DE69520736T2

DE69520736T2 - Verfahren und gerät zur hinderniserkennung für autonomes gerät

Info

Publication number: DE69520736T2
Application number: DE69520736T
Authority: DE
Inventors: Leif Edlund
Original assignee: Electrolux AB
Current assignee: Electrolux AB
Priority date: 1994-03-29
Filing date: 1995-03-28
Publication date: 2001-11-22
Anticipated expiration: 2015-03-29
Also published as: SE9401061L; EP0753160B1; WO1995026512A1; JP3480576B2; DE69520736D1; ES2156940T3; SE9401061D0; US5867800A; JPH09511060A; AU2155495A; EP0753160A1; AU689571B2; SE502834C2; CA2186223A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf autonome Geräte, beispielsweise in der Form eines autonomen und selbst orientierenden Staubsaugers, und speziell auf ein Verfahren und ein Gerät für seine Orientierung in der unmittelbaren Umgebung mittels eines Erkennungssystems, das einen Sender für eine Wellenfrequenz langsamer Ausbreitung und ein Empfängersystem mit einer Geometrie aufweist, die eine vorteilhafte Erkennung und Bestimmung der Position und Höhe eines Hindernisses in dem Weg des autonomen Geräts bietet.

Hintergrund der Erfindung

Seit vielen Jahren gibt es schon ein Bedürfnis, beispielsweise eine autonome Vorrichtung zur Bodenbehandlung, insbesondere einen Staubsauger, bereitzustellen, der durch ein Erkennungssystem gesteuert wird, das den Horizont in Analogie beispielsweise zu einem Schiffsradar absucht. Dann ist es der Wunsch, dass sich die Vorrichtung selbst in einem Raum orientieren kann, so dass sie beispielsweise in der Lage ist, eine Reinigungsfunktion gemäß einem vorgegebenen Muster bzw. einer vorgegebenen Strategie auszuführen und zur gleichen Zeit neben dem Vermeiden von Kollisionen mit den Wänden des Raums das Kollidieren mit verschiedenen Hindernissen vermeidet, die in dem Raum angeordnet sein können.
Das Patentdokument SE 313409 aus 1969 offenbart ein Gerät für eine unabhängig arbeitende Vorrichtung zur Bodenbehandlung, die mit einem Paar von Rädern versehen ist, welche von einem elektrischen Motor angetrieben werden. Dieses Gerät ist dadurch gekennzeichnet, dass eines der Räder gegen die Kraft einer Feder automatisch freigebbar ist, wenn die Vorrichtung auf ein Hindernis trifft, wodurch das Paar der Räder um eine vertikale Achse verdreht werden kann und wodurch die Bewegungsrichtung der Vorrichtung geändert werden kann, wobei zusätzlich die Richtung der Raddrehung umgeschaltet werden kann, so dass die Vorrichtung sich im Prinzip bewegen und das Hindernis umgehen kann. Zusätzlich wird das Gerät durch einen Controller geführt, der grundsätzlich die Bewegung des Geräts über die zu reinigende Oberfläche führt.
Auch das Dokument SE 364574 offenbart ein entsprechendes Gerät, das an seiner Vorderseite mit einem Hinderniserkennungsgerät versehen ist, welches Erkennungsmittel aufweist, die elektrische Signale liefern und mit denen die Breite von Hindernissen auf dem Weg des Geräts bestimmt werden kann. Die Erkennungsmittel arbeiten vollständig mechanisch und bestehen vorzugsweise aus Mikroschaltern.
In der GB 1 403 860, die die Priorität einer Anmeldung aus 1972 aufweist, sind ein Prozess und ein Gerät für die automatische Behandlung, beispielsweise Reinigung, eines abgegrenzten Bereichs offenbart, wobei das Gerät sich über den gesamten Bereich hinwegbewegt und seine Richtung an den Grenzen des Bereichs ändert. Das Gerät kann jedoch beim Annähern keine anderen Hindernisse erkennen, die in dem abgegrenzten Bereich vorliegen, und folgt im Prinzip einem vorgegebenen Programm, um die gesamte Oberfläche in dem abgegrenzten Bereich abzudecken.
Ein anderes solches Vorrichtungssystem ist weiterhin in dem Dokument CH 619 799 aus 1973 offenbart, das die Priorität einer Anmeldung DE 23 60 002 von 1973 aufweist. Diese Vorrichtung, die von zwei Rädern angetrieben wird, ist mit einem elektrooptischen Messgerät ausgestattet, das verschiedene Strahlausgänge und -eingänge aufweist. Das Messgerät dient zum Messen des Abstands zwischen der Vorrichtung und Messpunkten an den Wänden, die den Raum begrenzen. Die gemessenen Punkte werden in einem Koordinatenberechnungsprozessor eingegeben, der die Koordinaten der Messpunkte jeweils berechnet, korrigiert und kontrolliert und der diese berechneten Messpunkte in einem Orientierungsspeicher speichert. Mittels eines Weggebers, der an die Räder angeschlossen ist, wird zusätzlich die Bewegung der Vorrichtung berechnet, und die Vorrichtung wird mittels dieser Informationen so geführt, dass sie von selbst systematisch über die gesamte Oberfläche des Bodens zum Reinigen von dessen Oberfläche wandert.
Ein Nachteil hier ist die Schwierigkeit, Hindernisse zu lokalisieren, die sich in dem Weg der Vorrichtung während ihrer Bewegung über den Boden befinden können, weil ein elektrooptisches Erkennungssystem, das aufgrund der hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit ein Messsystem erfordert, welches in der Lage ist, sehr kurze Zeiträume zu messen, weshalb solch ein System auch angesichts der jüngsten Entwicklungen, die auf dem Gebiet der Elektronik und Computertechnik stattgefunden haben, so kostspielig sein wird, dass es vom Preisgesichtspunkt über allem liegt, und der Öffentlichkeit nicht zugänglich gemacht werden kann. So ist es technisch gesehen immer noch schwierig, mit solch einem elektrooptischen Verfahren kurze Abstände mit zufriedenstellender Auflösung zu messen. Zusätzlich kann solch ein elektro-optischer Erkennungspuls, wenn ein Hindernis eine glatte angewinkelte Oberfläche aufweist, durchaus in eine solche Richtung reflektiert werden, dass das reflektierte Signal niemals beim Empfänger ankommt und deshalb keine Anzeige eines Hindernisses erreicht wird, weshalb die Vorrichtung mit solch einem Hindernis in seinem Weg kollidieren wird.
In einem Dokument von 1984 von James L. Crowley mit dem Titel "Position Estimation for Intelligent Mobile Robot", The Laboratory for Household Robotics, Carnegy-Mellon University, ist eine Lösung des Problems, eine Abschätzung der Position eines Roboters zu erhalten, wenn er sich in einer bekannten oder unbekannten Umgebung bewegt, weiter beschrieben. Dieses Dokument gibt zusätzlich eine Anzahl von Hinweisen auf unterschiedliche Algorithmen, die in diesem Zusammenhang zur Modellbildung verwendet werden und die verwendet werden können, um einen Datenprozessor für die Führung solch eines Roboters zu programmieren. Eine Vorrichtung, die in dem Dokument demonstriert ist, verwendet einerseits Kodierer an den Rädern des Roboters, um seine Bewegung zu bestimmen, andererseits einen Drehsensor, der den Abstand zu äußeren Oberflächen erkennt und einen Strahl mit einem Anfangsdurchmesser von ungefähr 7,5 cm und einem Strahlöffnungswinkel von ungefähr 30 aufweist. Der Sensor rotiert mit ungefähr einer Umdrehung pro fünf Sekunden und gibt den Abstand zu der nächsten Oberfläche innerhalb von 6 m mit einer Auflösung von 3 cm aus. Die Vorrichtung kann dann während einer geführten Tour durch die Umgebung, in der sie agieren soll, in einen Lernmodus gebracht werden. Ausgehend von dem Lernmodus wird sich die Vorrichtung dann von einem Ausgangspunkt an in der jetzt erkundigten Umgebung selbst orientieren.
