CN102473014B - 自控制的机动车 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自控制的机动车，它设计成在一个区域上自主移动并且具有用于移动的驱动机构(10)以及导航机构(12)，其中所述导航机构设计成用于沿着一个闭合的路径(32)进行位置确定，所述路径围住所述区域的一个作业范围(34)。按照本发明规定，所述导航机构设计成用于产生相继的路径段数据，所述路径段数据分别具有针对所述路径的路段分配的方位信息，尤其是角度信息并且所述导航机构分配有自相关机构(12)，所述自相关机构设置成它们从对应于沿着所述路径的移动的路径段数据的序列中通过确定自相关数据来确定，是否和/或所述机动车已经完全地行驶了所述围住路径和/或一个已经被行驶的路段序列被重新行驶。
Description
现有技术
本发明涉及一种按照主权项的前序部分所述的自控制的机动车。
这种自控制的机动车的典型代表是所谓的自主式割草机(ARM)，如它在用于各种目的，但尤其是用于私有地（私人区域）中所公知的那样。这种自控制的装置通常按照随机导航的原理作业: 在此情况下，ARM通常直线地行驶，直到它碰到一个(合适地通过传感器装置或边界导线探测的)边界并且然后在随机确定的角度下转向。这种方法在控制技术上是简单的并且尤其是在不对要作业的区域(作业范围)制图(地图数据)情况下实现，但是这种已知的方法在实际中具有缺点，与由各角度确定的行驶方向相对应的完全的(区域)覆盖是随机性的，因此完全的覆盖得不到保证或者只有在非常多的线路移动之后才实现。这又导致重复行驶形式的不利的冗余。
此外由现有技术已知，基于存在的地图数据使自控制的机动车，例如自主式割草机，在作业范围中行驶。但是为此的条件通常是需要一个(对应于制图或移动分辨率)精确的导航系统，它例如为GPS技术的形式，或者引起非常高的费用(和因此尤其是对于成本敏感的私人区域来说不太适合)，或者不能够达到为了对尤其是较小区域作业足够的位置分辨率。
此外由现有技术已知，借助于(电流流过的)边界导线限制作业范围的界限。为ARM配置的磁场传感器此时能够通过检测(例如在边界导线上调制的)边界导线信号来识别是否该ARM位于由该导线确定的界限之内或之外。
但是另一个特别的挑战在于，不仅识别边界导线本身，而且识别机动车(ARM)沿着该(通常是闭合的，因为完全围住一个作业范围的)边界导线的当前位置:这种方法由WO03/039314公开，该方法在没有精确的定位或测位系统下确定在沿着边界轮廓行驶时达到起点。该现有技术在行驶期间以规则的间隔存储有关被行驶的路径的数据，其中将各当前的数据与存储的信息相比较，以便确定是否存在相同的数据。但是该识别是基于恒定长度(L)的当前的地块（区段）与相同长度的存储的地块的比较；因此由现有技术已知的方法的出发点是，该长度的地块的特征足够能够明确地在整个轮廓内识别该地块。
但是在实际中这是有问题的，因为尤其是简单的轮廓，如例如矩形的草坪区域，已经表示出明显的问题，即该长度(L)的地块多次地出现。此外，由于在简单的区域情况下常常不存在可以防止这种意义不明确性的另外的数据和边缘条件，因此该方法是具有潜在问题的并且需要改进，最后同样重要的是以已知的方式制出的地图具有在其它情况下严重的偏差。
发明的公开
因此本发明的任务是提供一种按照主权项的前序部分所述的自控制的机动车，它具有在如此程度上改进的导航机构，即能够可靠地确定作业范围的轮廓并且因此可靠地确定围住该作业范围的路径已被完全地行驶。
该任务通过具有主权项的特征的机动车解决。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中说明。
