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Die
Erfindung betrifft ein System zur Navigation eines autonomen Fahrzeugs
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Serviceroboter
wie Haushaltsroboter, Dienstleistungsroboter oder fahrerlose Transportsysteme (FTS)
zur Beförderung
von Waren müssen
autonom ihren Weg durch Büroflure,
-räume
und Industriehallen finden, ohne dabei mit Hindernissen zu kollidieren.
Dabei ist es wünschenswert,
die Navigation und Kollisionsvermeidung so einfach, rechenextensiv, kostengünstig und
wartungsarm wie möglich
zu gestalten. Weiterhin muss ein Roboter sein Ziel schnell, präzise und
möglichst
ohne Umwege erreichen.
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Zur
Navigation können
einfache Verfahren benutzt werden, wobei diese auf ein chaotisches Fahrmuster
des Roboters zurückgreifen,
um beispielsweise eine Fläche
in endlicher Zeit komplett abzufahren bzw. zu überfahren, wie einfache Staubsauger-Roboter
für den
Haushalt.
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Fahrerlose
Transportsysteme in Industriehallen fahren häufig an Stromschleifen entlang,
die sich im Boden befinden. Induktionsschleifen im Fahrzeug erkennen
den Stromfluss und richten das Fahrzeug stets so aus, dass der detektierte
Stromfluss maximal ist. Das Zu- und Abschalten einzelner Stromschleifen im
Boden ermöglicht
das Befahren verschiedener Routen. Größter Nachteil sind dabei die
mangelnde Flexibilität
und die hohen Kosten durch das Einbringen der Stromschleifen in
den Boden.
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Andere
Systeme schaffen sich ein Bild bzw. eine Karte ihrer Umgebung, indem
sie diese mit Hilfe von Sensoren scannen. Gebräuchlich sind dabei die Laserabtastung
und die Navigation anhand von Kamerabildern. Eine Möglichkeit
ist das Anbringen von speziellen Reflexionsmarkierungen in „Augenhöhe" des Roboters, an
denen er sich orientieren kann. Dabei wird auch gleichzeitig die
Kollisionsvermeidung realisiert, indem das erstellte Kartenmaterial
mit altem Material verglichen und nach neuen Hindernissen gesucht
wird. Diese Art der Navigation ist sehr flexibel, jedoch auch sehr
aufwendig.
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Die
Kollisionsvermeidung wird heute meist mit Hilfe von Laser- und Ultraschallsensoren
realisiert. Auch mechanische Sensoren wie ein mit Luft gefüllter Reifen
um den Roboter herum sind üblich. Bei
einer drohenden oder erfolgten Kollision werden dann unterschiedliche
Strategien verfolgt, die vom Abschalten des Roboters bis hin zur
Umfahrung des Hindernisses reichen.
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Eine
kürzliche
Weiterentwicklung betrifft die Navigation anhand von Funketiketten
(RFID-Transponder), die in regelmäßigen Abständen in einem Bodenbelag eingelassen
sind. Die vollpassiven und damit energieautarken Etiketten werden
beim Überfahren
durch den Roboter mit Energie versorgt und senden im Gegenzug eine
eindeutige Identifikationsnummer und eventuell zusätzliche
Navigationsinformationen zurück.
Die Transponder arbeiten im HF-Band bei 13.56 MHz und sind induktiv
mit dem Lesegerät
im Fahrzeug gekoppelt. Dazu ist es notwendig, die Antenne des Lesegeräts in die
nächste Nähe des Transponders
zu bringen, am besten direkt darüber.
Damit kein Transponder bei der Fahrt übersehen wird, sind mehrere
entsprechende Antennen unter dem Fahrzeug befestigt, wobei die Lesereichweite
maximal im Bereich der Fahrzeugfläche liegt. Durch die Verwendung
mehrerer Antennen unter dem Fahrzeug ist dem Fahrzeug nicht nur
die Identität,
sondern auch die ungefähre
Position des Transponders relativ zum Fahrzeug bekannt. Dabei liegt die
Ungenauigkeit der Positionsbestimmung im Bereich des verwendeten
Antennendurchmessers. Die Abdeckung mit Transpondern im Bodenbelag
muss dabei jedoch so dicht sein, dass das Fahrzeug immer die Möglichkeit
hat, das jeweils nächste
Etikett auf seiner Fahrt zu detektieren.
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Auf
den Transpondern sind neben einer eindeutigen Identifikationsnummer
auch weitergehende Informationen gespeichert. Diese können sein:
- – Die
Absolutposition des Transponders zur Bestimmung der Absolutposition
des Fahrzeugs,
- – Informationen über die
Transponder in der unmittelbaren Nähe zum identifizierten Transponder,
- – Informationen über die
Routen, zu denen der identifizierte Transponder gehört,
- – Informationen
darüber,
in welcher Richtung ein permanentes Hindernis, wie ein Schrank oder eine
Wand, zu erwarten ist, mit Umgehungsinformationen,
- – Informationen
darüber,
ob ein bestimmtes, geladenes Gut die Route befahren darf oder nicht;
- – oder Ähnliches
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Dieses
System ist einfach zu realisieren und kann zur Bearbeitung von komplexen
Navigations-Aufgaben herangezogen werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System aus Fahrzeug mit
Lesegerät
und mehreren im Aktionsbereich des Fahrzeugs und darüber hinaus
verteilten energieautarken Transpondern aufzubauen, mit dem die
Navigation und die Kollisionsvermeidung wesentlich verbessert werden
können.
