DE102005018206A1

DE102005018206A1 - Selbstfahrendes Gerät und Verfahren zur kartografischen Erfassung eines Terrains

Info

Publication number: DE102005018206A1
Application number: DE200510018206
Authority: DE
Inventors: Thomas Kämpke; Boris Kluge; Matthias Strobel
Original assignee: INMACH INTELLIGENTE MASCHINEN; INMACH INTELLIGENTE MASCHINEN GmbH
Current assignee: INMACH INTELLIGENTE MASCHINEN; INMACH INTELLIGENTE MASCHINEN GmbH
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2006-11-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kartografischen Erfassung eines Terrains (1) durch ein mittels einer Antriebseinheit selbstfahrendes Gerät, wobei in dem Terrain mehrere Landmarken (2) verteilt sind und diese Landmarken durch eine Erfassungseinrichtung in oder an dem selbstfahrenden Gerät durch dieses detektiert werden können. Des weiteren betrifft die Erfindung ein selbstfahrendes Gerät, das ein solchen Verfahren anwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kartografischen Erfassung eines Terrains durch ein mittels einer Antriebseinheit selbstfahrendes Gerät nach Anspruch 1, sowie ein selbstfahrendes Gerät nach Anspruch 27.
Ein zentrales Problem selbstfahrender Geräte mittels Positionsbestimmung durch Odometrie, also Koppelnavigation, besteht in der Akkumulation des Fehlers sowohl der Orts- als auch der Winkelbestimmung über die Beobachtungs- und Berechnungsinkremente. Bei immer größer werdender zurückgelegter Wegstrecke werden diese Fehler schließlich so groß, dass eine verlässliche Positionsbestimmung unmöglich wird. Eine Positionsbestimmung lediglich auf Basis der Odometrie ist damit in praktischer Hinsicht ausgeschlossen.
Das Problem der Positionsbestimmung wird etwa dadurch lösbar, dass die Einsatzumgebung des selbstfahrenden Geräts mit aktiven und/oder passiven Landmarken ausgestattet wird und das selbstfahrende Gerät mit entsprechenden Empfängern und/oder kombinierten Sende- und Empfangseinrichtungen ausgestattet ist. Messungen von Signalen und Signalauswertung erlauben dann eine Positionsbestimmung des selbstfahrenden Geräts relativ zu den Positionen der Landmarken. Alternativ zur Positionsbestimmung relativ zu diesen Landmarken können die Landmarken Informationen beinhalten oder so mit Information assoziiert sein, dass eine Positionsbestimmung des selbstfahren den Geräts relativ zu anderen Merkmalen oder markanten Orten ermöglicht wird.
Derartige Systeme basieren z.B. auf Infrarot-, Laser- oder Radiowellen. Nachteile vieler dieser Verfahren sind ihre hohen Gerätekosten sowie mögliche Abschattungen der Wellen. Die Abschattungen resultieren typischerweise aus Unterbrechungen der direkten Verbindung zwischen Landmarken und selbstfahrendem Gerät. So ist etwa GPS (Globales Positionierungssystem auf Satellitenbasis) für den Einsatz innerhalb von Gebäuden ungeeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur kartografischen Erfassung eines Terrains durch ein mittels einer Antriebseinheit selbstfahrendes Gerät sowie ein solches selbstfahrendes Gerät zur Verfügung zu stellen, bei dem eine selbsttätige Kartografierung mit zufriedenstellender Genauigkeit bei Erstellung einer Karte des Terrains erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur kartografischen Erfassung eines Terrains mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein selbstfahrendes Gerät nach Anspruch 27 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur kartografischen Erfassung eines Terrains durch ein mittels einer Antriebseinheit selbstfahrendes Gerät sieht vor, dass in dem Terrain mehrere Landmarken verteilt sind und diese Landmarken durch eine Erfassungseinrichtung in oder an dem selbstfahrenden Gerät durch dieses detektiert werden können, wobei das selbstfahrende Gerät eine Auswerte- und Steuereinheit aufweist, die die Antriebseinheit des selbstfahrenden Geräts steuert und der die Erfassungseinrichtung zugeordnet ist und die Detektions-Signale der Erfassungseinrichtung erfasst und auswertet. Die Erfassungseinrichtung kann dabei von Vorteil einen gegen den Boden gerichteten Erfassungsbereich mit geringem Wahrnehmungsumkreis haben, um fehlerhafte Signale auszublenden. Das selbstfahrende Gerät weist ferner nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Einrichtung zur Erfassung der Eigenbewegung auf, wobei der Auswerte- und Steuereinheit ein Speicher zugeordnet ist, in dem die Beschaffenheit des Terrains und/oder die Positionen der Landmarken abgelegt werden, insbesondere wird das Terrain und/oder die Positionen der Landmarken in Form einer Karte oder einer Matrix abgebildet, wobei die Positionen der Landmarken aus den Detektions-Signalen und erfasster Eigenbewegung relativ zu anderen gespeicherten Landmarken in dem Terrain ermittelt werden, wobei eine Position einer beobachteten Landmarke aus wenigstens zwei verschiedenen Beobachtungen anhand von jeweiligem Detektions-Signal und zugehöriger erfasster Eigenbewegung aus zueinander verschiedenen Fahrtrichtungen bestimmt wird und im Speicher abgelegt wird.

Bei großen Flächen, die mit RF-ID (radio frequency identification) Tags oder anderen Transpondern als Landmarken bestückt sind stellt sich das Problem, die Positionen der tatsächlichen Ausbringungsorte in der Einsatzumgebung zu erfassen, so dass sie dem selbstfahrenden Gerät mitgeteilt werden können. Diese sog. Einrichtung könnte durch Einmessen und in Beziehung stellen jedes einzelnen Transponders oder ggf. von Gruppen von Transpondern erfolgen.

