DE102004047130A1 - Umgebungsmodellierung für autonome mobile Systeme - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umgebungserfassung und Umweltmodellierung für autonome mobile Systeme wie Roboter, selbstlenkende Fahrzeuge etc. Die über Sensoren erfaßten Objekte und freien Bereiche werden erfindungsgemäß nach verschiedenen Aspekten und Vorgaben klassifiziert. Dabei erfolgt vorzugsweise auch eine Bewertung nach zeitlichen Kriterien. Durch Attributierung der Objekte und anderer Umgebungsdaten wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine kompakte, merkmalsbasierte digitale Datenbasis als Umweltmodell erstellt. Die komprimierten Umweltmodell-Daten sind für den jeweiligen aktuellen Planungsraum schnell abrufbar und ermöglichen eine entsprechend dynamische Wegeplanung bzw. reaktive Gitterplanung für die fortlaufende Aktualisierung einer digitalen Nahbereichs- und Fernbereichskarte. In der Kommunikation mit stationären oder anderen mobilen Systemen können die Daten schnell übermittelt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft autonome mobile Systeme, wie zum Beispiel selbst steuernde Fahrzeuge, Maschinen oder Roboter, die sich in einer Umgebung eigenständig orientieren und bewegen können.
  • Die Mehrzahl heutiger autonomer mobiler Systeme ist konzipiert für einen Aufenthalt innerhalb eines eingeschränkten Bewegungsraums mit bekannten Umgebungsdaten. Beispielsweise werden kleine automatische Transportgeräte in Lagerhallen eingesetzt, um Gegenstände von definierten Positionen im Bereich des Lagers abzuholen. Da in einer solchen abgeschlossenen Umgebung keine Hindernisse überraschend auftauchen können, genügen sehr einfache Systeme zur Steuerung des Fahrprozesses. So werden häufig nur fest einprogrammierte Wege abgefahren, entsprechend einem virtuellen Schienensystem. Bekannt sind auch Systeme mit einer gewissen Flexibilität und Orientierungsfähigkeit, welche vorgegebene Freiräume und Verfahrwege beispielsweise durch Abtastung speziell dafür angebrachter Markierungen (Metallstreifen auf dem Boden, Linien oder Markierungspunkte an den Wänden etc.) einhalten. Aufwändigere Systeme verfügen über Sensoreinrichtungen, die je nach Ausgestaltung und Verarbeitungskapazität eine mehr oder weniger genaue und ausreichend schnelle Erfassung von Umgebungsdaten ermöglichen. Derartig ausgestattete Transportgeräte oder Roboter können teilweise auch dynamische Veränderungen (blo ckierte Wege durch bewegliche Objekte) bei der Wegeplanung berücksichtigen und sich daher in gewissem Umfang auch außerhalb statischer Umgebungsverhältnisse eigenständig bewegen.
  • Die autonome Navigation in dynamisch veränderlicher Umgebung ist mit den bisherigen Techniken nur eingeschränkt möglich. Je nach Komplexität (viele unterschiedliche Objekte) und Dynamik (schnelle Objektbewegungen) des Umfelds können Probleme beim kontinuierlichen Erfassen der verschiedenen beweglichen und unbeweglichen Objekte auftreten, so dass dann interaktiv aufgestellte Umgebungsmodelle nicht richtig (Kollisionsgefahr und damit notwendige Neuplanung) oder zumindest nicht optimal (unnötige Umwege) sind.
  • Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur autonomen Orientierung in dynamischer Umgebung zu entwickeln, dass sich durch eine verbesserte Umweltmodellierung auszeichnet. Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Details und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist gegliedert in eine Reihe sich ergänzender Verfahrensmodule, die vorzugsweise bei der Umwelterfassung und Umweltmodellierung zeitlich parallel ablaufen, um so eine schnelle Planung und damit hohe Reaktionsfähigkeit zu gewährleisten. Zunächst erfolgt, beispielsweise während einer Orientierungsfahrt, unter Einbezug diverser Sensordaten die Identifizierung von unterschiedlichen Umgebungselementen, wie z.B. bewegliche Objekte, statische Hindernisse, freie Wege, vorhandener Aktionsraum usw. Die so gesammelten Primärinformationen werden nach verschiedenen Kriterien klassifiziert und daraus ein aktuelles Umweltmodell mit bewerteten Elementen entworfen. Diese merkmalsbasierten Umweltdaten werden fortlaufend ergänzt bzw. aktualisiert. Parallel erfolgt die Aufzeichnung der gefahrenen Wege (Trajektorien), sowie Generierung bzw. Aktualisierung einer digitalen Nahbereichs- und Fernbereichskarte (lokale und globale Kartengenerierung) als Planungsbasis für zukünftige Operationen.
