DE102008046348B4 - Method, device and a corresponding computer program product for computer-aided path planning of a movable device, in particular a medical device - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur rechnergestützten Bahnplanung eines bewegbaren Geräts (1), insbesondere eines medizinischen Geräts, in einem Raumbereich (R), wobei die Bahnplanung vor dem Betrieb des bewegbaren Geräts erfolgt, bei dem: – der Raumbereich (R) durch ein oder mehrere Aktivitätsvolumina charakterisiert wird, welche jeweils die räumliche Ausdehnung zumindest eines Teils des Raumbereichs (R) und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von einem oder mehreren Objekttypen in dem zumindest einen Teil des Raumbereichs (R) umfassen; – ein oder mehrere Gruppen von Bahnen des bewegbaren Geräts (1) im Raumbereich (R) vorgegeben sind, wobei eine jeweilige Bahn durch eine Mehrzahl von Transversalvolumina (V1, ..., V10) beschrieben wird, wobei ein Transversalvolumen (V1, ..., V10) zu einem jeweiligen Zeitpunkt der Bewegung des Geräts (1) auf der Bahn das Volumen umfasst, welches das Gerät (1) ab dem jeweiligen Zeitpunkt in einem Zeitraum eines Anhalte- und/oder Ausweichmanövers neu durchqueren wird; – für eine jeweilige Bahn eine Mehrzahl von Risikovolumina ermittelt wird, wobei ein Risikovolumen die räumliche Ausdehnung des Schnitts zwischen einem jeweiligen Aktivitätsvolumen und einem jeweiligen Transversalvolumen (V1, ..., V10) der Bahn sowie die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von einem oder mehreren Objekttypen gemäß dem jeweiligen Aktivitätsvolumen umfasst; – in Abhängigkeit von den Risikovolumina der jeweiligen Bahnen aus jeder Gruppe von Bahnen ein Gesamtrisiko einer Kollision des Geräts (1) mit Objekten im Raumbereich (R) ermittelt wird und mit Hilfe eines Optimierungsverfahren ein gemäß einem oder mehreren Zielen optimaler Satz von Bahnen umfassend jeweils eine Bahn aus jeder Gruppe von Bahnen bestimmt wird, wobei zumindest eines der Ziele ein minimales Gesamtrisiko der entsprechenden Bahn in Bezug auf eine Kollision des bewegten Geräts mit Objekten im Raumbereich ist; und; das Optimierungsverfahren Parameter einer Sensoranordnung umfassend einen oder mehreren Sensoren (7, 8, ..., 12) im Raumbereich (R) berücksichtigt, wodurch das Optimierungsverfahren die Parameter einer im Hinblick auf das oder die Ziele optimalen Sensoranordnung ausgibt.A method for computer-aided path planning of a movable device (1), in particular a medical device, in a space area (R), wherein the path planning takes place prior to the operation of the movable device, wherein: - the space area (R) is characterized by one or more activity volumes each comprising the spatial extent of at least a portion of the space area (R) and the probability of occurrence of one or more object types in the at least a portion of the space area (R); - One or more groups of tracks of the movable device (1) in the space area (R) are given, wherein a respective track by a plurality of transverse volumes (V1, ..., V10) is described, wherein a transverse volume (V1, .. ., V10) at a particular time of movement of the device (1) on the web comprises the volume which the device (1) will traverse anew from the respective point in time during a stopping and / or avoiding maneuver; A plurality of risk volumes is determined for a respective trajectory, wherein a risk volume is the spatial extent of the intersection between a respective activity volume and a respective transverse volume (V1,..., V10) of the trajectory and the probability of occurrence of one or more object types in accordance with the activity volume involved; Depending on the risk volumes of the respective lanes from each group of lanes, an overall risk of a collision of the device (1) with objects in the spatial area (R) is determined and with the aid of an optimization method an optimal set of lanes comprising one or more targets Web is determined from each group of webs, wherein at least one of the targets is a minimum overall risk of the corresponding web with respect to a collision of the moving device with objects in the space region; and; the optimization method takes account of parameters of a sensor arrangement comprising one or more sensors (7, 8,..., 12) in the spatial area (R), whereby the optimization method outputs the parameters of an optimal sensor arrangement with regard to the one or more targets.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Bahnplanung eines bewegbaren Geräts, insbesondere eines medizinischen Geräts, in einem Raumbereich. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und ein entsprechendes bewegbares Gerät.The invention relates to a method for computer-aided path planning of a movable device, in particular a medical device, in a spatial area. Furthermore, the invention relates to a corresponding computer program product and a corresponding movable device.
In einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten werden Geräte automatisch bzw. teilautomatisch zur Ausführung bestimmter Aufgaben bewegt. Zum Beispiel werden im Bereich der Medizintechnik zur Diagnostik bzw. Therapie – gesteuert durch einen Bediener und teils automatisch – Bewegungen von medizinischen Geräten durchgeführt, wobei die Bedeutung von automatisch ausgeführten Bewegungen immer größer wird. Es tritt hierbei das Problem auf, dass Kollisionen des sich bewegenden Geräts mit anderen Gegenständen und Personen auftreten können. Bei sich bewegenden medizinischen Geräten kommt erschwerend hinzu, dass die Umgebungen, in denen die Geräte eingesetzt werden, oftmals eine hohe Dynamik und beengte Raumverhältnisse aufweisen.In a variety of technical applications, devices are automatically or semi-automatically moved to perform certain tasks. For example, in the field of medical technology for diagnosis or therapy - controlled by an operator and partly automatically - movements of medical devices are carried out, whereby the importance of automatically executed movements is always greater. The problem is that collisions of the moving device with other objects and persons may occur. In the case of moving medical devices, it is aggravating that the environments in which the devices are used often have high dynamics and limited space.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Bewegung eines medizinischen Geräts durch Videokameras zu überwachen, um hierdurch Kollisionsgefahren zu erkennen und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Bei entsprechend hoher Dynamik der überwachten Bewegung kann es dabei relativ oft zu auftretenden Kollisionsgefahren kommen, welche wiederum zu einer Unterbrechung des Betriebs des Geräts, beispielsweise aufgrund eines Brems- oder Ausweichmanövers des Geräts, führen. Es ist deshalb wünschenswert, bereits vor dem Betrieb des Geräts die Bewegung des Geräts rechnergestützt geeignet zu planen, um Betriebsunterbrechungen zu vermeiden.From the prior art, it is known to monitor the movement of a medical device by video cameras, thereby detecting collision hazards and initiate appropriate countermeasures. With a correspondingly high dynamics of the monitored movement, collision risks that occur relatively frequently can occur, which in turn lead to an interruption of the operation of the device, for example due to a braking or avoidance maneuver of the device. It is therefore desirable, even before the operation of the device, to plan the movement of the device in a computer-aided manner in order to avoid interruptions in operation.
Der Artikel „IEEE Transaction an Robotics and Automation”, Vol. 14, Nr. 6, 6. Dezember 1998, Seiten 912 bis 925, offenbart ein Verfahren zur Planung der Bewegung einer Mehrzahl von Robotern, wobei Kollisionen zwischen den Bahnen der Roboter basierend auf der Optimierung eines Funktionals vermieden werden.The article "IEEE Transaction on Robotics and Automation", Vol. 14, No. 6, December 6, 1998, pages 912 to 925, discloses a method for planning the movement of a plurality of robots, wherein collisions between the paths of the robots based on the optimization of a functional can be avoided.
In dem Dokument
In der Druckschrift „it+ti-Informationstechnik und Technische Informatik”, 42 (2000) 1, Seiten 16 bis 23, ist ein Navigationssystem eines autonomen Roboterfahrzeugs offenbart, bei dem Hindernisse in der Umgebung des Fahrzeugs detektiert werden und diesen Hindernissen in geeigneter Weise ausgewichen wird.In the publication "IT + IT Information Technology and Technical Informatics", 42 (2000) 1, pages 16 to 23, a navigation system of an autonomous robotic vehicle is disclosed in which obstacles in the vicinity of the vehicle are detected and avoided these obstacles in a suitable manner becomes.
Das Dokument
In dem Dokument
In dem Artikel „IEEE Transaction an Robotics and Automation”, Vol. 18, Nr. 3, Juni 2002, Seiten 393 bis 398, wird ein Verfahren zur Kollisionsvermeidung und Bewegungsplanung unter der Verwendung einer minimalen Translations-Distanz beschrieben.The article "IEEE Transaction on Robotics and Automation", Vol. 18, No. 3, June 2002, pages 393 to 398, describes a method for collision avoidance and motion planning using a minimum translation distance.
