DE19950848C2 - Selbstfahrende Vorrichtung mit berührungsloser Objekterfassung und Objektvermessung - Google Patents
Selbstfahrende Vorrichtung mit berührungsloser Objekterfassung und ObjektvermessungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer selbstfahrenden Plattform,
auf der eine Einheit zur berührungslosen Objekterfassung und Objektvermessung
vorgesehen ist, mit einem die Wärmestrahlung des Objektes erfassenden Detektor,
dessen Detektorsignale unter Zugrundelegung des Triangulationsverfahren
auswertbar sind.
Vorstehend bezeichnete gattungsgemäße Vorrichtungen werden, da sie über eine
eigenbewegliche Arbeitsplattform verfügen auch als mobile Roboter bezeichnet und
werden bevorzugt zu Aufgaben eingesetzt, die für den Menschen aus Gründen
seiner eigenen Sicherheit nicht zu bewerkstelligen sind. Ferner können dem
Menschen durch den Einsatz mobiler Roboter monotone, langweilige, zeitintensive
oder sehr anstrengende Aufgaben abgenommen werden.
Gründe für die Vermeidung von Arbeiten in Bereichen, in denen sich der Mensch
zum Schutze seiner eigenen Sicherheit nicht aufhalten sollte, sind gegeben auf
Grund räumlicher Unzugänglichkeiten, biologischer oder chemischer
Kontaminationsgefahren, Strahlenbelastungen oder potenziellen Gefahren, wie
Explosionen oder Feuer.
Die Einsatzorte, an denen mobile Roboter eingesetzt werden, reichen von
industriellen, öffentlichen und privaten Gebäuden bis zu industriellen Anlagen und
den so genannten Outdoor-Bereichen.
Auch die Aufgaben, die mobile Roboter in diesen Umgebungen erfüllen müssen,
reichen von Inspektions-, Reinigungs- und Messaufgaben bis hin zu
Reparaturarbeiten und Lasttransporten. Bei den Einsätzen der mobilen Roboter
herrschen oftmals auf Grund verschiedener Einsatzgründe extreme
Umgebungsbedingungen, bei denen die Luft der Arbeitsumgebung bspw. mit
Aerosolen kontaminiert ist. Dabei kann es sich um Nebel, Rauch, Staub oder Gase
handeln. Die Aerosole können die Sichtweite bis auf wenige Meter oder gar auf
Zentimeter verringern.
Da die mobilen Roboter für diese Anwendungen oftmals teleoperiert sind, bspw. über
bloßen Sichtkontakt oder über ein Videokamerabild von einem Bediener gesteuert
werden, ist das Manövrieren des mobilen Roboters bei diffusen oder opaken
Sichtverhältnissen stark eingeschränkt oder unter widrigen Umständen nicht möglich.
Zu den derzeit bekannten, mobilen Robotersystemen zählen z. B. teleoperierte
Manipulatorfahrzeuge, die zu Zwecken der Brandbekämpfung, der technischen
Hilfeleistung sowie zu Zwecken der Inspektion von Gegenständen aller Art sowie von
Kanalsystemen eingesetzt werden. Diese sind zumeist mit Videokameras zur
räumlichen Navigation und Objekterfassung ausgestattet.
Desweiteren sind Überwachungssysteme für z. B. Museen bekannt, die in Form eines
mobilen Roboters mit entsprechender Sensorik im Gebäude umherfahren.
In der japanischen Druckschrift JP 11128381 A ist ein Feuerlöschroboter
beschrieben, der in einem abgetrennten und verschlossenen Raum in Tunneln
neben Hydranten stationierbar ist. Im Falle eines Feuers wird die Tür des Raumes
automatisch geöffnet, der Roboter fährt anschließend ferngesteuert aus einem
Überwachungsraum zur Brandstelle, um mit der Brandbekämpfung zu beginnen. Das
Fahrzeug ist mit Infrarotsensoren ausgestattet.