In dem US-Patent Nr. 4 674 084 mit einer Priorität der JP 200360/83 ist ein Führungssystem für einen bewegenden Roboter offenbart, das seine momentane Position berechnet und nachfolgend Daten der erhaltenen Positionen speichert, wobei diese Informationen dann für die Fortsetzung der Bewegung des Roboters verwendet werden. Der Roboter berechnet dann ein Bewegungsmuster innerhalb eines bestimmten Bereichs, wodurch es möglich ist, dass er sich innerhalb dieser Grenzen bewegt, ohne eine Region unabgedeckt zu lassen und ohne Notiz von möglichen Hindernissen zu nehmen, die seine Richtung ändern. Daneben kompensiert der Roboter Positionsfehler aufgrund des Durchdrehens seiner Antriebsräder und. Fehler beim Betrieb seiner Motoren.
Zusätzlich gibt es eine Vielzahl anderer Dokumente, wie beispielsweise die US-Patente Nr. 4 114 711 (1978), 4 700 424 (1987), 4 887 415 (1989), die ebenfalls unterschiedliche Anordnungen bei automatisch geführten autonomen Maschinen offenbaren. Allen diesen bisherigen Konstruktionen ist gemeinsam, dass sie wegen der Vielzahl der unterschiedlichen kombinierten Verfahren, die für deren Orientierung und Steuerung benötigt werden, sehr oft eine unhandliche Größe haben, und sie vor allem extrem kompliziert und kostspielig in der Herstellung sind. Deshalb gibt es ein Bedürfnis, ein Verfahren bereitzustellen, das in einem System eines autonomen Geräts angewendet werden kann, welches aufgrund dieses Verfahrens weiterhin zu vernünftigen Herstellungskosten herstellbar ist, so dass ein fertiges Produkt, beispielsweise für die automatische Staubsaugung eines Raums, zu einem Gesamtpreis bereitgestellt wird, der das Produkt der Öffentlichkeit zugänglich macht.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Nahbereichserkennungsverfahren und -system für ein autonomes Gerät bereitgestellt, wobei das Gerät ein Mikroprozessorsystem und ein Erkennungssystem mit Sendermitteln und Empfängermitteln, die eine ausgesendete akustische Welle verwenden, aufweist, wobei Reflektionen innerhalb eines Nahbereichsbereichs mittels eines bestimmten Empfängersystems detektiert werden, das für die Frequenz der akustischen Welle mit dem Mikroprozessor verbunden ist.
Gemäß einem ersten Ziel der vorliegenden Erfindung wird ein kohärentes bistatisches System zum Erkennen von Hindernissen und Bilden einer dreidimensionalen Richtung zu einem Hindernis, das die akustische Welle reflektiert, um eine Orientierungsbasis innerhalb des Nahbereichsbereichs zu erzeugen, ausgebildet.
Gemäß einem zweiten Ziel der vorliegenden Erfindung wird ein Absorbermittel oder Reflektor oder eine Kombination derselben über mindestens einem Empfangsmittel angeordnet, wobei dies als eine Augenbraue wirkt, die an dem Empfangsmittel den Empfang von Reflektionen aus unerwünschten Richtungen dämpft.
Gemäß einem dritten Ziel der vorliegenden Erfindung ist eines der Empfangsmittel entlang der gekrümmten Basislinie zusätzlich auf unterschiedlicher Höhe verglichen mit dem Rest der Empfangsmittel angeordnet, und vorzugsweise sind die am meisten außen liegenden Empfangsmittel auf jeder Seite der Reihe von Empfangsmitteln entlang der gekrümmten Basislinie auf unterschiedlicher Höhe in Bezug auf die restlichen Empfangsmittel angeordnet.
Gemäß einem zusätzlichen Ziel der vorliegenden Erfindung bildet die Welle zum Erkennen von Hindernissen nahe dem Gerät ein regelmäßig ausgesendetes Chirp-Signal auf einer Signalfrequenz mit einer niedrigen Ausbreitungsgeschwindigkeit aus, wobei dieses Signal in vorgegebenen Abständen wiederholt wird, wobei die ausgesendete Welle eine akustische Welle mit einer Frequenz im Ultraschallbereich darstellt.
Gemäß einem zusätzlichen Ziel der vorliegenden Erfindung weisen die Empfangsmittel entlang der gekrümmten Basislinie getrennte Mikrofonelemente auf, die auf diese Wellenfrequenz abgestimmt sind und angeordnet sind, um eis geeignetes digitales Signal für einen Mikroprozessor in dem autonomen Gerät zu erzeugen.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird in Form einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen
Fig. 1 eine Seitenansicht eines autonomen Geräts gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Ausführungsform als Staubsaugerroboter zeigt;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Staubsaugerroboter gemäß Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 einen Querschnittsaufriss des Staubsaugerroboters gemäß Fig. 1 zeigt;
Fig. 4 einen Raum zeigt, der mit einer Anzahl von aktiven Signalfeuern bzw. oder Transpondern versehen ist, wobei sich der Staubsaugerroboter gemäß Fig. 1 mittels eines ersten Rundwegs die Wände des Raums entlang zu orientieren hat;
Fig. 5 zeigt, wie der Staubsaugerroboter gemäß Fig. 1 im Prinzip seine Reinigungsaktion durchführen wird, nachdem er den Raum erkundigt hat;
Fig. 6 eine ganz grundsätzliche Darstellung für die Abschätzung der Position eines Signalgebers mittels einer eingebauten Erkennungsfunktion zeigt;
Fig. 7 die Abschätzung der Position des Signalgebers teilweise mittels eines Hypothese-Verfahrens und teilweise mittels einer geometrischen Wegabschätzung zeigt;
Fig. 8 die Orientierung zu einem Signalgeber während eines ersten Umkreisen des Raums zeigt;
Fig. 9 ein Erkennungsprinzip mit einem getrennten Sender und Empfänger und unterschiedlichen Ausbreitungszeiten zwischen dem Sender und einem Target und zwischen dem Target und dem Empfänger zeigt;
Fig. 10 geometrisch eine Beziehung zwischen einem Sender und einer Anzahl von Empfängern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 11 ein typisches empfangenes Signal, einen fließenden Grenzwert und ein Signal, das von einem der Mikrofone detektiert wird, zeigt;
Fig. 12 eine erläuternde Ausführungsform einer Aufteilung von Blickfeldern des Roboters zeigt, wobei der Vorderbereich das Rechteck in Vorwärtsrichtung und die Seitenbereiche die Rechtecke an der rechten und der linken Seite des Roboters betreffen;
Fig. 13 die Art der Durchführung einer Berechnung des Abstands von einem Punkt zu allen Mikrofonelementen zeigt, wobei die Anzahl der verwendeten Mikrofone abhängig von den Entscheidungen ist, die von der Navigationsfunktion gefällt werden; und
Fig. 14 die Geometrie zeigt, um Kompensationen für die Höhendifferenz zwischen dem Sendeelement und einem Mikrofon zu berechnen.

