DE102011000536A1 - Verfahren zur Bestimmung der Position eines selbsttätig verfahrbaren Geräts - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines selbsttätig verfahrbaren Geräts (1), wobei das Gerät (1) mit einer Hinderniserkennung (A) versehen ist und über eine Kartendarstellung (K) der Umgebung verfügt. Um ein derartiges Verfahren weiter zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die Kartendarstellung (K) mittels eines Rasters (9) in Teilbereiche (10) aufgeteilt wird und dass zu jedem Teilbereich (10) über 360° die Entfernungen (Abstände a) oder auf Basis von Entfernungswerten abgeleitete Größen zu Hindernissen (H) berechnet werden und dass von den berechneten Entfernungen (Abstände a) oder abgeleiteten Größen über einen Algorithmus eine den Teilbereich (10) kennzeichnende Zahl (11) berechnet wird, dass weiter das Gerät (1) zur Bestimmung seiner tatsächlichen Position an einem Ort innerhalb der vorhandenen Kartendarstellung (K) eine Rundumabtastung mittels seiner Hinderniserkennung (A) vornimmt und in gleicher Weise die hierbei gemessenen Entfernungen mit demselben Algorithmus bewertet und die so gefundene Zahl mit der Vielzahl von theoretisch berechneten Zahlen (11) vergleicht und Teilbereiche (10), die außerhalb einer vorgegebenen Bandbreite liegen als mögliche aktuelle Positionen des Gerätes (1) ausschließt, wobei weiter ausgehend von den verbliebenen möglichen Teilbereichen (10) mittels üblicher Bestimmung zur Selbstlokalisierung (SLAM) der, der tatsächlichen Position entsprechende Teilbereich (10) bestimmt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines selbst tätig verfahrbaren Geräts, insbesondere selbsttätig verfahrbaren Bodenstaub-Aufsammelgeräts, mit vorzugsweise elektromotorisch angetriebenen Verfahrrädern, wobei das Gerät mit einer Hinderniserkennung versehen ist, die aus optischen Sende- und Empfängereinheiten besteht, wobei weiter das Gerät über eine Kartendarstellung der Umgebung, in der das Gerät eingesetzt werden soll, verfügt.
• Verfahren der in Rede stehenden Art sind bekannt, so bspw. im Zusammenhang mit selbsttätig verfahrbaren Saug- und/oder Reinigungsgeräten zur Abreinigung von Fußböden, darüber hinaus in weiterer Ausgestaltung bspw. im Zusammenhang mit einem selbsttätig verfahrbaren Transportgerät oder Rasenmähgerät. Derartige Geräte sind bevorzugt mit Abstandssensoren versehen, um so bspw. einer Kollision mit im Verfahrweg stehenden Gegenständen oder dergleichen entgegenzuwirken Diese Sensoren arbeiten bevorzugt berührungslos, so weiter bevorzugt als Licht- oder Ultraschallsensoren. Hierzu ist es weiter bekannt, das Gerät mit Mitteln zur Rundum-Abstandsmessung zu versehen, so weiter bspw. in Form eines optischen Triangulationssystems, welches auf einer um eine Vertikalachse rotierenden Plattform oder dergleichen angeordnet ist. Mittels eines solchen Systems können Abstandsmessungen zufolge Reflektionen erreicht werden, welche Abstandsmessungen zur Raumorientierung, weiter insbesondere im Zuge der selbsttätigen Arbeit zur Hinderniserkennung sowie weiter bevorzugt zum Anlegen einer Karte der zu befahrenden Räumlichkeit und somit entsprechend zur Erstellung einer Kartierung genutzt werden. Diesbezüglich wird bspw. auf die DE 2008 014 912 A1 verwiesen. Die zufolge der Abstandsmessung erfassten Raumbegrenzungen, ggf. unter Berücksichtigung etwaiger Hindernisse in den Räumen, werden bevorzugt in Form einer Kartierung der Umgebung, insbesondere der aus mehreren Räumen bestehenden Wohnung abgelegt, weiter bevorzugt in einem nicht flüchtigen Speicher des Gerätes, so dass im Zuge eines Reinigungs- oder Transportvorganges auf diese Kartierung zur Orientierung zurückgegriffen werden kann. Weiter ist diesbezüglich bekannt, anhand einer derart hinterlegten Kartierung zufolge weiter hinterlegter Algorithmen eine günstige Verfahrstrategie des Gerätes zu ermitteln, dies weiter auch bei Erkennung eines bevorzugt im Verfahrweg des Gerätes liegenden und über den Sensor erfassten Gegenstandes. Hierzu ist jeweils eine möglichst exakte Ermittlung des Abstandswertes zu dem Gegenstand, wie bspw. ein Möbel oder einer Wandbegrenzung, nötig.
