DE102011011932A1

DE102011011932A1 - Navigationssystem zur Positions- und Richtungsbestimmung von mobilen Objekten insbesondere von Robotern

Info

Publication number: DE102011011932A1
Application number: DE201110011932
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2012-03-15

Abstract

Navigationssystem zur Positions- und Richtungsbestimmung von mobilen Objekten insbesondere von mobilen Robotern die sich auf einer Fläche bewegen gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
– Beliebig viele mindestens jedoch zwei durchnumerierte Stationen sind in oder um die Fläche positioniert
– Die Stationen sind jeweils mit einer CPU, einem Speicher, einem timer und einem Sendegerät für Ultraschall ausgerüstet
– Beliebig viele mobile Objekte bewegen sich gleichzeitig auf der Fläche
– Die mobilen Objekte sind jeweils mit einer CPU, einem Speicher, einem timer und mindestens einem Empfangsgerät für Ultraschall ausgerüstet
– Die timer der Stationen und der mobilen Objekte sind synchronisiert
– Die Stationen können Ultraschall senden
– Die mobilen Objekte können Ultraschall empfangen
– Die Größe der Fläche ist beliebig
– Die Stationen 1 und 2 sind am Rand oder außerhalb der Fläche mit einem bekannten Abstand positioniert
– Die Verteilung der Stationen...

Description

Stand der Technik

1) In den folgenden Patentschriften werden Vorrichtungen und Verfahren beschrieben um mit Hilfe von Ultraschall die genaue Position eines Roboters zu bestimmen: DE 102004018670 A1 , JP 000005341031 AA , JP 000008054926 AA , JP 000060107580 AA , US 000005440216 A , US 000005491670 A , US 000005646494 A , US 000005682313 A , EP 000001435555 A2 , US 000005652593 A , US 2003/0142587 A1 , US 2009/0073045 A1

Dabei sind eine oder mehrere feste Stationen, deren Positionen bekannt sind, beschrieben. Diese senden oder empfangen Ultraschall.
Außerdem wird jeweils ein mobiler Roboter beschrieben, der Ultraschall empfängt oder aussendet. Es werden anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls und der gemessenen Zeit zwischen dem Aussenden und dem Empfangen des Ultraschalls die Abstände zwischen der festen Station und dem Roboter berechnet.
Aus den ermittelten Abständen des Roboters zu einer oder mehreren festen Stationen können im Roboter die genauen Koordinaten der aktuellen Position und die Fahrtrichtung berechnet werden.
Dabei erkennt der Ultraschall empfangende/sendende Teil den Zeitpunkt der Aussendung des Ultraschalls über ein Funksignal, Lichtsignal, Infrarotsignal oder über ein elektrisches Signal, das mittels Kabel übertragen wird. Im Patent US 2003/0142587 A1 erkennt der Ultraschall empfangende/sendende Teil den Zeitpunkt der Aussendung des Ultraschalls nicht über ein Funksignal sondern ebenfalls über ein Ultraschallsignal.

2) Um eine Überlagerung der Signale bei den in 1) beschriebenen Methoden zu verhindern, muß die Aussendung und der Empfang eines Ultraschallsignals („Abfrage”) für jeden Roboter und jede feste Station nacheinander durchgeführt werden. Nach jeder einzelnen „Abfrage” muß zusätzlich eine Pause folgen, bis das Ultraschallsignal die von dem Roboter zu befahrende Fläche „verlassen” hat bzw. bis die maximale Reichweite der Ultraschallsender erreicht ist. Erst dann kann ein Roboter die nächste Station „abfragen”.

Die Dauer der Pause nach einer „Abfrage” ist immer auf die maximal zu erwartenden Entfernung im Fahrbereich der Roboter (bzw. die maximale Reichweite der Ultraschallsender wenn die maximale Reichweite kleiner als die maximal zu erwartenden Entfernung im Fahrbereich ist) einzustellen. Wenn mehrere Roboter im Fahrbereich fahren, müssen alle Roboter nacheinander alle Stationen nacheinander „abfragen” und nach jeder „Abfrage” die Pause einhalten.
Die Anzahl der möglichen Positionsbestimmungen pro Roboter in einem Zeitabschnitt ist in 1) also abhängig von der Anzahl der Roboter, der Anzahl der festen Stationen und der Größe der zu befahrenden Fläche bzw. der Reichweite der Ultraschallsender.
Der zeitliche Abstand zwischen zwei möglichen Positionsbestimmungen eines sich bewegenden Roboters muß so klein wie möglich sein um eine sichere Navigation zu ermöglichen. Die in 1) beschriebenen Methoden sind also nur sinnvoll, wenn ein Roboter oder wenige Roboter gleichzeitig die beschriebene Navigation nutzen. Wobei die Anzahl der Stationen und die Größe der zu befahrenden Fläche begrenzt sind.
Die Nachteile der in 1) beschriebenen Methoden sind also:

