CN109844672B - 用于测试自主系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测试自主系统（RE）的方法，关于所述自主系统（RE）存在虚拟映像（VE），所述虚拟映像包括自主组件的至少一个虚拟映像（DT(AC)，DT(AC')），所述方法包括以下步骤：a)获取组件数据，其提供关于自主组件的至少一个虚拟映像（DT(AC)，DT(AC')）的移动的信息；b)在虚拟映像（VE）中创建可以在虚拟映像（VE）内移动的至少一个虚拟对象（DT(H)）；c)在虚拟映像（VE）中生成在至少一个虚拟对象（DT(H)）或/和至少一个组件的虚拟映像（DT(AC)，DT(AC')）周围的语料库（C），所述语料库（C）限定一体积，所述体积不能被至少一个自主组件的虚拟映像（DT(AC)，DT(AC')）或虚拟对象（DT(H)）进入；d)在虚拟映像（VE）中表示至少一个虚拟对象（DT(H)）或/和至少一个自主组件的虚拟映像（DT(AC)，DT(AC')）的移动，所述移动受限制是因为不能进入的任何语料库（C）的体积；e)获取与至少一个虚拟对象（DT(H)）或/和至少一个自主组件的虚拟映像（DT(AC)，DT(AC')）的移动相关的反应数据；f)考虑反应数据而评估至少一个虚拟对象（DT(H)）或/和至少一个自主组件的虚拟映像（DT(AC)，DT(AC')）的移动的可行路线。本发明此外涉及一种自主系统。

Description

用于测试自主系统的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测试自主系统的方法以及一种自主系统。

背景技术

设置自动化系统、例如生产系统的过程可以被划分成：用于设计系统的规划阶段，用于实现系统的工程阶段，用于安装和测试系统的调试阶段，其中系统上线的生产阶段，以及与生产阶段并行运行的维护和优化阶段，其中所述系统被监督、优化，并且发生的故障被修理。

在工业制造中，存在从传统、集中式的系统去向自主、分布式系统的趋势。自主的分布式系统包括组件、例如机器人，其受中央实例控制并且对于其动作具有某种程度的自主性。

此外，传统装备与新技术相结合地被使用，所述新技术诸如智能机器人、CNC机器、3D打印机以及其它智能设备，其具有对于虚拟模拟或/和仿真环境的接口。因此，可以提供在现实世界及其虚拟映像之间的交互。因此用于这些制造系统的术语是网络-物理（Cyber-physical）制造系统。

它运行在其中的IT平台上的该虚拟、数字拷贝通常被称为“数字工厂”。

对于这些系统的规划、测试和操作，可以使用一种概念，其中对于现实或物理工厂，存在虚拟、数字的拷贝，其反映某个组件或组件群组的某些方面。该虚拟数字拷贝有时被称为数字对（digital twin）。

基本的想法是探索或控制物理工厂的一些或全部组件的行为而不必实际地在物理组件上运行过程。

在这些自主、分布式的系统中，在自主组件、例如机器人与人类合作者之间通常存在协作。然而，这承受危险，即不仅可能发生自主组件之间的碰撞，而且人类合作者还被自主组件伤到。

本发明的一个目的是提供针对有效测试自主系统的可能性，特别是关于安全方面。

发明内容

这通过在独立权利要求中所公开的内容来解决。有利的实施例是从属权利要求的主题。

本发明涉及一种用于测试自主系统的方法，对于所述自主系存在虚拟映像。所述虚拟映像包括自主组件的至少一个虚拟映像。

例如，虚拟映像被设置为在提供处理能力的计算机上运行的自主系统的复制。对于该复制的输入可以包括例如架构、硬件，或例如源自现实工厂的传感器的数据。复制不要被理解为存在确切的拷贝，其示出自主系统的每一个单个细节。优选地，借助于虚拟映像运行的计算机的处理能力而在虚拟映像中仿真自主系统的某些方面。