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Die
Lösung
geschieht durch die Merkmalskombinationen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass besonders ausgelegte,
bzw. besonders ausgestattete Transponder in einem Bodenbelag in
vorgegebenen Abständen
als Funketiketten, RFID-Transponder,
eingebracht werden können
um wesentliche Vorteile zu erzielen. Diese Transponder sind ebenfalls
vollpassiv, also energieautark im Betrieb. Im Gegensatz zu dem oben
beschriebenen System nach dem Stand der Technik ist die Lesereichweite
jedoch deutlich größer, als
die Fahrzeugabmessung. Dies ist mit Funketiketten im UHF-Band im
Bereich von 300 bis 3000 MHz, insbesondere vorteilhaft bei 868 MHz oder 2,45
GHz, möglich.
Dabei findet keine induktive Kopplung zwischen Transponder und Lesegerät statt,
sondern eine Funkübertragung.
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Die
Etiketten weisen zwei wesentliche und neue Eigenschaften auf:
- – Die
Entfernung zwischen Lesegerät
und Transponder/Etikett, die über
die eigenen Fahrzeugabmaße
hinausgeht, kann gemessen werden;
- – Das
Etikett besitzt mindestens einen Sensor zur Messung einer physikalischen
Größe in der
unmittelbaren Umgebung desselben, insbesondere des Drucks, der auf
ihm lastet und kann die Sensorinformation übermitteln. Eine Kombination
mit weiteren Sensoren, z.B. zur Temperaturmessung, ist ebenfalls
denkbar.
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Ein
Serviceroboter weist ein Lesegerät
auf, das in der Lage ist, die im Boden eingelassenen Transponder
mit Energie zu versorgen, die gespeicherten Informationen auszulesen,
die Entfernung zum Transponder zu bestimmen und vorteilhaft auch Sensordaten
wie Druck abzurufen. Dazu kann es eine oder mehrere Antennen verwenden,
die vorzugsweise auf den Boden gerichtet sind. Weitere Antennen
in Richtung von Wänden
oder der Decke können
zur Identifikation dort angebrachter Transponder zur Navigation
oder Kollisionsvermeidung genutzt werden.
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Navigation
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Die
Positionsbestimmung für
die Navigation des Fahrzeugs kann auf folgende Arten funktionieren:
- – Die
relative Position eines identifizierten Transponders zum Fahrzeug
kann ermittelt werden, indem die Entfernung von einer Antenne des
Lesegeräts
zum Transponder an verschiedenen Fahrzeugpositionen gemessen wird.
Relativsensoren an der Transportvorrichtung, wie Drehgeber an den
Rädern,
liefern die relative Fahrzeugverschiebung während der Messungen. Ma thematisch lässt sich
nun die relative Position des Transponders zum Fahrzeug berechnen.
- – Die
relative Position eines identifizierten Transponders zum Fahrzeug
kann ermittelt werden, indem die Entfernung zwischen mehreren, vorzugsweise
mindestens drei, Antennen des Lesegerät und des Transponders bei
Stillstand des Fahrzeugs gemessen werden. Mit Hilfe der Triangulation
kann dann die relative Position des Transponders bestimmt werden.
- – Es
können
auch Mischformen oder Kombinationen eingesetzt werden.
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In
allen Fällen
erhält
man nach der Messung die relative Position des Transponders zum
Fahrzeug. Mit Hilfe der auf dem Transponder gespeicherten absoluten
Position des Transponders lässt
sich einfach die absolute Position des Fahrzeugs errechnen und zur
Navigation nutzen.
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Zur
Einordnung der Fahrzeugposition in den Gesamtkontext ist es hilfreich,
diese Positionsbestimmung und Datenübertragung mit allen Transpondern
in der Lesereichweite des Lesegeräts am Fahrzeug durchzuführen. Damit
wird ein sehr detailliertes Bild der Umgebung erstellt, das zur
Navigation benutzt werden kann. Bei einem System nach dem Stand
der Technik ist dies nicht möglich,
da nur Transponder angesprochen werden können, die sich direkt unter
dem Fahrzeug befinden.
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Die
Kollisionsvermeidung des Fahrzeugs kann erfindungsgemäß so funktionieren:
- – Alle
Transponder in Reichweite des Lesegeräts werden mit Energie versorgt
und ausgelesen (wie bereits bei der Navigation);
- – die
auf den Transpondern befindlichen Drucksensoren werden dabei mit
Energie versorgt und liefern ihre Messwerte an das Lesegerät;
- – dem
Fahrzeug ist nun bekannt, auf welchen Transpondern ein hoher Druck
herrscht, der auf ein Hindernis deutet, und kann eine Ausweichroute
berechnen
- – Ausweichempfehlungen
für den
Fall eines Hindernisses können
direkt auf dem Transponder gespeichert sein und ausgelesen werden.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist die Kombination, dass ein relativ weit entfernter
Transponder ausgelesen werden kann und die Entfernung zwischen Lesegerät und Transponder/Etikett,
die größer ist
als die Fahrzeugabmaße,
gemessen werden kann.