In der US-Druckschrift US 5446445 wird ein mobiles Detektionssystem zur Detektion
von Feuer-, Gasleckagen und anderen abnormalen Bedingungen in Häusern oder
Bürogebäuden beschrieben. Dieser mobile Roboter ist mit Sensoren ausgestattet,
die bei Detektion eines abnormalen Zustandes in der Umgebung über Funk
erreichbare Einheiten, wie Feuerwehr, Polizei u. a. verständigen können.
In der japanischen Druckschrift JP 08294544 A ist ein System zur Brandbekämpfung
in Tunneln, bestehend aus mehreren Löschrobotern, beschrieben. Mit Hilfe von
Infrarotkameras, die im Tunnel vorgesehen sind, kann ein Feuer detektiert werden
und die in der Nähe des Feuers stationierten Löschroboter aktiviert werden. Diese
nähern sich über eine, im Tunnel angebrachte Schiene dem Feuer zur
Brandbekämpfung.
In der Offenlegungsschrift DE 195 116 157 A1 sind ein Verfahren sowie eine
Löschanlage zur Brandbekämpfung vorgeschlagen. Mit dem Verfahren zur
Brandbekämpfung insbesondere mittels eines Flugfeldlöschfahrzeuges, eines
ferngesteuerten Löschroboters oder dgl., unter Einsatz elektronischer Hilfsmittel wie
einer Optik mit Datenfernübertragung zu einem Monitor, soll eine Lösung geschaffen
werden, mit der neben einer Optimierung löschtaktischer Bewegungsabläufe
insbesondere die Zielerfassung des Brandherdes derart vorgenommen werden kann,
dass eine möglichst geringe Menge an Löschmittel nutzlos vergeudet wird. Dies wird
dadurch erreicht, dass sowohl Sensoren zur Erfassung von Daten über die
Schadens- bzw. Brandstelle als auch Sensoren zur Erfassung der
Fahrzeugbewegung des Löschfahrzeugs eingesetzt werden, die ihre Daten einem
Rechner zur Steuerung der Löschmittelabgabe zuführen.
Die bekannten, mobilen Überwachungssysteme, die zur Brandbekämpfung
eingesetzt werden, sind teleoperiert und da sie über kein Sensorsystem zur
Umgebungserfassung in diffusen oder opaken Sichtverhältnissen verfügen, ist ihre
Einsetzbarkeit, insbesondere an Orten mit starker Rauchentwicklung stark begrenzt.
Überdies werden diese Systeme meist erst in die Nähe des Einsatzortes gebracht
und bewegen sich dann selbstfahrend teleoperiert zum Einsatzort. Auf Grund der
teleoperierten Navigation des Fahrzeugs wird dessen Vorwärtsgeschwindigkeit
bewusst niedrig gehalten, um möglichst kollisionsfrei zum Einsatzort zu gelangen.
Dies jedoch ist wiederum sehr zeitintensiv bis das Fahrzeug an den
bestimmungsgemäßen Ort gelangt, infolgedessen steigt mit fortschreitender Zeit
auch die Schadenshöhe bei Katastrophen wie Brände.
