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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Umfelds, ein
Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung, eine Einrichtung, einen
Roboter, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.
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Stand der Technik
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Mit
der fortschreitenden Automatisierung auf technischem Gebiet ist
der breite Einsatz von Servicerobotern für zunächst einfache Arbeiten im Haushalt
in den nächsten
Jahren zu erwarten. Typische Einsatzgebiete für derzeit am Markt verfügbare Systeme
sind Staubsaugen, Rasenmähen
und die Überwachung
von Gebäuden.
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Im
Bereich der Überwachungstechnik
werden bereits jetzt ohnehin notwendige Bildaufnahme- und ggf. Bildauswertungsmethoden
der digitalen Bildverarbeitung zur Steuerung, bspw. Kollisionsvermeidung,
Ortung und Wegeplanung, von beweglichen Einrichtungen und somit
von Robotern eingesetzt. Autonome Staubsauger und Rasenmäher, die einem
wesentlich höheren
Kostendruck unterliegen, orientieren sich beim Bewegen nach dem
Zufallsprinzip, d.h. ihre Route durch das zu bearbeitende Gebiet lässt sich
nicht vorab festlegen. Stattdessen wird ihre Bewegung durch zufälliges Umkehren
bei Kollisionen mit Objekten oder an Abgründen, bspw. an Treppen, bestimmt.
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Die
Kollisionserkennung und die Erkennung von Abgründen erfolgt mittels mechanischer
oder optischer Sensoren wie Lichtschranken. Rasenmäher werden
zudem durch eine induktiv arbeitende Begrenzung, in der Regel durch
induktive Begrenzungsdrähte,
am Verlassen ihres Arbeitsgebiets gehindert.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Erkennen eines Umfelds wird für ein analoges Ausgangssignal
einer Farbkamera mindestens eine Bildpunktlinie in Verbindung mit
einer Mixed-Signal-Processing-Einheit ausgewertet.
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Dies
bedeutet, dass diese Mixed-Signal-Processing-Einheit typischerweise
als Auswerteschaltung ausgebildet ist und eine Mischsignalbearbeitung der
mindestens einen Bildpunktlinie des analogen Ausgangssignals durchführt. Mit
dem durch dieses Verfahren ermöglichten
Erkennen und somit Beobachten des Umfelds können u.a. Objekte erkannt werden.
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Des
weiteren kann vorgesehen sein, dass insbesondere anhand einer Phasenlage
eines Farbsignals, in der Regel des analogen Ausgangssignals, mindestens
ein Farbsignalübergang
längs der
mindestens einen ausgewerteten Bildpunktlinie detektiert wird. Die
Erkennung des Objekts kann anhand eines Farbkontrastes erfolgen.
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Als
die mindestens eine Bildpunktlinie kann mindestens eine horizontal
orientierte Bildzeile und/oder eine vertikal orientierte Bildspalte
ausgewertet werden. Das Verfahren ist je nach Bauweise der Farbkamera
und somit eines entsprechenden Sensors derart durchführbar, dass
die Auswertung in Spaltenrichtung oder in Zeilenrichtung erfolgen
kann. Des weiteren kann eine diagonale Ausrichtung von Bildzeilen
oder Bildspalten zu einem Referenzsystem üblicherweise durch eine um
die Blickrichtung oder Längsachse,
bspw. um 45°,
gedrehte Verbuung der Farbkamera erreicht werden.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zum automatischen Steuern einer beweglichen Vorrichtung,
bei dem die Vorrichtung unter Berücksichtigung eines Umfelds,
das durch das voranstehend beschriebene Verfahren erkannt wird,
gesteuert wird.
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In
Ausgestaltung wird die Vorrichtung derart gesteuert, dass während einer
Bewegung der Vorrichtung eine Kollision mit einem im Umfeld erkannten
und somit registrierten Objekt vermieden wird. Eine Annäherung der
Vorrichtung an das erkannte Objekt kann abgebrochen werden, wenn
ein erkannter und/oder errechneter Abstand von dem Objekt zu gering
sein sollte. Die Vorrichtung ist dann derart zu steuern, dass sie
anhält,
umkehrt oder abbiegt.
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Es
ist in einer alternativen Ausgestaltung vorgesehen, dass der Roboter
auf dieses mindestens eine erkannte Objekt zusteuert und sich auf
darauf hinbewegt, um mit diesem mindestens einen Objekt bspw. wechselzuwirken.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung
weist eine Farbvideokamera und eine Mixed-Signal-Processing-Einheit auf und ist dazu
ausgebildet, für
ein analoges Ausgangssignal der Farbkamera mindestens eine Bildpunktlinie
in Verbindung mit der Mixed-Signal-Processing-Einheit auszuwerten.