在一步骤中，获取组件数据，其提供与自主组件的至少一个虚拟映像的移动相关的信息，例如，模拟数据或来自现实自主系统的数据或其组合被馈送到虚拟映像中。

在虚拟映像中，创建能够在虚拟映像（VE）内移动的至少一个虚拟对象，例如虚拟人类操作员。

在虚拟映像中，在至少一个虚拟对象或/和至少一个组件的虚拟映像周围生成语料库。所述语料库限定一体积，所述体积既不能被至少一个自主组件的虚拟映像也不能被虚拟对象进入。

例如，语料库在虚拟元素周围生成缓冲区，其然后可以用于计算。

在虚拟映像中，至少一个虚拟对象或/和至少一个自主组件的虚拟映像的移动被表示。移动受限制，这是因为不能进入任何语料库的体积。

例如，在该缓冲区的情况下，考虑到元素的实际、虚拟边界，碰撞将会发生在虚拟映像中的实际碰撞发生之前。

获取与至少一个虚拟对象或/和至少一个自主组件的虚拟映像的移动相关的反应数据。

例如，收集数据，针对虚拟对象所采取的哪些路径，易于发生碰撞。

至少一个虚拟对象或/和至少一个自主组件的虚拟映像的移动的可行路线被评估。从而考虑反应数据。例如，反应数据被处理以确定诸如在某个时间所采取的路径之类的移动或/和用于生产任务等等的移动的可能路线。

优选地，该语料库具有框或平行六面体的形状。这减少计算努力。

根据有利的实施例，在虚拟对象或/和至少一个自主组件周围的语料库取决于对象或/和自主组件的速度的方向和大小而可变。在框形式的语料库的示例中，框的边缘在移动的方向上延长。它被延长的实际长度取决于速度的大小，优选取决于其平方。附加地或可替换地，实际长度还取决于传输时间和处理时间。因而，可注意由于往现实自主系统中的稍后传输所致的延迟时间，虚拟以及现实元素和安全缓冲器可以被安装的处理时间。

本发明此外涉及对应的自主系统、计算机程序和数据载体。

附图说明

从结合附图所理解的后续描述和从属权利要求中，本发明的此外的实施例、特征和优点将变得显而易见，在所述附图中示出了：

图1是往虚拟环境中以及从虚拟环境到现实环境的数据传递的示意图；

图2是现实环境和虚拟环境的示意图，所述现实环境具有自主组件和人类合作者，所述虚拟环境表示交换数据的现实环境的拷贝；

图3是被在移动方向上延伸的框所围绕的人类操作员的虚拟映像的示意图，所述虚拟映像移动向虚拟环境中的自主组件，所述虚拟环境具有生产系统的数字映像；

图4是在自主对象的虚拟映像周围的语料库的示意图，所述语料库具有凹处以允许与人类合作者的交互，例如工件处置；

图5是如图7那样的示意图，其中凹处被放大以促进交互；

图6是一示意图，其示出了适合于人类工人的语料库，所述语料库由在躯干和四肢周围的框组合所形成。

在以下描述中，将描述本发明及其实施例的各种方面。然而，本领域技术人员将理解的是，可以在具有其仅仅一些或全部方面的情况下实践实施例。为了解释的目的，具体细节和配置被阐明以便提供透彻理解。然而，对于本领域技术人员还将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。

通常如下执行自主系统的测试：

a）在系统进入生产阶段之前，以及

b）当为了维护目的而已经开始生产的时候，或例如如果使用新软件更新、引入新组件等等的情况下。

为了在系统已进入生产阶段之前的测试，没有任何来自现实系统的数据是可用的。因此，通过模拟所生成的或取自类似环境的人工数据被使用在虚拟环境VE中，以用于模拟系统中的过程，例如生产系统中的生产任务。

该虚拟环境VE人工地重现尚不存在的现实环境RE，或已经存在的现实环境RE，或其某些方面。通常，虚拟环境VE中的、对现实环境中的现存或经规划的元素进行表示的元素被称为数字对。