Das Dokument „Proceedings of the 30th Conference an Decision and Control”, Dezember 1991, Seiten 698–703, offenbart die Steuerung eines mobilen Roboters zwischen bewegbaren Objekten, wobei zur Bewegungsschätzung der bewegbaren Objekte ein Kalman-Filter eingesetzt wird.The document "Proceedings of the 30th Conference on Decision and Control", December 1991, pages 698-703, discloses the control of a mobile robot between movable objects using a Kalman filter to estimate the motion of the mobile objects.
In der Druckschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bewegung eines bewegbaren Geräts rechnergestützt derart zu planen, dass Kollisionen mit anderen Objekten gering gehalten werden.The invention is based on the object of planning the movement of a movable device in a computer-aided manner in such a way that collisions with other objects are kept low.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 oder das Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 17 oder das bewegbare Gerät gemäß Patentanspruch 18 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. This object is achieved by the method according to
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine vor einem Betrieb des bewegbaren Geräts eine rechnergestützten Bahnplanung durchgeführt, wobei der Raumbereich, in dem sich das Gerät bewegen kann, durch ein oder mehrere Aktivitätsvolumina charakterisiert wird, welche jeweils die räumliche Ausdehnung zumindest eines Teils des Raumbereichs und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von einem oder mehreren Objekttypen in dem zumindest einen Teil des Raumbereich umfassen. Ferner sind ein oder mehrere Gruppen von Bahnen des bewegbaren Geräts im Raumbereich vorgegeben, wobei eine jeweilige Bahn durch eine Mehrzahl von Transversalvolumina beschrieben wird.In the method according to the invention, a computer-aided path planning is carried out prior to operation of the movable device, wherein the spatial area in which the device can move is characterized by one or more activity volumes, each of which is the spatial extent of at least a portion of the spatial area and the probability the occurrence of one or more object types in the at least one part of the space area. Furthermore, one or more groups of webs of the movable device are predetermined in space, with a respective web being described by a plurality of transversal volumes.
Ein Transversalvolumen umfasst dabei zu einem jeweiligen Zeitpunkt der Bewegung des Geräts auf der Bahn das Volumen, welches das Gerät ab dem jeweiligen Zeitpunkt in einem Zeitraum eines Anhalte- und/oder Ausweichmanövers neu durchqueren wird.In this case, a transversal volume encompasses the volume at a particular point in time of the movement of the device on the track, which volume will be traversed anew by the device from the respective time point in a period of a stop and / or avoidance maneuver.
Erfindungsgemäß wird für eine jeweilige Bahn aus der oder den Gruppen von Bahnen eine Mehrzahl von Risikovolumina ermittelt, wobei ein Risikovolumen durch die räumliche Ausdehnung des Schnitts zwischen einem jeweiligen Aktivitätsvolumen und einem jeweiligen Transversalvolumen beschrieben ist. Es existieren somit für ein jeweiliges Transversalvolumen so viele Risikovolumina, wie es Aktivitätsvolumina gibt, welche sich mit dem Transversalvolumen überschneiden. Ein Risikovolumen wird ferner charakterisiert durch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von einem oder mehreren Objekttypen gemäß dem jeweiligen Aktivitätsvolumen. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens kann dabei mehrere Wahrscheinlichkeiten in Abhängigkeit von den einzelnen Objekttypen umfassen.According to the invention, a plurality of risk volumes is determined for the respective lane from the one or more groups of lanes, wherein a risk volume is described by the spatial extent of the cut between a respective activity volume and a respective transverse volume. Thus, there are as many risk volumes for a respective transverse volume as there are activity volumes which overlap with the transversal volume. A risk volume is further characterized by the probability of occurrence of one or more object types according to the respective activity volume. The probability of occurrence can include several probabilities depending on the individual object types.
Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit von den Risikovolumina der jeweiligen Bahnen aus jeder Gruppe von Bahnen ein Gesamtrisiko einer Kollision des Geräts mit Objekten im Raumbereich ermittelt, wobei die jeweiligen Bahnen einer Gruppe vorzugsweise parametrisch beschrieben werden. Das heißt, für jede Bahngruppe existiert eine Parameterbeschreibung, durch welche eine Vielzahl von Bahnen durch unterschiedliche Wahl der Parameter charakterisiert wird. Das Gesamtrisiko einer Kollision repräsentiert ein Maß für die Gefahr einer Kollision bei Bewegungen des Geräts entlang der jeweiligen Bahnen aus jeder Gruppe von Bahnen. Mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens wird ein gemäß einem oder mehreren Zielen optimaler Satz von Bahnen umfassend jeweils eine Bahn aus jeder Gruppe von Bahnen bestimmt, wobei zumindest eines der Ziele ein minimales Gesamtrisiko der entsprechenden Bahn in Bezug auf eine Kollision des bewegten Geräts mit Objekten im Raumbereich ist.According to the invention, depending on the risk volumes of the respective webs from each group of webs, an overall risk of a collision of the device with objects in the spatial area is determined, wherein the respective webs of a group are preferably described parametrically. That is, for each lane group exists a parameter description by which a plurality of lanes are characterized by different choice of parameters. The overall risk of a collision represents a measure of the risk of collision as the device moves along the respective lanes of each group of lanes. With the aid of an optimization method, an optimal set of lanes is determined according to one or more targets comprising one lane from each group of lanes, wherein at least one of the targets is a minimum overall risk of the corresponding lane with respect to a collision of the moving device with objects in the region of space ,
Erfindungsgemäß wird durch eine geeignete Definition von Risikovolumina über Transversalvolumina und Aktivitätsvolumina eine Parametrisierung des Risikos erreicht, wobei basierend auf dieser Parametrisierung mit an sich bekannten Optimierungsverfahren ein Satz von Bahnen mit einem möglichst geringen Kollisionsrisiko bestimmt werden kann. Somit können vor dem eigentlichen Betrieb des Geräts geeignete Bahnen für unterschiedliche Bahngruppen bestimmt werden, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform jede Bahngruppe eine durch das Gerät durchzuführende Funktion bzw. Aufgabe charakterisiert, beispielsweise bestimmte diagnostische Bewegungen bzw. Transferfahrten eines medizinischen Geräts. Vorzugsweise wird dabei in dem Gesamtrisiko die relative Häufigkeit der Verwendung von Bahnen aus den Gruppen von Bahnen berücksichtigt. Das heißt, je weniger häufig Bahnen aus einer bestimmten Gruppe verwendet werden, desto geringer fließt diese Bahngruppe in die Berechnung des Gesamtrisikos ein.According to the invention, a parameterization of the risk is achieved by a suitable definition of risk volumes via transversal volumes and activity volumes, it being possible, based on this parameterization with known optimization methods, to determine a set of paths with the lowest possible collision risk. Thus, before the actual operation of the device, suitable webs can be determined for different web groups, wherein in a preferred embodiment each web group characterizes a function or task to be performed by the device, for example certain diagnostic movements or transfer runs of a medical device. Preferably, the relative risk of using webs from the groups of webs is taken into account in the overall risk. That is, the less frequently lanes from a particular group are used, the less this lane group is included in the calculation of the overall risk.
