DE4408329A1 - Verfahren und Anordnung zum Aufbau einer zellular strukturierten Umgebungskarte von einer selbstbeweglichen modilen Einheit, welche sich mit Hilfe von auf Wellenreflexion basierenden Sensoren orientiert - Google Patents

Verfahren und Anordnung zum Aufbau einer zellular strukturierten Umgebungskarte von einer selbstbeweglichen modilen 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 eine 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 Hindernissen in der Umgebung.
Eine Methode zur Orientierung von selbstbeweglichen Einhei­ ten in Gitterkarten gibt die Schrift "Histogrammic in Moti­ on Mapping for Mobile Robot Obstacle Avoidence", IEEE Tran­ sactions on Robotics Automation, Vol. 7, No. 4. Aug. 1991 von J. Borenstein und Yoram Koren an. Dort wird beschrie­ ben, wie mit Ultraschallsensoren eine Umgebungskarte einer selbstbeweglichen mobilen Einheit erstellt werden kann. Insbesondere werden dort lediglich die Gitterbelegungswerte jener Gitterzellen der Umgebungskarte verändert, die auf einer Achse senkrecht zur abstrahlenden Sensorfläche vor­ gefunden werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit dem eine verbesserte zellular strukturierte Umgebungskarte einer selbstbeweglichen mobilen Einheit erstellt werden kann.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und für die Anordnung gemäß den Merk­ malen des Patentanspruchs 8 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.
Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß mit ihm nicht lediglich nur Gitterzellen bear­ beitet werden können, welche sich auf einer Achse senkrecht zur Sensorfläche befinden, sondern vielmehr alle Gitterzel­ len der Umgebungskarte, welche sich innerhalb eines Öff­ nungskegels von beispielsweise einem Ultraschallsensor be­ finden, durch das erfindungsgemäße Verfahren in ihren Bele­ gungsgrad beeinflußt werden. So wird insbesondere sicherge­ stellt, daß Hindernisse, welche sich beim Stillstand der mobilen Einheit innerhalb des Öffnungskegels dieser Wellen­ front, welche von dem Sensor ausgeht, befinden, aus der Umgebungskarte wieder ausgetragen werden können. Dies gilt auch wenn sie nicht auf der Achse senkrecht zur Sensorober­ fläche anzutreffen sind.
Auf vorteilhafte Weise trägt das erfindungsgemäße Verfahren auch der Tatsache Rechnung, daß Gegenstände, welche von ei­ nem Sensor innerhalb des Öffnungskegels detektiert werden, nicht genau bezüglich ihrer Lage und ihres Winkels in der Karte eingetragen werden können. Deshalb sieht es das er­ findungsgemäße Verfahren vor all jene Zellen, welche sich auf dem Kreisbogensegment befinden, das den Sensor als Mit­ telpunkt und den Abstand des Hindernisses als Radius hat, in ihren Belegungsgrad sukzessive erhöht werden. Beispiels­ weise wird mit jeder Messung die einen Gegenstand erfaßt, der Belegungsgrad einer beliebigen Zelle auf dem Kreisbogensegment, inkrementiert.
Vorteilhaft sieht es das erfindungsgemäße Verfahren vor, die Meßungenauigkeit des Sensors in die zellulare Kartenbildung einer Umgebungskarte mit einzubeziehen. Insbesondere wird dies dadurch erreicht, daß in der Nähe des Sensors an diesen Sensor angrenzend beispielsweise eine Blindzone vorgesehen ist, in welcher Gitterzellen der Umgebungskarte nicht inkre­ mentiert werden. Dies hat den Vorteil, daß sich Hindernisse, welche sich durch Bewegung der selbstbeweglichen mobilen Ein­ heit auf den Sensor zubewegen, nicht aufgrund von Meßunge­ nauigkeiten insbesondere in der Nähe der mobilen Einheit aus der Karte durch Dekrementierung der Belegungswerte dieser Zellen, entfernt werden können. Somit können Zusammenstöße, die auf der Meßungenauigkeit der Sensoren basieren, nicht mehr stattfinden.
Vorteilhaft wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine schnelle Reaktion auf sich bewegende Hindernisse, welche in den Beobachtungsbereich eines Sensors eintreten erzielt, in­ dem das Inkrement, mit welchem der Belegungsgrad von Gitter­ zellen inkrementiert wird davon abhängig gemacht wird, wie nah das Hindernis sich bereits an der selbstbeweglichen mobi­ len Einheit befindet und wie schnell sich dabei die selbstbe­ wegliche Einheit auf das Hindernis zubewegt. Je schneller die selbstbewegliche Einheit hier fährt und je näher das detek­ tierte Hindernis sich bereits befindet, desto höher wird vorteilhafterweise das Inkrement mit dem der Belegungsgrad einer Gitterzelle belegt wird, erhöht.