Eine erläuternde bevorzugte Ausführungsform

Allgemeine Beschreibung

Eine erläuternde Ausführungsform eines autonomen Staubsaugers 20, der das Verfahren und das System der vorliegenden Erfindung anwendet, ist in Fig. 1 in einer Ansicht der rechten Seite und in Fig. 2 in einer Flächenansicht von oben offenbart. Der Staubsauger 10 weist ein im Prinzip rundes Gehäuse 11 auf, das mit zwei angetriebenen Rädern 12 und 13 versehen ist. An dem Gehäuse 11 gibt es ein Steuerfeld 15, das gemäß dem Stand der Technik mit Steuerungen und Anzeigen für das Gerät versehen ist, sowie einen Luftauslass von der Staubsaugereinheit 14 des Geräts. Fig. 3 gibt in vereinfachter Darstellung einen Querschnitt des Staubsaugers 10 wieder, der zeigt, dass das Gehäuse 11 im Prinzip drei Fächer aufweist, ein hinteres Abteil 17 zum Sammeln von Staub oberhalb der Staubsaugereinheit 14, ein zentrales Abteil 18, beispielsweise für schwere Komponenten wie eine Akkumulatorbatterie und Antriebsmotoren, und ein vorderes Abteil 19 für die restliche Ausrüstung, z. B. einen Mikroprozessor und zugeordnete Schaltkarten und Elektroniken für den Sender und die Empfänger für die Orientierung und die Führung des Staubsaugers während seines Betriebs. Wie auch in Fig. 3 zu sehen ist, ist das Gehäuse 11 zusätzlich an seiner vorderen Kante in üblicher Weise mit einem mechanischen Sensor 21 für den Fall versehen, dass es mit einem Hindernis kollidieren sollte, das vorher nicht detektiert wurde. In einer anderen Ausführungsform bildet das gesamte Gehäuse oder der das Abteil 19 (Fig. 3) einen mechanischen Sensor aus, der in den x- und y-Richtungen beweglich ist, um auch höherliegende Hindernisse zu erkennen, beispielsweise wenn der Staubsauger unter ein Sofa o. dgl. fährt. Auf der Oberseite des Gehäuses 11 ist ein Ultraschallsender 20 angeordnet, der zusammen mit einer Anzahl von Ultraschallmikrofonen für die Detektion von Hindernissen in dem Weg des Staubsaugers verwendet wird. In einer erläuternden Ausführungsform ist der Ultraschallsender ein Zylinder mit einem Durchmesser von etwa 15 mm, der etwa 20 mm nach oben über das Gehäuse 11 vorsteht und auf seiner Oberseite mit einer schallabsorbierenden Platte versehen ist, auf der dann zusätzlich ein IR-Empfänger angeordnet ist. So bilden bei dieser Ausführungsform das Gehäuse 11, der Ultraschallsender 20 und die mechanische Erkennung 21 eine zusammengefasste Einheit.
In den Fig. 4 und 5 ist das Prinzip demonstriert, wie der Staubsauger eine automatische Reinigung eines Raums durchführt. In dem Raum des hier gezeigten Beispiels befindet sich beispielsweise ein Sofa 30, und der Raum ist in diesem Fall weiterhin mit vier Transpondern 31-34 für die Orientierung des Staubsaugers versehen. In diesem Beispiel liegen alle Transponder innerhalb des zu reinigenden Bereichs, es sollte aber festgehalten werden, dass ein Signalgeber sehr gut auch außerhalb des abgegrenzten Reinigungsbereichs angeordnet sein kann. Wenn der Staubsauger eine automatische Reinigung des Raums durchzuführen hat, startet er in traditioneller Weise, um ausgehend von dem Transponder 31 bzw. "Signalfeuer 0" unter Verfolgung der Wand entlang der den Raum begrenzenden Wände zuerst eine volle Runde um den Raum zu machen. Die Wand, die während einer Wandverfolgung verfolgt wird, wird die ganze Zeit mittels der Ultraschalleinrichtung registriert und wird so die ganze Zeit auf der linken Seite der Vorrichtung liegen, wenn die Vorrichtung eine Runde rechts herum macht. Zusätzlich werden die Transponder 31-34 mittels eines Systems registriert, in dem die Transponder aktiv sind und antworten, wenn die Transponder einen ausgesandten Ultraschallpuls von der Vorrichtung registriert haben. In der illustrierten Ausführungsform wird ein Schallpuls, alternativ ein durchgestimmter Puls (Chirp-Puls), alle 100 ms ausgesandt, während sich die Vorrichtung zur selben Zeit die Wand entlang bewegt. Es sollte angemerkt werden, dass es bei einer Ausführungsform, die ein Chirp-Signal verwendet, natürlich möglich ist, dieses so zu verlängern, dass anstelle von einzelnen Pulsen insgesamt ein kontinuierliches Signal erzeugt wird. In der Praxis der erläuternden Ausführungsform wird derselbe Ultraschallsender sowohl für die Nahbereichsorientierung als auch für die Kommunikation mit den Transpondern verwendet. Mittels der Antworten von den Transpondern und der Bewegung entlang der Wand baut der Mikroprozessor dann eine Art Bild des Raums auf, wobei die exakte Position der Transponder immer besser bestimmt wird, je länger sich die Vorrichtung während ihrer Orientierungsrunde bewegt, und zur selben Zeit führt die Vorrichtung eine Reinigungsfunktion längs des abgedeckten Wegs durch. Während dieser Runde wird das Sofa 30 in dem demonstrierten Beispiel ebenfalls durch das Ultraschallgerät registriert und in den erzeugten Plan des Raums eingetragen. Dieser Plan wird sukzessive weiter aufgefüllt, wenn in dem Raum staubgesaugt wird.
Nachdem eine Runde um den Raum abgeschlossen ist, ist der Staubsauger vorbereitet, um für sich selbst eine automatische Reinigung der verbleibenden Oberfläche des Raums durchzuführen, die in Fig. 5 illustriert ist. Der Mikroprozessor berechnet dann so ein Bewegungsmuster, dass die gesamte Oberfläche von der Vorrichtung erfasst wird und zur selben Zeit eine geeignete kleine Überlappung gegeben ist. Während dieser Betriebsfunktion wird das Gerät jetzt den "Bildplan" verwenden und die Bewegung der Vorrichtung durch Vergleich mit den Positionen der Transponder und mittels des zurückgelegten Wegs, der durch die Räder registriert wird, verifizieren. Durch getrennte Antriebsmotoren der Räder 12 und 13 und ihre Position kann die Vorrichtung in komfortabler Weise um ihren Symmetriepunkt verdreht werden, der dann der Mittelpunkt des Kreises ist, der die Umfangslinie des Gehäuses 11 ausbildet. Die Antriebsmotoren sind bei einer erläuternden Ausführungsform beispielsweise Schrittmotoren mit der Bezeichnung KH56HN2-501 von Japan Servo Co. Ltd..
Wenn sich die Vorrichtung bewegt, führt das Ultraschallsystem gleichzeitig eine Nahbereichserkennung innerhalb eines Bereichs von 0-40 cm durch, um mögliche Hindernisse zu detektieren, die aus irgendeinem Grund nicht in dem zuvor erzeugten Bildplan vermerkt sind und die von der Vorrichtung nicht überfahren werden können. Aufgrund der geringen Höhe der Vorrichtung kann sie beispielsweise auch unter einem Tisch oder einem Stuhl staubsaugen, wobei sie nur deren Beine zu umgehen hat. Wenn die Vorrichtung ein Hindernis registriert hat, biegt sie zuerst ab und setzt die Oberflächenreinigung von allen offenen Oberflächen fort. Anschließend wird das Reinigen um die Hindernisse ausgeführt, beispielweise indem eine volle Runde um das Hindernis gemacht wird, falls dies möglich ist, bevor mit dem nächsten Hindernis weitergemacht wird. Nach dem Abschluss der Reinigung kehrt der Roboter zum Aufladen in die Startposition zurück.
So wird durch dies allgemein beschriebene System ein Staubsauger oder "Staubroboter" erhalten, der für sich selbst von einem Startpunkt in einem Raum aus automatisch in der Lage ist, eine Staubsaugerreinigung des Raums durchzuführen, nachdem er einen Befehl hierfür erhalten hat. In der erläuternden Ausführungsform bildet das "Signalfeuer 0" einen Andockpunkt für das Gerät aus, wo es sich normalerweise in Ruhe befindet und wo es dann seinen eingebauten Akkumulator wieder aufladen kann und wohin es für zusätzliches Aufladen zurückkehren kann, falls die Vorrichtung von ihrer vorherigen Aufladung des Akkumulators her nicht in der Lage ist, eine Staubsaugerreinigung des gesamten Raums abzuschließen. Die Signalgeber 31-34 sind in diesem Fall zusätzlich von einem aktiven Typ, der eine eigene Energieversorgung hat, entweder mittels Batterien oder beispielsweise indem er an verfügbare Steckdosen angeschlossen ist, was in der beschriebenen Ausführungsform für den Andocktransponder 31 zutrifft, um Ladestrom für den Akkumulator zu erhalten. In den Fig. 4, 5, 6 und 8 ist der Transponder 34 typischerweise mittels einer Batterie selbstversorgend, während die Transponder 32 und 33 wie der Transponder 31 an verfügbare Steckdosen angeschlossen sind. Die Transponder 32 und 33 erinnern in ihrer Erscheinung an kleine Lampen, die manchmal in Steckdosen eingesetzt werden, um bei Dunkelheit ein Orientierungslicht zu erzeugen. Dabei können die Transponder bezüglich der Höhe über dem Boden im Prinzip frei angeordnet werden und der einzige, der notwendigerweise an einer Wand und am Boden liegen muss, ist der Start- und Andocktransponder 31. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist die Höhe eines Transponders jedoch beispielsweise auf 1 m über den Boden begrenzt, um die Strahlung von dem Ultraschallsender nach oben zu beschränken und dadurch die Anzahl von ungewünschten Reflektionen von oben, die zum allgemeinen Rauschuntergrund beitragen, zu reduzieren.
Hier ist als erläuternde Ausführungsform ein Staubsauger beschrieben worden, die Erfindung ist aber selbstverständlich auf jeden autonomen Roboter anwendbar, beispielsweise für jede andere Art von Reinigungsfunktion, wie beispielsweise Bodenpolieren.