  • In besonders vorteilhafter Weise werden dabei gespeicherte Trajektorien in Abhängigkeit wenigstens eines Bewegungsparameters des autonomen mobilen Systems optimiert, wobei es sich bei den Bewegungsparametern z.B. um die Geschwindigkeit des autonomen mobilen Systems oder die zurückgelegte Wegstrecke handelt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass e sich dabei um ein bestimmtes Zeitintervall handelt. Eine Optimierung von bereits gespeicherten Trajektorien kann im Nachhinein, beispielsweise nach Zurücklegen von jeweils z.B. 5 Metern Wegstrecke, stattfinden. Anhand dieser optimierten Trajektorien (Kanten) kann insbesondere das Fahrverhalten des autonomen mobilen Systems verbessert werden. Zu jeder Kante existiert dabei ein definierter Anfangs- und Endpunkt, zusätzlich können jeder Kante weitere Attribute zugeordnet sein (z.B. Weglänge die dieser Kante in der realen Szene entspricht oder die Zeitdauer die für das Zurücklegen der der Kante entsprechenden Wegstrecke in der realen Szene bei einer bestimmten Geschwindigkeit benötigt wird). Mittels eines Kantengenerators können aus den einzelnen Kanten sodann Wegenetze generiert werden, wobei diese sowohl uni- als bidirektional ausgelegt sein können uns aus Geraden und Krümmungen bestehen können. Die in Wegenetzen enthaltenen Kanten sich dabei unabhängig voneinander kreuzen oder abhängig ineinander übergehen, wobei diese Übergänge mittels Knoten realisiert werden.
  • Sind vorab bereits Weltmodelldaten vorhanden (z.B. Grundrisse von Lagerhallen, Werksgelände, Parkhäuser, Wegenetze usw.), so können diese Informationen als initiale Basis genutzt werden, auf der dann die weitere Aktualisierung und Präzisierung erfolgt. Dabei können auch unvollständige Daten genutzt werden, z.B. nur Kartenabschnitte oder ungenaue Angaben über vorhandene Objekte, die dann im Zuge der autonomen Orientierung vervollständigt werden.
  • Alle gesammelten Daten werden „zeitbehaftet" aufgezeichnet, d.h. die jeweiligen Umweltelemente sind danach in der Weise mit zeitlichem Attribut gestaffelt abgelegt, wie sie bei der Orientierungsfahrt detektiert wurden. Zusätzlich werden Erfahrungswerte oder statistische Erwartungswerte über einen zeitlichen Verbleib eines beweglichen Hindernisses (z.B. ein Fahrzeug) oder Freiraums (Parkplatz) eingearbeitet. Damit können erfasste Umweltelemente – je nach Art und Aufgabe des autonomen mobilen Systems – in ihrer Relevanz auch nach zeitlichen Aspekten bewertet werden. Für die zukünftige Wegeplanung steht somit ein mehrstufiges Umweltmodell zur Verfügung.
  • Damit das Volumen der gesammelten Umweltdaten nicht übermäßig anwächst, können für die weitere Planung Datenreduktionen (z.B. durch Approximation von Hindernissen als Polygone, insbesondere als Hindernis-Polygonzug oder als Darstellung freier Bereiche als Kantenzüge, Ablage erkannter Objekte über Identifizierungscodes usw.) durchgeführt werden. Damit entsteht ein komprimiertes Umweltmodell, das einerseits laufend für die kontinuierliche dynamische Wegeplanung abrufbar ist und andererseits auch – beispielsweise für eine Kooperation mit anderen autonomen Systemen – schnell kommunizierbar ist.
  • Die verschiedenen ineinandergreifenden Abläufe werden im Folgenden anhand eines Durchführungsbeispiels detaillierter dargestellt:
    Zur Umwelterfassung und -modellierung startet das mobile System von einem beliebigen Ausgangspunkt A zu einem vorgegebenen Zielpunkt B entlang eines ersten freien Wegestücks, welches beispielsweise durch die dafür vorgesehenen Sensoren im Nahbereich detektiert wird, wobei bereits auch eingegebene Umweltdaten für eine erste Selbstplanung genutzt werden können (autonome „Erstfahrt"). Alternativ kann in einer „Trainingsfahrt" das mobile System auch durch einen Fahrer gesteuert werden oder nur vorgegebene Trajektorien abfahren, so dass eine lokale Wegeplanung praktisch entfällt und nur die weiteren Prozessschritte zur Umwelterfassung und -modellierung durchgeführt werden müssen.
