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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Steuerung eines autonomen Gerätes und eines Staubsaugers,
wobei der Nahbereich des Gerätes
mit Hilfe von Sensoren abgetastet wird und an den Grenzen des Abtastbereiches
neue Positionen ermittelt und angefahren werden, um sukzessive die
gesamte Fläche
abzutasten.
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1 Einleitung und Überblick
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1.1 Stand der Technik
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Die heutigen kommerziellen Haushaltsstaubsauger ähneln in
Funktionsweise und Handhabung prinzipiell ihren Vorläufern von
Anfang des Jahrhunderts, wenn auch in den Bereichen Saugleistungsoptimierung,
Lärmerzeugung
sowie Luftfilterung kontinuierliche Verbesserungen im Verlauf der
Jahrzehnte erzielt werden konnten. Die verschiedenen auf dem Markt
befindlichen Modelle unterscheiden sich dabei neben ihrem Design
im wesentlichen in der Motorstärke,
die teilweise elektronisch geregelt werden kann, der Geräuschdämmung sowie
ihrer Filtergüte.
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Der klassische Bodenstaubsauger besteht aus
einem auf Rollen gelagerten Motorblock, an den über einen Schlauch verschiedene
Düsenformen
angeschlossen werden können.
Für das
Saugen von Fußböden wird
hierfür
i.A. eine an einem Teleskopstiel befestigte starre Düsenform,
die das Saugen eines etwa 20 cm breiten Streifen ermöglicht,
verwendet. Alternativ kann der Motorblock auch in den Teleskopstiel
integriert sein. Für
glatte Böden
ist bei den meisten Modellen eine kurze Bürste integriert, die über einen
Tret- bzw. Handschalter aus der Düse herausgeschoben werden kann.
Zusätzlich
kann bei einigen Modellen eine Düse
mit horizontal rotierender Bürste
verwendet werden, um die Reinigungswirkung zu erhöhen (Klopfsaugen).
Der Antrieb dieser Bürste
erfolgt entweder elektrisch oder indirekt über den Luftstrom.
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Zur Erhöhung der Reinigungswirkung
wird eine Anordnung von mehreren Tellerbürsten für die Anwendung an Kehrmaschinen
in der deutschen Patentschrift 1057154 angeben. Die Offenlegung
DE 2 252 493 A beschreibt
ein Mundstück
für einen
Staubsauger mit einer horizontal rotierenden Turbo-Bürstenscheibe.
Der automatische Staubsauger in
DE 43 07 125 A1 weist zwei fest installierte
Tellerbürsten
an seinen vorderen beiden Ecken analog zu einer Kehrmaschine auf,
die Schmutz im unmittelbaren Seitenbereich unter den Sauger und
die dort starr installierte Saugdüse befördern.
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In
US
5 720 077 ist ein Fahrroboter mit einem beweglichen Arm
beschrieben, der seitlich verschoben werden kann und an dem Kontaktsensoren
befestigt sind.
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Die Offenlegungsschrift
JP 4328607 A beschreibt eine
Tellerbürste
für einen
Reinigungsroboter, die am Ende eines ausfahr- und schwenkbaren Teleskoparms
befestigt ist.
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In der deutschen Offenlegungsschrift
2 101 659 wird ein Staubsauger mit einem teleskopartig ausfahrbaren
Arm, der einen kreisrunden Querschnitt aufweist, beschrieben, an
dessen Ende die Saugdüse
befestigt ist. Der Sauger ist nicht mobil, sondern kann sich lediglich über ein
quer angebrachtes Steuerrad in einem gewissen Winkelbereich drehen.
Sensoren sind nicht vorhanden, lediglich die Seiten der Saugdüse sind über einen
Federmechanismus drehbar gelagert, um Hindernissen ausweichen zu
können.
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In der britischen Patenschrift
GB 2 038 615 ist ein selbstfahrender
Sauger mit kreisrunder Grundfläche
auf drei Rädern,
von denen zwei angetrieben sind, dargestellt, bei dem die starre
Saugdüse
unterhalb der Saugergrundfläche
angebracht ist. Ein Steuerverfahren sowie Sensoren werden allerdings
nicht angegeben.
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Das US-Patent 5,095,577 beschreibt
einen selbstfahrenden Staubsauger, bei dem die Saugdüse am Ende
eines auf einer Trommel aufgerollten Saugschlauches befestigt ist
und mit diesem ausgefahren werden kann. Durch mechanische Sensoren
und Steuerelemente ist dieses Gerät in der Lage, einem Wandverlauf
zu folgen und hierbei die Saugdüse
ein- und auszufahren.
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Derselbe Mechanismus, jedoch zum
Ausfahren einer oder zweier Saugdüsen quer zu Fahrtrichtung,
wird im US-Patent 5,199,996 dargestellt, wobei allerdings der Staubsauger
nur auf parallelen und hierzu senkrechten Bahnen bewegt wird.
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Einen weiteres Steuerverfahren für einen
automatischen Staubsauger zeigt die Patentschrift
DE 43 40 771 A1 . bei dem
der Sauger entlang der inneren Kontur einer zu reinigenden Fläche geführt wird und
hierbei die Konturen der zu reinigende Fläche erfaßt. Dann vergleicht ein Mikroprozessor
den Zuschnitt des Raumes mit zuvor gespeicherten Konturen, um das
entsprechende Reinigungsprogramm auszuwählen. Für die Orientierung wird neben
optischen und Ultraschall-Sensoren auf der Oberseite des Saugers
ein Magnetfeldsensor verwendet, um die Laufrichtung zu bestimmen.
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In
EP 01 42 594 B1 sowie
DE 43 07 125 A1 wird ein ähnliches
Steuerverfahren beschrieben, allerdings mit der zusätzlichen
Funktion, daß der
Sauger selbständig
nach einen Umlauf zur Bestimmung der Konturen der zu reinigenden
Fläche
parallele Reinigungsbahnen plant und ausführt, ohne daß zuvor
ein Reinigungsprogramm für
einen bestimmten Raum gespeichert werden müßte.
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Die Offenlegungsschrift
DE 196 14 916 A1 beschreibt
einen automatisch arbeitenden Fahrroboter, dessen Orientierung im
wesentlichen auf der stereoskopischen Auswertung der Bilddaten von
zwei Videokameras beruht. Ein konkretes Steuerverfahren wird allerdings
nicht angegeben.
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In der gattungsbildenden
DE 690 13 531 T2 wird
ein Steuerungsverfahren für
einen Saugroboter beschrieben, bei dem jeweils der Nahbereich um
den Saugroboter gereinigt wird und der Saugroboter anschließend durch
Vor- und Zurückbewegung
und anschließender
Drehung um einen bestimmten Drehwinkel solange an einen neuen Ort
bewegt wird, bis eine vorgegebene Fläche überstrichen ist. Zur Festlegung
der jeweils nächsten
Position wird ein systematischer, rekursiver Algorithmus verwendet,
dadurch gekennzeichnet, dass in einer vorgegebenen Reihenfolge die
möglichen
Fortsetzungen ausschließlich
der aktuellen Saugerposition als Startpunkt des jeweils nächsten Nahbereiches
ausgewählt
werden, wobei jede gefundene Fortsetzung automatisch zum Ursprung
einer neuen Aneinanderreihung von weiteren Saugpositionen wird.
Ob die jeweils in Drehrichtung direkt folgende Position ausgewählt wird,
hängt hierbei
lediglich davon ab, dass beim Vorrücken des Saugers kein Hindernis
angezeigt wurde.
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Zusätzlich zu den bisher angeführten deterministischen
Steuerverfahren ist auf der DOMOTECHNICA 99 ein selbständig arbeitende
Staubsauger vorgestellt worden, der im wesentlichen stochastisch
gesteuert wird. Hierbei fährt
der Sauger solange in eine bestimmte Richtung, bis ein Hindernis,
das durch Sensoren detektiert wird, seinen Weg blockiert. Der Sauger
dreht sich dann von dem Hindernis weg und setzt seinen Weg in eine
beliebige andere Richtung fort, bis wiederum ein Hindernis eine
Kursänderung
erzwingt, und so weiter.