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Die
Einrichtung kann zudem eine Steuerungseinheit, die zur Steuerung
einer beweglichen Vorrichtung unter Berücksichtigung eines erkannten Objekts
ausgebildet ist, aufweisen und hierzu an der beweglichen Vorrichtung
angeordnet oder befestigt sein. Somit sind mit der Einrichtung jeweils
zumindest Schritte des Verfahrens zum Erkennen eines Objekts und
des Verfahrens zum Steuern der beweglichen Vorrichtung ausführbar.
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Die
Erfindung betrifft des weiteren einen Roboter, der mindestens eine
voranstehend genannte Einrichtung aufweist. Bewegungen des Roboters sind
durch die mindestens eine Einrichtung zu steuern.
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Das
erfindungsgemäße Computerprogramm mit
Programmcodemitteln ist zum Durchführen aller Schritte eines der
voranstehend beschriebenen Verfahren geeignet, wenn das Computerprogramm
auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere
einer erfindungsgemäßen Einrichtung
oder einem erfindungsgemäßen Roboter, ausgeführt wird.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem
computerlesbaren Datenträger
gespeichert sind, um alle Schritte eines der vorgestellten Verfahren
durchzuführen,
wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden
Recheneinheit, insbesondere einer vorgestellten Einrichtung oder
einem vorgestellten Roboter, ausgeführt wird.
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Mit
dieser Erfindung wird eine kamerabasierte Steuerung eines mobilen
Roboters bzw. Serviceroboters in oder an Gebäuden, insbesondere für den Heimbereich,
also Wohnung oder Garten, aber auch in gewerblich oder industriell
genutzten Gebäuden bereitgestellt.
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Die
vorgeschlagene Erfindung ermöglicht eine
sehr kostengünstige
berührungslose
Kollisionsvermeidung sowie eine Erkennung der Grenzen der zulässigen Arbeitsfläche anhand
von Farbmerkmalen, bspw. Grenzen zwischen Beeten und Rasenflächen sowie Übergänge zwischen
Teppichböden
und Parkettböden
oder Fliesen.
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Der
Roboter kann auch ohne die im Bereich der Überwachungstechnik oder industriellen
Robotertechnik üblichen
aufwendigen Bildauswertung Hindernisse frühzeitig erkennen und ihnen
ausweichen. Gleichzeitig kann ein Verlassen des Arbeitsbereichs ggf.
ohne Einbringen zusätzlicher
Infrastruktur, bspw. von Berührungszäunen, verhindert
werden.
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Für bestimmte
Aufgabenstellungen, in denen die bereits bearbeitete Fläche anhand
von Farbmerkmalen von unbearbeiteter Fläche unterschieden werden kann,
etwa beim Schneeräumen,
ist zudem ein systematisches Abarbeiten der Fläche erreichbar. In diesem Fall
müsste
ein zum Schneeräumen
ausgebildeter Roboter weißen
Bereichen folgen.
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Durch
den Einsatz der Farbkamera, üblicherweise
einer Farbvideokamera mit analogem Ausgangssignal in Verbindung
mit der Mixed-Signal-Processing-Einheit bzw. Auswerteschaltung zur
Auswertung eines oder mehrer Zeilensignale, wird eine Steuerung
des Roboters oder Haushaltsroboters realisiert. Hierzu ist die Einrichtung
als Teilsystem auf dem Roboter montiert. Durch eine Fernsteuerung wäre es alternativ
denkbar, die Einrichtung unabhängig
vom Roboter zu positionieren und den Roboter aus der Distanz zu
beobachten und zu steuern.
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Die
vorgeschlagene Erfindung erweitert die Funktionalität von Haushaltsrobotern,
so dass diese zur frühzeitigen
Hinderniserkennung und Detektion von Grenzen des Arbeitsbereichs
und ggf. für
ein systematisches Abarbeiten einer Arbeitsfläche geeignet sind. Hierzu ist
jedoch nicht die aus der Überwachungstechnik
bekannte kostenintensive digitale Auswertung des gesamten Kamerabildes
einzusetzen. Die für
autonome Rasenmäher
notwendige induktive Erfassung des Arbeitsbereichs kann entfallen.
Durch die frühzeitige
Erkennung von Hindernissen wird zudem die Sicherheit erhöht, da z.B.
auch Kinderhände
bereits vor einer unter Umständen
gefährlichen
Berührung
bemerkt werden können.
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Die
Beschränkung
auf die Auswertung analoger Bildpunktlinien, insbesondere von analogen Zeilensignalen,
die zumindest teilweise mit analogen Schaltungskomponenten durchgeführt wird,
führt zu einer
gegenüber
der herkömmlichen
vollständig
digitalen Bildverarbeitung starken Reduktion der zu verarbeitenden
Datenrate und ermöglicht
damit eine Verarbeitung mit kostengünstigen Mikrokontrollern. Insbesondere
können
anhand der Phasenlage des Farbsignals Farbsignalübergänge, die in der Regel an Objektgrenzen
auftreten, längs
der jeweils analysierten Bildpunktlinie lokalisiert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboters
mit einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Einrichtung.
