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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines
mobilen Bodenbearbeitungsgerätes,
wobei das Bodenbearbeitungsgerät selbstfahrend
und selbstlenkend ausgestaltet ist und eine Bodenbearbeitungseinheit,
eine Antriebseinheit und eine Steuereinheit zum Steuern der Bewegung des
Bodenbearbeitungsgerätes
aufweist, wobei der Steuereinheit zumindest ein Fühler zum
Erkennen von Hindernissen zugeordnet ist und der Steuereinheit zumindest
ein Fortbewegungsmuster zum Befahren der zu bearbeitenden Bodenfläche vorgebbar ist,
und wobei man das Bodenbearbeitungsgerät mit Sensoren zum Erfassen
der Außenkontur
der zu bearbeitenden Bodenfläche
ausstattet und die Außenkontur
der Bodenfläche
erfasst.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein selbstfahrendes und selbststeuerndes Bodenbearbeitungsgerät zur Durchführung des
Verfahrens, mit einer Bodenbearbeitungseinheit, einer Antriebseinheit und
einer Steuereinheit zum Steuern der Bewegung des Bodenbearbeitungsgerätes, wobei
der Steuereinheit zumindest ein Fühler zum Erkennen von Hindernissen
zugeordnet ist und der Steuereinheit zumindest ein Fortbewegungsmuster
zum Befahren der zu bearbeitenden Bodenfläche vorgebbar ist, und wobei
das Bodenbearbeitungsgerät
Sensoren zum Erfassen der Außenkontur
der Bodenfläche
aufweist und mittels der Steuereinheit die Bodenfläche in Teilsegmente
segmentierbar ist.
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Selbstfahrende
und selbststeuernde Bodenbearbeitungsgeräte ermöglichen die Bearbeitung, beispielsweise
die Reinigung, einer Bodenfläche ohne
den Einsatz einer Bedienungsperson. Das Bodenbearbeitungsgerät wird entlang
der zu bearbeitenden Bodenfläche
verfahren. Hierzu kann der Steuereinheit ein Fortbewegungsmuster,
d. h. ein Fahrtrichtungsverlauf, vorgegeben werden, so daß das Bodenbearbeitungsgerät selbsttätig diesem
Fortbewegungsmuster folgt, um die zu bearbeitende Bodenfläche möglichst
flächendeckend
zu befahren. Der Fahrtrichtungsverlauf kann beispielsweise dem Zufallsprinzip
folgen, indem das Bodenbearbeitungsgerät nach dem Auftreffen auf ein
Hindernis seine Fahrtrichtung um einen zufälligen Winkel ändert und die
so gewählte
Fahrtrichtung dann solange beibehält, bis es erneut auf ein Hindernis,
beispielsweise auf eine die Bodenfläche begrenzende Wand auftrifft. Es
kann auch vorgesehen sein, daß ein
zufälliger Fahrtrichtungsverlauf
mit einem vorgegebenen Grundmuster, beispielsweise einer Spirale,
einem Mäander
oder einer Schlangenlinie, kombiniert wird, wie dies in der
DE 198 49 978 C2 beschrieben
ist. In diesem Falle wird ein Teilsegment der zu bearbeitenden Bodenfläche entsprechend
dem vorgegebenen Grundmuster befahren, und nach der vollständigen Überdeckung
dieses Teilsegmentes kann dann das Bodenbearbeitungsgerät in eine
nach dem Zufallsprinzip ausgewählte
Richtung fahren, um nach Zurücklegung
einer vorgegebenen Wegstrecke erneut dem Grundmuster zu folgen.
Bei Einsatz derartiger Fortbewegungsmuster kann das Bodenbearbeitungsgerät kostengünstig hergestellt
werden, da nur wenige Sensoren zum Einsatz kommen müssen. Allerdings
ist die vollständige
Bearbeitung der Bodenfläche
zeitaufwendig, denn eine vollständige
Flächendeckung
wird aufgrund des zum Einsatz kommenden Zufallsprinzips nur asymptotisch
erreicht.
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In
der
EP 0 382 693 B1 wird
vorgeschlagen, ein Teilsegment der zu bearbeitenden Bodenfläche anhand
eines vorgegebenen Fahrtrichtungsverlaufs flächendeckend zu befahren und
danach das Bodenbearbeitungsgerät
in eine durch möglicherweise
auftretende Hindernisse sowie das vorgegebene Grundmuster definierte
Richtung zu verfahren, um dann erneut dem Grundmuster zu folgen.
Eine derartige Fahrstrategie erfordert den Einsatz verbesserter Sensoren
sowie einer nicht unbeträchtlichen
Rechenkapazität
für die
Steuereinheit, und dennoch ist eine vollständige Flächendeckung nur mit beträchtlichem
Zeitaufwand zu erzielen.