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1.2 Problemstellung
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Trotz der über die Jahrzehnte erzielten
Optimierung in einzelnen Bereichen bleibt Staubsaugen mit den heute
zur Verfügung
stehenden manuellen Vorrichtungen eine zeitaufwendige und anstrengende
Hausarbeit, da häufiges
Bücken,
u.U. das Verrücken
von Möbeln
sowie teilweise kräftiges
Reiben der Saugdüse
erforderlich sind. Hinzu kommt, daß aufgrund der unflexiblen
Bodensaugdüsen
Beschädigungen
an empfindlichen Möbeln
auftreten können und
daß beim Übergang
von glatten zu mit Teppich belegten Flächen jedesmal manuell die Saugdüse umgeschaltet
werden muß,
um optimale Saugwirkung zu erzielen. Falls Engstellen zu saugen
sind, muß sogar
umständlich
die Saugdüse
ausgewechselt werden.
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Die bekannten Steuerverfahren für selbständig arbeitende
Staubsauger weisen folgende Nachteile auf:
- – Steuerverfahren,
die eine manuelle Vorgabe der Wegführung erfordern, sind zu aufwendig
und sehr unflexibel, da sich gerade im Haushalt durch das Verrücken von
Möbeln
die zu saugende Bodenfläche
ständig ändert.
- – Steuerverfahren,
die vor Beginn des eigentlichen Saugvorganges selbständig die
Außenkonturen
der zu saugenden Fläche
ermitteln und mit dieser Information ihre Reinigungsbahnen festlegen,
sind überfordert,
falls viele Hindernisse, wie z.B. Möbel, zu ständigen Ausweichmanövern zwingen.
Außerdem
dauert es aufgrund der Randabtastung relativ lange, bis der eigentliche Saugvorgang
beginnt und das Verfahren funktioniert nur in abgeschlossenen Raumbereichen. Darüberhinaus
ist es nicht möglich,
einen bestimmten Startpunkt für
den Sauger vorzugeben, von dem aus der Reinigungsvorgang beginnen soll.
- – Rein
stochastische Steuerverfahren arbeiten ebenfalls unbefriedigend,
da bestimmte Flächen sehr
häufig überstrichen
werden, während
andere Bereiche selten oder gar nicht gereinigt werden, wodurch
eine ungleichmäßige Reinigung
erzielt wird. Der Saugvorgang dauert darüber hinaus sehr lange und es
existiert kein Abbruchkriterium.
- – Beim
in DE 690 13 531 T2 vorgestellten
rekursiven Steuerverfahren muss der Sauger durch ständiges Vor-
und Zurücksetzen
sehr weite Wege zurücklegen,
was zu langen Saugzeiten und ungleichmäßiger Flächenabdeckung führt. Ein
Startpunkt kann zwar vorgegeben werden allerdings bewegt sich der
Sauger von diesem Punkt aus in eine bestimmte Richtung weg, ohne
die direkte Umgebung vorher vollständig zu reinigen.
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Die mit obigen Verfahren gesteuerten
selbstfahrenden Staubsauger sind aus folgenden Gründen nicht
als Ersatz manueller Haushaltsstaubsauger geeignet:
- – Leistungsstarke
Staubsauger weisen eine sperrige Bauform auf und sind deshalb in
engen Räumen
nicht einsatzfähig,
auch weil Beschädigungen
an empfindlichen Gegenständen
nicht ausgeschlossen werden können.
Außerdem
werden neben aufwendigen Antrieben zahlreiche und komplizierte Sensoren
eingesetzt, wodurch die Geräte anfällig sind
und hohe Kosten entstehen.
- – Zur
Verbesserung der Erreichbarkeit wurden in jüngster Zeit flache Geräte mit kreisförmiger Grundfläche entwickelt.
Hierdurch wird allerdings die mögliche
Akkugröße und damit
die Reichweite und die Saugleistung begrenzt, und dennoch können viele
Bereiche in Ecken und Nischen sowie an Möbelkanten nicht gereinigt werden,
da sie für den
Sauger nicht zugänglich
sind.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe
zugrunde, ein flexibles Steuerverfahren zur Verfügung zu stellen, das einerseits
in der Lage ist, sich selbsttätig
an beliebige Bodenflächen
mit beliebigen Hindernissen anzupassen, und andererseits unnötige Mehrfachreinigung
bestimmter Bereiche zu vermeiden, während andere Stellen nicht
oder nur unzureichend erfaßt
werden. Dabei soll das Gerät
so gesteuert werden, dass unnötige
Wege vermieden werden und das Gerät die zu reinigende Fläche möglichst
effizient und in kurzer Zeit erfasst. Darüber hinaus soll die Reinigung
an einer vom Nutzer vorgegebenen Stelle direkt starten können, ohne
daß zuvor
umständlich
die Raumkonturen abgetastet werden müssen.
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Um eine ernsthafte Alternative zu
herkömmlichen
Staubsaugern darzustellen, soll die von dem Verfahren gesteuerte
Vorrichtung sämtliche
Bodenbereiche und ebenfalls Möbelkanten
und schmale Nischen erfassen, wobei Beschädigungen ausgeschlossen werden
müssen.
Die vorrichtung muß allerdings
groß genug
ausgeführt
werden, um eine genügend
große
Batterie aufzunehmen. Durch entsprechende Isolierung soll der entstehende
Lärm weitestgehend
abgeschirmt werden. Der Staubsauger sollte weiterhin möglichst
einfach ausgeführt
und robust
ssein und auf komplizierte Sensoren verzichten, um eine
kostengünstige
Herstellung zu ermöglichen.
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1.3 Lösung
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Zur Lösung der genannten Probleme
wird ein vollautomatisches Steuerverfahren für einen Staubsauger vorgestellt,
bei dem eine deterministische Methode zur Abtastung und Reinigung
des Bereichs unmittelbar um den Staubsauger mit einem statistischen
Ansatz zur Bestimmung der jeweils nächsten Saugerposition kombiniert
ist, und das die folgenden Merkmale aufweist:
- – Verfahren
zum selbsttätigen
Steuern eines selbstfahrenden Gerätes, insbesondere eines Staubsaugers,
mit Abstands- bzw. Kontaktsensoren, dadurch gekennzeichnet, daß der durch
die Reichweite der Sensoren definierte Bereich um die Vorrichtung
durch die Sensoren auf Hindernisse abgetastet wird, an den Grenzen
dieses Abtastbereiches neue Positionen für das Gerät gespeichert werden, anschließend nach
Auswahl einer der im aktuellen oder früheren Schritt gespeicherten
Position in Abhängigkeit
von der Erreichbarkeit und einer vorgegebenen Priorität diese
anfährt
und danach einen weiteren Abtastschritt und das Anfahren der ermittelten
Position ausführt,
bis die gesamte Fläche überstrichen
wurde oder keine Position mehr zugänglich ist.
- – Verfahren
zum selbsttätigen
Steuern eines selbstfahrenden Gerätes, insbesondere eines Staubsaugers,
mit Abstands- bzw. Kontaktsensoren, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Fläche sukzessive
durch Abtastung in ein zweidimensionales Datenfeld abgebildet wird,
das somit ein Abbild des realen Raumes darstellt, um hierin während der
Abtastung erkannte Hindernisse, freie Bereiche sowie neue Positionen
für die
Vorrichtung durch bestimmte Stati zu markieren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
des Steuerverfahrens gehen aus den Unteransprüchen hervor:
- – Nach der
Abtastung des Bereiches unmittelbar um die Vorrichtung werden nur
solche Positionen gespeichert werden, die weder durch Hindernisse blockiert sind
noch an Flächenbereiche
grenzen, die bereits von einer früheren Position des Gerätes aus
abgetastet wurden.
- – Bei
der Markierung von neuen Positionen können verschiedene
Prioritäten
für diese
Positionen vergeben werden.
- Bei der Auswahl einer neuen Position für die Vorrichtung wird mindestens
eines der folgenden Kriterien angewandt:
– Die neue Position darf noch
nicht im Datenfeld als bereits abgetastet markiert sein,
– wurde
bereits eine mögliche
Position gefunden, darf deren Priorität nicht mehr unterschritten
werden,
– durch
Auswertung des Saugfeldes wird sichergestellt, daß die neue
Position von der Vorrichtung erreichbar ist, wobei nur Bereiche überfahren werden
dürfen,
die bereits abgetastet wurden und nicht als Hindernis markiert sind.
– es wird
bei gleicher Priorität
diejenige Position mit dem größten Abstand
von der Vorrichtung in einer vorgegebenen Richtung gewählt.
