DE4408328A1 - Verfahren zum Aufbau einer zellular strukturierten Umgebungskarte von einer selbstbeweglichen mobilen Einheit, welche sich mit Hilfe von auf Wellenreflexion basierenden Sensoren orientiert - Google Patents

Verfahren zum Aufbau einer zellular strukturierten Umgebungskarte von einer selbstbeweglichen mobilen Einheit, welche sich mit Hilfe von auf Wellenreflexion basierenden Sensoren orientiert

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Description

Heutzutage gibt es vielfältige Einsatzmöglichkeiten für autonom operierende mobile Einheiten. Man denke in die­ sem Zusammenhang an Fernerkundungssonden, an mobile Ein­ heiten, die in Gefahrengebieten operieren, an selbstbeweg­ liche Industriestaubsauger, an Transportfahrzeuge in der Fertigungsindustrie und nicht zuletzt an selbst bewegliche Roboter. Um jedoch eine sinnvolle Aufgabe in einer a priori unbekannten Umgebung erfüllen zu können, muß ein autonomer, mobiler Roboter sowohl schrittweise eine zuverlässige Karte seiner Arbeitsumgebung aufbauen, als auch sich anhand dieser Karte zu jedem gegebenen Zeitpunkt selbst lokali­ sieren können. Wegen der sehr komplexen und unstruktu­ rierten Umgebungen, in denen solche selbstbeweglichen Ein­ heiten möglicherweise manövrieren, bleiben ihre Einsatzbe­ reiche häufig auf Büro und Haushaltsumgebungen beschränkt. Da im allgemeinen eine a priori Karte nicht verfügbar ist, muß eine solche selbstbewegliche Einheit mit Sensoren aus­ gestattet sein, welche es der Einheit erlauben, flexibel mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung zu treten. Einige solche Sensoren sind Laser-Entfernungsscanner, Videokameras und beispielsweise Ultraschallsensoren.
Ein besonderes Problem dieser mobilen Einheiten be­ steht darin, daß die Bildung der Umgebungskarte und die Lo­ kalisierung der mobilen Einheit voneinander abhängen. Es gehen dabei verschiedene Fehler ein. Zum einen vermißt ei­ ne solche mobile Einheit ihre von einer Ausgangsposition aus zurückgelegte Wegstrecke, zum anderen vermißt sie mit Entfernungssensoren die Entfernung zu auftretenden Hinder­ nissen und trägt diese als Landmarken in der Umgebungskarte ein. Da sich diese Fehler kummulieren und über längere Strecken aufsummieren, ist ab einer bestimmten Grenze eine sinnvolle Manövrierbarkeit der mobilen Einheit nicht mehr gegeben.
Eine Methode zur Orientierung von selbstbeweglichen mobilen Einheiten in unbekannten Umgebungen, besteht darin, daß sich die Einheit ein zweidimensionales Gitter ihrer Umge­ bung aufbaut und einzelne Zellen dieses Gitters mit Bele­ gungswerten versieht. Die je Gitterzelle vergebenen Bele­ gungswerte repräsentieren das Auftreten von Hindernis sen in der Umgebung.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Erstellung einer zel­ lular strukturierten Umgebungskarte verbessert wird, indem die Lokalisation einer selbstbeweglichen mobilen Einheit innerhalb der Umgebungskarte verbessert wird.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.
Vorteilhaft sieht es das erfindungsgemäße Verfahren vor, die Lokalisation der selbstbeweglichen mobilen Einheit in­ nerhalb der Ursprungszelle einer Umgebungskarte bei der Be­ stimmung der Entfernung von Gegenständen in der Umgebung mit zu berücksichtigen. Dies führt in Abhängigkeit der ge­ wählten Zellgröße zu einer verbesserten weil genaueren Darstellung der Umgebungskarte, da sich die Diskretisierung auf die zu belegenden Zellen der Umgebungskarte beschränkt und nicht auch schon die Position der selbstbeweglichen mobilen Einheit diskret dargestellt werden muß.
Um eine verbesserte Manövrierbarkeit der selbstbeweg­ lichen mobilen Einheit zu gewährleisten, sieht es das er­ findungsgemäße Verfahren vor, in der Nähe der selbstbeweg­ lichen mobilen Einheit kleinere Gitterzellen zu verwenden, da sie sich durch die so gewonnene feinere Auflösung auch zwischen eng beieinander stehenden Hindernissen hindurch manövrieren kann. Vorteilhaft ist dabei auch, daß Zellen, die sich in größerer Entfernung befinden, eine größere Ab­ messung haben können und somit bei der Wertebelegung einen geringeren Rechenaufwand eines Steuerrechners beanspruchen.
Um eine Kummulation eines Orientierungsfehlers inner­ halb des zellular strukturierten Gitters der sich durch die Diskretisierung der Bewegung ergibt, zu vermeiden, ist es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise vorgesehen, eine lokale und eine globale Umgebungskarte zu verwenden. Für eine Steuerung und eine Bewährungsplanung der selbstbeweglichen mobilen Einheit wird lediglich die globale Umgebungskarte verwendet. Die Verwendung der loka­ len Umgebungskarte hat jedoch den Vorteil, daß alle Zellen eine feste Ortsbeziehung zur selbstbeweglichen mobilen Ein­ heit aufweisen und daß so Wertebelegungen, welche mehrere Zellen gleichzeitig betreffen, mit geringem Rechenaufwand durchgeführt werden können.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren weiter er­ läutert.
Fig. 1 zeigt eine selbstbewegliche mobile Einheit in einer zellular strukturierten Umgebungskarte.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel von zwei Zellengrößen in einer Um­ gebungskarte,