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Um
eine vollständige
Flächendeckung
innerhalb verhältnismäßig kurzer
Zeit erzielen zu können, könnte der
Steuereinheit ein an die Form der Bodenfläche und die darauf befindlichen
Hindernisse speziell angepaßter
Fahrtrichtungsverlauf vorgegeben werden. Dies würde allerdings einen ganz erheblichen
sensorischen Aufwand erfordern, außerdem wäre es softwaretechnisch schwierig,
alle Eventualitäten
der möglichen
Umgebungsgeometrie zu berücksichtigen.
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Die
US 5,896,488 A beschreibt
ein mobiles Bodenbearbeitungsgerät
in Form eines selbstfahrenden Reinigungsroboters sowie ein Verfahren
zu dessen Steuerung. Während
einer Orientierungsfahrt werden mittels Ultraschallsensoren Abstände des Reinigungsroboters
zu den die zu reinigende Bodenfläche
einfassenden Wänden
erfasst und an eine Steuereinheit übermittelt, die sukzessive
eine Karte der zu reinigenden Bodenfläche erstellt. Um übermäßigen Speicherplatz
zu vermeiden, unterteilt die Steuereinheit die Bodenfläche in rechteckförmige Teilsegmente,
deren Begrenzungslinien durch die die Bodenfläche einfassenden Wände definiert
sind.
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Weitere
mobile Bodenbearbeitungsgeräte
in Form von selbstfahrenden Reinigungsrobotern sind in der
DE 43 40 771 C2 und
in der
WO 00/07492
A1 beschrieben.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung der
Bewegung eines mobilen Bodenbearbeitungsgerätes der eingangs genannten
Art derart weiterzubilden, daß eine
voll ständige
Flächendeckung
mit verhältnismäßig geringem
Aufwand an Sensoren und an Rechenkapazität erzielt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die
Bodenfläche
dann in einzelne Teilsegmente unterteilt, deren Anzahl von der Größe der Bodenfläche abhängt, wobei
man die Teilsegmente nacheinander anhand eines vorgegebenen Fortbewegungsmusters
bearbeitet und nach der Bearbeitung von einem oder von mehreren
Teilsegmenten die Lage des Bodenbearbeitungsgerätes anhand von einem oder von
mehreren Referenzpunkten ermittelt, die man aus den Sensordaten
der die Außenkontur
erfassenden Sensoren bestimmt.
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In
die Erfindung fließt
der Gedanke mit ein, daß einzelne
Teilsegmente einer zu bearbeitenden Bodenfläche selbst mit einem geringen
Aufwand an Sensoren flächendeckend
gereinigt werden können. Die
zu bearbeitende Bodenfläche
wird daher in einzelne Teilsegmente unterteilt, wobei hierzu zunächst die
Außenkontur
der Bodenfläche
erfaßt
wird und dann eine Segmentierung vorgenommen wird. Dies gibt die
Möglichkeit,
eine verhältnismäßig kleine
Bodenfläche
in nur wenige Teilsegmente zu unterteilen, während eine große Bodenfläche in eine
Vielzahl von Teilsegmente gegliedert wird, die nacheinander bearbeitet
werden können.
Das Befahren der einzelnen Teilsegmente erfolgt anhand eines vorgegebenen Fortbewegungsmusters.
Beispielsweise kann das Bodenbearbeitungsgerät zur Bearbeitung eines Teilsegmentes
mäanderförmig, schlangenlinienförmig, spiralförmig oder
flächenförmig verfahren
werden.
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Um
zu vermeiden, daß einzelne
Teilsegmente mehrmals befahren werden, führt das Bodenbearbeitungsgerät nach dem
Bearbeiten von einem oder mehreren Teilsegmenten eine Selbstreferenzierung oder
Selbstlokalisation durch, indem es seine Lage anhand von Referenzpunkten
ermittelt. Die Referenzpunkte werden aus den Sensordaten bestimmt, die
von den die Außenkontur
der Bodenfläche
erfassenden Sensoren gewonnen werden. Anhand der durch Selbstreferenzierung
gewonnenen Information über
seine Lage kann dann das Bodenbearbeitungsgerät ein noch nicht bearbeitetes
Teilsegment ansteuern und dieses anschließend bearbeiten, so daß letztlich
innerhalb verhältnismäßig kurzer
Zeit eine flächendeckende
Bearbeitung der gesamten Bodenfläche
erzielt wird, wobei das mehrmalige Bearbeiten einzelner Teilsegmente
vermieden werden kann.
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Die
einzelnen Teilsegmente werden möglichst
flächendeckend
befahren, wobei innerhalb eines Teilsegmentes auftretende Hindernisse,
beispielsweise Möbelstücke, unter
Einsatz des Hinderniserkennungsfühlers
umfahren werden.
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Vorzugsweise
unterteilt man die Bodenfläche
in einander überlappende
Teilsegmente. Dadurch kann auf konstruktiv einfache Weise sichergestellt
werden, daß zwischen
einzelnen bearbeiteten Teilsegmenten keine unbearbeiteten Flächenbereiche
verbleiben.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
paßt man
die Form der Teilsegmente an die Außenkontur der Bodenfläche an.