此外属于本发明地被要求权利的是一种用于自控制的机动车的运行方法，其包括至少两个方法特征，如由该整个公开内容中可以看到的那样。
导航机构以按照本发明有利的方式处理各具有分配的方位信息的路径段数据。为该导航机构按照本发明分配的自相关机构则能够分析(具有那些分配的方位信息的)路径段数据序列，(通过建立自相关数据)确定自相关并且然后由此确定出是否机动车已经完全地行驶了该围住路径(或是否再次行驶一个已经行驶过的路段序列)。
在本发明的范围内特别优选的是，该自控制的机动车设计成自主式割草机(ARM)，尤其是用于私有地，其中其它的相当的使用目的也是有利的。由此，按照改进方案，作为在机动车上设置的作业装置或功能装置，不仅可以提供收割装置，而且提供抽吸装置(例如以吸尘器的类型)，扫除装置(例如以用于办公室或居室区的清扫和/或刷净装置的类型)，施肥装置和/或灌溉装置以及可比对的应用。
按照改进方案，为导航机构配置有制图单元，它设计成用于产生轮廓图数据，作为对路段数据和/或自相关数据的响应；按照该改进方案，（轮廓）图的产生尤其实现了成功地行驶围住作业范围的整个路径，该轮廓图然后对于后续的使用是有用的。因此，按照改进方案，在本发明的范围内，在例如机动车在(例如割草)运行中失去方位的情况下，可以通过简单地驶向用于作业范围界限的边界导线或类似的信号传感器，实施新的方位确定并且由此有效地继续运行。
按照本发明有利地并且按照一个优选的改进方案规定，各路段(和相应的存储的数据)具有(沿着所述路径的)恒定的长度；这便于通过自相关机构进行数据处理，此外降低要求的存储器费用。
如前所述，这具有作用，尤其是也将角度信息作为方位信息配置于路径段数据；附加地具有优点，即用于路径段数据的序列的存储器需求(仅仅)与路径长度成比例地增长，就此而言减小了存储器费用。
特别有利地，在一个优选的实施方式的范围内(最佳方式)，通过里程表实施路段的测量或确定。在这种在其它情况下是已知的方法中，测量两个（例如在左边和右边布置的）车轮驶过的路程，其中由该信息可以复制被行驶的路径(例如通过组合相应的路段)。附加地，在本发明的范围内并且借助于角度信息测量机动车的(绝对)方位。与每组路径段数据配置的该信息在较长的路程情况下有利地减小了测量误差，因为，与里程表数据不同，(罗盘)测量误差与已经行驶的路程无关。这两种信息的熔合，例如通过Kalman过滤器，则允许有利地估计位置和方向，其中该误差在方向上保持被限制而在位置上仅仅缓慢地增大。相应地，在该路径上的两个位置之间的相对误差也取决于沿着该路径的这些位置的距离并且针对一个优选假设的恒定的距离。
按照本发明的另一个优选实施方式，电子存储器单元分配有用于数据压缩的单元，它例如可以借助于中央控制单元或类似的处理器或控制器单元实现。它有利地并且在一个改进方案中实现了在大的、超过存储器单元的存储容量的数据量情况下减少要存储的路径段数据，更优选地例如通过对相继的路径段数据取平均值(例如通过形成方向平均值)并且由一个数据取代该数据对。
尽管按照本发明有利的是，(以在其它情况下已知的方式)通过一个边界导线限制出作业范围的界限，该边界导线然后又通过合适的传感器装置与机动车共同作用，但是本发明不局限于此。在此情况下本发明也包括采用其它的手段，设置光学的或磁性作用的传感器机构，它们有能力识别该作业范围以及它的边界，从而就采用按照本发明规定的方式而言围住该作业范围的路径可以被行驶。
结果是，本发明以令人惊讶的简单和灵巧的方式实现一种自控制的(=自主式)机动车，该机动车可以以小的费用实现并且能够可靠地行驶围绕一个作业范围的路径并且可以在使误差识别最小化下识别出已经行驶的路段或完全行驶该路径。
本发明的其它优点，特征和细节由以下对优选实施例的说明以及依据附图获得。
附图中所示:
