DE102009003061A1

DE102009003061A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bahnregelung, insbesondere von mobilen Fahrzeugen

Info

Publication number: DE102009003061A1
Application number: DE102009003061A
Authority: DE
Inventors: Ulrich-Lorenz Benzler; Anke Svensson; Andreas Pfeil
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2010-11-18
Also published as: WO2010130479A2; WO2010130479A3

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bahnregelung, insbesondere von mobilen Fahrzeugen (10a, 10b), weist das Fahrzeug (10a, 10b) wenigstens eine mit einer Auswerteeinrichtung (19) verbundene Bildaufnahmeeinrichtung (14, 15, 16) auf. Die wenigstens eine Bildaufnahmeeinrichtung (14, 15, 16) nimmt Bildinformationen in und entgegen der Fahrtrichtung (Pfeil 11) des Fahrzeugs (10a, 10b) auf, führt sie der Auswerteeinrichtung (19) als Eingangsgröße zu, welche mittels eines Auswertealgorithmus (A) Änderungen (E, E) der in Fahrtrichtung (Pfeil 11) und entgegen der Fahrtrichtung (Pfeil 11) aufgenommenen Bildinformationen bestimmt. In der Auswerteeinrichtung (19) werden die Änderungen (E, E) miteinander verknüpft, um einen in Bezug auf eine vertikale Achse (27) vorhandenen Winkelversatz (α) einer Ist-Bahn (26) zu einer Soll-Bahn (25) bzw. einen in Bezug zu einer Soll-Bahn (25) vorhandenen seitlichen Versatz (D) einer Ist-Bahn (28) des Fahrzeugs (10a, 10b) zu detektieren.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bahnregelung, insbesondere von mobilen Fahrzeugen. In letzter Zeit geht ein Entwicklungstrend in Richtung mobiler Fahrzeuge, welche autark, d. h. ohne einen Bediener eine bestimmte, insbesondere mittels Sensoren und einer Auswerteeinrichtung selbst bestimmte Fahrstrecke zurückzulegen haben. Beispielhaft seien hier Rasenmäher erwähnt, welche eine bestimmte Rasenfläche möglichst ökonomisch, d. h. insbesondere in geradlinigen Bahnen mähen sollen. Dabei können diese (gemähten) Bahnen parallel zueinander angeordnet sein und einen definierten Abstand zueinander aufweisen. Da jederzeit Störungen auftreten können ist es wichtig, die Einhaltung dieser Bahnen in jedem Zeitpunkt möglichst exakt zu regeln. Auch beim Durchqueren einer offenen Fläche stellt eine gerade Bahn den kürzesten Weg und somit die bevorzugte Strecke dar. Die genannten externen Störungen können entweder dazu führen, dass das Fahrzeug in Bezug auf eine vertikale Achse einen Winkelversatz aufweist bzw. schräg zu einer Geraden fährt, oder dass das Fahrzeug durch einen seitlichen Versatz sich parallel zu einer geradlinigen Bahn bewegt. Beide Abweichungen von der Soll-Geraden führen dazu, dass beispielsweise im Falle eines Rasenmähers dieser eine längere Fahrstrecke zurücklegen muss, um eine bestimmte Fläche vollständig abzumähen. Dies ist mit einem höheren Zeit- und Energiebedarf verbunden.
Soll eine Bewegungsrichtung einer mobilen Plattform ohne externe Instrumentierung geregelt werden, wird dies üblicherweise mit Hilfe von internen Messwerten (z. B. mittels Odometrie), oder mit Hilfe von Kompassdaten (Magnet- oder Krei selkompass) verwirklicht. Um Bahnabweichungen zu messen, wird zusätzlich die Position der Plattform bestimmt. Die existierenden Verfahren zur Bewegungsregelung von mobilen Plattformen sind darauf ausgerichtet, die absolute Position (wie beim GPS) oder die Orientierung (Kompass) des mobilen Systems zu messen. Die Bahnregelung kann somit nur indirekt erfolgen. Die benötigte Messgenauigkeit ist dabei sehr hoch.