Dadurch kann die Anzahl der zu bearbeitenden Teilsegmente verringert
werden. Beispielsweise können
für eine
rechteckige Bodenfläche auch
rechteckige Teilsegmente zum Einsatz kommen.
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Günstig ist
es, wenn man die Form der Teilsegmente an ein vorgegebenes Fortbewegungsmuster
anpaßt.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn man der Steuereinheit mehrere Fortbewegungsmuster
vorgibt, die alternativ zum Befahren eines Teilsegmentes zum Einsatz
kommen können.
Dies gibt die Möglichkeit,
die Teilsegmente sowohl an die Außenkontur der Bodenfläche als
auch an ein vorgegebenes Fortbewegungsmuster anzupassen. Beispielsweise
können
rechteckige Teilsegmente bei einer rechteckigen Bodenfläche gewählt werden,
wobei die einzelnen Teilsegmente dann schlangenlinienförmig befahren werden.
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Als
besonders günstig
haben sich wabenförmige
Teilsegmente, insbesondere sechseckförmige Teilsegmente, vor allem
regelmäßige Sechsecke
herausgestellt, da diese vom Bodenbearbeitungsgerät spiralförmig befahren
werden, wobei innerhalb kurzer Zeit eine vollständige Flächendeckung erzielbar ist.
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Um
auf konstruktiv einfache Weise eine möglichst flächendeckende Bearbeitung der
einzelnen Teilsegmente zu erzielen, ist es von Vorteil, wenn man
zum Befahren eines Teilsegmentes die innerhalb des Teilsegmentes
zurückgelegte
Wegstrecke sowie die durchgeführten
Richtungsänderungen
erfaßt
und zur Navigation des Bodenbearbeitungsgerätes innerhalb des Teilsegmentes
heranzieht. Die Ortsbestimmung des selbstfahrenden und selbststeuernden
Bodenbearbeitungsgerätes
erfolgt somit innerhalb eines Teilsegmentes odometrisch, indem man
die Position und die Fahrtrichtung des Bodenbearbeitungsgerätes aufgrund
der gemessenen zurückgelegten
Wegstrecke und der vorgenommenen Fahrtrichtungsänderungen bestimmt. Hierzu
kann vorgesehen sein, daß den
Antriebsrädern
des Bodenbearbeitungsgerätes
jeweils ein Encoder zugeordnet ist, mit dessen Hilfe die Anzahl
der Umdrehungen der Antriebsräder
bestimmt und daraus die zurückgelegte
Wegstrecke berechnet werden kann. Eine derartige odometrische Selbstlokalisierung
des Bodenbearbeitungsgerätes
ist grundsätzlich
mit einem Fehler behaftet aufgrund des unterschiedlichen Schlupfes
der Antriebsräder.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren
können
allerdings die Teilsegmente so klein gewählt werden, daß bereits
durch odometrische Messungen sichergestellt werden kann, daß eine flächendeckende
und effiziente Bearbeitung erfolgt. Nach der Bearbeitung von einem
oder mehreren Teilsegmenten wird dann eine von den odometrischen
Daten unabhängige
Selbstlokalisierung durchgeführt.
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Die
Bestimmung der Außenkontur
der zu bearbeitenden Bodenfläche
kann auf vielfältige
Weise durchgeführt
werden, beispielsweise mit Hilfe einer Kamera zum Erstellen einer
Karte oder auch mittels eines Laserstrahles, der vom Bodenreinigungsgerät ausgesandt
und von den die Bodenfläche
begrenzenden Wänden
reflektiert wird. Der Laserstrahl wird fächerförmig über die gesamte zu bearbeitende
Bodenfläche
ausgesandt, so daß anhand
der jeweils ermittelten Entfernungen die Außenkontur der Bodenfläche erfaßt werden
kann.
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Alternativ
kann die Außenkontur
der Bodenfläche
beispielsweise mittels Radar oder mittels Ultraschallsensoren bestimmt
werden.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
verfährt
man das Bodenbearbeitungsgerät
zur Bestimmung der Außenkontur
der Bodenfläche
an den die Bodenfläche
begrenzenden Wänden
entlang, wobei man während
der Fahrt mittels der Sensoren gewonnene Sensordaten, die mit der
Außenkontur
der Bodenfläche
korrelieren, weg- und/oder zeitabhängig in einem Speicher abspeichert.
Die gewonnenen Sensordaten werden somit unter Zuordnung der während der
Wandverfolgungsfahrt zurückgelegten
Wegstrecke und/oder der entsprechenden Fahrtzeit abgespeichert.