- – Beim
Anfahren einer neuen Position wird durch Auswertung des Saugfeldes
eine optimale Route innerhalb der bereits abgetasteten Fläche unter Umgehung
von Hindernissen bestimmt.
- – Während der
Durchführung
des Verfahrens kann die Vorrichtung auf beliebige vorherige Positionen
zurückgesetzt
werden, wobei beim Zurücksetzen
der Vorrichtung über
mehrere vorherige Positionen bestimmte Zwischenpositionen übersprungen
werden, falls eine Überprüfung im
Datenfeld ergibt, daß die
Vorrichtung während
ihrer Bewegung keine Hindernisse berührt.
- – Bei
einer wiederholten Abtastung eines bereits im Datenfeld markierten
Bereiches werden sämtliche
Stati dieser Fläche
im Datenfeld entsprechend den neuen Sensordaten aktualisiert.
- – Nach
dem Anfahren einer neuen Position wird der neue Abtastbereich so
bestimmt, daß nur
eine geringe Überlappung
mit bereits abgetasteten Nachbarbereichen auftritt.
- – Nach
einer besonderen Ausprägung
der Erfindung erfolgt die Abtastung durch einen beweglichen Arm,
an dessen Kopf Abstands bzw. Kontaktsensoren befestigt sind, derart,
daß der
Kopf gleichzeitig die Bodenfläche
reinigt. Der Abtastbereich um den Staubsauger wird hierbei vorteilhafter
Weise in Form eines Kreissektors gewählt, und das Abtasten des Bereiches
um die Vorrichtung erfolgt so, daß unbekannte Flächen immer
zuerst von den am Arm befestigten Sensoren überstrichen werden.
- – Nach
dem Erkennen eines Hindernisses durch einen Kontaktsensor, der keine
Richtungsinformation liefert, wird die exakte Position des Hindernisses
durch Auswertung der jeweiligen Bewegungsrichtung des Sensors ermittelt.
- – Die
Abtastung des Bereiches um die Vorrichtung erfolgt durch periodische
Drehung des Staubsaugers mit jeweils um den Kopfdurchmesser vergrößerter Länge des
Armes.
- – Bei
der Abtastung des Bereiches um die Vorrichtung wird der Kopf in
möglichst
geringem Abstand an Hindernissen entlanggeführt.
- – Der
Kopf wird, nachdem ein Hindernis bei einer bestimmten Länge des
Armes in einem bestimmten Winkelbereich detektiert und die Konturen
abgetastet wurden, bei den folgenden Drehungen durch Verkürzung des
Armes im entsprechenden Winkelbereich vor dem Hindernis entlanggeführt.
- – Durch
Auswertung des Saugfeldes wird sichergestellt , daß die der
Saugmotor nur in denjenigen Bereichen eingeschaltet wird, die im
Saugfeld als noch nicht gereinigt markiert sind.
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Eine für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete
Vorrichtung wird durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet:
- – Staubsauger
mit angetriebenen Rädern
und Steuerrädern
bzw. steuerbare Antriebsräder
und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an seiner Spitze angeordnetem
Kopf, dadurch gekennzeichnet, daß neben zwei angetriebenen
Rädern
als dritter Auflagepunkt der Kopf dient, der sich z.B. auf Walzen,
Kugeln, Rädern
oder Borsten abstützt.
- – Staubsauger
mit angetriebenen Rädern
und Steuerrädern
bzw. steuerbare Antriebsräder
und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an seiner Spitze angeordnetem
Kopf, dadurch gekennzeichnet, daß am Kopf eine angetriebene Tellerbürste angeordnet
ist. Der erfindungsgemäße Staubsauger
schließt
allerdings ebenfalls den erweiterten Fall ein, daß mehrere
Tellerbürsten verwendet
werden. In diesem Fall sollen deren Achsen so angeordnet sein und
so angetrieben werden, daß die
Bürsten
den Schmutz in Richtung der Saugdüse unterhalb des Kopfes befördern.
- – Staubsauger
mit angetriebenen Rädern
und Steuerrädern
bzw. steuerbare Antriebsräder
und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an seiner Spitze angeordnetem
Kopf, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe, z.B. über Schneckengetriebe,
elastisch mit dem jeweiligen Rad verbunden sind, wobei die bei einer
Blockierung des Saugers durch ein Hindernis auftretende Verschiebung
der Antriebe detektiert wird. Durch diese Vorrichtung kann auf einen
Kontaktsensor, der den Staubsauger vollständig umgibt verzichtet werden.
- – Staubsauger
mit angetriebenen Rädern
und Steuerrädern
bzw. steuerbare Antriebsräder
und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an seiner Spitze angeordnetem
Kopf, dadurch gekennzeichnet, daß am Kopf Abstands- bzw. Kontaktsensoren
zur Erfassung von Hindernissen angeordnet sind.
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Zusätzliche vorteilhafte Ausprägungen des Staubsaugers
werden durch die Unteransprüche
detailliert:
- – Der Antrieb der Tellerbürste(n)
erfolgt über
eine verschiebbare Welle durch einen Getriebemotor, der auf der
Saugergrundfläche
angebracht ist.
- – Jede
Bürste
ist mit einem dichten Kranz schräg nach
außen
geneigter weicher Borsten umgeben, die den Luftstrom bündeln, und
Staub von Möbelkanten
entfernen. Darüberhinaus
kann jede Bürste
schräg
nach innen gerichtete Borsten aufweisen, die den Sauger stützen, den
Schmutz vom Boden lösen
und den Kopf an Stufen wie z.B. Teppichkanten anheben.
- – Unterhalb
des Kopfes kann eine zusätzliche Stütze mit
integrierter Kugel zum Abrollen befestigt werden.
- – Spezielle
Sensoren am Kopf können
Hindernisse für
die Bewegung des Kopfes detektieren. Ein Sensor zu diesem Zweck
kann vorteilhafter Weise so ausgeführt sein, daß um den
Kopf herum in geringem gegenseitigen Abstand zwei elastische Kunststoffstreifen
angebracht sind, deren zueinander gewandte Flächen leitend beschichtet sind, und
von denen der äußere bei
Kontakt mit einem Hindernis an den inneren herangedrückt wird.
- – Andere
Sensoren am Kopf detektieren Hindernisse für die Bewegung des Staubsaugers,
die jedoch den Arm selbst nicht behindern. Zu diesem Zweck kann
ein Abstandssensor, der z.B. durch Ultraschall oder mittels elektromagnetischer
Wellen die lichte Höhe
oberhalb des Kopfes mißt,
eingesetzt werden. Zusätzlich
kann ein Sensor, z.B. in Form eines mechanischen Tasters oder berührungslos,
Stufen im Bodenbelag unterhalb des Kopfes erfassen, um ein Kippen
des Staubsaugers zu verhindern.
- – Der
bewegliche Arm wird vorteilhafter Weise als Teleskoparm mit rechteckförmigem Querschnitt ausgeführt, um
bei möglichst
flacher Bauweise einen großen
Querschnitt zur Führung
des Luftstromes zu bieten.
- – Falls
der Sauger so ausgeführt
wird, daß er
sich nicht auf dem Kopf abstützt,
ist es vorteilhaft, den Teleskoparm so auszuführen, daß er an seinem hinteren Ende
vertikal beweglich gelagert ist, um auch in diesem Fall einen guten
Bodenkontakt des Kopfes zu garantieren.
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2 Realisierung
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Anhand einer beispielhaften Vorrichtung
wird der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert, wobei
zum besseren Verständnis
zuerst der Aufbau der Vorrichtung beschrieben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist selbstver ständlich
unabhängig
von der hier beschriebenen Vorrichtung und auch bei beliebig geeigneten
Vorrichtungen anwendbar.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen:
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1:
Ansicht des Saugers
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2:
Aufsicht des Saugers
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3:
Längsschnitt
des Kopfes
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4:
Aufsicht auf den Kopf
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5:
Antrieb mit Blockierungssensor
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6:
Wegsteuerung beim Sektorsaugen
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7:
Sektorsaugbereich bei vorhandenen Hindernissen
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8:
Aneinanderreihung von Sektorsaugbereichen
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9:
Speicherung der gesaugten Bereiche
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10:
Gesamtflußdiagramm
der Saugersteuerung
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11:
Flußdiagramm 'Saugen des voraus liegenden
Sektors'
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12:
Flußdiagramm 'Saugerdrehung mit eventueller
Armverkürzung'
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13:
Flußdiagramm 'Armverlängerung mit
eventueller Saugerdrehung'
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14:
Flußdiagramm 'Bestimmung einer neuen
Saugerposition
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2.1 Mechanischer Aufbau 2.1.1
Antrieb und Bewegungskonzept
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1 zeigt
die Ansicht des Saugers während 2 die Aufsicht auf die unterste
Ebene des Saugers mit abgenommenem Staubfänger darstellt.
