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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lokalisierung und Navigation von einfachen und kostengünstigen autonomen Fahrzeugen.
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An Orten, bei denen autonome Fahrzeuge zum Transport von Gütern zum Einsatz kommen werden die Fahrzeuge sehr häufig durch Schienen geleitet. Teilweise werden diese in Form von Metallschienen im Boden verlegt oder beispielsweise als farbige Markierungen, oft in Form von Linien, auf dem Boden aufgebracht. Anhand dieser Schienen kann das autonome Fahrzeug zwar die Spur halten, es fehlt jedoch die Möglichkeit der Navigation und der Lokalisierung der Fahrzeuge. Diese werden bislang durch zusätzliche Systeme gelöst, meist bei gleichzeitiger Erhöhung der ”Intelligenz” bzw. der autonomen Fähigkeiten der Fahrzeuge. Sollen sehr viele kostengünstige autonome Fahrzeuge zum Einsatz kommen, wie dies beispielsweise bei der Gepäck- oder Güterbeförderung auf einem Flughafen der Fall sein könnte, sind die Kosten für die zusätzlichen Sensor- und Lokalisierungssysteme aufgrund der hohen Stückzahl ungünstig.
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Die bisherigen autonomen Fahrzeuge, die sich entlang von ”Führungsschienen” fortbewegen, müssen mit so viel Intelligenz ausgestattet werden, dass neben dem ”Spur halten” auch die Navigation durch das autonome Fahrzeug erledigt wird. Darüber hinaus muss den autonomen Fahrzeugen für die Routenplanung ihre aktuelle Position bekannt sein. Die Position wird anhand einer a-priori bekannten Landkarte und einem Lokalisierungssystem berechnet.
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Bisherige Systeme, die ”Führungsschienen” benutzen sind nicht flexibel erweiterbar, da das Verlegen von zusätzlichen ”Fahrbahnen” einen enormen Aufwand nach sich zieht. Die veränderte Topologie muss den autonomen Fahrzeugen mitgeteilt werden, damit diese die zusätzlichen Optionen in der Planung einbeziehen können.
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Werden Fahrzeuge eingesetzt, die mehr Autonomie besitzen und sich weitestgehend selbständig in ihrer Umgebung zurechtfinden können, ist der finanzielle Aufwand für die notwendige Sensorik und Intelligenz in einer Serienproduktion mit großen Stückzahlen nicht wirtschaftlich.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2009 031 019 A1 (2009P10843DE) ist eine personalisierte Führung von Personen anhand von Displays und Lichtmarken bekannt, die insbesondere im Fußboden integriert sind.
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Die Firma Vorwerk hat 2004 den ”Thinking Carpet” vorgestellt. (z. B. www.vorwerk-teppich.de/sc/vorwerk/thcarper_orgatech_en.html) Dabei soll der Fußboden mit Sensoren ausgerüstet werden, die an einem zentralen Rechner angeschlossen sind, um ebenfalls Personen in verschiedenen Situationen zu helfen. Beispielsweise können auf diese Weise Personen gewarnt werden, wenn sie einen Sicherheitsbereich betreten. Oder es kann ein Notdienst alarmiert werden, wenn durch integrierte Drucksensoren erkannt wurde, dass eine Person am Boden liegt.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Lokalisierung und Navigation von autonomen Fahrzeugen anzugeben, bei der die autonomen Fahrzeuge hinsichtlich des Aufwands für Lokalisierung und Navigation möglichst einfach ausgestattet werden können und bei der die Topologie der Fahrstrecken möglichst im laufenden Betrieb veränderbar ist ohne dass die Autonomen Fahrzeuge in irgendeiner Weise neue Information über diese Änderungen benötigen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und Verfahren zu deren Betrieb.
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Die Erfindung betrifft im Wesentlichen eine Vorrichtung zur Lokalisierung und Navigation von autonomen Fahrzeugen in Form einer „intelligenten Fahrspur”, wobei die ”Intelligenz” von den Fahrzeugen und der Umgebung in ein Band zur Markierung des Streckenverlaufes verlagert ist.
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Das Gesamtsystem ist relativ fehlertolerant und ermöglicht einerseits eine sehr einfache Installation sowie eine einfache Änderung von Fahrspuren im laufenden Betrieb und andererseits relativ einfache autonome Fahrzeuge, die nur der intelligenten Fahrspur selbständig folgen können müssen bzw. kostengünstige Fahrzeuge, die auch keine weiteren Lokalisierungs- oder Navigationssysteme benötigen.