a) Es können nicht beliebig viele Roboter gleichzeitig die Methoden nutzen.
b) Die Anzahl der festen Stationen ist begrenzt.
c) Die vom Roboter zu befahrende Fläche ist begrenzt.

3) In den Patenten JP 2009139264 A und DE 10350746 A1 ist im Empfänger der Sendezeitpunkt des Ultraschallsignals unbekannt. Die Positionsbestimmung erfolgt durch Auswerten der zeitlichen Differenzen der Empfangszeitpunkte der Ultraschallsignale von mehreren räumlich getrennten Ultraschall-Sende/Empfangsstationen.
4) In den in 3) beschriebene Methoden ist keine zeitliche Synchronisation zwischen den Ultraschall Sendern und Empfängern vorgesehen. Durch die fehlende zeitliche Synchronisation können die absoluten Entfernungen vom Roboter zu den festen Stationen nicht einzeln berechnet werden.

Für die Berechnung der Position sind die exakten zeitlichen Abstände aller am Roboter empfangenen Ultraschallsignale wichtig. Dadurch wird die vom Roboter zu befahrende Fläche begrenzt, weil an jedem Punkt an dem der Roboter eine Positionsbestimmung durchführt, die Ultraschallsignale aller festen Stationen für den Roboter empfangbar sein müssen. Somit begrenzt die Ultraschall-Reichweite der festen Stationen die maximal zu befahrende Fläche. Auch wenn die Anzahl der festen Stationen erhöht werden würde, vergrößert das die vom Roboter zu befahrende Fläche nicht wesentlich. Ein Roboter kann nur in der Schnittmenge der Reichweitenbereiche der Ultraschall sendenden Stationen navigieren.
Die Nachteile der in 3) beschriebenen Methoden sind:

a) Die vom Roboter zu befahrende Fläche ist begrenzt.
b) Die Positionen der Ultraschall sendenden Stationen müssen bekannt sein.
c) Es ist keine Redundanz möglich. Beim Ausfall von Ultraschall sendenden Stationen kann keine Positionsbestimmung mehr durchgeführt werden.
d) Die absoluten Entfernungen des Roboters zu den festen Stationen können nicht einzeln berechnet werden.
e) Die Methoden sind kompliziert.

Beschreibung dieser Erfindung
Die Erfindung ermöglicht es, dass beliebig viele Roboter gleichzeitig eine Positionsbestimmung auf einer beliebig großen Fläche durchführen können. Wobei Roboter hier nur als ein Beispiel für mobile Objekte angeführt werden.
Dazu werden beliebig viele (mindestens 2) Stationen in oder um eine beliebig große Fläche montiert.
Die Roboter sind mit einem Microcontroler (oder anderer CPU) mit einem Speicher und timer und einem oder mehreren Ultraschallempfangsgeräten ausgerüstet.
Die Stationen sind mit einem Microcontroler (oder anderer CPU) mit einem Speicher und timer und einem Ultraschallsendegerät ausgerüstet. Die Stationen werden durchnumeriert (1, 2, 3, ..., n).
Die Verteilung der Stationen ist beliebig. Die genauen Positionen der Stationen müssen nicht bekannt sein.
Die Stationen werden nach den folgenden Bedingungen aufgestellt:

– Die Station 1 und 2 werden am Rand oder außerhalb der zu befahrenden Fläche aufgestellt.
– Der Abstand der Station 1 zur Station 2 muß bekannt sein.
– Der Ultraschall-Reichweitenbereich einer Stationen muß sich mit dem Ultraschall-Reichweitenbereich der angrenzenden Station bzw. den Ultraschall-Reichweitenbereichen der angrenzenden Stationen teilweise überlappen.