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2 zeit
ein Diagramm zur Durchführung einer
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Der
in 1 in schematischer Darstellung gezeigte Roboter 2 mit
Rädern 3 weist
eine Farbkamera 4, die in Fahrtrichtung 6 orientiert
ist, auf. Die Farbkamera 4 ist zum Erfassen eines Umfelds
des Roboters 2 ausgebildet und stellt auf Grundlage des erfassten
Umfelds ein analoges Ausgangssignal 8 (FBAS, Farb-Bild-Austast-Synchron-Signal)
bereit.
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Eine
Mixed-Signal-Processing-Einheit 10 weist analoge und digitale
Komponenten zur Auswertung eines oder mehrerer Signale von Bildpunktlinien des
von der Farbkamera 4 erfassten Umfelds auf. Die Mixed-Signal-Processing-Einheit 10 bzw.
Auswerteschaltung umfasst Mittel zur Detektion und/oder Lokalisierung
von Farbübergängen anhand
einer Phasenlage des Farbsignals. Die Bildpunktlinien können horizontal
oder vertikal orientiert sein. Die Auswertung kann in Spaltenrichtung
oder in Zeilenrichtung erfolgen. Somit ist das Verfahren entsprechend
einer Bauweise der Farbkamera durchführbar. Durch eine um die Blickrichtung
oder Längsachse,
bspw. um 45°,
gedrehte Verbauung der Farbkamera kann eine diagonale Ausrichtung
von Bildzeilen oder Bildspalten zu einem Referenzsystem erreicht
werden.
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Einer
Steuerungseinheit 12 des mobilen Roboters 2 wird
von der Mixed-Signal-Processing-Einheit 10 ein
Steuersignal 14 bereitgestellt. In der vorliegenden Ausführungsform
umfasst eine erfindungsgemäße Einrichtung 13 die
Kamera 4, die Mixed-Signal-Processing-Einheit 10 und
die Steuerungseinheit 12. Unter Berücksichtigung dieses Steuersignals 14 werden
Bewegungen des Roboters 2 derart gesteuert, dass er einem
von der Farbkamera 4 und der Mixed-Signal-Processing-Einheit 10 erkannten
Hindernis ausweicht. Des weiteren ist es auch möglich, Bewegungen des Roboters 2 entlang
einer Farbgebung seiner Umgebung zu steuern.
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Die
Erfindung ist durch Beobachtung der Reaktion des gesteuerten Roboters 2 auf
einfache Testmuster nachweisbar. Dabei erkennbare Merkmale sind
die Auswertung von Farbübergängen und
die rasterförmige,
auf ausgewählte
Bildlinien beschränkte
Auswertung. Neben der Farbkamera 4 umfasst die Mixed-Signal-Processing-Einheit 10 eine
Kombination von analogen und digitalen Bauelementen, mit denen das
analoge Ausgangssignal 8 bzw. Bildeingangssignal von der
Farbkamera 4 nachzuweisen ist.
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Die
Erfindung kann grundsätzlich
für autonome
Serviceroboter im Haushalt eingesetzt werden. Hierzu gehören insbesondere
autonome Rasenmäher,
autonome Staubsauger und Teppichreiniger sowie Roboter für handwerkliche
Tätigkeiten,
wie bspw. autonomes Bohnern, Wienern, oder Polieren. Zudem ist ein
autonomer Winterdienst, der einen Streudienst und das Schneeräumen umfasst,
möglich.
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Das
anhand des Diagramms aus 2 dargestellte Ausführungsform
des Verfahrens umfasst als ersten Schritt eine Erfassung 20 eines
Umfelds eines Roboters durch eine an dem Roboter installierten Kamera.
Ein von der Kamera bereitgestelltes analoges Ausgangssignal 22 wird
an eine Mixed-Signal-Processing-Einheit weitergeleitet. Durch diese Mixed-Signal-Processing-Einheit
wird eine Auswertung 24 mindestens einer Bildpunktlinie
des analogen Ausgangssignals durchgeführt. Die Mixed-Signal-Processing-Einheit
erzeugt ein Steuersignal 26, das an eine zur Steuerung 28 des
Roboters vorgesehene Steuereinheit übertragen wird. Mindestens
ein im Umfeld des Roboters befindliches Objekt kann durch das Verfahren
erkannt werden, so dass der Roboter unter Berücksichtigung dieses mindestens
einen Objekts zu steuern ist. Der Roboter kann nunmehr dem mindestens
einen erkannten Objekten ausweichen.