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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein für einen selbstständigen
Betrieb ausgebildetes Roboterfahrzeug gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Ansteuerverfahren zum Ansteuern
eines Roboterfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 16.
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Bei
autonomen, d. h. für einen selbstständigen Betrieb
ausgebildeten, Rasenmähern besteht das Problem, dass die
Arbeitsfläche, nämlich eine Rasenfläche,
meist nicht von einer festen Begrenzung umgeben ist, die als klar
erkennbare Grenze zur Orientierung des Rasenmähers dienen
könnte. Insofern ist es bei Rasenmähern im Vergleich
zu beispielsweise Haushaltsrobotern schwierig, geeignete Ansteuerlösungen
zu realisieren. Erschwert wird dieses Problem dadurch, dass Rasenflächen
meist eine unregelmäßige Außenkontur
aufweisen. Um zu verhindern, dass der Rasenmäher die Rasenfläche
während des selbstständigen Betriebs verlässt,
ist es bekannt, von einem Einfassungsdraht zu begrenzen.
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Ein
weiterer Nachteil der bekannten autonomen Rasenmäher besteht
darin, dass der Rasenmäher innerhalb des von dem stromdurchflossenen
Leiter begrenzten Arbeitsbereich eine Zufallsnavigation durchführt,
was zum einen zu einem unsauberen Schnittbild führt und
andererseits keine vollständige Abdeckung des zu mähenden
Bereichs garantiert. Darüber hin aus resultiert aus dem
vielfachen Abfahren bereits gemähter Bereiche ein erhöhter
Energieverbrauch und eine Schädigung der Rasenpflanze.
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Neben
den beschriebenen, bekannten Roboterfahrzeugen sind Roboterfahrzeuge
bekannt, deren Steuermittel die Antriebsmittel auf Basis von Odometriedaten
ansteuern. Die Positionsbestimmung des Roboterfahrzeugs ausschließlich
auf Basis von Odometriedaten ist jedoch vergleichsweise ungenau.
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Ein
verbessertes Ansteuersystem für autonome Rasenmäher
ist aus der
GB 2277152
A1 bekannt. Das bekannte Ansteuersystem umfasst eine Vielzahl
von voneinander beabstandeten Landmarken, die eine Arbeitsfläche
begrenzen. Der autonome Rasenmäher kommuniziert aktiv mit
den Landmarken, um seine Position zu bestimmen und auf Basis dieser
Positionsdaten eine Fahrtstrecke zu berechnen. Ein derartiges Ansteuersystem
ist wirtschaftlich nicht realisierbar. Darüber hinaus besteht
die Notwendigkeit die Arbeitsfläche dauerhaft mit Landmarken
zu kennzeichnen.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein autonomes, kostengünstiges
Roboterfahrzeug vorzuschlagen, mit dem zusätzlich oder
alternativ zu einer Zufallsnavigation eine Abfahrstrategie realisierbar
ist. Bevorzugt soll mit dem Roboterfahrzeug der Arbeitsbereich möglichst
vollständig, zumindest weitgehend unter Vermeidung von
Mehrfachüberfahrungen, abfahrbar bzw. bearbeitbar sein.
Ferner besteht die Aufgabe darin, ein entsprechend optimiertes Ansteuerverfahren
für autonome Roboterfahrzeuge vorzuschlagen.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Roboterfahrzeugs mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Ansteuerverfahrens mit den
Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In
den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen
aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen
und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen
sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale auch
als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar
sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte
Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten
und beanspruchbar sein.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das Verfahren des Roboterfahrzeugs
entlang mindestens einer, bevorzugt zumindest näherungsweise parallel
zu einer, Vorzugs-Fortbewegungsachse dadurch zu ermöglichen,
dass die Steuermittel zusätzlich zu den Odometriedaten
globale Ausrichtungsdaten über die globale Ausrichtung
des Roboterfahrzeugs, insbesondere die momentane globale Fahrtrichtung
des Roboterfahrzeugs berücksichtigen. Unter den globalen
Ausrichtungsdaten im Sinne der Erfindung werden nicht Koordinaten
in einem globalen Koordinatensystem verstanden, sondern vielmehr die
Orientierung des Roboterfahrzeugs, also Daten darüber in
welcher Himmelsrichtung das Roboterfahrzeug ausgerichtet ist und/oder
verfährt. Anders ausgedrückt werden zum Spurhalten
bzw. für eine Spurhalteregelung zum Einhalten einer Vorzugs-Bewegungsrichtung
(Vor- oder Rückrichtung) bzw. zum Orientieren entlang der
Vorzugs-Fortbewegungsachse zusätzlich zu den von den Odometriesen sormitteln
(Odometer) ermittelten Odometriedaten die von Kompassmitteln ermittelten
globalen Ausrichtungsdaten über die globale Ausrichtung
des Roboterfahrzeugs berücksichtigt. Dabei sind unter Odometriedaten
beispielsweise Raddrehzahlen oder bevorzugt aus Raddrehzahlen ermittelte
Wegstrecken zu verstehen, die bei einem Differentialantrieb für
zwei Räder einer Achse unterschiedlich sein können.
