DE4414192A1

DE4414192A1 - Verfahren und Anordnung zur Gewährleistung eines Sicherheitsabstandes einer selbstbeweglichen mobilen Einheit

Info

Publication number: DE4414192A1
Application number: DE4414192A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Bauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-04-22
Filing date: 1994-04-22
Publication date: 1995-11-02
Anticipated expiration: 2014-04-23
Also published as: US5657225A; DE4414192C2; JPH07302118A

Description

Heutzutage gibt es vielfaltige Einsatzmöglichkeiten für autonom operierende mobile Einheiten. Man denke in diesem Zu sammenhang an Fernerkundungssonden, an mobile Einheiten, die in Gefahrengebieten operieren, an selbstbewegliche Industrie staubsauger, 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 lokalisieren können. Wegen der sehr komplexen und unstrukturierten Umgebungen, in denen solche selbstbeweglichen Einheiten möglicherweise manö vrieren, bleiben ihre Einsatzbereiche haufig auf Büro und Haushaltsumgebungen beschrankt. Da im allgemeinen eine a priori Karte nicht verfügbar ist, muß eine solche selbstbewegliche Einheit mit Sensoren ausgestattet 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 besteht darin, daß die Bildung der Umgebungskarte und die Lo kalisierung der mobilen Einheit voneinander abhangen. Es ge hen dabei verschiedene Fehler ein. Zum einen vermißt eine solche mobile Einheit ihre von einer Ausgangsposition aus zu rückgelegte Wegstrecke, zum anderen vermißt sie mit Entfer nungssensoren die Entfernung zu auftretenden Hindernissen und tragt diese als Landmarken in der Umgebungskarte ein. Da sich diese Fehler kummulieren und über längere Strecken auf summieren, ist ab einer bestimmten Grenze eine sinnvolle Manövrierbarkeit der mobilen Einheit nicht mehr gegeben.

Eine Methode zur Orientierung von selbstbeweglichen mo bilen Einheiten in unbekannten Umgebungen, besteht darin, daß sich die Einheit ein zweidimensionales Gitter ihrer Umgebung 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 solche Methode zur Orientierung von selbstbeweglichen Einheiten in Gitterkarten gibt die Schrift "Histogrammic in Motion Mapping for Mobile Robot Obstacle Avoidance", IEEE Transactions on Robotics Automation, Vol. 7, No. 4. Aug. 1991 von J. Borenstein und Yoram Koren an.

Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Einhaltung ei nes notwendigen Sicherheitsabstandes zu Gegenständen in der Umgebung. Die Fahrwegplanung der mobilen Einheit wird wesent lich bestimmt durch deren Manövrierbarkeit, durch das gewähl te Fahrziel und die Hindernisse auf dem Fahrweg. Der einzu haltende Sicherheitsabstand muß so beschaffen sein, daß er die Beweglichkeit der mobilen Einheit geringstmöglich behin dert, damit sie auch zwischen nah beieinander stehenden Hin dernissen manövrierbar bleibt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, womit ein optimaler Sicherheitsabstand einer selbstbeweglichen mobilen Einheit von Hindernissen innerhalb der Umgebung gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und für die Anordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be steht darin, daß ein Sicherheitsabstand zu Hindernissen nicht mehr über äquidistante Schalen, welche um das Gehäuse der selbstbeweglichen mobilen Einheit herumgelegt werden, sicher gestellt wird, sondern vielmehr die über die Kinematik der selbstbeweglichen mobilen Einheit ermittelte Fahrstrecke zur Zurücklegung des Sicherheitsabstandes als Mindestentfernung vorgegeben wird.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß über trigonometrische Funktionen durch Variation des Lenkwinkels, unter Einbeziehung eines Sicherheitsabstan des und durch Berechnung der zurückgelegten Entfernung, eine Sicherheitszone um die selbstbewegliche mobile Einheit herum gelegt werden kann. Dieser Rechenvorgang ist zwar aufwendig, jedoch muß er nur einmal erfolgen. Diese ermittelte Sicher heitszone kann anschließend bei einer Bewegung der selbstbe weglichen mobilen Einheit beispielsweise mit dieser zusammen in einer zellular strukturierten Umgebungskarte der Einheit translatiert werden.