Aus der JP 10-140336 ist ein Verfahren entnehmbar bei dem Detektorsignale eines
die Wäremstrahlung erfassenden Detektors ausgewertet werden, wobei das Objekt
mit einem Elektronenstrahl beaufschlagt wird, wodurch sich an jenen
Oberflächenstellen des Objektes, die vom Elektronenstrahl getroffen werden, eine
Temperaturänderung einstellt, die vom Detektor erkannt und deren räumliche
Zuordnung relativ zum Detektor ermittel wird. Elektronenstrahlen sind in Ihrer
Erzeugung aufwendig und können überdies aus Verträglichkeitsgründen nicht überall
bedenkenlos eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung mit einer
selbstfahrenden Plattform, auf der eine Einheit zur berührungslosen Objekterfassung
sowie Objektvermessung vorgesehen ist, mit einem die Wärmestrahlung des
Objektes erfassenden Detektor, dessen Detektorsignale unter Zugrundelegung des
Triangulationsverfahrens auswertbar sind, derart weiterzubilden, dass eine
schnellere und genauere Detektion von Wärmequellen möglich ist, unabhängig von
den atmosphärischen Verhältnissen, innerhalb derer sich die selbstfahrende
Plattform aufhält. Insbesondere soll eine zuverlässige Bestimmung der räumlichen
Positionierung der Plattform in Bezug auf Wärmestrahlung emittierende Objekte, wie
beispielsweise Brandherde, in kürzester Zeit möglich sein, sodass im Falle von
Brandherden diese gezielt auch bei diffusen oder opaken Sichtverhältnissen, wie sie
sich bei starker Rauchentwicklung einstellen, gezielt bekämpft werden können. Das
zur berührungslosen Objekterfassung bzw. -vermessung auf der selbstfahrenden
Plattform vorgesehene Messsystem soll mit möglichst einfachen Mitteln, die robust
und kostengünstig sind, betrieben werden können, sodass bei hoher Zuverlässigkeit
präzise Daten über die räumliche Relativlage zwischen der selbstfahrenden Plattform
und zu vermessenden Objekten gewonnen werden können und zugleich Aussagen
über die Temperaturverteilung der Messumgebung gemacht werden können. Der
Einsatz der Vorrichtung soll insbesondere zu Zwecken der Überwachung dienen, so
beispielsweise für die Diebstahlüberwachung und zugleich auch für die
Branderkennung und -bekämpfung.
Die Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1
angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind
Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung und den
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung mit einer selbstfahrenden Plattform gemäß
Anspruch 1 derart ausgebildet, dass auf der Plattform eine
Ausbringeinheit vorgesehen ist, vermittels der ein Massenstrom auf das Objekt
aufbringbar ist, der eine Temperaturänderung an der mit dem Massenstrom
beaufschlagten Objektoberfläche bewirkt. Der Detektor ist dabei derart auf der
Plattform sowie relativ zur Ausbringeinheit angeordnet, sodass der Detektor die
Temperaturänderung am Objekt erfasst und unter Zugrundelegung des
Triangulationsverfahrens eine Bestimmung der Entfernung zwischen Detektor und
dem Ort der Temperaturänderung am Objekt ermöglicht.
Durch die aktive Einflussnahme auf das thermische Abstrahlungsverhalten der zu
erfassenden Objekte, bedingt durch die gezielte Beaufschlagung der Objekte mit
einem Massenstrom, dessen Temperatur sich von der Eigentemperatur des Objektes
unterscheidet, vermag der Detektor eine künstlich hervorgerufene Kontrasterhöhung
im Wärmebild der aktuell erfassten Objektumgebung zu registrieren, wodurch
Nutzsignale gewonnen werden können, die im Rahmen einer Auswertung unter
Zugrundelegung der geometrischen Zusammenhänge gemäß der Triangulation
gezielt ausgewertet werden können, um aus diesen die genaue Entfernung zwischen
dem Detektor und der Objektoberfläche, an der die Temperaturänderung
hervorgerufen worden ist, zu ermitteln. Um eine Auswertung der Messsignale nach
dem Triangulationsverfahren durchführen zu können, ist es erforderlich, die
geometrische Relativlage zwischen Detektor und Ausbringeinheit genau festzulegen.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nicht nur ein für die selbstfahrende
Plattform höchst genau arbeitendes Navigationssystem geschaffen, mit dem sich die
Plattform sicher und schnell ohne Kollision mit Objekten fortbewegen kann, sondern
sie dient zugleich auch als ein großflächiges Beobachtungs- bzw. Erfassungssystem
für die gesamte, die selbstfahrende Plattform unmittelbar benachbarte Umgebung.
