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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Routenplanungsverfahren und ein
Navigationsverfahren und insbesondere ein Routenplanungsverfahren
und ein Navigationsverfahren zum Vermeiden dynamischer Hindernisse
für eine
mobile Robotervorrichtung.
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Was
eine mobile Robotervorrichtung, beispielsweise einen mobilen Roboter,
angeht, bedeutet die Routenplanung das Finden einer geeigneten Route
in einer Arbeitsumgebung mit Hindernissen, d. h. einer Bewegungsroute
vom Anfangspunkt bis zum Zielpunkt. In der Route kann die Robotervorrichtung alle
Hindernisse sicher und ohne Kollisionen im Bewegungsprozess umfahren.
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Bei
einer der herkömmlichen
Techniken plant sie die Route neu, wenn neuen Hindernissen begegnet
wird, und bricht die ursprünglich
geplante Route ab. Bei einer anderen herkömmlichen Technik definiert
sie eine gerade Linie zwischen dem Anfangspunkt und dem Zielpunkt
als geplante Route. Falls es irgendwelche Hindernisse auf der geraden
Linie gibt, biegt sie nach links oder rechts ab, um die Hindernisse
zu umfahren. Wenn jedoch fortlaufenden Hindernissen, wie einer Wand,
begegnet wird, umfährt
sie möglicherweise
die Hindernisse nicht und erreicht demgemäß nicht den Zielpunkt. Selbst
wenn sie die Hindernisse umfahren kann, um den Zielpunkt zu erreichen,
wird dafür
gewöhnlich
das Fahren über
eine übermäßig lange
Strecke benötigt.
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Angesichts
der verwandten herkömmlichen Techniken,
die zu verbessern sind, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung
hart gearbeitet und ein Routenplanungsverfahren und ein Navigationsverfahren
zum Vermeiden dynamischer Hindernisse für eine mobile Robotervorrichtung
vorgeschlagen, um die Mängel
der vorstehend erwähnten
herkömmlichen
Techniken zu beseitigen.
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Eine
erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin,
ein Routenplanungsverfahren, das in einer mobilen Robotervorrichtung
verwendet wird, bereitzustellen, so dass die mobile Robotervorrichtung
in einer physikalischen Umgebung eine Bewegungsroute am Anfangspunkt und
am Zielpunkt planen kann.
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Eine
zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin,
ein Navigationsverfahren zum Vermeiden dynamischer Hindernisse, das
in einer mobilen Robotervorrichtung verwendet wird, bereitzustellen,
so dass die mobile Robotervorrichtung in einer physikalischen Umgebung
eine Bewegungsroute am Anfangspunkt und am Zielpunkt planen kann
und die dynamischen Hindernisse vermeiden kann, um sich ununterbrochen
zum Ziel zu bewegen.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein Routenplanungsverfahren für eine mobile
Robotervorrichtung nach Anspruch 1 vor.
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Weiter
sieht die vorliegende Erfindung ein Navigationsverfahren zum Vermeiden
dynamischer Hindernisse für
eine mobile Robotervorrichtung nach Anspruch 7 vor.
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Die
Vorteile und die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee
werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der anliegenden
Zeichnung erläutert.
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1 ist
ein Flussdiagramm des Routenplanungsverfahrens für eine mobile Robotervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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die 2A–2D sind
Diagramme zum Anwenden des Routenplanungsverfahrens in einer physikalischen
Umgebung gemäß der vorliegenden Erfindung,
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3 ist
ein Flussdiagramm des Navigationsverfahrens zum Vermeiden dynamischer
Hindernisse gemäß der vorliegenden
Erfindung, das in der mobilen Robotervorrichtung verwendet wird,
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die 4A–4C sind
Diagramme der Bewegungsroute in einer physikalischen Umgebung für die mobile
Robotervorrichtung mit dem Navigationsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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5 ist
ein Flussdiagramm, das das Vermeiden von dynamischen Hindernissen
zeigt, wenn die dynamischen Hindernisse gemäß der vorliegenden Erfindung
erfasst werden, und
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6 ist
ein Strukturdiagramm der mobilen Robotervorrichtung, die das Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet.
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1 zeigt
ein Flussdiagramm des Routenplanungsverfahrens für eine mobile Robotervorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, und die 2A–2D zeigen
die Diagramme der Anwendung des Routenplanungsverfahrens in einer
physikalischen Umgebung gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Routenplanungsverfahren 10 für eine mobile
Robotervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung weist Schritt 101 und Schritt 103 auf.