为了测试已经运行的系统，例如当新软件更新已经被安装的时候，可以取得来自现实系统或现实环境的实际数据。

而且，数据的混合、实际数据和人工数据可以被用作输入数据，例如在当新组件被引入到系统中或任何误差和/或故障被注入到系统中用于测试目的时的情形中。

利用这些输入或组件数据，可以在虚拟环境VE中模拟系统的行为。

此外，虚拟对象DT(H)、例如人类或精妙的机器人被引入到虚拟环境VE中，其在自主组件AC、AC’的数字表示中间移动。因此，存在危险，即虚拟对象DT(H)将会在现实环境中受影响，例如如果发生碰撞的话，被自主组件伤到或损坏。

在虚拟对象DT(H)周围，生成语料库C。根据实施例，语料库C具有框的简单形式。可替换地，通过如下而形成语料库：各种体积的复合，例如重构躯干和四肢。

虚拟对象DT(H)在虚拟环境VE内移动。在对象H周围的框C人工地放大对象，并且因而为防止与数字对DT（AC）、DT（AC'）的碰撞提供缓冲区或防护，或者在系统的虚拟映像中所表示的系统的其它安装。因而，通过具有该人工放大的体积，可以测试并且确保：与人类合作者的碰撞将被所应用的碰撞检测过程或/和算法识别。此外，可以测试和安装在什么时间必须触发什么适当动作。

因而，可以探索移动的可行路线。对于移动路线的示例是在数字对DT(AC)、DT(AC’)中间的、对于对象H而言有可能并且安全的路径，或者当与自主对象AC、AC'的数字对DT(AC)、DT(AC')协同的时候对象H的移动。

通过使虚拟对象通过工厂的虚拟映像的路径自动化，在该早期阶段，已经可以开始安全特征的自动化测试。

对象H的移动数据被馈送或映射到虚拟环境VE中，如由图1中的箭头1所指示的。移动数据可以由佩戴虚拟现实眼镜VRG的人当沉浸在虚拟环境VE中的时候创建。因而，仅仅通过虚拟地四处走动，可以执行虚拟调试的探索测试。

可替换地或附加地，移动数据可以经由计算机模拟而被生成，例如在本地工作空间LW上，最终地还通过使用来自现实环境RE的现实数据，如箭头3所指示的。

以此方式，可以在现实生产工厂还存在之前进行例如生产工厂的测试，其促进规划例如自主对象的布置以及移动半径，以便不危及对象、特别是人类。

通过附加的体积，可以实现安全措施，其计及路径或速度确定的不准确性，以及由于在虚拟和现实环境之间的传递所发生的延迟时间或/和处理时间等等。

因而，在虚拟调试阶段期间，借助于软件系统来模拟或复制物理生产环境的行为。因而，通常在调试阶段中执行的许多测试可以因而在投资和工作已经做出之前被执行，在所述调试阶段中，物理生产环境的安装已经发生，并且需要核实是否可满足规范。在该虚拟调试阶段中，人类可以被引入作为虚拟对象H，并且移动通过未来生产环境的虚拟映像，并且可以探索移动的路线，如以上所解释的那样。特别是为了接近可能的限制，在人类周围的语料库、特别是框可以被禁用，使得人类可以尽可能近地按其物理尺寸而来到生产工厂的元素的虚拟映像。

总而言之，可以在非常早期的阶段中并且还以自动化的方式测试安全特征，这节省成本和时间。

可替换地或附加地，在现实系统已经运行的时候执行测试。然后，用于模拟虚拟环境的数据还可以取自现实环境，或/和这些数据可以被取为用于生成数据的起始点。

由于现实生产工厂中的现实元素的虚拟映像的反馈被反馈或镜像到现实环境，如由箭头2所指示的，这可以用于测试、特别是回归测试，其中与先前过程的差异将被检测以及解释。因此，在调试阶段中，当作为虚拟对象H的人类的定位从其虚拟定位被映射到现实工厂中的时候，可以观察现实工厂或生产工厂中的反应。因而，可以执行现实调试环境中的回归测试。

