DE102005038798A1

DE102005038798A1 - System zur Positionsbestimmung einer Vorrichtung an einer Fläche mittels elektronischer Netzwerk-Prozessorelementen

Info

Publication number: DE102005038798A1
Application number: DE102005038798A
Authority: DE
Inventors: Christl Lauterbach; Rupert Glaser
Original assignee: FUTURE-SHAPE GmbH; Future Shape GmbH
Current assignee: FUTURE-SHAPE GmbH; Future Shape GmbH
Priority date: 2005-08-17
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2007-03-01

Abstract

System zur Positionsbestimmung einer Vorrichtung an einer Fläche, umfassend: DOLLAR A - eine Vielzahl von an der Fläche angeordneten elektronischen Netzwerkprozessorelementen (1), die drahtgebunden miteinander kommunizieren und durch Selbstorganisation eigenständig ein Koordinatensystem in dieser Fläche erzeugen; DOLLAR A - besagte Netzwerkprozessorelemente (1) mit mindestens jeweils einem Funktionselement zur drahtlosen Kommunikation (10), über das die selbstständig ermittelte Koordinate an eine Leseeinrichtung (14) übermittelt werden kann; DOLLAR A - zumindest eine Steuerrecheneinheit (18), die die vom selbstorganisierenden Netzwerk ermittelten Koordinaten des Netzwerkes in eine Kartisierungsinformation umrechnet und für die übergeordnete Steuerung von Leseeinheit und selbstorganisierendem Prozessorennetzwerk benutzt; DOLLAR A - zumindest eine Vorrichtung, umfassend eine Leseeinrichtung (14), welche zum Lesen von in den Funktionselementen zur drahtlosen Kommunikation (10) gespeicherten Daten ausgelegt ist und von der Steuerrecheneinheit die Kartisierungsinformation erhält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Positionsbestimmung einer Vorrichtung an einer Fläche und eine Verwendung von einem selbstorganisierendem verdrahteten Prozessornetzwerk mit selbstständiger Erstellung eines Koordinatensystems in der Fläche und Übertragung zu einer Steuerrecheneinheit zur automatischen Kartisierung und mit drahtlosen Schnittstellen zur elektronischen Informationsübertragung zur Positionsbestimmung einer Vorrichtung auf einer Fläche.

Es sind Systeme zur Ortsbestimmung und Steuerung von Robotern bekannt, bei welchen Kameras mit Bildauswertung, Abstandsmessungen etc. zum Einsatz kommen. Diese Systeme haben jedoch den Nachteil, daß die Ortsbestimmung und Steuerung mit einem hohen Aufwand und hohen Kosten verbunden sind. Des weiteren sind Systeme zur Ortsbestimmung und Steuerung von Robotern bekannt, bei welchen in der Fläche RFID-Tags (Radiofrequency Identifikation Tags) eingebracht sind. Diese RFID-Tags haben jeweils eine Identifikationnummer, die mittels einer geeigneten Leseeinrichtung eingelesen werden muß und entsprechend ihrer Lokalisierung in der Fläche von einer Steuerrecheneinheit zu einer Kartisierungsinformation verarbeitet wird. Diese Kartisierungsinformation wird zum Roboter übertragen. Die Steuerrecheneinheit befindet sich entweder im Roboter oder der Roboter hat eine drahtlose Verbindung zur Steuerrecheneinheit. Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Positionsbestimmung einer Vorrichtung an einer Fläche bereitzustellen, weiches eine kostengünstige und einfache Positionsbestimmung ermöglicht und gleichzeitig selbstständig aus dem Positionsdaten eine Kartisierung in einem Steuerrechner erstellt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein System mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Bevorzugte Ausführungsformen sind Inhalt der abhängigen Ansprüche.

Gemäß der Erfindung wird ein System zur Positionsbestimmung bzw. Orientierung bzw. Lokalisierung einer Vorrichtung an bzw. auf einer Fläche bzw. einem Flächengebilde bzw. einer Schicht bereitgestellt, umfassend:

– eine Vielzahl von an der Fläche angeordneten und miteinander verdrahteten elektronischen Netzwerkprozessorelementen, mit integrierten Funktionselementen zur drahtlosen Kommunikation und Sensoren, die durch Selbstorganisation selbstständig ihre physikalische Position in der Fläche ermitteln
– zumindest eine Steuerrecheneinheit, die mit zumindest einem Netzwerkprozessorelement verbunden ist und die aus den im Netzwerk ermittelten Koordinaten und dem Rasterabstand im Netzwerk eine Kartisierung für die Steuerung einer beweglichen Leseeinrichtung ermittelt.
– zumindest eine Vorrichtung umfassend eine Leseeinrichtung, welche zum Lesen bzw. Aufnehmen von in den Funktionselementen zur drahtlosen Kommunikation gespeicherten Daten ausgelegt ist.