Ein weiterer Vorteil bei der Ermittlung der Sicherheitszone für eine selbstbewegliche mobile Einheit ergibt sich dadurch, daß beispielsweise bei einer unsymmetrischen Einheit die Si cherheitszone vor der Einheit durch Vorwärtsfahrt und die Sicherheitszone hinter der Einheit durch Rückwärtsfahrt er mittelt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, bei einer selbstbeweglichen mo bilen Einheit, welche sich selbsttätig eine zellulare Umge bungskarte aufbaut, all jene Zellen zu ermitteln, die inner halb eines Sicherheitsabstandes erreicht werden können. Da durch wird der Rechenaufwand für die Fahrwegplanung und die Hindernisvermeidung verringert.

Besonders günstig ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Ver fahrens bei Dreiradfahrzeugen. Die Dreiradkinematik ist er schöpfend untersucht und wird vielfach eingesetzt.

Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in selbstbeweglichen mobilen Einheiten eingesetzt wer den, um die Kollision mit Hindernissen zu vermeiden.

Durch die Berücksichtigung der speziellen Kinematik bei der Fortbewegung der selbstbeweglichen mobilen Einheit und bei der Wahrung des Sicherheitsabstandes, kann eine bessere Manö vrierbarkeit der selbstbeweglichen mobilen Einheit zwischen nah beieinander stehenden Hindernissen erreicht werden.

Vorteilhaft ist eine Anordnung zur Sicherstellung eines Si cherheitsabstandes bei einer selbstbeweglichen Einheit, die zwei verschiedene Sensoren enthält, wobei der eine an einer Raddrehung den zurückgelegten Weg mißt und der andere die Entfernung zu Hindernissen bestimmt. Die Steuereinheit an der selbstbeweglichen mobilen Einheit, welche die Fahrwegplanung vornimmt, kann die beiden Sensordaten vergleichen und in Kenntnis der Geometrie und der Kinematik der Einheit durch Anwendung trigonometrischer Funktionen die Fahrwegplanung so gestalten, daß der Sicherheitsabstand der selbstbeweglichen mobilen Einheit zu Hindernissen auf dem Fahrweg gewahrt bleibt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren weiter er läutert.

Fig. 1 zeigt eine selbstbewegliche mobile Einheit.

Fig. 2 zeigt als Beispiel eine Kinematik einer selbstbeweg lichen mobilen Einheit.

Fig. 3 erläutert die Dreiradkinematik.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer selbstbeweglichen mobilen Einheit mit Sicherheitszonen.

Die Fig. 5 bis 7 geben ein Beispiel für eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zellular strukturierten Umgebungskarte an.

Fig. 1 zeigt eine selbstbewegliche mobile Einheit SE mit ei ner Dreiradgeometrie. Diese selbstbewegliche mobile Einheit weist ein rechtes Rad R_R und ein linkes Rad R_L auf und kann durch ein Steuerrad L_R manövriert werden. Weiter sind in Fig. 1 exemplarisch drei Sicherheitsabstände D1 bis D3 ge zeigt, welche sich an der Umrißlinie der selbstbeweglichen mobilen Einheit orientieren. Diese Sicherheitsabstände korre spondieren mit Sicherheitszonen, die schalenartig um die selbstbewegliche mobile Einheit SE gelegt sind. Die Sicher heitszonen sind mit SZ1 bis SZ3 bezeichnet und beziehen sich auf entsprechend bezeichnete Sicherheitsabstände. Für das er findungsgemäße Verfahren ist es nicht wesentlich, ob eine Dreiradkinematik oder eine andere Kinematik zum Einsatz kommt. Auch ist es nicht erheblich, ob die Hinterräder oder das Steuerrad angetrieben werden.