Kurzbeschreibung der Orientierungsfunktion

Für die Orientierungsfunktion wird ein Orientierungsgerät POM (POsition Manager) verwendet, das zusätzlich eine Anzahl von Unterroutinen für den Mikroprozessor des Geräts umfasst, zum einen, um den Roboter jede 20. Millisekunde zu führen, und zum anderen für das Positionsbestimmen. Beim Start der Wandverfolgung ist die Position aller Transponder unbekannt außer derjenigen des Transponders 31, d. h. das "Signalfeuer 0" wird als Startpunkt für die Orientierung verwendet und bildet so den Ursprung in einem eigenen Koordinatensystem. In Fig. 6 ist eine Startposition gezeigt, in der ein Schallpuls von dem "Leuchtfeuer 3", d. h. dem Transponder 34, registriert wird. Der Zeitraum beispielsweise für einen Ultraschallpuls, um sich von einem Ultraschallsender 20 des Staubsaugers 10 bis zu dem Transponder 34 Auszubreiten, gibt ein Maß für die Entfernung bis zu dem Transponder an. Der Transponder bestätigt umgekehrt, dass er den Ultraschallpuls detektiert hat, indem er auf einer anderen Frequenz beispielsweise einen Lichtpuls oder einen Radiowellenpuls zu einem Empfänger an dem Staubsauger zurücksendet. Die Zeit, in der sich diese elektromagnetische Welle zurück ausbreitet, ist vergleichsweise vernachlässigbar, und von dem Zeitraum zwischen dem Aussenden des Pulses bis zum Detektieren durch den Transponder wird der Abstand d&sub1; zu dem Transponder abgeleitet. Es ist offensichtlich, dass der Transponder irgendwo entlang eines Kreisbogens angeordnet ist, der seinen Ursprung an dem Ultraschallsender 20 und einen Radius gleich d&sub1; hat.
Ein Verfahren des Positionsbestitwnens des Transponders erfolgt jetzt mittels des Hypothese-Verfahrens. Das Hypothese- Verfahren, das in Fig. 7 skizziert ist, bedeutet, dass für jeden Transponder eine Anzahl von beispielsweise vier parallelen Kalman-Filtern ausprobiert wird (eine komplette Beschreibung der Kalman-Gleichungen kann z. B. in A. Gelb: Applied Optimal Estimation", MIT Press, 1975, und H. Sorenson "Kalman Filtering: Theory and Application", IEEE Press, 1985, gefunden werden). Selbstverständlich können auch andere Typen von Filtern verwendet werden. So entspricht dies in Fig. 7 vier unterschiedlichen Hypothesen, von denen eine schrittweise ausgewählt wird. Wenn der Transponderabstand d1 erreicht wird, wird die Anfangsposition des Transponders in dem jeweiligen Filter mit (Xrobot + d&sub1;, yrobot), (Xrobot, yrobot + d&sub1;), (Xrobot, yrobot - d&sub1;) bzw. (xrobot - d&sub1;, Yrobot) bezeichnet. Falls kein Filter konvergiert, werden alle Hypothesen verworfen und das Verfahren wird wiederholt. Nach dem Auffinden einer "besten Abschätzung" wird dieser Wert in einem neuen Berechnungssatz verwendet, wo alle gesammelten Werte wiederverwendet werden, aber in umgekehrter Reihenfolge. Das dann erhaltene Ergebnis hat eine höhere Genauigkeit als das zunächst erhaltene.
Ein anderes Verfahren der Positionsbestimmung des Transponders kann durch geometrische Wegbestimmung durchgeführt werden. Dieses Verfahren ist sowohl in Fig. 7 als auch in Fig. 8 skizziert und arbeitet so, dass der Roboter sich so weit fortbewegt hat, dass zwei "Schenkel" s&sub1; und s&sub2; erzeugt werden können, die zusammen mit den Transponderabständen d&sub1;, d&sub2; und d&sub3; die Basis für eine trigonometrische Berechnung der Transponderposition bilden. Die Bahnbestimmung bildet dann vorzugsweise Anfangswerte für den Kalman-Filter. Um eine ausreichende Genauigkeit zu erhalten, erfordert das Verfahren, dass s&sub1; und s&sub2; lang genug sind und sich unter einem bestimmten Mindestwinkel schneiden. Dieses Verfahren ist teilweise weitschweifig, da alle gemessenen Transponderabstände zwischen den Positionen 1 und 2 gespeichert werden müssen (sie werden anschließend gefiltert, wenn die Initialwerte letztendlich bestimmt worden sind). Daneben können bestimmte Geometrien kombiniert mit einer ungünstigen Möblierung dazu fühlen, dass der Transponder nur zeitweise sichtbar ist, was dazu führen kann, dass zwei "Schenkel" niemals erzeugt werden.
Die Positionsbestimmung von einem Transponder 34 ist in Fig. 6 illustriert, wobei eine Sequenz für jeden Transponder, der detektiert wird, durchlaufen werden muss. Die prinzipiellen Elemente solch einer Sequenz sind beispielsweise wie folgt:
a) Der Roboter bewegt sich von dem Transponder 31 und erhält den Abstand zu dem Transponder 34. Die erste Messung d&sub1; wird am Punkt 1 erhalten.
b) Jetzt wird ein Filterprogramm in dem Mikroprozessor gestartet, in der Figur mit vier Kalman-Filtern (in der erläuternden Ausführungsform, in der Realität sind es zwölf). Die Initialposition aller Filter sind gleichmäßig über einen Kreisbogen mit dem Radius d&sub1; verteilt.
c) Jeder neue Abtastwert wird in den jeweiligen Filter eingegeben. In Fig. 4 werden die Filter parallel mit denselben Abtastdaten betrieben (Abtastwerte 1, 2, 3, ...).
d) Die Abtastwerte 1, 2, 3, ... (die Transponderabstände) werden zusammen mit der Roboterposition gespeichert. Diese werden später für ein wiederholtes Filtern der besten Hypothese verwendet werden.
e) Das Filtern geht weiter, bis ein Filter einerseits aufgebaut wurde (eine vorgegebene Genauigkeit erreicht hat) und andererseits konvergiert ist, das heißt, dass der Rest der Differenz zwischen dem erwarteten und gemessenen Transponderabstand unter einen vorgegebenen Wert fällt.
f) Das Ergebnis der besten Hypothese wird bezüglich seiner Wahrscheinlichkeit überprüft. Anschließend erfolgt ein erneutes Filtern mit den Ausgabedaten der besten Hypothese als Initialwerte des Transponders, was eine bessere Genauigkeit ergibt. Letztlich wird die Transponderposition an den Navigationsbereich (beispielsweise in Form eines Bildplans) übertragen und für die Positionsbestimmung des Roboters verwendet.
Wenn der Roboter eine volle Runde um den Raum abgeschlossen hat, sind die Positionen aller Transponder bei der erläuternden Ausführungsform mit einer guten Genauigkeit in einen "Bildplan" eingegeben, der durch die Wände des Raums begrenzt wird, und es sind auch sämtliche anderen Hindernisse eingegeben, die das Ultraschallsystem während dieses Rundgangs in dem Nahbereich entdeckt hat. Danach startet der Roboter seine Reinigungsfunktion, indem er in seinem Bildplan einem berechneten Muster folgt, um die gesamte Oberfläche des Raums abzudecken.
Dieses Bewegungsmuster folgt einer Bahn, die durch ein Bahnerzeugungsmodul erzeugt wird und in eine Anzahl von Segmenten unterteilt ist. Diese Segmente sind entweder gerade Linien oder Bögen. Beim Folgen der Bahn werden drei Koordinatensysteme verwendet:
- ein ortsfestes Raumkoordinatensystem, das den Raum abdeckt und dessen Ursprung an dem ersten Referenztransponder liegt,
- ein fahrzeugfestes Koordinatensystem, dessen Ursprung an dem Fahrzeugreferenzpunkt liegt, d. h. vorzugsweise in seinem Zentrum, und
- ein segmentfestes Koordinatensystem, das die Position des gefahrenen Segments im Raum angibt.
Alle bei der erläuternden Ausführungsform implementierten Berechnungen verwenden ganzzahlige Arithmetiken, wobei eine Skalierung gemäß der unten angegebenen Tabelle angewendet wird. Durch "Skalierung" ist der Wert des am wenigsten signifikanten Bits gemeint, während "Wortlänge" die Anzahl von Bits bedeutet, um die Größe wiederzugeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens und des Systems der vorliegenden Erfindung wird konsequent derselbe Ultraschallpuls für das Abtasten eines Nahbereichs vor dem Roboter mittels einer Anzahl von Empfangsmitteln verwendet, die am vorderen Gehäuse des Staubsaugers 10 verteilt sind, um den reflektierten Ultraschall zu empfangen. Jedes dieser Empfangsmittel arbeitet dann mit einem Zeitschlitz, der nach der Aussendung des Ultraschallpulses beispielsweise einem unmittelbaren Nahbereich entspricht und dazu dient, zusätzliche Hindernisse zu entdecken, die während der ersten Erkundungsrunde um den Raum nicht entdeckt wurden. Zusätzlich wird mindestens eines dieser Empfangsmittel verwendet, um während der ersten rechts herum verlaufenden Erkundungsrunde die Nähe der Wand auf der linken Seite zu kontrollieren. Wenn das Ultraschallradar ein Hindernis erkannt hat, für das die Gefahr eines Auftreffens besteht, senkt der Roboter der erläuternden Ausführungsform beispielsweise seine Geschwindigkeit von 0,4 m/s auf beispielsweise 0,1 m/s ab. Bei dieser Geschwindigkeit kann der mechanische Sensor 21 auf das Hindernis auftreffen und es ist immer noch genügend Zeit, den Roboter innerhalb der Nachgiebigkeitsdistanz des mechanischen Sensors zu stoppen.