So kann beispielsweise vorgesehen sein, daß man während der Wandverfolgungsfahrt
die zurückgelegte
Wegstrecke und die durchgeführten Richtungsänderungen
erfaßt
und in einem Speicher abspeichert. Das Bodenbearbeitungsgerät führt somit
zu Beginn der Bearbeitung einer Bodenfläche zunächst eine Fahrt entlang der
die Fläche
begrenzenden Wänden
aus, und beispielsweise aufgrund der erfaßten Wegstrecke und der durchgeführten Richtungsänderungen
kann die Kontur auf einfache Weise bestimmt werden.
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Als
Sensordaten, die während
der Wandverfolgungsfahrt gewonnen werden können und die mit der Außenkontur
der Bodenfläche
korrelieren, eignen sich beispielsweise auch Abstandsdaten, die
von einem den Abstand des Bodenbearbeitungsgerätes zu der jeweiligen Wand
erfassenden Sensor bereitgestellt und zeitabhängig abgespeichert werden.
Das Bodenbearbeitungsgerät
kann hierbei in möglichst gleichbleibendem
Abstand entlang der die Bodenfläche
begrenzenden Wände
verfahren werden, und die beispielsweise in Intervallen von etwa
50 ms bis ca. 500 ms erfaßten
Abstandsdaten können
zeitabhängig,
d. h. unter Zuordnung der jeweiligen Fahrtzeit, abgespeichert werden.
Aus den so gewonnenen Abstandsdaten kann dann auf einfache Weise
die Außenkontur
der Bodenfläche
bestimmt werden.
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Eine
Wandverfolgungsfahrt zu Beginn der Bearbeitung einer Bodenfläche hat
auch den Vorteil, daß man
aus den während
der Fahrt des Bodenbearbeitungsgerätes entlang der die Bodenfläche begrenzenden
Wänden
gewonnenen Sensordaten zur Bestimmung von Referenzpunkten einzelne
oder mehrere Sensordaten extrahieren kann. Die Referenzpunkte können dann
nach der Bearbeitung einer oder mehrerer Teilsegmente zur Selbstlokalisierung des
Bodenbearbeitungsgerätes
eingesetzt werden. Derartige Referenzpunkte bilden natürliche Landmarken,
die von der Außenkontur
der Bodenfläche vorgegeben
sind und die Selbstlokalisierung des Bodenbearbeitungsgerätes ermöglichen.
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Wie
bereits erläutert,
stellen beispielsweise die während
einer Wandverfolgungsfahrt durchgeführten Richtungsänderungen
Sensordaten dar, die mit der Außenkontur
der Bodenfläche
korrelieren. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
extrahiert man zur Bestimmung von Referenzpunkten einzelne oder mehrere
der durchgeführten
Richtungsänderungen des
Bodenbearbeitungsgerätes
während
seiner Fahrt entlang der die Bodenfläche begrenzenden Wände. Die
Richtungsänderungen
können
hierbei mittels den Antriebsrädern
des Bodenbearbeitungsgerätes
zugeordneten Encoder auf konstruktiv einfache Weise erfaßt werden,
denn bei einer Richtungsänderung
führen
die Antriebsräder
einer unterschiedliche Anzahl von Umdrehungen durch, so daß aufgrund
der unterschiedlichen Umdrehungszahl mit sehr geringem softwaremäßigem Aufwand
eine Richtungsänderung
des Bodenbearbeitungsgerätes
erfaßt
werden kann, d. h. es kann der Winkel berechnet werden, um den sich
die Fahrtrichtung ändert.
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Zur
Bestimmung von Referenzpunkten kann auch vorgesehen sein, daß man einzelne
oder mehrere Abstandsdaten, die während der anfänglichen Wandverfolgungsfahrt
gewonnen wurden, extrahiert und als natürliche Landmarken einsetzt.
Diese können
dann mit zu einem späteren
Zeitpunkt bei einer erneuten Wandverfolgungsfahrt gewonnenen Abstandsdaten
verglichen werden zur Selbstlokalisierung des Bodenbearbeitungsgerätes.
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Wie
bereits erläutert,
ermöglicht
es die Bestimmung der Referenzpunkte, nach der Bearbeitung von einem
oder mehreren Teilsegmenten eine Selbstlokalisierung des Bodenbearbeitungsgerätes durchzuführen. Hierbei
ist es günstig,
wenn man nach der Bearbeitung von einem oder mehreren Teil segmenten
das Bodenbearbeitungsgerät
erneut entlang von einer oder mehreren die Bodenfläche begrenzenden
Wänden
verfährt
und die Lage des Bodenbearbeitungsgerätes aus dem Vergleich von während der
anfänglichen
Wandverfolgungsfahrt gewonnenen Sensordaten mit nach der Bearbeitung von
mindestens einem Teilsegment gewonnenen Sensordaten bestimmt. Aufgrund
der somit gewonnenen Lageinformation kann dann vom Bodenbearbeitungsgerät ein noch
nicht bearbeitetes Teilsegment angesteuert und dieses anschließend bearbeitet
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich insbesondere zur Steuerung eines Bodenreinigungsgerätes.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es auch, ein selbstfahrendes und
selbststeuerndes Bodenbearbeitungsgerät der eingangs genannten Art zur
Durchführung
des Verfahrens bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Bodenbearbeitungsgerät der gattungsgemäßen Art
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Anzahl der Teilsegmente abhängig
von der Größe der Bodenfläche wählbar ist,
daß die
Teilsegmente nacheinander anhand eines vorgegebenen Fortbewegungsmusters befahrbar
und bearbeitbar sind und daß das
Bodenbearbeitungsgerät
ein Lokalisierungsglied umfaßt zum
Bestimmen der Lage des Bodenbearbeitungsgerätes anhand von einem oder mehreren
Referenzpunkten, die aus den Sensordaten der die Außenkontur
erfassenden Sensoren bestimmbar sind.