Fig. 2 gibt ein Beispiel für die Kinematik einer selbstbe weglichen mobilen Einheit an. Hier wurde die Dreiradkinematik mit zwei angetriebenen Hinterrädern gewählt. Das Steuerrad ist hierbei als passives Nachlaufrad ausgebildet. Der Radab stand der angetriebenen Räder vom Koordinatenursprung beträgt D und der Abstand des Steuerrades zum Koordinatenursprung beträgt L. Die Koordinaten sind hierbei mit x und y angegeben. Am rechten Rad kann eine Geschwindigkeit v_R und am linken Rad eine Geschwindigkeit v_L vorgegeben werden. Die Vektorsumme der beiden Geschwindigkeiten ergibt sich zu v_ref am Steuerrad. Der Lenkwinkel ist mit STE bezeichnet.

Beispielsweise wird von einer Steuerung der selbstbeweglichen mobilen Einheit der Lenkwinkel STE und die Geschwindigkeit v_ref vorgegeben. Über die Geometrie der selbstbeweglichen mobilen Einheit können die Geschwindigkeiten v_L und v_R, die an den Antriebsmotoren der entsprechenden Räder einzustellen sind, ermittelt werden. An die Motorsteuerfunktion (act()) wird STE und v_ref übergeben. Der Roboter fährt dann so, als ob das passive Nachlaufrad angetrieben und gelenkt würde.

Dazu müssen die korrespondierenden Radgeschwindigkeiten v_L und v_R berechnet werden.

Fig. 3 erläutert die Berechnungsgrundlagen des erfindungsge mäßen Verfahrens anhand einer Dreiradkinematik. Beispielswei se sei die Einheit hier ein Roboter. Die soeben in Fig. 2 beschriebene Ansteuerung der Motoren führt zu einer Beschrei bung des Roboters durch die Dreiradkinematik. Bei der Ein stellung eines festen Lenkwinkels STE, θ drehen sich alle Ro boterpunkte um den Mittelpunkt (0, M).

Soll sich ein beliebiger Roboterpunkt (x, y) auf einer Kreis bahn auf einen beliebigen Punkt der Umgebung (x′, y′) zu bewe gen, so lautet der zugehörige STE θ.

Zur Berechnung des Lenkwinkels θ wird das Lot auf die Verbin dungsgerade (1) des Roboterpunktes (x, y) und des Umgebungs punktes (x′, y′) gefällt. Der Schnittpunkt der Lotgeraden (2) mit der y-Achse ergibt den Drehpunkt M. Damit auch das Steue rungsrad (Nachlaufrad) einen Kreisbogen um den Mittelpunkt M fährt, muß die Stellung des Steuerungsrades senkrecht auf den Radius r stehen.

Fig. 4 zeigt eine selbstbewegliche mobile Einheit SE mit Si cherheitszonen die schalenartig um die selbstbewegliche Ein heit herumgelegt sind. Diese Sicherheitszonen SZ1 bis SZ3 wurden dadurch ermittelt, daß beispielsweise in der Steuerung der selbstbeweglichen mobilen Einheit ein konstanter Sicher heitsabstand für die jeweilige Sicherheitszone vorgegeben wurde und über die Kinematik der selbstbeweglichen mobilen Einheit die Entfernung ermittelt wurde, die in Abhängigkeit von verschiedenen Lenkwinkeln die selbstbewegliche mobile Einheit SE zurücklegen würde, falls sie sich um den jewei ligen Sicherheitsabstand von ihrem Startpunkt fortbewegen würde. Die Vereinigungsmenge der von der Umrißlinie der Ein heit in ihren jeweiligen Endlagen umschlossenen Flächen nach der Fortbewegung um den Sicherheitsabstand, ergibt die je weiligen Sicherheitszonen.