Fig. 3 zeigt eine lokale und eine globale Umgebungskarte.
In Fig. 1 ist eine selbstbewegliche mobile Einheit SE in einer Umgebungskarte UK dargestellt. Diese Umgebungsskarte ist zellular strukturiert und wird durch ein Achsenkreuz x, y aufgespannt. Die Ursprungszelle der Umgebungskarte UZ ist da­ bei vergrößert dargestellt, der Maßstab der selbstbeweglichen mobilen Einheit wurde dabei jedoch nicht beibehalten. Um eine Lokalisation der selbstbeweglichen Einheit SE in der Umge­ bungskarte zu verbessern, wird die aktuelle Position von SE bei einem Meßvorgang in der Ursprungszelle UZ als y_pos_center und x_pos_center festgehalten. Diese beiden Koordinatenwerte geben den Ort des Koordinatenreferenzpunktes KRP an. Die Belegung einer Zelle in der Umgebungskarte mit einem Umgebungsgegenstand, der möglicherweise ein Hindernis darstellt, kann auf diese Weise genau vorgenommen werden. Zum einen sind die Abmessungen der selbstbeweglichen mobilen Einheit bekannt, zum anderen ist der Ort des Sensors auf der selbstbeweglichen mobilen Einheit bekannt. Falls ein Sensor den Abstand zu einem Hindernis ermittelt, kann aufgrund der Geometrie der selbstbeweglichen mobilen Einheit und der Koordinatenangaben des Koordinatenreferenzpunktes KRP der Ort des Hindernisses in der Umgebungskarte genauer festgelegt werden. Das heißt bei der Bestimmung einer mit einem Belegungsgrad zu belegenden Zelle wird eine höhere Genauig­ keit erzielt und somit die Abbildungsqualität der Karte ver­ bessert
Fig. 2 zeigt eine selbstbewegliche mobile Einheit SE in ei­ ner Umgebungskarte UK. In diesem Beispiel der Umgebungskarte sind zwei verschiedene Zellengrößen Z1 und Z2 gewählt worden. Um die Manövrierfähigkeit der selbstbeweglichen mobilen Ein­ heit SE auch zwischen nah beieinander stehenden Hindernis sen zu verbessern, wird in der Nähe der selbstbeweglichen mobilen Einheit SE eine kleinere Zellengröße eingesetzt. Auf diese Weise wird eine höhere Auflösung bei der Wahrnehmung der Um­ gebung gewonnen und es kann eine exaktere Bewegungsablauf­ steuerung der selbstbeweglichen mobilen Einheit erfolgen. Durch die Verwendung von größeren Zellen in weiterer Entfer­ nung von der selbstbeweglichen mobilen Einheit SE erreicht man einen geringeren Evaluationsaufwand. Das heißt, für den Meßvorgang und die damit verbundene Belegung dieser Zellen mit Belegungsgraden ist ein geringerer Rechenaufwand erfor­ derlich.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Verwendung einer lokalen Umgebungskarte LUK und einer globalen Umgebungskarte GUK. Es ist eine selbstbewegliche mobile Einheit in einer globalen Umgebungskarte GUK dargestellt, welche von einem Achsenkreuz xy aufgespannt wird. Darin enthalten sind verschiedene be­ legte Zellen 1 bis 6 der Umgebungskarte, welche mit unter­ schiedlichen Belegungsgraden, mit verschiedener Schwärzung dargestellt, belegt sind. Die selbstbewegliche mobile Einheit SE nimmt in der globalen Umgebungskarte GUK eine Drehorien­ tierung ein, welche durch einen Drehwinkel Θ(k) gekennzeich­ net ist.
Während sich die selbstbewegliche mobile Einheit SE innerhalb der Umgebung bewegt, werden lediglich Translationen der ein­ zelnen Gitterzellen in Bezug auf die selbstbewegliche mobile Einheit durchgeführt. Die Art und die Größe der Translation (x oder y-Richtung) einer oder mehrerer Zellen hängt von der Geschwindigkeit und der Orientierung der selbstbeweglichen mobilen Einheit in der globalen Umgebungskarte GUK ab.
Um einfach Korrekturen von Datenwerten verschiedener Zellen der Umgebungskarte durchführen zu können, wird aus der glo­ balen Umgebungskarte eine lokale Umgebungskarte LUK abgelei­ tet. In ihr weist die selbstbewegliche mobile Einheit SE keine Drehorientierung auf. Jedoch ist zu beobachten, daß die einzelnen Zellen 1, 3 und 4 um den Betrag des Winkels Θ gedreht in der lokalen Umgebungskarte LUK eingetragen sind. Die lokale Umgebungskarte LUK wird durch ein Koordinatensy­ stem x′-y′ aufgespannt. In diesem Fall sollen beispielsweise all jene Zellen aus der Karte eliminiert werden, die außer­ halb einer bestimmten Entfernung MAX_DIST anzutreffen sind. Hierzu können beispielsweise die Orientierung aller Zellen in Bezug auf die lokale Umgebungskarte LUK fest in einem Steuer­ rechner der selbstbeweglichen mobilen Einheit abgespeichert sein. Es müssen lediglich die Speicherinhalte für die beleg­ ten Zellen mit den abgespeicherten Koordinatenabgaben vergli­ chen werden und es muß festgestellt werden, ob ihre Entfer­ nung zur selbstbeweglichen Einheit MAX_DIST überschreitet. Es kann erkannt werden, daß durch diesen Evaluationsvorgang die belegten Zellen 2, 5 und 6 entfallen.
Wichtig ist es hierbei zu beachten, daß sich die selbstbe­ wegliche mobile Einheit nur innerhalb der globalen Umge­ bungskarte GUK orientiert und daß die Fortbewegungsplanung dieser selbstbeweglichen mobilen Einheit SE nur anhand der gespeicherten Werte aus der globalen Umgebungskarte statt­ findet. Ein Fehler, der bei der Umrechnung der globalen Um­ gebungskarte in die lokale Umgebungskarte auftritt und durch die Diskretisierung der Werte in Form von Zellenposi­ tionen entsteht, kann sich so nicht kummulieren.