Bevorzugt umfassen die Odometriedaten auch Lenkwinkelinformationen
im Falle des Vorsehens einer verschwenkbaren Lenkung. Unter Berücksichtigung
von Odometriedaten ist es möglich, mit einem vergleichsweise
geringen technischen Aufwand eine Abfahrstrategie zu realisieren,
wodurch sich zum einen, im Falle eines als Rasenmäherroboter
ausgebildeten Roboterfahrzeugs, ein schöneres Mähbild
und zum anderen ein geringerer Energieverbrauch und eine Reduzierung
der Mähdauer ergibt. Im Falle der Ausbildung des Roboterfahrzeugs
als Rasenmäherfahrzeug wird zudem aufgrund der Vermeidung
von Vielfachüberfahrungen der Rasen geschont. Weiterhin kann
auf teure und technisch aufwändige Landmarken, die zudem
das ästhetische Erscheinungsbild des Arbeitsbereichs, insbesondere
des Rasens, negativ beeinflussen, verzichtet werden. Im Hinblick
auf die konkrete Ausbildung der Antriebsmittel gibt es die unterschiedlichsten
Möglichkeiten. Es ist beispielsweise möglich,
die Antriebsmittel als Luftkissenantrieb auszubilden. Alternativ
ist es möglich, mindestens ein lenkbares Rad vorzusehen.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform der Antriebsmittel als
Differenzialantrieb, vorzugsweise ohne Differenzialgetriebe mit
mindestens zwei getrennten Antriebsmotoren (ein Motor pro angetriebenem
Rad).
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
Steuermittel zusätzlich zu den Odometriedaten und den globalen
Ausrichtungsdaten die zeitlichen Ausrichtungsänderungen
(Winkelgeschwindigkeit) des Roboterfahrzeugs berücksichtigen,
die mit Hilfe von Winkelsensormitteln erfasst werden. Anders ausgedrückt
berücksichtigen die Steuermittel in Weiterbildung der Erfindung
Gierwinkeländerungs-Daten des Roboterfahrzeugs. Bei den Winkelsensormitteln
kann es sich beispielsweise um mindestens einen Drehratensensor
handeln. Durch die zusätzliche Berücksichtigung
dieser zeitlichen Ausrichtungsänderung ist ein noch exakteres
Einhalten der Vorzugs-Bewegungsrichtung möglich.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform bei der die
Steuermittel die globalen Ausrichtungsdaten und die zeitlichen Ausrichtungsänderungsdaten
zu resultierenden Ausrichtungsdaten, d. h. zu einer resultierenden
Ausrichtungsschät zung fusionierend ausgebildet sind. Hierzu
eignet sich insbesondere der Einsatz eines zeitlichen Filters, vorzugsweise
eines Kalman-Filters, der zu bestimmten Zeitpunkten eine resultierende
Ausrichtungsschätzung zuzüglich der entsprechenden
Varianz ermittelt. Bevorzugt steuern die Steuermittel die Antriebsmittel unter
Berücksichtigung dieser resultierenden Ausrichtungsdaten
an.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die
fusionierten, d. h. die resultierenden, Ausrichtungsdaten bzw. die
resultierende Ausrichtungsschätzung von den Steuermitteln
mit den Odometriedaten fusioniert werden/wird, um auf diese Weise
möglichst exakte Lagedaten des Roboterfahrzeugs zu erhalten.