Detaillierte Beschreibung des Nahbereichserkennungssystems

Das Nahbereichserkennungssystem ist bei der erläuternden bevorzugten Ausführungsform als ein Ultraschallradar aufgebaut, das ein Sendeelement und fünf Empfangsmittel in Form von Mikrofonelementen aufweist. Mit anderen Worten arbeitet das vorliegende Gerät im Gegensatz zu anderen Geräten, die mit verschiedenen mono-statischen nicht-kohärenten Erkennungssystemen gleichzeitig arbeiten, als ein kohärentes bistatisches Radar. Der Mikroprozessor bestimmt die Zeit für die Sendung eines Ultraschallpulses. Die Pulslänge wird durch den Signalprozessor bestimmt, der das Sendeelement für ein oder mehrere Zeiträume bei 35 kHz anregt. Der nächste Puls oder durchgestimmte Puls (Chirp-Signal) wird nach etwa 100 ms gesendet. Dieser Zeitraum entspricht einem vollständigen Ultraschallradarzyklus, was bedeutet, dass die Positionen von möglichen Targets berechnet und berichtet sein sollten, bevor der nächste Puls ausgesendet wird.
Die Mikrofonsignale werden jeweils nach Amplitudendemodulation des empfangenen Signals mit 40 kHz abgetastet. Die Anzahl von Abtastwerten pro Kanal wird auf 200 beschränkt. Dies entspricht dem Zeitraum von 5 ms oder einem akustischen Ausbreitungsweg von 170 cm, wenn die Schallgeschwindigkeit 340 m/s beträgt.
Die Detektion jedes Mikrofonsignals erfolgt separat. Der Zeitpunkt einer Detektion entspricht gemäß Fig. 9 der Ausbreitungszeit T1 + T2 von einem Sendeelement zu einem Mikrofon M über einen Reflektionspunkt R1, was somit dem Ausbreitungsweg entspricht. T1 entspricht der Ausbreitungszeit des Signals von dem Sender S bis zu dem Reflektionspunkt R1, und T2 der Ausbreitungszeit des Signals von dem Reflektionspunkt R1 bis zu dem Empfänger M. Diese Ausbreitungsgeometrie gleicht für jeden Kanal einer Ellipse mit dem Sender und dem Empfänger in den jeweiligen Mittelpunkten der Ellipse und dem Target auf der Ellipse, in Bezug auf die Position eines Transponders in voller Analogie zu Fig. 6. Bei unterschiedlichen Orten der Empfänger werden andere solche Ellipsen erhalten, die einander in dem Punkt R1 schneiden.
Um eine Richtung (x, y, z) zu einem detektierbaren Objekt hin zu festzustellen, werden mehrere Mikrofone verwendet. In Fig. 10 ist für die erläuternde Ausführungsform eine geeignete Geometrie der Anordnung des Sendeelements und der Mikrofonelemente auf dem mobilen Fahrzeug teilweise in einer Ansicht von oben und teilweise in einem Seitenaufriss demonstriert. Das Koordinatensystem der Figur ist dasjenige für die Berechnung der Targetpositionen. Die Targetposition wird mit einer x- und einer y-Koordinate an die Navigationsfunktion weitergegeben. Insgesamt können 200 Targets berichtet werden.
Der Algorithmus zur Targetdetektion schließt ein, dass die ansteigende Flanke bei dem empfangenen Signal detektiert wird. Ein Abtastwert wird mit einem Signalniveau verglichen, welches durch einen fließenden Grenzwert und einen festen Randwert ausgebildet wird. Wenn der Abtastwert dieses Detektionsniveau überschreitet, wird eine Detektion gemacht und der Grenzwert wird auf 1 gesetzt, anderenfalls auf 0. Der fließende Grenzwert ist eine Tiefpassfilterung des Signals.
Fig. 11 demonstriert ein Beispiel dafür, welches Erscheinungsbild das empfangene Signal für einen Kanal haben kann. Neben dem empfangenen Niveau, welches durch eine durchgezogene Linie eingezeichnet ist, zeigt die Figur mittels einer gepunkteten Linie auch das erzeugte Grenzwertniveau. Detektionen sind mit einer gestrichelten Linie markiert. Die erste Detektion rührt von einem direkten Weg von dem Sendeelement zu dem Mikrofonelement her, und die zweite Detektion rührt von einer Targetreflektion her. Der Grund für einen fließenden Grenzwert ist der Wunsch, das Detektieren von in dem Puls enthaltenen Schwankungen zu verhindern. Zusätzlich impliziert dieses Setzen eines Grenzwerts, dass Differenzen in den Amplitudenniveaus zwischen Kanälen solange bedeutungslos sind, wie sich die Variation der Amplitude über der Zeit in ähnlicher Weise verhält.
Wenn ein Abtastwert detektiert wird, wird auch der vorherige Abtastwert auf "eins" gesetzt. In Fig. 11 beispielsweise werden dann, wenn eine Detektion beim Abtastwert 63 gemacht wird, die Abtastwerte 62 und 63 auf "eins" gesetzt. Auf diese Weise entspricht eine Detektion zwei Abtastwerten, die die Positionsbestimmung robuster machen. Wenn letztlich ein Targetecho detektiert worden ist, muss das durchgezogene Signalniveau, das in Fig. 11 gezeigt ist, unter das gepunktete Grenzwertniveau fallen, bevor zusätzliche Detektionen erlaubt werden.
Nach der Detektion bestehen die Signalvektoren aus "Einsen" und "Nullen", wobei "Einsen" Detektionen entsprechen. Jede Detektion entspricht einem 'Zeitpunkt. Dieser Zeitpunkt entspricht gemäß Fig. 9 einer Position, die auf einer Ellipse liegt, welche den Sender S und den Empfänger M in den jeweiligen Mittelpunkten der Ellipse aufweist.
Durch Berechnen der Schnittpunkte der Ellipsen von den fünf Kanälen kann die Position eines Targets abgeschätzt werden. Diese Berechnung ist jedoch aufwändig. Die Positionsbestimmung kann auf einfachere Weise durchgeführt werden. Die Anforderung an das Ultraschallradar ist, dass es Targets innerhalb eines Bereichs vor und auf der Seite des Roboters detektieren und ihre Position bestimmen sollte. Dieser Bereich wird durch Grenzen in der x- und y-Richtung definiert und angezeigt.