Ferner ist es bekannt, die Bahnregelung mittels externen Markierungen, z. B. auf dem Boden aufgebrachten Linien, zu realisieren, um geradlinige Bahnen zu ermöglichen. Hierzu muss jedoch das vorgesehene Areal bzw. die vorgesehenen Linien zunächst aufgebracht werden, was einen erhöhten Aufwand bedeutet.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik hat es sich die Erfindung daher zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Bahnregelung, insbesondere von mobilen Fahrzeugen bereitzustellen, das ohne externe Instrumentierung das möglichst exakte Abfahren einer geraden Soll-Bahn ermöglicht. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Bahnregelung, insbesondere von mobilen Fahrzeugen, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, in und entgegen der Fahrtrichtung aufgenommene Bildinformationen zu sammeln, auszuwerten und diese Informationen miteinander zu verknüpfen, um daraus einen entsprechenden Winkelversatz bzw. eine seitliche Abweichung zu einer geradlinigen Soll-Bahn zu detektieren.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Zur Detektion eines Winkelversatzes zwischen einer geradlinigen Soll-Bahn zu einer Ist-Bahn ist es dabei erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Auswerteal gorithmus die Änderungen der Bildinformationen in und entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs voneinander subtrahiert.
Demgegenüber ist es zur Detektion eines seitlichen Versatzes zwischen einer geradlinigen Soll-Bahn und der Ist-Bahn erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Auswertealgorithmus die Änderungen der Bildinformationen addiert.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Ergebnisse des Winkelversatzes bzw. des seitlichen Versatzes des Auswertealgorithmus einer Regeleinrichtung zugeführt werden, welche mit einer die Fahrtrichtung bestimmenden Lenkeinrichtung gekoppelt ist.
Die Regeleinrichtung umfasst hierbei in einer bevorzugten Ausführungsform wenigstens einen PID-Regler.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zeichnet sich durch einen relativ geringen vorrichtungstechnischen Aufwand durch den Verzicht auf externe Instrumentierungen aus, wenn die wenigstens eine Bildaufnahmeeinrichtung Bildinformationen in und entgegen der Fahrtrichtung erfasst und dass die Auswerteeinrichtung einen Auswertealgorithmus aufweist, der die Bildänderungen voneinander subtrahiert oder addiert.
In einer weiteren Ausführungsform ist es ja nach Bauform des Fahrzeugs vorteilhaft, wenn lediglich eine einzige Bildaufnahmeeinrichtung vorgesehen ist, und dass die Bildaufnahmeeinrichtung als katadioptische Kamera, insbesondere als omnidirektionale Kamera ausgebildet ist. In diesem Fall sind die Vorder- und Rückseite des Fahrzeuges frei von Bildaufnahmeeinrichtungen und es ist daher möglich, an diesen Stellen beispielsweise Zusatzteile anzubringen.
Alternativ ist es jedoch zur Reduzierung des vorrichtungstechnischen Aufwands möglich, zwei Bildaufnahmeeinrichtungen vorzusehen, wobei die beiden Bildaufnahmeeinrichtung jeweils als Kamera ausgebildet sind, die an der Vorderseite bzw. Rückseite des Fahrzeugs angeordnet sind. In diesem Fall ist der mittlere Bereich des Fahrzeuges hinsichtlich seiner Gestaltung frei von Beschränkungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in:
1a, b: jeweils eine mobile Plattform in verschiedenen Ausführungen in einer vereinfachten Draufsicht,
2: ein vereinfachtes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bahnregelung,
3: die mobile Plattform gemäß der 1a in einer Draufsicht zur Verdeutlichung eines Winkelversatzes bezüglich einer geradlinigen Soll-Bahn und
4: die mobile Plattform gemäß der 1a in einer Draufsicht zur Verdeutlichung eines seitlichen Versatzes bezüglich einer Soll-Bahn.