Vorzugsweise sind die in die Netzwerkprozessorelemente integrierten Informationsträger elektronische Einrichtungen, welche infolge einer Anregung durch die Leseeinrichtung Daten an die Leseeinrichtung übermitteln.

Bevorzugt erfolgt die Kommunikation zwischen der Leseeinrichtung und den Informationsträgern berührungslos, vorzugsweise über elektromagnetische Wellen.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung bezüglich der Fläche bewegbar. Insbesondere kann vorgesehen sein, daß sich die Vorrichtung auf bzw. über der Fläche bewegt.

Die Prozessorelemente mit den Informationsträger sind vorzugsweise im wesentlichen rasterartig bzw. matrixartig angeordnet. Durch die regelmäßige Anordnung der Informationsträger kann die Positionsbestimmung durch die Selbstorganisation der Prozessorelemente weiter vereinfacht werden.

Vorzugsweise wird ein Verfahren zur Selbstorganisation der Netzwerkprozessorelemente verwendet, dass eigenständig ein Koordinatensystem im Verbund der Netzwerkprozessoren ausbildet und damit die physikalische Position der einzelnen Elemente in der Fläche beschreibt.

Bevorzugt sind die Netzwerkprozessorelemente an der der Vorrichtung abgewandten Seite der Fläche bzw. Rückseite bzw. der bei der Verwendung nicht sichtbaren Fläche angeordnet. Dadurch wird der optische Eindruck der Fläche nicht durch die Netzwerkprozessorelemente beeinträchtigt.

Bevorzugt ist im Netzwerkprozessorelement eine drahtlose Kommunikationseinrichtung wie sie z. B. mit Radiofrequenz-Identifikations-Tags bzw. RF-ID-Tags. angewendet wird.

Des weiteren können die Informationsträger im Prozessorelement andere passive oder aktive drahtlose Kommunikationseinrichtungen sein, wie z.B. in verschiedenen Standards zur drahtlosen Kommunikation beschrieben sind, wie Nahfeldkommunikation, Zigbee, Bluetooth, etc. Bevorzugt werden dabei drahtlose Kommunikationsstandards, die im Bereich von 5 cm bis 1 m arbeiten.

Die Vorrichtung umfaßt ferner vorzugsweise eine Verarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten der von der Leseeinrichtung gelesenen Daten. Dies ist insbesondere von Interesse, um zusätzlich zur reinen Positionsbestimmung beispielsweise eine Leitsystemfunktion bereitzustellen. Hierbei können aufgrund der verarbeiteten Daten beispielsweise weitere Informationen, wie z.B. ein bestimmter Weg oder Informationen bezüglich des Standortes (Flurnummer, Art des Bodenbelages, Sperrvermerke etc.) ausgegeben werden.

Ferner kann über die Leseeinrichtung bilateral Information mit der Steuerrecheneinheit des selbstorganisierenden Prozessornetzwerkes ausgetauscht werden. Somit ist der Steuerrecheneinheit des selbstorganisierendem Netzwerkes die momentane Position der beweglichen Vorrichtung mit Leseeinheit bekannt und es können sogar Informationen zur Zieländerung der beweglichen Vorrichtung übertragen werden.

Ferner kann die bewegliche Vorrichtung eine Eingabeeinrichtung umfassen. Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, daß ein Nutzer, welcher die Vorrichtung bedient, bestimmte Eingaben, z.B. bezüglich eines bestimmten Zielpunkts, durchführt.

Des weiteren kann die Vorrichtung eine Anzeigeeinrichtung umfassen.

Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung ferner eine Schreibeinrichtung zum Abspeichern von Daten auf den Informationsträgern. Somit können zusätzlich zum reinen Lesen der Daten der Informationsträger auch Daten auf den Informationsträgern abgespeichert werden.

Ferner können diese lokal übermittelten Daten auch über das Prozessornetzwerk an die Steuerrecheneinheit weitergeleitet werden.