• Im Hinblick auf den zuvor beschriebenen Stand der Technik wird eine technische Problematik der Erfindung darin gesehen, ein Verfahren insbesondere dahingehend weiter zu verbessern, dass eine günstige Erstbestimmung der Position des Gerätes in einer bekannten, insbesondere durch eine Kartendarstellung bekannten Umgebung erreicht werden kann.
• Diese Problematik ist zunächst und im Wesentlichen durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst, wobei darauf abgestellt ist, dass die Kartendarstellung mittels eines Rasters in Teilbereiche aufgeteilt wird und dass zu jedem Teilbereich über 360° die Entfernungen oder auf Basis von Entfernungswerten abgeleitete Größen zu Hindernissen berechnet werden, soweit diese sich innerhalb einer vorgegebenen Entfernung befinden, und dass von den berechneten Entfernungen oder abgeleiteten Größen über einen Algorithmus eine den Teilbereich kennzeichnende Zahl berechnet wird, dass weiter das Gerät zur Bestimmung seiner tatsächlichen Position an einem Ort innerhalb der vorhandenen Kartendarstellung eine Rundumabtastung mittels seiner Hinderniserkennung vornimmt und in gleicher Weise die hierbei gemessenen Entfernungen mit demselben Algorithmus bewertet und die so gefundene Zahl mit der Vielzahl von theoretisch berechneten Zahlen vergleicht und Teilbereiche, die außerhalb einer vorgegebenen Bandbreite liegen, als mögliche aktuelle Positionen des Gerätes ausschließt, wobei weiter ausgehend von den verbliebenen möglichen Teilbereichen mittels üblicher Bestimmung zur Selbstlokalisierung (SLAM) der, der tatsächlichen Position entsprechende Teilbereich bestimmt wird. Hierbei wird davon ausgegangen, dass das selbsttätig verfahrbare Gerät von seiner aktuellen Umgebung eine Karte besitzt, in welcher bspw. freie Flächen hell dargestellt sind, Hindernisse dagegen dunkel. Alternativ können die Kontraste bei den Farbwerten erhöht werden, um die Genauigkeit zu erhöhen, so dass alle Flächen unter einem bestimmten Farbwert, bspw. weiß, hinterlegt sind und nur die dunkleren Farbwerte als Hindernisse in der Karte dargestellt werden. Über die bekannte Karte des Gerätes wird ein Raster gelegt mit einem bevorzugt vordefinierten Rasterabstand, der die Karte in eine Anzahl von Teilbereichen aufteilt. Von jedem Teilbereich aus wird in einer bestimmten Anzahl von Winkeln, insgesamt um 360° um den Teilbereich herum, der Abstand zum nächsten Gegenstand von diesem Teilbereich aus berechnet So erfolgt bevorzugt im Zuge der Rundum-Abstandsmessung in eins bis zwei Grad-Schritten eine jeweilige Abstandsberechnung. Diese Berechnung erfolgt theoretisch anhand der vorhandenen Karte, wobei in bevorzugter Ausgestaltung der jeweilige Abstand bspw. mit dem Bresenham-Algorithmus berechnet wird. Der Maximalabstand wird, auch wenn der Abstand zum Hindernis länger ist, auf die Sensorreichweite der Hinderniserkennung begrenzt. Die Reichweite der Hinderniserkennung ist zur Berechnung der theoretischen Abstände bekannt Hiernach wird bevorzugt aus der Summe der berechneten Abstände eine Teilbereichs-Zahl errechnet, so bspw. in Form des Durchschnittswertes der Abstände, welche Zahl dem Teilbereich zugeordnet abgespeichert wird. Für jeden Teilbereich der Karte wird eine solche Kennzahl berechnet und gespeichert. Damit die Rechenleistung des Gerätes während der üblichen Verfahrbewegung, bspw. zur Abreinigung eines Bodens, nicht zu stark beansprucht wird, ist in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, die Berechnung der Abstände in der Karte bspw. während des Aufenthalts in einer Basisstation des Gerätes vorzunehmen. Diese vorbereitende Maßnahme wird bevorzugt nur einmal je hinterlegter Karte vorgenommen. Eine Nachberechnung der Abstandswerte bzw. der Teilbereichs-Zahlen erfolgt bspw. dann selbsttätig, sobald eine neue Kartierung vorgenommen wurde.