另外，如果作为虚拟对象H的人类访问虚拟映像的若干定位，则执行对运行的系统的虚拟检查，如果来自现实世界的相应数据被馈送到虚拟映像中的话。

语料库C可以具有可变的形状。根据一个实施例，可变性是因为语料库可以被收缩至无体积，即被关断。这意味着，如果对象H本身的边界碰上数字对DT(AC)、DT(AC’)本身的边界或在数字对DT(AC)、DT(AC’)周围的语料库C的边界，则发生碰撞。因而，例如可以探索可能的路径的限制。将关于图3来解释其中语料库C可变的另外的实施例。

图2描绘了生产工厂的一区段的现实环境RE，其与反映现实环境或其某些方面的虚拟环境VE交换数据D并且用于详述虚拟映像VE的实现。

在现实环境RE中，存在与彼此交互以便实现任务、例如生产过程的自主组件AC、AC'。自主组件AC、AC'是例如机器人，其被适配成执行生产过程内的某组生产任务。自主组件AC、AC'不是集中式被控制的，但是具有经限定的范围的自主性用以做决定。

自主性的范围可取决于特定的生产任务、自主组件AC、AC'的实际群集等等。

在生产工厂内，此外存在对象H、例如人类，其与自主组件AC、AC'交互。

交互可以是人类H连同一个或多个自主组件AC、AC'一起执行生产任务，或人类H正在生产工厂内移动。

虚拟环境VE是现实环境RE的虚拟映像。虚拟映像运行在IT平台上。这尤其意味着借助于现实计算机来仿真现实环境RE，使得在该计算机上虚拟地重现现实环境RE的共享。这使得能够监控、监督或测试现实环境RE、例如自主系统，而没有往运行的操作中的干扰、即干预。

正被重现的自主系统的共享取决于虚拟化的目的。例如，仅仅某个方面或部分可以被虚拟化以用于其优化或测试。

对应地，现实环境RE的每个元素或仅仅一些元素在虚拟环境VE中具有对应的元素。

诸如自主组件之类的元素、例如机器人具有多个传感器，所述传感器产生传感器数据。

传感器可以包括定位检测传感器、移动检测传感器、加速度传感器、力传感器、相机、音频传感器、气味传感器等等，检测某些物质的存在的传感器等等。

对应地，传感器数据可以包括定位、例如空间定位、有关数据、速度/加速度或/和移动/加速度的方向有关的数据、关于力的大小和方向的数据、视觉数据、音频数据、嗅觉数据、与某些物质的存在和量相关的数据等等。

对于其中现实环境RE中的每个元素在虚拟环境VE中具有对应元素的情况而言可替换地，现实环境RE的仅仅某些元素在虚拟环境VE中具有对应的对象。这允许对生产工厂的某些方面进行建模、测试或监测。该目标还可以利用如下实施例来被实现：在所述实施例中，现实环境RE的所有元素可以在虚拟环境中具有对应的元素，但是仅仅关于一些元素的数据从现实环境RE被传递到虚拟环境VE或用于在虚拟环境VE中的进一步的计算。

在虚拟环境VE中，可以借助于现实元素的虚拟或计算机化的表示来对现实环境RE中的元素的实际行为进行建模。如以上所提及的，虚拟表示有时被称为数字对。

借助于这些数字对，可以对现实环境RE中的生产工厂进行建模。现实对象的传感器提供数据，所述数据被传递到虚拟环境VE中。其中，借助于3D建模软件，通常使得数字对等同于现实对象，例如在形状上，但是特别是关于实际状态，例如机器人的定位及其抓臂的定位、机器人的各种组成的运动等等。

于是可以模拟自主组件AC、AC'的未来行为，并且可以确定未来的情形、例如碰撞。这些模拟数据往回被传递到自主组件AC、AC'。它们可以用作用于决策的信息。

为了在现实环境RE和虚拟环境VE之间传递数据D，可以使用各种传递模式，诸如线绑定或无线传递方法或其任何组合。

根据有利实施例，存在无线连接，诸如从自主组件AC、AC'到现实环境中的中央传输实体的、根据802.11标准的一个。从该中央传输实体，存在线绑定的连接，例如以太网连接。