Bevorzugt erfolgt die Kommunikation zwischen der Schreibeinrichtung und den Funktionselementen zur drahtlosen Kommunikation berührungslos bzw. die Schreibeinrichtung kommuniziert berührungslos mit den Funktionselementen.

Vorzugsweise ist die Fläche Bestandteil eines großflächigen Verbundsystems, das unter begehbaren üblichen Bodenbelägen, wie z.B. Fliesen, Steinböden, Estrich, Laminat, Kunststoffböden, Gipskartonplatten, Pressspanplatten, etc. oder auch direkt in Beton eingebracht wird.

Des weiteren können gemäß der Erfindung die Verwendung von zusätzlichen elektronischen Informationsträgern, ergänzend zum vorliegenden Raster des selbstorganisierenden Prozessornetzwerkes, angebracht sein. Bevorzugt sind dabei Transponder, am meisten bevorzugt RF-ID-Tags, zur höheren Genauigkeit der Positionsbestimmung bzw. Orientierung bzw. Lokalisierung einer Vorrichtung an bzw. auf einer Fläche, insbesondere in einem System gemäß der Erfindung oder einer bevorzugten Ausführungsform davon, wobei eine Vielzahl der Informationsträger an der Fläche zusätzlich zum Netzwerkprozessorraster angeordnet ist.

Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden. Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen, in welchen zeigt:
1 eine schematische Ansicht der Funktionsweise eines Netzwerkprozessorelementes mit integriertem Funktionselement zur drahtlosen Kommunikation und Leseeinrichtungen, weiche in einem System gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden; und
2 eine schematische Ansicht einer mit einem selbstorganisierendem, verdrahteten Raster aus Netzwerkprozessorelementen mit integrierten Funktionselementen zur drahtlosen Kommunikation versehenen Fläche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Anschlüssen dieser Fläche zu einer Steuerrecheneinheit.
Zunächst wird die allgemeine Funktionsweise von in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten Netzwerkprozessorelemente mit integrierten Funktionselementen zur drahtlosen Kommunikation und mit diesen zusammenwirkenden Leseeinrichtungen mit Bezug auf 1 beschrieben.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Netzwerkprozessorelemente 1, ausser mit einem Mikroprozessor mit Speichereinrichtung 1, für die Selbstorganisation des Netzwerkes und dem Funktionselement zur drahtlosen Kommunikation 10, z.B. der Funktion von Radiofrequenz-Identifikations-Tags bzw. RF-ID-Tags ausgebildet. Sie umfassen in einer bevorzugten Ausführung des weiteren Sensorfunktionselemente 3, Aktuatorenfunktionselemente 4 und Verbindungleitunganschlüsse 5 zu ihren Nachbarprozessorelementen im Netzwerk oder zur Steuerrechenheit. Ferner besitzt das Netzwerkprozessorelement vorzugsweise Anschlüsse für externe Sensoren 6. Desweiteren besitzt das Netzwerkprozessorelement vorzugsweise Anschlüsse für externe Aktuatoren 7.
Das Funktionselement zur drahtlosen Kommunikation 10 umfaßt eine Spule 12, welche durch elektromagnetische Wellen angeregt werden kann. Um das Funktionselement zur drahtlosen Kommunikation 10 anzuregen, wird eine Leseeinrichtung 14 verwendet, welche ebenfalls eine Spule 16 umfaßt. Das Funktionselement zur drahtlosen Kommunikation 10 ist vorzugsweise ein passiver Transponder, welcher keine eigene Energieversorgung benötigt und nur in Anwesenheit eines elektromagnetischen Feldes aktiv wird.
Zum Auslesen der auf dem Funktionselement zur drahtlosen Kommunikation 10 gespeicherten Information baut die Leseeinrichtung 14 ein elektromagnetisches Feld auf (in 1 mit EM gekennzeichnet). Innerhalb dieses Felds wird das Funktionselement zur drahtlosen Kommunikation 10 aktiviert (in 1 mit dem Pfeil A dargestellt) und sendet seine Informationen, ebenfalls mittels elektromagnetischer Wellen, zurück (in 1 durch den Pfeil B dargestellt). In einer weiteren Ausführungsform, sendet das Funktionselement zur drahtlosen Kommunikation keine Information zurück, sondern entzieht das Funktionselement zur drahtlosen Kommunikation dem Lesefeld EM Energie in Abhängigkeit der von ihm gespeicherten Information. Die übertragene Information wird von der Leseeinrichtung 14 erfaßt, decodiert und entsprechend weiter verarbeitet.
Die Entfernung zwischen dem Funktionselement zur drahtlosen Kommunikation 10 und der Leseeinrichtung 14, bei welcher der Funktionselement zur drahtlosen Kommunikation 10 aktiviert wird, kann je nach Einsatzgebiet und verwendeten Standard der drahtlosen Informationsübertragung variieren. In der Regel liegt der Wert in einem Bereich von ca. 5 cm bis ca. 1 m.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße System mit Bezug auf 2 beschrieben.
In 2 ist eine Fläche F dargestellt an welcher eine Vielzahl von miteinander verdrahteten Netzwerkprozessorelementen mit Funktionselementen zur drahtlosen Kommunikation 10 angeordnet sind. Die Netzwerkelemente sind vorzugsweise raster- bzw. matrixartig angeordnet. Der Abstand der einzelnen Spalten und Reihen der Prozessorelemente 1 zueinander gibt die Genauigkeit der Positionsbestimmung an. Für eine präzisere Positionsbestimmung wird vorzugsweise ein geringerer Abstand gewählt werden. Ferner ist es ebenfalls denkbar, die Netzwerkprozessorelemente in einem anderen geeigneten, vorzugsweise regelmäßigen, Muster anzuordnen.
Jedes Netzwerkprozessorelement erhält bei der Selbstorganisation des Netzwerkes, die durch einen Steuerrechner angestossen wird eine ihm eindeutig zugeordnete Koordinate, mittels welcher die Steuerrecheneinheit zusammen mit dem bekannten Rastermaß des Netzwerkes eindeutig die physikalische Position jedes einzelnen Netzwerkprozessors in der Fläche F bestimmen kann. Die Steuerrecheneinheit ist somit in der Lage eine Kartisierung der Fläche F vorzunehmen. Diese Kartisierungsinformation wird auf den Roboter übertragen. Damit entfällt eine manuelle Kartisierung der Fläche.
Bevorzugt wird ein sich selbstorganisierendes verdrahtetes Netzwerksystem, dass u.a. sein eigenes Koordinatensystem erzeugt.
Ferner kann in der Applikation in der Steuerrecheneinheit, oder auch lokal eine Weg- bzw. Routenplanung vorgesehen sein. Hierbei kann die Eingabe des Zielpunkts vorzugsweise über den Steuerrechner oder über eine Eingabeeinrichtung erfolgen. Anhand der in der Fläche angeordneten Netzwerkprozessorelemente 1 kann der berechnete Weg ermittelt werden und über den Steuerrecheneinheit oder über die bewegliche Leseeinrichtung direkt dem Nutzer angezeigt werden.
Die Fläche F wird vorzugsweise unterhalb der üblichen Bodenbeläge bzw. unterhalb des Estrichs oder im Beton integriert. Alternativ kann die Fläche mit den Netzwerkprozessorelementen auch fest mit herkömmlichen Bodenbelägen, wie Teppichboden, Gummiboden, Kunststoffböden etc. verbunden werden. Ferner können die Netzwerkprozessorelemente ebenso in einzelnen Flächenverkleidungselementen integriert sein. Bevorzugtenweise werden dann diese Elemente über Steckverbindungen miteinander verbunden und somit die elektrische Verbindung zwischen den Netzwerkprozessorelementen sichergestellt. Hierbei werden die Netzwerkprozessorelemente 1 vorzugsweise an der Flächenseite der Fläche F angeordnet, welche bei der Verwendung nicht sichtbar ist.
Nachfolgend werden einige Beispiele gegeben, in welchen das beschriebene System zum Einsatz kommen kann.
Beispielsweise können die Netzwerkprozessorelemente 1 unter dem Bodenbelag eines Supermarkts rasterförmig angeordnet sein. Die bewegliche Leseeinrichtung 14 wird in einen Putzroboter integriert und die Steuerung des Putzroboters kann aufgrund der Positionsbestimmung durch die Netzwerkprozessorelemente 1 über die integrierten Funktionselemente zur drahtlosen Kommunikation 10 erfolgen. Dadurch können beispielsweise auf einfache Weise die zu reinigenden Bahnen an den Roboter übermittelt werden.
Des weiteren kann die bewegliche Leseeinrichtung 14 in einen Einkaufswagen integriert werden.
Ferner kann zusätzlich eine Eingabeeinrichtung vorgesehen sein, mittels welcher der Kunde beispielsweise ein gesuchtes Produkt eingeben kann. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Positionsbestimmung kann der Weg zu dem gesuchten Artikel berechnet werden und mittels einer Ausgabeeinrichtung, welche z.B. eine Anzeige bzw. ein Display sein kann an den Kunden ausgegeben werden.
Ferner kann in Gebäuden mit hohen Anteil an Transportdienstleistungen, wie z.B. Krankenhäuser, Pflegeheime, das erfindungsgemäße System integriert sein. Damit können Transportroboter z.B. Speisen, Betten, Wäsche, Hauspost, Verbrauchsmaterial etc. transportieren und somit dem Personal weite Wege ersparen.