图1:按照本发明的第一实施例的具有为此设置的功能部件的自控制的(自主式)机动车的示意框图；
图2:用于说明一个由边界导线围住的区域的作业范围的示意图；
图3:用于说明路段以及所属的路径段数据的示意图；在有规则的间距d(通过里程表测量)下存储相应的方位(方向角) i；和
图4:对为了避免由导航单元造成的错误探测和相应的结论，不依据固定数量的路段实施任何关联的必要性的说明。
作为自控制的机动车的实施例，图1示意说明了用于实现自主式割草机的功能部件。在一个（没有具体地示出的）底盘或平台（底座）上首先设置割草机构形式的作业或功能单元20。该割草机构由中央控制单元12控制（尤其是以激活或去激活的方式），该中央控制单元例如由合适地编程的微控制器实现，控制和协调在图1中示出的装置的各不同的功能。
驱动单元10与中央控制单元12共同作用，由双箭头表示出该驱动单元不仅以在其它情况下已知的方式例如通过一对由马达驱动的驱动轮实现割草机单元的直线路径以及曲线路径，而且此外配有(在其它情况下)已知的里程表单元，该里程表单元以合适的方式向中央控制单元10提供里程数据。
附加地，与中央控制单元连接有罗盘单元14，它与依次要产生的路径段数据相适应地提供(合适地数字化的)方向信息，例如作为罗盘值。
中央控制单元12此外与边界导线传感器单元18配合作用，它例如借助于在其它情况下已知的磁场传感器装置，识别出机动车位于一个边界导线32旁，该边界导线围住一个作业范围34(图2)(或可以输出有关相对于该边界导线的位置信息)。以在其它情况下已知的方式，通过示意示出的信号发生器单元30给该边界导线32配设可相应地由单元18探测的信号。
中央控制单元12的主要功能是，由一个序列的路径段数据，该路径段数据在所示的实施例中对于恒定长度d的每个路段(参见图3)具有方向角，如此地计算出自相关并且产生相应的相关数据，使得由该相关数据可以确定，是否已经驶过路径32(在图2中)的一个序列的路段。
为了进一步说明该按照本发明实施的自相关，由一般的方法出发，即，两个序列的数据被认为是相关联的，如果在该序列的项(元素)之间的关系不是随机的话。一个序列是自相关的，如果具有一个偏移量(Offset)t，使得该序列与相同的、但是被偏移了t的序列相关联的话。
为了进一步讨论该实施例，假设路径被以固定的间距d划分并且通过n个方位代表。在此情况下， i(i=0..n-1)是由罗盘单元14获得的第i个方位。因此被看作是自相关的尺度，其中两个方位之间的差规范地通过最小的角距限定。在这种限定下，值γ(τ)越小，则该序列越自相关。如果序列γ以周期τ周期性变化(这对应于在路径的行驶期间达到起点的情况，图2)，那么在给定的前提条件（假设）下可以作出关于γ(τ)的数量级的结论: 罗盘测量（值） i与i无关地带有大小为方差σ2的测量误差，那么从基础的概率论理论的研究中得出关于项( i- i-τ)的方差为2σ2和为自主式机器人设置一个轮廓边缘的方差为，或标准偏差。因此，如果γ(τ)的值不超过计算的标准偏差的一定的倍数，则一个可能的周期就处于位置τ上。例如在给定的假设下，γ(τ)的一百万次测量中只有一次测量大于六个标准偏差。
另一个条件使得在给定的应用中找到周期更容易。一旦自主式平台完整地行驶了该轮廓，那么它总体上转动了2π或-2π，这取决于该轮廓是沿顺时针方向还是沿逆时针方向被行驶。因此在计算γ(τ)时，第一，现在不应该将角度 i标准化，也就是说，0°的方位与360°的方位的区别在于，平台相对于起始方位已经沿着数学时针方向围绕自己的轴线转动一次。第二，应该如此地计算差 i- i-τ，即在未标准化的角度之间的一个2π或-2π的差可以给出0的结果，即
其它。