• Wird das Gerät bspw. durch den Benutzer in einen dem Gerät an sich durch die Kartierung bekannten Raum getragen und dort wahllos abgestellt, so beginnt das Gerät nach entsprechender Befehlsauslösung oder auch selbsttätig die aktuelle Position in der Karte zu bestimmen. Hierbei kann das Gerät durch seine Sensoren der Hinderniserkennung einen Ausschnitt seiner Umgebung wiedergeben, wobei das Gerät alle Hindernisse in einem Abstand abhängig von der Sensorreichweite aufnehmen kann. Das Gerät selbst, welches sich in einer bekannten Umgebung auf einer unbekannten Position wiederfindet, nimmt entsprechend für seine Lokalisation zufolge eines Rundum-Scannens der Umgebung alle Werte der Abstände um ihn herum mit den gleichen Winkeln wie bei der Berechnung der Abstandswerte bezüglich der Karten-Teilbereiche auf. Auch die aktuell ermittelten Rundum-Abstandswerte werden zu einer Zahl (Kennzahl) bspw. der Durchschnittsabstandswerte berechnet und mit der Vielzahl von theoretisch berechneten Zahlen verglichen. Nach einem Vergleich der gefundenen Zahl der aktuellen Position des Gerätes mit den theoretisch berechneten Zahlen der Karte kann das Gerät dessen mögliche Position erheblich einschränken, im besten Fall sogar direkt bestimmen.
• Um bei einer weiterhin nicht eindeutig definierten Position des Gerätes innerhalb der Karte den weiteren Rechenaufwand zu minimieren, werden die zu vergleichenden theoretisch berechneten Zahlen, die außerhalb einer vorgegebenen Bandbreite liegen als mögliche aktuelle Positionen des Gerätes ausgeschlossen. Entsprechend beschränkt sich die weitere Berechnung der aktuellen Position des Gerätes auf die Teilbereiche der Karte, deren theoretisch berechnete Zahlen innerhalb einer Wandbreite ausgehend von der zufolge Abstandsmessung gefundenen Zahl liegen. Dieser Vorgang wiederholt sich ggf. bis zu einem Status, in welchem nur noch maximal eine vorgegebene Zahl an möglichen Teilbereichen gegeben sind oder keine weitere Einschränkung mehr möglich erscheint. Die verbleibenden möglichen Positionen werden bevorzugt mit Hilfe eines Scan-Matchings, wie weiter insbesondere mittels SLAM weiter eingeengt, bis die aktuelle Position gefunden wird. In Einzelfällen kann sich das Gerät hierbei auch bewegen, um weitere Informationen einfließen zu lassen. Bezüglich SLAM handelt es sich um ein Verfahren zur simultanen Lokalisation und Kartenbildung. Diesbezüglich wird auf den wissenschaftlichen Artikel „Simultaneous Lokalisation and Mapping (SLAM)" Hugh Durrant Whyte, Fellow, IEEE and Tim Bailey, Part I, erschienen im Magazin „Robotics & Automation Magazine, IEEE", Juni 2006, verwiesen. Da der Aufwand bei einem solchen Scan-Matching mit der Anzahl der möglichen Positionen ansteigt und bei einer zu großen Menge an zu betrachtenden Positionen häufig kein oder ein ungenaues Ergebnis liefert, ist hierbei entscheidend, die Anzahl der zu überprüfenden Positionen deutlich einzuschränken, was zufolge des vorbeschriebenen Ausschließen von nicht relevanten Teilbereichen erreicht ist. Hierbei gilt weiter, dass je mehr Winkel um die eigene Position des Gerätes wie auch um den Teilbereich der rastierten Karte einbezogen werden, eine genauere Lokalisation erreicht werden kann. Da das Scan-Matching zugleich auch die Ausrichtung des Gerätes wiedergibt, sind bei z. B. 360 Messungen pro Umlauf 360 mal 360 Vergleiche zur Berechnung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit erforderlich. Die vorgeschlagene Vorabbeschränkung des wahrscheinlichen Aufenthaltsortes des Gerätes mittels Berechnung von Entfernungssummen ist rotationsinvariant und benötigt somit nur einen Vergleich pro Position. Insgesamt ist durch das vorgeschlagene Verfahren eine deutliche Reduktion des Rechenaufwandes gegenüber den Berechnungsmethoden im Stand der Technik erreicht.
• Weitere Merkmale der Erfindung sind nachstehend, auch in der Figurenbeschreibung, oftmals in ihrer bevorzugten Zuordnung zum Gegenstand des Anspruches 1 oder zu Merkmalen weiterer Ansprüche erläutert. Sie können aber auch in einer Zuordnung zu nur einzelnen Merkmalen des Anspruches 1 oder des jeweiligen weiteren Anspruches oder jeweils unabhängig von Bedeutung sein.