Dieser Art der Einrichtung steht allerdings entgegen, dass ein erheblicher manueller Aufwand und damit zeitlicher und damit kostenintensive Einsatz erforderlich wäre sowie eine spezifische komplexe Messapparatur.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die selbsttätige Erfassung der Transponderpositionen mit dem selbstfahrenden Gerät durchzuführen, dass die bestimmten im Speicher abgelegten Positionen dann auch zur eigenen Positionsbestimmung auch im späteren Betrieb heranziehen soll.

Unter Position ist nicht streng nur der Ort in x,y-Koordinaten zu verstehen. Ebenfalls kann die Ausrichtung des selbstfahrenden Geräts, ausgedrückt etwa als Winkel im Bogen- oder Gradmass, erfasst werden. Die Fahrfläche des selbstfahrenden Geräts in dem Terrain kann allerdings auch Neigungen, Erhebungen und Vertiefungen und Hindernisse aufweisen wie Gelände außerhalb von Gebäuden. Positionen können dann in dreidimensionalen Koordinaten wie x,y,z-Koordinaten und entsprechenden Winkelsystemen wie z.B. Azimuth und Elevation ausgedrückt werden.

Ein selbstfahrendes Gerät im Rahmen dieser Erfindung kann daher auch über die Sensorik zur Odometrie hinausgehende Sensoren verfügen, welche die Fahrzeugnavigation unterstützen. Hierbei können auch geräteexterne Merkmale erfasst werden. Zu diesen navigationsunterstützenden Sensoren gehören z.B. Inertialsensoren, Winkelmesser (Gyroskope), Kompass, Neigungs- und Helligkeitssensoren, Höhenmesser sowie weitere, optische oder taktile Einrichtungen. Insbesondere berührungslose Bewegungsmessungen oder optische Tachometer, die Bewegung mittels Korrelationsmaximierung von Musterverschiebungen bestimmen können hier von Vorteil zum Einsatz kommen.

Die Positionsbestimmung des selbstfahrenden Geräts einerseits und die Bestimmung der Positionen der Landmarken andererseits erfolgt bevorzugterweise in einem gemeinsamen Koordinatensystem kann aber auch in getrennten Kooridnatensystemen erfolgen, die eine unmittelbare Transformation ineinander oder in ein gemeinsames Koordinatensystem erlauben.

Ein vorteilhafter und bevorzugter Verfahrensschritt sieht vor, dass die neue Positionsschätzung unter Gewichtung der bisher im Speicher abgelegten Positionsschätzung abgelegt wird.

Bevorzugterweise wird bei räumlicher Ausdehnung der Erfassungseinrichtung und damit verbundener und/oder inhärenter Mess-Unschärfe bei Detektion einer Landmarke deren alte Positionsschätzung aus dem Speicher auf eine vereinfachte Raum-Form der Erfassungseinrichtung mathematisch projiziert, woraus die neue Positionsschätzung errechnet wird.

Nach einem besonders vorteilhaften Verfahrensschritt ist vorgesehen, dass nach Detektion einer noch nicht oder mit unzureichender Information im Speicher abgelegten Landmarke ein Orientierungs-Manöver durch das selbstfahrende Gerät gefahren wird, sodass dieselbe neue Landmarke in einer zweiten Fahrtrichtung relativ zur ersten Fahrtrichtung nochmals detektiert wird.

Dem folgend ist nach einer Ausgestaltung des Verfahrens vorgeschlagen, dass das Orientierungs-Manöver so gefahren wird, dass die zweite Fahrtrichtung senkrecht zur ersten Fahrtrichtung ist, in der die erste Detektion erfolgte.

Als Orientierungs-Manöver wird von Vorteil folgende Fahrt zurückgelegt:

– Weiterfahrt unmittelbar nach Detektion um die Hälfte der Länge der Erfassungseinrichtung,
– Fahrt entlang eines Kreisbogens mit Radius gleich die Hälfte der Länge der Erfassungseinrichtung um Dreiviertel seiner Länge,
– Weiterfahrt um die Länge der Erfassungseinrichtung.

Die Bestimmung der Eigenposition des selbstfahrenden Gerätes erfolgt nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens anhand der gespeicherten Informationen und der odometrisch erfassten Werte, wobei die räumliche Ausdehnung der Erfassungseinrichtung und die damit verbundene Mess-Unschärfe bei der Detektion einer Landmarke zur Richtungsbestimmung der Fahrt des selbstfahrenden Gerätes relativ zur gespeicherten Karte dadurch kompensiert wird, dass die aktuelle Fahrtrichtung aus den zurückgelegten Distanzen D_i,j zwischen Detektionen von Landmarken L_i und L_j zusammen mit den zugehörigen im Speicher abgelegten Positionen x_i und x_j der Landmarken L_i und L_j ermittelt wird, was durch die Lösung eines Passproblems wie

geschehen kann, wobei a der Einheitsvektor ist mit: a = (a1, a2), also ||a||2 = a21 + a22 = 1,wobei die Ortsbestimmung darauf insbesondere durch die Parallelprojektion der aktuellen, letzten Landmarkenposition auf die Normale zur ermittelten Bewegungsrichtung mit anschließender Mittelpunktsanpassung auf die Ausdehnung der Erfassungseinrichtung erfolgt.

Von Vorteil erfolgt die Kartografierung durch eine Abfolge von Bestimmungen zur Eigenposition und Erfassungen oder Neu-Erfassungen von Landmarken, wobei mehrere Schritte der einen oder anderen Sorte nacheinander wiederholt vorgesehen sein können.