In den 1a und 1b ist jeweils eine mobile Plattform dargestellt, welche insbesondere als autonomer Rasenmäher 10a bzw. 10b ausgebildet ist. Unter einem autonomen Rasenmäher 10a, 10b wird dabei ein Rasenmäher verstanden, welcher selbständig, d. h. ohne eine Steuerung durch einen Bediener durch entsprechende sensorische Maßnahmen ein bestimmtes Areal automatisch abfährt bzw. mäht. Hierbei ist mit dem Pfeil 11 jeweils die Fahrtrichtung des Rasenmähers 10a, 10b bezeichnet, welcher beispielsweise zwei mit einer Lenkeinrichtung 23 (2) verbundene Vorderräder 12 sowie zwei angetriebene Hinterräder 13 aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Rasenmäher 10a zwei als Kameras 15, 16 ausgebildete Bildaufnahmeeinrichtungen aufweist. Hierbei ist die eine Kamera 15 beispielhaft am vorderen Ende des Rasenmähers 10a angeordnet und derart mit der Längsachse des Rasenmähers 10a ausgerichtet, dass die Kamera 15 in Fahrtrichtung voraus vorhandene Bildinformationen aufnimmt. Im Gegensatz hierzu ist die andere Kamera 16 an der Rückseite des Rasenmähers 10a montiert und nimmt Bildinformationen auf, welche entgegen der Fahrtrichtung des Rasenmähers 10a vorhanden sind.
Anstelle von zwei Kameras 15, 16 kann es auch vorgesehen sein, lediglich eine einzige Kamera 14 vorzusehen. Dieser Fall ist bei dem Rasenmäher 10b in der 1b dargestellt. Diese einzige Kamera 14 kann dann beispielsweise mittels eines optischen Spiegelsystems Informationen in Fahrtrichtung 11 des Rasenmähers 10b sowie Informationen entgegen der Fahrtrichtung 11 des Rasenmähers 10b aufnehmen. Besonders bevorzugt kann die Kamera 14 dabei als so genannte katadioptische Kamera 14, hierbei beispielsweise als omnidirektionale Kamera 14 ausgebildet sein.
Gemäß der 2 sind die Kamera 15, 16 des Rasenmähers 10a (bzw. im Falle des Rasenmähers 10b die eine Kamera 14) über eine Leitung 17, 18 mit einer Auswerteeinrichtung 19 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 19 ist wiederum über eine Leitung 20 mit einer Regeleinrichtung 21 gekoppelt, die vorzugsweise wenigstens einen PID-Regler aufweist. Die Regeleinrichtung 21 gibt ihr Ausgangssignal über eine Leitung 22 an die Lenkeinrichtung 23 des Rasenmähers 10a (bzw. 10b) weiter, welche über eine Leitung 24 die Ist-Position der Lenkeinrichtung 23 als Eingangsgröße in die Regeleinrichtung 21 zuführt.
Erfindungswesentlich ist, dass sowohl die vordere Kamera 15, als auch die hintere Kamera 16 fortlaufend Bildinformationen in und entgegen der Fahrtrichtung des Rasenmähers 10a aufnehmen und diese der Auswerteeinrichtung 19 als Eingangsgröße bzw. Eingangsinformationen zuführen. Die Auswerteeinrichtung 19 enthält ein an sich aus dem Stand der Technik bekanntes Bildverarbeitungsprogramm, welches zum Beispiel über eine Korrelation oder einen optischen Fluss die aufgetretene Veränderung des Bildinhalts bzw. der Bildinformationen in horizontaler Richtung bestimmt. Diese aufgetretenen Änderungen werden dabei jeweils für die Bildinformationen der vorderen Kamera 15 und der hinteren Kamera 16 bestimmt und als E_vorne und E_hinten bezeichnet. Die Änderungen E_vorne und E_hinten werden anschließend mittels eines Auswertealgorithmus A ausgewertet.
