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Die Erfindung betrifft einen selbstfahrenden Roboter, insbesondere ein selbstfahrendes Bodenbearbeitungsgerät, der bzw. das eine Kamera zur Aufnahme von Bildern einer Umgebung des Roboters und eine Steuereinrichtung zur Auswertung der Bilder der Kamera aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung einer Neigung eines derartigen selbstfahrenden Roboters.
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Selbstfahrende Roboter dienen der automatisierten Verrichtung von nicht ortsgebundenen Tätigkeiten. In Form von selbstfahrenden Bodenbearbeitungsgeräten dienen solche Roboter der automatisierten Bearbeitung, beispielsweise Reinigung, von Flächen, ohne dass sie von einem Benutzer geschoben oder geführt werden müssen. Zu solchen selbstfahrenden Bodenbearbeitungsgeräten zählen für den Innenbereich beispielsweise selbstfahrende Staubsauger, auch Saugroboter genannt. Weiterhin werden für den Innenbereich selbstfahrende Reinigungsgeräte zum Wischen von Bodenbelägen eingesetzt. Für den Außenbereich sind als selbstfahrende Bodenbearbeitungsgeräte Mähroboter zum Rasenmähen bekannt und, für eine landwirtschaftliche Nutzung, selbstständig arbeitende Landwirtschaftsmaschinen, beispielsweise zum Pflügen, Säen oder Ernten von großen Feldern.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2007 016 802 B3 ist beispielsweise ein selbstfahrender Roboter bekannt, der eine Kamera aufweist, von der in regelmäßigen Zeitabständen Bilder der Umgebung des Roboters aufgenommen und gespeichert werden. Durch einen Vergleich von aktuellen mit gespeicherten Bildern kann durch ein sogenanntes visuelles Homing-Verfahren eine odometrisch, also über Fahrinformationen der Antriebsräder, bestimmte Position des Roboters korrigiert werden. Weiter kann die Kamera zu Navigationszwecken verwendet werden.
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Die Druckschrift
DE 101 33 761 A1 offenbart ein Verfahren zur virtuellen Lagebestimmung eines Fahrzeugs auf der Grundlage von aufgenommenen Umgebungsbildern. Über die Bestimmung der Lage wird der störende Einfluss der Verdrehung eines Fahrzeugs um dessen Querachse auf die Entfernungsskalierung von Fahrerassistenzsystemen korrigiert. Aus der Druckschrift
US 6 296 317 B1 ist eine Bergbaumaschine bekannt, die ebenfalls eine virtuelle Lagebestimmung auf der Grundlage von aufgenommenen Umgebungsbildern durchführt. Die sukzessiv aufgenommenen Bilder, beleuchtet durch unterschiedlich polarisierte Lichtquellen, werden dazu eingesetzt Position und Ausrichtung der Bergbaumaschine zu berechnen, um deren Steuerung zu verbessern.
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Zur Durchführung einer kameragestützten Positionsbestimmung oder Navigation ist es sinnvoll oder gar unerlässlich, Informationen über eine Neigung des selbstfahrenden Roboters gegenüber seiner normalen horizontalen Ausrichtung zu erhalten. Solche Informationen dienen beispielsweise einem Schutz vor einem drohenden Umkippen, falls der Roboter z.B. mit einem seiner Ränder auf ein schräges Hindernis auffährt. Weiterhin werden Neigungsinformationen benötigt, um die für die Positionsbestimmung oder die Navigationsaufgaben aufgenommenen Umgebungsbilder entsprechend korrigieren zu können. Informationen über die Neigung können dabei einen Neigungswinkel gegenüber einer horizontalen Ausrichtung sowie eine Neigungsrichtung, in der die Neigung erfolgt, umfassen.