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Der Antrieb erfolgt mit zwei Schrittmotoren (9),
die jeweils über
ein Schneckengetriebe (24) mit einer Untersetzung von ca.
1 : 30 ein Laufrad (8) mit gummiummantelter Lauffläche antreiben.
Durch die Anordnung der Laufräder
auf der Symmetrieachse der kreisförmigen Grundfläche kann
mittels der zwei Motoren (9) sowohl der Vortrieb (gleiche
Drehrichtung) als auch die Drehung um den Mittelpunkt des Saugers
(entgegengesetzte Drehrichtung) realisiert werden. Als dritter Auflagepunkt
wird hierbei die Saugbürste
(12) genutzt, die am vorderen Ende des ausfahrbaren Armes
(4), auch Saugarm genannt, befestigt ist.
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Durch entsprechende Anordnung der
relativ schweren Batterie (7), die sowohl sämtliche
Motoren als auch die Elektronik (5) mit Energie versorgt,
auf der Grundplatte, wird gewährleistet,
daß der
Sauger (1) ein geringes Übergewicht nach vorn aufweist,
wodurch jederzeit eine stabile Auflage sichergestellt ist.
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Durch dieses Konzept ergibt sich
einerseits ein sehr einfacher mechanischer Aufbau, da kein zusätzliches
Stützrad
erforderlich ist, andererseits hat die Saugbürste (12) so immer
einen sicheren Kontakt zur Bodenfläche, unabhängig von Unebenheiten im Bodenbelag.
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2.1.2 Ausfahrbarer Arm
mit rotierender Bürste
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Ein wesentliches Konstruktionselement
des Saugers bildet der ausfahrbare Arm (4), siehe 1 und 2, der auch den Zugang zu schwer zugänglichen Bodenbereichen
ermöglicht,
z.B. unter Schränken oder
in schmalen Nischen.
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Der Arm (4) weist einen
rechteckigen Querschnitt auf und besteht im wesentlichen aus zwei
teleskopartig ineinander gesteckten Hohlkörpern aus Kunststoff, durch
die der Luftstrom geleitet wird.
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Die Länge des Arms (4) wird
ebenfalls über einen
Schrittmotor (9a) gesteuert, der eine am ausfahrbaren Innenteil
vorne befestigte Zahnstange (10) antreibt und eine exakte
Positionierung gestattet.
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Am vorderen Ende des Armes (4)
ist eine rotierende Saugbürste
(12) angebracht, die über
ein Schneckengetriebe (24) in Rotation versetzt wird. Die Schnecke
(24) ihrerseits ist an einer Welle (6) mit quadratischem
Querschnitt befestigt auf der momentenschlüssig ein Kegelzahnrad gleiten
kann. Durch ein entsprechendes Auflager auf der äußeren Seite sowie durch ein
zweites Kegelrad (25) innen im Winkel von 90° wird das
Kegelrad auf der Grundplatte des Saugers axial fixiert. Durch diese
Anordnung wird erreicht, daß die
Bürste
(12) unabhängig
von der aktuellen Länge
des Arms gedreht werden kann. Außerdem kann der Arm (4)
sehr flach aufgebaut sein, um ebenfalls den Boden unter niedrigen
Möbeln
zu reinigen. Als Antrieb für
die Bürste
wird ein handelsüblicher
Getriebemotor (26) verwendet, mit dem eine Drehfrequenz
der Bürste
von ca. 0.5 Hz eingestellt wird.
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Die Reinigungswirkung wird dadurch
erzielt, daß der
Staub über
die Bürste
(12) innerhalb des Arms (4) durch den Luftstroms,
der mittels eines ca. 50 W starken Elektromotors (2) erzeugt
wird, in den Auffangbehälter
(3) geleitet wird.
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Die hohe Saugleistung entsteht zum
Teil dadurch, daß die
glattwandige und strömungsgünstige Luftführung nur
wenig Turbulenzen und damit geringe Verluste verursacht.
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Eine zusätzliche, entscheidende Verbesserung
des Reinigungseffektes bewirkt dabei die um ihre senkrechte Mittelachse
rotierende Saugbürste (12),
deren Längsschnitt
in 3 dargestellt ist;
die Schnittlinie B-B' kann 4 entnommen werden. Diese
Bürste
bündelt
den Luftstrom und löst
Staub sowie andere Fremdkörper
mechanisch vom Boden, in weiten Grenzen unabhängig vom zu saugenden Bodenbelag.
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Das sogenannte Bürstenrad (27) ist über eine
Achse (28) mit einem Zahnrad oberhalb des Armes verbunden,
in das die Schnecke (24), die am Ende der rechteckförmigen Welle
(6) befestigt ist, eingreift. Die Welle ist über ein
Auflager (17a) mit dem Arm (4) verbunden. Das
Bürstenrad
(27) ist als Speichenrad ausgeführt, um den hindurchtretenden Luftstrom
möglichst
wenig zu behindern.
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Sämtliche
Borsten (21, 22) sind am äußeren Rand des Bürstenrades
(27) befestigt, wobei die nach innen zur Achse geneigten
Borsten (21) relativ steif ausgeführt sind und einen genügend großen gegenseitigen
Abstand aufweisen, um zwischen ihnen den Luftstrom ungehindert hindurchtreten
zu lassen; diese Borsten stützen
den Sauger nach vorn ab und bewirken, daß die nach außen geneigten,
sehr weichen Borsten (22) soeben den Bodenbelag berühren. Neben
der hierdurch bewirkten Verringerung des Reibungswiderstandes entsteht
ein zusätzlicher
Vorteil dadurch, daß die äußeren Borsten
(22) sehr dicht stehen und der Luftstrom nur durch den
Spalt zum Boden hindurchtreten kann, wodurch eine effektive radiale
Düsenwirkung
entsteht.
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Optional für sehr weiche Bodenbeläge kann unterhalb
des Bürstenrades
, quasi als Verlängerung von
dessen Achse, eine zusätzliche
Stütze
aus Kunststoff (29) befestigt werden, um das zu tiefe Einsinken
des Kopfes, auch Saugkopf genannt, (6b, 7b, 11)
zu verhindern. In diese Stütze
ist zum Boden hin eine frei drehbare Rollkugel integriert, um den
Reibungsverlust bei Bewegungen des Armes zu minimieren, siehe 3.
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Die nach innen geneigten steiferen
Borsten (21) haben noch eine weitere wichtige Funktion,
denn sie ermöglichen
ebenfalls einen problemlosen Übergang
beim Überfahren
kleiner Stufen im Bodenbelag, z.B. an Teppichkanten. An diesen werden
die äußeren weichen
Borsten (22) bei Bewegungen des Armes nach innen gedrückt, wobei
der Kopf aufgrund der Borstenelastizität geringfügig angehoben wird. Dieser
Effekt wird durch die schräge
Anordnung der inneren Stützborsten
(21) erheblich verstärkt,
so daß der
Arm (4) über
die Stufe hinweggleiten kann.
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Der Bürstenwiderstand beim Bewegen
des Saugers auf Teppich oder über
Stufen hinweg wird auch ganz wesentlich durch die Drehung der Bürste (12)
um ihre vertikale Achse verringert. Die Drehfrequenz muß an die
laterale Bewegungsgeschwindigkeit des Kopfes (11) angepaßt werden
muß, um
den Kopf optimal abrollen zu lassen. Dieser Effekt ist aufgrund
der Radialsymmetrie der Bürste
(12) unabhängig
von der aktuellen Bewegungsrichtung des Saugers.
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Gegenüber herkömmlichen Kopf- und -bürstenformen
besteht bei der hier vorgestellten Konstruktion ein großer Vorteil
darin, daß gerade
im direkten äußeren Umfeld
des Kopfes, z.B. beim Saugen an Möbelkanten und Fußleisten,
eine hohe Reinigungswirkung erzielt wird, wobei durch die weichen äußeren Borsten
Beschädigungen
ausgeschlossen sind.