Die Landmarken können dabei optisch durch einen optischen Sensor der Erfassungseinrichtung, taktil durch einen taktilen Sensor der Erfassungseinrichtung, durch eine uni- oder bidirektionale Funkverbindung durch eine Antenne mit einem Funk-Empfänger und/oder -Sender der Erfassungseinrichtung, magnetisch durch einen Magnetfeld-Sensor der Erfassungseinrichtung detektierbar sein.

Von Vorteil tragen die Landmarken eine individuelle Kennung. Beispielsweise in Form eines Barcodes, eines Farbcodes, einer Funkkennung, einer Funkbake oder ähnlichen durch einen speziellen am selbstfahrenden Gerät entsprechend vorgesehenen Sensors.

Den Landmarken können vorbekannte Informationen assoziiert sein. Das können Informationen über andere Landmarken, Terrain-Beschaffenheiten oder auch Befehle und Bewegungsvorgaben sein.

Dem folgend können die Landmarken Informationen über die räumliche Beschaffenheit des Terrains tragen oder eine solche Information kann in einem Speicher im selbstfahrenden Gerät bereits abgelegt sein und dann entsprechend der Landmarke zugeordnet werden. Sind in den Landmarken Information gespeichert oder sind den individuellen Landmarke vorgespeicherte Information assoziiert, insbesondere Ortsinformation, welche aber zu Beginn der Geräteoperationen typischerweise zu ungenau oder ungeeignet oder noch nicht vorhanden sind, so kann hierdurch eine unnötige Neuerfassung der Informationen vermieden werden.

Vor Vorteil können die Landmarken Informationen über benachbarte Landmarken tragen, insbesondere über deren relative Position oder andere räumliche Parameter, insbesondere über Winkel, Abstand oder Höhendifferenz zu sich selbst.

Es kann nach einem Verfahrensschritt vorgesehen sein, dass die durch das selbstfahrende Gerät gesammelten und berechneten Informationen über die Beschaffenheit des Terrains und/oder der Positionen der Landmarken in dem Terrain in einem oder mehreren Landmarken ausgebildeten Speicher abgelegt werden. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass das selbstfahrende Gerät bei Auftreffen auf eine so mit Information versehene Landmarke eine solche ausliest und die Informationen entsprechend in den Speicher ablegt.

Von Vorteil können die Landmarken auf oder unmittelbar unter der Oberfläche des Terrains platziert werden, wobei die relative Platzierungshöhe relativ zur Oberfläche eine auswertbare Information darstellen kann.

Bevorzugterweise sind die Landmarken durch Transponder oder insbesondere durch RF-ID-Tags ausgebildet.

Es kann vorgesehen sein, dass die Landmarken am Rand des zu kartografierenden Terrains platziert sind.

Es ergibt sich ein Vorteil, wenn die Landmarken nach einem vorbestimmten Raster verteilt sind, da hieraus eine vorab bekannte Information abgeleitet werden und vorausgesetzt werden kann.

Dem folgend können die Landmarken nach einem rechteckigen oder einem rautenförmigen Raster verteilt sein.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das selbstfahrende Gerät das zu kartografierende Gelände systematisch flächig, insbesondere entlang einer Mäanderkurve, abfährt.

Nach einem bevorzugten Verfahrensschritt kann vorgesehen sein, dass der Auswerte- und Steuereinheit eine Einrichtung zur Erfassung von räumlich lokalisierbaren Umgebungsmerkmalen zugeordnet ist, insbesondere zur Erfassung von die Bewegung einschränkenden Hindernissen und solche nach Detektion mit der aktuellen ermittelten Position in dem Speicher abgelegt werden.

Dem folgend schlägt eine Ausgestaltung des Verfahrens vor, dass der Einrichtung zur Erfassung von räumlich lokalisierbaren Umgebungsmerkmalen Sensoren in Form von Inertialsensoren, Winkelmessern (Gyroskope), eines Kompass, eines Neigungssensors, eines Helligkeitssensors, eines Höhenmessers und/oder taktiler Sensoren zugeordnet sein könne, deren Signale mit den aktuellen Positionen auf dem Terrain zugeordnet und im Speicher abgelegt werden können.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenposition und Fahrtrichtung eines selbstfahrenden Gerätes in einem Terrain vorgeschlagen, wobei das Terrain kartografisch anhand von mittels einer Erfassungseinrichtung detektierbaren im Terrain verteilten Landmarken in einem Speicher erfasst abgelegt ist, wobei das selbstfahrende Gerät eine Auswerte- und Steuereinheit aufweist, der die Erfassungseinrichtung zugeordnet ist und die Detektions-Signale der Erfassungseinrichtung erfasst und auswertet, wobei das selbstfahrende Gerät eine Einrichtung zur Erfassung der Eigenbewegung aufweist, wobei der Auswerte- und Steuereinheit der Speicher zugeordnet ist, wobei die räumliche Ausdehnung der Erfassungseinrichtung und damit verbundener und/oder inhärenter Mess-Unschärfe bei Detektion einer Landmarke zur Richtungsbestimmung der Fahrt des selbstfahrenden Gerätes relativ zur gespeicherten Karte dadurch kompensiert wird, dass die aktuelle Fahrtrichtung aus den zurückgelegten Distanzen D_i,j zwischen Detektionen von Landmarken L_i und L_j zusammen mit den zugehörigen im Speicher abgelegten Positionen x_i und x_j der Landmarken L_i und L_j ermittelt wird, was durch die Lösung eines Passproblems wie

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein selbstfahrendes Gerät vorgeschlagen, dass sich dadurch kennzeichnet, dass es eine selbstständige Kartografierung eines Terrains in dem es sich bewegt anhand eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 24 vornimmt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass es eine Auslegevorrichtung zum Landmarken selbstständigen Auslegen von Landmarken im Terrain aufweist.

