DE4414192C2 - Verfahren zur Ermittlung einer Sicherheitszone um eine selbstbewegliche mobile Einheit - Google Patents
Verfahren zur Ermittlung einer Sicherheitszone um eine selbstbewegliche mobile EinheitInfo
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Description
Heutzutage gibt es vielfältige 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 häufig auf Büro und
Haushaltsumgebungen beschränkt. 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 abhängen. 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
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 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. Die einzu
haltende Sicherheitszone um die mobile Einheit herum
muß so beschaffen sein, daß sie
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 weiteres
Verfahren zur Steuerung einer selbstbeweglichen mobilen Einheit nach
IEEE Transactions on Robotics Automation u. u. O anzugeben,
womit eine optimale Sicherheitszone um
die selbstbewegliche mobile Einheit herum
gewährleistet wird.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren gemäß den Merkmalen im
Patentanspruch 1 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 RR und ein linkes Rad RL auf und kann
durch ein Steuerrad LR 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 vR und am
linken Rad eine Geschwindigkeit vL 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 vL und vR, 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 vL
und vR berechnet werden.
VL = v_ref*(cos(STE)-D/Lsin(STE))
VR = v_ref*(cos(STE)+D/Lsin(STE))
VR = v_ref*(cos(STE)+D/Lsin(STE))
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 (O, M).
Soll sich ein beliebiger Roboterpunkt (x, y) auf einer Kreis
bahn auf einen beliebigen Punkt der Umgebung (x′, y′) zubewe
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 wurde, falls sie sich um den jewei
ligen Sicherheitsabstand von ihrem Startpunkt fortbewegen
wurde. 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 wurde.
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 (xi, yi).
Für die Bereiche und gilt:
Bereich : hit = Xi - XFBereich : hit = XR - Xi.
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 (xi, yi) als
erstes berührt wird mit (xs, ys) 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 (7)
1. Verfahren zur Steuerung einer selbstbeweglichen mobilen
Einheit, die aufgrund ihrer
Antriebs- und Lenkeigenschaften eine Bewegungskinematik auf
weist, bei dem eine Sicherheitszone um die selbstbewegliche mobile
Einheit herum unter Berücksichtigung der aufgrund der Bewegungskinematik
möglichen Fahrstrecken bei Einhaltung eines Sicherheitsabstandes zwischen
der in Bewegung befindlichen Einheit und einem Hindernis
vorgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Sicherheitszone wie
folgt ermittelt wird:
- a) es wird eine Startlage und ein Startlenkwinkel der selbst beweglichen mobilen Einheit vorgegeben,
- b) für verschiedene Lenkwinkel zwischen 0° und 360° wird Unter Zugrundelegung des Sicherheitsabstandes als konstanter Fahrstrecke jeweils eine Endlage der selbstbeweglichen mobilen Einheit über die Bewegungskinematik nach wenigstens Vorwärtsfahrt von der Startlage aus ermittelt und vermerkt,
- c) unter Berücksichtigung einer Umrißlinie der selbstbewegli chen mobilen Einheit wird die zur Startlage gehörende Sicher heitszone der selbstbeweglichen mobilen Einheit als Ver einigungsmenge jener Flächen festgelegt, die von der Umrißli nie 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 von der in Bewegung befindlichen Einheit
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 diente.
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