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Insgesamt wird durch das Zusammenspiel all
dieser Faktoren erreicht, daß trotz
der aufgrund der Batterieversorgung notwendigerweise beschränkten Motorleistung
die Saugwirkung erheblich besser ist, als bei herkömmlichen
Bodenstaubsaugern mit wesentlich höheren elektrischen Anschlußwerten.
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2.1.3 Orientierung des
Saugers mittels Sensoren
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Die Orientierung des Saugers basiert
auf der Berechnung der jeweils aktuellen Saugposition anhand des
zurückgelegten
Weges. Aufgrund der exakten Schrittsteuerung sowie des statistischen
Auftretens etwaiger Positionierfehler kann hierbei eine Ortsgenauigkeit
erreicht werden, die auch nach längeren,
beim Saugen eines Zimmers zurückzulegenden
Wegstrecken im Zusammenspiel mit den Sensoren völlig ausreichend ist.
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Zum Erkennen von Hindernissen mit
hoher Ortsauflösung
tastet der Kopf (11) durch die Drehung des Saugers (1)und
entsprechende Armverlängerung
die vor dem Sauger liegende Bodenfläche ab, siehe Kapitel 2.2.3.1.
Hierbei ist durch die Kreissymmetrie des Saugers sichergestellt,
daß bei
Drehungen ausschließlich
der Kopf auf Hindernisse treffen kann.
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Insgesamt werden für diese
Aufgabe drei Sensoren benötigt:
Die
wichtigste Funktion hat der mechanische Berührungssensor (14)
am Kopf (11), dessen Aufbau 4 entnommen
werden kann. Dieser Sensor dient dazu, bei Dreh- und Längsbewegungen
des Armes das Auftreffen auf Hindernisse zu detektieren.
-
Er besteht im wesentlichen aus zwei
Kunststoffstreifen (19, 20), die den Kopf (11)
umgeben und durch zwei seitliche Distanzstücke (18) auf einen
gegenseitigen Abstand von wenigen Millimetern gehalten werden. Während der
innere Streifen (19) fest mit dem Kopf verbunden ist, wird
der äußere Streifen (20)
lediglich über
die Distanzstücke
(18) gehalten und besteht aus sehr dünnem elastischem Kunststoff,
um eine weiche Federwirkung zu erzielen.
-
Die zueinander gewandten Innenseiten
beider Streifen sind mit einem leitfähigen Material beschichtet
und über
Anschlußdrähte mit
der Elektronik verbunden. Im Normalzustand sind diese als Kontakte
wirkenden Flächen
durch die isolierenden Distanzstücke
sowie die Luft elektrisch voneinander isoliert. Trifft der Kopf
jedoch auf ein Hindernis wird der äußere Streifen an den inneren
herangedrückt,
so daß sich
der elektrische Stromkreis schließt; die Richtung, aus der das
Hindernis auftrifft, ist hierbei unbedeutend.
-
Die beiden Wulste (23) an
beiden Seiten des Kopfes dienen dazu, um auch exakt seitliche Berührungen
bei Drehungen des Saugers sicher detektieren zu können. Diese
Wulste übertragen
seitlichen Druck auf den äußeren elastischen
Streifen (20), der daraufhin gegen den inneren Streifen
(19) gedrückt wird.
-
1 ist
zu entnehmen, daß der
Berührungssensor
(14) die gesamt Höhe
des Kopfes (11) umfaßt
und ebenfalls weit nach unten geführt ist, um dadurch mögliche Hindernisse,
welche die Bewegung des Kopfes blockieren können, zu erfassen.
-
Obwohl der Berührungssensor nicht in der Lage
ist, die Richtung, in der ein Hindernis liegt, direkt zu bestimmen,
kann diese Information jedoch immer dadurch gewonnen werden, daß die Bewegungsrichtung
des Kopfes bekannt ist.
-
Der zweite sehr wichtige Sensor ist
der sogenannte Höhensensor
(13) an der oberen, vorderen Kante des Kopfes, siehe 3 und 4. Dieser Sensor hat die Aufgabe, Hindernisse
zu detektieren, die zwar den Arm (4) und -kopf nicht behindern,
deren lichte Höhe
jedoch nicht ausreicht, damit der gesamte Sauger (1) diese
Stelle passieren kann.
-
Für
diesen Zweck wird ein handelsüblicher Infrarot-Abstandssensor
verwendet, dessen Auslöseabstand
genau auf die Höhe
des Saugers abzüglich
der Kopfhöhe
eingestellt wird. Dieser Sensor (13) weist eine hohe laterale
Genauigkeit auf, so daß auch
bei Hindernissen im vertikalen Abstand von ca. 30 cm eine laterale
Ortsauflösung
von wenigen Zentimetern erreicht wird.
-
Als dritter Sensor ist ein sogenannter
Stufensensor (15) vorgesehen, siehe 3, um größere Versetzungen des Bodenbelages
z. B. an Treppen zu erkennen und hierdurch ein Kippen des Saugers
zu verhindern.
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Dieser Sensor besteht aus einem empfindlichen
Taster, der knapp hinter dem Kopf an der unteren Kante des Arms
(4) befestigt ist, wobei auf ebenen Flächen der Sensor einen Abstand
von ca. 1 cm vom Boden hat.
-
Wird der Kopf über eine Stufe bewegt mit einem
vertikalen Versatz nach unten, der mindestens dem Abstand des Sensors
vom Boden entspricht, setzt der Arm mit dem Taster auf, wodurch
der Sensor auslöst.
-
Die bisher beschriebenen Sensoren
sind ausreichend, um den Sauger mittels des im Abschnitt 2.2 beschriebenen
Steuerverfahrens im Normalfall eindeutig manövrieren zu können.
-
Dennoch kann durch das Verrücken von
Gegenständen
in bereits gesaugte Bereiche nicht ausgeschlossen werden, daß der Sauger
während
seiner Bewegung auf Hindernisse stößt.
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Um auch in diesem Fall dem Steuerprogramm
ein Hindernis anzeigen zu können,
ist die Kraftübertragung
von den Schrittmotoren auf die beiden Antriebsräder mit jeweils einem mechanischen Blockierungssensor
(16) ausgestattet.
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Um die Funktion des Blockierungssensors zu
verdeutlichen, ist in 5 einer
der beiden Antriebe im Detail dargestellt, siehe Schnittlinie A-A
in 2: Das Ritzel (33)
des Schrittmotors (9) überträgt dessen
Moment auf ein Zahnrad (34), das wiederum ein Schneckengetriebe
(24, 34) antreibt. Die Welle, auf der das Zahnrad
(34) sowie die Schnecke (24) befestigt sind, ist
hierbei durch Achsringe (30) mit der Antriebshalterung
(32) verbunden, so daß keine
axiale Verschiebung der Welle gegen die Halterung möglich ist
und deshalb die Drehung der Antriebswelle durch das Schneckengetriebe
(24, 34) in die Drehung des Laufrades (8) übertragen
wird.
-
Diese Antriebseinheit wirkt jedoch
nicht als starres System, da die gemeinsame Lagerung (32) der
Welle und des Schrittmotors aus elastischen Material besteht, welches
geringfügige
axiale Verschiebungen der Antriebswelle zuläßt, falls während der Motordrehung eine
Blockierung des Saugers auftritt.
-
Diese Verschiebung der Lagerung schließt entsprechend 5 einen elektrischen Kontakt
im Blockierungssensor (16), der von der Steuerelektronik
ausgewertet wird.
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Die vorgestellte Realisierung eines
Blockierungssensors weist den Vorteil gegenüber steifen Systemen auf, daß bei Auftreten
einer plötzlichen Blockierung
des Saugers keine großen
Kräfte
wirken, die eventuell zu Beschädigungen
führen,
sondern daß aufgrund
der Elastizität
der Lagerung eine allmähliche
Erhöhung
der Antriebskraft an der Welle (28) einsetzt, bis der Blockierungssensor
auslöst.
-
Durch Veränderung der Steifigkeit der
Lagerung (17) kann die Elastizität des Antriebs individuell an
das Gewicht des Saugers und die dynamisch wirkenden Kräfte angepaßt werden.