Dem folgend kann vorgesehen sein, dass das selbstfahrende Gerät eine Greifeinrichtung aufweist, vermittels welcher Landmarken aus dem Terrain entnommen werden können. Ebendiese können dann wieder an einem anderen Ort verlegt werden.

Nach einer besonders bevorzugten und vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgehen, dass das selbstfahrende Gerät wenigstens eine Arbeitseinrichtung, insbesondere eine Reinigungs- und/oder Transport- und/oder Bodenbearbeitungs- oder Pflanzenbearbeitungs- und/oder Bodenkultivierungs- und/oder Überwachungs- und/oder Personenbegleitungs-Einrichtung, zur Vollziehung von Aufgaben in dem Terrain aufweist.

Von Vorteil ist die Erfassungseinrichtung eine Antenne, wobei diese in Form einer Stabantenne oder in Form eines Kreisbogenabschnitts ausgebildet und insbesondere segmentiert sein kann. Dem folgend können auch mehrere Erfassungseinrichtungen vorgesehen sein, deren Detektions-Signale nebeneinander ausgewertet werden.

Die Erfassungsbereiche der Erfassungseinrichtungen können sich nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auch teilweise überdecken wodurch sich mehrere Detektionen erreichen lassen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Im Einzelnen zeigt die schematische Darstellung in:
1 eine schematische Ansicht eines begrenzten Terrains mit darin unregelmäßig verteilten Landmarken,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Vorgehens zur Erfassung einer neu aufgefundenen Landmarke,
3 eine schematisches Erläuterung der senkrechten Projektion zur Ermittlung der neuen Positionsschätzung,
4 eine schematisches Darstellung eines Verfahrweges, auf welchem vier Landmarken detektiert wurden,
5 ein schematisches Darstellung des Projektionsintervalls zur Ermittlung des Aufenthaltsorts,
6a eine erste Variante einer Abfolge von Kartierungs- und Positionsbestimmungs-Schritten,
6b eine zweite Variante einer Abfolge von Kartierungs- und Positionsbestimmungs-Schritten,
7 eine schematische Darstellung eines polygonal berandeten Terrains,
8 eine schematisches Darstellung einer Anordnungsanleitung von Landmarken anhand eines Rasters,
9 eine schematische Antennenanordnung nach einer ersten Variante,
10 eine schematische Antennenanordnung nach der ersten Variante mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit, und
11 eine schematische Antennenanordnung nach einer zweiten Variante.
Die in den Figuren gleichen Bezugsziffern bezeichnen gleiche oder gleich wirkende Elemente.
1 zeigt ein Beispiel für ein vorteilhaftes, flächiges Ausbringungsmuster der Infrastruktur von Landmarken 2 in einem durch die Außenlinie berandeten Terrain 1.
Das Muster der Positionen kann, braucht aber nicht Regelmässigkeiten enthalten. Die Anzahl der Transponder unterliegt keiner Beschränkung ebenso wie die Form der Arbeitsumgebung (Terrain) des selbstfahrenden Geräts, die in diesem Fall rechteckig ist.
Das Pendant zu den im Beinspiel als RF-ID-Transponder ausgebildeten Landmarken sind Sensoren (Erfassungseinrichtungen) dazu, also insbesondere Antennen für die entsprechenden Frequenzen. Diese können als Stabantennen, Rundantennen oder Antennen mit anderer Geometrie ausgeformt sein. Die Geometrie des Empfindlichkeitsbereichs (z.B. "Keule") dieser Antennen unterliegt keinen grundsätzlichen Beschränkungen.
Anhand eines lediglich exemplarischen nicht im Sinne der Erfindung einschränkenden Beispiels wird die Erfindung näher dargestellt.
In dieser beschriebenen Konfiguration ist das selbstfahrende Gerät mit einem einzigen Lesegerät für die als RF-ID-Transponder (Transponder) ausgebildeten Landmarken L_i ausgestattet. Das Lesegerät verfügt zur Vereinfachung der Darstellung lediglich über eine einzige Antenne als Erfassungseinrichtung in Form einer Stabantenne bzw. einer einzigen Antennenschleife, die der Form einer Stabantenne mit Länge Λ (Lambda) ähnelt. Die Antenne ist dabei fahrzeugmittig quer zur Vorzugsrichtung des selbstfahrenden Geräts angeordnet. Ein Transponder wird wahrgenommen, wenn sich die Antenne über dem Transponder befindet. Die zu beachtende Größe der Transponder ist relativ zum selbstfahrenden Gerät so gering, dass jeder Transponder als punktförmig betrachtet werden kann.
Wird ein Transponder zum ersten mal beobachtet, so wird beispielsweise eine zweite Beobachtung aus einer dazu senkrechten Bewegungsrichtung des selbstfahrenden Geräts herbeigeführt um eine Punktschätzung für die Lage dieses Transponders zu erzeugen, siehe 2.
Dazu bewegt sich das selbstfahrende Gerät unmittelbar nach erster Wahrnehmung des Transponders x_i z.B. geradlinig auf einem Fahrweg 31 um Λ/2 weiter, fährt dann einen 3/4-Kreis 32 mit Radius r = Λ/2 und bewegt sich dann um Λ geradlinig auf einem zum ersten Fahrweg 31 senkrechten Fahrweg 33 weiter, siehe 2.
Eine erste Positionsschätzung x_i für Transponder i ergibt als Schnittpunkt der Antennenlagen 21 und 22 während der ersten und zweiten Beobachtung. Der Schnittpunkt braucht nicht berechnet zu werden, sondern wird als Odometrieposition während der zweiten Beobachtung ausgelesen.