• Der vorgesehene und aus dem Stand der Technik vorbekannte Rundum-Sensor zur Hinderniserkennung sendet einen Messstrahl aus. Dieser ermittelt den Abstand zu dem Auftreffort des Messstrahls auf das nächste Hindernis, zum Beispiel eine Wand oder ein Möbelstück. Als Messmethode kommt hierbei bevorzugt ein Lichtlaufzeitverfahren (ToF, time of flight) zum Einsatz. Ein Phasenkorrelationsverfahren (PKS) ist diesbezüglich auch möglich. Weiter bevorzugt kommt ein Triangulationsverfahren in Betracht. Der Messstrahl kann als Linie (Divergenzwinkel des Strahls sehr klein, kleiner als 50 mrad, was bevorzugt typischerweise zu einem Strahldurchmesser im Bereich von 1 bis 22 mm führt) oder als ausgedehnter Strahl ausgebildet sein. Hierbei wird bevorzugt ein Strahl mit einer Divergenz von 2 bis 4 mrad verwendet, der bei einer Entfernung von 3 m einen Durchmesser von 20 bis 30 mm erreicht. Der Empfangsbereich des Sensors ist in gleicher Weise bevorzugt als divergente Empfangskeule ausgebildet, wobei zur Kompensation von Toleranzen dessen Divergenz größer ist (z. B. um einen Faktor 2) als der des Sendestrahls.
• Der berührungsfrei arbeitende Sensor zur Messung eines Abstandes zu einem Gegenstand ist mit mindestens einer optischen Lichtquelle ausgestattet, welche den Messstrahl erzeugt Die Lichtquelle sendet Licht im sichtbaren oder unsichtbaren Wellenlängenbereich aus, z. B. rot im Bereich von 650 nm oder grün im Bereich von 532 nm. Bevorzugt wird Licht im Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von mehr als 700 nm, weiter bevorzugt Strahlquellen (Laserdioden oder LEDs) mit Wellenlängen von bspw. 785 nm, 850 nm oder 980 nm. Bei der Lichtquelle kann es sich um eine Lampe oder LED handeln, bevorzugt werden jedoch Laserdioden vorgesehen.
• Weiter ist der Sensor bevorzugt mit wenigstens einem optischen Empfangselement ausgestattet, welches mindestens im gewählten Wellenlängenbereich des Sende-Elements empfindlich ist, weiter bevorzugt ausgeführt bspw. als mindestens eine Fotodiode, Fotowiderstand, CCD-Chip oder CMOS-Chip. Der optische Empfänger kann als einzelnes Empfangs-Element zur Erfassung eines einzelnen eingehenden Lichtsignals oder als mehrzelliges Array bzw. als mehrzellige Zeile zur simultanen oder sequenziellen Erfassung mehrerer eingehender Lichtsignale ausgebildet sein Es sind diesbezüglich auch ausgedehnte Sensoren bekannt, bspw. linienförmige oder flächige PSD-Elemente.
• Der Lichtquelle und auch dem lichtempfindlichen Element können wahlweise optische Elemente zugeordnet sein (bevorzugt zur Ausformung eines Sendestrahls/Sendekegels bzw. Empfangsstrahls/Empfangskegels), ohne dass diese im Folgenden explizit aufgeführt sind. Optische Elemente können sein Linsen (Sammellinsen, Zerstreuungslinsen, auch als Fresnellinsen ausgeführt, asphärisch oder sphärisch), Blenden (kreisförmig, schlitzförmig, beliebig geformt, als eigene Teile ausgeführt oder im Gehäuse des Sensors integriert), Prismen, Spiegel (plan, konkav, konvex, Freiform), Lichtleiter oder auch Freiformelemente. Unter optischen Elementen werden auch Schutz- oder Abdeckscheiben im optischen Strahlengang verstanden, die dem mechanischen Schutz der optischen Einrichtung dienen. Bevorzugt werden zugeordnet der Lichtquelle und/oder dem lichtempfindlichen Element optische Filter vorgesehen, die für die vorgesehene optische Wellenlänge möglichst gut durchlässig sind, für andere aber jedoch möglichst wenig durchlässig. Optische Filter können als separate Elemente vorgesehen sein oder integriert in anderen optischen Elementen (z. B. Einfärbung oder Beschichtung von Linsen Schutzfenstern usw.). Möglich sind weiter Einfärbungen, Beschichtungen, Bedampfungen usw. Werden Spiegel verwendet, so sind Oberflächenspiegel bevorzugt, da diese geringere optische Verluste aufweisen. In diesem Fall bietet es sich weiter an, den Spiegel als Kunststoff-Spritzgussteil auszuführen und die eigentliche Spiegelfläche als oberflächige Beschichtung mit einer reflektierenden Schicht vorzusehen. Hier bietet sich die Verwendung von metallischen Schichten an, bspw. Silber, Gold oder Kupfer, weiter bevorzugt Aluminium. Bei Benutzung von Aluminium ist weiter bevorzugt als weitere Beschichtung (Passivierung) eine Korrosionsschutzschicht vorgesehen.