So ist es möglich, den Massenstrom mit unterschiedlichem Strahlquerschnitt aus der
Ausbringeinheit, die vorzugsweise als Düsenvorrichtung ausgebildet ist, auf die zu
erfassenden Objekte auszutragen. Sollen die in der Umgebung vorhandenen Objekte
in ihrer weitgehend gesamten räumlichen Ausbildungsform erfasst werden, so wird
vorzugsweise der Massenstrom mit einem aufgeweiteten Massenstromquerschnitt
aus der Ausbringeinheit ausgebracht. Soll hingegen die Entfernung zu Objekten
genau bestimmt werden, so erfolgt ein Austrag des Massenstromes mit möglichst
geringem Strahlquerschnitt bzw. in Form eines linien- oder punktförmigen
Strahlquerschnittes.
Schließlich ist es auch möglich, die Förderleistung, mit der die Ausbringeinheit den
Massenstrom ausbringt, derart zu regeln, sodass im Falle beispielsweise einer
Brandbekämpfung der erfasste Brandherd mit erhöhter Förderleistung des
Massenstromes durch diesen selbst gelöscht werden kann.
Somit vereinen sich im Fall einer Brandbekämpfung drei wesentliche Funktionen in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, nämlich eine genaue Vermessung von Abständen zwischen Objekten in
der Umgebung und der Vorrichtung selbst, eine Erfassung der gesamten
Raumstruktur von Objekten sowie eine gezielte Brandbekämpfung durch
entsprechende Steigerung der Förderleistung des Massenstromes.
Durch die Verwendung einer Infrarotkamera als Detektor, deren
Wellenlängensensibililtät zwischen 8 und 14 µm liegt, wodurch eine Detektion von
Wärmequellen bzw. geringsten Temperaturunterschieden an Objekten auch bei
schlechten optischen Sichtverhältnissen möglich ist, kann als weitere vierte Funktion
der Vorrichtung ein Wärmeabbild der Umgebung gewonnen werden, an dem
Temperaturunterschiede in der Objektumgebung in hochaufgelöster Form
entnommen werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist als mobiler Roboter zur Überwachung von
Räumen, insbesondere für den Einsatz zur Branderkennung bzw.
Brandfrüherkennung sowie der Bekämpfung von Brandherden sowie auch der
Überwachung hinsichtlich Veränderungen in Räumen, beispielsweise die bei
Einbruch oder Fehlfunktionen beim Betrieb von Maschinen vorkommen können,
einsetzbar.
Natürlich lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer Funktionalität
erweitern. So ist es möglich, Sensoren zur Erfassung chemischer Parameter, wie
beispielsweise Atmosphärenchemie der Umgebung, auf die selbstfahrende Plattform
zu integrieren. Ebenso können, die Navigation unterstützende Systeme, wie Radar-
oder Ultraschalleinheiten, zusätzlich auf die Plattform integriert werden. Auch kann
es in bestimmten Einsatzgebieten von Vorteil sein, dass auf der selbstfahrenden
Plattform Manipulationseinheiten, wie beispielsweise Roboterarme, vorzusehen sind,
die gezielte mechanische Manipulationen in der Umgebung oder an den jeweils
erfassten Objekten ausführen können.
Wie vorstehend bereits erwähnt, eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch
zur Brandbekämpfung, in dem ein detektierter Brandherd mit dem von der
Ausbringeinheit ausgestossenen Massenstrom gelöscht wird. Der Massenstrom
selbst kann dabei aus einem festen, flüssigen oder gasförmigen Medium bestehen,
das in der Lage ist, Brände gezielt einzudämmen. Beispiele hierfür sind Wasser,
Stickstoff oder so genannte CO2-Pellets, die sowohl eine gezielte Markierung an den
Objekten zur Objekterfassung bzw. -vermessung hervorrufen, zum anderen jedoch
auch als geeignete Löschmedien dienen.