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Im
Folgenden werden anhand von schematischen begleitenden Figuren Ausführungsbeispiele beschreiben.
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1 zeigt
eine Aufsicht auf ein System mit an einem Fahrzeug befestigtem Lesegerät, im Aktionsbereich
des Fahrzeugs verteilten Transpondern mit und ohne Drucksensor und
einer beispielhaften einfachen Datenübertragung mit Entfernungsmessung,
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2 zeigt
eine teilweise geschnitten dargestellte Seitenansicht des Systems
nach 1, wobei unterschiedliche Antennenausrichtungen
angegeben sind.
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Navigation
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Der
Hauptvorteil der Navigation mit UHF-Funketiketten, deren Entfernung
zum Lesegerät
gemessen werden kann, liegt in der erhöhten Lesereichweite, die deutlich
größer sein
kann, als die Fahrzeugabmessungen. Damit ist es dem Fahrzeug möglich, mehrere
Bezugspunkte in seiner Umgebung gleichzeitig zu erfassen und somit
schneller und mit weniger Eigenbewegungen seine absolute Position zu
berechnen und detaillierte Navigationsinformationen zu empfangen.
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Weiterhin
ist eine vorausschauende Navigation möglich, da das Fahrzeug nicht
erst bei Erreichen eines Hindernisses von dem Hindernis Kenntnis
erlangt, sondern schon einige Meter davor. Damit kann die Zahl der
im Bodenbelag integrierten Transponder reduziert werden, was zu
einer Kostenreduktion führt.
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Kollisionsvermeidung
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Der
Vorteil der Drucksensoren in den UHF-Funketiketten ergibt sich aus
der damit möglichen
Kollisionsvermeidung. Etiketten, deren Drucksensoren einen Druck
liefern, der dem durchschnittlichen Druck durch den Bodenbelag übersteigt,
zeigen ein Hindernis in dem Abschnitt an. Auf dem Transponder zusätzlich gespeicherte
Ausweichempfehlungen ermöglichen
dem Fahrzeug, autonom und ohne Berührung das Objekt frühzeitig
zu umfahren.
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Dieser
Vorteil kann jedoch nur ausgespielt werden, wenn die Lesereichweite
zum Transponder die Fahrzeugabmessungen übersteigt. Dies ist bei bekannten
induktiv gekoppelten Transpondern nicht der Fall, so dass diese
nicht sinnvoll mit einem Drucksensor ausgestattet werden können. Die
bekannten Transponder müssten
zum Auslesen direkt unter einem Fahrzeug mit Lesegerät positioniert
sein, wobei sie selbst ein vom Drucksensor erfasstes Hindernis darstellen
würden.
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Der
Grund liegt also in der Lesereichweite eines jeden Systems, wobei
der Lesebereich eines entsprechend der Erfindung aufgebauten Systems
nicht auf die Fläche
unter einem Fahrzeug beschränkt
ist.
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Die
auf den Transpondern gespeicherten Daten können von unterschiedlicher
Art sein, entsprechen jedoch den üblichen Standards.
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1 zeigt
eine Aufsicht auf ein System mit an einem Fahrzeug 1 befestigtem
Lesegerät 3,
wobei im Aktionsbereich des Fahrzeugs verteilte Transponder 5 mit 5.2 und
ohne 5.1 Drucksensor 6, sowie eine beispielhafte
einfache Datenübertragung 8 mit
Entfernungsmessung 9 vorhanden sind. Der Aktionsbereich
ist im Wesentlichen mit einem Bodenbelag 10 ausgelegt,
wobei auch Positionierungen von Transpondern an anderen Gegenständen auf
unterschiedlichen Höhenniveaus
möglich
sind. Eine Recheneinheit 4 ist zweckmäßig an dem Fahrzeug 1 angebracht.
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2 zeigt
eine teilweise geschnitten dargestellte Seitenansicht des Systems
nach 1, wobei unterschiedliche Antennenausrichtungen
angegeben sind.
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Es
ist anzumerken, dass ein Hindernis eine Druckbelastung auf einen
Transponder ausüben kann,
wobei der Druck über
einen Drucksensor detektierbar ist. Die Transponder können mit
und ohne zusätzliche
Sensoren zur Messung physikalischer Größen realisiert sein. An einer
Stelle, an der kein Hindernis 7 erwartet werden kann, wird
beispielsweise kein Drucksensor 6 benötigt. In den Figuren sind Transponder 5 neben
und unter einem Hindernis dargestellt, wobei ein Drucksensor in
Kombination mit einem weiten Lesebereich auch unter einem Fahrzeug 1 vorteilhaft
ist. Besondere Vorteile werden bei der Kollisionsvermeidung erzielt.