• In bevorzugter Ausgestaltung führt das Gerät vor der Berechnung oder nach einer ersten Berechnung eine Verfahrbewegung durch, um hiernach ein weiteres Mal die dann gefundene Zahl mit der Vielzahl von theoretisch berechneten Zahlen zu vergleichen. Dies kann zu einem weiteren Ausschluss von Teilbereichen, die außerhalb einer vorgegebenen Bandbreite liegen, führen, damit so insbesondere der Rechenaufwand mittels üblicher Bestimmung zur Selbstlokalisierung verringert werden kann. Diesbezüglich wird weiter vorgeschlagen, dass ein Verfahren des Gerätes innerhalb der verbleibenden, der möglichen Position des Gerätes entsprechenden Teilbereiche durchgeführt wird, weiter bevorzugt so lange, bis der verbleibende, mögliche Positionen darstellende Teilbereiche umfassende Bereich so weit eingeschränkt ist, dass der nachfolgende mögliche Rechenaufwand zur üblichen Selbstlokalisierung auf ein Minimum beschränkt ist.
• Auch wird vorgeschlagen, dass das Gerät vor der Berechnung oder nach einer ersten Berechnung zu einer Wand verfährt und dort den Vergleich durchführt. Hierdurch ist eine weitere Vereinfachung der Positionsbestimmung erreicht Mit Verfahren des Gerätes an eine Wand, bevorzugt an die in der Karte dargestellte nächste Wand, sind viele Positionen des Gerätes, entsprechend nicht relevante Teilbereiche, bei einer eventuellen weiteren Berechnung bereits ausgeschlossen. Auch kann durch Heranfahren an die Wand eine erneute Berechnung der Position spezifiziert werden, was zu einer Verringerung des Rechenaufwandes führt.
• Um die Rechenleistung weiter zu reduzieren, wird in einer Weiterbildung vorgeschlagen, dass nicht alle Entfernungswerte berechnet werden, sondern nur bspw. maximale und minimale Entfernungswerte. Somit werden nicht alle erfassten Werte um 360° berechnet, sondern lediglich bevorzugt die Extrema, was die Anzahl der zu berücksichtigenden Werte bzw. die benötigte Rechenleistung stark verringert.
• Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, welche lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellt, näher erläutert Es zeigt
• 1 ein selbsttätig verfahrbares Gerät in Form eines Bodenstaub-Aufsammelgeräts in perspektivischer Darstellung;
• 2 eine schematische Grundrissdarstellung eines von dem Gerät zu befahrenden Raumes;
• 3 eine schematische Kastendarstellung eines Raumes gemäß 2;
• 4 den Bereich IV in 3 nach einer Rasterung der Karte in Teilbereiche und nachfolgender Entfernungsberechnung zu Hindernissen in der Karte ausgehend von jedem Teilbereich;
• 5 in schematischer, gegenüber 4 vergrößerter Darstellung Teilbereiche der Karte mit jedem Teilbereich zugeordneten Kennzahlen;
• 6 eine der 2 entsprechende Darstellung des Raumgrundrisses mit auf dem Boden des Raumes abgestellten Gerät; die Situation während einer Rundum-Abstandsmessung zur Positionsbestimmung betreffend;
• 7 eine der 4 entsprechende Darstellung, wobei nach der Rundum-Abstandsmessung gemäß 6 nicht positionsrelevante Teilbereiche für die weitere Positionsbestimmung ausgeschlossen sind;
• 8 eine der 7 entsprechende Darstellung, nach Verfahren des Gerätes in eine neue Position, zur weiteren Einschränkung der positionsrelevanten Teilbereiche.
• Dargestellt und beschrieben ist zunächst mit Bezug zu 1 ein Gerät 1 in Form eines Saug- und/oder Kehrgeräts, weiter in Form eines selbsttätig verfahrbaren Haushalts-Saugroboters. Dieses besitzt ein Chassis, welches unterseitig, dem zu pflegenden Boden 2 zugewandt, elektromotorisch angetriebene Verfahrräder 3 sowie bevorzugt eine über die Unterkante des Chassisbodens hinausragende, gleichfalls elektromotorisch angetriebene Bürste trägt. Das Chassis ist überfangen von einer Gerätehaube 4, wobei das Gerät einen kreisförmigen Grundriss aufweist Bezüglich der Ausgestaltung des Gerätes 1 als Saug- und/oder Kehrgerät wird bspw. auf die eingangs aufgeführte DE 102 42 257 A1 verwiesen.
• Weiter kann, wenngleich nicht dargestellt, das Gerät 1 zusätzlich oder auch alternativ zu der Bürste eine Saugmundöffnung aufweisen. In diesem Fall ist in dem Gerät 1 weiter ein Sauggebläsemotor angeordnet, der elektrisch betrieben ist.