In den Fig. 12a und 12b ist eine Bereichsaufteilung der erläuternden bevorzugten Ausführungsform gezeigt, die einen Vorderbereich und einen linken und einen rechten Seitenbereich aufweist. Jeder dieser Bereiche ist dann in Punkte eines rechteckigen Schirm von möglichen Targetposition aufgeteilt. In dem Programmcode ist die Entfernung zwischen diesen Punkten gegeben. Die Auflösung des Schirms wird willkürlich in der x- und der y-Richtung gleich groß gewählt. Bei all diesen Punkten wird eine Entscheidung gefällt, ob ein Target existiert oder nicht. In derselben Weise, wie die Erstreckung des Vorderbereichs in Fig. 12a durch vier Geraden festgelegt ist, werden die Erstreckungen der Seitenbereiche in Fig. 12b ebenfalls durch vier Geraden festgelegt. Um die Betriebsweise des Algorithmus zu demonstrieren, demonstriert Fig. 13 einen der Schirmpunkte gemäß Fig. 12a.
Fig. 13 zeigt das Erscheinungsbild der Geometrie, wie sie beispielsweise für den Schirmpunkt x3, y3 gesehen wird. Bei dieser Basisüberlegung wird angenommen, dass ein gedachtes Target ein Zylinder ist, was dazu führt, dass immer eine Reflektion erwartet wird. Für andere Targetgeometrien ist zu erwarten, dass es ein Risiko gibt, dass eine reflektierte longitudinale Wellenfront nicht immer zu dem Empfänger zurückkehrt, beispielsweise durch Auslöschung zwischen gleichzeitig reflektierten Wellen von zwei Oberflächen des Objekts. Die Position des ausgewählten Punkts ist bekannt, was dazu führt, dass in Fig. 13 der Abstand Rs zu dem Sender berechnet wird. Die Positionen der Mikrofone sind alle bekannt und werden in den Programmcode als Konstanten eingegeben, was impliziert, dass R1-R5 berechnet werden können, wenn dies erwünscht ist. Durch Addieren von Rs zu R1-R5 werden fünf Entfernungen erhalten.
Um die korrekte Abtastwertnummer zu erhalten, muss der Abstand aufgrund von Differenzen in der Höhe zwischen Sender und Empfänger kompensiert werden, wozu Fig. 14 ein Beispiel einer Geometrie demonstriert.
Der tatsächliche Ausbreitungsweg R' ist durch die Formel gegeben:
, wobei R' der tatsächliche Ausbreitungsweg einschließlich der Höhenkompensation ist, h die Höhe zwischen dem Sendeelement und dem Mikrofonelement ist und R gleich Rs + Rm ist, wobei m = 1, 2, 3, 4, 5.
Der obige Ausdruck wird in der Implementation gemäß etablierter Technik durch ein Polynom zweiter Ordnung angenähert, ein Polynom für jeden Kanal. Jeder Abstand entspricht einer Abtastwertnummer in einem der Signalvektoren, die nach der Detektion gespeichert werden. Der Ausbreitungsweg wird durch die Formel
Ns =R'/Vfs
in eine Abtastwertnummer für das aktuelle Mikrofon umgewandelt, wobei Ns die Abtastwertnummer ist, R' der geometrische Abstand ist, v die Schallgeschwindigkeit ist und fs die Abtastfrequenz ist.
Es muss auch eine Kompensation von Verzögerungen in den Empfängerkanälen berücksichtigt werden: N = Ns + Nd, wobei N der reale Abtastwert ist, Ns der berechnete Abtastwert ist und Nd die gemessene Verzögerung ist.
Als Bedingung dafür, ob eine Zelle ein Target enthält oder nicht, wird festgelegt, wie viele der beobachteten Kanäle eine Detektion genau für den Abtastwert enthalten müssen, der der betrachteten Zelle entspricht. Die Anzahl der Mikrofone, die in dem Beispiel betrachtet wird, ist zwischen 1 und 5 wählbar, und sie wird von der Navigationsfunktion ausgewählt.
Der Algorithmus schreitet zu dem nächsten Berechnungspunkt fort, wenn die Bedingung erfüllt ist (Target detektiert) oder sobald er herausgefunden hat, dass die Bedingung nicht erfüllt werden kann (Target nicht detektiert). Nachdem die Vorwärtsrichtung untersucht worden ist, in dem Beispiel mit maximal fünf Mikrofonen, wird der Seitenbereich unter Verwendung von maximal drei Mikrofonen untersucht.
Zur Berechnung der Abtastwertnummer, wie oben, wird die Geometrie ausgenutzt, die zwischen der rechten und der linken Halbebene vorliegt. Es ist ausreichend, die Abtastwertnummer für die linke Halbebene zu berechnen, da die rechte Halbebene dieselbe Abtastwertnummer für eine entsprechende Zelle und ein entsprechendes Mikrofon ergibt.
Die Targetpositionen werden gespeichert und auf Anfrage an die Navigationsfunktion übertragen.
Um es dem Radaralgorithmus zu ermöglichen, relevante Daten zu erzeugen, muss einer Anzahl von Konstanten ein Wert gegeben werden" d. h. die laufende Subroutine für den Mikroprozessor des Roboters muss initialisiert werden. Die folgenden Angabedaten müssen vorliegen, wenn der Radaralgorithmus seinen Betrieb starten soll:
- Die Mikrofonpositionen in Relation zu dem Sender, von dem angenommen wird, dass er in dem Ursprung (0, 0, 0) sitzt (nicht notwendigerweise der Ursprung des Roboters). Die z- Koordinaten der Mikrofonpositionen werden als ein Korrekturpolynom in der Berechnung der Abtastwertnummer berücksichtigt.
- Welcher Bereich wird betrachtet?
- Auflösung des betrachteten Bereichs.
- Gemessene Zeitverzögerung.
- Umwandlung von Abstand in Abtastwert.
Gemessene Daten:
- Abtastwertvektor von den verfügbaren Kanälen (beispielsweise 5).
Die folgenden Parameter werden von der Navigationsfunktion kontrolliert:
- Die Anzahl der verwendeten Mikrofone, die bei der Nahbereichserkennung in der Vorwärtsrichtung verwendet werden (in dem Beispiel maximal 5).