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Eine
derartige Ausgestaltung des Bodenbearbeitungsgerätes ermöglicht eine Segmentierung der
zu bearbeitenden Bodenfläche
und eine Selbstlokalisierung des Bodenbearbeitungsgerätes, wobei zur
Lokalisierung sensorisch erfaßte
Referenzpunkte, d. h. natürliche
Landmarken, der Außenkontur
der Bodenfläche
herangezogen werden können.
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Günstig ist
es, wenn die Steuereinheit ein Speicherglied zum Abspeichern mehrerer
Fortbewegungsmuster umfaßt,
wobei in Abhängigkeit
von der erfaßten
Außenkontur
der Bodenfläche
und/oder der Form der Teilsegmente ein bestimmtes Fortbewegungsmuster
selbsttätig
auswählbar
ist. Mittels der Steuereinheit kann die Bodenfläche in Teilsegmente segmentiert
werden, wobei die Segmentierung in Abhängigkeit von der erfaßten Außenkontur
der Bodenfläche
vorgenommen werden kann. Die einzelnen Teilsegmente können dann
mit vorgegebenem Fahrtrichtungsverlauf flächendeckend bearbeitet werden. Hierzu
können
im Speicherglied mehrere Fortbewegungsmuster, beispielsweise spiralförmige, mäanderförmige, schlangenlinienförmige und
fächerförmige Fortbewegungsmuster
vorgegeben werden, und in Anpassung an die Außenkontur der Bodenfläche und/oder
die Form der Teilsegmente kann mittels der Steuereinheit selbsttätig ein
Fortbewegungsmuster ausgewählt
werden, mit dessen Hilfe die Teilsegmente innerhalb möglichst
kurzer Zeit flächendeckend bearbeitet
werden können.
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Vorzugsweise
umfaßt
das Bodenbearbeitungsgerät
zum Erfassen der Außenkontur
der Bodenfläche
zumindest einen berührungslosen
Abstandssensor zur Ermittlung eines Abstandes, den das Bodenbearbeitungsgerät zu die
Bodenfläche
begrenzenden Wänden
einnimmt. Mittels des Abstandssensors können während einer anfänglichen Wandverfolgungsfahrt
in gleichmäßigen zeitlichen Abständen, beispielsweise
in Abständen
von 100 ms, Abstandsdaten gewonnen werden, die eine Außenkonturbestimmung
ermöglichen
sowie auch die Bestimmung von Referenzpunkten, indem aus den gewonnenen
Abstandsdaten eine Sequenz extrahiert wird, die mit zu einem späteren Zeitpunkt
gewonnenen Abstandsdaten verglichen werden.
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Von
Vorteil ist es, wenn das Bodenbearbeitungsgerät jeweils einem Antriebsrad
zugeordnete Encoder zur Ermittlung der Anzahl der Umdrehungen der
Antriebsräder
aufweist. Mittels des Abstandssensors kann auf konstruktiv einfache
Weise eine Wandverfolgungsfahrt durchgeführt werden, und mittels der
Encoder können
die zurückgelegte
Wegstrecke sowie Form und Anzahl der durchgeführten Fahrtrichtungsänderungen
auf konstruktiv einfache Weise erfaßt werden. Damit kann nicht
nur die Kontur der Bodenfläche
bestimmt werden, sondern es können aufgrund
der durchgeführten
Fahrtrichtungsänderungen
auch Referenzpunkte bestimmt werden.
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Der
Abstandssensor umfaßt
vorzugsweise einen Infrarotsender sowie einen Infrarotempfänger. Alternativ
und/oder ergänzend
können
eine Radareinheit, ein Ultraschallsensor oder auch ein Lasersensor
vorgesehen sein.
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Die
Lage des Bodenbearbeitungsgerätes
ist bei einer bevorzugten Ausführungsform
mittels des Lokalisierungsgliedes aus dem Vergleich von während einer
anfänglichen
Wandverfolgungsfahrt gewonnenen Sensordaten mit nach der Bearbeitung von
mindestens einem Teilsegment gewonnenen Sensordaten bestimmbar.