  • Während des Bewegungsvorgangs werden parallel Umgebungsdaten gesammelt. Über entsprechende Sensoren (z.B. Laser-, Ultraschall-, Radar-, Kamerasysteme) werden Objekte detektiert und in ihren Dimensionen und ihrer Lage dreidimensional erfaßt. Parallel werden in gleicher Weise freie Wege erkannt und Freiräume identifiziert, die als Aktionsflächen – beispielsweise für eventuelle Ausweichmanöver – genutzt werden können oder auch als Wartebereich (Parken, Abstellen mitgeführter Lasten) in Frage kommen.
  • Alle erfaßten Objekte und Freiräume (einschließlich des vom mobilen System benutzen freien Fahrbereichs) werden fortlaufend – beispielsweise schematisiert als Kantenzüge, Polyeder oder Polygone – einem gespeicherten digitalen Modell der Umgebung hinzugefügt bzw. mit vorhandenen Weltmodelldaten (z.B. einer unvollständigen initialen Basis) verglichen und diese entsprechend aktualisiert.
  • Zur Reduzierung der Datenmenge kann bereits die Objekterfassung in komprimierter Form erfolgen, indem beispielsweise horizontale Koordinaten mit relativ hoher Auflösung gespeichert werden, vertikal verlaufende Bereiche – da weniger kritisch – nur mit reduzierter Genauigkeit, beispielsweise nur als grobe Schwellenwertangaben (Höhe einer Bordsteinkante, lichte Höhe bei Unterführungen usw.). Werden Objekte eines bekannten Typs identifiziert, so können statt schematischer Approximation durch Kantenzüge oder Polyeder auch die für diesen Objekttyp gespeicherten Parameter direkt abgerufen werden.
  • Die verschiedenen detektierten Elemente der Umgebung werden erfindungsgemäß nach unterschiedlichen Bewertungskriterien klassifiziert. Sondierte Freiräume werden beispielsweise eingestuft nach ihrer Relevanz unter fahrtechnischen Aspekten: Freiraum kann u.U. (richtungsabhängig, je nach Zielvorgabe) als Fahrweg genutzt werden; Freiraum besitzt ausreichende Abmessungen für eventuell erforderliche Ausweichmanöver (Gegenverkehr); Freiraum geeignet als Warteposition (Parken); Freiraum geeignet für Ablage von mitgeführten Lasten; etc. Über diese Abstufung nach geometrischen bzw. fahrtechnischen Vorgaben hinaus können auch zeitliche Aspekte in die Bewertung mit einfließen. So kann beim erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise berücksichtigt werden, dass ein vorhandener Parkplatz gemäß statistischer Erfahrungswerte nur für eine begrenzte Zeit vorhanden sein wird.
  • Erfaßte Objekte können zunächst in die primäre Kategorie „beweglich" und „unbeweglich" eingeteilt werden. Diese erste Grobeinteilung kann dann nach weiteren Aspekten differenziert werden:
    Unbewegliche Objekte können je nach Typ, geometrischen Form und Position unterschieden werden in statische Hindernisse, die nicht überwunden werden können (z.B. Gebäudewand) und Objekte, die – u.U. mit angepaßter Geschwindigkeit – überwunden werden können (z.B. Bordsteinkante, Unterführung). Diese Daten können dann für zukünftige Wegeplanungen herangezogen werden.
  • Mobile Objekte (Personen, Fahrzeuge, abgestellte Behälter, Container etc.) werden vorzugsweise dahingehend klassifiziert, wie lange sie voraussichtlich den Weg behindern oder versperren werden. Hier können – ebenso wie bei der Einstufung von Freiräumen – Erfahrungswerte oder statistische Vorgaben für eine bewertete Aufnahme in das aktualisierte Weltmodell genutzt werden.