Claims (19)
1. Vorrichtung mit einer selbstfahrenden Plattform, auf der eine Einheit zur
berührungslosen Objekterfassung und Objektvermessung vorgesehen ist, mit einem
die Wärmestrahlung des Objektes erfassenden Detektor, dessen Detektorsignale
unter Zugrundelegung des Triangulationsverfahren auswertbar sind, und mit einer
Ausbringeinheit, vermittels der ein Massenstrom auf das Objekt aufbringbar ist, der
eine Temperaturänderung an der mit dem Massenstrom beaufschlagten
Objektoberfläche bewirkt, wobei der Detektor derart auf der Plattform und relativ zur
Ausbringeinheit angeordnet ist, dass der Detektor die Temperaturänderung am
Objekt erfasst und unter Zugrundelegung des Triangulationsverfahrens eine
Bestimmung der Entfernung zwischen Detektor und dem Ort der
Temperaturänderung ermöglicht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringeinheit derart ausgebildet ist, dass
ein Massenstrom aus Festkörpern oder aus einer Flüssigkeit oder aus einem Gas
zielgerichtet auf das Objekt aufbringbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringeinheit derart ausgebildet ist, dass als
flüssiger Massenstrom Wasser, als gasförmiger Massenstrom CO2 sowie andere
kühlbare oder erhitzbare, jedoch nicht brennbare Gase und als fester Massenstrom
CO2-Pellets oder Eiskristalle einsetzbar sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringeinheit eine Düsenvorrichtung ist, die in
Abhängigkeit der Entfernung zwischen dem Objekt und der Düsenvorrichtung oder in
Abhängigkeit von einer bestimmten Messaufgabe den Massenstrom gebündelt oder
aufgeweitet auf das Objekt aufbringt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringeinheit den Massenstrom punkt-, linien-
oder flächenförmig auf das Objekt derart aufbringt, dass bei geringen Abständen
zwischen Objekt und Ausbringeinheit der Massenstrom mit einem großen
Strahlquerschnitt und bei großen Abständen mit einen geringen Strahlquerschnitt
ausgebracht wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor eine Infrarotkamera ist, die die
Wärmestrahlung des Objektes erfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotkamera im Wellenlängenbereich zwischen
8 und 14 µm einsetzbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor und die Ausbringeinheit in einem
definierten räumlichen Bezug zueinander stehend, vorzugsweise vertikal
übereinander, angebracht sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass auf der Plattform ein Vorratsbehälter vorgesehen ist,
in dem ein der Ausbringeinheit über eine Zuleitung zur Verfügung stehendes Medium
enthalten ist, das in Form des Massenstromes auf das Objekt aufbringbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass auf der Plattform eine Sende- und Empfangseinheit
vorgesehen ist, über die ein Datenaustausch mit einer Auswert- und Steuereinheit
vornehmbar ist, die räumlich von der Plattform getrennt vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die selbstfahrende Plattform ein mobiles
Robotersystem ist.
12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur
Erfassung und Vermessung warmer oder heißer Objekte, die durch das Aufbringen
des Massestromes gezielt abgekühlt werden.
13. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur
Erfassung und Vermessung kühler oder kalter Objekte, die durch das Aufbringen des
Massenstromes gezielt erhitzt werden.
14. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur
Bekämpfung eines Feuerherdes durch gezieltes Ausbringen des Massenstromes auf
den Feuerherd.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass auf der selbstfahrenden Plattform zusätzlich
Sensoren zur Erfassung chemischer Parameter, die Navigation der Plattform
unterstützende Systeme und/oder Manipulationseinheiten vorgesehen sind.
16. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 15 zur Erfassung der
geometrischen Umgebung um die selbstfahrende Plattform.
17. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 15 zur Erfassung von
Temperaturdifferenzen in der Umgebung der selbstfahrenden Plattform.
18. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 15 zur Erfassung chemischer
Parameter in der Umgebung der selbstfahrenden Plattform.
19. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 15 zur Durchführung gezielter
Manipulationen in der Umgebung der selbstfahrenden Plattform durch Vorsehen
einer als Robotergreifarm ausgebildeten Manipulatoreinheit.
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