Das Optimierungsverfahren als Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt Parameter einer Sensoranordnung umfassend einen oder mehrere Sensoren im Raumbereich, wodurch das Optimierungsverfahren ferner die Parameter einer im Hinblick auf das oder die Ziele optimalen Sensoranordnung ausgibt. Auf diese Weise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren neben optimalen Bahnen ferner auch eine optimale Sensoranordnung ermittelt, mit der das Risiko von Kollisionen verringert wird. Es wird somit ein besonders geringes Kollisionsrisiko dadurch erreicht, dass bei Betrieb des Geräts nicht nur die optimalen Bahnen verwendet werden, sondern auch die Sensoren entsprechend der ermittelten optimalen Sensoranordnung positioniert werden.The optimization method as part of the inventive method takes into account parameters of a sensor arrangement comprising one or more sensors in the spatial area, whereby the optimization method further outputs the parameters of an optimal sensor arrangement with regard to the one or more targets. In this way, with the method according to the invention, in addition to optimal paths, an optimal sensor arrangement is also determined with which the risk of collisions is reduced. Thus, a particularly low risk of collision is achieved in that not only the optimal paths are used during operation of the device, but also the sensors are positioned according to the determined optimal sensor arrangement.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst ein Transversalvolumen ferner einen oder mehrere Geschwindigkeitsvektoren, welche die Geschwindigkeit und Richtung des Geräts beim Durchqueren des Transversalvolumens beschreiben, wobei ein Risikovolumen ferner durch den oder die Geschwindigkeitsvektoren des entsprechenden Transversalvolumens charakterisiert ist, aus dem das Risikovolumen durch Schnitt mit einem Aktivitätsvolumen hervorgeht.In a further particularly preferred embodiment, a transversal volume further comprises one or more velocity vectors describing the speed and direction of the device as it traverses the transverse volume, a risk volume further being defined by the one or more Velocity vectors of the corresponding transversal volume is characterized, showing the risk volume by cutting with a volume of activity.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für einen jeweiligen Objekttyp eine Schadenshöhe einer Kollision des Objekttyps mit dem Gerät in Abhängigkeit von dem oder den Geschwindigkeitsvektoren der jeweiligen Risikovolumina definiert, wobei das Gesamtrisiko die Schadenshöhen für die Risikovolumina der jeweiligen Bahn derart berücksichtigt, dass das Gesamtrisiko bei größeren Schadenshöhen größer wird. Das Kollisionsrisiko hängt somit nicht nur von der Kollision an sich, sondern auch von dem dadurch verursachten Schaden ab. Das heißt, es werden insbesondere solche Kollisionen vermieden, bei denen der verursachte Schaden besonders hoch ist.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, a damage amount of a collision of the object type with the device is defined for a respective object type as a function of the velocity vector (s) of the respective risk volumes, the overall risk taking into account the damage levels for the risk volumes of the respective trajectory such that Overall risk increases with larger loss amounts. The collision risk thus depends not only on the collision itself, but also on the damage caused thereby. That is, in particular those collisions are avoided in which the damage caused is particularly high.
Zur Parametrisierung der Sensoranordnung ist in einer bevorzugten Variante der Erfindung ein jeweiliger Sensor der Sensoranordnung durch eine Detektionswahrscheinlichkeit von einem oder mehreren Objekttypen charakterisiert, wobei die Detektionswahrscheinlichkeit vorzugsweise von dem Ort und/oder der Geschwindigkeit des jeweiligen Objekttyps relativ zu dem Sensor abhängt. Bei ortsfest angeordneten Sensoren kann die Detektionswahrscheinlichkeit für jeden Objekttyp gegebenenfalls fest vorgegeben sein. Vorzugsweise wird dabei für eine jeweilige Bahn eine Gesamtdetektionswahrscheinlichkeit für einen oder mehrere Objekttypen aus den einzelnen Detektionswahrscheinlichkeiten ermittelt. Die einzelnen Detektionswahrscheinlichkeiten entlang einer Bahn berücksichtigen dabei für am Gerät angebrachte Sensoren deren Anbringungsort und deren Geschwindigkeit gemäß der Bewegung des Geräts, wobei die Geschwindigkeit aus den Geschwindigkeitsvektoren der Risikovolumina bestimmt werden kann. Das heißt, aus den Parametern der Bahn kann auf die Detektionswahrscheinlichkeit der einzelnen Sensoren für verschiedene Objekttypen an den einzelnen Bahnpositionen geschlossen werden. Die ermittelte Gesamtdetektionswahrscheinlichkeit wird als Parameter in dem Gesamtrisiko berücksichtigt.To parameterize the sensor arrangement, in a preferred variant of the invention, a respective sensor of the sensor arrangement is characterized by a detection probability of one or more object types, wherein the detection probability preferably depends on the location and / or speed of the respective object type relative to the sensor. If the sensors are arranged in a fixed position, the detection probability for each type of object can optionally be fixed. Preferably, a total detection probability for one or more object types from the individual detection probabilities is determined for a respective track. The individual detection probabilities along a path take into account, for sensors mounted on the device, their location and their speed according to the movement of the device, whereby the speed can be determined from the velocity vectors of the risk volumes. That is, from the parameters of the web can be closed on the detection probability of the individual sensors for different types of objects at the individual track positions. The determined total detection probability is taken into account as a parameter in the overall risk.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in dem Gesamtrisiko ferner ein Schadenminderungsfaktor enthalten, der eine Reduzierung der Schadenshöhe bei der Detektion eines Objekttyps durch die Sensoranordnung modelliert. Die Reduzierung der Schadenshöhe ergibt sich daraus, dass bei der Detektion eines Objekts im Regelfall ein entsprechender Bremsvorgang bzw. ein Ausweichmanöver ausgelöst wird, so dass der Schaden geringer ausfällt, als wenn sich das Gerät regulär auf seiner vorgegebenen Bahn weiter bewegen würde.In a further, preferred embodiment of the method according to the invention, the overall risk further includes a damage reduction factor which models a reduction in the amount of damage in the detection of an object type by the sensor arrangement. The reduction in the amount of damage results from the fact that when detecting an object usually a corresponding braking operation or an evasive maneuver is triggered, so that the damage is less than if the device would continue to move regularly on its predetermined path.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können beliebige Sensoranordnungen modelliert werden. Insbesondere können solche Sensoranordnungen mit einem oder mehreren aktiv entfernungsmessenden Sensoren modelliert werden. Ein aktiv entfernungsmessender Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass er aktiv ein Signal aussendet und wieder empfängt, wobei basierend auf der Veränderung des Signals durch Reflexionen bzw. Streuungen an Objekten bzw. basierend auf der Laufzeit des Signals der Abstand zu entsprechenden Objekten ermittelt wird. Das Signal kann dabei beliebig ausgestaltet sein, es kann sich beispielsweise um elektromagnetische Wellen (z. B. in Form von sichtbarem oder nicht sichtbarem Licht) oder um Schallwellen (insbesondere Ultraschallwellen) handeln. Beispiele von solchen aktiv entfernungsmessenden Sensoren sind Laserscanner oder aktiv entfernungsmessende 3D-Kameras. Die Sensoranordnung kann dabei Sensoren am Gerät und/oder ortsfest im Raum angebrachte Sensoren umfassen, wobei die Detektionswahrscheinlichkeit von einem oder mehreren Objekttypen für einen Sensor am Gerät von der Befestigungsposition des Sensors am Gerät und der Geschwindigkeit abhängt, mit der sich das Gerät bewegt.In the method according to the invention, any desired sensor arrangements can be modeled. In particular, such sensor arrangements can be modeled with one or more active range-measuring sensors. An actively distance-measuring sensor is characterized in that it actively sends out and receives a signal, wherein the distance to corresponding objects is determined based on the change in the signal due to reflections or scattering of objects or based on the transit time of the signal. The signal can be configured as desired, for example electromagnetic waves (eg in the form of visible or non-visible light) or sound waves (in particular ultrasonic waves). Examples of such active range-measuring sensors are laser scanners or actively distance-measuring 3D cameras. The sensor arrangement may include sensors on the device and / or stationary mounted in the room sensors, the detection probability of one or more types of object for a sensor on the device depends on the mounting position of the sensor on the device and the speed at which the device moves.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nicht die gesamte Sensoranordnung parametrisch berücksichtigt, sondern es sind bereits vorbestimmte Positionen für die Sensoren vorgegeben, wobei jedoch Einstellparameter, wie z. B. ein Blickwinkel des Sensors, in die Parametrisierung der Sensoranordnung einfließen.In a particularly preferred embodiment of the invention, not the entire sensor array is parametrically taken into account, but there are predetermined predetermined positions for the sensors, but with adjustment parameters such. B. an angle of the sensor, incorporated into the parameterization of the sensor array.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für jede Sensoranordnung ein Kostenaufwand ermittelbar, wobei ein weiteres Ziel des Optimierungsverfahrens ein minimaler Kostenaufwand ist. Durch den Kostenaufwand wird insbesondere der monetäre Aufwand charakterisiert, der für die Installation der Sensoranordnung erforderlich ist. Der Kostenaufwand kann dabei z. B. die Kosten der einzelnen Sensoren bzw. die Kosten für die Anbringung der Sensoren an bestimmten Positionen berücksichtigen.In a further, preferred embodiment of the method according to the invention, a cost expenditure can be determined for each sensor arrangement, wherein a further goal of the optimization method is a minimum cost outlay. The cost in particular characterizes the monetary outlay required for the installation of the sensor arrangement. The cost can be z. B. consider the cost of the individual sensors or the cost of mounting the sensors at certain positions.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können beliebige, an sich bekannte Optimierungsverfahren zum Lösen des Optimierungsproblems eingesetzt werden. Beispielsweise können analytische Optimierungsverfahren, wie z. B. das Newton-Verfahren oder Verfahren basierend auf konjugierten Gradienten verwendet werden. Vorzugsweise kommen jedoch probabilistische Optimierungsverfahren zum Einsatz, wie z. B. genetische Algorithmen.In the method according to the invention, any known optimization method can be used to solve the optimization problem. For example, analytical optimization methods, such. As the Newton method or method based on conjugated gradient used become. Preferably, however, probabilistic optimization methods are used, such. Eg genetic algorithms.