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Eine Lokalisierung und Navigation ist möglich ohne dass dabei ein Bezug zur tatsächlichen Position eines Fahrzeugs in der realen Welt hergestellt werden muss und für ein Routing der Fahrzeuge ist eine Korrelation der aktuellen Position eines Fahrzeugs mit der Position des Fahrzeugs in der realen Welt nicht erforderlich – das autonome Fahrzeug muss noch nicht einmal eine Karte seiner Umgebung besitzen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Dabei zeigt
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1 eine Darstellung eines schematischen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Recheneinheiten,
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2 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich einer einzelnen Recheneinheit mit Spannungsversorgung- und Kommunikationsleitungen und
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3 eine Darstellung zur Erläuterung des Aufbau einer Abzweigung.
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1 zeigt eine Vorrichtung in der Form eines Bandes zur Markierung des Streckenverlaufes, wobei das Band a Recheneinheiten b und Kommunikations-/Stromversorgungs-Verbindungen c aufweist und wobei das Band aus mindestens einer unteren Schicht, einer Zwischenschicht und aus einer Oberschicht aufgebaut ist, die so übereinander angeordnet sind, dass die Recheneinheiten und die Leitungen für die Stromversorgung und Kommunikation in Zwischenschicht vor äußeren Einflüssen geschützt sind.
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Optional kann eine unterste Schicht eine Klebeschicht sein, mit der das Band am Boden beim Verlegen fixierbar ist.
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Als oberste Schicht kann optional eine farbige Schicht zur visuellen Markierung des Streckenverlaufes kommen.
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2 zeigt die Vorrichtung im Bereich einer einzelnen Recheneinheit 2 mit Spannungsversorgungsleitungen 5 und Kommunikationsleitungen 6, wobei diese Elemente im Band a bzw. hier 1, wie oben beschrieben, eingebracht sind.
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Durch die Versorgungsleitungen 5 wird die Recheneinheit 2 mit der notwendigen Energie versorgt. Der physikalische Kommunikationsweg 6, der entweder als Eindraht- oder Mehrdrahtlösung ausgeführt werden kann, dient nebeneinander liegenden Recheneinheiten als Kommunikationsmedium. Die Kommunikationsleitungen sind so ausgelegt, dass jeweils nur benachbarte Recheneinheiten miteinander kommunizieren.
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Die Recheneinheit 2 weist einen Mikrocontroller 3 und ein Funkmodul 4, z. B. ein RFID- oder MSIBand-Modul, auf.
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Der Mikrocontroller 3 übernimmt die Berechnung der lokalen Navigationsinformation für ein autonomes Fahrzeug unter Einbeziehung der Informationen der benachbarten Recheneinheiten.
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Das Funkmodul ist für die Kommunikation mit den autonomen Fahrzeugen zuständig.
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Die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Recheneinheit kann sich vorteilhafter Weise auf wenige Daten beschränken. Das Fahrzeug übermittelt einem jeweiligen Knoten, also der ihm geographisch am nächsten liegenden Recheneinheit, sein Ziel. Der jeweilige Knoten übermittelt dem Fahrzeug daraufhin den für ihn am besten geeigneten Weg. Die besten Wege zu einem Ziel werden von allen Konten anhand der aktuellen Situation ständig neu berechnet. Somit kann sehr schnell und flexibel auf geänderte Lastsituationen auf bestimmten Strecken reagiert werden, indem beispielsweise Ausweichrouten für Fahrzeuge angeboten werden, um die Belastung möglichst gleichmäßig zu verteilen bei gleichzeitiger Maximierung des Durchsatzes.
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Für das Verlegen des Bandes wird das Band beispielsweise von einer Rolle abgerollt und auf dem Boden verlegt. Dadurch entsteht zunächst eine lineare Anordnung der Recheneinheiten, bei der jeweils zwei im Band benachbarte Recheneinheiten miteinander kommunizieren können. Darüber hinaus sind auf Basis eines solchen Bandes auch Abzweigungen oder Zusammenführungen möglich.
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zeigt exemplarisch den Aufbau einer solchen Abzweigung, wobei ein zweites Band 1a auf das erste Band 1 gelegt wird und durch Eindrücken eines jeweiligen Kontaktstiftes 7, beispielsweise in Form einer passenden Nadel, an den Stromleitungen 5 und der Kommunikationsleitung 6 eine physikalische Verbindung zwischen drei oder mehr benachbarten Recheneinheiten 2 hergestellt wird.