依据上述限制并且在使用该角度差公式下，可以为每个时间点确定出所有可能的周期τ。如果在此时只给出一个局部最小值γ(τ)，它是一个可能的周期，那么该周期还不是明确的(如依据图4说明的那样:序列41/42/43对于序列51/52/53来说是不明确的，因此可能进行一个可能的错误确定)。但是，如果在行驶了2τ的距离之后仍然可以确定一个周期τ并且没有另外的周期再可以确定，那么该问题就被明确地解决了。因此，为了可靠地确定达到起点，必需行驶该轮廓两次。
相应地，图1中示意示出的存储器单元16包含如此产生的路径段数据的序列，该序列以前述方式通过中央控制单元针对自相关被进行评估。
在此情况下，本发明在所示的实施方式中在存储器管理和需求方面具有优点，这对用于计算评估所需的时间消耗也产生有利的影响:在第一种方法中，为用于非标准化的方位的存储区（分格）设置距离分辨率d。以相同的分辨率设置用于函数γ(τ)的存储区。因此，在每个距离d之后要存储一个新的方位值。此外，必须针对每个τ更新函数γ(τ)。在此情况下不必重新评估总和，新的γ(τ)以明显的方式由旧的值以及新的方位得出。与时间消耗一样，存储器的消耗因此随着行驶的距离线性地增加。但是，通过只考虑那些通过了上述标准偏差测试的可能的周期τ，可以减小时间消耗。一旦一次没有通过该测试，则该可能的周期不再被考虑。为此，在用于函数γ(τ)的每个存储区旁，还设置一个指针区，它指向下一个存储区。因此形成一个相互联结起来的名单，它包含所有可能的候选对象。如果一个可能的周期没有通过标准偏差测试，那么对应的存储区被从相互联结起来的名单中删除。用于更新的时间消耗因此与仍然可能的候选对象的数量成比例。
如果存在用于存储该轮廓的存储极限，那么可以通过以下的方法实现一种恒定的存储器使用量。如果该轮廓的存储单元（分格）的数量超过一个给定的最大数量，那么每两个区通过一个区合并起来(通过方位的平均)，同样针对存储的函数值γ(τ)进行实施。在后继的过程中该值d被加倍。因此又提供最大数量的一半供使用，以便扩大该图。
如果要可靠地确定一个周期，那么可以在使用相邻存储器单元的值下通过最小值的确定，比步宽d更加精确地求得它的精确的值。
如果以前面描述的方式可靠地确定了路径或周期，那么按照改进方案规定，产生一个轮廓图。中央控制单元12为此目的象征性地分配有一个制图单元22，其中由此说明，利用在其它情况下已知的方法，例如由机器人技术文献中已知的技术如SLAM(其中尤其是环路闭合（Loop-Closing）)可以产生图。这种技术例如在Autonomous Robots(自主式机器人)杂志，1997年第4卷中在F.Lu 和 E.Milios的文章“Globally consistent range scan alignment for environment mapping”中被描述，其中该公开内容就这方面来说并且为了本发明的可实施性的目的被认为包含在本公开内容中并且属于本发明的一部分。
现在轮廓图实现了自主式机器人，如在实施例中描述的ARM，的一种重要的基础功能的实施，即针对图确定方位。这不仅涉及在已知的位置情况下随时更新机动车的位置，而且涉及在已知的位置情况下与图有关地确定位置。
在第一种情况下使用所谓的颗粒过滤器，如例如在S.Thrun，W.Burgard，D.Fox的Probabilistic Robotics，MIT出版社2005年，中描述的那样。
在第二种情况下，ARM首先驶向边界导线32，其中这例如可以通过随机导航实施，该随机导航一直有效，直到达到边界导线32为此。然后机器人开始沿着边界导线32行驶并且在此时，如上所述，借助于已描述的自相关函数(或所属的自相关数据)将行驶过的路径与轮廓边缘相比较，直到明确地确定在边界导线上的位置。