Falls sich die selbstbewegliche mobile Einheit mit Hilfe ei ner zellular strukturierten Umgebungskarte orientiert, welche gegebenenfalls in einer Steuereinheit durch die Auswertung von kontinuierlich erfaßten Sensordaten ständig aktuell ge halten wird, bietet sich beispielsweise folgendes Vorgehen an: Für die Fahrwegplanung werden nur diejenigen belegten Gridzellen berücksichtigt, die sich in unmittelbarer Nähe der Einheit befinden. Diese Maßnahme spart Rechenzeit und verhin dert auch, daß eine weiter entfernte belegte Gridzelle be stimmte Lenkwinkel verbietet, obwohl sie für Fahrmanöver im Nahbereich der Einheit noch zulässig wären. Daher wird bei spielsweise für jede belegte Gridzelle die minimale Distanz errechnet, welche die Einheit fahren muß, bis sie frühestens auf diese Gridzelle trifft. Der Lenkwinkel wird dabei also so gewählt, daß die Einheit aufgrund ihrer Kinematik die Grid zelle auf dem kürzesten Weg erreicht. Fig. 4 zeigt bei spielsweise die Zellen, welche bei der Fahrwegplanung be rücksichtigt werden. Die Färbung dieser Zellen markiert ihre Zugehörigkeit zu verschiedenen Sicherheitszonen SZ1 bis SZ3. Je dunkler eine Zelle gefärbt ist, desto eher kann die mobile Einheit bei ihrer Fahrt damit kollidieren.

Der Sicherheitsabstand welcher durch die alle dargestellten Zellen vorgegeben wird ist kleiner als 45 cm. Die schwarzen Gridzellen in unmittelbarer Nähe des Roboters markieren die Sicherheitszone SZ1 für einen minimalen Sicherheitsabstand von beispielsweise 15 cm. Diejenigen Zellen, welche entlang der Antriebsachse der mobilen Einheit liegen, werden bei spielsweise zur Hindernisvermeidung nicht berücksichtigt, da der Roboter diese wegen seiner Kinematik erst nach längerem Drehen auf der Stelle erreichen würde.

Fig. 5 gibt ein Beispiel an, wie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der Sicherheitsabstand von einer selbstbeweglichen mobilen Einheit zu einer Zelle in einer zellularen Umgebungs karte eingehalten werden kann.

Für die Berechnungen zur Gewährleistung eines Sicherheitsab standes hit wird, wie in Fig. 5 dargestellt die Umgebung der mobilen Einheit beispielsweise in 10 Sektoren bis zer legt. Das Zentrum einer Gridzelle i hat für die folgenden Darlegungen die Koordinaten (x_i, y_i).

Für die Bereiche und gilt:

Die Unterteilung in zehn Bereiche wird hier nur zu Demonstra tionszwecken durchgeführt. Es können ohne Beeinträchtigung der Erfindung auch weniger Bereiche gewählt werden. Bei spielsweise ist die Zahl und Form der Bereiche davon abhän gig, welche Strategie bei der Fahrwegplanung angewendet wird und welche Kinematik die Einheit aufweist.

Fig. 6 zeigt ein Berechnungsbeispiel für die Wahrung des Si cherheitsabstandes in einem bestimmten Bereich einer zellu laren Umgebungskarte. Für die Bereiche , , und gelten dabei ähnliche Voraussetzungen. Im folgenden wird eine Beispielrechnung für den Bereich durchgeführt, welche in Fig. 6 veranschaulicht ist.

Es gilt:

Mit hit wird dabei immer die Strecke bezeichnet, welche von der mobilen Einheit in Abhängigkeit ihrer Kinematik zur be legten Gitterzelle zurückgelegt werden muß.

Fig. 7 zeigt ein Berechnungsbeispiel für die Wahrung eines Sicherheitsabstandes aus einem weiteren Bereich einer zellu lar strukturierten Umgebungskarte der selbstbeweglichen mobi len Einheit. Für die Bereiche , , und gelten ähnliche Voraussetzungen. Im folgenden wird eine Beispielrechnung für den Bereich durchgeführt, welche in Fig. 7 veranschau licht ist. Der Roboter kollidiert bei konstantem Lenkwinkel auf dem kürzesten Weg mit einer belegten Zelle, wenn er auf der Stelle rotiert (STE = ± π/2). Derjenige Punkt auf der Umrißlinie der Einheit, welcher das Hindernis (x_i, y_i) als erstes berührt wird mit (x_s, y_s) bezeichnet.