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Zur Messung der Neigung werden üblicherweise zwei oder drei eindimensionale Beschleunigungssensoren eingesetzt. Bei diesen wird eine typischerweise gedämpft aufgehängte Masse verwendet, die durch eine Lageveränderung und/oder durch eine wirkende Beschleunigung aus ihrer Ruhelage ausgelenkt wird. Die Auslenkung wird auf kapazitivem oder piezoelektrischem Weg erfasst und in Form eines üblicherweise analogen Signals ausgegeben. Das ausgegebene Signal wird in der Steuereinrichtung des selbstfahrenden Roboters in ein digitales Signal umgewandelt und als Beschleunigungsinformation oder - wenn der selbstfahrende Roboter in Ruhe ist oder eine gleichförmige Bewegung ausführt - als Information über die Neigung ausgewertet. Bei zwei oder drei vorgesehenen eindimensionalen (linearen) Beschleunigungssensoren sind entsprechend auch zwei oder drei analoge Eingangskanäle der Steuereinrichtung für diesen Zweck vorzuhalten. Alternativ kann eine Analog-Digital-Wandlung auch in einem separaten Baustein erfolgen, wobei ein digitales Ausgangssignal des oder der Wandler dann der Steuereinrichtung übertragen wird.
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Zur Neigungsmessung werden bei diesem Verfahren somit nicht nur die Beschleunigungssensoren benötigt, sondern zusätzlich freie Schnittstellen an der Steuereinrichtung des Roboters und ggf. zusätzliche Analog-Digital-Wandler. Zudem sind die gewonnenen Informationen zur Neigung u.U. zeitlich nicht synchron zu den von der Kamera aufgenommenen und zur Positionsbestimmung und/oder Navigation verwendeten Bildern. Wenn die Neigungsinformationen zur Korrektur der Umgebungsbilder bei deren Auswertung verwendet werden, kann die fehlende zeitliche Synchronisation zwischen der Neigungsmessung und der Aufnahme des Umgebungsbilds zu Fehlern bei dieser Korrektur führen. Außerdem können Neigungsinformationen nur bei einem Stillstand oder bei gleichmäßiger Geradeausfahrt bestimmt werden, da sie andernfalls durch die Beschleunigung des Roboters verfälscht sind.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen selbstfahrenden Roboter und ein Verfahren zur Bestimmung einer Neigung eines derartigen Roboters zu schaffen, bei dem eine Neigungsmessung mit geringem zusätzlichen Material und damit Kostenaufwand durchgeführt werden kann. Weiter soll die Neigungsmessung möglichst zeitsynchron mit einer Aufnahme von Umgebungsbildern erfolgen und unabhängig vom Bewegungszustand des Roboters sein.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Neigung eines selbstfahrenden Roboters und einen selbstfahrenden Roboter mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung einer Neigung eines selbstfahrenden Roboters weist der Roboter eine Kamera zur Aufnahme von Bildern einer Umgebung des Roboters und eine Steuereinrichtung zur Auswertung der Bilder der Kamera auf. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Es werden zumindest zwei Bilder der Umgebung des Roboters durch die Kamera aufgenommen, wobei zumindest eines der Bilder aufgenommen wird, wenn sich der selbstfahrende Roboter in einer Referenzlage befindet. Es werden charakteristische Merkmale in den zumindest zwei Bildern identifiziert und eine Neigung des selbstfahrenden Roboters relativ zu der Referenzlage anhand eines Vergleichs der Position und/oder Ausrichtung der charakteristischen Merkmale in den zumindest zwei Bildern bestimmt.