Dies gibt die Möglichkeit, nach
der Bearbeitung von einem oder mehreren Teilsegmenten das Bodenbearbeitungsgerät in Richtung auf
eine die Bodenfläche
begrenzende Wand zu verfahren und anschließend eine erneute Wandverfolgungsfahrt
durchzuführen,
um aus dem Vergleich der gewonnenen Sensordaten die Lage des Bodenbearbeitungsgerätes zu bestimmen.
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Das
Bodenbearbeitungsgerät
ist vorzugsweise als mobiles Bodenreinigungsgerät ausgestattet. Hierzu kann
die Bodenbearbeitungseinheit eine Saugeinheit und/oder eine Kehreinheit
umfassen zum Absaugen und/oder Kehren der Bodenfläche. Alternativ
und/oder ergänzend
können
eine Wisch- oder
Schrubbeinheit vorgesehen sein. Zum Wischen kann ein elektrostatisch
aufladbares Wischelement zum Einsatz kommen, beispielsweise ein
aufladbares Wischtuch.
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Die
nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient
im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
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1:
eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bodenbearbeitungsgerätes;
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2:
ein Blockdiagramm des Steuersystems des Bodenbearbeitungsgerätes;
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3:
eine Veranschaulichung des Fahrtrichtungsverlaufes des Bodenbearbeitungsgerätes zu Beginn
der Bearbeitung einer Bodenfläche
und
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4:
eine Veranschaulichung des Fahrtrichtungsverlaufes des Bodenbearbeitungsgerätes zur
flächendeckenden
Bearbeitung einer Bodenfläche.
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In
den 1 und 2 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Bodenbearbeitungsgerät in Form
eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 belegten Bodenreinigungsgerätes dargestellt.
Das Bodenreinigungsgerät 10 ist
selbstfahrend und selbststeuernd ausgestaltet und ermöglicht die
autonome Reinigung einer Bodenfläche.
Es umfaßt
ein Fahrwerk 12, an dem um eine gemeinsame Drehachse drehbar
zwei Antriebsräder 14, 16 gelagert
sind, denen jeweils ein Antriebsmotor 18 bzw. 19 zugeordnet
ist. Die Antriebsmotoren 18, 19 sind am Fahrwerk 12 gehalten
und stehen über
Steuerleitungen 21 bzw. 22 mit einer Steuereinheit 24 sowie
mit an sich bekannten, in der Zeichnung nicht dargestellten elektrischen
Batterien in elektrischer Verbindung. Die Antriebsräder 14, 16 und
die zugeordneten Antriebsmotoren 18 bzw. 19 bilden
eine Antriebseinheit des Bodenreinigungsgerätes 10.
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Unterseitig
weist das Fahrwerk 12 eine Schmutzeintrittsöffnung auf,
an der eine quer zur Hauptbewegungsrichtung 26 des Bodenreinigungsgerätes 10 ausgerichtete
Bürstenwalze 28 mit
einer Vielzahl von radial ausgerichteten Bürsten 29 drehbar gehalten
ist. Mittels der Bürsten 29 kann
von einer zu reinigenden Bodenfläche 30 Schmutz
aufgenommen und in einen Schmutzsammelbehälter überführt werden, der von einem Deckel 32 des
Bodenreinigungsgerätes 10 überdeckt
ist. Der an sich bekannte und deshalb in der Zeichnung nicht dargestellte Schmutzbehälter steht
mit einem dem Fachmann ebenfalls bekannten und daher in der Zeichnung nicht
dargestellten Saugaggregat in Strömungsverbindung, mit dessen
Hilfe im Bereich der der Bürstenwalze 28 benachbarten
Schmutzeintrittsöffnung
eine Saugströmung
in Richtung auf den Schmutzbehälter erzeugt
werden kann. Mittels der Saugströmung
wird die Aufnahme von Schmutz von der Bodenfläche 30 unterstützt. Die
Bürstenwalze 28 bildet
in Kombination mit dem Saugaggregat eine in 2 blockschaltartig
dargestellte Bodenreinigungseinheit 34, die über Steuerleitungen 35 mit
der Steuereinheit 24 gekoppelt ist.
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Das
Fahrwerk ist in Umfangsrichtung vollständig von einem Hinderniserkennungsfühler in Form
eines Tastringes 37 umgeben, der in an sich bekannter und
deshalb in der Zeichnung nicht dargestellter Weise mit mindestens
einem Hallsensor gekoppelt und schwimmend gelagert ist. Mittels
des zugeordneten Hallsensors kann eine Relativbewegung des Tastringes 37 bezogen
auf das Fahrwerk 12 erkannt werden. Eine derartige Relativbewegung
ergibt sich beim Auftreffen des Bodenreinigungsgerätes 10 auf
ein Hindernis. Tritt eine derartige Relativbewegung auf, so wird
ein Hinderniserkennungssignal generiert und über eine Signalleitung 38 an
die Steuereinheit 24 übertragen.