- Anforderung an die niedrigste Anzahl von Kanälen, die eine Detektion für die aktuelle Zelle in der Vorwärtsrichtung enthalten müssen.
- Randwert für die Detektion.
- Anzahl von Mikrofonen, die für die Nahbereichserkennung der Seitenbereiche verwendet werden.
- Anforderung an die kleinste Anzahl von Kanälen, die eine Detektion für die aktuelle Zelle in dem Seitenbereich enthalten müssen.
Die folgenden Ausgabedaten werden erhalten:
- Targetposition in Koordinaten x, y und z. Maximal 200 Targets werden von einem durchgestimmten Puls berichtet werden (begrenzt durch die Leistungsfähigkeit des Signalprozessors). Der Übertrag findet nach der Initialisierung der Navigationsfunktion statt.
Gemäß der Erfindung wird durch das bevorzugte Anordnen der Mikrofone in einer geneigten Ebene oder entlang einer in geeigneter Weise gekrümmten Basislinie durch Vergleich der Ausbreitungswege auch eine Information über die Höhe des Targets erhalten, da die Wege, die von allen Mikrofonen, die ein Echo von dem betroffenen Target anzeigen, gemessen werden, mit der abgeschätzten Position des Targets übereinstimmen müssen. Die gekrümmte Basislinie der erläuternden Ausführungsform wird in einer natürlichen Weise durch die Kreisform des Roboters festgelegt. Selbstverständlich kann die Oberfläche, die die Mikrofone enthält, zur selben Zeit auch geneigt ausgebildet sein. So wird durch Einführen einer Höhe für das Target und durch Korrigieren der Ausbreitungswege hieraufhin eine Höhe erhalten, für die alle an jedem Empfängermittel oder Mikrofon gemessenen Abstände zutreffen, wodurch neben dem Abstand zu dem Target so auch eine Idee erhalten wird, ob das Target oberhalb der Oberfläche liegt, die von dem Roboter überfahren wird. Die Höhenauflösung wird weiterhin dadurch verbessert, dass mindestens ein Empfangsmittel auf unterschiedlicher Höhe zu dem Rest angeordnet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform sind beispielsweise die Mikrofone 1 und 5 (Fig. 13) jeweils höher angeordnet als der Rest der Mikrofone 2, 3 und 4.
In der erläuternden Ausführungsform "sieht" das Nahbereichserkennungsgerät Hindernisse innerhalb ungefähr 200 eines vorwärtsgerichteten Kreisbogenabschnitts mit einem Radius von 40 cm, für den die Nahbereichserkennung einer Empfangszeit von 3 ms nach dem gesendeten Schallpuls entspricht. Dies impliziert weiterhin, dass das Prozessorsystem weitere 97 ms zum Verarbeiten und Interpretieren und Speichern von Daten hat, bevor der nächste Ultraschallpuls gesendet wird. Zusätzlich warten die zuvor erwähnten Transponder auch einen gewissen Zeitraum, bevor sie ihre Antwort beispielsweise mittels eines IR-Signals aussenden, weshalb das Prozessorsystem ungefähr 40 ms nach einem Ultraschallpuls für die weitere Verarbeitung von Daten für das Nahbereichserkennungssystem verwenden kann, bevor Signale von den Transpondern beginnen einzutreffen. Mit anderen Worten werden die Antworten von den Transpondern ein Empfangsmittel für die Signalfrequenz zwischen 40 und 95 ms erreichen, nachdem ein ausgesendeter Schallpuls von einem Transponder detektiert wird. Das Empfängermittel für diesen Zweck ist bei der erläuternden Ausführungsform oben auf dem Ultraschallradarsendeelement 20 (Fig. 1) angeordnet. Die Aufläsung des Nahbereichserkennungsabstands zu einem Objekt hat mittels des Algorithmus, der für Ultraschall verwendet wird, das Ziel, besser als 5 mm zu sein.
Zusätzlich ist das Nahbereichserkennungsgerät mit einem Absorber oder Schirm über mindestens einem Empfangsmittel in der Reihe der Empfangsmittel versehen, wodurch der Absorber oder Schirm ungewünschte Reflektionen von oben und/oder von der Seite dämpft und als eine Augenbraue über dem Empfangsmittel wirkt. Dieser Absorber oder Schirm ist bei der erläuternden Ausführungsform einfach eine kleine Platte, die über dem Empfangsmittel angeordnet ist, um seine Sicht in Aufwärtsrichtung zu begrenzen. Ob diese Platte als ein Absorber oder ein Schirm arbeitet, wird primär eine Funktion des Materials sein, aus dem die Platte hergestellt ist. Dieses Gerät ist wesentlich, wenn der Roboter beispielsweise unter einem Möbelstück hindurchtritt, dessen Höhe es dem Roboter exakt erlaubt, unter dem Möbelstück hindurchzukommen, wobei Echos in der unmittelbaren Nachbarschaft des Roboters auftreten werden, und wobei diese Echos anderenfalls schwer exakt einer Position zuzuordnen wären. Gemäß dem, was schon erwähnt wurde, senkt der Roboter seine Geschwindigkeit, wenn er Objekte entdeckt, die ein Risiko einer Kollision bedeuten. In diesem Fall ist es aber mangels Echos, die innerhalb des kritischen Bereichs vorliegen, nicht absolut notwendig, eine Geschwindigkeitsabsenkung durchzuführen. Weil sich beim Empfänger, der mit einer Augenbraue versehen ist, ein anderes Echoerscheinungsbild ergibt, ist der Prozessor dann in der Lage, zu entscheiden, dass die Echos von einer Oberfläche oberhalb des Roboters kommen, während die normale Höhenauflösung primär für Echos arbeitet, die aus einem Sektor vor dem Roboter kommen.
Um die Nahbereichserkennung weiter zu verbessern, sind ihre Empfängermittel mit einer Signaldämpfungsmöglichkeit versehen, beispielsweise -20 dB, die angeschaltet wird, wenn Echos von sehr nahe positionierten Targets so stark werden, dass die Empfangsmittel Gefahr laufen, gesättigt zu werden.