Ein bevorzugter Einsatzbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Planung der Bewegung eines medizinischen Geräts in einem Behandlungsraum. Das Gerät kann dabei beispielsweise eine Röntgeneinrichtung, insbesondere ein hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannter C-Bogen, sein.A preferred field of application of the method according to the invention is the planning of the movement of a medical device in a treatment room. The device can be, for example, an X-ray device, in particular a C-arm well known in the art.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren umfasst die Erfindung ferner ein Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung jeder der oben beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechner abläuft.In addition to the method described above, the invention further comprises a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out each of the above-described variants of the inventive method when the program is run on a computer.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein bewegbares Gerät, insbesondere ein medizinisches Gerät, in dem der optimale Satz von Bahnen, welcher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt wurde, in einem Speicher des Geräts hinterlegt ist, um das Gerät im Betrieb basierend auf dem optimalen Satz von Bahnen zu bewegen. In einer bevorzugten Variante wurde dabei mit dem Verfahren auch eine optimale Sensoranordnung ermittelt, welche auch in dem Speicher des Geräts hinterlegt ist. Ebenso können die Sensoren an dem Gerät bereits gemäß der optimalen Sensoranordnung angeordnet sein. Das Gerät wird somit im Betrieb basierend auf dem optimalen Satz von Bahnen und der optimalen Sensoranordnung bewegt.Moreover, the invention relates to a movable device, in particular a medical device, in which the optimal set of tracks, which was determined by the method according to the invention, stored in a memory of the device to operate the device based on the optimal set of tracks to move. In a preferred variant, the method has also been used to determine an optimum sensor arrangement, which is also stored in the memory of the device. Likewise, the sensors can already be arranged on the device according to the optimum sensor arrangement. The device is thus moved in operation based on the optimal set of paths and the optimal sensor arrangement.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.Embodiments of the invention are described below in detail with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen:Show it:
Neben dem C-Bogen
In dem Szenario der
Zwar können mit den Kameras Objekte im Umfeld des C-Bogens erkannt werden und dadurch mögliche Kollisionen des C-Bogens mit Objekten vermieden werden. Die Bewegung des C-Bogens ist herkömmlicherweise jedoch vorab nicht so geplant, dass das Risiko von Kollisionen gering ist. Erfindungsgemäß kann nunmehr vorab basierend auf entsprechenden Informationen über den Interventionsraum und möglicher Bewegungsbahnen des C-Bogens rechnergestützt eine optimale Bewegung des C-Bogens in dem Raum berechnet werden. Der C-Bogen wird dann anschließend in geeigneter Weise auf den optimalen Bahnen bewegt. Darüber hinaus kann in einer bevorzugten Ausführungsform ferner eine optimierte Anordnung der Kameras rechnergestützt ermittelt werden, um der eigentlichen Bewegungsausführung die Kameras entsprechend dem Ergebnis der Optimierung im Raum anzuordnen. Ein Ziel der durchgeführten Optimierung ist dabei ein möglichst geringes Kollisionsrisiko, wobei als weiteres Ziel auch die entsprechenden Kosten für die Anbringung von Kameras bzw. Sensoren berücksichtigt werden können. Die Kosten sollten dabei möglicht gering gehalten werden.Although the cameras can detect objects in the vicinity of the C-arm and thus avoid possible collisions of the C-arm with objects. Conventionally, however, the movement of the C-arm is not previously planned so that the risk of collisions is low. According to the invention, an optimal movement of the C-arm in the room can now be calculated in a computer-aided manner based on corresponding information about the intervention space and possible movement paths of the C-arm. The C-arm is then then suitably moved on the optimal paths. In addition, in a preferred embodiment, furthermore, an optimized arrangement of the cameras can be determined computer-assisted, in order to arrange the actual movement execution of the cameras according to the result of the optimization in space. One goal of the optimization carried out is to minimize the risk of collision, and as a further goal, the corresponding costs for the installation of cameras or sensors can be taken into account. The costs should be kept as low as possible.
Bei der Durchführung des Optimierungsverfahrens sind eine Vielzahl von Informationen und Parametern vorgegeben, wobei basierend auf diesen Informationen bzw. Parametern die Optimierung erfolgt. Die Informationen umfassen zunächst das bereits oben erwähnte Aktivitätsgebiet, in dem Aktivitäten vermutet werden. Dieses Gebiet wird in eine Mehrzahl von Aktivitätsvolumina eingeteilt, welche durch ihre räumliche Ausdehnung charakterisiert sind. Ein Aktivitätsvolumen ist in der hier beschriebenen Ausführungsform durch weitere Größen charakterisiert, welche weiter unten noch näher beschrieben werden. Ferner sind als weitere Informationen mögliche Bahnbewegungen des C-Bogens bekannt, wobei die Bahnbewegungen mit Hilfe sog. Transversalvolumina beschrieben werden, die im Folgenden erläutert sind.When carrying out the optimization method, a large number of information and parameters are predefined, the optimization taking place based on this information or parameters. The information initially includes the already mentioned activity area in which activities are suspected. This area is divided into a plurality of activity volumes which are characterized by their spatial extent. An activity volume is characterized in the embodiment described here by further variables, which will be described in more detail below. Further, as further information possible web movements of the C-arm are known, the web movements are described with the help of so-called. Transverse volumes, which are explained below.
Einige Transversalvolumina, die sich für verschiedene Bewegungen des C-Bogens ergeben, sind in
Nachfolgend werden detailliert Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens erläutert. Zur optimalen Bewegungsplanung muss zunächst die Bahn des Geräts, dessen Bewegung geplant wird, parametrisiert werden. Eine Bahn des Geräts wird dabei beschrieben durch den Verlauf der Stellungen der Gelenke des Geräts über die Zeit. Es wird davon ausgegangen, dass {gk}k=1,..,N die beweglichen Gelenke des ansonsten starren Geräts sind, welche in einem Vektor q = (g1, ..., gN)T zusammengefasst werden, der die Konfiguration des Geräts darstellt. Eine Bahn wird dabei sowohl durch die Gelenkstellungen als auch durch den Zeitverlauf bestimmt, in dem die Gelenkstellungen eingenommen werden. Die Bahn wird also insgesamt bestimmt durch ein Zeitintervall [t0, t1] und den diesen Zeiten zugeordneten Konfigurationen, also durch die Abbildung q:[t0, t1] → Q.In the following, embodiments of an optimization method according to the invention will be explained in detail. For optimum motion planning, the path of the device whose movement is planned must first be parameterized. A path of the device is described by the course of the positions of the joints of the device over time. It is assumed that {g k } k = 1, .., N are the movable joints of the otherwise rigid device, which are summarized in a vector q = (g 1 , ..., g N ) T , which is the Represents the configuration of the device. A pathway is determined both by the joint positions and by the passage of time, in which the joint positions are taken. The trajectory is therefore determined as a whole by a time interval [t 0 , t 1 ] and the configurations assigned to these times, that is, by the mapping q: [t 0 , t 1 ] → Q.