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2.2 Automatische Steuerung
des Saugers
-
2.2.1 Darstellung des
Steuerprinzips
-
Die Steuerung des Saugers (1)
erfolgt derart, daß ausgehend
vom aktuellen Standort und in Bezug auf die jeweils vorherige Laufrichtung
(6c) ein Sektor von maximal ±90° mäanderförmig gesaugt wird, siehe 6: Zuerst dreht der Sauger
(6a) in die linke Maximalstellung. Dann erfolgt eine Drehung
maximal nach rechts, eine Verlängerung
des Armes um den Kopfdurchmesser, und anschließend die Rückdrehung in die linke Maximalstellung.
Dieser Bewegungsvorgang wird solange wiederholt, bis der Arm mit
dem Kopf (6b) seine endgültige Länge erreicht hat, worauf er
dann, anschließend
an die letzte Drehung nach rechts, vollständig zurückgezogen wird.
-
Die beschriebene Bewegungssteuerung
wird automatisch angepaßt,
falls Hindernisse während der
Drehung oder Armbewegung auftreten, siehe Abschnitt 2.2.3.1. In 7 ist ein eingeschränkter Sektorbereich
(7d) dargestellt, der vom Kopf (6b, 7b) überstrichen
werden kann, falls Gegenstände
(7e) die Bewegung behindern. Hierdurch können sogenannte
Saugschatten (7f) entstehen, die der Kopf (6b, 7b)
durch die Blockierung der Drehung des Armes nicht erreichen kann.
-
Neben diesen Saugschatten (7f)
werden auch andere freie Randbereiche des aktuell gesaugten Sektors
markiert, siehe nächster
Abschnitt, und damit als potentielle neue Saugerpositionen (6d, 6e bzw. 7c)
gekennzeichnet. Aus der Gesamtheit dieser Positionen wird nach Beendigung
des Sektorsaugens die jeweils nächste
Saugposition ausgewählt und
angefahren, siehe Abschnitt 2.2.3.2.
-
In 8 ist
am Beispiel einer Zimmerecke (8a) dargestellt, wie durch
Aneinanderreihung einzelner Sektorsaugbereiche (8b) Flächen beliebiger
Umrandung vollständig
gesaugt werden können
(In diesem Bsp. haben alle Sektoren den maximalen Öffnungswinkel
von 180°).
Durch Überlappung
der Sektoren werden hierbei einige Bereiche mehrfach gesaugt, was
die Reinigungswirkung zusätzlich
erhöht und
mögliche
Positionierungsungenauigkeiten des Saugers ausgleicht.
-
Zur Vergrößerung der Reichweite mit einer Akku-Ladung
wird der Saugermotor, der den größten Verbraucher
darstellt, nur während
des Sektorsaugens eingeschaltet, und nicht, wenn eine neue Saugerposition
eingenommen wird.
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2.2.2 Markierung der gesaugten
Bereiche
-
Zur globalen Orientierung des Saugers
(1) wird die gesamte zu saugende Fläche in einen Speicher, das
sogenannte Saugfeld, abgebildet und hierin die verschiedenen Stati,
die einem Flächenelement zugeordnet
werden können,
markiert. Diese zweidimensionale Information wird verwendet, um
neue Saugpositionen zu kennzeichnen und den Weg dorthin zu bestimmen.
Folgende vier Stati werden unterschieden:
- – Status
0: 'ungesaugt'
Dieser Status
ist der Defaultwert im Saugfeld beim Start des Saugers und wird überschrieben, sobald
der Kopf die entsprechende Stelle erstmals überstrichen hat.
- – Status
1: 'gesaugt'
Diesen Status
erhalten alle Felder des Saugfeldes, die bereits vom Kopf überstrichen
wurden und die kein Hindernis für
die Bewegung des Saugers darstellen
- – Status
2: 'Hindernis'
Dieser Status
dient zur Kennzeichnung von Hindernissen, die von den Sensoren erkannt
wurden. Ein mit diesem Status versehenes Feld kann vom Sauger bei
der Einnahme einer neuen Saugposition nicht überfahren werden.
- – Status
3: 'Mögliche neue
Saugposition'
Mit
diesem Status wird während
des Saugens eines Sektors ein Randfeld, das vorher den Status 0
haben muß,
als mögliche
neue Saugposition gekennzeichnet. Wird der Bereich später vom
Kopf überstrichen,
erhält
das Feld den Status 1 bzw. 2. Bei der Überprüfung einer möglichen
neuen Saugposition zeigt der Status 3 an, daß der entsprechende Bereich
bisher noch nicht gesaugt wurde.
-
Zur Abbildung der realen, zu saugenden
Fläche
auf das Saugfeld wird ein zweidimensionales Raster verwendet. Hierbei
entspricht die Ortsauflösung
in x- und y-Richtung
jeweils einem Zentimeter und ist damit für die Detektionsgenauigkeit
der Sensoren hinreichend genau. Da für die vier verschiedenen Stati
nur zwei Bit benötigt
werden, ist es möglich, mit
dieser Auflösung
eine Fläche
von 10×10
m2 in einen Speicherbereich von nur 250
kByte abzubilden.
-
Ein mögliches Problem bei der Minimierung des
Speicherbedarfes entsteht dadurch, daß zu Beginn des Saugvorganges
der Sauger an einer beliebigen Stelle eines Raumes (9a)
gestartet wird. Ausgehend von diesem Ursprung können für x und y sowohl positive als
auch negative Koordinatenwerte auftreten, wobei letztere nicht direkt
in das Saugfeld (9b) übernommen
werden können.
Zur Lösung
dieses Problems wird eine Koordinatentransformation vorgenommen,
siehe 9: Jeder im realen
Raum (9a) negative Wert für x bzw. y wird abgebildet
auf xmax- |x|
bzw. ymax – |y|, wobei xmax und
ymax die festgelegten maximalen Dimensionen
des Saugfeldes (9b) für
x und y angeben, die den Bewegungsbereich des Saugers begrenzen.
Durch die Transformation werden Feldbereiche, bei denen mindestens
eine Koordinate negativ ist, entsprechend versetzt im Saugfeld abgebildet.
-
Von den in 9 im realen Raum (9a) dargestellten
vier Hindernissen (H1, H2 H3, H4) hat beispielsweise das Hindernis
H4 bezogen auf die durch einen Punkt dargestellte Startposition
des Saugers, der als Koordinatenursprung dient, sowohl eine negative
x- als auch eine negative y-Koordinate und erscheint deshalb nach
der Koordinatentransformation entsprechend versetzt in der oberen
rechten Ecke des Saugfeldes
-
Während
der Bewegungssteuerung wird überwacht,
daß die
Summe aus der maximalen positiven und negativen Saugdistanz vom
Ursprung in x- und y-Richtung jeweils die vorgegebenen Werte für xmax bzw. ymax nicht überschreitet.
Andernfalls wird der Programmablauf mit einer entsprechenden Fehlermeldung
unterbrochen. Da der Kopf (6b bzw. 7b) sich quasi
kontinuierlich bewegt, werden neue Stati im Saugfeld immer dann
gesetzt, nachdem eine Strecke von 1 cm zurückgelegt wurde. Hierbei werden
jeweils die Felder unterhalb des Außenradius' vom Kopf, halbkreisförmig bezüglich der
jeweiligen Bewegungsrichtung des Kopfes berücksichtigt.
-
Eine Ausnahme von dieser Markierungsregel
gilt für
den Höhen-
(13) und Stufensensor (15): Falls diese Sensoren
ein Hindernis melden, wird nur das Feld im Saugfeld, das genau unterhalb
des entsprechenden Sensors liegt, gekennzeichnet.
-
2.2.3 Beschreibung des
Steuerverfahrens
-
Das Gesamtflußdiagramm für die Saugersteuerung ist in 10 dargestellt:
Nach dem
Start des Saugvorganges (S10) und immer dann, wenn eine neue Saugerposition
eingenommen wurde, wird die aktuelle Saugerposition gespeichert
(S11). Zur eindeutigen Lokalisierung werden hierzu die x- und y-Koordinate
des Saugermittelpunktes, die Länge
des Armes sowie der Winkel, den der Arm bezogen auf die x-Achse
einnimmt, benötigt.
-
Anschließend wird die optimale Größe des zu
saugenden Sektors innerhalb der maximalen Grenzen des Winkels von ±90° (ausgehend
von der vorherigen Laufrichtung des Saugers) sowie der maximal möglichen
Länge des
Armes Rmax bestimmt (S12). Dazu wird im
Saugfeld überprüft, welche Punkte
noch den Status 0, d.h. ungesaugt, aufweisen. Der Bereich, in dem
diese Punkte liegen, wird durch den linken sowie rechten Grenzwinkel
Wl und Wr sowie
den Außen- und Innenradius
Ra und Ri eindeutig
gekennzeichnet, wobei Ri immer der konstanten
Armlänge
im eingefahrenen Zustand entspricht.