In Schritt 101 wird ein auf einer physikalischen Umgebung 5 beruhendes
jeweiliges Netzgitterdiagramm 20 erzeugt. Das Netzgitterdiagramm 20 weist
mehrere Kartengitter 201 auf, welche Hindernisparameterwerte
enthalten, wobei die Hindernisparameterwerte für jedes Kartengitter 201 durch
Orte von Hindernissen in der physikalischen Umgebung 5 am
jeweiligen Ort bestimmt sind.
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Bitte
siehe 2A. Damit sich die mobile Robotervorrichtung
(nicht dargestellt), beispielsweise ein Roboter, in einer physikalischen
Umgebung 5, beispielsweise einer Fabrik, entsprechend dem
Ergebnis der Routenplanung bewegen kann, wobei die physikalische
Umgebung 5 die Hindernisse 12a–12b aufweist, liest
sie zuerst die Karte der Fläche
der physikalischen Umgebung 5 und erzeugt die jeweiligen Netzgitterdiagramme 20 auf
der Grundlage der physikalischen Umgebung 5. Das Netzgitterdiagramm 20 weist
mehrere Kartengitter 201 auf, welche Hindernisparameterwerte
enthalten. Die Größe jedes Kartengitters 201 kann
beispielsweise 1 cm × 1
cm betragen.
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Nach
Abschluss der Routenplanung kann den mehreren Kartengittern 201 im
Netzgitterdiagramm 20 eine Identifikationsnummer gegeben
werden, um die Koordinateninformationen über die Bewegungsroute bereitzustellen.
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Die
in der physikalischen Umgebung 5 vorhandenen Hindernisse 12a–12b müssen im
Netzgitterdiagramm 20 markiert werden, um die durch die Hindernisse 12a–12b belegten
Orte anzugeben. Die Hindernisparameterwerte für jedes Kartengitter 201 werden
durch die Orte der Hindernisse 12a–12b in der physikalischen
Umgebung 5 am jeweiligen Ort bestimmt. Was den Block 16 angeht,
der mit schraffierten Linien in 2B markiert
ist, werden die Hindernisparameterwerte für die dem Block 16 gehörenden Kartengitter 201 alle
beispielsweise als ”1” konfiguriert,
und die Hindernisparameterwerte für andere unbelegte Kartengitter 201 werden
alle beispielsweise als ”0” konfiguriert.
Um weiterhin zu vermeiden, dass sich die mobile Robotervorrichtung
nach außerhalb
des Netzgitterdiagramms 20 bewegt, können die Ecken des Netzgitterdiagramms 20 als
fortlaufende Hindernisse definiert werden, und die Hindernisparameterwerte
dieser Kartengitter 201 werden alle als ”1” konfiguriert.
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In
Schritt 103 wird das Kartengitter 201 von dem
Anfangspunkt 14a und dem Zielpunkt 14b zum benachbarten
Kartengitter 201 ausgebreitet, bis die ausgebreiteten Kartengitter 201 einander
treffen, und jedes Kartengitter 201 wird in der Ausbreitungsspur zum
Treffen voneinander als Bewegungsroute definiert.
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Bitte
siehe 2C. Entsprechend dem vorhergehenden
Verarbeitungsergebnis in Schritt 101 werden die Kartengitter 201 von
dem Anfangspunkt 14a und dem Zielpunkt 14b zu
den benachbarten Kartengittern kontinuierlich ausgebreitet, bis
die ausgebreiteten Kartengitter 201 einander treffen, und
jedes Kartengitter 201 wird in der Ausbreitungsspur zum
Treffen voneinander als Bewegungsroute 18 definiert. Mit
anderen Worten sieht dies einfach als Ausbreitung von Wasserwellen
durch Werfen von zwei Steinen in einen Teich und Treffen von ihnen
aus. Wenn sich die Kartengitter 201 beispielsweise kontinuierlich
von dem Anfangspunkt 14a und dem Zielpunkt 14b zu
den benachbarten Kartengittern 201 ausbreiten, breiten
sich das Kartengitter 201 am Anfangspunkt 14a und
das Kartengitter 201 am Zielpunkt 14b kontinuierlich
in einer Kreuzform zu den Kartengittern 201 aus, d. h.
nach oben, nach unten, nach links und nach rechts. Die ausgebreiteten
Kartengitter 201 breiten sich kontinuierlich zu den vier benachbarten
Kartengittern 201 in oberer, unterer, linker und rechter
Richtung aus, bis sich die erweiterten Kartengitter 201 von
dem Anfangspunkt 14a und dem Zielpunkt 14b einander
treffen, d. h. bis zum Ort des Treffpunkts 18a.