Der Startpunkt eines Roboters, an dem er die Navigation beginnt, muß sich innerhalb der Schnittmenge der Ultraschall-Reichweitenbereiche der Station 1 und 2 befinden. Außerdem muß sich der Startpunkt innerhalb der zu befahrenden Fläche befinden.
Die timer der Stationen und der Roboter sind exakt synchronisiert. Dazu werden die timer der Roboter und der Stationen am Anfang der Navigation gleichzeitig auf Null gesetzt.
Die Stationen können Ultraschall senden und die Roboter können Ultraschall empfangen (wobei Ultraschall nur als Beispiel für eine langsame Welle wie z. B. auch Schall angeführt wird).
Die Stationen 1 bis n senden der Reihe nach mit einem zeitlichen Abstand jeweils ein Ultraschallsignal. Hat die letzte Station n ein Ultraschallsignal gesendet, ist ein Durchgang beendet und es beginnt wieder Station 1 usw.. In 1 ist der Ablauf eines Durchgangs über der Zeit dargestellt.
t_d1, t_d2, t_d3, ..., t_dn sind die Zeiten zwischen Absendung und Empfang eines Ultraschallsignals. t_E1, t_E2, t_E3, ... t_En sind die Zeiten, die vom Start des, zum Ultraschallsignal gehörenden, Durchgangs bis zum Empfang des Ultraschallsignals vergangen ist.
t₁ ist die zeitliche Länge eines gesendeten Ultraschallsignals
t₂ ist die Pause nach dem Senden eines Ultraschallsignals
Um Überlagerungen der Ultraschallsignale zu verhindern, wird t₂ anhand der maximal zu erwartenden Entfernung auf der zu befahrenden Fläche vorgegeben: t₂ = maximale Entfernung/v_us
Der Maximalwert für t₂ ist jedoch begrenzt durch die Reichweite der Ultraschallsender also t_2max = Reichweite/V_us
(V_us: Ultraschallgeschwindigkeit)
Z₁, Z₂, Z₃, ..., Z_n sind die Zeitintervalle, in denen das jeweilige Ultraschallsignal gesendet und empfangen wird.
Im Speicher jedes Roboters werden die folgenden Konstanten vorab eingespeichert: Die Anzahl der festen Stationen n, die Zeiten t₁ und t₂ und der Abstand A_s zwischen den Stationen 1 und 2.
Im Speicher jeder Station werden die folgenden Konstanten vorab eingespeichert: Die Anzahl der festen Stationen n und die Zeiten t₁ und t₂
Die Roboter empfangen die Ultraschallsignale. Wird vom Roboter ein Ultraschallsignal empfangen, wird die Empfangszeit mit Hilfe des timers registriert und abgespeichert. Die Empfangszeit ist die Zeit, die von der Synchronisation des timers bis zum Empfang des Ultraschallsignal vergangen ist.
Anhand der Empfangszeit können die Roboter die Stationsnummer m der sendenden Station wie folgt berechnen: t_Em = Empfangszeit – (L(Empfangszeit/(n·(t₁ + t₂)))⌋·(n·(t₁ + t₂))) m = L(t_Em/(t₁ + t₂))⌋ + 1 (Hinweis: L ...⌋ ist eine Gaußklammer)
Der Abstand Am des Roboters zur Station mit der Nummer m kann mit der Ultraschallgeschwindigkeit v_us wie folgt berechnet werden: t_dm = t_Em – ((m – 1)·(t₁ + t₂)) A_m = t_dm·v_us
Empfängt der Roboter im Zeitintervall Z_m kein Ultraschallsignal, befindet er sich außerhalb der Reichweite der Station m und A_m wird als ungültig markiert.
Die Abstände A₁ bis A_n werden nach Ablauf eines Durchgangs im Speicher der Roboters gespeichert.
Da sich der Startpunkt eines Roboters, an dem er die Navigation beginnt, immer innerhalb der Schnittmenge der Ultraschall-Reichweitenbereiche der Station 1 und 2 befindet, kann die Navigation wie folgt starten:

– Für die Navigation wird ein angenommenes Koordinatenkreuz so gelegt, das Station 1 im Nullpunkt und Station 2 auf der y-Achse liegt.
– Der Abstand A_s zwischen Station 1 und 2 ist vorab als Konstante im Roboter abgespeichert worden.
– Nach dem ersten Durchlauf sind mindestens die Abstände A₁ und A₂ bekannt.
– Somit erhält man ein Dreieck wie in 3 gezeigt. (P: Position des Roboters, S1: Station 1, S2: Station 2, h: Höhe des gezeichneten Dreiecks)
– Die Höhe h kann vom Roboter mit einer Trigonometrischen Funktion berechnet werden:

Die xy-Koordinaten der Position des Roboters können wie folgt berechnet werden: x = h y = √A₁²-h²
In der 2 sind als Beispiel 9 Stationen beliebig verteilt worden. S1 bis S9 stellen die Standorte der Stationen dar. Die Kreise begrenzen die Ultraschall-Reichweitenbereiche der einzelnen Stationen. Die Anzahl der Stationen kann beliebig erhöht werden. Somit kann die zu befahrende Fläche beliebig erhöht werden. Die einzige Bedingung für die Positionierung der Stationen 3 bis n ist die teilweise Überlappung der Reichweitenbereiche mit den benachbarten Stationen.
Ein Roboter kann überall dort navigieren, wo er die Ultraschallsignale von mindestens 2 Stationen, deren xy-Position bekannt ist, empfangen kann. Mit mindestens zwei berechneten Abständen A_m1, A_m2 und den xy-Positionen der sendenden Stationen S_m1 und S_m2 kann die xy-Position des Roboters P_Rx, P_Ry nach der allgemein bekannten Formel für die Berechnung der Schnittpunkte zweier Kreise berechnet werden: Kreis 1: (x – S_m1x)² + (y – S_m1y)² = A_m1 ² Kreis 2: (x – S_m2x)² + (y – S_m2y)² = A_m2 ²
Die Schnittpunkte liegen auf der Geraden y = mx + n
wobei m = (S_m1x – S_m2x)/(S_m2y – S_m1y) n = (–A_m2 ² + A_m1 ² + S_m2y ² – S_m1y ² + S_m2x ² – S_m1x ²)/(2(S_m2y – S_m1y))
Mit der p-q-Formel werden die xy-Koordinaten berechnet: p = (2(–S_m1x + m(n – S_m1y)))/(1 + m²) q = (S_m1x ² +(n – S_m1y)² – A_m1 ²)/(1 + m²)
Zwei Positionen sind möglich: P_Rx1 = –(p/2) + (p/2)² – q P_Ry1 = mP_Rx1 + n und P_Rx2 = –(p/2) – √(p/2)² – q P_Ry2 = mP_Rx2 + n
Die Position des Roboters wird dann anhand der im Roboter bekannten Fahrtgeschwindigkeit und der Zeit die der Roboter für den Weg von der letzten Position nach PR benötigt hat, ausgewählt.
In 4 werden z. B. Station 1, 2 und 6 dargestellt. Die dünnen Kreise stellen die von P₂ aus gemessenen Abstände A₂ und A₆ dar. Der Roboter ist zu diesem Zeitpunkt von P₁ nach P₂ gefahren. Der Ort P₂ soll außerhalb der Ultraschall-Reichweite der Station 1 (also A₁ ist unbekannt) liegen. Anhand der im Roboter bekannten Fahrtgeschwindigkeit und der Zeit die der Roboter für den Weg von P₁ nach P₂ benötigt hat, kann der Roboter die maximal mögliche Entfernung von P₁ berechnen (breiter Kreis). Somit ist die Positionsbestimmung mit nur zwei gemessenen Abständen A₁ und A₆ eindeutig. (Wenn die Fahrgeschwindigkeit so hoch ist, dass die Positionsbestimmung nicht mehr eindeutig ist, ist die Genauigkeit durch andere Faktoren bereits so gering, dass die nicht eindeutige Bestimmung unerheblich ist)
Wenn die xy-Positionen der Stationen 3 bis n vorab bekannt sind, können sie vorab in den Robotern abgespeichert werden und die Roboter können sofort in den Bereichen, in denen er die Ultraschallsignale von mindestens 2 Stationen empfängt navigieren.
Wenn die xy-Positionen der Stationen 3 bis n vorab nicht bekannt sind, kann jeder Roboter die xy-Positionen der Stationen 3 bis n selbst wie folgt ausmessen und dann abspeichern:
Da sich die Ultraschallreichweiten-Bereiche der Stationen immer teilweise überlappen, kann ein Roboter die xy-Position einer Station deren xy-Position unbekannt ist berechnen. Dazu muß er in einem Bereich fahren in dem er die Ultraschallsignale empfangen kann von:

a) Mindestens 2 Stationen mit bekannter xy-Position
b) Mindestens 1 Station mit unbekannter xy-Position