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Erfindungsgemäß wird also eine ohnehin bei dem Roboter vorhandene Kamera benutzt, um mithilfe einer Bildanalyse eine Neigung des Roboters zu bestimmen. Eine derartige Bildanalyse kann durch die ebenfalls ohnehin vorhandene Steuereinrichtung des Roboters durchgeführt werden. So kann die Neigung des Roboters bestimmt werden, ohne dass zusätzliche Hardware benötigt wird. Zudem wird die Neigung zu genau dem Zeitpunkt bestimmt, zu dem auch das Kamerabild der Umgebung erfasst wird. Wird die ermittelte Neigung dann im Rahmen der Auswertung des Kamerabilds zur Positionsbestimmung und/oder Navigation und/oder Hinderniserkennung verwendet, ist die zeitliche Übereinstimmung von Neigungsmessung und dem aufgenommenen Umgebungsbild gewährleistet. Ein weiterer Vorteil ist, dass die so bestimmte Neigung unabhängig vom Fahrzustand des Roboters ermittelt werden kann. Insbesondere kann die Neigung auch dann ermittelt werden, wenn der Roboter eine Beschleunigung erfährt, also anfährt, abbremst oder eine Kurve fährt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden als charakteristische Merkmale Abbilder von Kanten und/oder Ecken und/oder weitere prominente Merkmale innerhalb der Umgebung des Roboters identifiziert. Derartige Merkmale können leicht durch Bildanalyseverfahren in einem Bild ausfindig gemacht werden. Insbesondere bei Kanten kann durch einen Vergleich der Ausrichtung der Kanten im Bild leicht die unterschiedliche Verkippung des Roboters während der Bildaufnahme und somit die Neigung des Roboters relativ zur Referenzlage berechnet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird als Referenzlage eine Position des Roboters in oder an einer Ladestation gewählt. In der Referenzlage ist der Roboter bevorzugt möglichst horizontal ausgerichtet. Da die Ladestation typischerweise nicht auf einer Teppichkante o.ä. positioniert wird, sondern beispielsweise auf einem freien und ebenen Bereich eines Bodens, ist die Ladestation gut zur Festlegung der Referenzlage geeignet.
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Bei einem erfindungsgemäßen Roboter, insbesondere selbstfahrenden Bodenbearbeitungsgerät, der eingangs genannten Art ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, in zumindest zwei von der Kamera aufgenommenen Bildern der Umgebung des Roboters, von denen zumindest eines in einer Referenzlage aufgenommen ist, charakteristische Merkmale zu identifizieren und eine Neigung des selbstfahrenden Roboters relativ zu der Referenzlage anhand eines Vergleichs der Position und/oder Ausrichtung der charakteristischen Merkmale in den zumindest zwei Bildern zu bestimmen. Es ergeben sich die zuvor im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einer Figur näher erläutert. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Bodenbearbeitungsgeräts zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der Figur ist ein mobiles Bodenbearbeitungsgerät, konkret ein Saugroboter 1, als Beispiel für einen selbstfahrenden Roboter schematisch in einer Seitenansicht dargestellt. Der Saugroboter 1 weist angeordnet an bzw. in einem Gehäuse 2 ein Antriebssystem 3 auf, das auf zwei Antriebsräder 4, eins auf jeder Seite des Saugroboters 1, wirkt. Die Antriebsräder 4 können unabhängig voneinander über hier nicht einzeln dargestellte Antriebsmotoren angetrieben werden. Weiter ist ein Stützrad 5 vorgesehen, das entweder verschwenkbar oder als eine in alle Richtungen drehbare Kugel ausgebildet ist. Bei voneinander unabhängiger Ansteuerung der Drehrichtungen und Drehgeschwindigkeiten der Antriebsräder 4 kann der Saugroboter 1 Bewegungen mit unabhängig voneinander einstellbaren Rotations- und Translationsgeschwindigkeiten auf einer zu reinigenden Fläche ausführen.
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Weiterhin ist ein Saugbereich 6 in der Figur angedeutet, in dem nicht dargestellte Saugdüsen angeordnet sind, die beispielsweise in bekannter Weise mit einem Filtersystem, zum Beispiel einem Staubsaugerbeutel, mit einem Gebläsemotor zusammenwirken. Unterstützend ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Saugbereich 6 eine rotierende Bürste angeordnet. Der Saugbereich 6 mit der rotierenden Bürste repräsentiert die Reinigungseinrichtungen des Saugroboters 1. Weitere für den Betrieb des Saugroboter 1 vorhandene Elemente, beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie zur Stromversorgung, Ladeanschlüsse für die Batterie oder eine Entnahmemöglichkeit für den Staubsaugerbeutel, sind in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht wiedergegeben.