Die Bahnen des Geräts sollen jeweils einen bestimmten Zweck erfüllen und dabei gewisse Randbedingungen einhalten. Der Zweck ist beispielsweise, das Gerät von einer anfangs gegebenen Konfiguration aus an eine bestimmte Endkonfiguration zu bewegen. In Bezug auf den oben beschriebenen C-Bogen könnte der Zweck beispielsweise darin liegen, Kollimater und Detektor des C-Bogens kreisförmig um ein zu röntgendes Körperorgan herum zu bewegen. Im Folgenden wird zur Bewegungsplanung eine Mehrzahl von Gruppen von Bahnen berücksichtigt, wobei jede Gruppe einer in der Anwendung gestellten Aufgabe entspricht. Die Aufgaben werden im Folgenden als {Ai, l = 1, ..., L} bezeichnet. Ziel des Optimierungsverfahrens ist es dabei, für jede Gruppe von Bahnen eine optimale Bahn im Hinblick auf ein oder mehrere Ziele, insbesondere im Hinblick auf ein minimales Kollisionsrisiko, zu ermitteln.The webs of the device should each fulfill a specific purpose and thereby comply with certain conditions. For example, the purpose is to move the device from a configuration initially given to a particular end configuration. For example, with respect to the C-arm described above, the purpose could be to circularly move the collimator and detector of the C-arm around a body organ to be X-rayed. In the following, for movement planning, a plurality of groups of tracks are considered, each group corresponding to a task set in the application. The tasks are hereinafter referred to as {A i , l = 1, ..., L}. The aim of the optimization process is to determine an optimal trajectory for each group of trajectories with regard to one or more objectives, in particular with regard to a minimal collision risk.
Die Bahnen aus jeder Gruppe von Bahnen sind durch die entsprechende Aufgabe bis zu einem gewissen Grad festgelegt. Für eine Transportfahrt sind beispielsweise ein Anfangspunkt q(t0) = q0 und ein Endpunkt q(t1) = q1 festgelegt bzw. eine Mehrzahl von Endpunkten Q1, wobei q(t1) ∈ Q1, falls eine Menge von Parkpositionen in Frage kommen. Weitere Einschränkungen ergeben sich aus der Hindernislandschaft des räumlichen Bereichs, in dem sich das Gerät bewegen soll. Dabei sind Konfigurationen, die zu Kollisionen mit Hindernissen führen, verboten. Jedes relevante Hindernis führt zu einer Menge Ok von verbotenen Konfigurationen, so dass für die von dem Gerät durchlaufenen Bahnen gelten muss: q(t) ∉ Ok, t ∈ [t0, t1], k = 1, ..., K.The lanes from each group of lanes are determined to a degree by the task at hand. For a transport journey, for example, a starting point q (t 0 ) = q 0 and an end point q (t 1 ) = q 1 are defined or a plurality of end points Q1, where q (t 1 ) ∈ Q 1 , if a set of parking positions come into question. Further restrictions result from the obstacle landscape of the spatial area in which the device is to move. Configurations that lead to collisions with obstacles are prohibited. Each relevant obstacle leads to a set O k of forbidden configurations, so that for the trajectories traversed by the device: q (t) ∉ O k , t ∈ [t 0 , t 1 ], k = 1, ... K.
Die Bahnen werden dabei in der Regel beschrieben durch eine hinreichend dichte diskrete Menge von einzelnen Zeitpunkten τi, i = 1, ..., T mit τ0 = t0 und τT = t1. Eine feste Bahn B ist dann gegeben durch die Tupel {(τi, qi)|i = 1, ..., T}. Diese Tupel werden zu einem langen Parametervektor p = (τ1, q1, τ2, q2, ..., τT, q) zusammengefasst, der die Bahn definiert. Beschränkungen an die Bahn sind somit gegeben durch Einschränkungen dieses Parametervektors, z. B. durch die Forderung q1 ∉ Ok, i = 1, ..., T, k = 1, ..., K aufgrund von Hindernissen bzw. durch die Forderung qi ∈ B1‚ i = 1, ..., T aufgrund von Anforderungen an die von der Bahn durchgeführten Aufgabe.The paths are usually described by a sufficiently dense discrete set of individual times τ i , i = 1, ..., T with τ 0 = t 0 and τ T = t 1 . A fixed orbit B is then given by the tuples {(τ i , q i ) | i = 1, ..., T}. These tuples are combined into a long parameter vector p = (τ 1 , q 1 , τ 2 , q 2 , ..., τ T , q) that defines the trajectory. Restrictions on the web are thus given by limitations of this parameter vector, e.g. By the requirement q 1 ∉ 0 k , i = 1, ..., T, k = 1, ..., K due to obstacles or by the requirement q i ∈ B 1 , i = 1, .. ., T due to requirements for the task performed by the railway.
Wie bereits oben erwähnt, werden die in einem Anwendungsgebiet durchführbaren Aufgaben der Bahnen definiert als {Ai, l = 1, ..., L}. Dabei wird die Menge der eine Aufgabe Ai erfüllenden Bahnen B repräsentiert durch die Parametermenge Pi. Im Allgemeinen enthalten diese Mengen mehrere Elemente, d. h. aus der Hindernislandschaft und der Anforderung bleiben freie Parameter. Bei einer Transportfahrt sind z. B. in der Regel viele verschiedene Bahnen möglich, so lange kein Hindernis getroffen wird und Anfangs- und Endpunkt eingehalten werden. Aus diesen freien Bahnen wird erfindungsgemäß für jede Aufgabe eine optimale Bahn ausgewählt, welche mit der entsprechenden optimalen Parametermenge beschrieben wird.As already mentioned above, the tasks of the trajectories that can be carried out in one application area are defined as {A i , l = 1, ..., L}. In this case, the set of paths A fulfilling a task A i is represented by the parameter set P i . In general, these sets contain several elements, ie the obstacle landscape and the requirement remain free parameters. In a transport journey z. As a rule, many different paths possible, as long as no obstacle is met and start and end points are met. From these free paths, an optimal path is selected according to the invention for each task, which is described with the corresponding optimum parameter set.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Optimierung im Hinblick auf zwei Ziele. Das erste Ziel ist eine Minimierung des Risikos einer Kollision mit vorher nicht bekannten Hindernissen und das zweite Ziel betrifft minimale Kosten für im Raum bzw. am Gerät anzubringende Sensoren, wobei diese Kosten gemäß einem beliebigen vorgegebenen Maß, festgelegt sein können. Insbesondere sind die Kosten höher, je teurer ein Sensor ist und je schwieriger seine Anbringung an Positionen im Raum bzw. am Gerät ist. In a preferred embodiment of the invention, the optimization is carried out with regard to two goals. The first goal is to minimize the risk of collision with previously unknown obstacles, and the second objective concerns minimum costs for sensors to be mounted in the room, which cost may be fixed according to any given measure. In particular, the cost is higher, the more expensive a sensor is and the more difficult it is to attach it to positions in the room or on the device.
Neben dem Ziel einer Risiko- und Kostenminimierung können gegebenenfalls auch noch weitere Ziele bei der Optimierung berücksichtigt werden. Insbesondere kann die Optimierung auch im Hinblick darauf erfolgen, dass eine Bahn in möglichst kurzer Zeit durch das Gerät durchlaufen werden soll oder dass der Energieverbrauch beim Durchlaufen der Bahn minimal sein soll. Ferner kann bei der Optimierung als weitere Anforderung ein Sicherheitskriterium berücksichtigt werden, d. h. dass die Bahn gewisse Abstände zu Hindernissen einzuhalten hat.In addition to the goal of minimizing risk and costs, other optimization goals may also be taken into account. In particular, the optimization can also take place with regard to the fact that a web is to be traversed through the device in as short a time as possible or that the energy consumption when passing through the web should be minimal. Furthermore, in the optimization as a further requirement, a safety criterion can be taken into account, i. H. that the railway has to keep certain distances to obstacles.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein Aktivitätsgebiet bzw. Aktivitätsvolumen vorgegeben, wobei dieses Volumen gegebenenfalls in mehrere einzelnen Volumina unterteilt sein kann. Das Aktivitätsgebiet beschreibt dabei einen Teil des Raums, in dem mit gewisser Wahrscheinlichkeit eine bestimmte Aktivität stattfindet. In dem Szenario gemäß
Im erfindungsgemäßen Verfahren sind ferner Transversalvolumina vorgegeben, welche bereits im Vorangegangenen beschrieben wurden. Die Transversalvolumina beschreiben dabei Raumbereiche, welche das Gerät, für welches eine Bewegung geplant wird, in naher Zukunft durchqueren wird. Die Volumina hängen von der Geometrie des Geräts ab, die bis auf die Gelenkstellungen als fest angenommen wird. Darüber hinaus hängen die Transversalvolumina von der Trajektorie ab, d. h. der bei der jeweiligen Bewegung durchlaufenen Bahn B des Geräts. In der Trajektorie sind Gelenkstellungen sowie die entsprechenden Zeitpunkte notiert. Es wird in der hier beschriebenen Ausführungsform angenommen, dass das Gerät im Falle der Entdeckung eines Hindernisses nicht ausweicht, sondern anhält. Das heißt, ein Transversalvolumen beschreibt das Volumen, welches ein Gerät in einer jeweiligen Bahnposition bis zum Anhalten durchläuft. Im Folgenden wird mit Ti das Zeitintervall bezeichnet, das die Maschine im Falle der Detektion eines Hindernisses im Zeitpunkt τi zum Anhalten benötigt. Analog kann ein entsprechendes Zeitintervall auch für eine Ausweichbewegung definiert werden, sofern das Gerät bei der Entdeckung eines Hindernisses eine solche Bewegung ausführt.In the method according to the invention further transversal volumes are given, which have already been described in the foregoing. The transversal volumes describe areas of space which the device for which a movement is planned will traverse in the near future. The volumes depend on the geometry of the device, which is assumed to be fixed except for the joint positions. In addition, the transverse volumes depend on the trajectory, ie the trajectory B of the device during the respective movement. In the trajectory, joint positions and the corresponding time points are noted. It is assumed in the embodiment described here that the device does not evade but stops in the event of detection of an obstacle. That is, a transversal volume describes the volume that a device passes through in a given track position until it stops. In the following, T i denotes the time interval which the machine requires to stop in the event of the detection of an obstacle at the instant τ i . Similarly, a corresponding time interval can also be defined for an evasive movement if the device executes such a movement when an obstacle is detected.