Claims (4)

1. Verfahren zur Erstellung einer zellular strukturierten Umgebungskarte von einer selbstbeweglichen mobilen Einheit, welche sich mindestens mit Hilfe von auf Wellenreflexion basierenden Sensoren in der Umgebung orientiert,
  • a) bei dem von einem Sensor der Abstand des Sensors zu ei­ nem Umgebungsgegenstand ermittelt wird,
  • b) bei dem als Eigenposition (x_pos_center, y_pos_cnter) der selbstbeweglichen mobilen Einheit (SE) zum Zeitpunkt einer Messung die exakte Position eines Koordinatenreferenzpunktes (KRP) innerhalb einer Ursprungs­ zelle (UZ) der Umgebungskarte (UK) verwendet wird,
  • c) und bei dem zur Festlegung des Ortes des Umgebungsgegen­ standes in der Umgebungskarte (UK) mindestens jener Zelle ein Belegungsgrad zugewiesen wird, welche unter Berücksichtigung der Eigenposition, des Abstandes und einer Anordnungslage des Sensors relativ zum Koordinatenreferenz­ punkt (KRP) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Erstellung der Umgebungskarte (UK) verschieden große Zellen (Z1, Z2) verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem in der Nähe der selbstbeweglichen mobilen Einheit eine kleinere Zellengröße als in der Entfernung verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
  • a) bei dem von der selbstbeweglichen mobilen Einheit eine lokale Umgebungskarte (LUK) und eine globale Umgebungskarte (GUK) erstellt werden, wobei in der lokalen Umgebungskarte alle Zellen eine feste Ortsbeziehung zur selbstbeweglichen mobilen Einheit haben, wohingegen die Zellen in der globa­ len Karte eine durch die Bewegung der selbstbeweglichen mobilen Einheit hervorgerufene und durch einen Drehwinkel (Θ) bestimmte variable Verdrehung gegenüber der selbstbe­ weglichen mobilen Einheit aufweisen,
  • b) bei dem während einer Bewegung der selbstbeweglichen mobilen Einheit die Zellen des globalen Gitters lediglich eine Translation erfahren und sich in Abhängigkeit von der Bewegung ein anderer Drehwinkel (Θ) einstellt,
  • c) bei dem für eine Evaluation, welche mehrere Zellen der Umgebungskarte betrifft aus der globalen Umgebungskarte (GUK) durch Anwendung trigonometrischer Funktionen unter Zuhilfenahme des Drehwinkels die lokale Umgebungskarte abgeleitet (LUK) wird,
  • d) und bei dem zu einer Wegplanung der selbstbeweglichen mobilen Einheit (SE) lediglich die globale Umgebungskarte herangezogen (GUK) wird.
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