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Dann
wird der Ort Treffpunkt 18a in zwei Richtungen unterteilt,
jeweils zum Anfangspunkt 14a zurück und zum Zielpunkt 14b zurück, wobei
die Ausbreitungsspur vom Treffpunkt 18a zurück zum Anfangspunkt 14a und
zum Zielpunkt 14b gebildet wird, welche die passierten
Kartengitter 201 sind, und die beiden Spuren werden als
Bewegungsroute 18 definiert, wie in 2D dargestellt
ist.
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Abgesehen
vom kontinuierlichen Ausbreiten zu den benachbarten Kartengittern 201 in
einer Kreuzform, kann er sich auch stattdessen kontinuierlich zu
den acht benachbarten Kartengittern 201 in einer ”*”-Form ausbreiten.
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Weil
die mobile Robotervorrichtung einen bestimmten Projektionsbereich
belegt, beispielsweise 40 cm × 40
cm, sollte sie die belegten Kartengitter 201 relativ nach
außen
zu den durch die Hindernisse 12a–12b im Netzgitterdiagramm 5 belegten
Kartengittern entsprechend der Größe der mobilen Robotervorrichtung
anpassen. Er breitet sich beispielsweise 20 cm nach außen vom
Mittelpunkt der mobilen Robotervorrichtung aus und fügt einen
Schutzbereich von 10 cm hinzu, so dass er sich insgesamt 30 cm nach
außen
ausbreitet, d. h. die durch die Hindernisse 12a, 12b belegten
Kartengitter werden relativ 30 cm nach außen angepasst, wodurch ferner
Anpassungen vorgenommen werden, um die belegten Kartengitter 201 zu
vergrößern. Ähnlich werden
die sich in den Ecken des Netzgitterdiagramms 20 befindenden
Kartengitter 201 relativ 30 cm nach außen angepasst, um ferner Anpassungen
zum Vergrößern belegter
Kartengitter 201 vorzunehmen.
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Idealerweise
kann die geplante Bewegungsroute 18 existierende Hindernisse
vermeiden. Um jedoch die dynamischen Hindernisse zu vermeiden, welche
nicht zu den ursprünglich
existierenden Hindernissen 12a, 12b in der physikalischen
Umgebung 5 gehören,
kann die mobile Robotervorrichtung mit Sensoren, beispielsweise
einem Infrarotsensor oder einem Überschallsensor,
konfiguriert sein, um die im Bewegungsprozess begegneten Hindernisse
jederzeit zu erfassen.
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3 zeigt
ein Flussdiagramm des Navigationsverfahrens zum Vermeiden dynamischer
Hindernisse, das in der mobilen Robotervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, und die 4A–4C zeigen
Diagramme der Bewegungsroute in einer physikalischen Umgebung für die mobile
Robotervorrichtung mit dem Navigationsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Navigationsverfahren 30 zum Vermeiden dynamischer
Hindernisse, das in der mobilen Robotervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, weist einen Schritt 31 zum Planen
der Bewegungsroute und einen Bewegungsschritt 33 zum Vermeiden
dynamischer Hindernisse auf. Die beiden Schritte 311, 313 des
Schritts 31 zum Planen der Bewegungsroute sind jeweils
mit den Schritten 101, 103 identisch, welche nicht
wiederholt beschrieben werden.
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Mit
Bezug auf 4A sei bemerkt, dass, falls
es keine dynamischen Hindernisse in der Bewegungsroute 18 gibt,
sich die mobile Robotervorrichtung, die sich mit Schritt 333 und
Schritt 335 bewegt, durch die Kartengitter 201 mit
Identifikationsnummern 201a, 201b, 201c, 201d, 201e, 201f, 201g, 201n, 201o und 201p bewegt
und schließlich
den Zielpunkt 14b erreicht.
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In
Schritt 331 des Bewegungsschritts 33 zum Vermeiden
dynamischer Hindernisse erfasst sie, wenn sie sich entlang der Bewegungsroute 18 von dem
Schritt 31 zum Planen der Bewegungsroute und vor dem Eintreten
in den Ort auf halbem Wege bewegt, die Hindernisse, welche ursprünglich zur
physikalischen Umgebung nicht gehören, und definiert dann diese
Hindernisse als dynamische Hindernisse 20. Mit Bezug auf 4B sei
bemerkt, dass das Kartengitter 201, das dem Ort auf halbem
Wege mit der Identifikationsnummer 201d entspricht, am
Ort auf halbem Wege in der Bewegungsroute 18 ein Hindernis
aufweist. Die mobile Robotervorrichtung bewegt sich entlang der
Bewegungsroute 18 von dem Schritt 31 zum Planen
der Bewegungsroute und durch die Kartengitter 201 mit den
Identifikationsnummern 201a–201c. Bevor sich
die mobile Robotervorrichtung zum Ort auf halbem Wege bewegt, erfasst
das Kartengitter 201 mit der Identifikationsnummer 201c das
Hindernis und definiert dieses Hindernis als dynamisches Hindernis 20.