Vorteilhaft für die Orientierung in einer realen Umgebung ist eine Anordnung, welche Ultraschallsensoren in verschiedenen Ebenen übereinander bezüglich eines Bodens, auf dem sich die mobile Einheit bewegt, vorsieht. Denn häufig sind in realen Umgebungen Gegenstände anzutreffen, die auf Beinen stehen und die erst 10 bis 20 cm oberhalb des Bodens als Hindernis er­ kannt werden können. Mit zwei Sensorebenen, die übereinander parallel zur Bodenfläche angeordnet sind, kann man erreichen, daß sowohl bodennahe wie auch bodenentfernte Hindernisse de­ tektiert werden können und durch eine Verarbeitung der zwei zellularen Umgebungskarten, die man diese Weise erhält, kann eine verbesserte Kollisionsvermeidung sichergestellt werden. Dies kann nun vorteilhafterweise geschehen, indem für die Hinderniserkennung der selbstbeweglichen mobilen Einheit der jeweils höhere Wert einer Zelle der jeweiligen Umgebungskarte herangezogen wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren weiter er­ läutert.
Fig. 1 zeigt eine selbstbewegliche Einheit in einer zellular strukturierten Umgebungskarte.
Fig. 2 zeigt eine selbstbewegliche Einheit beim Meßvorgang. Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Inkrementierung des Bele­ gungsgrades.
Fig. 4 gibt den qualitativen Zusammenhang zwischen Bele­ gungsgrad, Geschwindigkeit und Abstand an.
Fig. 1 zeigt eine selbstbewegliche Einheit SE in einer zel­ lular strukturierten Umgebungskarte G. Die zellular struktu­ rierte Umgebungskarte weist einzelne gleich große Zellen Z auf. Von einem Sensor S der an der selbstbeweglichen Einheit SE angeordnet ist, wird ein Meßimpuls abgegeben, der hier schematisiert als Gerade dargestellt ist.
Beispiele für solche Sensoren können Ultraschallsensoren, Schallsensoren, Infrarotsensoren oder auch Lasersensoren sein. Zur Vermeidung von Meßunsicherheiten und zur verbesser­ ten Rezeption von Hindernis sen, die sich insbesondere zwi­ schen dem Sensor S und dem Punkt A befinden, wird diese Strecke zwischen S und A als Blindzone definiert. Das heißt es werden nur jene Zellen in ihrem Belegungsgrad verändert, die sich zwischen dem Punkt A und dem Punkt E auf der Geraden befinden. Hier ist beispielsweise in der Zelle am Punkt E ein Hindernis gemessen worden, welches vom Sensor die Distanz dist zugewiesen bekommt. In der Regel werden solche Messungen von Sensoren durchgeführt, die reihum an der selbstbewegli­ chen mobilen Einheit SE angeordnet sind und deren Meßsignal­ aussendung so koordiniert ist, daß sie sich bei ihren einzel­ nen Meßvorgängen nicht gegenseitig beeinflussen. Üblicherweise weisen solche Sensoren Ausbreitungskegel mit einem speziellen Öffnungswinkel aus, welcher von der Art des spezifisch ausgesendeten Signals abhängt. Falls innerhalb eines Kegels ein Signal gemessen wird, so ist nicht feststellbar unter welchem Winkel das gemessene Hindernis im Öffnungskegel auftritt. Das gängige Verfahren von Borenstein geht davon aus, daß sich das Hindernis senkrecht zur Sensoroberfläche in der Entfernung des gemessenen Abstandes befindet.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden jedoch alle Zel­ len, welche sich innerhalb des Kegels befinden, in ihren Be­ legungsgradwerten verändert. Lediglich diejenigen Zellen, welche sich durch die Bewegung der selbstbeweglichen mobilen Einheit innerhalb dem Blindbereich hineinbewegen erfahren keine weiteren Belegungsgradänderungen. So wird vermieden, daß beispielsweise ein Hindernis durch eine Bewegung der selbstbeweglichen mobilen Einheit und durch Falschmessungen in deren Nähe wieder aus der Umgebungskarte ausgetragen wird, indem die Belegungsgradwerte einer solchen Zelle nach Eintritt in die Blindzone dekrementiert werden.