-
Im nächsten Schritt (S13) wird der
ermittelte Sektorbereich gesaugt, siehe 2.2.3.1, einschließlich einer
entsprechenden Hindernisbehandlung. Sämtliche überstrichenen Bereiche werden
im Saugfeld mit dem Status 1 bzw. bei Detektion eines Hindernisses mit
Status 2 markiert.
-
Nun werden mögliche neue Kopfpositionen als
mögliche
Startpunkte für
neue Saugsektoren an den freien äußeren Rändern des
gesaugten Bereiches, die durch den Status 0 gekennzeichnet sind,
im Saugfeld mit dem Status 3 markiert. Zusätzlich zu dieser Markierung
erfolgt die Speicherung jeder möglichen
neuen Position mit ihren Koordinaten, ihrer Priorität sowie
der jeweils neuen optimalen Saugrichtung (senkrecht zum jeweiligen
Rand) in der Liste der noch offenen möglichen neuen Positionen (S14).
-
Falls der Sauger nach Wl bzw.
Wr gedreht werden konnte sowie an den Saugschatten
hinter Hindernissen, werden die Ecken als mögliche neue Saugpositionen
gekennzeichnet (6d). Außer den seitlichen Rändern wird
die Mitte jedes freien Randbereiches (6c) – gekennzeichnet
dadurch, daß der Arm
bis auf Ra ohne Hinderniskontakt ausgefahren werden
konnte markiert. Zur Erhöhung
der Anzahl möglicher
Saugpositionen werden in größeren freien Randbereichen
neben der Mitte noch zusätzliche Randpunkte
markiert und gespeichert (6e), allerdings mit der niedrigeren
Priorität
2. In 6 sind die möglichen
neuen Saugpositionen für
den Fall eines Sektors ohne und in 7 mit
Hindernissen als schwarze- (Prio 1) bzw. weiße Pfeile (Prio 2) dargestellt
(6c–6e bzw. 7c),
wobei die Pfeilspitzen die jeweils neuen Saugrichtungen angeben.
-
Die aktuelle Kopfposition, von der
aus der letzte Sektor gesaugt wurde, wird nun aus der Liste der
noch offenen möglichen
neuen Positionen gelöscht
(S15).
-
Anschließend (S16) wird aus der Gesamtheit der
gespeicherten möglichen
neuen Positionen die Saugposition für das nächste Sektorsaugen bestimmt
und der Sauger mit seinem Kopf an diese Stelle bewegt, siehe 2.2.3.2.
-
Konnte keine neue Saugerposition
ausgewählt
und angefahren werden (S17), so wird der Saugvorgang beendet (S18),
andernfalls mit dem Speichern der neuen Saugerposition, wie anfangs beschrieben,
fortgesetzt (S11).
-
2.2.3.1 Saugen eines Sektors
-
Beim Saugens des jeweils aktuellen
Sektors, dessen Grenzen nach dem Anfahren einer neuen Position bestimmt
wurden, ermöglicht
die im folgenden beschriebene, wegoptimierte Steuerung des Kopfes die
exakte Abtastung der Konturen beliebiger Gegenstände, welche die Bewegung des
Armes behindern.
-
Werden während des Sektorsaugens keine Hindernisse
detektiert, so erfolgt die Bewegung des Kopfes wie in Bild 6 dargestellt.
Falls der Kopf jedoch bei Drehungen oder Längenänderungen auf ein Hindernis
stößt, wird
er in engem Kontakt an diesem entlanggeführt.
-
Um den Kopf um bereits bekannte Hindernisse
herumführen
zu können
und dadurch eine Doppeldetektion zu vermeiden, wird das sogenannte
Winkelfeld verwendet, das vor jedem Sektorsaugen neu initialisiert
wird und dazu dient, den jeweils maximal möglichen Radius für jeden
Winkel des Sektors zu speichern.
-
Nach dem Start des Sektorsaugens
(S20) wird der Sollradius RS, der die Referenzlänge für den Arm
angibt und nach jede Schwenkvorgang inkrementiert wird, auf den
inneren Radius Ri gesetzt, den der Arm im
eingefahrenen Zustand einnimmt (S21).
-
Nun wird der Arm an die linke Sektorgrenze Wl gedreht (S22), maximal jedoch bis zum Auftreffen auf
ein Hindernis; dann wird die Drehrichtung umgepolt (S23).
-
Anschließend (S24) erfolgt die Drehung
des Saugers in die aktuelle Richtung mit eventueller Verkürzung der
Armlänge,
siehe nächster
Abschnitt und Bild 12. Hierbei wird, falls der ermittelte Endwinkel aufgrund
eines Hindernisses nicht direkt angedreht werden kann, durch schrittweise
Verkürzung
der Armlänge
während der
Abtastung der Randkontur des Hindernisses versucht, die Drehung
fortzusetzen.
-
Die Drehung wird beendet, sobald
der Arm den Endwinkel erreicht bzw. nach einer erforderlichen Armverkürzung frei
um den nächsten
Schritt gedreht werden kann, da dann der Arm erst erneut verlängert werden
muß, um
der Kontur des Hindernisses zu folgen.
-
Danach (S25) wird kontrolliert, ob
nach Abschluß des
Drehvorganges die entsprechende Sektorgrenze erreicht werden konnte
bzw. ob sämtliche Winkel
bis zur Sektorgrenze im mit einem Radius kleiner dem aktuellen Sollradius
markiert sind. Nur wenn mindestens eine dieser Bedingungen erfüllt ist, wird
die Drehrichtung umgepolt, RS um den Durchmesser
des Kopfes vergrößert (S26)
und überprüft, ob RS den im Abschnitt 2.2.3 bestimmten Außenradius
Ra übersteigt
(S27). Da in diesem Fall der äußere Rand
des Sektors erreicht wurde, wird der Saugmotor gestoppt, der Arm
wieder auf Ri eingefahren (S28) und der
Saugvorgang wie in Bild 10 und Abschnitt 2.2.3 beschrieben fortgesetzt
(S2A).
-
Wenn diese Abbruchbedingung nicht
zutrifft wird anschließend
versucht, den Arm auf RS auszufahren (S29),
siehe Abschnitt 2.2.3.1.2 und Bild 13. Hierbei wird im Fall eines
Hinderniskontaktes die Drehung schrittweise in die aktuelle Richtung
fortgesetzt und dann jeweils erneut versucht, RS zu
erreichen.
-
Dieses Makro endet bei Erreichung
von RS bzw. wenn die Auswertung des Winkelfeldes
ergibt, daß in
Drehrichtung alle zugänglichen
Bereiche bereits gesaugt wurden.
-
Danach erfolgt der Rücksprung
zum Makro 'Saugerdrehung
mit eventueller Armverkürzung' (S24), siehe oben.
-
2.2.3.1.1 Saugerdrehung
mit eventueller Armverkürzung
-
Entsprechend 12 wird nach Aufruf des Makros (S30)
zuerst der Endwinkel der Drehung berechnet (S31), der i.A. ungleich
dem linken bzw. rechten Randwinkel Wl bzw.
Wr ist. Dazu wird überprüft, ob bei einem vorherigen
Schwenk in diese Richtung mit kürzerer
Armlänge
bereits ein Hindernis detektiert wurde. In diesem Fall würde ein
zu großer
Drehwinkel bewirken, daß der
Arm- erneut an das
bereits bekannte Hindernis stößt, allerdings
nicht mit dem Kopf und dem daran befestigten Berührungssensor, sondern weiter
hinten. Das Hindernis könnte
dann nur mittels des Blockierungssensors detektiert werden, der
allerdings erst bei deutlich größeren Andruckkräften als
der Berührungssensor
auslöst
und für
diese Anwendung auch nicht vorgesehen ist, siehe 2.1.3.
-
Wurde nach Abschluß der Drehung
(S32) die Sektorgrenze Wl bzw. Wr erreicht, d.h. es trat kein Hindernis auf
(S33), erfolgt der sofortige Rücksprung in 11 (S3A), siehe vorheriger
Abschnitt. Der Rücksprung
erfolgt ebenfalls, wenn der Drehstop aufgrund eines bekannten Hindernisses
erfolgte, das sich bis zur Sektorgrenze erstreckt, da dann eine Fortsetzung
der Drehung mit dem aktuellen Sollradius hinter dem Hindernis nicht
möglich
ist.