Unter Lagedaten sind dabei Positionsdaten (X-, Y-Koordinaten) des
Roboterfahrzeugs sowie ein Winkel φ zu verstehen. Bei dem
Winkel φ kann es sich dabei um die von den Kompassmitteln
ermittelten globalen Ausrichtungsdaten, oder um die aus der Fusion
mit den Ausrichtungsänderungsdaten erhaltenen resultierenden
Ausrichtungsdaten oder bevorzugt um eine durch die Fusionierung mit
den Odometriedaten erhaltene optimierte Winkelschätzung
handeln. Besonders bevorzugt wird zur Fusionierung der resultierenden
Ausrichtungsdaten und der Odometriedaten ein zeitlicher Filter,
vorzugsweise ein Kalman-Filter eingesetzt. Für den Fall, dass
ausschließlich globale Ausrichtungsdaten zur Verfügung
stehen, beispielsweise weil aus Kostengründen auf die Winkelsensormittel
zum Ermitteln der relativen Ausrichtung des Roboterfahrzeugs verzichtet
wird, können, insbesondere unter Einsatz mindestens eines
Kalman-Filters, auch unmittelbar die globalen Ausrichtungsdaten
mit den Odometriedaten zu Lagedaten bzw. zu einer exakteren Lagedatenschätzung
fusioniert werden, auf deren Basis die Steuermittel die Antriebsmittel
dann derart ansteuern, dass das Roboterfahrzeug entlang der Vorzugs-Fortbewegungsachse
verfährt. Vorzugsweise wird das Roboterfahrzeug von den
Steuermitteln derart angesteuert, dass es parallel zur Vorzugs-Fortbewegungsachse
verfährt.
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Vorzugsweise
kann für die beiden zuvor beschriebenen Fusionierungsschritte
ein gemeinsamer Kalman-Filter vorgesehen werden. Zusätzlich
oder alternativ kann zumindest einer der Kalman-Filter oder der
gemeinsame Kalman-Filter so erweitert werden, dass auch mindestens
ein Parameter, wie der Raddurchmesser oder ein systematischer Fehler
des Drehratensensors, zur Kalibrierung mindestens eines Sensors
(z. B. der Odometriesensormittel und/oder der Winkelsensormittel,
etc.) mit geschätzt wird.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
von den Steuermitteln ermittelten Lagedaten (Lagedatenschätzung)
in einem lokalen Koordinatensystem bestimmt werden bzw. in ein lokales
Koordinatensystem umgerechnet werden. Bevorzugt wird dieses Koordinatensystem
bei jedem Neustart des Roboterfahrzeugs und/oder vor dem Abfahren
einer neuen Spur bzw. Bahn und/oder vor dem Abfahren eines neuen
Bewegungsmusters neu festgelegt, wobei die jeweilige Startlage des
Roboterfahrzeugs (XStart, YStart, φStart) die Lage des lokalen Koordinatensystems
im globalen Koordinatensystem bestimmt.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform der Erfindung,
bei der die Steuermittel nicht unmittelbar die Odometriedaten oder
die globalen und/oder relativen Ausrichtungsdaten, also die unmittelbaren
Sensorinformationen berücksichtigt, sondern Lagedaten die
durch Fusionierung mehrerer Sensordaten, vorzugsweise wie zuvor
beschrieben, ermittelt wurden. Die Lagedaten werden von den Steuermitteln
zur Richtungskorrektur, d. h. für eine Spurhalteregelung,
eingesetzt, um der Vorzugs-Fortbewegungsachse zu folgen, vorzugsweise
parallel (alternativ in Schlangenlinien oder im Zickzackkurs) entlang
dieser zu verfahren. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der
Vorzugs-Fortbewegungsachse, entlang derer die Steuermittel die Antriebsmittel
ansteuern, um eine Achse, die beim Aufstellen des Roboterfahrzeugs
bzw. die bei der Initialisierung des Roboterfahrzeugs mit der Längsmittelachse
des Roboterfahrzeugs zusammenfällt oder parallel zu dieser verläuft.
Zusätzlich oder alternativ kann die Vorzugs-Fortbewegungsachse
manuell über entsprechende Eingabemittel vorgegeben werden.
Zusätzlich oder alternativ ist eine Ausführungsform
realisierbar, bei der die Steuermittel die Vorzugs-Fortbewegungsachse
automatisch unter Berücksichtigung von Sensorinformationen
bestimmen. So kann die Vorzugs-Fortbewegungsachse beispielsweise
von einer festen Ar beitsbereich-Begrenzung, beispielsweise einer
Wand, definiert werden, derart, dass die Steuermittel eine parallel
zur Begrenzung verlaufende Vorzugs-Fortbewegungsachse festsetzen.