Diese Bewegung ist so ausgelegt, dass das selbstfahrende Gerät entlang des zweiten geradlinigen Segments die Antennenlage zur ersten Beobachtung abfährt. Kommt es dann entlang des zweiten geradlinigen Segments zur zweiten Beobachtung des Transponders (aufgrund von Odometrieungenauigkeiten oder Randlage des Transponders an der Grenze des Terrains kann diese Beobachtung ausbleiben), ist die Position während der zweiten Beobachtung die erste Ortsschätzung x_i für Transponder i. Die beiden Beobachtungen eines Transponders zu dessen erster Lageschätzung werden als erste Beobachtung zusammengefasst.
Sobald ein bereits kartierter Transponder wieder gesehen wird, erfolgt eine Aktualisierung der entsprechenden Positionsschätzung in der Karte. Diese Aktualisierung ist mit Kalmanfilterung verwandt und gewichtet die bisherige Positionsschätzung mit der relativen Häufigkeit aller bisherigen n_i Beobachtungen des Transponders.
Die aktuelle Beobachtung führt aufgrund der Stabförmigkeit der Antenne 4 zunächst auf ein Intervall [e,f], dessen Lage in der Karte mittels Odometrie ermittelt wird. Die bisherige Positionsschätzung wird dabei auf dieses Intervall projiziert, d.h. es wird der zu bisherigen Position nächstgelegene Ort auf dem Intervall als aktueller Beobachtungsort angenommen, siehe 3.
Die bisherige im Speicher abgelegte Positionsschätzung ist als x_i(alt) und die neue Beobachtung von Transponder i erfolgt Anhand der Antennenlage [e,f]. Derjenige Punkt mit geringster Entfernung zur bisherigen Position wird als aktueller Punktschätzer für die Lage des Transponders angenommen. Der neue Karteneintrag liegt auf der Verbindungsstrecke dieser beiden Punkte und zwar umso näher zum bisherigen Ort je häufiger der Transponder bereits beobachtet wurde.
Hieraus ergibt sich die gegenüber den schon durchgeführten Positionsmessungen gewichtete aktualisierte Positionsschätzung für Transponder i mittels
mit der Projektion pr[e,f](xalti ) = argminx∈[e,f] ||x – xalti ||.
Die Beobachtungszählung wird offensichtlich aktualisiert zu n_i = n_i + 1.
Die Positionsbestimmung wird wie folgt durchgeführt:
Bei einer geradlinigen Überfahrung werden die Transponder 1, ...,n wahrgenommen. Diese haben aufgrund der aktuellen Karte die Positionen x₁, ...,x_n und zwischen aufeinanderfolgend wahrgenommenen Transpondern werden die odometrischen Distanzen D_{{i–1, i}} bestimmt.
Die Situation ist wie in 4 für vier Transponder x₁ bis x₄ gezeigt.
Es wird eine geradlinige Verfahrung auf dem Terrain vorgenommen. Die Transponder werden in diesem Fall in der Reihenfolge 1, 2, 3, 4 überfahren. Aus der Fahrzeugodometrie ergeben sich die Distanzen D_1,2, D_2,3, D_3,4. Diese Distanzen werden mit den aktuell kartierten Positionen x₁, x₂, x₃, x₄ abgeglichen und führen so zu einer Schätzung der aktuellen Bewegungsrichtung.
Der Abgleich zwischen den odometrisch bestimmten Distanzen und denen bei angenommener Bewegung in Richtung des Einheitsvektors a = (a1, a2), also ||a||2 = a21 + a22 = 1,führt auf die idealen Beziehungen aT(xi – xi–1) = Di–1,i.
Die Bewegungsrichtung bzgl. der aktuellen Karte ergibt sich dann beispielsweise als Lösung des Passproblems
Die Ortsbestimmung für das selbstfahrende Gerät erfolgt dann durch Parallelprojektion der aktuellen Transponderpositionen auf die Normale zur Bewegungsrichtung und anschließende Mittelpunktspassung der Stabantenne, siehe 5.
Das Projektionsintervall hat die Intervallränder Q und R. Die Antenne wird mittig zwischen diesen platziert. Der Mittelpunkt dieser mittigen Platzierung ist der Ortsschätzer für das selbstfahrende Gerät.
Anstelle der Mittelpunktspassung können auch andere Methoden eingesetzt werden, etwa die minimale Verschiebung der Ortsschätzung auf Basis einer dem selbstfahrenden Gerät bekannten Historie seiner Positionen.
Die genaue Abfolge von Kartierungsoperationen und Operationen der Positionsbestimmung wird durch das sog. Verzahnungsmuster bestimmt. Das Verzahnungsmuster kann verschiedene Ausprägungen annehmen. Das Verzahnungsmuster kann fest aber auch variabel sein. Letzteres bedeutet, dass das Verzahnungsmuster insbesondere durch äussere Ereignisse beeinflusst werden kann, also durch vom selbstfahrenden Gerät sensorisch wahrgenommene Ereignisse oder selbständig vorgenommene Messungen zwischen Merkmalen der Einsatzumgebung. Feste Verzahnungsmuster sind in den 6a und 6b skizziert.
Alternation zwischen Kartierung K und Positionsbestimmung P in den festen Verhältnissen 1:1 (6a) und 2:1 (6b). Die Skalierung der Achse stellt nur die zeitliche Abfolge der Operationen dar und gibt keinerlei Information über deren Dauer.
Eine weiteres vorteilhaftes Ausbringungsmuster der Infrastruktur von Landmarken besteht in der Platzierung der Landmarken ausschließlich oder überwiegend am Rand der Einsatzumgebung des selbstfahrenden Geräts.
Der Rand 11 kann dabei aus einem einzigen, geschlossenen und überschneidungsfreien Zug von geraden oder gekrümmten Linien bestehen. Ebenso können Berandungen im Inneren 12 von berandeten Gebieten auftreten, wie z.B. Verbotszonen.
Die Berandungen 11, 12 selber können aus natürlichen oder künstlichen Abschnitten bestehen. Ein solches Ausbringungsmuster ist in 7 angegeben, in der ein polygonal berandetes Einsatzgebiet 1 (Terrain) eines selbstfahrenden Geräts gezeigt ist.