-
Wenn beide Bedingungen nicht zutreffen, wird
der Kopf um 1 cm zurückgedreht
(S34) und der Arm anschließend
zurückgezogen,
wobei zwei Fälle unterschieden
werden:
Falls ein bekanntes aber umgehbares Hindernis vorliegt
(S35), d.h. die Drehung kann dahinter mit Sollradius fortgesetzt
werden, wird der Arm weit genug eingezogen und vor dem Hindernis
entlanggedreht (S36). Danach erfolgt der Rücksprung in das vorherige Flußdiagramm
(S3A).
-
Falls hingegen das Hindernis mit
dem aktuellen Sollradius erstmalig detektiert wurde (S35), muß dessen
Kontur exakt abgetastet werden, um die Kante optimal saugen zu können. Deshalb
wird in diesem Fall (S37) die Armlänge lediglich um 1 cm verringert, und
anschließend
versucht, den Kopf um eine halbe Kopfbreite weiterzudrehen (Die
Sektorgrenzen bilden hierbei jedoch eine absolute Grenze).
-
Die Radien des Armes im überstrichene
Winkelbereich werden anschließend
im Winkelfeld gespeichert (S38).
-
Konnte der Arm um die halbe Kopfbreite ohne
erneuten Hinderniskontakt gedreht werden oder wurde die jeweilige
Sektorgrenze erreicht (S39), wird in Bild 11 zurückgesprungen (S3A). Melden
die Sensoren jedoch ein neues Hindernis (S39), wird wiederum auf
Fortsetzung geprüft
(S33), wie weiter oben beschrieben.
-
2.2.3.1.2 Armverlängerung
mit eventueller Saugerdrehung
-
Nach Aufruf des Makros (S40) wird
zunächst entsprechend 13 versucht, den Arm auf
den aktuellen Sollwinkel RS auszufahren
(S41). Hierbei wird nach Abschluß der Armverlängerung
der Arm gegen die aktuelle Drehrichtung um maximale eine halbe Kopfbreite
bis zum Hinderniskontakt zurückgeschwenkt
(S43). Da bei der Umgehung eines Hindernisses die Vorwärtsdrehung
in Vielfachen des halben Kopfdurchmessers erfolgt, ist die Rückdrehung
erforderlich, um sicherzustellen, daß die Kontur des zu umgehenden
Hindernisses exakt abgetastet wird. Die Rückdrehung muß allerdings
nur dann ausgeführt
werden, falls vorher kein Drehrichtungswechsel erfolgte und wird
auch nur dann durchgeführt,
wenn der Arm um eine bestimmte Mindestlänge ausgefahren werden konnte
(S42).
-
Anschließend wird überprüft, ob der Sollradius erreicht
wurde oder ob im Winkelfeld bereits alle folgenden Winkel in Drehrichtung
mit einem Radius kleiner als RS markiert
sind und damit ein bekanntes Hindernis bis zur Sektorgrenze anzeigen
(S44). In beiden Fällen
erfolgt der Rücksprung
in Bild 11 (S4A).
-
Liegt in Drehrichtung ein bekanntes
Hindernis (S45), daß allerdings
nicht bis zur Sektorgrenze reicht, wird der Arm anschließend soweit
wie nötig eingezogen,
am Hindernis vorbeigedreht (S46) und anschließend wieder versucht, zu verlängern (S41).
-
Andernfalls wird der Arm etwas zurückgezogen,
bis vom Sensor kein Hindernis mehr detektiert wird, und um eine
halbe Kopfbreite weitergedreht (S47). Wenn aufgrund eines Hindernisses
keine Drehung möglich
war (S48), erfolgt der Rücksprung
in Bild 11 (S4A).
-
Konnte der Arm zumindest geringfügig gedreht
werden, wird der überstrichene
Bereich im Winkelfeld mit den jeweiligen Radien gekennzeichnet (S49),
und es erfolgt der Rücksprung
zur Verlängerung
des Armes wie anfangs beschrieben (S41).
-
2.2.3.2 Bestimmung der
nächsten
Saugerposition
-
Das Grundprinzip zur Ermittlung der
neuen Saugerposition besteht darin, aus der Gesamtheit der insgesamt
noch offenen möglichen
neuen Positionen durch Bewertung verschiedener Kriterien die vom
aktuellen Standort jeweils optimale neue Position herauszufiltern.
Wird vom aktuellen Standort aus keine neue Position gefunden, werden
anschließend der
Reihe nach die vorherigen Saugerpositionen untersucht. Kann von
einer dieser alten Positionen eine neue Saugposition ausgewählt werden,
so wird der Sauger auf diese alte Position zurückgeführt und von hier aus die neue
Position angefahren.
-
Nach Aufruf des Makros (S50) wird
entsprechend dem Flußdiagramm
in 14 die Testpostion auf
die aktuelle Saugerposition gesetzt (S51). Anschließend werden
sämtliche
gespeicherten möglichen
neuen Positionen durchlaufen und überprüft, ob sie als mögliche Fortsetzungen
in Frage kommen (S52).
-
Folgende Bewertungen in der aufgeführten Reihenfolge
werden hierbei durchgeführt:
- – Zuerst
wird anhand des Status' im
Saugfeld überprüft, ob die
gespeicherte Position bereits gesaugt wurde. In diesem Fall wird
die entsprechende mögliche
neue Position verworfen und gelöscht.
- – Wurde
bereits ein möglicher
Kandidat für
die nächste
Position ermittelt, werden nur noch solche möglichen neuen Positionen bewertet,
die mindestens dieselbe Priorität
aufweisen, vgl. Abschnitt 2.2.3.
- – Ist
diese Bedingung erfüllt,
wird anschließend die
Entfernung der möglichen
neuen Position von der aktuellen Testposition berechnet und anhand der
Stati im Saugfeld überprüft, ob der
Sauger mit seinem Kopf auf geradlinigem Weg zu dieser Position bewegt
werden kann. Dazu muß der
gesamte vom Sauger zurückzulegende
Weg mit dem Status 1 markiert sein und die mögliche neue Position zumindest
durch das Ausfahren des Armes erreicht werden können.
- – Von
allen Positionen, die angefahren werden können, wird diejenige gewählt, deren
Priorität entweder
höher ist
als die bisher gewählte,
oder die bei gleicher Priorität
den größeren x-Koordinatenwert
aufweist. Durch dieses Kriterium ist sichergestellt, daß die zu
saugende Fläche
immer von hinten nach vorn gesaugt wird.
-
Konnte nach Überprüfung sämtlicher gespeicherter möglichen
neuen Positionen keine anfahrbare Position ermittelt werden (S53),
wird die Testposition auf die jeweils vorherige Saugerposition gesetzt (S55)
und von dort wiederum eine Schleife über alle gespeicherten möglichen
neuen Positionen durchlaufen.
-
Falls von keiner der früheren Saugerpositionen
eine Fortsetzung mehr möglich
ist, entweder weil bereits alle möglichen neuen Positionen bearbeitet wurden
(S54) oder weil die noch offenen möglichen neuen Positionen vom
Sauger nicht erreicht werden können,
bricht der Saugvorgang ab.
-
Andernfalls wird überprüft, ob die Testposition, von
der aus eine mögliche
neue Position gefunden wurde, gleich der aktuellen Saugerposition
ist (S56). Während
in diesem Fall die neue Position nach Drehung des Saugers in die
entsprechende Richtung direkt angefahren werden kann, muß in allen
anderen Fällen
der Sauger zuerst auf die Testposition zurückgesetzt werden (S57).
-
Hierbei wird bei mehreren auszuführenden Rücksetzoperationen
eine Wegoptimierung durchgeführt,
indem für
jede Zwischenposition überprüft wird, ob
sie übersprungen
und der Sauger eventuell direkt von seiner aktuellen- auf diejenige
Position zurückgefahren
werden kann, von der aus anschließend die neue Saugerposition
angenommen wird. Bedingung für
eine mögliche 'Abkürzung' ist wiederum, daß der Sauger
nur Bereiche überfahren
darf, die im Saugfeld mit dem Status 1 markiert sind, um Kollisionen
mit Hindernissen zu vermeiden.