Die Größe des Transversalvolumens wird basierend auf dem Volumen VM(q) definiert, welches das Volumen ist, das die Maschine bei einer gegebenen Konfiguration q im Raum einnimmt. Dieses Volumen ist ebenfalls in den festen Weltkoordinaten W gegeben. Das Transversalvolumen ist abhängig von der Bewegungstrajektorie und dem Zeitpunkt und ist definiert alsDas heißt, das Transversalvolumen beschreibt die Menge aller Punkte im Raum, die im Anhaltezeitraum des Geräts noch durchquert werden, und zwar bis auf diejenigen, bei denen das Gerät am Anfang schon ist. Hierbei bezeichnet Ti die Zeitspanne des Anhaltevorgangs zum Zeitpunkt τi und qi ist die entsprechende Konfiguration zum Zeitpunkt τi. Die Konfigurationen zu den Zeitpunkten τj im Anhalteintervall Ti sind dabei als qj bezeichnet.The size of the transversal volume is defined based on the volume V M (q), which is the volume that the machine occupies in space for a given configuration q. This volume is also given in the fixed world coordinates W. The transversal volume depends on the movement trajectory and the time and is defined as That is, the transversal volume describes the amount of all points in the space that are traversed during the stopping period of the device, except for those where the device is already at the beginning. Here, T i denotes the period of the stopping operation at the time τ i and q i is the corresponding configuration at the time τ i . The configurations at the times τ j in the stopping interval T i are denoted as q j .
In der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird ein Transversalvolumen ferner durch Geschwindigkeitsvektoren spezifiziert. Insbesondere umfasst jedes Transversalvolumen ferner noch ein Feldwelches ebenfalls von der Trajektorie B und dem Zeitpunkt τi abhängt. Durch dieses Geschwindigkeitsfeld werden die GeschwindigkeitenIn the embodiment of the invention described herein, a transverse volume is further specified by velocity vectors. In particular, each transverse volume also includes one more field which also depends on the trajectory B and the time τ i . This speed field makes the speeds
νT(B, τi)(P) beschrieben, mit denen der erste Teil des Geräts einen gegebenen Punktim Transversalvolumen erstmals durchqueren wird, wenn das Gerät der geplanten Trajektorie folgt.ν T (B, τ i ) (P) described by which the first part of the device a given point traverse for the first time in the transversal volume when the device follows the planned trajectory.
In dem erfindungsgemäßen Optimierungsverfahren wird für die jeweiligen Bahnen das Risiko einer Kollision mit Hilfe von Risikovolumina bestimmt. Ein Risikovolumen ist dabei ein Durchschnitt eines Aktivitätsvolumens VA = (G, {(hj, p(hj))|j = 1, ..., J}) und eines jeweiligen Transversalvolumens VT(B, τi) auf der entsprechenden Bahn B, d. h. es gilt VR(B, τi) = VT(B, τi) ∩ G. Das Risikovolumen erbt das Geschwindigkeitsvektorfeld des jeweiligen Transversalvolumens und die Auftretenswahrscheinlichkeiten des Aktivitätsvolumens.In the optimization method according to the invention, the risk of a collision with the help of risk volumes is determined for the respective tracks. A risk volume is an average of an activity volume V A = (G, {(h j , p (h j )) | j = 1,..., J}) and of a respective transverse volume V T (B, τ i ) the corresponding orbit B, ie V R (B, τ i ) = V T (B, τ i ) ∩ G. The risk volume inherits the velocity vector field of the respective transverse volume and the occurrence probabilities of the activity volume.
Sollte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Bewegung für einen Einsatzraum geplant werden, der keine Sensoren zur Detektion von Hindernissen aufweist, dann kann man unter einigen Gleichverteilungsannahmen die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit einem Objekt eines bestimmten Typs hj schätzen alsDie Wahrscheinlichkeit einer Kollision wird somit beschrieben als der Quotient aus dem jeweiligen Risikovolumen und dem Aktivitätsvolumen, multipliziert mit der Auftretenswahrscheinlichkeit des Objekttyps. Die Wahrscheinlichkeit einer Kollision ist dabei eine Funktion der Bahntrajektorie B und des Zeitpunkts τi.If, with the method according to the invention, a movement is planned for an application space which does not have sensors for detecting obstacles, then one can estimate the probability of a collision with an object of a specific type hj under some equal distribution assumptions The probability of a collision is thus described as the quotient of the respective risk volume and the activity volume multiplied by the probability of occurrence of the object type. The probability of a collision is a function of the trajectory B and the time τ i .
In der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung fließt bei der Modellierung des Risikos einer Kollision die Schwere der auftretenden Kollision mit ein. Hierdurch wird berücksichtigt, dass nicht jede Kollision gleich gravierend ist. Insbesondere ist es als gravierender einzustufen, wenn ein Mensch durch das Gerät mit hoher Geschwindigkeit getroffen wird, als wenn ein Kabel bei einer Kollision abgerissen wird. Die Schwere einer Kollision wird dabei durch eine Schadenshöhe dj(hj, ν) berücksichtigt, welche die Höhe des Schadens einer Kollision eines Objekttyps hj mit einer Geschwindigkeit v beschreibt.In the embodiment of the invention described here, in the modeling of the risk of a collision, the severity of the collision occurring is included. This takes into account that not every collision is equally serious. In particular, it is considered to be more serious when a person is hit by the device at high speed than when a cable is torn off in a collision. The severity of a collision is taken into account here by a damage height d j (h j , ν) which describes the magnitude of the damage of a collision of an object type h j with a velocity v.