Landmarken, die auf dem Rand des Einsatzgebiets angebracht sind, können dort beliebig verteilt sein. Landmarken sind in 7 an den voll dargestellten Positionen platziert, während die leer dargestellten Orte zwar Richtungsänderungen der Berandung aber keine Landmarkenpositionen angeben. Letztere Unterscheidung bedeutet, dass ein Ort einer Richtungsänderung der Berandung nicht notwendig durch eine exakt an diesem Ort platzierte Landmarke gekennzeichnet sein braucht. Sofern sich das selbstfahrende Gerät vorzugsweise in bestimmten Richtungen und deren Gegenrichtungen bewegt, etwa im Fall von Mäanderbewegungen, lassen sich vorteilhafte Ausbringungsmuster für die Transponder angeben.
Bei Fahrten, die sich vorwiegend aus Bewegungen entlang zweier zueinander senkrechten Richtungen zusammensetzen, sollten die Transponder so ausgebracht sein, dass sie während der Fahrt an verschiedenen Relativpositionen unter dem selbstfahrenden Gerät bzw. der Antenne durchlaufen. Dies sollte bereits auf möglichst kurzen Bahnabschnitten der Fall sein. So wird die Gerätesteuerung insbesondere auf den geradlinigen Bahnsegmenten unterstützt. Werden hingegen die Landmarken auf den Knoten eines achsenparallelen Gitters ausgebracht, so ergibt sich bei exakter oder fast exakter Einhaltung der Fahrrichtung, die auch achsenparallel ausgerichtet ist, kein oder kaum ein seitliches "Durchlaufen" der Landmarken z.B. unterhalb des selbstfahrenden Geräts.
Eines der vorteilhaften Ausbringungsmuster ergibt sich durch Deformation eines Quadratgitters wie in 8 skizziert.
Dieses in einem kartesischen Koordinatensystem deformierte Gitter wird – schematisch – auf die Einsatzumgebung des selbstfahrenden Geräts projiziert und an jedem Schnittpunkt von zwei Geraden innerhalb der Einsatzumgebung wird ein Transponder positioniert. Der Richtungsabstand d ist ein Designparameter dieses Musters.
Das selbstfahrende Gerät bewegt sich vorzugsweise parallel zu einer der beiden Koordinatenachsen.
Eine Eigenschaft der Erfindung ist die vollständige Erfassung der Infrastruktur, d.h. die Erfassung aller in der Einsatzumgebung befindlichen Transponder. Dazu wird die Steuerung des selbstfahrenden Geräts so ausgelegt, dass im Verlauf der Fahrzeugbewegung ein einzelnes oder mehrere immer größer werdende Teilgebiete der Einsatzumgebung lückenlos erfasst werden. Lückenlos bedeutet, dass jeder Transponder des Teilgebiets mindestens einmal vom selbstfahrenden Gerät wahrgenommen wurde.
Im weiteren Verlauf der Gerätebewegung füllt das einzelne Teilgebiet bzw. die Vereinigung alle Teilgebiete schließlich die gesamte Einsatzumgebung aus.
In einer weiteren vorteilhaften Ausprägung der Erfindung besitzt das selbstfahrende Gerät die Eigenschaft, Information über die Begrenzung seiner Einsatzumgebung selbständig zu erfassen und einem oder mehreren Transpondern zuzuordnen.
Diese Zuordnung kann ausschließlich im Gerät oder ausschließlich in einem oder mehreren Transpondern erfolgen – sofern die Transponder dazu technisch geeignet sind – oder sie kann gemäss einer Mischform erfolgen.
Zur geräteseitigen Gewinnung von Information über die Begrenzung der Einsatzumgebung wird die Gerätesensorik sowie die Speicherung und Verarbeitung der entsprechenden Sensordaten eingesetzt. Dabei übertragen sich ggf. auftretende Aktualisierungen der Koordinatenschätzungen von Landmarken auf die Positionsschätzungen von Begrenzungen der Einsatzumgebung.
Anstelle von Stabantennen kommen in anderen Ausformungen der hier Erfindung auch andere Antennenformen zum Einsatz. Eine weitere, bevorzugte aber nicht ausschließliche Antennenform, die etwa einer möglichen Zylinderform eines selbstfahrenden Geräts angepasst ist, ist ein Kreis- oder ähnlicher Bogenabschnitt. Die Antenne 41 und 42 kann dabei segmentiert sein und segmentweise mehreren Lesegeräten oder Schreib- und Lesegeräten zugeordnet sein, siehe hierzu 9.
Die gezeigte Antenne hat die Form von zwei Viertelbögen mit unabhängigen Transponderlesegeräten L1 und L2. Der Pfeil entspricht der hier angenommenen Vorzugsrichtung des selbstfahrenden Geräts.
Die Segmentierung dient der Verbesserung der räumlichen Auflösung der Transponderwahrnehmung im Vergleich zu einer unsegmentierten Antenne gleicher Form und Größe.
Anstatt für jedes Antennensegment ein dediziertes Lesegerät zu verwenden, können mehrere Antennensegmente 41 und 42 bzw. eigenständige Antennen von einem einzigen Lesegerät angesteuert werden, etwa im Multiplexbetrieb; vgl. 10.
Eine weitere Ausformung der Erfindung umfasst eine asymmetrische Antennenanordnung 41 und 42 wie in 11 gezeigt.
Es sind zwei Stabantennen schräg zueinander in einer Ebene parallel zur Bewegungsebene angeordnet. Die Kontur des vorderen Geräteteils ist durch die gekrümmte Linie gekennzeichnet.
Die Asymmetrie unterstützt die Schätzung der Eigenposition des selbstfahrenden Geräts relativ zu wahrgenommenen Landmarken. Diese Schätzung fußt auf der Bestimmung der Zeitdifferenz zwischen den beiden Wahrnehmungen ein und derselben Landmarke durch die Antennensysteme und auf der Bestimmung der Eigenbewegung des selbstfahrenden Geräts zwischen den zwei Wahrnehmungen.