Vorteilhaft wird beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfah­ rens erreicht, daß insbesondere bei Stillstand der selbstbe­ weglichen mobilen Einheit Hindernisse, welche sich innerhalb des Öffnungskegels, einer vom Sensor ausgehenden Wellenfront befinden und die nicht auf einer Achse senkrecht zur Senso­ roberfläche angeordnet sind, aus der zellular strukturierten Umgebungskarte G ausgetragen werden können. Beispielsweise kann dies softwaretechnisch so vorgesehen sein, daß der Win­ kel, welchen die Strecke AE mit der Sensoroberfläche, d. h. beispielsweise mit der Gehäusekante der selbstbeweglichen Einheit SE bildet, softwaretechnisch verändert wird, so daß im Zusammenhang mit der Erstellung der Umgebungskarte diese Strecke abhängig von den Meßzyklen immer andere Zellen aus der Umgebungskarte durchläuft und somit immer verschiedene Zellen in Abhängigkeit eines Meßzyklus erfaßt werden und deren Belegungswerte erhöht bzw. erniedrigt werden.
Fig. 2 zeigt eine selbstbewegliche mobile Einheit SE bei ei­ nem Meßvorgang. Beispielsweise wird von einem Sensor S eine Wellenfront abgegeben, welche durch ein Hindernis auf dem Kreisbogensegment KS reflektiert wird. Der Öffnungskegel der Wellenfront, welche von diesem Sensor ausgeht, beträgt bei­ spielsweise (p. Bei gängigen Verfahren würden jetzt nur die Belegungsgrade solcher Zellen der Gitterkarte erhöht, welche sich auf KS und senkrecht zum Sensor befinden und jene Git­ terzellenbelegungsgrade erniedrigt, welche sich nicht auf KS und senkrecht zu S befinden. Alle anderen Zellen der Umge­ bungskarte innerhalb des Öffnungskegels würden nicht beein­ flußt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es beispiels­ weise vorgesehen, softwaretechnisch den Meßwinkel des Sensors zu verändern. Dieser wird beispielsweise als RA beschrieben und mit jedem Meßzyklus wird ein anderer Meßwinkel RA so eingestellt, daß er innerhalb der durch * definierten Grenzen schwankt und daß durch einen Meßstrahl, welcher vom Sensor ausgeht, alle Zellen erfaßt werden können, welche sich inner­ halb dieses Öffnungskegels der Wellenfront befinden. Hier­ durch wird vorteilhaft sichergestellt, daß Hindernisse, wel­ che sich beim Stillstand innerhalb des Öffnungskegels befin­ den auch ohne eine Bewegung der selbstbeweglichen mobilen Einheit SE wieder aus der Umgebungskarte ausgetragen werden können, insofern sie sich aus diesem Öffnungskegel entfernt haben und nicht auf einer Achse senkrecht zum Sensor anzu­ treffen sind.
Fig. 3 zeigt beispielsweise einen Öffnungskegel einer Wel­ lenfront eines Sensors S, welche den Winkel ϕ aufweist. Von dem Kreisbogensegment werden beispielsweise hier drei Zellen Z1 bis Z3 der zellular strukturierten Umgebungskarte ge­ schnitten. Die Zelle Z1 wird hier um das Inkrement +1 inkre­ mentiert und die Zelle Z2, welche sich auf einem Strahl, wel­ cher senkrecht zur Sensoroberfläche ausgeht, befindet, erhält das Inkrement +3 und die Zelle Z3 erhält ebenfalls das Inkre­ ment +1. Falls diese Messung beim Stillstand erfolgt, so kön­ nen die Werte aller Zellen, welche sich auf dem Kreisbogen befinden in Abhängigkeit der unterschiedlich durchgeführten Meßzyklen der Sensormeßeinrichtung in ihren Belegungsgrad erhöht werden.
Fig. 4 gibt den qualitativen Zusammenhang zwischen einer ge­ messenen Geschwindigkeit, dem Abstand eines detektierten Ob­ jekts in der Umgebungskarte und einer Vorgabe für den Wert des Inkrements für die Veränderung der Belegungsgrade in den Gitterzellen der Umgebungskarte vor.
In Fig. 4a ist der Inkrementwert INCv des Belegungsgrades in Abhängigkeit einer Geschwindigkeit v dargestellt. Es wird hier Bezug genommen auf ein Hindernis, welches in eine Umge­ bungskarte eintritt, und auf welches sich die selbstbewegli­ che mobile Einheit mit einer Geschwindigkeit V zu bewegt. Das heißt die Gitterzelle, welche in ihrer Belegung das Umge­ bungsobjekt enthält, nähert sich der selbstbeweglichen mobi­ len Einheit mit der Vektorsumme aus seiner Eigengeschwindig­ keit und der Geschwindigkeit der selbstbeweglichen Einheit. Für nachgeschaltete Verarbeitungsvorgänge zur Hindernisumge­ hung ist es wichtig, einem solchen Hindernis, was sich nah der selbstbeweglichen mobilen Einheit mit einer großen Ge­ schwindigkeit auf diese zubewegt eine höhere Priorität zu geben. Dies wird hier beispielsweise erreicht, indem in Ab­ hängigkeit der Geschwindigkeit v das Inkrement INCv zwischen einem Minimum min und einem Maximum max vergeben wird. Einer großen Geschwindigkeit v wird hier ein hohes Inkrement für den Bewegungsgrad einer Zelle, welche den Aufenthaltsort des bewegten Gegenstandes angibt, zugeordnet.