In der 3 ist eine Soll-Bahn 25 des Rasenmähers 10a dargestellt, welche geradlinig ausgebildet ist. Ihr gegenüber bewegt sich der Rasenmäher 10a tatsächlich auf einer Ist-Bahn 26, welche in Bezug auf eine vertikale Achse 27 in einem Winkel α zur Soll-Bahn 25 verläuft, ein so genannter Winkelversatz. Wesentlich ist, dass der Winkel α bzw. der Winkelversatz mittels des Auswertealgorithmus A detektiert werden kann, wobei der Winkel α bzw. der Winkelversatz proportional ist zur Differenz E_vorne – E_hinten: α ~ Evorne – Ehinten
Mit anderen Worten ausgedrückt ist die Differenz E_vorne – E_hinten eine Funktion des Winkelversatzes bzw. Winkels α. Bei einer korrekten Ist-Bahn 26, d. h., wenn die Ist-Bahn 26 der Soll-Bahn 25 entspricht, ist die Differenz E_vorne – E_hinten gleich Null.
In der 4 ist eine Ist-Bahn mit 28 bezeichnet, während die Soll-Bahn des Rasenmähers 10a wiederum mit 25 bezeichnet ist. Zwischen beiden Bahnen 25, 28 besteht ein seitlicher Versatz D. Wesentlich ist, dass der seitliche Versatz D mittels des Auswertealgorithmus A detektiert werden kann, wobei der seitliche Versatz D proportional ist zur Summe E_vorne + E_hinten: D ~ Evorne + Ehinten
Mit anderen Worten ausgedrückt ist die Summe E_vorne + E_hinten eine Funktion des seitlichen Versatzes D. Bei einer korrekten Ist-Bahn 28, d. h., wenn die Ist-Bahn 28 der Soll-Bahn 25 entspricht, ist die Summe E_vorne + E_hinten gleich Null.
Sowohl die Ergebnisse E₁ aus E_vorne – E_hinten, als auch die Ergebnisse E₂ aus E_vorne + E_hinten werden der Regeleinrichtung 21 fortlaufend zugeführt, welche die Lenkeinrichtung 23 entsprechend ansteuert bzw. regelt, um den Rasenmäher 10a (bzw. 10b) entlang der Soll-Bahn 25 zu steuern. Hierbei lässt sich die Regelung je nach Ausbildung der Fahrzeuge unterschiedlich realisieren. Hierbei lässt sich die Regelung je nach Ausbildung des Fahrzeugantriebs unterschiedlich realisieren. Im Falle eines so genannten omnidirektionalen Antriebs (dieser erlaubt es, die Orientierung und die Fahrtrichtung des Systems unabhängig voneinander zu verändern) kann eine Bahnkorrektur erfolgen, indem für beide Ergebnisse Et und E₂ jeweils ein unabhängiger PID-Regler für Orientierung (Winkelversatz) und Fahrtrichtung (seitlicher Versatz) eingesetzt wird. Bei einem differentiellen Antrieb (ein Fahrzeug-Antrieb, der bei vielen Indoor-Fahrzeugen üblich ist, bei dem die Fortbewegung durch zwei unabhängig voneinander angetriebenen Rädern auf einer Achse erzeugt wird), ist es nicht möglich, in allen Fällen E₁ und E₂ gleichzeitig unabhängig voneinander zu verändern. Trotzdem können Korrektur größen sowohl für E₁ als auch E₂ unabhängig bestimmt und danach addiert werden. Für große Bahnabweichungen sind deshalb große Orientierungsänderungen erlaubt, um das Fahrzeug schnell wieder auf die richtige Bahn zu lenken, während danach die Orientierung angepasst wird.