• Die Elektroversorgung der einzelnen Elektrokomponenten des Gerätes 1 wie für den Elektromotor der Verfahrräder 3, für den Elektroantrieb der Bürste, ggf. für das Sauggebläse und darüber hinaus für die weiter vorgesehene Elektronik in dem Gerät 1 zur Steuerung desselben erfolgt über einen nicht dargestellten, wieder aufladbaren Akkumulator.
• Das Gerät 1 ist weiter mit einer Abstands-/Hinderniserkennung A in Form eines berührungsfrei arbeitenden Sensors 5 versehen, aufweisend eine Lichtstrahl-Aussendevorrichtung und eine Lichtstrahl-Empfangsvorrichtung. Dieser Sensor 5 ist oberseitig der Gerätehaube 4 des Gerätes 1 angeordnet und um eine vertikale Achse d, welche zugleich die Zentralvertikalachse des Gerätes 1 darstellt, drehbar. Der Sensor 5 besteht bevorzugt aus einem Triangulationssystem, mittels welchem eine Rundum-Abstandsmessung (über 360° um die Achse d, Pfeil r in 1) durchgeführt werden kann.
• Mit Hilfe des Sensors 5 ist zunächst eine Hinderniserkennung erreicht, dies zufolge rotierender Abtastung in einer bevorzugt horizontalen Abtastebene, d. h. in einer zu dem Boden 2 parallel verlaufenden Ebene, so dass das Gerät 1 kollisionsfrei sich auf dem Boden 2 bzw. in seiner Umgebung bewegen kann Darüber hinaus ist, wie weiter bevorzugt, über den Sensor 5 eine Rundum-Abstandsmessung der Umgebung ermöglicht, wobei die hierbei ermittelten Entfernungswerte zu Hindernissen und Wänden in der Umgebung bevorzugt zur Erstellung einer Kartendarstellung K des gesamten Gebietes genutzt werden, welche Kartendarstellung K in dem Gerät 1 abgespeichert und hinterlegt wird.
• In 2 ist schematisch der Grundriss eines von dem Gerät 1 bspw. zur Bodenabreinigung zu befahrenden Raumes R dargestellt. Zufolge der Rundum-Abstands-/Hinderniserkennung A wird im Zuge bspw. einer ersten Lernfahrt eine Kartendarstellung K gemäß 3 erstellt, wobei Hindernisse wie Raumbegrenzungen 6 als auch Vorsprünge 7 sowie in der Abtastebene sich befindliche Abschnitte von Möbeln 8 sich als Hindernisse in der Kartendarstellung K niederschlagen In der Kartendarstellung K sind bevorzugt freie Flächen hell dargestellt, Hindernisse H hingegen dunkel.
• Bevorzugt vor einer ersten freien Fahrt des Gerätes 1 in dem Raum R wird die Kartendarstellung K zunächst mittels eines Rasters 9 in gleich große Teilbereiche 10 unterteilt, bevorzugt in quadratische Teilbereiche mit einer Kantenlänge von 20 bis 60 mm, weiter bevorzugt 40 mm. Den Teilbereichen 10 werden hiernach bevorzugt zunächst Zahlen zugewiesen, bspw. die Zahl 255 (hell), wenn der Teilbereich 10 frei ist, die Zahl 0 (dunkel), wenn der Teilbereich durch ein Hindernis H belegt ist, weiter mit Zahlen zwischen 0 und 255 für verschiedene Graustufen.
• Ausgehend von jedem Teilbereich 10, insbesondere freien Teilbereich 10, wird hiernach zunächst ein Kartenausschnitt K_A definiert wobei die jeweilige Kantenlänge bevorzugt angepasst ist an den Erfassungsbereich der Hinderniserkennung A. Damit jeder Teilbereich 10 rotationsinvariant, also unabhängig von der derzeitigen Ausrichtung des Gerätes 1 ist, werden die Ecken der quadratischen Kartenausschnitte K_A verdunkelt bzw. ausgeblendet, so dass sich hiernach ein rotationsinvarianter Karten Kreisausschnitt K_KA mit dem zugeordneten Teilbereich 10 als Mittel ergibt (vgl. 4).
• Von jedem Teilbereich 10 ausgehend wird in einer vorgegebenen Anzahl von Winkeln, bevorzugt 360 Winkel, insgesamt um 360° um den Teilbereich 10 herum der Abstand a zum nächsten Hindernis H innerhalb des Karten-Kreisausschnittes K_KA berechnet, dies bevorzugt unter Nutzung des Bresenham-Algorithmus. Der maximale Abstand a ist entsprechend begrenzt durch den Karten-Kreisausschnitt K_KA gleich dem Radius des Kreisausschnittes.
• Aus der Summe der Abstände a (bevorzugt 360 Abstandsmessungen um den Teilbereich 10 herum) wird bevorzugt der Durchschnittswert errechnet und die so theoretisch berechnete Zahl 11 dem zugeordneten Teilbereich 10 zugewiesen und abgespeichert. Diese Abstandsberechnung erfolgt für jeden Teilbereich 10 der Kartendarstellung K (5 zeigt schematisch die Belegung mehrerer Teilbereiche 10 mit zugeordneten theoretisch berechneten Zahlen 11).