Aufgrund des Hinderniserkennungssignals kann von der Steuereinheit 24 zur
Umgehung des Hindernisses eine Fahrtrichtungsänderung durchgeführt werden,
indem die Antriebsmotoren 18, 19 zu einer Richtungsänderung
angesteuert werden.
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Seitlich
ist am Deckel 32 ein Abstandssensor in Form einer Infrarotsende/Empfangseinheit 40 angeordnet,
die über
eine Signalleitung 41 mit der Steuereinheit 24 verbunden
ist. Von der Infrarot-Sende/Empfangseinheit 40 wird der
Steuereinheit 24 ein Abstandssignal bereitgestellt, so
daß die
Steuereinheit 24 das Bodenreinigungsgerät 10 zu einer Fahrt mit
gleichbleibendem Abstand zu einem Hindernis, insbesondere zu einer
die Bodenfläche 30 begrenzenden
Wand, steuern kann.
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Den
Antriebsrädern 14, 16 ist
jeweils ein Encoder 43 bzw. 44 zugeordnet, der
die Umdrehungen des jeweiligen Antriebsrades 14 bzw. 16 erfaßt und der
Steuereinheit 24 jeweils über eine Signalleitung 45 bzw. 46 ein
Encoder-Signal bereitstellt. Die Steuereinheit 24 weist
ein Rechenglied 48 auf, dem die Encodersignale zugeführt werden
und das aus diesen die vom Bodenreinigungsgerät 10 zurückgelegte Wegstrecke
sowie etwaige Richtungsänderungen
ermittelt. Richtungsänderungen
können
hierbei aufgrund der unterschiedlichen Umdrehungszahlen der beiden
Antriebsräder 14 und 16 auf
einfache Weise erkannt werden. Auftretende Richtungsänderungen, d.
h. der Winkel, um den sich die Fahrtrichtung jeweils ändert, und
deren jeweilige Abstände
zueinander können
in einem ersten Speicherglied 50 der Steuereinheit 24 abgespeichert
werden.
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In
einem zweiten Speicherglied 52 der Steuereinheit 24 können mehrere
Fortbewegungsmuster gespeichert werden, die wahlweise zur Steuerung der
Bewegung des Bodenreinigungsgerätes 10 herangezogen
werden können.
So können
beispielsweise spiralförmige,
mäanderförmige, schlangenlinienförmige und
fächerförmige Fahrtrichtungsverläufe als Fortbewegungsmuster
im Speicherglied 52 gespeichert werden. Wie nachfolgend
erläutert,
kommen derartige Fortbewegungsmuster zum Befahren eines Teilsegmentes
der zu reinigenden Bodenfläche 30 zum
Einsatz.
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Die
Steuereinheit 24 weist ein Lokalisierungsglied 54 auf,
mit dessen Hilfe eine Selbstlokalisierung des Bodenreinigungsgerätes 10 durchgeführt werden
kann. Das Lokalisierungsglied 54 steht hierbei mit dem
ersten Speicherglied 50 in elektrischer Verbindung sowie
mit dem Rechenglied 48. Wie nachfolgend noch näher erläutert wird,
können bei
einer Wandverfolgungsfahrt auftretende Richtungsänderungen mit im ersten Speicherglied 50 abgespeicherten
Richtungsänderungen
und deren jeweiligen Abständen
verglichen werden. Die Abfolge derartiger Richtungsänderungen
ermöglicht
es dem Lokalisierungsglied 54, die Lage des Bodenbearbeitungsgerätes 10 zu
erkennen.
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Während einer
Reinigungsfahrt des Bodenreinigungsgerätes 10, wie sie in
den 3 und 4 schematisch dargestellt ist,
fährt das
Bodenreinigungsgerät 10,
ausgehend von einem beliebigen Startpunkt 60 zunächst in
eine beliebige Richtung, bis es auf eine die Bodenfläche 30 begrenzende Wand 61 auftrifft.
Anschließend
fährt es
in gleichbleibendem Abstand an den die Bodenfläche 30 begrenzenden
Wänden
entlang, im vorgegebenen Ausführungsbeispiel
fährt es
also an den Wänden 61 bis 68 entlang,
die die Bodenfläche 30 in
Umfangsrichtung begrenzen. Ausgehend von der Wand 61 fährt es zunächst in
Richtung auf die Wand 62. Beim Auftreffen auf die Wand 61 führt das
Bodenreinigungsgerät 30 eine
erste Richtungsänderung
a durch, fährt dann
an der Wand 62 entlang bis es auf die Wand 63 trifft
und dort eine zweite Richtungsänderung
b durchführt,
um in Höhe
der Wand 64 eine weitere Richtungsänderung c durchzuführen. Es
fährt anschließend an
der Wand 64 entlang bis es auf die Wand 65 trifft
und dort eine weitere Richtungsänderung
d durchführt.