Fig. 4b zeigt den qualitativen Zusammenhang eines Inkremen­ tes INCR für den Belegungsgrad einer Gitterzeller der Umge­ bungskarte und dem gemessenen Abstand R des Gegenstandes. Um hier für nachgeschaltete Prozesse des Verfahrens, beispiels­ weise einem Hindernisvermeidungsverfahren bessere Ausgangsda­ ten zur Verfügung stellen zu können, wird beispielsweise ein Gegenstand, welcher sich nah an der selbstbeweglichen mobilen Einheit befindet, höher bewertet als ein Gegenstand der weit davon entfernt auftritt und detektiert wird. Das heißt falls ein Sensor Gegenstand mit einem Abstand R in der Nähe der selbstbeweglichen mobilen Einheit feststellt, so wird der zu belegenden Gitterstelle ein Inkrementwert INCR von bei­ spielsweise max zugewiesen. Falls jedoch ein Gegenstand weit entfernt beispielsweise an der Meßgrenze des Sensors detek­ tiert wird, so wird die Zelle mit einem Belegungsgradinkre­ ment INCR von beispielsweise min inkrementiert.
So kann einfach und ohne großen Rechenaufwand erreicht wer­ den, daß nahe gemessene Gegenstände, oder auch Gegenstände, welche sich schnell auf die selbstbewegliche mobile Einheit zu bewegen, eine höhere Priorität bei den nachgeschalteten Auswertungsvorgängen des erfindungsgemäßen Verfahrens erhal­ ten.

Claims (9)

1. Verfahren zur Erstellung einer zellular strukturierten Umgebungskarte von einer selbstbeweglichen mobilen Einheit, welche sich mit Hilfe von auf Wellenreflexion basierenden Sensoren in der Umgebung orientiert,
  • a) bei dem von einem Sensor (S) der Abstand (dist) des Sensors zu einem Umgebungsgegenstand und dessen Lage als unbestimmter Ort auf einem Kreisbogensegment (KS) mit dem Sensor als Kreismittelpunkt und dem Abstand als Radius ermittelt wird, wobei das Kreisbogensegment durch den Öffnungswinkel (ϕ) einer kegelförmigen Wellenfront begrenzt wird, welche zu Meßzwecken vom Ort des Sensors ausgeht,
  • b) bei dem mindestens einer Zelle (Z) in der Umgebungskarte (G) in Abhängigkeit einer Messung und in Abhängigkeit von Gegenständen in der Umgebung ein Belegungsgrad in Form eines inkrementierten Wertes zugewiesen wird,
  • c) bei dem der Belegungsgrad von Zellen, welche sich nicht auf lediglich einem Radius zwischen dem Sensor und dem Umgebungsgegenstand innerhalb des Öffnungswinkels befinden negativ inkrementiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Belegungsgrad von Zellen (Z1, Z2, Z3), welche sich auf dem Kreisbogensegment (KS) befinden, positiv inkrementiert wird.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
  • a) bei dem in Meßrichtung mindestens eines Sensors eine Blindzone in Abhängigkeit der Meßungenauigkeit des Sensors vorgegeben wird, welche an den Sensor angrenzt,
  • b) und bei dem der Belegungsgrad einer Zelle der Umgebungskarte, welche sich innerhalb der Blindzone befindet, nicht verändert wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Inkrement (INCR), mit welchem der Belegungsgrad inkrementiert wird, vom Abstand (dist) des Umgebungsgegenstandes abhängt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Inkrement für einen relativ kleinen Abstand größer gewählt wird als für einen größeren Abstand.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Inkrement (INCv) von einer Fortbewegungsgeschwindigkeit der selbstbeweglichen mobilen Einheit abhängt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Inkrement (INCv) für eine relativ hohe Fortbewegungsgeschwindigkeit größer gewählt wird als für eine niedrigere Fortbewegungsgeschwindigkeit.
8. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem mindestens zwei zellular strukturierte Umgebungskarten erstellt werden, welche die Umgebung in, von einem Untergrund der selbstbeweglichen mobilen Einheit aus betrachtet, verschiedener Höhe darstellen.
9. Anordnung zur Erstellung einer zellular strukturierten Umgebungskarte von einer selbstbeweglichen mobilen Einheit, welche sich mit Hilfe von auf Wellenreflexion basierenden Sensoren in der Umgebung orientiert, bei der mindestens zwei Sensoren so angeordnet sind, daß sie sich relativ zu einer Bewegungsrichtung der selbstbeweglichen mobilen Einheit übereinander befinden.
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