在专业人员的技能的范围内，除了直接将记录的序列与轮廓比较以外，例如还设置颗粒过滤器或直方图过滤器，如上面在S.Thrun等人的Probabilistic Robotics中所描述的那样。
本发明不局限于所示出的实施例以及应用情况“割草机”；相反可以设想大量的变型和备选实施方案。在这点上，通过一个边界导线确定作业范围34也仅仅是一个示例；备选地，该单元可以具有合适的传感器装置(例如草坪传感器，例如以在其它情况下已知的方式通过摄像装置实现)，借助于该传感器装置可以以简单的方式沿作业区域的边界行驶。
Claims (15)
1.自控制的机动车，它设计成在一个区域上自主移动并且具有用于移动的驱动机构(10)以及导航机构(12)，其中所述导航机构设计成用于沿着一个闭合的路径(32)进行位置确定，所述路径围住所述区域的一个作业范围(34)，其中所述导航机构设计成用于产生相继的路径段数据并且所述路径段数据分别具有针对所述路径的路段分配的方位信息，其特征在于，所述导航机构分配有自相关机构(12)，所述自相关机构设置成它们从对应于沿着所述路径的移动的路径段数据的序列中通过确定自相关数据来确定，是否和/或所述机动车已经完全地行驶了所述围住路径和/或一个已经被行驶的路段序列被重新行驶，其中，所述自相关数据通过公式 来确定，其中，τ是所述序列的周期， i是第i个方位， i-τ是第i-τ个方位，i＝0…n-1，并且n是方位的数目，并且值γ(τ)越小，则该序列越自相关。
2.按照权利要求1所述的机动车，其特征在于，所述机动车设计成用于作业和/或功能单元(20)的支承体。
3.按照权利要求2所述的机动车，其特征在于，所述作业和/或功能单元(20)是收割装置、抽吸装置、扫除装置、施肥装置和/或灌溉装置。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的机动车，其特征在于，所述导航机构分配有制图单元(22)，所述制图单元被如此地设计，使得它由路径段数据和/或自相关数据产生被所述路径围住的区域(34)的轮廓图数据。
5.按照权利要求1所述的机动车，其特征在于，所述路段分别具有沿着所述路径的恒定的长度(d)。
6.按照权利要求1所述的机动车，其特征在于，所述路段的长度通过里程表确定，其中所述驱动机构和所述导航机构分配有里程表装置(10)。
7.按照权利要求1所述的机动车，其特征在于，所述导航机构具有用于路径段数据序列的电子存储器单元(16)。
8.按照权利要求7所述的机动车，其特征在于，所述电子存储器单元(16)分配有用于路径段数据的数据压缩的机构。
9.按照权利要求1所述的机动车，其特征在于，所述导航机构设计成与一个限定所述围住路径的边界导线(32)共同作用，所述边界导线提供可以通过导航机构探测的信号。
10.按照权利要求1所述的机动车，其特征在于，所述导航机构设计成与一个传感器单元共同作用，所述传感器单元能够识别在所述区域中的所述作业范围(34)以及所述区域的边界。
11.按照权利要求1所述的机动车，其特征在于，所述方位信息是角度信息()。
12.按照权利要求3所述的机动车，其特征在于，所述收割装置是割草机。
13.按照权利要求8所述的机动车，其特征在于，所述用于路径段数据的数据压缩的机构设计成用于产生相继的路径段数据的方位信息的一种关联关系以用于数据压缩。
14.按照权利要求13所述的机动车，其特征在于，所述用于路径段数据的数据压缩的机构设计成用于产生相继的路径段数据的方位信息的平均值以用于数据压缩。
15.按照权利要求10所述的机动车，其特征在于，所述传感器单元利用光学机构能够识别在所述区域中的所述作业范围(34)以及所述区域的边界。
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