Es gilt:

Auch hier bedeutet hit die Strecke, welche von der mobilen Einheit in Abhängigkeit ihrer Kinematik zu belegten Gitter zelle zurückgelegt werden muß.

Claims

1. Verfahren zur Gewährleistung eines Sicherheitsabstandes einer selbstbeweglichen mobilen Einheit,

a) bei dem die selbstbewegliche mobile Einheit aufgrund ihrer Antriebs- und Lenkeigenschaften eine Bewegungskinematik auf weist, welche bedingt, daß eine an einem Rad der selbstbeweg lichen mobilen Einheit während einer Bewegung ermittelte er ste Wegstrecke nicht identisch ist mit einer bezüglich eines Referenzpunktes in einem Bewegungsraum der selbstbeweglichen mobilen Einheit zurückgelegten zweiten Wegstrecke,
b) und bei dem als Sicherheitsabstand zu einem Hindernis im Bewegungsraum mindestens eine fest vorgegebene erste Weg strecke gewährleistet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Sicherheitszone zur selbstbeweglichen mobilen Einheit ein Bereich wie folgt er mittelt wird:

a) es wird eine Startlage und ein Startlenkwinkel der selbst beweglichen mobilen Einheit vorgegeben,
b) für verschiedene Lenkwinkel zwischen 0° und 360° wird aus der Bewegungskinematik jeweils eine Endlage der selbstbeweg lichen mobilen Einheit nach wenigstens Vorwärtsfahrt von der Startlage aus und Zurücklegung des Sicherheitsabstandes als erster Wegstrecke ermittelt und vermerkt,
c) unter Berücksichtigung einer Umrißlinie der selbstbewegli chen mobilen Einheit ergibt sich die zur Startlage gehörende Sicherheitszone der selbstbeweglichen mobilen Einheit als Vereinigungsmenge jener Flächen, die von der Umrißlinie in den jeweiligen vermerkten Endlagen der Einheit umrahmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem für jeweils einen vor gegebenen Sicherheitsabstand die Sicherheitszone lediglich einmal ermittelt und bei einer Bewegung der Einheit mit ihr mitgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, bei dem die Sicherheitszone vor der selbstbeweglichen mobilen Einheit durch Vorwärtsfahrt und hinter der selbstbeweglichen mobilen Einheit durch Rückwärtsfahrt ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem in einer zellular strukturierten Umgebungskarte jene belegten Zellen ermittelt werden, welche durch eine Fortbewegung der Einheit um den Sicherheitsabstand erreicht werden können.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Bewegungskinematik eine Dreiradkinematik ist.

7. Verfahren nach einem der Voranstehenden Ansprüche, das bei der Fahrwegplanung der selbstbeweglichen mobilen Einheit zur Vermeidung von Kollisionen mit Hindernissen dient.

8. Anordnung zur Gewährleistung eines Sicherheitsabstandes einer selbstbeweglichen mobilen Einheit,

a) bei der an einem Rad der Einheit mindestens ein erster Sensor zur Messung des während der Bewegung der Einheit zu rückgelegten Weges vorgesehen ist,
b) bei der an der Einheit mindestens ein Zweiter Sensor zur Ermittlung der Lage eines Hindernisses relativ zur Einheit vorgesehen ist,
c) bei der eine Bewegungssteuerung zur Steuerung und/oder Planung des Fahrweges der Einheit vorgesehen ist, welcher Daten von dem mindestens einen ersten Sensor und dem mindestens einen zweiten Sensor zugeführt werden, wobei die Steuerung durch einen Vergleich der Daten in Verbindung mit der Bewegungskinematik der Einheit bei der Steuerung und/oder Planung sicherstellt, daß bei der Bewegung der Einheit minde stens ein vorgegebener Sicherheitsabstand zu dem Hindernis gewährleistet wird.