链接的本地站接收预期心跳信号。
34.在具有总线或星形拓扑的通信网络11中，诸如图2中所示的那种，本地站1的传输将像多播消息一样被所有其他本地站接收。时分协议可用于分离和区分源自不同本地站的传输。例如，在具有n个本地站的控制系统10中，每个本地站可以被分配为每第n个时隙发出其心跳信号，其中，向每个本地站分配唯一的偏移量(以时隙的数量表示)。由于每个本地站都应执行中断指令，而不管发起者是谁，本地站不需要知道确切的分配，只需知道它应监听心跳信号的时隙集。监听本地站将在时隙的其中一个中没有预期的心跳信号解释为中断状态信号传输的指令。代替时分，可以采用码分方案，其中，不同的本地站发出正交心跳信号。
35.现在参考图3，将讨论用于通信网络11的对应信令，该通信网络11具有菊花链拓扑结构或等效拓扑结构，其意义在于它允许本地站1仅向其一个或多个邻近的本地站发送消息。通信网络11由分段组成，每个分段链接一对本地站。图3示出了第一和第二本地站1a、1b之间以及第二和第三本地站1b、1c之间的完整分段。还建议了第一本地站1a和另一本地站(未示出)之间的分段以及第三本地站1c和又一个本地站(未示出)之间的分段。这些分段可以彼此电隔离以避免由泄漏、接地差异和短路等引起的杂散信号。
36.最初假定通信网络11的分段仅允许单向通信并且网络11的端点连接以形成闭合的循环拓扑。在此假设下，图3中由32b和32c指示的消息不被发送，但将在下面讨论。在正常操作中，第一本地站1a向第二本地站1b发出第一心跳信号31a，第二本地站1b向第三本地站1c发出第二心跳信号31b。相反，第二本地站1b监听第一心跳信号31a，且第三本地站1c监听第二心跳信号31b。如果第二本地站1b在预定时间h内没有接收到第一心跳信号31a，则它将这解释为从第一本地站1a接收的中断指令，并且它中断在其无线电覆盖区域9b内的状态信号的传输。第二本地站1b进一步停止向第三本地站1c发出第二心跳信号31b；第二心跳信号31b的停止相当于传播中断指令。在具有n个本地站的av控制系统10中，所有本地站将被指令在最多(n-1)h秒的总传播时间内中断其状态信号的传输(不考虑内部处理延迟)，将在第一个紧急停止开关激活后的(n-1)h nts秒的最大总延迟之后使最后av停止。
37.如果在每个分段上有可能进行双向通信，则可以减少具有循环拓扑的通信网络11中的传播时间，如可以通过诸如时分双工的已知多路复用技术来安排的那样。假设这在图3中部分示出的通信网络11中是可能的，每个本地站向两个相邻的本地站发出心跳信号31、32，这作为本公开中的纯命名约定，将被称为向上和向下。例如，第二本地站1b向第三本地站1c发出向上的第二心跳信号31b并且向第一本地站1a发出向下的第二心跳信号32b。类似地，第二本地站1b监听来自第一本地站1a的向上的第一心跳信号31a和来自第三本地站1c的向下的第三心跳信号。在循环拓扑中，这可以将最大总延迟降低到其中，表示向下舍入到下一个整数。
38.如果图3中的通信网络11的拓扑是开放的，例如，本地站依次布置在构成网络端点的两个本地站之间，则双向连通性确保最终通过中断传输的指令到达所有本地站的状态信号。在其中中断指令源自端点之一的最坏的情况下，到另一个端点的传播时间约为(n-1)h，且最大总延迟可能为(n-1)h nts。
39.在实施例中，本地站1被配置为感测其邻居的存在。在其中通信网络11具有带有双向网段的开放式菊花链拓扑结构的刚刚讨论的示例中，构成端点的本地站具有与中间本地站不同的行为。根据本实施例配置的本地站1将充当自组织网络元件。这简化了部署过程，因为所有本地站1都可以制造成具有相同的硬件和软件，其中，在感测步骤中实现个性化。
40.相邻节点的感测可以基于(a)在通信元件4上的电缆终端的占用状态，(b)在所有本地站被设置为发出它们的心跳信号的特定初始化模式中监听传入的心跳信号，而与紧急停止状态无关，或(c)通过下述方式的统计方法：例如，假设接收到的心跳信号的最大数量代表本地站的实际连接性，假设连接条件占主导地位最长的时间代表正常操作。在图3所示的示例中，第一、第二和第三本地站1a、1b、1c将感测两个链接的邻居的存在，且因此将分别发出和监听两个心跳信号。端点节点(未显示)在感测后将只监听一个心跳信号，并且仅发出一个。也就是说，存在感测的结果确定了感测本地站要将其中断指令指向并且它将传入的中断指令传播到的那些其他本地站。此处描述的实施例在具有复杂或非均匀拓扑的通信网络11中可能更加有利，例如，其中，每个本地站可以具有一个、两个、三个或更多个邻居。
41.可以通过根据图5中的流程图的方法50来概括用于控制av 20、21、22的无线控制系统10的本地站1的上述行为。在可选的第一步骤51中，本地站1感测到至少一个相邻本地站的存在，它应将中断状态信号的指令引导到该相邻本地站，且它应将传入指令传播到该相邻本地站。在第二步骤52中，本地站1在本地站的无线电覆盖区域9中发射持久状态信号，
持久状态信号授权av在其接收信号时移动。在第三步骤53，本地站1监控其紧急停止开关3。如果确定激活，在第四步骤54，本地站中断状态信号的传输。在第五步骤55中，进一步响应于步骤53中的肯定确定，本地站1指令无线控制系统10中的一个或多个类似配备的另外的本地站中断其状态信号的传输。
42.在特定实施例中，方法50可以包括一个或多个附加步骤：(i)执行接收到的指令以通过控制本地站1的无线电发射器2来中断状态信号；(ii)将接收到的中断状态信号的指令传播到至少一个另外的本地站；(iii)感测另一本地站的存在，本地站1通过通信网络11链接到该另一本地站，通过该通信网络11发送中断的输出指令和/或传播传入指令；(iv)识别相邻的本地站，所述指令将被发送或传播到该相邻的本地站。
43.根据上述步骤(iv)，在仅允许包括例如地址报头的单播消息的协议下，了解相邻本地站的身份在通信网络11中是相关的。将本地站1与可区分的身份相关联还可以实现av控制系统10的分区，由此紧急停止影响一个或多个与发起方本地站相邻或接近的本地站，但仅限于系统10的预定义分区。分区可以对应于本地站身份的预定义地址范围。例如，系统10的管理员可能认为容易触发紧急停止的局部因素在分区内与安全相关，但在分区外不与安全相关；这可以实现地理上扩展的控制系统10的方便集中操作，同时减少代价高昂的停机时间。
44.可以在被配置为控制本地站1的处理器7的帮助下执行根据其各种实施例的方法50，其中，方法50被表示为计算机可读指令。在一个实施例中，计算机可读介质包括这样的计算机可读指令。在所附权利要求的意义上，计算机可读介质可以是任何易失性或非易失性存储介质，或者是诸如传输所述计算机可读指令的调制电、电磁或光载波的临时介质。调制载波可用于将计算机可读指令上传到将执行方法50的本地站的存储器。
45.以上主要参照几个实施例描述了本公开的各方面。然而，如本领域技术人员容易理解的，在如所附专利权利要求限定的本发明的范围内，除了上面公开的实施例之外的其他实施例同样是可能的。