5 zeit als Beispiel eine Fläche mit den Stationen S₁, S₂, S₃, S₄ und S₅. Die Kreise zeigen die jeweiligen Ultraschallreichweiten-Bereiche der Stationen an. Ein Roboter startet die Fahrt am Punkt P_start und fährt auf der eingetragenen Strecke. Die xy-Positionen der Stationen S₃, S₄ und S₅ sind beim Start unbekannt. An den Punkten P₁, P₂ und P₃ kann der Roboter die xy-Positionen der Punkte P₁, P₂ und P₃ mit S₁ und S₂ berechnen und gleichzeitig jeweils die Abstände A_3P1, A_3P2 und A_3P3 der Punkte zur Station 3.
Mit den beiden Kreisgleichungen Kreis 1: (x – P_1x)² + (y – P_1y)² = A_3P1 ² Kreis 2: (x – P_2x)² + (y – P_2y) – A_3P ² können mit der oben bereits gezeigten allgemein bekannten Formel für die Berechnung der Schnittpunkte zweier Kreise die Koordinaten der Schnittpunkte der beiden Kreise berechnet werden. Mit A_3P3 wird dann der gültige Schnittpunkt durch Vergleich mit der Entfernung der Schnittpunkte zum Roboter bestimmt. Die Koordinaten dieses Schnittpunktes werden dann als Positionskoordinaten der Station S₃ im Speicher des Roboters abgespeichert.
An den Punkten P₄, P₅ und P₆ kann der Roboter die xy-Positionen der Punkte P₄, P₅ und P₆ mit S₂ und S₃ berechnen und gleichzeitig jeweils die Abstände A_4P4, A_4P5 und A_4P6 der Punkte zur Station 4.
Mit den beiden Kreisgleichungen Kreis 1: (x – P_4x)² + (y – P_4y)² = A_4P4 ² Kreis 2: (x – P_5x)² + (y – P_5y)² = A_4P5 ² können mit der oben bereits gezeigten allgemein bekannten Formel für die Berechnung der Schnittpunkte zweier Kreise die Koordinaten der Schnittpunkte der beiden Kreise berechnet werden. Mit A_4P6 wird dann der gültige Schnittpunkt durch Vergleich mit der Entfernung der Schnittpunkte zum Roboter bestimmt. Die Koordinaten dieses Schnittpunktes werden dann als Positionskoordinaten der Station S₄ im Speicher des Roboters abgespeichert.
u. s. w.
Also jedesmal wenn der Roboter in den Ultraschallreichweiten-Bereich einer Station deren xy-Position unbekannt ist einfährt, kann er in dem Bereich in dem noch Ultraschallsignale von mindestens 2 Stationen zu empfangen sind, deren xy-Positionen schon bekannt sind die xy-Position der neuen Station berechnen und dann abspeichern.
Wenn ein Roboter mehr als 2 Ultraschallsignale von Stationen deren xy-Positionen bekannt sind empfangen kann, können durch redundante Berechnungen der xy-Position des Roboters Plausibilitätsprüfungen durchgeführt werden um z. B. defekte Stationen oder gestörte Ultraschallsignale zu erkennen.
Da beliebig viele Roboter gleichzeitig eine Positionsbestimmung durchführen können, ist es problemlos möglich, mehrere Positionsbestimmungen an verschiedenen Stellen eines Roboters durchzuführen. Wird z. B. am Bug und am Heck des Roboters jeweils gleichzeitig eine Positionsbestimmung durchgeführt, kann der Roboter anhand der Positionsdifferenzen die aktuelle Fahrtrichtung des Roboters im Koordinatenkreuz berechnen.
Das anfängliche Synchronisieren der timer in den Stationen und den Robotern kann durch eine temporäre Kabelverbindung mit einer externen Uhr erfolgen oder durch eine temporäre Kabelverbindung untereinander wobei dann alle timer, durch ein elektrisches Signal in der Kabelverbindung, auf Null gestellt werden. Nach der Synchronisierung wird die Kabelverbindung wieder entfernt. Möglich wäre auch eine Synchronisierung durch ein externes Funk-, IR- oder Lichtsignal o. Ä. (wobei die Stationen und die Roboter mit einem zusätzlichen Empfangsgerät für Funk, IR oder Licht ausgerüstet werden müssen) oder durch das DCF77(PZF) Signal (wobei die Stationen und die Roboter mit einem zusätzlichen Empfangsgerät für das DCF77(PZF) Signal ausgerüstet werden müssen).
Die Erfindung kann durch Einführung einer z-Achse in das xy-Koordinatensystem analog im dreidimensionalen Raum angewendet werden. Die Stationen werden dann in oder um den dreidimensionalen Raum montiert. Die Roboter können sich im Raum bewegen.
Die besonderen Vorteile dieser Erfindung