  • Die Einstufung nichtmobiler Objekte bei der Aufzeichnung dient optional auch der Unterstützung der autonomen Navigation durch unbekannte Regionen, da alle erfaßten stationären Objekte wie Wände, Säulen, Maschinen zukünftig zur eigenen Positionsbestimmung genutzt werden können. Weitere Aspekte der Positionsbestimmung sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Innerhalb von Gebäuden kann sie durch Odometrie sowie den sensorbasierten Abgleich mit den gespeicherten Positionen der stationären Objekte erfolgen, im Freien zusätzlich über GPS.
  • Durch die erfindungsgemäße Erfassung, Strukturierung und Klassifizierung der Objekt- und Umgebungsdaten kann eine kompakte, merkmalsbasierte digitale Datenbasis als mehrstufiges Umweltmodell erstellt werden. Dabei erfolgt vorzugsweise auch eine Klassifizierung erkannter freier Bereiche und Objekte nach zeitlichen Kriterien. Die anschließend komprimierten Umweltmodell-Daten sind für den jeweiligen aktuellen Planungs raum schnell abrufbar und ermöglichen eine entsprechend schnelle dynamische Kartengenerierung bzw. reaktive Gitterplanung für die fortlaufende Aktualisierung des Umweltmodells. Die Modellierung von Umgebungsdaten wird hierbei für die Planung zukünftiger Handlungen des autonomen mobilen Systems benötigt, wobei die Handlung ein vorläufiges Ziel ist. Es findet daher zumindest solange eine Modellierung statt, bis eine Handlung durchführbar ist. Vorzugsweise wird die Modellierung jedoch über diesen Zeitpunkt hinaus fortgesetzt, bis eine Handlung durchführbar ist. Es findet demnach keine Strikte Trennung zwischen der Modellierung und der Planung einer Handlung statt, insbesondere läuft die Datenverarbeitung und Datengenerierung dabei parallel ab. In der Kommunikation mit stationären oder anderen mobilen Systemen können die Daten zudem sehr schnell übermittelt werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Umgebungserfassung und Umweltmodellierung für autonome mobile Systeme wie Roboter, selbst lenkende Fahrzeuge etc., wobei während der Fahrt über Sensoren Daten über vorhandene Umgebungselemente, wie Objekte und freie Breiche, erfaßt werden und zur Generierung bzw. Aktualisierung eines digitalen Umweltmodells herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass identifizierte Umgebungselemente nach vorgegebenen Kriterien klassifiziert werden und mit entsprechend zugeordneten Attributen dem generierten Umweltmodell hinzugefügt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass freie Breiche des Umgebungsbereichs nach Lage und Abmessungen dahingehend klassifiziert werden, inwieweit sie als Fahrweg für das mobile System potentiell nutzbar sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass freie Bereiche des Umgebungsbereichs nach Lage und Abmessungen dahingehend klassifiziert werden, inwieweit sie als Aktionsbereich, z.B. für Ausweichmanöver, Be- oder Entladevorgänge, oder als Parkraum für das mobile System potentiell nutzbar sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass identifizierte Objekte des Umgebungsbereichs in mobile und nicht-mobile Objekte klassifiziert werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nicht-mobile Objekte des Umgebungsbereichs dahingehend klassifiziert werden, ob sie blockierende Hindernisse (z.B. Gebäude) darstellen oder inwieweit sie nach Lage und Abmessungen für das mobile System potentiell überwindbar sind (z.B. Unterführung, Bordstein).
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente des Umgebungsbereichs mit Daten über die zeitliche Abfolge ihrer Erfassung dem digitalen Umweltmodell hinzugefügt werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente des Umgebungsbereichs mit zuvor gesammelten Erfahrungswerten bzw. statistischen Erwartungswerten bzgl. der Zeitdauer ihres lokalen Verbleibs dem digitalen Umweltmodell hinzugefügt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die gefahrenen Abschnitte (Trajektorien) gespeichert werden und die dem digitalen Umweltmodell hinzugefügten Elemente mit einzelnen Fahrabschnitten korreliert werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass gespeicherte Trajektorien in Abhängigkeit wenigstens eines Bewegungsparameters des autonomen mobilen Systems optimiert werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Umweltmodell als reduzierter Datensatz generiert wird, indem z.B. identifizierte Elemente des Umgebungsbereichs über einen zugeordneten Objektcode oder als Polyeder, Kantenzug usw. angenähert gespeichert werden.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Umweltmodell zur Generierung bzw. Aktualisierung einer digitalen Nahbereichs- und Fernbereichskarte herangezogen wird.
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