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Als
nächstes
biegt sie in Schritt 333 des Bewegungsschritts 33 zum
Vermeiden dynamischer Hindernisse nach der Abbiegerichtung am Ort
auf halbem Wege entsprechend der Abbiegerichtung am nächsten Abbiegeort
zum Ort auf halbem Wege ab. Nach dem Abbiegen bewegt sie sich weiter
entlang dem dynamischen Hindernis 20 auf der rechten Seite,
falls das vorhergehende Abbiegen ein Abbiegen nach links war, und
sie bewegt sich weiter entlang dem dynamischen Hindernis 20 auf
der linken Seite, falls das vorhergehende Abbiegen ein Abbiegen nach
rechts war.
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Bitte
siehe die 4B und 5. Was den Ort
auf halbem Wege angeht, ist der nächste Abbiegeort am Ort auf
halbem Wege der Kartengitter 201 mit der Identifikationsnummer 201g.
Das Abbiegen am Kartengitter 201 mit der Identifikationsnummer 201g erfolgt
nach rechts. Die mobile Robotervorrichtung biegt am Kartengitter 201 mit
der Identifikationsnummer 201c entsprechend der Abbiegerichtung
am nächsten
Abbiegeort nach rechts ab. Nach dem Abbiegen nach rechts bestimmt
die mobile Robotervorrichtung dann die vorhergehende Abbiegerichtung. Falls
das vorhergehende Abbiegen ein Abbiegen nach links war, bewegt sie
sich weiter entlang dem dynamischen Hindernis 20 auf der
rechten Seite, und falls das vorhergehende Abbiegen ein Abbiegen nach
rechts war, bewegt sie sich weiter entlang dem dynamischen Hindernis 20 auf
der linken Seite.
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Entsprechend
der Beschreibung des Beispiels aus 4B biegt
die mobile Robotervorrichtung am Kartengitter 201 mit der
Identifikationsnummer 201c nach rechts ab. Nach dem Abbiegen
nach rechts bewegt sich die mobile Robotervorrichtung, falls das
vorhergehende Abbiegen ein Abbiegen nach rechts war, weiter entlang
dem dynamischen Hindernis 20 auf der linken Seite und durch
die Kartengitter 201 mit den Identifikationsnummern 201h, 201i, 201j und 201e.
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Falls
ferner in Schritt 335 des Bewegungsschritts 33 zum
Vermeiden dynamischer Hindernisse ein neues dynamisches Hindernis
vorne erfasst wird und die Bewegung entlang dem dynamischen Hindernis 20 nicht
fortgesetzt werden kann, biegt sie am Ort nach dem Erfassen eines
neuen dynamischen Hindernisses zurück ab. Nach dem Abbiegen zurück bewegt
sie sich dann weiter entlang dem dynamischen Hindernis auf der anderen
Seite.
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Bitte
siehe die 4C und 5. Nach
dem Erfassen des dynamischen Hindernisses 20 infolge des
Abbiegens nach rechts am nächsten
Abbiegepunkt bog die mobile Robotervorrichtung am nächsten Abbiegepunkt
zu dieser Zeit nach rechts ab und bewegte sich entlang der linken
Wand des dynamischen Hindernisses 20, welche die linke
Seite der mobilen Robotervorrichtung ist. Falls es so viele Kartengitter
gibt, die durch dynamische Hindernisse 20 belegt sind,
dass die mobile Robotervorrichtung immer noch die Bewegung entlang
der linken Wand fortsetzen muss, falls beispielsweise das dynamische
Hindernis 20 in 4C die
Kartengitter 201d, 201i belegt und ein anderes
dynamisches Hindernis 20' vor
der mobilen Robotervorrichtung erfasst wird, d. h. das Kartengitter 201q in 4C durch
das dynamische Hindernis 20' belegt
worden ist, begegnet die mobile Robotervorrichtung trotzdem dem
Hindernis, wenn sie sich entlang der linken Wand bewegt. Unter einem
solchen Umstand biegt die mobile Robotervorrichtung zurück ab.