Claims

1. Nahbereichserkennungsverfahren für ein autonomes Gerät (10), das mit Rädern und einem Motor ausgestattet ist und daneben Mittel zum Ausführen einer spezifischen Funktion aufweist, wobei das Gerät Mittel zur Nahbereichsorientierung und Führung des Geräts in Form eines Mikroprozessorsystems und eines Nahbereichserkennungssystems umfasst, das mindestens ein Sendemittel (20) und ein Empfangsmittel umfasst, wobei eine akustische Welle von dem Sendemittel des Erkennungssystems ausgesendet wird, wobei mittels des Mikroprozessorsystems während eines vorgegebenen Zeitschlitzes, der einem bestimmten Nahbereichsbereich entspricht, über eine Mehrzahl von Empfangsmitteln (1 bis 5), die geeignet sind, mit Signalschnittstellen versehen zu werden, um den Mikroprozessor mit digitalen Signalen zu versorgen, Rückstreuungen der akustischen Welle detektiert werden, wobei die akustische Welle in einen kontinuierlichen Sektor in die normale Fahrtrichtung des Geräts hinein gesendet wird, wobei die Empfangsmittel (1 bis 5) in einer schiefen Ebene oder vorzugsweise entlang einer gekrümmten Basislinie angeordnet sind und wobei in dem Mikroprozessorsystem eine Orientierungsbasis innerhalb des Nahbereichsbereichs erzeugt wird, um sie kontinuierlich bei den zusätzlichen automatischen Bewegungen des Geräts zu verwenden, das Führung durch digitale Verarbeitung der rückgestreuten Antworten auf dieser Wellenfrequenz innerhalb der vorgegebenen Zeitschlitzes erhält, gekennzeichnet durch die Schritte des Ausbildens eine kohärenten bi-statischen Systems zum Erkennen eines Hindernisses in der Fahrtrichtung des Geräts; Erhaltens einer dreidimensionalen Richtung zu einem Hindernis, das die akustische Welle zurückstreut, um die Orientierungsbasis innerhalb des Nahbereichsbereichs zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt des Anordnens mindestens einiger der Empfangsmittel entlang der gekrümmten Basislinie auf unterschiedlicher Höhe in Bezug auf die restlichen Empfangsmittel, um die dreidimensionale Auflösung zu verbessern.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt des Ausstattens des autonomen Geräts mit einem Absorber oberhalb mindestens eines Empfangsmittels in der Reihe der Empfangsmittel, um ungewünschte Rückstreuungen von oberhalb und/oder von der Seite zu dämpfen, wobei der Absorber als Augenbraue oberhalb der Empfangsmittel wirkt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt des Ausrüstens des autonomen Geräts mit einem Schirm oberhalb mindestens eines Empfangsmittels in der Reihe der Empfangsmittel, um ungewünschte Reflektionen von oberhalb und/oder von der Seite zu dämpfen, wobei der Schirm als Augenbraue oberhalb des Empfangsmittels wirkt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Welle eine longitudinale akustische Welle ist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Welle eine akustische Welle mit einer Frequenz im Ultraschallfrequenzbereich ist.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Welle, die ausgesendet wird, um Hindernisse in der Nähe des Geräts zu erkennen, von einem kurzen, regelmäßig wiederholten Puls oder alternativ einem wiedergeholten Chirp-Puls ausgebildet wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ganz äußeren Empfangsmittel auf jeder Seite der Reihe der Empfangsmittel entlang der gekrümmten Basislinie auf unterschiedlicher Höhe in Bezug auf die restlichen Empfangsmittel des Empfangssystems angeordnet sind.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsmittel entlang der gekrümmten Basislinie Mikrofonelemente aufweisen, die an die Frequenz der akustischen Welle angepasst sind.

10. Nahbereichserkennungssystem für ein autonomes Gerät (10), das mit Rädern und einem Motor ausgestattet ist und daneben Mittel zum Ausführen spezifischer Funktionen aufweist, wobei das Gerät Mittel für die Nahbereichsorientierung und Führung des Geräts in Form eines Mikroprozessorsystems und eines Nahbereichserkennungssystems umfasst, das mindestens ein Sendemittel (20 und ein Empfangsmittel umfasst, wobei eine akustische Welle von dem. Sendemittel des Erkennungssystems ausgesendet wird, wobei mittels des Mikroprozessorsystems während eines vorgegebenen Zeitschlitzes, der einem bestimmten Nahbereichsbereich entspricht, über eine Mehrzahl von Empfangsmitteln (1 bis 5), die geeignet sind, mit Signalschnittstellen ausgestattet zu werden, um den Mikroprozessor mit digitalen Signalen zu versorgen, Rückstreuungen der akustischen Welle detektiert werden, wobei die akustische Welle in einen kontinuierlichen Sektor in einer normalen Fahrtrichtung des Geräts hinein ausgesendet wird, wobei die Empfangsmittel in einer schiefen Ebene oder vorzugsweise entlang einer gekrümmten Basislinie angeordnet sind und wobei in dem Mikroprozessorsystem eine Orientierungsbasis innerhalb des Nahbereichsbereichs erzeugt wird, um sie kontinuierlich bei den zusätzlichen automatischen Bewegungen des Geräts zu verwenden, das Führung durch digitale Verarbeitung der rückgestreuten Antworten auf dieser Wellenfrequenz innerhalb der vorgegebenen Zeitschlitzes erhält, dadurch gekennzeichnet, dass

ein kohärentes bi statisches System ausgebildet ist, um ein Hindernis in der Fahrtrichtung des Geräts zu erkennen;

eine dreidimensionale Richtung zu einem Hindernis, das die akustische Welle zurückstreut, erhalten wird, um die Orientierungsbasis innerhalb des Nahbereichsbereichs zu erzeugen.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens einige der Empfangsmittel (1 bis 5) entlang der gekrümmten Basislinie auf unterschiedlicher Höhe in Bezug auf die restlichen Empfangsmittel angeordnet sind, um die dreidimensionale Auflösung zu verbessern.

12. System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das autonome Gerät mit einem Absorber oberhalb mindestens eines Empfangsmittels in der Reihe der Empfangsmittel (1 bis 5) ausgestattet ist, wobei der Absorber unerwünschte Rückstreuungen von oberhalb und/oder von der Seite dämpft und dann in derselben Weise wie eine Augenbraue oberhalb des Empfangsmittels wirkt.

13. System nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das autonome Gerät mit einem Schirm oberhalb mindestens eines Empfangsmittels in der Reihe der Empfangsmittel (1 bis 5) ausgestattet ist, wobei der Absorber unerwünschte Rückstreuungen von oberhalb und/oder von der Seite dämpft und dann in derselben Weise wie eine Augenbraue oberhalb des Empfangsmittels wirkt.

14. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsmittel (1, 5), die ganz außen auf jeder Seite der Reihe der Empfangsmittel entlang der gekrümmten Basislinie sind, auf unterschiedlicher Höhe in Bezug auf die restlichen Empfangsmittel des Empfangssystems angeordnet sind.

15. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Welle eine longitudinale akustische Welle ausbildet.

16. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Welle eine Frequenz im Ultraschallfrequenzbereich hat.

17. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Welle, die ausgesandt wird, um Hindernisse in der Nähe des Geräts zu erkennen, einen kurzen, regelmäßig wiederholten Puls oder alternativ einen wiederholten Chirp-Puls aufweist.

18. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsmittel entlang der gekrümmten Basislinie Mikrofonelemente aufweisen, die an die Frequenz der akustischen Welle angepasst sind.