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Der Saugroboter 1 weist eine Steuereinrichtung 7 auf, die mit dem Antriebssystem 3 sowie den Reinigungseinrichtungen zu deren Steuerung verbunden ist. Auf der Oberseite des Saugroboters 1 ist eine Kamera 8 angeordnet, die zur Abbildung der Umgebung des Saugroboters mit einem weiten Gesichtsfeld ausgebildet ist. Beispielhaft sind einige von der Kamera 8 aufnehmbare Abbildungsstrahlen 9 dargestellt. Die unteren der dargestellten Abbildungsstrahlen 9 kennzeichnen den Rand des Gesichtsfelds der Kamera 8. Die Kamera 8 weist ein weites Blickfeld mit einem Öffnungswinkel Θ auf, der im dargestellten Beispiel mehr als 180 Grad beträgt. Bevorzugt ist die Kamera 8 eine Panorama-Kamera, die ein 360°-Panoramabild aufzeichnen kann.
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Im Betrieb des Saugroboters 1 erfasst die Kamera 8 fortlaufend das Umfeld des Saugroboters 1 und sendet eine Folge aufgenommener Bilder als Signale an die Steuereinrichtung 7.
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Eines der Bilder wird als ein Referenzbild angesehen, das aufgenommen wird, während sich der Roboter in einer Referenzlage befindet. Diese gibt eine möglichst horizontale Ausrichtung des Roboters an, da die im Rahmen des anmeldungsgemäßen Verfahrens bestimmten Neigungen sich auf diese Referenzlage beziehen und relativ zu der Referenzlage angegeben werden. Als Referenzlage kann beispielsweise eine Position des Saugroboters 1 in einer Ladestation gewählt werden, da diese üblicherweise auf einem freien und ebenen Bereich eines Bodens aufgestellt wird. Im Referenzbild werden nun durch die Steuereinrichtung 7 charakteristische Merkmale in der Umgebung des Saugroboters identifiziert. Solche Merkmale sind vorzugsweise Kanten oder Ecken eines Raums oder von Möbeln im Raum. In der Figur sind beispielhaft zwei Kanten 10 des Raums, in dem sich der Saugroboter 1 befindet, als charakteristische und von der Kamera 8 abgebildete Merkmale dargestellt. Parameter der identifizierten Merkmale, beispielsweise die Position und/oder Ausrichtung der Merkmale, werden gespeichert.
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Die im weiteren Verlauf des Verfahrens aufgenommenen Bilder der Umgebung werden dann analogen Bildanalyseverfahren unterworfen, um die in dem Referenzbild identifizierten Merkmale auch in diesen Bildern aufzufinden und die entsprechenden Parameter der Merkmale in den weiteren Bildern zu bestimmen. Aus einem Vergleich der Parameter des Referenzbildes mit den Parametern bei einem der weiteren Bilder kann eine geänderte Ausrichtung der Kamera 8 bei Aufnahme des weiteren Bilds verglichen mit der Ausrichtung bei Aufnahme des Referenzbildes berechnet werden. Die geänderte Ausrichtung gibt die Neigung des Saugroboters 1 bezogen auf die Referenzlage an.
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Der ermittelte Wert der Neigung kann zum einen innerhalb von Sicherheitseinrichtungen, die ein Weiterfahren bei einem drohenden Kippen des Saugroboters 1 verhindern, verwendet werden oder auch zur Korrektur der Abbildungen der Umgebung des Saugroboters 1 bei der Positionsbestimmung und/oder Navigation und/oder Hinderniserkennung eingesetzt werden. Eine Bildkorrektur umfasst beispielsweise ein Entzerren eines Bilds unter Berücksichtigung der bestimmten Neigung. Zur Positionsbestimmung und/oder zur Navigation und/oder Hinderniserkennung werden dann die entzerrten Bilder verwendet.