Mit Hilfe der Schadenshöhe und der Wahrscheinlichkeit einer Kollision kann ein Gesamtrisiko des Geräts bei seiner Bewegung errechnet werden. Dieses Risiko ergibt sich als Produkt von Eintretenswahrscheinlichkeiten einer Kollision und Schadenshöhe. Für einen Objekttyp hj in einem Risikovolumen VR(B, τi) = VT(B, τi) ∩ G (dargestellt als Durchschnitt eines Aktivitätsvolumens VA = (G, {(hj, p(hj))|j = 1, ..., J}) und eines Transversalvolumens VT(B, τi)) ergibt sich somit folgendes Kollisionsrisiko in Abhängigkeit vom Objekttyp hj, dem Zeitpunkt τi auf der Bahn B sowie dem Aktivitätsvolumen G: With the aid of the amount of damage and the probability of a collision, a total risk of the device can be calculated during its movement. This risk is the product of the probability of occurrence of a collision and the amount of damage. For an object type h j in a risk volume V R (B, τ i ) = V T (B, τ i ) ∩ G (represented as an average of an activity volume V A = (G, {(h j , p (h j )) | j = 1, ..., J}) and a transversal volume V T (B, τ i )) there is thus the following risk of collision depending on the object type h j , the time τ i on the path B and the activity volume G:
Diese elementaren Risiken werden summiert über eine disjunkte Zerlegung des Raums in Aktivitätsvolumina VA,n, die Objekttypen hj,n im jeweiligen Aktivitätsvolumen VA,n und die Bahnen Bm gemäß der relativen Häufigkeit bm ihrer Verwendung. Damit kann ein Gesamtrisiko R wie folgt abgeschätzt werden: These elementary risks are summed over a disjoint decomposition of the space into activity volumes V A, n , the object types h j, n in the respective activity volume V A, n and the paths B m according to the relative frequency b m of their use. Thus, a total risk R can be estimated as follows:
In dem obigen Ausdruck verschwindet eine Vielzahl von Termen, weil der Schnitt von Aktivitätsvolumen und Transversalvolumen leer ist. In dieser Schätzung liegen die meisten Einflussgrößen fest, es ist aber noch nicht der jeweils gewählte Repräsentant Pm aus jeder Gruppe von eine gegebene Aufgabe Am erfüllende Bahnen Bm bestimmt. Mit der Gesamtheit dieser Repräsentanten P = (P1, ..., Pm, ..., PM) über alle Aufgaben hinweg als Freiheitsgrad erhält man schließlich das Gesamtrisiko als folgende Funktion: In the above expression, a multiplicity of terms disappear because the intersection of activity volume and transverse volume is empty. In this estimation, most influencing variables are fixed, but the respectively selected representative P m from each group of orbits B m fulfilling a given task A m is not yet determined. With the totality of these representatives P = (P 1 , ..., P m , ..., P M ) over all tasks as degree of freedom one finally obtains the total risk as the following function:
Werden als Optimierungsziel nicht die Kosten einer Sensoranordnung berücksichtigt, ist das Ziel der Optimierung lediglich die Minimierung des Gesamtrisikos, wobei mit einem geeigneten Optimierungsverfahren nach der Gesamtheit der Repräsentanten Pmin gesucht wird, welche das Gesamtrisiko minimiert, d. h. es wird gesucht nachOhne Berücksichtigung der Sensoranordnung bei der Optimierung kann das Minimum für jeden Repräsentanten einzeln gebildet werden, d. h. es gilt: If the cost of a sensor arrangement is not taken into account as an optimization target, the goal of the optimization is only to minimize the overall risk, with a suitable optimization method searching for the set of representatives P min which minimizes the overall risk, ie searches for Without taking into account the sensor arrangement in the optimization, the minimum for each representative can be formed individually, ie it applies:
Es können bei der soeben dargelegten Optimierung beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte Optimierungsverfahren verwendet werden. Beispielsweise können analytische Optimierungsverfahren, wie das Newton-Verfahren oder die Methode der konjugierten Gradienten verwendet werden. Vorzugsweise werden jedoch probabilistische Verfahren, wie z. B. genetische Algorithmen, eingesetzt.Any optimization method known from the prior art can be used in the optimization just outlined. For example, analytical optimization methods such as the Newton method or the conjugate gradient method can be used. Preferably, however, probabilistic methods, such. As genetic algorithms used.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, bei der neben der Bestimmung von optimalen Bahnen auch eine optimale Anordnung von Sensoren ermittelt wird. Die Sensoren werden dabei bei der Bewegung des Geräts zur Detektion von Hindernissen eingesetzt. Mit Hilfe der Sensoren werden die Risikovolumina überwacht, um das Risiko einer Kollision zu verringern. Die Sensoren können ortsfest im Raum oder auch auf dem sich bewegenden Gerät angeordnet sein. Es können beliebige Arten von Sensoren eingesetzt werden, vorzugsweise werden Sensoren mit aktiver Entfernungsmessung verwendet. Beispiele von verwendbaren Sensoren sind optische Entfernungsmesser mit einzelnem Messstrahl, aktiv entfernungsmessende 3D-Kameras, beispielsweise Modelle der Firma MESA, Laserscanner, beispielsweise das Modell URG 04-LX der Firma Hokuyo, Ultraschallsysteme, kapazitive Sensoren, sowie Radarentfernungsmesser.An embodiment of the method according to the invention is described below, in which, in addition to the determination of optimal paths, an optimum arrangement of sensors is also determined. The sensors are used in the movement of the device for the detection of obstacles. The sensors monitor the risk volumes to reduce the risk of collision. The sensors can be arranged fixed in space or else on the moving device. Any type of sensors may be used, preferably sensors with active range finding are used. Examples of usable sensors are single-beam optical rangefinders, actively ranging 3D cameras, such as MESA models, laser scanners, such as the Hokuyo URG 04-LX, ultrasound systems, capacitive sensors, and radar rangefinders.
Ein Sensor Sk einer Anordnung aus mehreren Sensoren wird durch eine Detektionswahrscheinlichkeit charakterisiert. Die Detektionswahrscheinlichkeit ist dabei die Wahrscheinlichkeit, ein mögliches Hindernis zu erkennen und wird im Folgenden als p(Sk, hj, oj, νj) bezeichnet. Sie hängt ab von dem Typ hj des zu detektierenden Hindernisses und vom Ort oj und der Geschwindigkeit vj des Hindernisses relativ zum Sensor. Die entsprechenden Wahrscheinlichkeiten werden dabei in Laborversuchen vorab experimentell ermittelt. Für solche Sensoren, die an dem Gerät selbst angebracht sind, sind Ort und Geschwindigkeit des Hindernisses zusätzlich als Funktion der Trajektorie und des Anbringungsortes an der Maschine aufzufassen. Damit wird die Wahrscheinlichkeit der Detektion zu p(Sk, hj, oj(Bm, qs,k), νj(Bm, qs,k)). Dabei bezeichnet qs,k den Anbringungsort des Sensors am Gerät.A sensor S k of an arrangement of several sensors is characterized by a detection probability. The probability of detection is the probability of recognizing a possible obstacle and is referred to below as p (S k , h j , o j , ν j ). It depends on the type h j of the obstacle to be detected and on the location o j and the speed v j of the obstacle relative to the sensor. The corresponding probabilities are determined experimentally in advance in laboratory experiments. For such sensors, which are attached to the device itself, the location and speed of the obstacle are additionally to be understood as a function of the trajectory and the mounting location on the machine. Thus, the probability of detection becomes p (S k , h j , o j (B m , q s, k ), ν j (B m , q s, k )). In this case, q s, k denotes the mounting location of the sensor on the device.
Aus der Detektionswahrscheinlichkeit der einzelnen Sensoren kann in einfacher Weise eine Gesamtdetektionswahrscheinlichkeit berechnet werden. Betrachtet man beispielsweise ein Volumen, das von zwei unabhängigen Sensoren S1 und S2 überdeckt wird, ist die Wahrscheinlichkeit des Entdeckens eines Hindernisses gegeben durch:
Auf ähnliche Weise kann dann auch die Wahrscheinlichkeit der Detektion eines Hindernisses für eine Menge von Sensoren S = (Sk, qs,k) berechnet werden als p(S, hj, Bm).Similarly, the probability of detecting an obstacle for a set of sensors S = (S k , q s, k ) can then also be calculated as p (S, h j , B m ).
Mit einer, in der hier beschriebenen Ausführungsform als fest angenommenen Wahrscheinlichkeit α ∈ [0, 1] wird die Kollision mit einem detektierten Hindernis verhindert, d. h. die Wahrscheinlichkeit, dass trotz der Sensoren {S1, ..., SK} eine Kollision stattfindet, beträgt 1 – α =: β. Dies entspricht einer Modellierung derart, dass bei der Detektion einer drohenden Kollision und entsprechend eingeleiteter Brems- bzw. Ausweichmanöver der Schaden um den Faktor β ∈ [0, 1] reduziert wird. With a, in the embodiment described here as firmly assumed probability α ∈ [0, 1] the collision with a detected obstacle is prevented, ie the probability that in spite of the sensors {S 1 , ..., S K } a collision takes place , is 1 - α =: β. This corresponds to a modeling such that the damage is reduced by the factor β ∈ [0, 1] in the detection of an imminent collision and corresponding initiated braking or avoidance maneuvers.