Alternativ kann eine definierte Achse, beispielsweise eine Nord/Süd-Achse,
oder Nordwest/Südost-Achse als Vorzugs-Fortbewegungsachse
gewählt oder vorgegeben werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das
Roboterfahrzeug bzw. die Antriebsmittel nach einer gewissen Zeit
des Verfahrens entlang der Vorzugs-Fortbewegungsachse eine Lenkbewegung
vollführen. Vorzugsweise wird das Roboterfahrzeug dabei
um 180° gedreht, um nach der Drehbewegung in die entgegengesetzte
Richtung entlang der Vorzugs-Fortbewegungsachse (vorzugsweise parallel
zu dieser) weiter zu verfahren. Alternativ fährt das Roboterfahrzeug
nach der Lenkbewegung entlang einer neuen, winklig zu der ursprünglichen
Vorzugs-Fortbewegungsachse verlaufenden Vorzugs-Fortbewegungsachse.
Damit die Steuermittel zum richtigen Zeitpunkt eine Lenkbewegung
der Antriebsmittel initiieren können, kann beispielsweise
ein Sensor vorgesehen werden, der den richtigen „Zeitpunkt” erkennt.
Hierbei kann es sich beispielsweise um einen induktiven Sensor handeln, der
einen vergrabenen, stromdurchflossenen Leiter erkennt. Zusätzlich
oder alternativ kann der Sensor als Hindernissensor ausgebildet
sein, der ein Hindernis (insbesondere in Fahrtrichtung) des autonomen Roboter-Fahrzeugs
erkennt. Der Hindernissensor kann dabei beispielsweise taktil, kapazitiv,
ultraschallbasiert, laserbasiert oder kamerabasiert arbeitend ausgebildet
sein. Ebenso ist es möglich, dass die Lenkbewegung nach
Abfahren einer definierten Strecke initiiert wird, wobei hierzu
auf die Odometriedaten zurückgegriffen werden kann. Zusätzlich
oder alternativ kann die Entscheidung, ob eine Lenkbewe gung, insbesondere
eine Wende, durchgeführt werden soll, darauf gestützt
werden, ob von einem Sensor, beispielsweise einem Ultraschallsensor
ermittelt wird, ob sich das autonome Roboterfahrzeug noch auf dem
zu bearbeitenden Arbeitsbereich, oder bereits auf schon bearbeitetem
Arbeitsbereich befindet. Im Falle eines Rasenmähers kann
beispielsweise über die Messung des Motorstroms oder auf
andere Weise detektiert werden, ob sich das Roboterfahrzeug auf
einem bereits gemähten Bereich oder auf einem noch zu mähenden
Bereich befindet. Alternativ kann die Lenkbewegung dann eingeleitet
werden, wenn ein entsprechender Sensor das Verlassen des Arbeitsbereichs
(z. B. Rasenfläche) oder ein drohendes Verlassen des Arbeitsbereichs
erkennt.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die
Steuermittel die Antriebsmittel derart ansteuern, dass das Roboterfahrzeug
mäanderförmig auf dem Arbeitsbereich verfährt.
Hierzu steuern die Steuermittel die Antriebsmittel derart an, dass
das Roboterfahrzeug, insbesondere bei Erreichen der Grenzen des
Arbeitsbereichs eine Wende vollführt und daraufhin wieder
in die entgegengesetzte Richtung entlang der Vorzugs-Bewegungsachse verfährt,
vorzugsweise parallel zu der zuvor abgefahrenen Spur, vorzugsweise
derart, dass das Roboterfahrzeug die zuvor abgefahrene Spur etwas überlappt,
um im Falle der Ausbildung des Roboterfahrzeugs als Rasenmäherfahrzeug
ein sauberes Schnittbild bzw. eine vollständig bearbeitete
Fläche zu erhalten.