– Beliebig viele Roboter können gleichzeitig eine Positionsbestimmung auf einer Fläche durchführen. (wobei Roboter hier nur als ein Beispiel für mobile Objekte angeführt werden)
– Der zeitliche Abstand zwischen den Positionsbestimmungen der Roboter kann optimal minimiert werden und ist unabhängig von der Anzahl der Roboter.
– Die Anzahl der Stationen kann beliebig erhöht werden.
– Die Größe der zu befahrenden Fläche kann beliebig erhöht werden.
– Eine Positionsbestimmung ist auch noch möglich wenn eine oder mehrere Stationen ausgefallen sind. (hohe Ausfallsicherheit)
– Jeder Roboter kann zusätzlich zur aktuellen xy-Position auch die aktuelle Fahrtrichtung des Roboters im Koordinatenkreuz berechnen.
– Geringe Hardwarekosten
– Die Navigation ist indoor und outdoor einsetzbar
– Die Navigation ist in der zu befahrenden Fläche wesentlich genauer als z. B. die Navigation mit GPS.
– Da beliebig viele Roboter auf der Fläche gleichzeitig fahren können, können Aufgaben auf mehrere Roboter verteilt werden.
– Da die Roboter die xy-Positionen von Stationen deren Positionen unbekannt sind, selbst berechnen können, sind die Roboter in der Lage bei Bedarf die Fläche in der sie navigieren können, selbständig zu vergrößern indem Sie mit geführte neue Stationen ablegen oder über die Grenze der Fläche katapultieren.

Anwendungen dieser Erfindung
Es können von den Robotern „angelernte” Strecken in der zu befahrenden Fläche im Speicher abgespeichert werden. Dabei werden die xy-Positionsdaten während einer z. B. vom Menschen gesteuerten Fahrt gespeichert. Die abgespeicherten Strecken können dann vom Roboter automatisch wieder abgefahren werden. So können die Roboter z. B. als „Security”-Roboter Patrouillen selbständig abfahren.
Um ein exaktes Abfahren der gespeicherten Strecken zu gewährleisten ist es wichtig, dass die Positionen der Stationen 1 und 2 nicht verändert werden bzw. genau wiederhergestellt werden.
Die Positionen der Stationen 1 und 2 sollten auf der Fläche markiert werden (z. B. mit Farbpunkten) um eine Wiederholbarkeit von gespeicherten Fahrwegen zu gewährleisten.
Andererseits kann dem Roboter die abzufahrende Strecke vorab eingespeichert werden. So kann ein Roboter z. B. als Präzisionsrasenmäher filigrane Muster in große Rasenflächen mähen.
Das Abfahren von xy-Positionsdaten einer gespeicherten Strecke könnte wie folgt ablaufen:

– Am Startpunkt stellt der Roboter seine xy-Position und die Fahrtrichtung im Koordinatenkreuz fest.
– Anhand der festgestellten xy-Position und momentanen Fahrtrichtung des Roboters und der xy-Koordinaten des ersten Wegpunktes, wird der einzustellende Winkel der Lenkung des Roboters bestimmt. Der Roboter fährt los.
– Während der Fahrt werden laufend die xy-Position und die Fahrtrichtung des Roboters berechnet und die Lenkung entsprechend neu eingestellt, bis die xy-Position des ersten Punktes erreicht ist.
– Nach dem Erreichen des Punktes wird anhand der aktuellen xy-Position und momentanen Fahrtrichtung des Roboters und der xy-Koordinaten des nächsten Wegpunktes wieder der einzustellende Winkel der Lenkung des Roboters bestimmt. Der Roboter fährt weiter.
– Während der Fahrt werden laufend die xy-Position und die Fahrtrichtung des Roboters berechnet und die Lenkung entsprechend neu eingestellt, bis die xy-Position des nächsten Punktes erreicht ist.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004018670 A1 [0001]
JP 000005341031 AA [0001]
JP 000008054926 [0001]
JP 000060107582 AA [0001]
US 000005440216 A [0001]
US 000005491670 A [0001]
US 000005646494 A [0001]
US 000005682313 A [0001]
EP 000001435555 A2 [0001]
US 000005652593 A [0001]
US 2003/0142587 A1 [0001, 0005]
US 2009/0073045 A1 [0001]
JP 2009139264 A [0009]
DE 10350746 A1 [0009]