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Zu
dieser Zeit biegt die mobile Robotervorrichtung am Kartengitter 201 mit
der Identifikationsnummer 201h zurück ab, d. h. um 180°. Nach dem Abbiegen
zurück
bewegt sie sich weiter entlang dem dynamischen Hindernis 20 auf
der anderen Seite, und die andere Seite ist nun die rechte Seite.
Die mobile Robotervorrichtung, die sich weiter entlang dem dynamischen
Hindernis 20 auf der rechten Seite bewegt, bewegt sich
durch die Kartengitter 201 mit den Identifikationsnummern 201c, 201k, 201l, 201m und 201e.
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Als
nächstes
bestimmt in Schritt 337 des Bewegungsschritts 33 zum
Vermeiden dynamischer Hindernisse, wenn die Bewegung in Schritt 333 und Schritt 335 erfolgt,
die mobile Robotervorrichtung, ob sie die Bewegungsroute 18 erreicht
hat. Falls dies der Fall ist, bewegt sie sich weiter entlang der
Bewegungsroute 18.
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Die
mobile Robotervorrichtung, die sich in Schritt 333 und
Schritt 335 bewegt, erreicht das Kartengitter mit der Identifikationsnummer 201e.
Wenn das Kartengitter 201 mit der Identifikationsnummer 201e erreicht
wird, bestimmt die mobile Robotervorrichtung, dass sie die Bewegungsroute 18 erreicht hat.
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Dann
wiederholt sie in Schritt 339 des Bewegungsschritts 33 zum
Vermeiden dynamischer Hindernisse die Schritte 331 bis 337,
bis die den Zielpunkt erreicht. Die mobile Robotervorrichtung, welche
die dynamischen Hindernisse 20, 20' vermeidet, bewegt sich entsprechend
dem Bewegungsverfahren aus den Schritten 331 bis 337 durch
die Kartengitter 201 mit den Identifikationsnummern 201f, 201g, 201n, 201o und 201p und
erreicht schließlich den
Zielpunkt 14b.
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6 zeigt
ein Strukturdiagramm der mobilen Robotervorrichtung, die das Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet. Die Hardwarezusammensetzung der mobilen Robotervorrichtung,
die das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet, kann eine herkömmliche Zusammensetzung sein.
Das Routenplanungsverfahren 10 und das Navigationsverfahren 30 gemäß der vorliegenden
Erfindung können
in Programmcodes programmiert werden, und die Programmcodes werden
in einen Flash-Speicher 403 geschrieben. Es wird mindestens
ein Sensor 405 zum Erfassen von Hindernissen verwendet.
Der Hauptprozessor 401 führt die Programmcodes aus und
empfängt
das durch die Sensoren 405 erzeugte Signal. Die Bewegungsmechanismuseinheit 409 wird
verwendet, um zumindest die mobile Robotervorrichtung so anzutreiben,
dass sie sich nach vorne bewegt, abbiegt und die Bewegung unterbricht,
und die Bewegungsmechanismuseinheit 409 wird durch den
Hauptprozessor 401 gesteuert. Weil die digitalen Daten
für das
jeweilige Netzgitterdiagramm 20, die auf der Grundlage
der physikalischen Umgebung 5 erzeugt sind, im Speicher 407 gespeichert
werden, kann der Speicher 407 einen flüchtigen und einen nichtflüchtigen
Speicher verwenden.
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Zusammenfassend
sei bemerkt, dass das Routenplanungsverfahren und das Navigationsverfahren
zum Vermeiden dynamischer Hindernisse gemäß der vorliegenden Erfindung
in der mobilen Robotervorrichtung verwendet werden können. Daher müssen lediglich
die digitalen Kartendaten, die der physikalischen Umgebung entsprechen,
in die mobile Robotervorrichtung eingegeben werden. Ein Vorteil
der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die mobile Robotervorrichtung
dann die Bewegungsroute vom Anfangspunkt bis zum Zielpunkt planen kann,
die dynamischen Hindernisse auf der Grundlage des Navigationsverfahrens
schnell vermeiden kann und sich weiter zum Ziel bewegen kann.
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Die
detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wird zum klaren
Beschreiben der Merkmale und des Gedankens der vorliegenden Erfindung
verwendet, diese offenbarten bevorzugten Ausführungsformen sollen jedoch
den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken. Vielmehr
sollen alle Änderungen
und gleichwertige Anordnungen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche der
vorliegenden Erfindung abgedeckt werden.