• Wird das die Kartendarstellung K mit den mit Kennzahlen belegten Teilbereichen 10 belegte Gerät 1 bspw. durch Tragen auf dem Boden 2 des Raumes R abgestellt, so muss sich das Gerät 1 zunächst orientieren, entsprechend zunächst seine aktuelle Position innerhalb der Kartendarstellung K ermitteln Dies erfolgt gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren zufolge einer Rundum-Abstandsmessung mittels der geräteseitigen Hinderniserkennung A während des Stillstandes des Gerätes. Mittels der Hinderniserkennung A wird rundum, d. h. über 360° um die Drehachse d in der gleichen Winkelanzahl wie bei der theoretischen Rundum-Abstandsmessung der jeweilige Abstand zu Hindernissen (bspw. Raumbegrenzungen 6 und/oder Möbel 8) vorgenommen, dies weiter bevorzugt gleichfalls unter Berücksichtigung der bevorzugt vorgegebenen maximalen Reichweite der Abstandssensorik.
• Die hierbei ermittelten Abstandswerte zu Hindernissen werden mit demselben Algorithmus, bevorzugt dem Bresenham-Algorithmus, berechnet. Aus der Summe der Abstände wird abschließend bevorzugt der Durchschnittswert errechnet und die so gefundene Zahl mit der Vielzahl von theoretisch berechneten Zahlen 11 in der Kartendarstellung K verglichen.
• Teilbereiche 10, deren Zahl 11 nicht mit der zufolge Rundum-Abstandsmessung mittels der Hinderniserkennung A gefundenen Zahl übereinstimmen (ggf. unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Bandbreite) werden, sofern nicht hiernach eindeutig ein Teilbereich 10 identifiziert ist, zur weiteren Positionsbestimmung ausgeschlossen. Dies ist schematisch in 7 durch die schraffierten Teilbereiche 10 dargestellt Die nicht schraffierten Teilbereiche 10 stellen entsprechend mögliche Positionen des Gerätes 1 dar, wobei weiter in 7 mit x die derzeit eingenommene Position des Gerätes 1 dargestellt ist.
• Ist hiernach der verbleibende Bereich (eingeschränkte Teilbereiche 10) von möglichen Positionen des Gerätes 1 innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite, so wird hiernach mittels einer üblichen Bestimmung zur Selbstlokalisierung, bevorzugt unter Nutzung des SLAM-Verfahrens, die tatsächliche Position des Gerätes 1 bestimmt.
• Zur weiteren Eingrenzung der möglichen Gerätepositionen und somit zur weiteren Minimierung von Rechenleistung beim möglichen anschließenden SLAM-Verfahren, kann das Gerät 1 gemäß der schematischen Darstellung in 8 innerhalb des Bereiches von Teilbereichen 10 möglicher Gerätepositionen verfahren, um in einer zweiten Geräteposition x₁ erneut eine Rundum-Abstandsmessung mittels der Hinderniserkennung A durchzuführen, wonach auch hier die ermittelten Abstandswerte zu einem Durchschnittswert berechnet werden und mit den Zahlen 11 der verbleibenden Teilbereiche 10 verglichen werden. Dies führt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zu einer weiteren Einschränkung der möglichen Gerätepositionen (helle Teilbereiche 10 in 8).
• Bei dem bevorzugt anschließenden SLAM-Verfahren zur bevorzugt exakten Bestimmung der Geräteposition werden bevorzugt gestreute Partikel, die außerhalb der möglichen Geräteposition (außerhalb der hellen Teilbereiche 10 in den 7 oder 8) liegen, für die weitere Berechnung ausgeblendet. Alternativ werden in den nicht relevanten Teilbereichen 10 (schraffierte Teilbereiche 10 in den 7 oder 8) keine Partikel gestreut.
• Um die Rechenleistung sowohl bei der Ermittlung der Teilbereichs-Zahlen 11 als auch bei der Rundum-Abstandsmessung mittels der Hinderniserkennung A und beim anschließenden Vergleich der Zahlen weiter zu reduzieren, werden nicht alle Rundum-Abstandswerte (bspw. 360 Abstandswerte) verarbeitet, sondern lediglich Extrema, so weiter bspw. lediglich maximale Abstandswerte a_max und minimale Abstandswerte a_min (vergl 4).
• Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollihaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren in ihrer fakultativ nebengeordneten Fassung eigenständige erfinderische Weiterbildung des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
• Bezugszeichenliste