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Durch das Verlegen des Bandes bzw. der „intelligenten Fahrspur” entsteht eine virtuelle Topologie, bei der benachbarte Recheneinheiten, also Knoten eines Netzwerks, miteinander kommunizieren können. Bestimmte Knoten sind dabei als Zielkonten festlegbar, indem ihnen eine besondere Bedeutung zugewiesen wird. Durch Propagation dieser Information von einem Knoten zum nächsten sind die Recheneinheiten in der Lage jeweils lokale Entscheidungen zu treffen wie ein autonomes Fahrzeug vom aktuellen Knoten zu einem gesuchten Ziel gelangen kann.
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Die Topologie wird von den Recheneinheiten aufgebaut, indem jede Recheneinheit seine Nachbarn frägt, welche Ziele über diesen Weg erreichbar sind. Die Liste der über einen Knoten erreichbaren Ziele kann dabei als Positiv- oder Negativliste hinterlegt sein. Bei Verzweigungen besitzt ein Knoten mehr als zwei direkte Nachbarn, die er nach den erreichbaren Zielen befragen kann.
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Die Lokalisierung eines autonomen Fahrzeugs erfolgt durch Kommunikation zwischen einer Recheneinheit und einem Fahrzeug. Hierzu besitzen sowohl das Autonome Fahrzeug als auch das Band bzw. die ”Intelligente Fahrspur” jeweils ein Funkmodul, z. B. ein RFID-Modul, mittels dessen beide miteinander Informationen austauschen können. Es genügt, wenn das autonome Fahrzeug dem Knoten seine ID und sein gesuchtes Ziel übermittelt. Anhand dieser Information und den lokal vorhandenen Zieltabellen kann die Recheneinheit eine Entscheidung treffen, welchen Weg ein Fahrzeug einschlagen soll, sofern es sich an einer Abzweigung befindet.
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Tauschen benachbarte Knoten bzw. Recheneinheiten Informationen aus, wenn ein Fahrzeug seine Daten an den Knoten übermittelt hat, können daraus weitere interessante Informationen gewonnen werden. Beispielsweise kann daraus die Geschwindigkeit des Fahrzeuges berechnet werden, der Abstand zwischen Fahrzeugen oder die Gesamtbelegung einer Strecke, die wiederum als Wertvolle Information für das Routing der Fahrzeuge genutzt werden kann.
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Das Routing der autonomen Fahrzeuge übernimmt das Band bzw. die ”intelligente Fahrspur”, indem es dem Fahrzeug per Funkmodul mitteilt, welches der am besten geeignete Weg wäre, um das gesuchte Ziel zu erreichen. Bei der Berechnung dieser Information können unterschiedliche Informationen benutzt werden, wie beispielsweise die Durchschnittsgeschwindigkeit, die Anzahl der Fahrzeuge oder die Verfügbarkeit von Überholspuren auf bestimmten Strecken etc. Das Fahrzeug selbst muss lediglich in der Lage sein der ”intelligenten Fahrspur” zu folgen und Abzweigungen und Zusammenführungen zu erkennen und richtig zu nutzen.
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Wie bereits erwähnt, sind die jeweils benachbarten Rechenknoten mit einer Kommunikationsleitung miteinander verbunden, wodurch Informationen mit dem direkten Nachbar ausgetauscht werden können. Die Anschlüsse der Kommunikationsleitungen an den Recheneinheiten sind physikalisch so ausgelegt, dass bei Ausfall einer Recheneinheit die Kommunikationsleitung ”durchgeschleift” wird. Damit wird eine direkte physikalische Verbindung zum übernächsten Knoten erstellt, der dann die Aufgabe des vorherigen Nachbars übernimmt. Damit entsteht eine fehlertolerante Infrastruktur, die auch den Ausfall oder das bewusste Abschalten mehreren Knoten erlaubt. Die Recheneinheiten erkennen den Ausfall einer anderen Recheneinheit dadurch, dass eingehende Nachrichten des Nachbarknotens plötzlich eine andere ID besitzen als zuvor. Fällt ein Knoten auf einer Strecke ohne Abzweigung aus, ergibt sich keine große Veränderung.
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Lediglich bestimmte Parameter wie beispielsweise die Geschwindigkeit der Fahrzeuge müssen dann auf der Teilstrecke ggf. anders berechnet werden. Relevant wird der Ausfall eines Knotens erst, wenn er ein direkter Nachbarknoten einer Abzweigung oder Zusammenführung war. Dann müssen die entsprechenden Routing-Tabellen aktualisiert werden, da sich die Anzahl der Nachbarknoten verändert hat.
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Optional wird die virtuelle Topologie und die aktuelle Position der autonomen Fahrzeuge durch Anschluss einer externen Kommunikationseinheit abgefragt und visualisiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009031019 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- www.vorwerk-teppich.de/sc/vorwerk/thcarper_orgatech_en.html [0007]