Es können somit zwei Fälle eintreten. Und zwar wird mit einer Wahrscheinlichkeit p(S, hj, Bm) das Hindernis gesehen und der Schaden um den Faktor β reduziert und mit einer Wahrscheinlichkeit 1 – p(S, hj, Bm) wird das Hindernis nicht erkannt und der Schaden nicht reduziert. Damit kann das Gesamtrisiko als Funktion der gewählten Repräsentanten Pm der Bahnen und der gewählten Sensoranordnung wie folgt dargestellt werden: There can thus be two cases. Namely, with a probability p (S, h j , B m ), the obstacle is seen and the damage is reduced by the factor β, and with a probability 1-p (S, h j , B m ), the obstacle is not recognized and Damage not reduced. Thus, the overall risk as a function of the selected representatives P m of the tracks and the selected sensor arrangement can be represented as follows:
Nach Umstellung des mittleren Faktors lautet das Gesamtrisiko dann wie folgt: After changing the mean factor, the total risk is as follows:
Man erkennt aus obiger Gleichung, dass sich sowohl mit wachsendem β als auch mit wachsendem p(S, hj, Bm) das Gesamtrisiko reduziert. Durch obige Gleichung sind somit Bahnplanung und Sensoranordnung miteinander verknüpft. Basierend auf obiger Gleichung des Gesamtrisikos kann wieder eine Optimierung im Hinblick auf ein minimales Risiko stattfinden, wobei nunmehr gleichzeitig die Parameter der Bahnen und die Parameter der Sensoranordnung optimiert werden.It can be seen from the above equation that the overall risk is reduced both with increasing β and with increasing p (S, h j , B m ). The above equation thus links the path planning and the sensor arrangement. Based on the above equation of the overall risk, an optimization with regard to a minimum risk can take place again, whereby now the parameters of the tracks and the parameters of the sensor arrangement are optimized at the same time.
In der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform wird eine Optimierung auch unter Einbeziehung der Kosten C(S) der Sensoren der Sensoranordnung durchgeführt. Die Kosten repräsentieren den Zusatzaufwand bei der Installation von Sensoren im Raum bzw. an dem Gerät und sollten möglichst gering sein. Es wird somit eine Mehrzieloptimierung mit dem Ziel von geringen Kosten und geringem Kollisionsrisiko durchgeführt. Diese gleichzeitige Optimierung des Risikos R(P, S) und der Kosten C(S) kann durch eine gemeinsame Zielfunktion erreicht werden, welche beispielsweise wie folgt definiert ist: Cges(P, S) = κr·R(P, S) + κsC(S). Je nach Anwendungsfall werden die Gewichte κR und κS geeignet definiert. Das gesuchte Optimum ist dann In the embodiment described below, an optimization is also carried out involving the costs C (S) of the sensors of the sensor arrangement. The costs represent the additional expense of installing sensors in the room or on the device and should be as low as possible. It is thus carried out a multi-objective optimization with the aim of low cost and low risk of collision. This simultaneous optimization of the risk R (P, S) and the cost C (S) can be achieved by a common objective function, which is defined, for example, as follows: C ges (P, S) = κ r × R (P, S) + κ s C (S). Depending on the application, the weights κ R and κ S are defined appropriately. The sought optimum is then
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Optimierung derart, dass Höchstgrenzen für Risiko oder Kosten festgelegt werden und nur bezüglich einer der verbleibenden Komponenten ausgewählt aus Risiko und Kosten minimiert wird. Gegebenenfalls können auch beliebige andere Strategien einer Mehrzahloptimierung angewendet werden.In a further variant of the method according to the invention, an optimization is carried out in such a way that maximum limits for risk or costs are determined and only with regard to one of the remaining components selected from risk and costs is minimized. Optionally, any other multiple-number optimization strategies may be used.
Da das oben hergeleitete Gesamtrisiko, welches sowohl die Bahnen als auch die Sensoranordnung berücksichtigt, nur schwer über den gesamten Variationsbereich der unabhängigen Variablen hinweg geschlossen beschreibbar ist, erfolgt die Optimierung vorzugsweise mit Simulationstechniken und probabilistischen Optimierungsverfahren, wie z. B. genetischen Algorithmen. Die Simulation läuft derart ab, dass die Einsatzumgebung, die Hindernisse (d. h. die Art der Hindernisse, die Auftretenswahrscheinlichkeit, die Geschwindigkeit und dergleichen) modelliert werden, ebenso wie das Gerät, die Bewegung des Geräts und die Sensoren der Sensoranordnung. Aufgrund von Experimenten sind die Wahrscheinlichkeiten, mit denen Hindernisse eines bestimmten Typs durch Sensoren eines bestimmten Typs erkannt werden, vorab bekannt. Damit kann für eine gegebenen Bahntrajektorie und eine gegebene Sensoranordnung das Risiko ermittelt werden.Since the overall risk derived above, which takes into account both the trajectories and the sensor arrangement, is difficult to describe closedly over the entire range of variations of the independent variables, the optimization is preferably carried out using simulation techniques and probabilistic optimization methods, such as eg. B. genetic algorithms. The simulation proceeds to model the environment of use, the obstacles (i.e., the type of obstacles, the probability of occurrence, the speed, and the like), as well as the device, the movement of the device, and the sensor array sensors. Through experiments, the probabilities of detecting obstacles of a particular type by sensors of a particular type are known in advance. Thus, the risk can be determined for a given trajectory and sensor arrangement.
Bei der gemeinsamen Optimierung der Bahnbewegung und Sensorauswahl bzw. Sensorplatzierung wird eine Menge von Bahnen des Geräts zu Grunde gelegt, die für das betrachtete Anwendungsgebiet charakteristisch sind. Oftmals sind dabei für frei programmierbare Geräte so viele Bahnen bzw. Aufgaben möglich, dass nicht alle bei der Optimierung berücksichtigt werden können. Es bleiben somit Aufgaben, für welche die entsprechenden Bahnen noch nicht optimiert sind, die Sensoren allerdings festgelegt sind. Die optimale Bahn wird dann gefunden alsDiese Optimierungsaufgabe wurde bereits im Vorangegangenen in Bezug auf ein Gerät ohne Sensoren beschrieben und kann wiederum mit geeigneten Optimierungsverfahren gelöst werden.The joint optimization of the path movement and sensor selection or sensor placement is based on a set of paths of the device which are characteristic of the field of application considered. Often, for freely programmable devices so many paths or tasks are possible that not all can be taken into account in the optimization. Thus, there remain tasks for which the corresponding tracks are not yet optimized, but the sensors are fixed. The optimal track is then found as This optimization task has already been described above in relation to a device without sensors and can in turn be solved with suitable optimization methods.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Grundkonfiguration der Sensoranordnung zur Detektion von Hindernissen vorgegeben und es kann lediglich eine relative Konfiguration qs der Sensoren zu dem zu überwachenden Volumen in gewissen Grenzen eingestellt werden. In diesem Fall sind für eine gegebene Aufgabe die optimalen Einstellungen sowohl der speziellen Bahn Pm als auch der Konfiguration der Sensoren qs zu finden. Diese Optimierungsaufgabe findet somit das Optimum und kann wiederum mit bekannten Optimierungsverfahren gelöst werden.In a further embodiment of the method according to the invention, a basic configuration of the sensor arrangement for detecting obstacles is predetermined and only a relative configuration q s of the sensors to the volume to be monitored can be set within certain limits. In this case, for a given task, the optimal settings of both the particular trajectory P m and the configuration of the sensors q s are found. This optimization task thus finds the optimum and can in turn be solved with known optimization methods.
Wie sich aus den vorangegangenen Ausführungen ergibt, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine optimale Bahn eines Geräts in einer vorgegebenen Umgebung ermittelt werden, wobei die Ziele der Optimierung ein minimales Kollisionsrisiko bzw. minimale Kosten für die verwendeten Sensoren berücksichtigen. Das Verfahren liefert somit für verschiedene Aufgaben optimale Bahnen und gegebenenfalls auch eine optimale Sensorausstattung. Diese Größen können in einem Speicher des Geräts hinterlegt sein, so dass bei der Ausführung der entsprechenden Aufgabe die optimale Bahn durch das Gerät durchlaufen wird. Ebenso können bei der Verwendung des Geräts die Sensoren entsprechend der optimalen Sensoranordnung am Gerät bzw. im Raum befestigt sein.As can be seen from the preceding explanations, with the method according to the invention an optimal trajectory of a device in a given environment can be determined, the objectives of the optimization taking into account a minimal risk of collision or minimum costs for the sensors used. The method thus provides optimal paths for various tasks and optionally also an optimal sensor equipment. These quantities can be stored in a memory of the device, so that the optimal path through the device is carried out during the execution of the corresponding task. Likewise, when using the device, the sensors may be attached to the device or in space in accordance with the optimum sensor arrangement.
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