1

Gerät

2

Boden

3

Verfahrrad

4

Gerätehaube

5

Sensor

6

Raumbegrenzung

7

Vorsprung

8

Möbel

9

Raster

10

Teilbereich

11

Zahl

a

Abstand

a_max

maximaler Abstand

a_min

minimaler Abstand

d

Drehachse

r

Pfeil

x

Geräteposition

x₁

zweite Geräteposition

A

Hinderniserkennung

H

Hindernis

K

Kartendarstellung

K_A

Kartenausschnitt

K_KA

Karten-Kreisausschnitt

R

Raum

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 2008014912 A1 [0002]
• DE 10242257 A1 [0024]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Artikel „Simultaneous Lokalisation and Mapping (SLAM)” Hugh Durrant Whyte, Fellow, IEEE and Tim Bailey, Part I, erschienen im Magazin „Robotics & Automation Magazine, IEEE”, Juni 2006 [0006]

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung der Position eines selbsttätig verfahrbaren Geräts (1), insbesondere selbsttätig verfahrbares Bodenstaub-Aufsammelgerät, mit vorzugsweise elektromotorisch angetriebenen Verfahrrädern (3), wobei das Gerät (1) mit einer Hinderniserkennung (A) versehen ist, die aus optischen Sende- und Empfängereinheiten besteht, wobei weiter das Gerät (1) über eine Kartendarstellung (K) der Umgebung, in der das Gerät (1) eingesetzt werden soll, verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kartendarstellung (K) mittels eines Rasters (9) in Teilbereiche (10) aufgeteilt wird und dass zu jedem Teilbereich (10) über 360° die Entfernungen (Abstände a) oder auf Basis von Entfernungswerten abgeleitete Größen zu Hindernissen (H) berechnet werden, soweit diese sich innerhalb einer vorgegebenen Entfernung befinden, und dass von den berechneten Entfernungen (Abstände a) oder abgeleiteten Größen über einen Algorithmus eine den Teilbereich (10) kennzeichnende Zahl (11) berechnet wird, dass weiter das Gerät (1) zur Bestimmung seiner tatsächlichen Position an einem Ort innerhalb der vorhandenen Kartendarstellung (K) eine Rundumabtastung mittels seiner Hinderniserkennung (A) vornimmt und in gleicher Weise die hierbei gemessenen Entfernungen mit demselben Algorithmus bewertet und die so gefundene Zahl mit der Vielzahl von theoretisch berechneten Zahlen (11) vergleicht und Teilbereiche (10), die außerhalb einer vorgegebenen Bandbreite liegen als mögliche aktuelle Positionen des Gerätes (1) ausschließt, wobei weiter ausgehend von den verbliebenen möglichen Teilbereichen (10) mittels üblicher Bestimmung zur Selbstlokalisierung (SLAM) der, der tatsächlichen Position entsprechende Teilbereich (10) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät (1) vor der Berechnung oder nach einer ersten Berechnung eine Verfahrbewegung durchführt, um hiernach ein weiteres Mal die dann gefundene Zahl mit der Vielzahl von theoretisch berechneten Zahlen (11) zu vergleichen.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät (1) vor der Berechnung oder nach einer ersten Berechnung zu einer Wand verfährt und dort den Vergleich durchführt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass nicht alle Entfernungswerte (Abstände a) berechnet werden sondern nur bspw. maximale (maximaler Abstand arm) und minimale Entfernungswerte (minimaler Abstand a_min).

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