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Im
Hinblick auf die konkrete Ausbildung der Kompassmittel gibt es unterschiedliche
Möglichkeiten. So ist es beispielsweise möglich,
die Kompassmittel als Magnetkompass und/oder als Polarisationsfilterkompass
auszubilden. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform
der Kompass mittel, bei der diese einen Satellitennavigations-Empfänger, insbesondere
einen GPS-Empfänger, vorzugsweise mit integraler Logikeinheit
umfassen.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Kompassmittel die Ausrichtung des Roboterfahrzeugs
auf Basis einer dreidimensionalen Geschwindigkeitsmessung unter
Ausnutzung des Doppler-Effektes mindestens eines Trägersignals
ermitteln, wobei die konkrete Ausrichtung über trigonometrische
Funktionen aus der von dem Satellitennavigations-Empfänger
ermittelten dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeit berechnet
werden kann. Diese Funktionalität der Bestimmung der dreidimensionalen
Geschwindigkeit ist bereits in bekannten Satellitennavigations-Empfängern
enthalten – es muss lediglich aus der dreidimensionalen
Geschwindigkeit, beispielsweise über trigonometrische Funktionen
die globale Ausrichtung des Roboterfahrzeugs ermittelt werden. Diese
Aufgabe kann entweder unmittelbar von dem Satellitennavigations-Empfänger
oder alternativ von den Steuermitteln übernommen werden.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die
Winkelsensormittel zum Erfassen der relativen bzw. lokalen Ausrichtung
des Roboterfahrzeugs mindestens einen Drehratensensor zum Ermitteln
einer zeitlichen Gier-Winkeländerung (Yaw-Winkeländerung)
umfassen.
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Die
Lagebestimmung des Roboterfahrzeugs durch die Steuermittel kann
weiter verbessert werden, indem zusätzlich der Neigungswinkel
des Roboterfahrzeugs erfasst wird. Bevorzugt werden die Neigungswinkeldaten
des Roboterfahrzeuges bei der Schätzung der Lagedaten berücksichtigt,
beispielsweise indem die Neigungswinkeldaten, insbesondere mittels
eines Kalman-Filters, mit den Odometriedaten und/oder den globalen
Ausrichtungsdaten und/oder den Ausrichtungsänderungsdaten
und/oder den resultierenden Ausrichtungsdaten fusioniert werden.
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Weiterhin
ist es möglich, zusätzlich oder alternativ zu
der Berücksichtigung von Neigungswinkeldaten globale Positionsdaten
zur Ansteuerung der Antriebsmittel zu berücksichtigen.
Diese globalen Positionsdaten (z. B. X-, Y-Koordinaten) können
beispielsweise mit Hilfe eines Satellitennavigations-Empfängers
ermittelt werden, der gleichzeitig die globalen Ausrichtungsdaten
ermittelt. Die globalen Positionsdaten können, insbesondere
durch Einsatz eines Kalman-Filters, mit den Odometriedaten und/oder
den globalen Ausrichtungsdaten und/oder resultierenden Ausrichtungsdaten
fusioniert werden.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn es sich bei dem Roboterfahrzeug
um ein Gartenarbeitsfahrzeug handelt. Vorzugsweise ist das Roboterfahrzeug als
Rasenmäherfahrzeug mit einem Mähwerk ausgebildet,
wobei durch die Berücksichtigung von Odometriedaten und
zumindest von globalen Ausrichtungsdaten die Realisierung von einem
gerichteten Mähen des Arbeitsbereichs (Rasen) ermöglicht
wird.
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Die
Erfindung führt auch auf ein Ansteuerverfahren zum Ansteuern
von zum Lenken und Fortbewegen eines Roboterfahrzeugs ausgebildeten
Antriebsmitteln unter Berücksichtigung von Odometriedaten.
Kern der Erfindung ist es, zusätzlich zu den Odometriedaten
zum Ansteuern der Antriebsmittel globale Ausrichtungsdaten über
die globale Ausrichtung des Roboterfahrzeugs zu berücksichtigen.
Besonders bevorzugt ist es, zusätzlich zu den globalen Ausrichtungsdaten
Ausrich tungsänderungsdaten über die zeitliche Änderung
der Ausrichtung des Roboterfahrzeugs zum Ansteuern der Antriebsmittel
zu berücksichtigen. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele dieses
Ansteuerverfahrens sind unmittelbar aus der vorherigen Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele eines autonomen Roboterfahrzeugs
ableitbar, bei dem ein derartiges Ansteuerverfahren realisiert ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1 eine
schematische Darstellung eines als Rasenmäherfahrzeug ausgebildeten
autonomen Roboterfahrzeugs,
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2 die
Lage eines lokalen X'-Y'-Koordinatensystems in einem globalen X-Y-Koordinatensystem
(WGS84),
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3 eine
mögliche Abfahrstrategie mit einer mäanderförmigen
Fortbewegungsbahn, und
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4 eine
schematische Darstellung einer Datenfusion.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
ein autonomes, d. h. für den selbständigen Betrieb
ausgebildetes Roboterfahrzeug 1 gezeigt. Das Roboterfahrzeug 1 ist
als Rasenmäherfahrzeug mit einem lediglich schematisch
angedeuteten Mähwerkzeug 2 ausgebildet. An sich
bekannte Antriebsmittel zum Lenken und Fortbewegen des Roboterfahrzeugs 1 sind
aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt.