Claims

Navigationssystem zur Positions- und Richtungsbestimmung von mobilen Objekten insbesondere von mobilen Robotern die sich auf einer Fläche bewegen gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – Beliebig viele mindestens jedoch zwei durchnumerierte Stationen sind in oder um die Fläche positioniert – Die Stationen sind jeweils mit einer CPU, einem Speicher, einem timer und einem Sendegerät für Ultraschall ausgerüstet – Beliebig viele mobile Objekte bewegen sich gleichzeitig auf der Fläche – Die mobilen Objekte sind jeweils mit einer CPU, einem Speicher, einem timer und mindestens einem Empfangsgerät für Ultraschall ausgerüstet – Die timer der Stationen und der mobilen Objekte sind synchronisiert – Die Stationen können Ultraschall senden – Die mobilen Objekte können Ultraschall empfangen – Die Größe der Fläche ist beliebig – Die Stationen 1 und 2 sind am Rand oder außerhalb der Fläche mit einem bekannten Abstand positioniert – Die Verteilung der Stationen 3 bis n in der Fläche ist beliebig – Die Ultraschallsendereichweiten-Bereiche der Stationen überlappen die Ultraschallsendereichweiten-Bereiche der jeweils benachbarten Stationen teilweise
System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der Stationen 3 bis n in der Fläche nicht bekannt sein müssen
System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – die Stationen 1 bis n der Reihe nach mit einem definierten zeitlichen Abstand jeweils ein Ultraschallsignal mit einer definierten zeitlichen Länge senden – sobald die letzte Station n ein Ultraschallsignal gesendet hat, die Station 1 wieder anfängt
System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – alle mobilen Objekte das von einer Station gesendete Ultraschallsignal empfangen wenn sie sich in dem Ultraschallsendereichweiten-Bereiche der Station befinden. – die mobilen Objekte den Empfangszeitpunkt des Ultraschallsignals mit Hilfe des timers registrieren und speichern – die das Ultraschallsignal absendende Station von den mobilen Objekten anhand des Empfangszeitpunktes identifiziert wird. – der Zeitpunkt der Absendung des Ultraschallsignals anhand der Nummer der identifizierten Station ermittelt wird. – der Abstand des mobilen Objektes zur absendenden Station mit der zeitlichen Differenz von Absendezeitpunkt und Empfangszeitpunkt, und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls berechnet wird.
System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – die Positionen der Stationen 3 bis n, falls bekannt, vor dem Start der Navigation in den Speichern der mobilen Objekte gespeichert werden. – die Positionen von Stationen deren Positionen vor dem Start der Navigation nicht bekannt waren, von den mobilen Objekten während der Fahrt gemessen, berechnet und im Speicher gespeichert werden.
System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – auf dem mobilen Objekt zwei oder mehrere Ultraschallempfangsgeräte montiert werden können, wobei die Geräte in möglichst großem Abstand zueinander montiert werden sollten. – mit den Unterschieden der, mit den Ultraschallempfangsgeräten, gemessenen Positionen die aktuelle Fahrtrichtung ermittelt werden kann.
System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass jedes mobile Objekt in der Fläche überall dort die eigene aktuelle Position und Fahrtrichtung berechnen kann, wo es die Abstände zu mindestens 2 Stationen, deren Positionen im Speicher des mobilen Objektes abgespeichert sind, ermitteln kann.
System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch Plausibilitätsrechnungen fehlerhafte Stationen erkannt werden können wenn die Abstände zu mehr als 2 Stationen, deren Positionen im Speicher des mobilen Objektes abgespeichert sind, ermittelt wurden.
System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die mobilen Objekte bei Bedarf die Fläche auf der eine Navigation möglich ist, selbständig erweitern können.
System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass auch beim Ausfall einer oder mehrerer Stationen eine Navigation noch möglich ist.