1: Terrain
11: äußere Begrenzung
12: innere Begrenzung
2: Landmarken
r: Radius
21: Antennenlage bei Beobachtung
22: senkrechte Antennenlagen
31: Fahrweg
32: 3/4-Kreis
33: senkrechter Fahrweg
4: Stabantenne
41,42: Antenne

Claims

Verfahren zur kartografischen Erfassung eines Terrains (1) durch ein mittels einer Antriebseinheit selbstfahrendes Gerät, wobei in dem Terrain mehrere Landmarken (2) verteilt sind und diese Landmarken durch eine Erfassungseinrichtung in oder an dem selbstfahrenden Gerät durch dieses detektiert werden können, wobei das selbstfahrende Gerät eine Auswerte- und Steuereinheit aufweist, die die Antriebseinheit des selbstfahrenden Geräts steuert und der die Erfassungseinrichtung zugeordnet ist und die Detektions-Signale der Erfassungseinrichtung erfasst und auswertet, wobei das selbstfahrende Gerät eine Einrichtung zur Erfassung der Eigenbewegung aufweist, wobei der Auswerte- und Steuereinheit ein Speicher zugeordnet ist, in dem die Beschaffenheit des Terrains und/oder die Positionen der Landmarken abgelegt werden, insbesondere wird das Terrain und/oder die Positionen der Landmarken in Form einer Karte oder einer Matrix abgebildet, wobei die Positionen der Landmarken aus den Detektions-Signalen und erfasster Eigenbewegung relativ zu anderen gespeicherten Landmarken in dem Terrain ermittelt werden, wobei eine Position einer beobachteten Landmarke aus wenigstens einer Beobachtung anhand von jeweiligem Detektions-Signal und zugehöriger erfasster Eigenbewegung und/oder einer möglicherweise fehlerbehafteten Vorinformation über die Position der Landmarke bestimmt wird und im Speicher abgelegt wird.
Verfahren zur kartografischen Erfassung eines Terrains nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die neue Positionsschätzung unter Gewichtung der bisher im Speicher abgelegten Positionsschätzung abgelegt wird.
Verfahren zur kartografischen Erfassung eines Terrains nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei räumlicher Ausdehnung der Erfassungseinrichtung und damit verbundener und/oder inhärenter Mess-Unschärfe bei Detektion einer Landmarke deren alte Positionsschätzung aus dem Speicher auf eine vereinfachte Raum-Form der Erfassungseinrichtung mathematisch projiziert wird, woraus die neue Positionsschätzung errechnet wird.
Verfahren zur kartografischen Erfassung eines Terrains nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Detektion einer noch nicht oder mit unzureichender Information im Speicher abgelegten Landmarke ein Orientierungs-Manöver durch das selbstfahrende Gerät gefahren wird, sodass dieselbe neue Landmarke in einer zweiten Fahrtrichtung relativ zur ersten Fahrtrichtung nochmals detektiert wird.
Verfahren zur kartografischen Erfassung eines Terrains nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Orientierungs-Manöver so gefahren wird, dass die zweite Fahrtrichtung senkrecht zur ersten Fahrtrichtung ist, in der die erste Detektion erfolgte.
Verfahren zur kartografischen Erfassung eines Terrains nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Orientierungs-Manöver folgende Fahrt zurückgelegt wird: – Weiterfahrt unmittelbar nach Detektion um die Hälfte der Länge der Erfassungseinrichtung, – Fahrt entlang eines Kreisbogens mit Radius gleich die Hälfte der Länge der Erfassungseinrichtung um Dreiviertel seiner Länge, – Weiterfahrt um die Länge der Erfassungseinrichtung.
Verfahren zur kartografischen Erfassung eines Terrains nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Eigenposition des selbstfahrenden Gerätes anhand der gespeicherten Informationen und der odometrisch erfassten Werte erfolgt, wobei die räumliche Ausdehnung der Erfassungseinrichtung und die damit verbundene Mess-Unschärfe bei der Detektion einer Landmarke zur Richtungsbestimmung der Fahrt des selbstfahrenden Gerätes relativ zur gespeicherten Karte dadurch kompensiert wird, dass die aktuelle Fahrtrichtung aus den zurückgelegten Distanzen D_i,j zwischen Detektionen von Landmarken L_i und L_j zusammen mit den zugehörigen im Speicher abgelegten Positionen x_i und x_j der Landmarken L_i und L_j ermittelt wird, was durch die Lösung eines Passproblems wie
geschehen kann, wobei a der Einheitsvektor ist mit: a = (a1, a2), also ||a||2 = a21 + a22 = 1,wobei die Ortsbestimmung darauf insbesondere durch die Parallelprojektion der aktuellen, letzten Landmarkenposition auf die Normale zur ermittelten Bewegungsrichtung mit anschließender Mittelpunktsanpassung auf die Ausdehnung der Erfassungseinrichtung erfolgt.
Verfahren zur kartografischen Erfassung eines Terrains nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kartografierung durch eine Abfolge von – Bestimmungen zur Eigenposition und – Erfassung oder Neu-Erfassung von Landmarken erfolgt, wobei mehrere Schritte der einen oder anderen Sorte nacheinander wiederholt vorgesehen sein können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Landmarken optisch durch einen optischen Sensor der Erfassungseinrichtung detektierbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Landmarken taktil durch einen taktilen Sensor der Erfassungseinrichtung detektierbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Landmarken durch eine uni- oder bidirektionale Funkverbindung durch eine Antenne mit einem Funk-Empfänger und/oder -Sender der Erfassungseinrichtung detektierbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Landmarken magnetisch durch einen Magnetfeld-Sensor der Erfassungseinrichtung detektierbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Landmarken eine individuelle Kennung