Die Antriebsmittel umfassen pro angetriebenem Rad einen Elektromotor,
also einen Differenzialantrieb zum Ansteuern und Lenken des Roboterfahrzeugs 1.
Zum Betreiben des Mähwerkzeugs 2 wird ein zusätzlicher
Motor eingesetzt. Das Roboterfahrzeug 1 umfasst weiterhin
Steuermittel 3 (Recheneinheit), die die Antriebsmittel
ansteuernd ausgebildet und angeordnet sind. Die Steuermittel 3 sind signalleitend
mit einer Ortungssensorik 4 verbunden, die in dem gezeigten
Ausführungsbeispiel mittig zwischen zwei angetriebenen
Rädern 5, 6 angeordnet ist. Die Ortungssensorik 4 umfasst
Odometriesensormittel 7 zum Erfassen von Odometriedaten
durch Überwachen der Drehzahlen der Räder 5, 6.
Ferner umfasst die Ortungssensorik 4 Kompassmittel 8 zum Bestimmen
von globalen Ausrichtungsdaten über die globale Ausrichtung
des Roboterfahrzeugs 1. Die Kompassmittel 8 umfassen
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Satellitennavigationsempfänger mit
einer integralen Logikeinheit. In dem konkreten Ausführungsbeispiel
wird hierzu ein GPS-Empfänger eingesetzt. Der GPS-Empfänger
ist dabei derart ausgebildet, dass er die globale Ausrichtung bzw.
einen Schätzwert für die globale Ausrichtung des
Roboterfahrzeugs 1 auf Basis der Messung von dreidimensionalen
Geschwindigkeiten des Roboterfahrzeugs 1 in einem globalen
Koordinatensystem (hier WGS 84) ermittelt. Die 3-D-Geschwindigkeiten
des Roboterfahrzeugs 1 werden dabei in an sich bekannter
Weise unter Ausnutzung des Dopplereffekts ermittelt, der die Trägerfrequenz
des Satellitensignals abhängig von der Geschwindig keit
des Roboterfahrzeugs 1 verändert. Zu beachten
ist, dass die globale Ausrichtung, d. h. die globale Orientierung
des Roboterfahrzeugs 1 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
aufgrund des erläuterten Messprinzips nur bei Bewegung
des Roboterfahrzeugs 1 mit einer Mindestgeschwindigkeit
bestimmbar ist.
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Weiterhin
umfasst die Ortungssensorik 4 Winkelsensormittel 9 (hier
einen Drehratensensor) zum Bestimmen von Ausrichtungsänderungsdaten über
die Ausrichtungsänderung des Roboterfahrzeugs 1.
Mit Hilfe der Winkelsensormittel 9 ist der Gier-Winkel
(yaw-Winkel) des Roboterfahrzeugs 1, also der Winkel um
eine Normale zur Flächenerstreckung des Roboterfahrzeugs 1 bestimmbar.
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Die
Ortungssensorik 4, d. h. sowohl die Odometriesensormittel 7,
die Kompassmittel 8 als auch die Winkelsensormittel 9 sind über
ein Datenkabel 10 signalleitend mit den Steuermitteln 3 verbunden,
die die Sensorsignale auswerten, bzw. wie später noch erläutert
werden wird, geeignet verknüpfen, derart, dass sich das
Roboterfahrzeug 1 parallel zu der Vorzugs-Fortbewegungsachse 11 bewegt.
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Die
Steuermittel 3 fusionieren in einem ersten Schritt die
globalen Ausrichtungsdaten der Kompassmittel 8 (hier des
GPS-Empfängers) mit den Ausrichtungsänderungsdaten
der Winkelsensormittel 9 (hier des Drehratensensors) zu
einer Schätzung der globalen Orientierung, d. h. zu resultierenden Ausrichtungsdaten.