1: Netzwerkprozessorelement
2: Mikroprozessor mit integrierter Speichereinheit
3: Sensorelement
4: Aktuatorelement
5: Verbindungsanschlüsse zu Nachbar-Netzwerkprozessorelement
6: Verbindungsanschlüsse zu externen Sensoren
7: Verbindungsanschlüsse zu externen Aktuatoren
10: Funktionselement zur drahtlosen Kommunikation
12: Spule
14: Leseeinrichtung
16: Spule EM elektromagnetisches Feld
17: Verbindungsanschlüsse zur Steuerrecheneinheit
18: Steuerrecheneinheit

Claims

System zur Positionsbestimmung einer Vorrichtung an einer Fläche (F), umfassend: – eine Vielzahl von an der Fläche angeordneten elektronischen Netzwerkprozessorelementen (1), die drahtgebunden miteinander kommunizieren und durch Selbstorganisation eigenständig ein Koordinatensystem in dieser Fläche erzeugen. – besagte Netzwerkprozessorelemente (1) mit mindestens jeweils einem Funktionselement zur drahtlosen Kommunikation (10), über das die selbstständig ermittelte Koordinate an eine Leseeinrichtung (14) übermittelt werden kann; – zumindest eine Steuerrecheneinheit (18), die die vom selbstorganisierendem Netzwerk ermittelten Koordinaten des Netzwerkes in eine Kartisierungsinformation umrechnet und für die übergeordnete Steuerung von Leseeinheit und selbstorganisierendem Prozessorennetzwerk benutzt. – zumindest eine Vorrichtung umfassend eine Leseeinrichtung (14), welche zum Lesen von in den Funktionselementen zur drahtlosen Kommunikation (10) gespeicherten Daten ausgelegt ist und von der Steuerrecheneinheit die Kartisierungsinformation erhält.
System gemäß Anspruch 1, wobei die Kommunikation zwischen der Leseeinrichtung (14) und den Funktionselementen zur drahtlosen Kommunikation (10) berührungslos erfolgt.
System gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung bezüglich der Fläche bewegbar ist.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Funktionselemente zur drahtlosen Kommunikation (10) im wesentlichen rasterartig angeordnet sind.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Funktionselemente zur drahtlosen Kommunikation (10) an der der Vorrichtung abgewandten Seite der Fläche angeordnet sind.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Funktionselemente zur drahtlosen Kommunikation (10) Transponder sind.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ferner eine Verarbeitungseinrichtung umfaßt zum Verarbeiten der von der Leseeinrichtung (14) gelesenen Daten.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ferner eine Eingabeeinrichtung umfaßt.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ferner eine Anzeigeeinrichtung umfaßt.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ferner eine Schreibeinrichtung zum Abspeichern von Daten auf den Funktionselementen zur drahtlosen Kommunikation (10) umfaßt.
System gemäß Anspruch 10, wobei die Kommunikation zwischen der Schreibeinrichtung und den Funktionselementen zur drahtlosen Kommunikation (10) berührungslos erfolgt.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fläche Bestandteil eines insbesondere begehbaren Bodenbelags ist.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerrecheneinheit die Kartisierungsinformation an die Leseeinrichtung drahtlos überträgt.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerrecheneinheit die Kartisierungsinformation an die Leseeinrichtung drahtgebunden überträgt.
Verwendung von elektronischen Informationsträgern zur Positionsbestimmung einer Vorrichtung an einer Fläche (F), insbesondere in einem System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl der Netzwerkprozessorelemente (1) an der Fläche angeordnet ist.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fläche unterhalb des begehbaren Bodenbelags angebracht ist.
System gemäß einem der vorangehenden Anspruche, wobei zusätzlich zum Raster der Netzwerkprozessorelemente noch weitere Informationsträger angebracht sind.