可替换地或附加地，数据跨有线连接而被传递到静止的自主组件，诸如传送带或固定的机器人。

在图3中，描绘了一实施例，其中语料库C具有框的形式，所述框具有与移动方向平行并且与其垂直的边缘，即长方体。

在移动的方向上放大框。关于速度进行该放大，即与对于较低速度相比，对于较高的速度而言，与移动方向平行的边缘变得更长。

根据有利的实施例，以此方式计算边缘的长度：

首先，存在所确定的基本框，其在人类周围的所有方向上提供足够的空间以便保持不受损。然后，存在有在移动方向上添加的附加边缘长度。该附加的边缘长度被计算使得在信号从人类或受危及的对象到虚拟实体的行进时间以及后面加上相应的处理时间期间大概覆盖的距离仍在框内。基于速度/方向的先前测量值和处理时间来进行该估计。优选地，还考虑定位、速度或/和进行测量的时间等等的不准确性。

另外在图3中，自主组件AC也装配有框，如围绕的语料库C。通过使用围绕的语料库，不仅对于处于风险中的对象、特别是人类，自主组件和处于风险中的对象的单独移动的互连也可以被更容易地考虑。有利地，在移动方向上延长安全框二者的边缘长度。通过不仅为虚拟对象DT(H)装配有语料库C，在计算上还有利的是考虑自主组件的虚拟映像DT(AC)的移动和速度，这尤其是因为控制的分布。

在图4中，描绘了实施例，其中在自主组件的虚拟映像DT (AC)、DT (AC')周围的语料库C中，形成凹处R。在该凹处内的体积从不能进入的语料库的体积中被排除。附加的规则可以被应用于凹处R的体积，例如凹处体积可以一般地被进入或被某些对象、例如仅仅被人类进入。

根据另外的实施例，为不同的对象（的数字对）不同地定义语料库C。例如，存在针对人类行动者的语料库类型，针对网络物理组件的另外的语料库类型，针对工件的语料库类型、或针对安全区的语料库类型。已经做出了该区别，可以定义更精细的规则集，以便允许在生产过程期间的交互，但是仍确保人类和组件的安全。

根据示例性的规则集，在人类和网络物理组件之间、工件中间、网络物理组件与安全区之间、网络物理组件中间不可允许任何碰撞。

在人类或网络物理组件与工件之间可允许“碰撞”或宁可是交互。

因而，在生产过程中必要的交互或/和接触在所限定的小廊道中是可能的。从而仍可避免危险碰撞。

根据图5，凹处被放大以促进对工件WP的处置，特别是当使用如上的针对侵入的规则集的时候。因而，例如可以限定大的廊道以使能实现容易的处置，而仍确保没有任何危险碰撞发生。

在图6中，描绘了人类，其佩戴用于定位确定的检测器。基于在虚拟环境中的这些检测器数据，可以生成被附连到人类的语料库C。在所描绘的示例中，通过围绕身体和手臂的多个框来形成语料库C。用于形成语料库C的框的数目取决于工作环境和人类合作者的责任。

尽管已经根据优选实施例而描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言明显的是在实施例之间、完全地或在一个或多个方面中的修改或组合在所有实施例中都是可能的。

已经在计算机系统所执行的操作方面、通过使用诸如数据等等之类的术语、与本领域技术人员通常采用来向本领域其他技术人员传达其工作实质的方式一致地呈现了描述的部分。如本领域技术人员很好地理解的，这些量采取能够被存储、传递、组合和以其它方式通过计算机系统的机械和电气组件被操纵的电气、磁性或光学信号的形式；并且术语计算机系统包括通用以及专用数据处理机器、路由器、桥接器、交换机等等，其是独立的、附属的或嵌入式的。

另外，各种操作将进而以对理解本发明有帮助的方式被描述为多个分立的步骤。然而，描述的次序不应当被解释为暗示这些操作必定是取决于次序、特别是其呈现次序的。

在说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及意味着结合实施例所描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。

短语“在一个实施例中”在说明书中各处的出现不一定全指代同一实施例。

Claims (21)