In einem nächsten Schritt werden dann diese fusionierten
Ausrichtungsdaten mit den Odometriedaten der Odometriesensormittel 7 zu einer
Schätzung von Lagedaten fusioniert. Algorithmisch wird
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dabei wie folgt vorgegangen:
Zunächst werden die Sensorinformationen der Kompassmittel 8 und
der Winkelsensormittel 9 mittels eines Kalman-Filters fusioniert.
Das Ergebnis dieser Fusionierung, also die resultierenden Ausrichtungsdaten
(resultierende Schätzung) werden dann mit Hilfe eines Kalman-Filters
(vorzugsweise desselben Kalman-Filters) zu Lagedaten (X, Y, φ)(Lagedatensohätzung)
fusioniert. Dabei fährt das Roboterfahrzeug 1 zur
Initialisierung des Zustandes geradeaus, bis die ersten zuverlässigen
globalen Ausrichtungsdaten der Kompassmittel 8 erhalten
werden. Die von den Steuermitteln 3 ermittelten Lagedaten
werden dabei als Ist-Werte einer Spurhaltungsregelung genutzt, die
zum Ziel hat, das Roboterfahrzeug 1 parallel zur Vorzugs-Fortbewegungsachse 11 zu
bewegen. Aufbauend auf der Spurhalteregelung wird in dem gezeigten
Ausführungsbeispiel das in 3 gezeigte
mäanderförmige Bewegungsmuster 12 des
Roboterfahrzeugs 1 auf einem Arbeitsbereich 13 realisiert.
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Für
die Spurhaltungsregelung wird bei der Initialisierung zunächst
ein lokales Koordinatensystem 14 definiert, dessen Ursprung 15 durch
die Startlage (XStart, YStart, φStart) beim Start des Roboterfahrzeugs 1 bestimmt
wird. Die Lage des Roboterfahrzeugs 1 in diesem lokalen
Koordinatensystem 14, sei im Folgenden durch die Koordinaten
X' und Y' sowie durch die Ausrichtung φ' gegeben. In diesem
lokalen Koordinatensystem 14 verläuft die Vorzugs-Fortbewegungsachse 11 parallel
zur X'-Achse oder sie entspricht dieser. Dabei ist φ' die
Ausrichtung des Roboterfahrzeugs 1 relativ zur Vorzugs-Fortbewegungsachse 11.
Die Positionsdaten werden während der Spurhaltung von der
Steuereinrichtung 3 in das lokale Koordinatensystem 14 umgerechnet,
so dass X' der bereits gefahrenen Strecke entlang der Vorzugs-Fortbewegungsachse 11 und
Y' der Abweichung von der einzu haltenden Spur entlang der Vorzugs-Fortbewegungsachse 11 und φ'
der Winkelabweichung von der einzuhaltenden Spur bzw. der Vorzugs-Fortbewegungsachse 11 entspricht.
Eine Regelung (bevorzugt Optimalregelung) der Steuermittel 3 steuert
nun die Antriebsmittel (Differentialantrieb) so an, dass die Spurabweichung
Y' und die Winkelabweichung φ' minimiert werden.
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Das
in 3 gezeigte Bewegungsmuster 12 „Mäander” wird
verwirklicht, indem am Ende jeder der parallelen Spuren eine 180°-Wende
durchgeführt und eine parallele Spur bzw. Bahn in entgegengesetzter
Richtung von dem Roboterfahrzeug 1 abgefahren wird. Die
Entscheidung, wann eine Wende durchgeführt werden soll,
kann dabei von unterschiedlichen Sensoren und/oder Bedingungen abhängig
gemacht werden. So ist es beispielsweise möglich, dass
ein Sensor einen Einfassungsdraht detektiert, der den Arbeitsbereich 13 begrenzt,
woraufhin eine Wende durchgeführt wird. Alternativ entdeckt
ein Hindernissensor ein Hindernis in Fahrtrichtung des Roboterfahrzeugs 1.
Der Hindernissensor kann dabei taktil, kapazitiv, ultraschallbasiert,
laserbasiert oder kamerabasiert ausgebildet sein. Alternativ wird
eine Wende durchgeführt, wenn eine maximale Strecke entlang
der Spur X' gefahren wurde (Begrenzung der maximalen Spurlänge).