Nach seiner Fahrt parallel zur Wand 65 trifft es auf die
Wand 66, wobei es eine weitere Richtungsänderung
e durchführt,
und beim anschliessenden Auftreffen auf die Wand 67 führt es eine
Richtungsänderung
f durch, an der sich in Höhe der
Wand 68 eine weitere Richtungsänderung g anschließt. Schließlich trifft
das Bodenreinigungsgerät 10 erneut
auf die Wand 61, wobei es eine Richtungsänderung
h durchführt,
um dann wieder parallel zur Wand 61 zu fahren, bis es wieder
auf die Wand 62 auftrifft. Die jeweiligen Richtungsänderungen
a bis h werden in Form der jeweiligen Winkel, um die sich die Fahrtrichtungen ändern, im
ersten Speicherglied 50 abgespeichert zusammen mit den
jeweiligen Abständen,
die sich zwischen den jeweiligen Richtungsänderungen a bis h einstellen.
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Die
anfängliche
Wandverfolgungsfahrt wird vom Bodenreinigungsgerät 10 solange durchgeführt, bis
es nach dem vollständigen
Umfahren der Bodenfläche 30 aufgrund
der sich dann bei der weiteren Wandverfolgung wiederholenden Richtungsänderungen
a, b und c erkennt, daß es
die Bodenfläche 30 vollständig umfahren
hat.
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Aus
den Informationen über
die vorgenommenen Richtungsänderungen
a bis h und den jeweiligen Abstandsinformationen wird anschließend vom Rechenglied 48 die
Kontur der Bodenfläche 30 bestimmt.
Daraufhin wird die Bodenfläche 30 wabenförmig segmentiert,
wie dies in 4 dargestellt ist, indem die
Bodenfläche 30 in
Teilsegmente 70 unterteilt wird, die die Bodenfläche 30 in
ihrer Gesamtheit vollständig überdecken.
Die Teilsegmente 70 können sich
hierbei gegenseitig überlappen,
dies ist in 4 zur Erzielung einer besseren Übersicht
nicht dargestellt.
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Nach
Abschluß der
anfänglichen
Wandverfolgungsfahrt und nach der Bestimmung der Kontur der Bodenfläche 30 und
deren Segmentierung wird vom Bodenreinigungsgerät 10 zunächst ein
erstes Teilsegment 70 unter Heranziehung eines im zweiten Speicherglied 52 abgespeicherten
vorgegebenen Fahrtrichtungsverlaufes befahren und flächendeckend
gereinigt. Hierbei kann beispielsweise ein spiralförmiger Fahrtrichtungsverlauf
zum Einsatz kommen, wie er aus 4 ersichtlich
ist. Gegebenenfalls auftretende Hindernisse werden umfahren, dies
ist in 4 zur Erzielung einer besseren Übersicht
nicht dargestellt.
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Innerhalb
eines Teilsegmentes 70 erfolgt die Lokalisierung des Bodenreinigungsgerätes 10 mittels der
Encoder 43 und 44, d. h. die Positionsbestimmung
innerhalb eines Teilsegmentes 70 erfolgt odometrisch anhand
der von den Antriebsrädern 14 und 16 zurückgelegten
Wegstrecke und der auftretenden Richtungsänderungen. Diese Lokalisierung
ist allerdings mit einem nicht unbeträchtlichen Fehler verbunden.
Das Bodenreinigungsgerät 10 führt deshalb nach
der flächendeckenden
Reinigung eines ersten Teilsegmentes 70 erneut eine Wandverfolgungsfahrt durch,
wie sie in 4 dargestellt ist, wobei hierbei auftretenden
Richtungsänderungen
d', e', f' vom Lokalisierungsglied 54 mit
den bereits im ersten Speicherglied 50 abgespeicherten
Richtungsänderungen verglichen
werden. Hierbei erkennt das Lokalisierungsglied, daß die Richtungsänderungen
d', e' und f' und deren jeweilige
Abstände
mit den entsprechenden Richtungsänderungen
d, e und f bzw. deren Ab stände
identisch sind, die während
der anfänglichen Wandverfolgungsfahrt
erfaßt
wurden. Aus der Abfolge der nach der Bearbeitung eines Teilsegmentes
erfaßten
Richtungsänderungen
kann somit das Bodenreinigungsgerät 10 auf konstruktiv
einfache Weise seine absolute Lage bestimmen, so daß anschließend ein
noch nicht bearbeitetes Teilsegment 70 befahren und flächendeckend
gereinigt werden kann. An die Reinigung des zweiten Teilsegmentes
schließt sich
dann erneut eine Selbstlokalisierung unter Zuhilfenahme der als
Referenzpunkte dienenden, während
der ersten Wandverfolgungsfahrt abgespeicherten Richtungsänderungen
an. Auf diese Weise kann innerhalb verhältnismäßig kurzer Zeit die Bodenfläche 30 flächendeckend
gereinigt werden, wobei eine mehrmalige Bearbeitung von Teilsegmenten
vermieden wird.