1.一种用于测试自主系统的方法，关于所述自主系统存在虚拟映像，所述虚拟映像包括自主组件的至少一个虚拟映像，所述方法包括以下步骤：

a)获取组件数据，其提供关于自主组件的至少一个虚拟映像的移动的信息；

b)在虚拟映像中创建能够在虚拟映像内移动的至少一个虚拟对象；

c)在虚拟映像中生成在至少一个虚拟对象或/和至少一个组件的虚拟映像周围的语料库，所述语料库限定一体积，所述体积不能被自主组件的至少一个虚拟映像或虚拟对象进入；

d)在虚拟映像中表示至少一个虚拟对象或/和自主组件的至少一个虚拟映像的移动，所述移动受限制是因为不能进入任何语料库的体积；

e)获取与至少一个虚拟对象或/和自主组件的至少一个虚拟映像的移动相关的反应数据；

f)考虑反应数据而评估至少一个虚拟对象或/和自主组件的至少一个虚拟映像的移动的可行路线。

2.根据权利要求1所述的方法，其中用于评估移动的可行路线的一个准则是要避免在所述至少一个虚拟对象与自主组件的至少一个虚拟映像之间的碰撞。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中关于移动的所评估的可行路线的数据从自主系统的虚拟映像被传递到自主系统。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤a)中，通过以下中的至少一个来形成组件数据：

-来自自主组件上或自主组件处的传感器的传感器数据；

-来自自主系统的场所上或该处的传感器的传感器数据；

-关于自主组件的移动的数据；

-对自主组件的行为进行模拟的模拟数据；

-通过虚拟映像内的移动所生成的虚拟现实数据。

5.根据权利要求4所述的方法，其中当移动通过自主系统的虚拟映像的时候通过虚拟映像内的移动所生成的虚拟现实数据是通过使用虚拟现实眼镜所创建的数据。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在至少一个虚拟对象或/和自主组件的至少一个虚拟映像周围所创建的语料库中的至少一个具有框形状。

7.根据权利要求1所述的方法，其中在至少一个虚拟对象或/和至少一个组件周围的语料库取决于自主组件的另外的虚拟映像的存在和/或速度的方向和/或速度的大小而可变。

8.根据权利要求7所述的方法，其中语料库具有框的形状，所述框的边缘在移动的方向上或/和相对于速度的大小而被延长。

9.根据权利要求6所述的方法，其中对于自主组件的另外的虚拟映像的存在，其在自主系统的虚拟映像的预定义的区段内的数目或/和自主组件的至少一个虚拟映像的类型被考虑。

10.根据权利要求9所述的方法，其中其危险可能性也被考虑。

11.根据权利要求7或9所述的方法，其中取决于以下各项中的至少一个来确定危险可能性：

-现实自主组件的大小或/和；

-可能的移动的范围

-速度范围

-加速度的方向或/和大小；

-自主组件的移动部分的重量。

12.根据权利要求11所述的方法，其中移动部分是机械臂。

13.根据权利要求6所述的方法，其中语料库是可变的，因为它能够被关断。

14.根据权利要求6所述的方法，其中在步骤e)中，在自主系统的虚拟映像或现实自主系统中发生对反应数据的获取。

15.根据权利要求6所述的方法，其中在如在虚拟映像中所表示的现实自主系统处于操作中并且组件数据被模拟或/和取自自主系统的已经存在的部分之前执行测试。

16.根据权利要求6所述的方法，其中当现实自主系统处于操作中的时候执行测试，并且其中为了测试、在第一时间点处的过程与稍后的时间点处的相同过程之间执行比较。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述测试是回归测试。

18.根据权利要求6所述的方法，其中语料库被形成使得它包括至少一个凹处，这样的凹处内的体积从不被允许进入的语料库的体积中被排除。

19.根据权利要求18所述的方法，其中对于被排除的体积，取决于对象而安装用于访问的规则，被排除的体积被允许进入或/和被允许仅仅由对象或/和工件进入。

20.自主系统，用于在生产中使用，包括至少一个自主组件，对于其中的至少部分存在虚拟映像，在其上按照根据权利要求1至19中之一的方法来执行测试。

21.数据载体，在其上存储指令，当被执行时导致计算设备执行根据权利要求1-19之一所述的方法。

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