tragen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Landmarken vorbekannte Informationen assoziiert sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Landmarken Informationen über die räumliche Beschaffenheit des Terrains tragen oder eine solche diesen in einem Speicher im selbstfahrenden Gerät zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Landmarken Informationen über benachbarte Landmarken tragen, insbesondere über deren relative Position oder andere räumliche Parameter, insbesondere über Winkel, Abstand oder Höhendifferenz zu sich selbst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das selbstfahrende Gerät gesammelten und berechneten Informationen über die Beschaffenheit des Terrains und/oder der Positionen der Landmarken in dem Terrain in ei nem in einem oder mehreren Landmarken ausgebildeten Speicher abgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Landmarken auf oder unmittelbar unter der Oberfläche des Terrains platziert werden, wobei die relative Platzierungshöhe relativ zur Oberfläche eine auswertbare Information darstellen kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Landmarken durch Transponder oder insbesondere durch RF-ID-Tags ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Landmarken am Rand des zu kartografierenden Terrains platziert sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Landmarken nach einem vorbestimmten Raster verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Landmarken nach einem rechteckigen oder einem rautenförmigen Raster verteilt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das selbstfahrende Gerät das zu kartografierende Gelände systematisch flächig, insbesondere entlang einer Mäanderkurve, abfährt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerte- und Steuereinheit eine Einrichtung zur Erfassung von räumlich lokalisierbaren Umgebungsmerkmalen zugeordnet ist, insbesondere zur Erfassung von die Bewegung einschränkenden Hindernissen und solche nach Detektion mit der aktuellen ermittelten Position in dem Speicher abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Einrichtung zur Erfassung von räumlich lokalisierbaren Umgebungsmerkmalen Sensoren in Form von Inertialsensoren, Winkelmessern (Gyroskope), eines Kompass, eines Neigungssensors, eines Helligkeitssensors, eines Höhenmessers und/oder taktiler Sensoren zugeordnet sein könne, deren Signale mit den aktuellen Positionen auf dem Terrain zugeordnet und im Speicher abgelegt werden können.
Verfahren zur Bestimmung der Eigenposition und Fahrtrichtung eines selbstfahrenden Gerätes in einem Terrain, wobei das Terrain kartografisch anhand von mittels einer Erfassungseinrichtung detektierbaren im Terrain verteilten Landmarken in einem Speicher erfasst abgelegt ist, wobei das selbstfahrende Gerät eine Auswerte- und Steuereinheit aufweist, der die Erfassungseinrichtung zugeordnet ist und die Detektions-Signale der Erfassungseinrichtung erfasst und auswertet, wobei das selbstfahrende Gerät eine Einrichtung zur Erfassung der Eigenbewegung aufweist, wobei der Auswerte- und Steuereinheit der Speicher zugeordnet ist, wobei die räumliche Ausdehnung der Erfassungseinrichtung und damit verbundener und/oder inhärenter Mess-Unschärfe bei Detektion einer Landmarke zur Richtungsbestimmung der Fahrt des selbstfahrenden Gerätes relativ zur gespeicherten Karte dadurch kompensiert wird, dass die aktuelle Fahrtrichtung aus den zurückgelegten Distanzen D_i,j zwischen Detektionen von Landmarken L_i und L_j zusammen mit den zugehörigen im Speicher abgelegten Positionen x_i und x_j der Landmarken L_i und L_j ermittelt wird, was durch die Lösung eines Passproblems wie
geschehen kann, wobei a der Einheitsvektor ist mit: a = (a1, a2), also ||a||2 = a21 + a22 = 1,wobei die Ortsbestimmung darauf insbesondere durch die Parallelprojektion der aktuellen, letzten Landmarkenposition auf die Normale zur ermittelten Bewegungsrichtung mit anschließender Mittelpunktsanpassung auf die Ausdehnung der Erfassungseinrichtung erfolgt.
Selbstfahrendes Gerät, dadurch gekennzeichnet, dass es eine selbstständige Kartografierung eines Terrains in dem es sich bewegt anhand eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 26 vornimmt.
Selbstfahrendes Gerät nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Auslegevorrichtung zum Landmarken selbstständigen Auslegen von Landmarken im Terrain aufweist.
Selbstfahrendes Gerät nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Greifeinrichtung aufweist, vermittels welcher Landmarken aus dem Terrain entnommen werden können.
Selbstfahrendes Gerät nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens eine Arbeitseinrichtung, insbesondere eine Reinigungs- und/oder Transport- und/oder Bodenbearbeitungs- oder Pflanzenbearbeitungs- und/oder Bodenkultivierungs- und/oder Überwachungs- und/oder Spiel/Unterhaltungs- und/oder Personenbegleitungs-Einrichtung, zur Vollziehung von Aufgaben in dem Terrain aufweist.
Selbstfahrendes Gerät nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung eine Antenne ist, wobei diese in Form einer Stabantenne oder in Form eines Kreisbogenabschnitts ausgebildet und insbesondere segmentiert sein kann.
Selbstfahrendes Gerät nach einem der Ansprüche 27 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Erfassungseinrichtungen vorgesehen sind, deren Detektions-Signale nebeneinander ausgewertet werden.
Selbstfahrendes Gerät nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Erfassungsbereiche der Erfassungseinrichtungen teilweise überdecken und so mehrere Detektionen erreichen lassen.