Ergänzend wird erwähnt, dass die Erfindung nicht nur auf den Einsatz bei mobilen bzw. autonomen Rasenmähern 10a, 10b beschränkt ist. Vielmehr ist unter einem mobilen Fahrzeug bzw. einer mobilen Plattform auch beispielsweise ein automatischer Staubsauger oder eine autonome Arbeits- oder Baumaschine zu verstehen.

Claims

Verfahren zur Bahnregelung, insbesondere von mobilen Fahrzeugen (10a, 10b), bei dem das Fahrzeug (10a, 10b) wenigstens eine mit einer Auswerteeinrichtung (19) verbundene Bildaufnahmeeinrichtung (14, 15, 16) aufweist, wobei die wenigstens eine Bildaufnahmeeinrichtung (14, 15, 16) Bildinformationen in und entgegen der Fahrtrichtung (Pfeil 11) des Fahrzeugs (10a, 10b) aufnimmt und der Auswerteeinrichtung (19) als Eingangsgröße zugeführt, welche mittels eines Auswertealgorithmus (A) Änderungen (E_vorne, E_hinten) der in Fahrtrichtung (Pfeil 11) und entgegen der Fahrtrichtung (Pfeil 11) aufgenommenen Bildinformationen bestimmt und wobei in der Auswerteeinrichtung (19) die Änderungen (E_vorne, E_hinten) miteinander verknüpft werden, um einen in Bezug auf eine vertikale Achse (27) vorhandenen Winkelversatz (α) einer Ist-Bahn (26) zu einer Soll-Bahn (25) bzw. einen in Bezug zu einer Soll-Bahn (25) vorhandenen seitlichen Versatz (D) einer Ist-Bahn (28) des Fahrzeugs (10a, 10b) zu detektieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Bahn (25) eine Gerade ist, und dass der Auswertealgorithmus (A) zur Detektion des Winkelversatzes (α) die Änderungen (E_vorne, E_hinten) voneinander subtrahiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Bahn (25) eine Gerade ist, und dass der Auswertealgorithmus (A) zur Detektion des seitlichen Versatzes (D) die Änderungen (E_vorne, E_hinten) addiert.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisse (E₁, E₂) des Auswertealgorithmus (A) einer Regeleinrichtung 21) zugeführt werden, welche mit einer die Fahrtrichtung (Pfeil 11) bestimmenden Lenkeinrichtung (23) gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (21) wenigstens einen PID-Regler umfasst.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnregelung an einem Fahrzeug angewandt wird, wobei das Fahrzeug jeweils eine Kamera aufweist, die in und entgegen der Fahrtrichtung ausgerichtet ist.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Fahrzeug (10a; 10b), das wenigstens eine Bildaufnahmeeinrichtung (14, 15, 16) sowie eine mit der Bildaufnahmeeinrichtung (14, 15, 16) gekoppelte Auswerteeinrichtung (19) zur Erfassung von Bildänderungen (E_vorne, E_hinten) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Bildaufnahmeeinrichtung (14, 15, 16) Bildinformationen in und entgegen der Fahrtrichtung (Pfeil 11) erfasst und dass die Auswerteeinrichtung (19) einen Auswertealgorithmus (A) aufweist, der die Bildänderungen (E_vorne, E_hinten) voneinander subtrahiert oder addiert.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Bildaufnahmeeinrichtung vorgesehen ist, und dass die Bildaufnahmeeinrichtung als katadioptische Kamera (14), insbesondere als omnidirektionale Kamera (14) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Bildaufnahmeeinrichtungen vorgesehen ist, und dass die beiden Bildaufnahmeeinrichtung jeweils als Kamera (15, 16) ausgebildet sind, die an der Vorderseite bzw. Rückseite des Fahrzeugs (10a) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein autonom fahrender Rasenmäher (10a, 10b), ein automatischer Staubsauger oder eine autonome Arbeits- oder Baumaschine ist.