Alternativ stellt ein Sensor fest, dass sich das Roboterfahrzeug 1 bereits
auf gemähtem Bereich oder alternativ außerhalb
des Rasens oder im Bereich der Rasengrenze befindet. Dies kann durch
eine Überwachung des Motorstroms des Mähwerkzeugs 2 ermittelt
werden.
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In 4 ist
schematisch ein möglicher Datenfluss in einem Roboterfahrzeug 1 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Zu erkennen ist die
Ortungssensorik 4 mit ihren Kompassmitteln 8 sowie
den Winkelsensormitteln 9. Die Kompassmittel 8, hier
ein GPS-Empfänger, ermitteln globale Ausrichtungsdaten φGPS über die globale Ausrichtung
des Roboterfahrzeugs. Die Winkelsensormittel 9 umfassen
einen Drehratensensor, der Winkelgeschwindigkeiten φ ermittelt.
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Die
Winkelgeschwindigkeit φ sowie die globalen Ausrichtungsdaten φGPS werden in einen ersten Kalman-Filter 17 eingespeist.
Dieser berechnet eine fusionierte Ausrichtungsschätzung
mit Varianz, also resultierende Ausrichtungsdaten φ, die
wiederum einem zweiten Kalman-Filter 18 zugeführt
werden. In diesen werden von Odometriesensormitteln 7 ermittelte
Odometriedaten, hier die von einem linken angetriebenen Rad zurückgelegte
Wegstrecke sL sowie die von einem rechten
angetriebenen Rad zurückgelegte Wegstrecke sR eingespeist.
Der zweite Kalman-Filter berechnet hieraus fusionierte Lagedaten X,
Y, φ auf Basis derer die Steuermittel die Antriebsmittel
des Roboterfahrzeugs ansteuern, wobei die Steuermittel aus den globalen
Lagedaten X, Y, φ die Lagedaten X', Y', φ' im
lokalen Koordinatensystem 14 berechnet, wie nachfolgend
anhand eines bevorzugten Algorithmus beschrieben wird.
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Im
Folgenden wird ein bevorzugter Algorithmus zum Abfahren paralleler
Bahnen (Spuren) beschrieben. Dabei wird von der Annahme ausgegangen,
dass der Start zum Zeitpunkt t erfolgt und die Vorzugs-Fortbewegungsachse 11 der
aktuellen Roboterausrichtung φ entspricht.
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1. Initialisierung
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Zunächst
wird das System initialisiert. Hierbei wird die Lage (X, Y, φ)
zum Zeitpunkt t gemäß der Ausgabe des zwei ten
Kalman-Filters 18 gespeichert. Die gespeicherte Lage definiert
ein lokales Koordinatensystem 14, wie dies beispielhaft
in 2 wiedergegeben ist. Die Lage (X', Y', φ')
berechnet sich im Folgenden durch die Projektion der Ausgangsdaten des
zweiten Kalman-Filters 18 in dieses lokale Koordinatensystem 14.
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2. Spurhalteregelung
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Solange
kein Bahnende (Spurende) erkannt ist, wird wie folgt vorgegangen:
- 2.1 Es werden laufend aktuelle Lagedaten (X',
Y', φ') berechnet, wobei X' der gefahrenen Strecke entlang
der Vorzugs-Bewegungsachse 11, Y' der lateralen Abweichung
von der Vorzugs-Fortbewegungsachse 11 und φ' dem
Ausrichtungsfehler in Bezug auf die Vorzugs-Fortbewegungsachse 11 entspricht.
- 2.2 es werden laufend Antriebsstellkommandos mittels eines Reglers
generiert, der Y' und φ' zu minimieren sucht. Vorzugsweise
kommt dabei ein Optimalregler zum Einsatz, bei dem gleichzeitig der
Energieverbrauch minimiert werden kann.
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3. Spurende
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Sobald
ein Spurende erkannt wird, wird ein Wendemanöver mit Bahnversatz
durchgeführt. Der Algorithmus wird abgebrochen, falls das
Manöver nicht erfolgreich ist.
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4. Berechnung eines neuen
lokalen Koordinatensystems
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Es
wird ein neues lokales Koordinatensystem 14 berechnet,
welches um 180° gedreht und um den Bahnversatz (Spurversatz)
in der Y-Achse im Vergleich zum vorhergehenden lokalen Koordinatensystem 14 verschoben
ist.
- 5. Daraufhin wird erneut Schritt 2. ausgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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